DE2120910B2 - Positionstableau mit markierungsstift - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionstableau mit einem Markierungsstift der im Oberbegriff des Anspruches 1 gekennzeichneten Art. Das Problem, die Lage eines Punktes in einer Ebene durch elektrische Signale darzustellen, tritt in der Technik öfter auf, und es sind dazu bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden.

Aus der GB-PS 11 20 097 ist eine widerstandsbeschichtete Tafel zur Erzeugung eines Spannungsgradienten in zwei Koordinatenrichtungen bekannt. Für jede Koordinatenrichtung ist eine Signalquelle bestimmter Frequenz vorgesehen. Ein kapazitiv ankoppelbares Abtastelement dient der Abgabe lageabhängiger Signale zur Positionsbestimmung.

Aus US-PS 29 75 235 ist ein Positionstableau bekannt, bei dem für jede Koordinatenrichliung ein mäanderförmig verlaufendes Leitungsgitter verwendet wird. Beide Gitter sind miteinander verwoben; sie werden abwechselnd mit einer Spannung beaufschlagt. Über einen Markierungsstift und eine Kontaktmembran wird eine Teilspannung zur Positionsbestimmung abgegriffen.

Es sind elektronische Schreibtafeln bekannt, auf denen ein Abtaststift mit seiner Spitze aufgesetzt oder bewegt wird. Dabei sind verschiedene Methoden zur elektronischen Auswertung der Lage des Stiftes angewendet worden. Wie bekannt, muß für die Teilung der Spannung gesorgt werden, so daß eine Potentialdifferenz zur Funktion des Ortes wird. Dies kann so geschehen, daß einer Tafelkante entlang eine Reihenschaltung von Widerständen für den Spannungsabfall sorgt. Parallele Leitungen, welche verschiedene Spannungspunkte abgreifen, leiten dann einem Gitter ähnlich diei-c Potentiale über die eine Dimension der Tafel. Zur Erzeugung eines linearen Spannungsgradienten nach diesem Verfahren sind Wert und Konstanz der verwendeten Widerstände recht kritisch.

Nach einer anderen Methode ist der Abtaststift aktiv und als Quelle eines Magnetfeldes ausgebildet. Die Tafel umfaßt dann eine Anzahl Gitter, je eines pro Bit der digitalen Positionsanzeige. Um eine gewünschte Auflösung zu erreichen, sind viele Leitungen für die Tafel erforderlich, so daß deren Herstellung teuer wird. Nach einem weiteren Vorschlag benötigi der Stift galvanischen Kontakt mit den Gitterleitungen, um Schalikreise zu schließen, denen dann die Lageinformation entnomn.en werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Positionstableau einfacher Gitterstruktur und Ansteuerung mit einem hohen Auflösungsvermögen anzugeben.

Diese Aufgabe wird in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil der Unteransprüche zu entnehmen.

Danach ergeben sich für das erfindungsgemäße Positionstableau wesentliche Vereinfachungen gegenüber dem Stand der Technik; insbesondere sind die Leitungsgitter einfach ausgebildet und nicht mehr wie bisher ineinander verwoben. Sie können dadurch leichter und billiger hergestellt werden — außerdem können aufwendige Kontaktmembranen oder ähnliches zur Auskopplung eines Positionssignals entfallen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine gitterartige, zweidimensionale Anordnung eines widerstandbehafteten Drahtes in Serpentinen;

F i g. 2 eine einzelne Drahtschleife in einem Gitter der Tafel und drei verschiedene Prüfstationen;

Fig.3 die Beziehung der Zeitintervalle, in welchen die Gitter der Tafel erregt werden und

F i g. 4 graphisch die Streufunktion des Abtastbereiches für einen kapazitiv gekoppelten Stift.

In F i g. 1 ist die Schichtstruktur der graphischen Datentafel gezeigt. Die Tafel besteht aus einem serpentinenförmigen V-Gitter 10, welches von einem ebenso geformten X-Gitter 12 überlagert wird. Über den beiden Gittern liegt darstellungsgemäß eine Deckfläche 14, die aus Plastik, Epoxydharz, Glas oder einem anderen Material bestehen kann. Die beiden Gitter 10 und 12 sind an Signalquellen 18 und Intervallschalter 59 und 61 angeschlossen.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Tafel aus einer Oberfläche von ungefähr 28 cm im Quadrat mit serpentinenförmigen Kupferdrähten 10 und 12 von etwa 0,06 mm, die so angeordnet sind, daß zwischen den Drähten ein Abstand von ungefähr 2 mm liegt. Diese Anordnung ergibt einen linearen Spannungsabfall über den Leitungen 10 und 12 mit einer minimalen Kapazität zwischen den Gittern. Durch die mäanderförmige Leiteranordnung ergibt sich auch ein Spannungsabfall von einem Mäander zum anderen in Koordinatenrichtung.

Die Leitungen können für andere Koordinatensysteme natürlich auch anders gelegt werden, als sie im Ausführungsbeispiel gezeigt sind. So kann z. B. auch eine Tafel aufgebaut werden, die in einem Polarkoordinatensystem arbeitet. Dabei müssen die Gitterieitungen

natürlich in einer dem Koordinatensystem entsprechenden Art gelegt werden. Eine weitere Änderung zur Kompensation einer ungleichmäßigen Anordnung der Leiter ist dadurch möglich, daß der spezifische Widerstand der Leiter entsprechend verändert wird.

Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 3 wird jetzt das Schalten der elektrischen Signale auf das Positionstableau beschrieben. In Fig. 1 ist oer X-Leiter mit 12 und der Y-Leiter mit 10 gekennzeichnet. An den beiden Enden des AT-Leiters liegen die Schalter 59 und 61; an ι ο den beiden Enden des V-Leiters liegen die beiden Schalter 59/4 und 61A Nach Fig.3a erfolgt die Bestimmung der ^-Koordinaten während der Periode 7a. In dieser Zeit sind die Schalter 59/4 und 6M des y-Leiters beide auf Massepotential (siehe Fig. 1) gelegt. Nach der Bestimmung der X-Koordinate folgt die Bestimmung der V-Koordinate während der Zeitperiode 7> (siehe F i g. 3 b). Während der Periode Ty sind die Schalter 59 und 61 des X-Leiters auf Masse gelegt (siehe Fig. 1). Die Zeitperiode T_x ist in die Zeitintervalle Ti und T₂ aufgeteilt; die Zeitperiode 7>in die Zeitintervalle T₃ und T₄. Die Zeitintervalle 71 bis T₄ werden als Subintervalle bezeichnet. Bei der Bestimmung der X-Koordinate wird der Schalter 59 an die Spannungsquelle 18 gelegt. In dieser Stellung bleibt er während der gesamten Zeitperiode T_x. Innerhalb dieser Zeitperiode ändert jedoch der Schalter 61 seine Stellung. Zunächst, also während des Zeitintervalls Tl, wird er auf Masse gelegt (siehe auch F i g. 3 c), so daß sich zwischen den Leiterenden des X- Leiters ein Spannungsabfall ausbildet. Nach Ablauf des Zeitintervalls Ti wird der Schalter während des Zeitintervalls T₂ in die in F i g. 1 gezeichnete Stellung gebracht, wodurch das Leiterende des X-Leiters mit dem Leiterbeginn verbunden wird, so daß der Leiter an allen seinen Punkten das gleiche von der Spannungsquelle 18 gelieferte Potential aufweist. Dieses Potential wird als Referenzpotential von dem Markierungsstift erfaßt und in Beziehung zu dem Potential gesetzt, das sich während der Ausbildung eines Spannungsabfalls auf dem Leiter 12, also während des Zeitintervalls 71 an entsprechender Stelle auf den Markierungsstift auskoppelt. Unter der Voraussetzung eines linearen Spannungsverlaufes auf dem Leiter 12 läßt sich aus dem maximalen von der Spannungsquelle 18 gelieferten Potential, dem X-Potential, und dem einem der Stiftposition entsprechenden Signal unter Kenntnis der Tableauabmessungen durch den Lagerrechner 21 die unbekannte Positionskoordinate des Markierungsstiftes errechnen.

In analoger Weise, wie es soeben für die Ermittlung der X-Koordinate beschrieben wurde, findet während des Zeitraumes TY die Bestimmung der Y-Koordinate der Position des Markierungsstiftes statt

Während des Intervalls T3 wird der Schalter 59/4 an die Spannungsquelle 18 angelegt, während das Leiterende über den Schalter 61/4 an Masse gelegt wird. Auf diese Weise kann sich wieder entlang des Leiters ein Spannungsabfall ausbilden. In der zweiten Phase, während des Zeitintervalls Tt, verbleibt der Schalter 59/4 in der in F i g. 1 gezeigten Stellung, jedoch wird der Schalter 61/4 mit dem Leiteranfang, d. h. der Spannungsquelle 18, verbunden, so daß sich während des Zeitintervalls T₄ an jedem Punkt des Leiters 10 die gleiche maximale Spannung findet, die wieder als Bezugsspannung bei der Ermittlung der V-Koordinate der Position des Markienmgsstiftes verwendet wird.

Während der Zeitperioden Τχ wird, wie bereits erwähnt, das Potential des F-Leiters auf Massepotential gehalten, um eine gegenseitige kapazitive Beeinflussung der Leiter zu vermeiden. Analoges gilt während der Zeitperiode TV, während der der /Y-Leiter 12 mit Massepotential beaufschlagt ist. Um die kapazitive Beeinflussung zwischen den einzelnen Leitern so klein wie möglich zu halten, wird der spezifische Widerstand des Drahtes so gewählt, daß nur ein Jpannungsminimum in dem abgeschalteten Gitter induziert wird.

In Fig. 2 ist eine Schleife eines Gitters gezeigt, die dazu benutzt werden soll, die Bildung eines Spannungsmittelwertes für den jeweiligen Stift-Abfühlbereich in seiner Lage bezüglich der Serpentinenanordnung des Widerstandsdrahtes zu zeigen. In F i g. 2 sind drei Lagen dargestellt, und zwar eine erste am oberen Teil der Schleife, eine zweite in der Mitte und eine dritte Lage im unteren Teil der Schleife. Zur Erläuterung soll angenommen werden, daß der Draht einen Spannungsabfall von einem Volt von einer Seite der Schleife zur anderen aufweist. Wenn also am Punkt 20 eine Spannung von 16 Volt liegt, dann weisen die Punkte 22 und 24 eine Spannung von 17 Volt und der Punkt 26 eine Spannung von 18 Volt auf.

In F i g. 2 A ist eine Draufsicht des Stiftes über dem Oberteil einer Schleife eines der beiden Gitter gezeigt. Der Stift ist in dieser Figur in die Nähe des Endes der Schleife gesetzt. Es ist zu beachten, daß die verwendeten Figuren nur der Darstellung dienen und nicht notwendigerweise maßstabgetreu sind. Somit weisen die Wendepunkte im Gitter praktisch auf beiden Seiten dasselbe Potential auf. Die beiden Punkte 22 und 24 in Fig.2 haben z. B. eine Spannung von 17 Volt, obwohl zwischen ihnen eine bestimmte Drahtstrecke dargestellt ist.

Wenn sich der Stift im oberen Teil der Schleife befindet und die Mitte des Abfühlbereiches zwischen den beiden Linien 27 und 28 liegt, dann nimmt er eine Lage ein, in der er alle Spannungen in seinem Abfühlbereich auf einen Wert mittelt, welcher der Lage seines Zentrums 30 entspricht. Dieselbe Spannungsverteilung wie in F i g. 2 A sei weiterhin vorausgesetzt. Dann betrüge am Punkt 32 die Spannung 16,9 Volt und am Punkt 34 17,1 Volt. In ähnlicher Weise unterliegt der Stifi Spannungseinflüssen aus dem gesamten Bereich unterhalb des Kreises. Alle diese Potentialpunkte unterhalb des Betrachtungsbereiches werden zu einem Mittelwert zusammengefaßt und erscheinen als eine Spannung von 17 Volt. In Fortführung dieser Darstellung wird jetzt gezeigt, daß der Spannungswert von 17VoIt über die ganze Mittellinie der in Fig.2 gezeigten Schleife ermittelt wird. In Fig.2 B ist das Gesichtsfeld des Stiftes um den Mittelteil der Schleife herum gezeigt. Somit erscheint am Punkt 36 ein Potential von 1,65 Volt und am Punkt 38 ein Potential von 17,5VoIt. Durch Bildung des Mittelwertes dieser beiden Spannungen ergeben sich wieder 17VoIt als resultierendes vom Stift abgekühltes Signal. Auf ähnliche Weise wird in F i g. 2 C gezeigt, daß das Potential am Punkt 30 immer noch bei 17 Volt liegt, weil der Mittelwert des Potentiales von 16,1 Volt am Punkt 40 und 17,9VoIt am Punkt 42 gebildet wird. Diese Beispiele dienen nur der Darstellung und in der Praxis existiert natürlich ein Spannungsgradient unterhalb des Gesichtsfeldes des Stiftes. Von diesem Spannungsgradienten wird effektiv der Mittelwert gebildet und das dem Punkt 30 entsprechende resultierende Potential bestimmt.

Der in der Tafel in der Widerstandsleitung entstehende Spannungsgradient ist linear in beiden Richtungen X

2i 20

und Y. Bei Betrachtung einer Bewegung in der X-Richtung führt die Lageänderung des Stiftes zu verschiedenen Potentialen, die der Abtastschaltung 23 zugeführt werden. Verschiebungen in der V-Richtung führen zu keiner Potentialänderung während des X-lntervalls, da in der V-Richtung auf dem X-Gitter kein Spannungsgradient vorliegt. Dieselben Prinzipien gelten in entsprechender Weise für Verschiebungen in der V-Richtung während des y-Intervalls.

In F i g. 4 ist die Steuung im wirksamen Abtastbereich des kapazitiv gekoppelten Stiftes graphisch dargestellt. Die drei Kurven in dieser Figur weisen auf die Anzahl der Drähte hin, die das Abtastsignal abhängig vom Abstand des Stiftes von der Oberfläche des Gitters beeinflussen. Die Kurve A stellt z.B. die Stellung des Stiftes sehr dicht über einem Draht in einer der Ebenen dar. Diese Lage des Stiftes begrenzt den effektiven Abtastbereich, indem der Einfluß des Potentials von den umgebenden Drähten herabgesetzt wird. Die Kurve B zeigt den effektiven Abtastbereich für die Stiftposition an der Oberfläche der Tafel. Sie zeigt, daß das effektive Streufeld des Stiftes in dieser Höhe etwa einen Durchmesser gleich zwei Drahtabstände hat. Die Kurve C zeigt die Streufunktion für den Fall, in welchem der Stift ungefähr 6 mm über der Tafel steht. Dieser Fall würde eintreten, wenn die Bedienungsperson z. B. einen Schreibblock zwischen den Stift und die Tafel schiebt. Bedeutsam ist, daß die Kurven A, Bund Cder Fig.4 symmetrisch um den Punkt direkt unterhalb der Stiftmitte angeordnet sind. Es liegt also Mittelwertsbildung der von den umgebenden Drähten beigetragenen Potentiale vor ungeachtet der Erhebung des Stiftes über eine gewisse Mindesthöhe, die der Dicke der Deckschicht 14 entspricht.

Die auf Lagen des Stiftes in der Mitte zwischen zwei Leitungen einer Schleife bezogenen Beispiele gelten natürlich für die Darstellung der Vorgänge in irgendeiner Schleife der Gitter. Es wird zwar ein anderer Mittelwert gebildet, wenn der Mittelpunkt des Abtaststiftes genau über eine der Gitterleitungen zu liegen kommt. Das resultierende Signal ist jedoch im wesentlichen stets linear bezüglich Abstand rechtwinklig zur Stromflußrichtung in der Schleife.

Für Darstellungszwecke wurde der Draht so gezeigt, daß er mit rechtwinkligen Ecken eine Schleife bildet. Diese Darstellung wurde lediglich der einfacheren Zeichnung halber gewählt. Um die bestmöglichen Ergebnisse in bezug auf Linearität in der Nähe der Schleifenenden zu erhalten muß der Widerstand des Drahtes im Schleifenende gleichmäßig verteilt sein. Eine andere Lösung wäre die Verbindung der Drahtenden durch einen Leiter mit anderem spezifischen Widerstand als jenem der Gitterdrähte. Solange jedoch die serpentinenförmige Anordnung aufrechterhalten wird, kann auch Linearität erzielt werden.

Als Ausführungsbeispiel wurde eine Tafel mit einem zweidimensionalen Koordinatensystem gewählt, die einen linearen Spannungsgradienten erfordert. Es können jedoch nach demselben Prinzip auch andere Systeme benutzt werden, solange eine gewisse Beziehung zwischen dem spezifischen Leitungswiderstand und der Streufunktion des Stiftes besteht, von der ein elektrisches in bezug auf Lage decodierbares Signal abgeleitet werden kann. Im Ausführungsbeispiel ermöglicht der durch die Serpentinenanordnung des widerstandbehafteten Drahtes erzeugte Spannungsgradient jeden gewünschten Auflösungsgrad, solange die Abtastschaltung das Signal in geeigneter Weise auswerten kann. Die Auflösung hängt also nicht vom Abstand der Drähte ab, denn der vom Stift abgetastete Spannungsgradient verläuft rechtwinklig zum Stromfluß in der Gitterdrähten stetig. Die Auflösung ist eine Funktion des Verhältnisses von Signal zu Geräusch der Abtast und Decodierschaltung und nicht eine Funktion dei Gitteranordnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

21 Patentansprüche:

1. Positionstableau mit einem in X-Richtung mäanderförmig verlaufenden X-Leiter und einem in V-Richtung mäanderförmig verlaufenden V-Leiter, welche durch Signale zur Bestimmung der Positionskoordinaten eines auf dem Positionstableau aufgesetzten Markierungsstiftes beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Λ'- und V-Leiter in je einer Ebene verlaufen, die X- und V-Leiter zur Erzeugung eines Spannungsgradienten abwechselnd schaltergesteuert mit einer Wechselspannung beaufschlagbar sind,, der Markierungsstift in an sich bekannter Weise zur Abgabe von elektrischen Signalen mit dem Positionstableau kapazitiv koppelbar ist, daß jeder Leiter derart mit einer Wechselspannung beaufschlagbar ist, daß einmal über seine Länge ein Spannungsgradient ausbildbar ist und zum anderen über seine Länge an jedem Punkt die maximale Wechselspannung als Bezugspotential auftritt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende eines Leiters ein Schalter (59,61,59Ä 6t A) vorgesehen ist, von denen der erste (59,59A) an die Spannungsquelle (18) oder Masse legbar ist und von denen der zweite (61,6\A) an das andere Ende des Leiters oder Masse legbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10, 1.2) eine gleichmäßige 3^ Widerstandsverteilung über ihre Länge aufweisen.