DE3038974A1

DE3038974A1 - Vorrichtung zur positionsbestimmung

Info

Publication number: DE3038974A1
Application number: DE19803038974
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: BRUYNE PIETER DE
Current assignee: BRUYNE PIETER DE
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1981-04-23
Also published as: FR2467446A1; US4317005A; GB2062228A; JPS5665276A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Joachim StraSSG München ζ*****»*.« *">*»" tt

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Zürich

Schweiz München, 15. Oktober 1980

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Vorrichtung zur Positionsbestimmung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objektes. Sie bezieht sich insbesondere auf das Bestimmen einer Position in Bezug auf ein vorbestimmtes Koordinaten-System durch die Verwendung akustischer Schockwellen, die in Luft übertragen und von einem Objekt, dessen Position zu bestimmten ist, reflektiert werden. Ein modifizierter Seilwandler und die Verwendung von Kalibrierreflektoren verbessern die Wirkungsweise des Systems.

Graphische Geräte, bei denen ein Eingangssignal eine zur Position eines Objekts korrespondierende Zeitabhängigkeit aufweist, finden verstärkt Anwendung in Gebieten wie Faksimile-Übertragung, Computerdaten-Eingabe-Geräten, Satz-Kompositoren und Layout-Systemen, Computergrafik zur Erstellung von Zeichnungen für Ingenieure und Architekten, sowie Überprüfung und Analyse handschriftlicher Aufzeichnungen. Die Anwendung solcher positionsbestimmenden Systeme war jedoch aus Kosten- und Leistungsgründen beschränkt: Systeme hoher Auflösung und Genauigkeit sind so kostenaufwendig, daß sich ihr Einsatz in vielen Anwendungen verbietet. Sogar in Anwendungen mit weniger hohen Genauigkeitsanforderungen können die relativ hohen Kosten erhältlicher Systeme ihre Anwendung beschränken oder verhindern.

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ORiQlNAL INSPECTED

Es ist eine Vielfalt positionsbestimmender Systeme bekannt, von denen einige in Luft übertragene Wellen verwenden, andere dagegen Wellen in einem Festkörper. Beispielsweise kann ein Griffel oder ein Cursor, dessen Position zu bestimmen ist, mit einem Funkengenerator versehen sein, der eine von einem Paar in festen Koordinaten-Ebenen angebrachter linearer Wandler empfangene akustische Schockwelle erzeugt. In einem solchen System ist die Genauigkeit durch Faktoren wie die begrenzte Größe des Funkens und die Schwankung im Entstehungsort des Funkens zwischen aufeinanderfolgenden Funkenerzeugungen, weiterhin Variationen der Übertragungsgeschwindigkeit in der Luft zwischen Quelle und Empfänger infolge von Luftbewegung und Temperaturänderungen begrenzt.

Eine weitere bekannte Anordnung benutzt ein in einer unter dem Objekt befindlichen Fläche angeordnetes Drahtnetz aus zu den beiden Achsen eines rechtwinkligen Koordinaten-Systems jeweils parallelen Drähten. Am Ort eines Cursors wird ein Magnetfeld erzeugt, am Ort der nächstgelegenen Koordinaten-Kreuzung der eingebetteten Drähte aufgefangen und entlang der Drähte zu an den jeweiligen Drähten gelegenen Empfängern geleitet. Die Fertigung eines solchen Systems ist sehr kostenaufwendig: die Drähte müssen unverrückbar an präzise festgelegten Positionen angebracht sein, um beträchtliche Anzeigefehler zu vermeiden, es muß eine Vielzahl von Drähten zum Erzielen einer annehmbaren Auflösung vorgesehen und angeschlossen werden.

Weiterhin werden Systeme hergestellt, bei denen solche eingebetteten Drähte Schwingungsimpulse übertragen, die durch Magnetostriktions-Wandler von einem am Cursor erzeugten magnetischen Feld gewonnen werden. Jedoch begrenzen weiterhin bei allen diesen Konstruktionen die Probleme von Kosten und Genauigkeit die praktische Anwendung.

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Die vorliegende Erfindung steht unter der Aufgabe diese Schwierigkeiten zu vermeiden und eine kostengünstige Positionsanzeigevorrichtung hoher Auflösung und hoher. Genauigkeit bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Reihe von durch einen oder mehrere -lineare" Wandler erzeugten und durch die Luft übertragenen Schallwellen, die von dem in ^: seiner Position zu bestimmenden Objekt reflektiert und von denselben oder anderen Wandlern empfangen werden. Der bidirektionale Schallweg erlaubt den Betrieb der Vorrichtung unabhängig von Einflüssen starker Luftbewegung auf die Genauigkeit. Zu Verminderung durch Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen werden einer- oder mehrere Kalibrier-Reflektoren verwendet. Die spezielle Anordnung der Wandler und der Kalibrier-Wege hängt von der Anwendung und von der gewünschten Genauigkeit ab. -

Es ist daher ein Vorteil der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit der die Position eines Objekts mit verbesserter Genauigkeit bei geringeren Kosten festgestellt werden kann. Weiterhin wird ein System bereitgestellt, daß äußerst vielseitig und in einem breiten Anwendungsbereich einsetzbar ist, der Handschriftenüberprüfung und Computergrafik.sowie eine Vielzahl weiterer Anwendungen einschließt. . .

Eine Besonderheit dieses Seilwandlers ist seine verbesserte Empfindlichkeit, verbunden mit einer kurzen Erholungszeit nach dem Aussenden einer akustischen Schockwelle.

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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Et/VucLum^ Ί//τ

nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1 ein Block-Schaltbild einer Positionsanzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Systems in Figur 1,

Figur 3 ein Block-Schaltbild eines Systems zur Überprüfung einer persönlichen Unterschrift während der Niederschrift ,

Figur 4 ein weiteres Block-Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Figur 3,

Figur 5 eine Explosionszeichnung eines Wandlers zur Verwendung in den Figuren 1 und 3 dargestellten Vorrichtungen;

Figur 6 eine vergrößerte Ansicht des Endes der in dem Wandler nach Figur 4 verwendeten hinteren Elektrode und

Figur 7 eine vergrößerte Explosionszeichnung eines Teils des Schnitts entlang der Linie 7-7 der Figur 5.

Wie Figur 1 zeigt, sind zwei lineare Sellwandler 2 und 4 zur Messung der Position eines beweglichen Cursors 6 angeordnet, der durch einen handbetätigten Hebel 8 innerhalb einer durch die gestrichelte Linie 9 gekennzeichneten Fläche manuell positionierbar ist. Im Betrieb wird von dem Wandler 2 eine Reihe kurzer akustischer Impulse oder Schockwellen erzeugt, trifft auf die Oberfläche des Cursors 6 auf und wird in den selben Wandler zurückreflektiert, in dem die Impulse empfangen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Der Cursor kann aus transparentem Plastik oder einem anderen Material gefertigt sein, seine Ausmaße sind so, daß akustische Signale zu den Wandlern reflektiert werden. Ein aus Plastik hergestellter Cursor mit einem Durchmesser von 3,81 cm (1,5 inch) und einer Höhe von 1,27 cm (0,5 inch) ergab zufriedenstellende Resultate. Der Handhebel 8 erlaubt manuelle Bewegung des Cursors ohne Störung der Reflexion der Ultlraschall-Impulse.

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Diese Impulse sind Luftkompressionswellen und werden der Einfachheit halber nachfolgend als akustische Wellen oder Impulse bezeichnet. Die hierin verwendete Bezeichnung "akustisch" umfaßt Wellen im Hörbaren und im Ultraschallbereich, jedoch ist die Verwendung von Frequenzen oberhalb des Hörbereichs zu bevorzugen. Das Zeitintervall zwischen der Ausendung des akustischen Impulses durch den Wandler 2 und der Empfang des von dem Cursor 6 reflektierten Signals ist eine Funktion der Entfernung zwischen dem Wandler 2 und dem Cursor 6. Die Genauigkeit dieser Messung wird durch mehrere Faktoren beeinflußt, die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Impulse, die durch Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Windströmungen beeinflußt wird, enthalten.

Zum Minimalisieren des Einflusses der Änderung in der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist ein Kalibrier-Reflektor 10 an der entfernten Kante der Fläche 9, innerhalb derer die Position des Cursors 6 bestimmt werden soll, angebracht. Die vom Wandler 2 erzeugten akustischen Impulse werden sowohl vom Reflektor 10 wie vom Cursor 6 reflektiert und geben so eine Grundlage für eine kontinuierliche Kalibrierung, die durch Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit hervorgerufene Fehlereinflüsse minimalisiert. Da die Entfernung zwischen dem Kalibrier-Reflektor 10 und dem Wandler 2 bestimmt ist, ist das Verhältnis der Ausbreitungszeit zum Cursor und zurück zur Ausbreitungszeit zum Kalibrier-Reflektor und zurück eine Funktion der Entfernung zwischen Wandler und dem Cursor, die im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Die vom Wandler 2 erzeugten und empfangenen Signale geben so Informationen in der Richtung der' x-Achse.

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Entsprechende Information in Richtung der y-Achse liefert der Wandler 4. Vom Wandler 4 ausgehende Signale werden durch den Cursor 6 und ebenfalls durch einen fest angebrachten Reflektor 12 reflektiert, der sich an der vom Wandler 4 entfernten Kante der Fläche 9 befindet. Diese Reflektoren können aus jedem zur Reflexion der akustischen Schockwellen fähigen festen Material bestehen. Eine Ausführungsform der Reflektoren 10 und 12 besteht aus einem Plastikstreifen, der gegenüber dem ihm zugeordneten Wandler angebracht ist und sich ungefähr 2,54 cm (1 inch) oberhalb und senkrecht zur Fläche 9 erstreckt.

Im Betrieb wird ein Impuls (s. das Zeitdiagramm in Figur 2) von einem Impulsgenerator 16 über einen Sende-Empfangs-Schalter 18 an den Wandler 4 geleitet, wo er eine ebene akustische Schockwelle erzeugt, die in einer Richtung senkrecht zur Vorderseite des 'Wandlers ausgestrahlt wird. Die Erzeugung dieses Impulses 14, der zwei von zwei Flip-Flop-Schaltungen 26 bzw. 28 gesteuerte Gatter 20 und 24 passiert, bewirkt zwei Zähler 30 und 32 dazu, von einem Taktgeber (Uhr) erzeugte Zeitimpulse zu zählen. Gleichfalls wird durch diesen Impuls 14 eine Zeitsteuer-Schaltung 36 zur Erzeugung von vier Impulsen veranlaßt; eines ersten Austastimpulses 38, der die Weiterleitung von Signalen vom Wandler 4 während einer"zur Zurückgewinnung seiner Empfindlichkeit nach Gebrauch als Sender nötigen Zeitdauer verhindert; eines · zweiten Impulses 40, der bis zum Empfang des vom Cursor 6 reflektierten Signals andauert; eines dritten Austa'stimpulses 42, der bis gerade zum Empfang des Kalibrier-Signals von dem Reflektor 12 andauert; und eines vierten, bis zum Empfang des Kalibrier-Signals andauernden Impulses 44.

Bei Empfang des von dem Cursor 6 reflektierten Signals werden der Impuls 40 beendet und der Flip-Flop 26 zurückgesetzt, so daß weitere Zeitimpulse nicht den Zähler 30 erreichen können. Die so. in dem Zähler 30 gespeicherte Zählrate ist der Zeit proportional, die die akustische Schockwelle für den Weg von dem Wandler 4 zum Cursor 6 und zurück zum Wandler benötigt hat.

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Der Impuls 42 sperrt den Empfang von Signalen des Wandlers 4, die sonst den Kalibrier-Zähler 32 zur Einstellung des Zählens nach Empfang eines Signals von dem Cursor bewirken wurden. Direkt vor der erwarteten Rückkehr des Kalibrier-Signals vom Reflektor 12 endet der Impuls 42; wenn daher das Signal eintrifft und den Impuls 44 beendet, unterbricht es den Betrieb des Zählers 32, so daß dessen gespeicherte Zählrate die Ausbreitungszeit der akustischen Schockwelle zum Reflektor 12 und wieder zurück darstellt. Die die Position des Cursors 6 in Richtung der y-Achse darstellende Information ist derart in den beiden Zählern 30 und 32 gespeichert.

Eine entsprechende Anordnung, deren entsprechende Teile mit denselben Ziffern, gefolgt durch den Buchstaben "A" gekennzeichnet sind, arbeitet zusammen mit dem Wandler 2 zur Lokalisierung des Cursors in Richtung der x-Achse.

Wird nach Beendigung des voranstehend beschriebenen Zyklus der Impuls 14A erzeugt, initiiert er eine ähnliche Ereigniskette bezüglich des Wandlers 2 und bewirkt ebenfalls die Überleitung der in den Zählern 30 und 32 gespeicherten Zählrate in einen Mikroprozessor 45 und das Zurücksetzen dieser Zähler für den folgenden Zyklus. Die Erzeugung des folgenden Impulses 14 leitet die Information von den Zählern 3OA und 32A in den Mikroprozessor und setzt sie für den folgenden Zyklus zurück.

Der Mikroprozessor 45 bestimmt das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen .3chockwelle zum Cursor und zurück zur Ausbreitungsgeschwindigkeit zum Kalibrier-Reflektor und zurück als ein Maß für die Position des Cursors, ein Verhältnis, daß im wesentlichen unabhängig von durch Änderungen der Umgebungsbedingungen hervorgerufene Variationen der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist.

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Der Mikroprozessor wandelt die Messwerte in die gewünschten Einheiten um, addiert den Cursor-Radius und subtrahiert eine vom Benutzer festgelegte Größe, um den Ursprung der Messung auf einen gewünschten Ort zu setzen.

Die zur Berechnung der Ausbreitungszeiten verwendete Art der Anordnung ist zur Verdeutlichung geschildert, andere wohlbekannte Methoden und Geräte können ebenso verwendet werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine andere Anordnung der Wandler 2 und 4, in denen die aussendenden Flächen der Wandler 2 und 4 so angeordnet sind, daß sie einen Winkel größer als 90, jedoch kleiner als 180 Grad einschließen. Eine solche Anordnung ist besonders für ein Computer-System zur Überprüfung oder Übertragung von Handschriften nützlich. Bei Verwendung für einen derartigen Zweck wird der Cursor durch einen in der Hand gehaltenen Griffel, allgemein durch 46 bezeichnet, der bewegbar auf einer Fläche 48 angebracht ist, ersetzt. Der Griffel weist einen vergrößerten Abschnitt 50 mit einem im wesentlichen kugelförmigen Oberflächenabschnitt 52 auf, der aus Plastik oder anderem Material besteht und die akustischen Schockwellen reflektiert. Der Griffel kann mit den Fingern an einem Abschnitt 53 zwischen dem kugelförmigen Reflektor 52 und einem Handgriff 54 ergriffen werden, so daß nur minimale Interferenz mit der Reflexion der Impulse geschieht. Der Griffel, der mit einer echten oder simulierten Schreibspitze 56 versehen sein kann, wird über die Schreibfläche 48 bewegt, die die Wandler 2 und 4 trägt, während seine Position kontinuierlich festgestellt wird.

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In diesem Beispiel arbeitet der Wandler 2 ebenso wie im voranstehenden Beispiel sowohl als - Sender als auch Empfänger, jedoch arbeitet der Wandler 4 nur als Empfänger. Der vom Wandler 2 ausgesendete akustische Impuls trifft die kugelförmige Fläche 52 und wird zum Wandler 2. und dem Wandler 4 reflektiert. Das Intervall zwischen Aussenden und Empfangen eines Impulses vom Wandler 2 ist doppelt so lang wie die Ausbreitungszeit entlang dem mit 58 bezeichneten Weg. Das Intervall zwischen der Aussendung eines Impulses vom Wandler 2 und dem Empfang seiner Reflexion durch den Wandler 4 wird durch die Ausbreitungszeit entlang dem Weg plus der Ausbreitungszeit entlang dem Weg 60 vom Griffel zum Wandler 4 dargestellt.

Die Länge des Weges 58 kann durch die bereits geschilderten allgemeinen Verfahren bestimmt, und die Länge des Weges 60 kann durch Subtrakion festgestellt werden. Da die gemessenen Wege in Richtung der Flächennormalen der Wandler verlaufen, können die x- und y-Koordinaten des Griffels bestimmt werden. Wie in Figur 1 kann auch hier ein Mikroprozessor 45 für den Empfang der Information von den Wandlern und die Darstellung in jedem gewünschten Format programmiert werden.

Bei der Überprüfung und Übertragung handschriftlicher Information ist die Positionsänderung des Griffels gegenüber der exakten Lage von größerer Bedeutung und so können für viele Anwendungen die Kalibrier-Reflektoren weggelassen werden. Falls gewünscht, können sie jedoch mit der in Figur 3 dargestellten Anordnung in der gleichen Weise wie voranstehend beschrieben verwendet werden.

Der Winkel zwischen den longitudinalen Achsen der Wandler 2 und 4 richtet sich nach der speziellen Anwendung, der Größe der Wandler und der Entfernung zwischen ihren' benachbarten Enden. Im allgemeinen werden sie so plaziert, daß Interferenz durch die Finger des Schreibers minimalisiert ist, die optimalen Winkel für links- und rechthändige Menschen werden verschieden sein.

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Jede durch die Bezugszahl 62 in Figur 4 schematisch dargestellte passende Schalteranordnung kann zur Steuerung der den Bereich festlegenden Schaltungsteile verwendet werden, so daß die Position des Griffels nur dann verfolgt wird, wenn er in Kontakt mit der Schreibfläche 48 steht. Die Unterschrift einer Person kann unter Verwendung bekannter Segmentations- und Korrelationsverfahren in Verbindung mit einem passenden Computer-Programm geprüft werden, während die Unterschrift geschrieben wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandler 2 und 4 ist in den Figuren 5 bis 7 dargestellt. Sellwandler sind wohlbekannt und sind erfolgreich zur Erzeugung von Schallwellen entlang linear emittierender Flächen eingesetzt worden. Ein solcher Wandler umfaßt einen dünnen metallisierten Plastikfilm, wobei die Metallisierung auf einer Oberfläche zur Ausbildung einer Elektrode angebracht ist, der mit der metallisierten Fläche nach außen über eine relativ massive metallene hintere Elektrode gespannt wird. Die leitende Fläche der Plastikmembran und die hintere Elektrode bilden einen Kondensator aus. Ist die hintere Elektrode nicht perfekt gleichförmig, so erzeugen Abweichungen von der Gleichförmigkeit auf ihrer Oberfläche konzentrierte lokalisierte elektrische Felder im Zwischenraum. Wird zwischen der metallisierten Membranfläche und der hinteren Elektrode ein Gleichspannungs-Vorspannungssignal während des Sendebetriebes aufgeprägt, so wird der Plastikfilm gedehnt und Schwingungserscheinungen beginnen eine akustische Wellenfront durch die Plastikfilmmembran zu bilden. Während des Empfangsbetriebes bewirkt die sich ändernde akustische Druckbeanspruchung auf der Membran eine Bewegung des Films und erzeugt so eine korrespondierende Spannungsänderung zwischen dem metallisierten Film und der hinteren Elektrode.

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Für die vorliegende Anwendung muß der Wandler eine Schockwelle mit einer schnellen Anstiegszeit von beträchtlicher Intensität erzeugen können. Da es wichtig ist, den Minimalabstand so klein wie möglich zu halten, muß der Wandler einen hohen mechanischen Dämpfungsfaktor aufweisen, damit nach Abschalten des Treibersignals die Vibrationen schnell abklingen.

Im Empfangsbetrieb muß der Wandler genügend Empfindlichkeit zum Empfang der reflektierten Schallwelle aufweisen. Ist die hintere Elektrode mit einer glatten hochpolierten Oberfläche versehen, resultiert daraus eine geringe Intensität; eine durch Sandstrahlen aufgerauhte oder mit kleinen Oberflächenrillen versehene Oberfläche bewirkt eine signifikant vergrößerte Empfindlichkeit. Wie in Figur 5 dargestellt, weist "der Wandler 4, der hier auch stellvertretend für den Wandler 2 ist, eine allgemein U-förmige hintere Elektrode 64 auf, die aus Metall oder metallisiertem Plastik ausgebildet sein kann, das wiederum mit einer dünnen, auf ihrer exponierten Seite metallisierten Plastikmembran 66 bedeckt ist. Die Membran 66 kann aus Polyester-Plastik von sechs Mikrometern Dicke hergestellt werden, auf dessen äußerer Oberfläche eine Aluminiumschicht von 0,5 Mikrometern Stärke aufgebracht ist. Die Membran 66 ist über die Vorderseite der hinteren Elektrode 64 ausgestreckt und in ihrer Lage entlang der äußeren Kanten der hinteren Elektrode 64 durch Streifen 68 aus doppelseitigem druckempfindlichem Klebeband gehalten. Weiter wird die Membran in ihrer Lage gehalten durch Klemmen zwischen zwei L-förmigen Metallkanälen 70 und 72, die an gegenüberliegenden Seiten der hinteren Elektrode 66 angeordnet und durch Bolzen 74 zusammengedrückt sind. Diese Klemmkanäle 70 und 72 stehen in elektrischem Kontakt mit der metallisierten Fläche der Membran 66, jedoch nicht mit der hinteren Elektrode 64, Öffnungen genügender Weite sind für die Bolzen 74 vorgesehen. Die klemmenden Kanäle 70 und 72 sind geerdet und bilden eine einen elektrostatischen Schirm für die hintere Elektrode 64.

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Um die Empfindlichkeit des Wandlers 2 zu erhöhen ist eine Lage von Mikrokugeln 78 zwischen der hinteren Elektrode 64 und der Membran 66 eingebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kugeln 78 Durchmesser zwischen 15 und 50 Mikrometer auf, sie können aus einer Mischung von Kugeln unterschiedlicher Größe innerhalb des angegebenen Bereiches bestehen. Die Kugeln können aus Glas, Plastik oder anderen Materialien hergestellt sein. Eine vorteilhafte Quelle passender Kugeln ist KemaNord Chemical Corporation, Sundsvall, Schweden, die gasgefüllte Plastikkugeln mit einem äußeren Durchmesser von 3 bis 10 Mikrometern liefern. Diese Kugeln können an Luft auf 100 Grad Celsius erhitzt und darauffolgend wieder abgekühlt werden; mit diesem Verfahren erhöht sich die Größe der Kugeln, so daß die Mehrzahl der Kugeln nachfolgend einen Durchmesser zwischen 15 und 50 Mikrometern aufweist. Die Kugeln werden durch Bürsten oder andere Vorrichtungen auf die Oberfläche der hinteren Elektrode aufgebracht mit

einer Dichte von 20 bis 50 Kugeln pro mm ' Die Empfindlichkeit des Wandlers wird durch Verwendung solcher Kugeln nennenswert erhöht.

Wie weiter oben bemerkt, ist eine schnell nach Aussenden jedes Impulses einsetzende mechanische Dämpfung des Wandlers von Bedeutung. Die Dämpfüngswirkung wird erleichtert und ungewünschte Resonanzen und Schwingungen in der hinteren Elektrode werden verringert durch zwei Seitenglieder 80 und 82, die abgeschrägte Flächen 84 und 86, wie in Figur 6 dargestellt, aufweisen; dabei ist die Schräge so, daß die Flächen weder zueinander noch zu der Ebene der Oberfläche,64 oder der Membran 66 parallel sind.

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Ein Wandler 2 in der voranstehend geschilderten Ausführungsform kann bei voller Empfängerempfindlichkeit eine reflektierte akustische Schockwelle innerhalb von 100 Mikrosekunden nach ihrer Reflexion von der in ihrer Position zu bestimmenden Oberfläche nachweisen. Dies entspricht einer minimalen Abtastentfernung von 3 cm zwischen der reflektierenden Fläche und dem Wandler. Daher braucht die Dauer der Austastimpulse 38 und 38 A nur ungefähr 200 Mikrosekunden zu betragen. Die Anstiegszeit der ausgesendeten und empfangenen Schallwelle ist typisch ungefähr 2 Mikrosekunden, und unter Verwendung konventioneller Impulstechniken kann eine Zeitauflösung von plus oder minus 0,2 Mikrosekunden erreicht werden, die einer Unsicherheit in der Lagebestimmung von plus oder minus 0,03 mm in der Position der reflektierenden Fläche entspricht.

Aus dem voranstehend Beschriebenen wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung von graphischen Systemen zur Positionsbestimmung darstellt, daß der daran verwendete Wandler selbst zum vorteilhaften Einsatz in anderen Anwendungen beitragende nennenswerte Verbesserungen aufweist, und daß die dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung auf vielfältige Weise in Form und Anordnung zur Anpassung an spezielle Anwendungen abgewandelt werden können. Die Verbindung von geringeren Kosten und verbesserter Genauigkeit erweitert den potentiellen Anwendungsbereich für Geräte dieser Art.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./ Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objekts —' zwischen einer oberen und einer unteren Begrenzung,
gekennzeichnet durch:

a.) eine zur Reflexion akustischer Wellen fähige Fläche (6,52) an dem Objekt (6,46),

b.) eine für die Aussendung akustischer Wellen in Richtung auf das Objekt (6,46) und zum Empfang von dem Objekt (6,46) reflektierter akustischer Wellen angeordnete Wandler-Vorrichtung (2),

c.) eine Impulserzeugungs-Vorrichtung (16) für die Erregung des Wandlers (2) zur Erzeugung akustischer Impulse und

d. ) ein auf die von der Wandler-Vorrichtung (2) empfangenen Impulse reagierende Zeitsteuer-Vorrichtung (20,26,28,30,32,34,36,45).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrier-Reflektor (10) vorgesehen ist, der zur Reflexion akustischer Wellen fähig ist und innerhalb des Bereiches der Wandler-Vorrichtung (2) jedoch außerhalb der Ober- und Untergrenzen der Positionsbestimmung angeordnet ist, und wobei die Zeitsteuer-Vorrichtung (20,26,28,30,32,34,36,45) zur Messung der relativen Empfangszeiten von Impulsen fähig ist, die von dem Objekt (6,46) und dem Kalibrier-Reflektor (10) reflektiert

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

d adu r c hgekennze ichnet, daß die Wandler-Vorrichtung (2) ein linearer Seilwandler ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler-Vorrichtung (2,4) erste (2) und zweite (4) Wandler und einen gegenüber dem zweiten Wandler (4) angeordneten zweiten Kalibrier-Reflektor (12) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Objekt (6) ein Cursor (6) ist, der eine bogenförmige reflektierende Fläche aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Objekt (6,46) ein Griffel (46) ist, der eine vorspringende bogenförmige Fläche (52) benachbart einem seiner Enden aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (6,46) ein einer handbetätigten Bewegung angepaßter Griffel (46) ist, der einen vorspringenden Abschnitt (50) mit einer bogenförmigen Fläche (52) aufweist, die benachbart einem Ende des Griffels angeordnet und zur Reflexion akustischer Wellen fähig ist, sowie einen Abschnitt (53) zum Halten des Griffels, der dem vorspringenden Abschnitt (50) benachbart angeordnet ist und einen mittleren Durchmesser aufweist, der beträchtlich geringer ist als der Durchmesser des vorspringenden Abschnitts (50).'

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8. Vorrichtung zur Positionsbestimmung,

gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a. ) ein bewegliches Objekt (6,46), dessen Position bestimmt werden soll und das eine zur Reflexion akustischer Wellen fähige Fläche (6,52) aufweist,
b.) in einem Winkel von mehr als 90 Grad angeordnete erste (2) und zweite (4) lineare Wandler,
c.) eine zumindest an einen der Wandler (2,4) angeschlossene Impulserzeugungs-Vorrichtung (16) zur Erregung des Wandlers für die Erzeugung akustischer Impulse und

d. ) eine an jeden der Wandler (2,4) angeschlossene, auf den Empfang von dem Objekt reflektierter Impulse reagierende Zeitsteuer-Vorrichtung

( 20 , 26 , 28 ,30 , 32 , 34 , 36 ,45 ) .

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,' daß die Impulserzeugungs-Vorrichtung (16) an die erste Wandler-Vorrichtung (2) angeschlossen ist und daß jeder der Wandler (2,4) auf von dem ersten Wandler (2) ausgesendete und von dem Objekt (6,46) reflektierte Impulse reagiert, daß weiterhin die Zeitsteuer-Vorrichtung (20,26,28,30,32,24,45) eine Vorrichtung (45) zum Vergleich der Ausbreitungszeit eines akustischen Impulses vom ersten Wandler (2) zu dem Objekt (6,46) und wieder . zurück zur Ausbreitungszeit eines akustischen Impulses, der sich von der ersten Wandler-Vorrichtung (2) zu dem Objekt (6,46) und darauf zu der zweiten Wandler-Vorrichtung (4) bewegt, enthält.

10. Wandler vom Seil-Typ,

gekennzeichnetdurch folgende Kombination:

a. ) eine hintere Elektrode (64) mit einer leitenden Fläche,

b.) eine sich über die hintere Elektrode (64) erstreckende Membran (66), die eine leitende, von der leitenden Fläche der hinteren Elektrode (64) isolierte Fläche aufweist und

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c.) eine Vielzahl diskreter Teilchen (78), die zwischen der Oberfläche der hinteren Elektrode (64) und der Membran (66) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, -■ dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (78) unterschiedliche Durchmesser innerhalb eines Variationsbereiches von 2 : 1 aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekenn z,e lehnet, daß jedes der Teilchen (78) ein hohles gasgefülltes Zentrum aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen. (78) aus Glas hergestellt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Teilchen (78) aus Plastik hergestellt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Teilchen (78) einen Durchmesser zwischen 15 und 50 Mikrometern aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (78) mit einer Dichte von 20 bis 50 Teilchen pro mm verteilt sind.

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17. Sellwandler mit einer mit einer leitenden Oberfläche versehenen beweglichen Membran,

dardurch gekennzeichnet, daß er eine hintere Elektrode (64) von im wesentlichen U-förmigem Querschnitt aufweist, die benachbart der Membran (66) eine leitende Oberfläche aufweist, von der sich weiterhin zwei Seitenwände (80,82) erstrecken, die abgeschrägtere Oberflächen aufweisen (84,86), die nicht parallel zur beweglichen Membran sind.

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