DE3420701A1

DE3420701A1 - Eingabevorrichtung fuer positionskoordinaten

Info

Publication number: DE3420701A1
Application number: DE3420701A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Mori; Kazumasa Yamanoto; Osamu Yamanoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-06-06
Filing date: 1984-06-02
Publication date: 1984-12-06
Also published as: GB2143660A; JPS59225439A; US4558757A; GB8414288D0; DE3420701C2; CA1226643A; GB2143660B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Eingabevorrichtungen für Positionskoordinaten, insbesondere auf Einrichtungen mit Kraftauswertung, bei denen die Kraftkomponenten einer von außen ausgeübten Kraft durch Benutzung von mehreren Kraftdetektoren ausgewertet werden und bei denen die Kraft durch einen Finger, einen Zeigestab o..dgl. zur Eingabe von Koordinatenwerten in einen Computer o.dgl. aufgebracht wird.

Als Eingabevorrichtungen für Positionskoordinaten für Computer o.dgl. wurden bisher sogenannte Digitalisierer benutzt, die jedoch sehr aufwendig sind, aber eine genaue Eingabe der Koordinaten von graphischen Informationen zulassen. Nach der allgemeinen Verbreitung von Computern ist jedoch der Bedarf für weniger aufwendige Eingabevorrichtungen für Positionskoordinaten entstanden. Insbesondere besteht ein großer Bedarf von Eingabevorrichtungen von Positionskoordinaten, die nach dem sogenannten Durchdringungsverfahren arbeiten, d.h. bei denen die Daten in Display-Einheiten durch Fingerdruck o.dgl. eingegeben werden können. Dieses Verfahren hat sich in letzter Zeit durchgesetzt, weil danach auch mit der Arbeitsweise von Computern unerfahrene Bedienungspersonen arbeiten können, um auf einfache Weise bei mehreren getrennt auf einem Display, angezeigten Zweigen durch einfachen Fingerdruck auf bestimmte Zweige eine Verarbeitung durchzuführen. Für

solche Zwecke wurden insbesondere Lichtgriffel benutzt. Inzwischen sind auch bereits verschiedene Einrichtungen vorgeschlagen worden, mit denen Daten auf bequemere Weise eingegeben werden können, z. B. durch Fingerdruck, durch Druck auf einen Kugelschreiber oder andere Mittel, wodurch die Benutzung von Lichtgriffeln vermieden werden kann. Als typische Einrichtung dieser Art kann eine Schaltmatrix angeführt werden, die mit einem transparenten und elektrisch leitfähigen Blatt arbeitet, eine Einrichtung mit elektrischer Spannungs-Strom-Teilung, eine Einrichtung mit Laser-Strahlen und ein Verfahren, bei dem die Ubertragungszeit von Oberflächenwellen gemessen wird.

Diese bekannten Einrichtungen haben jedoch dadurch Nachteile, daß sie kompliziert im Aufbau und aufwendig sind, daß es schwierig ist, die angezeigten Daten auf dem Display zu erkennen, daß Wartungs- und Reparaturarbeiten schwierig durchzuführen sind, so daß diese bekannten Einrichtungen sich nicht in großer Anzahl durchsetzen konnten.

Über die bekannten beschriebenen Einrichtungen hinaus ist außerdem eine Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten nach dem Kraftmessverfahren vorgeschlagen worden, bei dem die Kraftkomponenten einer auf einen Punkt einer Eingabeplatte ausgeübten Kraft festgestellt wird, so daß der Punkt, auf den die Kraft ausgeübt wird, ermittelt werden kann. Eine solche Eingabevorrichtung kann mit einer Eingabeplatte aus einheitlichem und voll transparentem Material ausgerüstet sein, wie

z. B. einer Glasplatte, einer Acrylharzplatte usw. Eine ]

solche Eingabevorrichtung ist einfach im Aufbau, was j

niedrige Herstellkosten bedeutet. Eine Eingabevorrich- ?

tung nach diesem Prinzip ist z. B. in der japanischen I

Patentpublikation Nr. 34247/1974 (Tokkosho 49-34247) und in dem US-Patent 4,389,711 beschrieben, bei der

durch Feststellung der Kraftkomponenten einer einge- j

gebenen Kraft an drei Punkten der Eingabeplatte die Ko- j

ordinaten der Eingabeposition ermitteln werden (Fig. 1).

Wird bei der Anordnung nach Fig. 1 auf den Punkt 2 einer rechteckförmigen Eingabeplatte 1 mit einer Höhe H und einer Länge 2L eine Kraft F ausgeübt, so werden die Kraftkomponenten fl, f2 und f3 der Kraft F an den punkten 3a, 3b und 3c gemessen. Es ist hierbei zu beachten, daß der Punkt 3c auf der Oberseite der Platte 1 in der Mitte angeordnet ist. Wird für die Kartesischen Koordinaten X und Y der Punkt 3a als Nullpunkt angenommen, so bedeuten die Punkte 3a, 3b und 3c die Koordinaten (0,0), (21,,O) und (L,H). Die Koordinaten (x, y) des Eingabepunktes 2 der Kraft F werden also durch die folgenden Gleichungen gegeben:

f3 + 2f2 _T m\

x = ρ · L (1)

y = P-—- ·η· (2)

hierbei ist:

F = fl + f2 + f3 (3)

Hieraus geht hervor, daß die Koordinaten (x, y) des Punktes 2 der Kraft F durch Messen der Kraftkomponenten an den drei Punkten bestimmt werden kann. Diese bekannte Eingabevorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß solche Faktoren wie das Gewicht der Eingabeplatte 1, Schwankungen der die Kraftkomponenten repräsentierenden Ausgangssignale abhängig von Temperaturwechseln sowie Dehnungen der Eingabeplatte 1 selbst bei der Bestimmung des Punktes 2 der Kraft F berücksichtigt werden müssen. Außerdem hat die bekannte Eingabevorrichtung den Nachteil/ daß sich die Dehnung der Eingabeplatte 1 infolge einer auf den Endbereich der Eingabeplatte 1, wie z. B. Punkt 4 (Fig. 1), ausgeübten Kraft F erhöht, wenn die Eingabeplatte 1 eine rechteckförmige Form hat. Dies hat zur Folge, daß die Eingabeplatte 1 stärker ausgebildet werden muß, wenn sie größere Maße annimmt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten vorzugschlagen, mit der an andere Einrichtungen Positionsdaten mit hoher Genauigkeit eingegeben werden können, und zwar durch einfachen Fingerdruck o.dgl. und unter Vermeidung der Nachteile bisher bekannter Eingabevorrichtungen. Weiterhin soll die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung einfach im Aufbau sein, zuverlässig in der Benutzung und geeignet für Massenproduktion bei niedrigen Kosten.

Zur Erreichung dieser Ziele ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten gekennzeichnet durch eine Ein-

gabeplatte; vier elastische Platten, die an vier Positionen der Eingabeplatte angeordnet sind; und vier Kraftdetektoren zur Messung der Kraftkomponenten der an einem Punkt der Eingabeplatte ausgeübten externen Kraft, wobei die Kraftdetektoren auf den elastischen Platten angeordnet sind und somit die Koordinaten des Punktes, auf den die externe Kraft ausgeübt wird, festgestellt und diese Daten an eine andere Einrichtung weitergegeben werden können.

Es wird bemerkt, daß es notwendig ist, die Dehnung der Eingabeplatte und durch Temperaturschwankungen verursachte Fehler auf ein Minimum zu bringen, um Koordinatendaten mit hoher Genauigkeit zu erhalten. Durch die erfindungsgemäße Aufhängung der Eingabeplatte an vier Punkten erhält diese eine höhere Stabilität als bei der bisher bekannten Aufhängung an drei Punkten, so daß auf Dehnung der Eingabeplatte zurückgehende Fehler reduziert werden.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung die vier Kraftdetektoren aus zwei Gruppen von je zwei Kraftdetektoren bestehen, von denen die ersten einen Temperaturgang mit einem ersten Vorzeichen und die zweiten einen solchen mit einem zweiten, umgekehrten Vorzeichen haben, so werden auf Temperaturschwankungen zurückgehende Fehler eliminiert. Ein solches Verfahren kann bei den bisher bekannten Eingabevorrichtungen nicht angewandt werden, da diese mit drei Auflagepunkten für die Eingabeplatte arbeiten; dieses Verfahren kann nur eingesetzt werden bei der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung mit einer

auf vier Punkten gelagerten Eingabeplatte.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Details gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer (bereits beschriebenen) bekannten Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten;

Fig. 2 eine Perspektivdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten;

Figi 3 eine vergrößerte, perspektivische Darstellung einer in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewandten elastischen Platte;

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Eingabevorrichtung nach Fig. 2 und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung für die Eingabevorrichtung nach Fig. 2.

Einleitend wird darauf hingewiesen, daß in der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu den verschiedenen Ansichten gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In den Figuren 2 bis 5 ist eine Eingabevorrichtung K für

Positionskoordinaten gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Eingabevorrichtung K enthält eine rechteckförmige Eingabeplatte 11,
auf die an einem Punkt 12 eine externe Kraft F ausgeübt
wird, und vier elastische Platten 13, d. h., 13a, 13b,
13c und 13d. Die Eingabeplatte 11 besteht aus Tafelglas
mit einer Höhe von 188 mm, einer Länge von 252 mm und
einer Stärke von 3 mm, während jede der elastischen
Platten 13a bis 13d aus rostfreiem Stahl mit einer
effektiven Länge von 50 mm, einer Breite von 10 mm und
einer Stärke von 2 mm besteht. Jede dieser elastischen
Platten 13a bis 13d weist an einem Ende einen ersten Ansatz 14 und an dem anderen Ende einen zweiten Ansatz 15 ■ auf, wobei die beiden Ansätze sich in entgegengesetzte i Richtungen erstrecken. Der erste Ansatz ist mit einer ' der vier Ecken der Eingabeplatte 11 und der zweite An- ί satz 15 mit einem festen Rahmen (nicht gezeigt) ver- j bunden. j

Aus Fig. 3 ist zu sehen, daß jede der elastischen \ Platte 13a bis 13d einen flachen Teil hat, der sich

zwischen dem ersten Ansatz 14 und dem zweiten Ansatz 15 _t

erstreckt. Ein Halbleiter-Dehnungsmesslement 16 dient \

als Dehnungdetektor und ist auf der einen Fläche des ^:

flachen Teils jeder der elastischen Platten 13a bis 13d |

befestigt, und zwar etwa in der Mitte in Bezug auf die ι Breite und die Länge jeder der elastischen. Platten 13a
bis 13d.

Nachfolgend wird das Prinzip der Koordinatenermittlung
des Punktes, an dem die externe Kraft ausgeübt wird,

für die Eingabevorrichtung K unter Zuhilfenahme der Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 wird eine externe Kraft F auf einen Punkt 18 der Eingabeplatte 17 ausgeübt und die Kraftkomponenten fl, f2_f f3 und f4 der externen Kraft F werden an den Punkten 19a, 19b, 19c und 19d gemessen, die an den vier Ecken der Eingabeplatte 17 liegen.

Wenn die Koordinaten der Punkte 19a, 19b, 19c und 19d durch die Größen (xl, yl), (x2, y2), (x3, y3) und (x4, y4) dargestellt werden, können die Koordinaten (x, y) des Punktes 18 des Angriffspunktes der externen Kraft F aufgrund des Gleichgewichtes des Momente in der Ebene der Eingabeplatte 17 durch die folgenden Gleichungen definiert werden:

χ = flxl + f2x2 + f3x3 + f4x4 (4) ^v

Y = flyl + f2y2 + f3y3 + f4y4 (5)

hierbei ist:

F = fl + f2 + f3 + f4 (6)

Es wird hierbei bemerkt, daß die Eingabeplatte 17 die Form eines Rechteckes mit einer Höhe H und einer Länge L hat und daß die Punkte 19a, 19b, 19c und 19d an den vier Eckpunkten des Rechteckes liegen. Wenn die Kartesischen Koordinaten X und Y mit dem Punkt 19b

als Nullpunkt angegeben werden, so nehmen die Koordinaten (xl,yl), (x2, y2), (x3, y3) und (x4, y4) die folgenden Werte an:

xl = 0, yl = H;

x2 = 0, y2 = 0;

x3 = L, y3 = 0;

x4 = L, y4 = H.

Die Koordinaten (x, y) des Punktes 18 gehen also aus den folgenden Gleichungen hervor:

χ = (f3 + f4) · L/F y = (fl + f4) · H/F

Auf diese Weise ist es möglich, die Koordinaten des Angriffspunktes einer externen Kraft durch Messung der Kraftkomponenten an den vier Punkten.zu bestimmen.

In der Eingabevorrichtung K werden die Kraftkomponenten fl bis f4 dadurch erzielt, daß die Widerstandsänderungen der Halbleiter-Dehnungsmesselement« 16 in Spannungsänderungen umgewandelt werden.

In Fig. 5 ist eine für die Eingabevorrichtung K bestimmte elektronische Schaltung S gezeigt. Sie enthält Dehnungsmesselemente 20a, 20b, 20c und 2Od, die durch auf den elastischen Platten 13a, 13b, 13c und 13d auf-

gebrachte Halbleiter-Dehnungsmesselemente 16 gebildet werden. Weiterhin sind Umwandlungsschaltungen 21a, 21b, 21c und 21d vorgesehen, die die Widerstandsänderungen der Dehnungsmesslemente 20a, 20b, 20c und 2Od in Spannungsänderungen umwandeln, sowie Addierschaltungen 22a, 22b und 22c. Es folgen Teilerschaltungen 23a und 23b sowie ein Analog-Digital-Wandler 24. Diese elektronische Schaltung S liefert analoge Ausgangssignale entsprechend den Gleichungen (7) und (8), die durch den Analog-Digital-Wandler 24 in digitale Daten umgewandelt werden, die dann einem Computer o.dgl. zugeführt werden können.

In der japanischen Patentpublikation Nr. 34247/1974 (Tokkosho 49-34247), die bereits früher erwähnt wurde, wird ausgesagt, daß es unmöglich ist, die Koordinaten des Eingabepunktes einer externen Kraft durch Messung der Kraftkomponenten an vier oder mehr Punkten einer Eingabeplatte zu ermitteln. In der Eingabevorrichtung K der vorliegenden Erfindung sind die elastischen Platten 13a bis 13d zum Feststellen der Kraftkomponenten gemäß Fig. 3 so angeordnet, daß die Kraftkomponenten, die an den vier Punkten festgestellt werden, in derselben Richtung verlaufen, wodurch es möglich wird, die Kraftkomponenten an vier Punkten der Eingabeplatte zu messen. Insbesondere ist die Eingabevorrichtung K so ausgebildet, daß ihre Empfindlichkeit durch Benutzung der elastischen Platten 13a bis 13d in einer Richtung rechtwinklig zu ihren Flächen verbessert wird, wobei jede Fläche mit einem Halbleiter-Dehnungsmesselement 16 versehen ist. In der Eingabevorrichtung K sind die Halb-

-leiter-Dehnungsmesselemente 16 von einer solchen hohen Empfindlichkeit, daß sie die Kraftkomponenten schon bei einer Verschiebung des distalen Endes jeder der elastischen Platten 13a bis 13d von einem Millimeter oder weniger feststellen können, wobei ein solcher Fall, bei dem die Dehnungsmesselemente 16 in Richtung der Kraftkomponenten durch Biegen der elastischen Platten 13a bis 13d verschoben werden, kaum auftritt. Da die Eingabeplatte 11 durch Aufhängung an ihren vier Ecken stabiler aufgehängt ist als die bisher gekannten Eingabeplatten mit nur drei Aufhängepunkten, wird in der Eingabevorrichtung K die Dehnung der Eingangsplatte 11 reduziert, was wiederum zu einer Verminderung der durch Dehnung der Eingabeplatte 11 verursachten Fehler führt.

Die Ausgangsspannung ν jeder der Umwandlungsschaltungen 21a bis 21d, die aus der ausgeübten Kraft f abgeleitet wird, enthält eine Komponente a, die sich mit der Temperatur ändert, und eine der Kraft f proportionale Komponente. Die Spannung ν ist gegeben durch:

ν = a + kf

hierbei ist:

k - constant.

Um die auf Temperaturänderungen beruhenden Fehler zu vermindern, ist die Eingabevorrichtung K so ausgebildet, daß die Komponenten a der Ausgangsspannungen der

Umwandlungsschaltungen 21a bis 21d sich gegenseitig aufheben. Hierzu sind zwei erste Dehnungsmesselemente und zwei zweite Dehnungsmesselemente als Dehnungsmesselemente 20a bis 2Od vorgesehen, wobei die Komponente a im Ausgangssignal jedes ersten Dehnungsmesselementes im Absolutwert dem Ausgangssignal jedes zweiten Dehnungsmesselementes gleicht, im Vorzeichen jedoch entgegengesetzt ist. In der Eingabevorrichtung K werden die Spannungen vl_f v2_f v3 und v4 der Umwandlungsschaltungen 21a bis 21d durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:

vl = a + kfl (¹⁰>

v2 = -a + kf2

ν2 = a + kf3 . ·

v4 = -a + kf4 (13)

Aus den Gleichungen (7) und (8) ergeben sich die Koordinaten: (x,.'y)

χ = (v3 + v4) · L/(vl + v2 + v3 + v4) (14)

y = (vl + v4) · H/(vl + v2 + v3 + v4) (15)

Es ist zu sehen, daß die sich mit der Temperatur ändernden Komponenten a in den Gleichungen (14) und (15) nicht mehr auftauchen, was nur durch die erfindungsgemäße Anordnung möglich ist, bei der die Eingabeplatte an vier Punkten aufgehängt ist. Im vorliegenden Fall werden in der Eingabevorrichtung K Halbleiter-Dehnungsmesselemente 16 mit identischem Tempera-

turkoeffizienten verwendet und zwei der Halbleiter-Dehnungsmesselemente 16 werden auf den oberen Flächen der elastischen Platten 13a und 13d angebracht, während die anderen beiden Halbleiter-Dehnungsmesselemente 16 auf den unteren Flächen der elastischen Platten 13b und 13c angeordnet sind, so daß sich für die Halbleiter-Dehnungselemente 16 auf den elastischen Platten 13a und 13d entgegengesetzte Widerstandsänderungen ergeben gegenüber den Halbleiter-Dehnungsmesselementen 16 auf den elastischen Platten 13b und 13c. Um Fehler durch Temperaturänderungen zu vermeiden, wurde es bisher für notwendig gehalten, an jedem Messpunkt zwei Halbleiter-Dehnungsmesselemente zu verwenden, die im Differenzverfahren betätigt wurden. Bei der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung K ist jedoch nur ein Halbleiter-Dehnungsmesselement an jedem Messpunkt jeder Kraftkomponente erforderlich, wodurch auf Tempteraturschwankungen beruhende Fehler durch insgesamt nur vier Halbleiter-Dehnungsmesselemente reduziert werden können.

Um die Fehler durch Temperaturschwankungen zu reduzieren, ist es auch möglich, Halbleiter-Dehnungsmesselemente mit entgegengesetztem Temperaturverhalten einzusetzen.

Durch die Erfindung wurde gefunden, daß eine Genauigkeit von ± 5 mm erreicht werden kann für externe Kräfte zwischen 200 und 500 g. Diese Genauigkeit ist für eine

Obwohl im vorliegenden Beispiel die Ausgangssignale der Dehnungsmesselemente durch eine Analogschaltung in Koordinatendaten umgewandelt werden, ist es auch möglich, die Analogschaltung durch eine Digitalschaltung oder Software zu ersetzen. Es ist auch möglich, als Eingabeplatte eine undurchsichtige Alumminumplatte o.dgl. zu verwenden.

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Claims

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., 1006, Oaza Kadoma, Kadoma-shi, Osaka-fu, Japan

Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten

Ansprüche

Eingabevorrichtung für Positionskoordinaten mit einer an mehreren Aufhängegliedern aufgehängten Eingabeplatte, auf die an einem beliebigen Punkt eine Kraft (F) ausgeübt werden kann und zu auswertbaren Kräften an den mit Kraftdetektoren versehenen Aufhängegliedern führt, gekennzeichnet, durch vier elastische Aufhängeglieder (13) zum Aufhängen der Eingabeplatte (11); vier den elastischen Aufhängegliedern (13) zugeordneten Kraftdetektoren (16), welche aus zwei ersten Detektoren (16) mit einer Temperaturcharakteristik mit erstem Vorzeichen und zwei zweiten Detektoren (16) mit einer Temperaturcharakteristik mit zweitem, dem ersten Vorzeichen entgegengesetzen Vorzeichen bestehen; und eine Schaltungsanordnung (S), die aus den Ausgangssignalen der vier Kraftdetektoren (16) entsprechende Koordinatendaten ableitet.

JB/em

M.irlinislralli· 24 D-2HOO Bremen I

Telefon 0421-1280J7

"It'k'copiercr
0421 12 68 34

Telex
244020fepaid

Datex P
44421040 511
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabeplatte (11) aus transparentem Material besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier elastischen Aufhängeglieder (13) an den vier Ecken der Eingabeplatte (11) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der elastischen Aufhängeglieder (13) die Form einer flachen Platte hat, die an ihrem einen Ende einen ersten Ansatz (14) zum Aufhängen der Eingabeplatte (11) und an ihrem anderen Ende einen zweiten Ansatz (15) zum Befestigen an einem feststehenden Teil aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftdetektor (16) aus einem auf dem flachen Teil des elastischen Aufhängegliedes (13) angeordneten Dehnungsdetektor (16) besteht und daß der flache Teil zwischen dem ersten Ansatz (14) und dem zweiten Ansatz (15) liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Detektoren auf der oberen Fläche und die beiden zweiten Detektoren auf der unteren Fläche des sich zwischen den beiden Ansätzen (14,. 15) erstreckenden flachen Teils der elastischen Aufhängeglieder (13) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6/ dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Dehnungsdetektoren (16) aus einem Halbleiter-Dehnungsmeßelement besteht.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der
elastischen Aufhängeglieder (13) zumindest teilweise
durch eine elastische Platte aus rostfreiem Stahl gebildet ist.