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Einrichtung Feststellung-der-in-einem einemTastenfeld
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betatigten-Taste für-einen-Bildgeber Die Erfindung bezieht sich auf
eine Einrichtung zur Feststellung der in einem Tasten feld betätigten Taste für
einen Bildgeber der eine Bildfläche zur Darstellung von Bildern aufweist, wobei
das Tastenfeld eine Anzahl von einzeln betätigbaren Tasten besitzt, die in Blickrichtung
vor der Bildfläche angeordnet sind, mit einer vor der Bildfläche angebrachten durchsichtigen
Scheibe, die ein Bestandteil des Tastenfeldes ist und durch Tastdruck betätigbar
ist.
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Bei Bildgebern, insbesondere bei Bildschirm-Sichtgeräten, besteht
der Wunsch, die zur Darstellung von Bildern vorgesehene Bildfläche zusätzlich als
Tastenfeld zu benutzen.
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Ein solches Tastenfeld sollte eine Anzahl von einzeln betätigbaren
Tasten aufweisen. Größe, Anordnung und Funktion der Tasten sollten je nach dem dargestellten
Bild unterschiedlich sein. Mit anderen Worten, durch Betätigung einer Taste, d.h.
durch Antippen einer bestimmten Stelle der Bildfläche durch den Bedienenden, sollte
diese Stelle automatisch festgestellt und - infolge geeigneter Zuordnung - sollte
eine bestimmte Funktion ausgelöst werden. Hierzu bedarf es einer zusätzlichen Einrichtung,
die bestimmte Anforderungen erfüllen muß. Insbesondere soll sie für den Betrachter
keine nennenswerte Beeinträchtigung des dargestellten Bildes bewirken. Es sollen
also weder Helligkeit noch Kontrast und Schärfe des Bildes sichtbar verringert werden.
Außerdem soll sich die zusätzliche Einrichtung mit geringem Aufwand realisieren
lassen. Sie soll zuverlässig arbeiten, und zwar auch
unter verschiedenen
Umweltbedingungen und über lange Zeiträume, und sie soll bei der Gestaltung der
Bildfläche dem Konstrukteur keine Einschränkungen auferlegen. Schließlich soll sie
auch relativ flach sein und keinen ausgeprägten Rahmen aufweisen, der insbesondere
bei einem Bildschirm eines Bildgebers, wie z. B. bei einem Computer oder Patientenüberwachungsgerät,
störend wirken würde.
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Solche zusätzlichen Einrichtungen, die ein durchsichtiges Tastenfeld
vor einer Bildfläche verkörpern, sind bereits bekannt. Eine dieser Lösungen wird
unter der Fachbezeichnung "Touch Screen" in der Literatur (Hewlett-Packard Journal
August 1984, Seiten 4 bis 6; Elektronikjournal 3/85, Seiten 6 bis 14) beschrieben.
Diese Lösung beruht auf einer Vielzahl von horizontal und vertikal vor einem Bildschirm
verlaufenden Lichtschranken, die einen Gegenstand, wie z. B. den Zeigefinger des
Bedienenden,vor dem Bildschirm erkennen und dessen Position feststellen können.
Nachteilig ist dabei sowohl der hohe Aufwand als auch der stark ausgeprägte Bildrahmen
um den Bildschirm herum, der für die Lichtschranken erforderlich ist.
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Eine andere Lösung ist aus der Firmendruckschrift SB-9001 der Firma
Epson Corporation mit dem Titel "Specifications for Epson Standard Touch Panel",
Juni 1984, bekannt.
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Diese Lösung sieht eine Matrixstruktur aus elektrisch leitfähigen,
optisch durchsichtigen dünnen Streifen vor.
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Berühren sich zwei benachbarte Streifen am Ort eines Tastendruckes,
so gibt es einen elektrischen Kontakt, und der Ort des Tastendruckes wird mittels
einer Auswerteschaltung erkannt. Beim heutigen Stand des Wissens muß die Stabilität
der durchsichtigen, leitfähigen Schichten oder Streifen als noch ungewiß angesehen
werden. Außerdem ist es nachteilig, daß die Isolation zwischen den beiden Streifenschichten
durch isolierende Abstandsnoppen vorgenommen ist. Diese Abstandsnoppen können bei
Betrachtung der Bildfläche visuell stören.
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Schließlich ist aus dem Prospekt "BCC - BSR Computer Components; TouchPad
Module", 3/84, der Firma BSR, USA, eine Einrichtung bekannt, von der eingangs ausgegangen
wird. Diese Einrichtung besteht aus zwei gegenüberliegenden Schichten aus leitfähigem
Material, die optisch durchsichtig sind. Abwechselnd wird eine Spannung an die eine
und die andere Schicht angelegt. Die Spannungsteilung bei Kontakt, insbesondere
infolge Berührung durch den Finger des Bedienenden, wird jeweils mit der anderen
Schicht gemessen. Auch hier muß ausgeführt werden, daß über eine Langzeitstabilität
solcher optisch durchsichtigen Schichten wenig bekannt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben, die auf einfache, preisgünstige, zuverlässig arbeitende und seit
langem bewährte Bauteile zurückgreift und trotzdem die Gestaltung der Bildfläche
des Bildgebers, insbesondere eines Bildschirm-Sichtgeräts, nicht wesentlich einschränkt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durchsichtige
Scheibe an mindestens drei Lagerstellen gegenüber der Bildfläche gelagert ist, und
daß mindestens zwei Lagerstellen mit Kraftsensoren versehen sind, die bei einem
auf die Scheibe ausgeübten Tastdruck die in den Lagerstellen herrschenden Kräfte
oder Kraftänderungen anzeigen.
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Bevorzugt sind die Kraftsensoren als elektrische Kraftwandler ausgebildet
und mit einer Auswerteeinheit verbunden, die aus den gemessenen Kräften oder Kraftänderungen
den Ort des Tastdruckes auf der Scheibe ermittelt und eine entsprechende elektrische
Positionsmeldung für die betätigte Taste abgibt.
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Bei einem Bildschirm-Sichtgerät wird die durchsichtige Scheibe oder
Sichtscheibe, die als Tastenfeld benutzt werden soll, bevorzugt an nur einigen wenigen
Befestigungspunkten oder Lagerstellen mit der tragenden Konstruktion des Bildschirm-Sichtgerätes
verDunden. An oder in diesen Lagerstellen befinden sich die Kraftsensoren, die bevorzugt
elektrische Meßsignale erzeugen, welche dem am jeweiligen Befestigungspunkt senkrecht
zur Oberfläche wirkenden Druck entsprechen. Aus den so gewonnenen Meßwerten, insbesondere
aus ihrer Relation zueinander, d.h.
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aus der relativen Kraftaufteilung auf die einzelnen Lagerstellen,
läßt sich in der Auswerteeinheit auf den Ort schließen, an dem der Bedienende auf
die durchsichtige Scheibe drückt. Die Erfindung beruht somit auf der Messung der
Kraftverteilung, in der ein auf die Scheibe ausgeübter Druck auf die Befestigungspunkte
der Lagerstellen aufgeteilt wird. Denn diese Kraftverteilung ist von dem Ort des
Tastdrucks, d.h. dem Ort der Krafteinleitung in die durchsichtige Scheibe, abhängig.
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Es sind viele verschiedene Ausführungsformen einer solchen Einrichtung
zur Feststellung der in einem Tastenfeld betätigten Taste möglich, die sich beispielsweise
in der Art der gewählten Scheibe, in der Anzahl und Anordnung der Lagerstellen und
Kraftsensoren, in der Auswahl der Kraftsensoren und in der Weiterverarbeitung der
Meßsignale unterscheiden können. Nachfolgend sollen einige dieser Ausführungsformen
kurz genannt werden.
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Die durchsichtige Scheibe kann eben oder gewölbt sein und aus verschiedenen
Materialien, z. B. Glas oder insbesondere Kunststoff, bestehen. Sie sollte eine
ausreichende Festigkeit und Steifigkeit aufweisen, um den bei der Bedienung auftretenden
Kräften standzuhalten und den empfangenen Druck weiterzuleiten. Da sie nur an einigen
Lagerstellen
mit der tragenden Konstruktion der Bildfläche verbunden sein soll, ist ihr Abschluß
oder Ubergang zur übrigen Frontfläche des Bildgebers flexibel zu gestalten.
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Wenn der Wunsch besteht, die erwähnte durchsichtige Scheibe zu vermeiden,
ist es sogar möglich, die Oberfläche des Bildgebers (z. B. einer Bildröhre) direkt
als druckempfindliche Fläche zu benutzen, wenn für eine entsprechende Befestigung
des Bildgebers über Drucksensoren gesorgt ist. Eine solche Ausführungsform zeichnet
sich also erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Bildfläche des Bildgebers selbst
als Tastenfeld zur Ausübung eines Tastdrucks vorgesehen ist, daß die Bildfläche
über mindestens drei Lagerstellen gegenüber einem feststehenden Körper, insbesondere
einem Gehäuse, gelagert ist, und daß mindestens zwei Lagerstellen mit Kraftsensoren
versehen sind, die bei einem auf die Bildfläche ausgeübten Tastdruck die in den
Lagerstellen herrschenden Kräfte oder Kraftänderungen anzeigen. Diese Ausführungsform
ist also eine Art kinematische Umkehrung zur Ausführungsform mit gelagerter durchsichtiger
Scheibe.
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Der hierin verwendete Begriff "Bildfläche"kann in erster Linie die
Sichtfläche eines Bildschirms bedeuten. Er soll aber auch jede andere Form von Darstellungsfläche
umfassen, z. B. eine Fläche, die matrixförmig mit graphischen Symbolen, Zahlen oder
Buchstaben belegt ist, also mit statischen Symbolen. Auf dieser läBt sich mittels
der durchsichtigen Scheibe eine preisgünstige Tastatur realisieren, z. B.
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für ein Bedienungspult.
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Zur Anzahl und Anordnung der Lagerstellen und Kraftsensoren ist folgendes
zu sagen: Zur statisch eindeutigen Befestigung sind nur drei Befestigungspunkte
oder Lagerstellen der durchsichtigen Scheibe erforderlich. Es können jedoch auch
mehr Lagerstellen gewählt werden. Dann
sind jedoch auch die elastischen
Eigenschaften der Scheibe und der Lagerstellen zu berücksichtigen. Damit die Lagerstellen
und die Kraftsensoren die Bildbeobachtung nicht stören, werden sie zweckmäßigerweise
außerhalb der Bildfläche oder des nutzbaren Bildfensters angeordnet. Außerdem sollten
sie so angeordnet sein, daß die Biegekräfte in der Scheibe gering, die Kraftunterschiede
in den einzelnen Kraftsensoren je nach Tastdruckpunkt aber möglichst groß ausfallen.
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Wenn sich die Erkennung des Tastdruckpunktes auf die gesamte zweidimensionale
Bildfläche des Bildgebers erstrecken soll, sind alle drei Lagerstellen der durchsichtigen
Scheibe mit Kraftsensoren zu versehen. Wird jedoch nur eine Zeile oder nur eine
Spalte mit Tasten benötigt, dann sind für die eindimensionale Erkennung des Tastdruckpunktes
bereits zwei Kraftsensoren ausreichend.
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Zur Ausführung der Kraftsensoren soll folgendes angemerkt werden:
Sowohl Kraftsensoren, die den statischen Druck und/oder Zug messen (z. B. Dehnungsmeßstreifen
jeweils auf einem Federelement), als auch solche, die nur Kraftänderungen messen
(z. B. solche nach dem piezoelektrischen Effekt), sind anwendbar. Besteht die Forderung
nach geringem Preis und mechanischer Robustheit, so erscheinen gegenwärtig Kraftsensoren
aus einer Piezo-Keramik besonders vorteilhaft. Hierbei kann es sich um handelsübliche
keramische Kondensatoren hoher Kapazität handeln.
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Bezüglich der Weiterverarbeitung der von den Kraftsensoren abgegebenen
Meßsignale soll erwähnt werden, daß es zweckmäßig sein kann, die Meßsignale zu digitalisieren
und sie einer Auswerteeinheit in Form einer Rechnereinheit, insbesondere einem Mikroprozessor
zuzuführen. Diese Rechnereinheit trifft dann anhand der Meßsignale die
Entscheidung,
welcher Ort der durchsichtigen Scheibe gedrückt wurde. Weiterhin kann sie - infolge
vorgegebener Zuordnung - angeben, welcher Tastenfunktion dieses entspricht und gegebenenfalls
auch feststellen, wann und/ oder wie lange der Tastdruck erfolgte.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
11 Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 3 zwei Beispiele für die Anordnung
von je drei Lagerstellen bei einem rechteckigen Bildfenster eines Bildschirm-Sichtgeräts,
Fig. 2 und 4 die entsprechenden Schnittdarstellungen, Fig. 5 ein Patienten-Uberwachungsgerät
in schematischer Front-Darstellung, bei dem eine durchsichtige Druckscheibe eine
erste Bildfläche mit veränderlichem Darstellungsgehalt und eine zweite Bildfläche
mit statischen Symbolen überdeckt, Fig. 6 und 7 zwei Ausführungsbeispiele für ein
nach Spalten und Zeilen matrixförmig unterteiltes Tastenfeld, Fig. 8 eine weitere
Ausführungsform, die eine besonders einfache Auswertung der Meßsignale ermöglicht,
Fig. 9 eine Einrichtung zur Feststellung der in einem Tastenfeld nach Figur 8 betätigten
Taste mit einer im einzelnen skizzierten Auswerteeinheit, Fig. 10 eine perspektivische
Darstellung einer in vier Lagerstellen gelagerten durchsichtigen Scheibe und Fig.
11 die Scheibe von Fig. 10 in Aufsicht
Nach Figuren 1 und 2 enthält
ein (nur teilweise dargestellter) Bildgeber 2 eine Sicht- oder Bildfläche 4. Insbesondere
kann es sich dabei um ein Bildschirm-Sichtgerät mit dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre
5 handeln. Der Beobachter der Bildfläche 4 möchte durch Antippen oder Hinweisen
auf einen Teil der Bildfläche 4 eine gewisse vorgegebene Funktion auslösen. Dazu
muß der betreffende Ort zunächst lokalisiert werden. Zu diesem Zweck ist der Bildfläche
4 ein Tasten feld 7 (s. Fig. 6 - 8) mit einer Anzahl einzeln betätigbarer Tasten
zugeordnet. Dieses Tastenfeld umfaßt eine in Blickrichtung des Beobachters vor der
Bildfläche 4 angebrachte durchsichtige Scheibe oder Sichtscheibe 6, die vom Bedienenden
an der gewünschten Stelle mit dem Zeigefinger oder einem anderen Hilfsmittel kurz
gedrückt wird.
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Eine solche beliebige Stelle, auf die beim Tastdruck die Kraft F einwirkt,
ist in Figur 1 mit P bezeichnet. Die Scheibe 6, die spezielle Art ihrer Anbringung
und eine nachfolgende Auswerteeinheit ermöglichen es, den Ort P des Tastdrucks automatisch,
schnell und verläßlich zu bestimmen.
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Nach den Figuren 1 und 2 übergreift der Rand der durchsichtigen Scheibe
6 allseitig leicht die äußere Begrenzung der Bildfläche 4. Im Bereich dieses übergreifenden
Randes ist die Scheibe 6 an drei Befestigungspunkten oder punktförmigen Lagerstellen
8A, 8B, 8C gegenüber dem Gehäuse des Bildgebers 2 und damit gegenüber der Bildfläche
4 gelagert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle drei Lagerstellen mit
Kraftsensoren lOA, lOB bzw. 10C versehen, von denen in Figur 2 allerdings nur die
beiden Kraftsensoren lOA, 100 sichtbar sind. Diese Kraftsensoren lOA, lOB, 100 zeigen
bei einem auf die Scheibe 6 ausgeübten Tastdruck der Kraft F die in der zugehörigen
Lagerstelle 8A, 8B, 8C herrschenden Kräfte FA, FB bzw. FC (oder entsprechende Kraftänderungen)
an,
die als Zug- und/oder Druckkräfte auftreten können. Speziell
handelt es sich um elektrische Kraftwandler, die ein der wirksamen Kraftkomponente
entsprechendes elektrisches Meßsignal abgeben, vorzugsweise um piezoelektrische
Übertrager. Aus Figur 2 wird deutlich, daß sie einerseits an der Scheibe 6 und andererseits
am Gehäuse des Bildgebers 2, also an dessen tragender Konstruktion, befestigt sind.
Die Anordnung der drei Kraftsensoren lOA, lOB, lOC ist symmetrisch bezüglich einer
Mittellinie 12.
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Das erleichtert die Signalauswertung.
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Die Figuren 3 und 4 entsprechen weitgehend den Figuren 1 bzw. 2. Hier
sind allerdings die drei Kraftsensoren 10A, lOB, lOC symmetrisch zu einer Mittellinie
14 angeordnet, die senkrecht auf der Mittellinie 12 nach Figur 1 steht.
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In der Ausführungsform nach Figur 5 ist der Bildgeber 2 ein an sich
bekanntes Patientenüberwachungsgerät, das einen Bildschirm 4 und eine Anzahl Meßmodule
16, 18, 20 und 22 sowie Betätigungselemente 24 aufweist (vgl. z. B.
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DE-OS 27 52 783). Auch hier wird eine durchsichtige Scheibe 6 als
Bestandteil eines Tastenfeldes 7 eingesetzt. Durch Druck auf die verschiedenen Stellen
dieser Scheibe 6 können auch hier wieder - nach Lokalisierung der Tastdruckstelle
- verschiedenartige Funktionen durchgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform überdeckt
die Scheibe 6 nicht nur die Bildfläche 4, sondern rechts daneben einen weiteren
Teil der Frontfläche des Bildgebers 2, der als zusätzliche Bildfläche 4z mit einem
Feld statisch angebrachter Symbole a bis j ausgebildet ist.
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Diesem Teil sind vorliegend insgesamt zehn rechteckig eingezeichnete
Tasten zugeordnet, die durch Fingerdruck auf die Scheibe 6 betätigt werden. Mit
anderen Worten, mittels der Scheibe 6 wird nicht nur der Tastort über der Bildfläche
4, sondern auch über einem Teil der Frontfläche des Bildgebers 2 und damit über
der zusätzlichen
Bildfläche 4z ermittelt. Die zusätzlichen Tasten
sind generell mit 26 bezeichnet. Um zu der Entscheidung zu gelangen, wann welche
Taste gedrückt ist, sind in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt vier Kraftsensoren
lOA, lOB, 100 und lOD jeweils an den Ecken der rechteckigen Scheibe 6 vorgesehen.
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In Figur 6 ist angedeutet, in welcher Form die Verarbeitung der Meßsignale
vonstatten gehen kann. Es wird davon ausgegangen, daß eine Scheibe 6 mit den Lagerstellen
8A, 8B, 8C (wie in Figur 1) vorhanden ist. Auf der Scheibe 6 befinden sich, zumindest
im die Bildfläche 4 überdeckenden Teil, die mit 1,1 ... m,n ... 3,4 gekennzeichneten
Tasten eines Tastenfeldes 7 mit m = 1 bis 3 und n = 1 bis 4. Wenn z. B. mit dem
Finger auf die druckempfindliche Sensorfläche der Scheibe 6 gedrückt wird, dann
teilt sich die Kraft F, die bei diesem Drücken ausgeübt wird, auf die Kraftsensoren
in die Kräfte FA, FB und FC auf, und zwar entsprechend dem Hebelgesetz der Mechanik.
Ein Koordinatensystem x, y ist so gewählt, daß die Befestigungspunkte 8A, 8B spiegelsymmetrisch
zur y-Achse angeordnet sind. Der Befestigungspunkt 8C soll im Koordinatenursprung
liegen. Unter dieser Voraussetzung erhält man einfache Algorithmen für die Berechnung
des Tastdruckpunktes. Es sei angemerkt, daß z. B. bei Drücken der Taste 3,1 in der
Lagerstelle 8A eine Druckkraft FA und z. B. beim Drücken der Taste 3,4 dort eine
Zugkraft FA entsteht. Generell läßt sich sagen, daß Zugkräfte in zumindest einer
der Lagerstellen 8A, 8B, 8C immer dann gemessen werden, wenn auf eine Stelle außerhalb
der drei Verbindungslinien zwischen diesen Lagerstellen 8A, 8B, 8C gedrückt wird,
z. B. auf den Rand der Scheibe 6.
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Die Meßwerte FA, FB und FC werden in einem A/D-Wandler digitalisiert
und einer Rechnereinheit, z. B. einem
Mikroprozessor, zugeführt.
Im folgenden wird kurz auf die Behandlung der digitalisierten Meßwerte eingegangen.
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Es kann vorteilhaft sein, unterschiedlichetEmpfindlichkeiten der Kraftsensoren,
die sich in den Meßsignalen FA, FB, FC widerspiegeln, durch Software-Maßnahmen auszugleichen,
um so zu korrigierten Meßwerten zu kommen.
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Ebenso kann es zweckmäßig sein, nicht die Absolutwerte der Meßwerte
FA, FB und FC weiterzuverarbeiten, sondern deren Änderungen mit der Zeit. Nachfolgend
soll aber angenommen werden, daß derartige Maßnahmen nicht erforderlich sind.
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Um zu erkennen, daß die Oberfläche der Scheibe 6 mit einer hinreichenden
Kraft gedrückt wird, wird die gesamte Druckkraft F berechnet nach der Beziehung:
F = FA + FB + FC (1) Wenn die gesamte Druckkraft F einen Schwellwert F5 überschreitet,
so wird geprüft, ob bzw. welche Taste (m,n) des Tastenfeldes 7 gedrückt wurde. Es
ist also zunächst festzustellen, ob F ) F5 (2) gilt. Diese Überprüfung ist in kurzer
Zeitfolge zu wiederholen, um einen jeden Tastendruck zu erkennen. Wenn die Bedingung
(2) erfüllt ist, folgt erst die eigentliche Tastenerkennung.
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Es ist vorteilhaft, die relative Kraftverteilung auf die einzelnen
Kraftsensoren zu berechnen:
FA (3) = FA (3) FB (4) fB = FC (4)
fB = F (5) Wegen der Beziehung (1) kann eine dieser Gleichungen (3) bis (5) ersetzt
werden, z. B.
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fC = 1 - fA f fB (6) Deshalb sollen nachfolgend nur noch A und fB
berücksichtigt werden; fC braucht nicht berechnet zu werden, wenn F bekannt ist.
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Einen besonders einfachen Algorithmus für die Entscheidung, welche
Taste (m,n) des Feldes 7 gedrückt ist, erhält man, wenn man für jede Taste die relativen
Teilkraftbereiche definiert, in denen eindeutig und mit gewissen Sicherheitsreserven
nur diese Taste angesprochen wird.
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Das heißt, die Taste (m,n) ist nur dann gedrückt, wenn sowohl (fAmn)min
> fA > (fAm,n)max (7) als auch (fBm,n)min > fB (fBm,n)max (8) erfüllt ist.
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In Figur 7 ist ein Tastenfeld 7 mit Tasten (m,n) dargestellt, das
insgesamt aus vier Spalten und sechs Zeilen
besteht, wobei die
einzelnen Tasten mit 1,1 bis 6,4 bezeichnet sind.
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Eine nähere Betrachtung läßt erkennen, daß die Umrechnung der Meßwerte
fA, fB, fC in die Koordinaten x, y der Scheibe 6 weitgehend von der Lage der Lagerstellen
8A, 8B, 8C der Scheibe 6 abhängig ist. Die Lagerstellen 8A, 8B, 8C können deshalb
auch so gewählt werden, daß sich ein besonders einfacher Algorithmus ergibt. Die
Figur 8 zeigt eine derartige Anordnung. Dort sind die Lagerstellen 8A, 8B, 8C so
gewählt, daß sie ein gleichseitiges rechtwinkliges Dreieck bilden, wobei die beiden
gleichlangen Seiten parallel zu den x, y-Koordinaten der Scheibe 6 verlaufen. Eine
derartige Anordnung weist allerdings kein hohes Maß an Symmetrie auf. Die Umrechnung
von den relativen Kraftwerten fA, fB in die x-, y-Koordinaten ist relativ einfach
gemäß y = AC # fA und (9) x = BC * fB, tlO) wobei wegen der Gleichseitigkeit gilt:
AC = BC (11) W~ und Wt sind die geometrischen Abstände der Lagerstellen.
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Es sollte hier noch erwähnt werden, daß die Tastenflächen auf der
Scheibe 6 nicht zu klein bemessen sein sollten, weil mehrere Fehlerursachen (Parallaxe
zwischen Schirmbild und Druckpunkt, mechanische und elektrische Toleranzen) zu einem
gewissen Fehler in der Tasten-Treffsicherheit führen können.
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In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Tastenfeld-Feststellung
mit elektrischer Auswerteeinheit 30 dargestellt. Diese Einrichtung geht von einer
Wahl des Koordinatensystems x, y auf der Scheibe 6 gemäß Fig. 8 aus. Die Betätigungsdruckkraft
ist hier wiederum mit F bezeichnet, und die in den Kraftsensoren 8A, 8B und 8C gemessenen
Kraft-Meßwerte sind mit FA, FB bzw. FC angegeben. Die Kraftsensoren stützen sich
auch hier am Gehäuse des Bildgebers 2 ab.
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Jedem Kraftsensor 8A, SB, 8C ist ein Signalverstärker 38A, 38B bzw.
38C nachgeschaltet. Deren elektrische Ausgangs-oder Meßsignale UFA, UFB, UFc werden
in einem Addierer 40 zu einem Summensignal UF addiert. Dieses summierte Meßsignal
UF wird zwei Dividierern 42, 44 zugeführt.
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Der erste Dividierer 42 erhält auch das Meßsignal UFA. Er bildet daraus
das Signal UfA = UFA/UF. Der zweite Dividierer 44 erhält das Meßsignal UFB. Er bildet
daraus das Signal UfB = UFB/UF. Das Ausgangssignal UfA wird in drei Fensterkomparatoren
für die Zeilen gegeben, die mit 51, 52, 53 bezeichnet sind. Entsprechend wird das
Ausgangssignal UfB in vier Fensterkomparatoren 61 bis 64 für die Spalten gegeben.
Diesen Fensterkomparatoren 51 bis 53 und 61 bis 64 ist jeweils ein unterer und ein
oberer Grenzwert zugeordnet (entsprechend den Gleichungen (7) und (8)). Ihre Ausgangssignale
werden mit Hilfe von UND-Gliedern 71 bis 73 und 81 bis 94 in der gezeigten Weise
logisch miteinander verknüpft. Diesen UND-Gliedern 71 bis 73 und 81 bis 94 wird
jeweils noch ein Freigabesignal g zugeführt, das von einem Komparator 96 zur Erkennung
einer ausreichenden Druckkraft F5 herrührt. Dieser Komparator 96 wird einerseits
vom summierten Meßsignal UF und andererseits von einem Schwellwert UFS gespeist.
An den Ausgängen der UND-Glieder 71 bis 94 liegt ein Tastensignal Tl,l bis T3,4
an, falls im Bereich einer der Tasten 1,1 bis 3,4 eine
Betätigung
durch eine ausreichende Betätigungsdruckkraft F5 erfolgte. Die Tastensignale Tl,l
bis T3,4 sind also elektrische Positionsmeldungen.
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Um die mechanische Festigkeit der Befestigung der Scheibe 6 gegenüber
einer Dreipunktbefestigung zu erhöhen, soll nachfolgend anhand der Figuren 10 und
11 ein spezieller Fall einer Vierpunktbefestigung beschrieben werden, der sich unter
den genannten Voraussetzungen noch mathematisch relativ einfach lösen läßt.
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Es wird von folgendem ausgegangen: - Bei einer Vierpunktbefestigung
der Scheibe 6 können bereits ohne zusätzliche Krafteinleitung F an den Lagerstellen
lOA bis lOD Kräfte auftreten. Diese Kräfte sollen nachfolgend unberücksichtigt bleiben
bzw. zu null angenommen werden.
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- Die Scheibe 6 ist ideal starr, besitzt also eine vorgegebene hohe
Steifigkeit.
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- Die Befestigungspunkte lOA, lOB, lOC und 100 (wie in Fig. 10 dargestellt)
sind in Kraftrichtung (senkrecht zur Sensorfläche der Scheibe 6) federnd gelagert,
wobei die vier Federn llA bis llD alle dieselbe Federkonstante haben.
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- Das x-y-Koordinatensystem ist rechtwinklig.
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- Die Befestigungspunkte lOA und 100 liegen auf der y-Achse.
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- Die Befestigungspunkte lOC und 100 liegen auf der x-Achse.
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- Die Strecke AB ist gleich DC, und die Strecke DA ist gleich CB.
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Die Berechnung der x-y-Koordinaten des Tastpunkts XF, YF erfolgt so:
Zur Berechnung wird die Kräfteverteilung nach dem Hebelgesetz betrachtet. Fig. 11
zeigt die um die x- bzw. y-Achse drehbaren Hebel. Es gelten dabei folgende Bedingungen:
Die Summe der Kräfte ist null: F + FA + FB + FC + FD = 0 (12) Die Summe der Drehmomente
um die y-Achse ist null: XF ' F + AB (FB + FC) = 0 (13) Die Summe der Drehmomente
um die x-Achse ist null: F F + DA (FA + Fc) = 0 (14) Daraus folgt:
Nach obigen Zählpfeilen haben die Druckkräfte auf die Kraftsensoren l0A bis lOD
ein negatives Vorzeichen. Die sich ergebenden Algorithmen sind also sehr einfach.
Das darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, daß sie in der praktischen Anwendung
noch korrekturbedürftig sein können.
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Es hat sich gezeigt, daß die vorangehend beschriebene Einrichtungen
zur Feststellung der in einem Tastenfeld betätigten Taste eine große Präzession
bei der Ortsbestimmung ermöglichen. Hervorzuheben ist ihre leichte und preisgünstige
Herstellbarkeit, ebenso ihre Flexibilität in der Anwendung, d.h. es gibt keine Beschränkung
auf eine ebene und/oder gewölbte Bildfläche. Durchsichtige Scheiben 6 lassen sich
mit guter Transparenz für den Beobachter beschaffen; so gibt es keine Inhomogenitäten
zwischen der Bildfläche 4, 4z und dem Betrachter. Die Einrichtung ist störunempfindlich
gegen Geräusche, Infrarotlicht, HF-Signale etc.. Sie kann relativ einfach gebaut
werden. Konventionelle Materialien sind einsetzbar, z. B. kann die Scheibe 6 aus
Glas, Plexiglas, etc.
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bestehen. Sie ist im übrigen auch leicht auswechselbar.
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18 Patentansprüche 11 Figuren
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