DE3624656A1

DE3624656A1 - Durchsichtige graphik-eingabeeinheit

Info

Publication number: DE3624656A1
Application number: DE19863624656
Authority: DE
Inventors: Mikio Furukawa; Yutaka Omori; Kiyomichi Ihara
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1985-07-23
Filing date: 1986-07-22
Publication date: 1987-04-16
Also published as: GB2178242A; JPS6222135A; GB8617633D0; US4745240A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Graphik-Eingabeeinheit oder, genauer, eine durchsichtige Graphik-Eingabeeinheit mit Kontaktelektroden.

Bei verschiedenen Arten von Graphik-Eingabeeinheiten, besonders bei denen, die an oder vor einem Bildschirm, wie z. B. einer Kathodenstrahlröhre, einem LCD-Bildschirm oder dergleichen, befestigt zur Mehrfacheingabe und graphischen Darstellung von z. B. Zeichnungen und Buchstaben verwendet werden, wird Durchsichtigkeit verlangt. Verschiedene Arten von solchen durchsichtigen Koordinateneingabeeinheiten wurden bisher vorgeschlagen, wie z. B. jene mit Kontaktelektroden, die einen Membranschalter aus durchsichtigem und elektrisch leitfähigem Material bilden, jene aus einer optischen Matrix, in der eine Lichtquelle und ein Fotosensor zusammengefaßt sind, um die Koordinaten eines Körpers mit Hilfe eines Lichtstrahls zu ermitteln, und jene mit Drucksensoren, bei denen der Druck der durch Berühren der Eingabeeinheit aufgebracht wird, aufgenommen wird. Weiter wurden Arten von Eingabeeinheiten mit elektrostatischer Kapazität, bei denen die Änderung der elektrostatischen Ladung, die durch Berührung verursacht wird, ermittelt wird, Arten mit für akustische Wellen empfindlichen Oberflächen, bei denen die Koordinaten eines Punktes durch Messung der Laufzeitunterschiede der akustischen Wellen ermittelt werden, und dergleichen mehr vorgeschlagen.

Die oben aufgezählten verschiedenen Arten von Koordinateneingabeeinheiten haben jedoch ihre besonderen Probleme und Nachteile. Insbesondere sind alle Ausführungen außer der mit Kontaktelektroden für den praktischen Gebrauch nahezu ungeeignet, was die Eingabe von Koordinaten einer Vielzahl von Punkten, wie bei Zeichnungen und Buchstaben, mit hoher Geschwindigkeit über eine längere Zeit betrifft, da das Auflösungsvermögen gering ist oder nur durch die Verwendung von hochentwickelten und folglich sehr teuren äußeren Schaltkreisen oder durch die Vergrößerung der ganzen Einrichtung verbessert werden kann.

Dagegen sind die zuerst erwähnten Ausführungen mit Kontaktelektroden zwar in der Praxis von Vorteil bezüglich ihrer relativ einfachen Struktur und der geringen Kosten für die äußeren Schaltkreise, doch bleiben einige Probleme ungelöst, wie nachfolgend gezeigt wird.

Die Koordinateneingabeeinheiten, die zur Eingabe von Zeichnungen, Buchstaben und dergleichen verwendet werden, lassen in digitale und analoge Arten einteilen. Die digitale Koordinateneingabeeinheit besteht aus zwei Elementen, die jeweils aus einer isolierenden Grundfolie bestehen, die auf einer Oberfläche mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist, in der ein Feld von parallelen Linien durch Ätzen ausgebildet ist. Diese beiden Elemente sind parallel zueinander so angeordnet, daß die Oberflächen mit den elektrisch leitfähigen Schichten einander mit geringem Abstand gegenüberliegen, und daß die Laufrichtung der Linienmuster der elektrisch leitfähigen Schichten auf beiden Elementen senkrecht zueinander sind. Die Koordinaten eines Punktes, an dem eines der beiden Elemente berührt wird, können durch die Kombination der Leiterbahnen auf den Elementen, die durch Zusammendrücken miteinander in Kontakt gebracht worden sind, ermittelt werden. Die analoge Koordinateneingabeeinheit besteht aus einem Widerstandselement, welches an der gesamten Oberfläche einer isolierenden Grundfolie einen gleichmäßigen dünnen Widerstandsfilm aufweist, und einer Gegenelektrode, ebenfalls in Form einer Folie, die als gemeinsame Elektrode dient. Dabei wird ein geringer Abstand zwischen den beiden Teilen gehalten, so daß die Koordinaten eines Punktes, an dem eines der beiden Elemente berührt wird und dadurch mit dem anderen in Kontakt gebracht wird, durch die Messung des elektrischen Widerstandes des Widerstandselementes zwischen der Kante des Widerstandselementes und der gedrückten Stellung ermittelt werden können.

Unabhängig von der Art der Eingabeeinrichtung, die digital oder analog sein kann, weist also eine Koordinateneingabeeinrichtung ein Bauteil auf, welches aus einer isolierenden Folie, z. B. einer Kunststoff-Folie, mit einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht besteht. Eine solche Schicht wird gewöhnlich durch Aufdampfen oder Bestäuben mit einem Metall, wie z. B. Silber, Palladium oder dergleichen, oder einem halbleitenden Metalloxid, wie z. B. Indiumoxid In₂O₃, aufgebracht. Dementsprechend umfassen die Probleme bei den digitalen Eingabeeinrichtungen die hohen Kosten für das Aufbringen der parallelen Linienmuster durch Ätzen und die Schwierigkeiten der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Leiterbahnen und externen Schaltkreisen. Hinzu kommt ein vergleichsweise hoher elektrischer Widerstand der Leiterbahnen, besonders wenn eine hohe Lichtdurchlässigkeit der Eingabeeinheit gefordert wird, was den Einsatz äußerst dünner Leiterbahnen oder Drähte erfordert. Bei den analogen Eingabeeinrichtungen hingegen ist es äußerst schwierig, eine hohe Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstandes über die gesamte Fläche des Widerstandsfilms zu gewährleisten, so daß die Genauigkeit der Einrichtung ungünstig beeinflußt wird. Die den digitalen und den analogen Eingabeeinrichtungen gemeinsamen Probleme sind, daß eine hohe Lichtdurchlässigkeit kaum erreicht werden kann und daß die elektrisch leitfähige Schicht wegen ihrer äußerst geringen Schichtdicke empfindlich gegen mechanische Beschädigungen ist, so daß die Anzahl annehmbarer Produkte mit geeigneter Lebensdauer beschränkt ist.

Deshalb ist es Zweck der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige durchsichtige Graphik-Eingabeeinheit zu liefern, die eine lange Lebensdauer und hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist und die mit einer großen Zuverlässigkeit und hoher Auflösegenauigkeit der Punktkoordinaten betrieben werden kann, wobei sogar noch verhältnismäßig einfache äußere Schaltkreise verwendet werden können.

Demgemäß umfaßt die durchsichtige Graphik-Eingabeeinheit der Erfindung folgende Teile:
(a) ein erstes oder unteres Teil, welches die Form einer rechteckigen Folie besitzt und aus einem elektrisch nicht leitenden durchsichtigen Material besteht, und das an einer Oberfläche mit einer Vielzahl elektrischer Leiterbahnen, die sich jeweils von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der rechteckigen Folie erstrecken und parallel zueinander laufen, versehen ist;
(b) ein zweites oder oberes Teil, welches die Form einer rechteckigen Folie besitzt und aus einem elektrisch nicht leitenden durchsichtigen Material besteht, und das an einer Oberfläche mit einer Vielzahl elektrischer Leiterbahnen, die sich jeweils von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der rechteckigen Folie erstrecken und parallel zueinander laufen, wobei dieses zweite Teil parallel zum ersten Teil liegt ohne dieses zu berühren, so daß die Oberflächen des ersten und des zweiten Teiles, die mit elektrischen Leiterbahnen versehen sind, einander gegenüberliegen und die Leiterbahnen auf dem ersten und dem zweiten Teil senkrecht zueinander angeordnet sind; und
(c) mindestens ein Aufnahmewiderstand, der entlang einer Seite des ersten oder zweiten Teils so angeordnet ist, daß die Enden der Leiterbahnen in elektrischen Kontakt mit allen Leiterbahnen stehen.

Bei der oben beschriebenen Eingabeeinrichtung der Erfindung ist der Gesamtwert des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen und des elektrischen Widerstandes des Aufnahmewiderstandes konstant, unabhängig von der Anordnung an der Seite, wo sich der Aufnahmewiderstand befindet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen perspektivischen Anblick eines Teiles der Eingabeeinrichtung der Erfindung, wobei ein Aufnahmewiderstand entlang einer Seite der rechteckigen Folie angeordnet ist;

Fig. 2 stellt schematisch das Prinzip der Ermittlung der y-Koordinate bei einer Eingabeeinrichtung der Erfindung dar;

Fig. 3a und 3b zeigen eine Aufsicht bzw. eine seitliche Ansicht eines Aufnahmewiderstandes mit geänderter Form, der auf einem Teil der Eingabeeinrichtung befestigt ist;

Fig. 4a und 4b zeigen ebenfalls eine Aufsicht bzw. eine seitliche Ansicht eines ähnlichen Aufnahmewiderstandes mit wiederum geänderter Form.

Fig. 5 und 6 zeigen jeweils eine Schar von Leiterbahnen, die sich schrittweise in ihrem Widerstand pro Längeneinheit unterscheiden.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Fig. 1 zeigt den ersten oder unteren Teil 1 der Eingabeeinrichtung, der aus einem elektrisch isolierenden, folienähnlichen rechteckigen Grundkörper 2 aus einem durchsichtigen Kunstharzgummi oder dergleichen und einer Vielzahl von auf einer der Oberflächen der Grundfolie 2 angeordneten Leiterbahnen 3 besteht, die zueinander parallel sind und normalerweise voneinander jeweils den gleichen Abstand aufweisen; ein Aufnahmewiderstand 4 ist an einer Außenkante, die senkrecht zur Laufrichtung der Leiterbahnen 3 liegt, auf der Grundfolie befestigt und steht mit diesen Leiterbahnen 3 in elektrischem Kontakt. Der Aufnahmewiderstand 4 hat die Aufgabe, die Information über die Koordinaten in Form eines Widerstands- oder Spannungsabfalls zwischen den Enden A und B an einen äußeren Schaltkreis weiterzugeben. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wird ein zweites Teil 5 der Eingabeeinrichtung, das aus einer transparenten Grundfolie 6 und einer Anzahl von Leiterbahnen 7 besteht und eine ähnliche Struktur aufweist wie das oben beschriebene erste oder untere Teil 1, den unteren Teil 1 überlagert. Dabei wird ein geringer Abstand zwischen den Teilen 1 und 5 gehalten, um eine elektrische Isolierung durch Abstandsstücke zu gewährleisten. Die Laufrichtungen der Leiterbahnen 3 und 7 auf dem oberen und unteren Teil sind senkrecht zueinander. Angenommen, das obere Teil 5 wird an der Stelle "1" berührt oder zusammengedrückt, so ist im Aufnahmewiderstand 4 der elektrische Widerstand, welcher der Entfernung zwischen dem Anteil der dieser Stellung und dem unteren Ende entspricht gleich R ₁, der elektrische Widerstand der elektrischen Leiterbahn 3 zwischen der Stelle "1" und dem Aufnahmewiderstand 4 gleich R ₂ und der elektrische Widerstand der Leiterbahn 7 zwischen der Stelle "1" und dem Aufnehmer der y-Koordinate 8 gleich R ₃.

In diesem Fall fließt der elektrische Strom vom Schaltkreis des Aufnehmers der y-Koordinate 8 zum Ende des Aufnahmewiderstands 4 über die elektrische Leiterbahn 7 und die Stelle "1". Dabei fließt der Strom im Aufnahmewiderstand 4 über eine Entfernung von Y ₁. Dementsprechend kann die Information über die Koordinaten der Stelle "1" aus der Spannung V ₁ am unteren Ende des Aufnahmewiderstandes 4 und der Spannung V ₂ an seinem oberen Ende erhalten werden.

Die Bedingung, daß der Gesamtwert des elektrischen Widerstandes R ₃ der elektrischen Leiterbahn 7 und des Widerstandes im Aufnahmewiderstand 4 unabhängig von der Position an der Seitenkante konstant ist, d. h. der Gesamtwert von R ₁ und R ₃ ist konstant, führt zu folgender Gleichung:

Unter der Annahme, daß der feste Wert des elektrischen Stromes I ₀ ist, erhält man V ₁ und V ₂ durch die folgenden Gleichungen:

Da R ₀ und I ₀ feste Werte in Gleichungen (1), (2) und (3) sind, können die Zahlenwerte von R ₁, R ₂ und R ₃ berechnet werden, wenn die Werte von V ₁ und V ₂ durch die Lösung des Gleichungssystems bestimmt worden sind. In diesem Fall entsprechen die Werte von R ₁ und R ₂ der y- undder x-Koordinate des Punktes "1", so daß die Information über die Koordinaten des Punktes "1" erhalten werden kann. Der Aufnahmewiderstand kann sich in jeder Stellung befinden, welche die Vielzahl der elektrischen Leiterbahnen überkreuzt, obwohl es vom Standpunkt der Forderung nach einer kompakten Bauweise und einer leichten Verbindung mit den Leiterbahnen wünschenswert ist, daß der Aufnahmewiderstand entlang einer Seitenkante der Grundfolie befestigt ist.

Der Aufnahmewiderstand kann dabei ein Stab, Draht oder Streifen aus einem Material mit hohem spezifischen Widerstand sein, wie z. B. Kohlenstoff, Edelstahl, Chrom, Nickel und dergleichen und der Widerstand ist an der Grundfolie durch Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber, durch Schrauben, durch Nieten oder in anderer an sich bekannter Weise mechanisch befestigt. Alternativ dazu kann der Aufnahmewiderstand durch Bedrucken mit einer Widerstandstinte, einer Dispersion von feinem Puder aus dem oben erwähnten Material mit hohem spezifischen Widerstand in einem Tintensubstrat, hergestellt werden, wobei die Enden der elektrischen Leiterbahnen auf der Grundfolie durch Siebdruckverfahren, Tiefdruckverfahren, Übertragungsverfahren und dergleichen mit der Tinte bedeckt werden.

Das transparente und elektrisch isolierende Material zur Herstellung der Gurndfolien in der Eingabeeinrichtung der Erfindung besteht beispielsweise aus thermoplastischen Allzweckharzen, wie ABS-Harze, Nylonharze, Polypropylenharze, Polyvinylchloridharze und dergleichen, und in der Wärme aushärtenden Harzen, wie Polycarbonatharze, Polyesterharze, Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze und dergleichen, wie auch aus bestimmten lichtdurchlässigen Elastomeren, wie z. B. Silicongummi. Diese Polymere werden in Form eines Films, einer Folie oder einer Platte benutzt, die beispielsweise eine Dicke von 0,050 bis 0,400 mm aufweisen, so daß eine genügend große Biegsamkeit sichergestellt wird, obwohl die Grundfolie für das untere Teil nicht notwendigerweise biegsam sein muß, sondern fest sein kann und eine größere Dicke in Abhängigkeit von der besonderen Anpassung an den Bildschirm aufweisen kann. Wenn die Grundfolie für das untere Teil biegsam ist, ist es gewöhnlich von Vorteil, daß eine feste Grundplatte an der Unterseite der biegsamen Grundfolie angebracht wird. Des weiteren ist es von Vorteil, daß die Grundfolie in sich selbst blendfrei ist oder ein Laminat aus einer lediglich lichtdurchlässigen Folie und einer Folie, die Blendfreiheit sicherstellt, darstellt, so daß sich für die berührungsempfindliche Eingabeeinheit insgesamt Blendfreiheit ergibt, wodurch die Ermüdung der Augen des Bedieners, der langandauernd mit dieser Einrichtung arbeitet, vermindert wird, sogar wenn der Bildschirm selbst stark leuchtet, wie das bei Kathodenstrahlröhren der Fall ist.

Die elektrischen Leiterbahnen, die insgesamt mit der Grundfolie verbunden sind, können aus jedem elektrisch leitfähigem Material bestehen, das eine bestimmte mechanische Festigkeit aufweist. Ein geeignetes Material ist gewöhnlich ein Draht aus einem Metall oder einer Legierung mit geringem spezifischem Widerstand, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Phosphorbronze, Gold, Nickel und Tungsten oder deren Legierungen. Der Draht kann massiv oder gelitzt sein und sein Durchmesser sollte bevorzugt im Bereich von 0,010 bis 0,200 mm liegen; er sollte relativ klein sein, da die Durchsichtigkeit der Eingabeeinrichtung der Erfindung abnehmen kann, wenn die Drähte einen größeren Durchmesser besitzen. Drähte oder Litzen aus einem isolierenden Material können ebenfalls verwendet werden, wenn sie mit einem Metall mit geringem spezifischem Widerstand, wie oben erwähnt, beschichtet sind. Drähte aus Metallen oder Legierungen, die einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen, können ebenso verwendet werden, wie z. B. Edelstahl, Nichrom und die Legierungen, die für Heizelemente und EMIs verwendet werden. Weiter können eine Folie oder ein Film aus einem isolierenden Material Verwendung finden, die mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtungsmasse durch Aufwalzen, Bedrucken, Aufdampfen und dergleichen beschichtet sind. Diese Schicht wird durch Einritzen in feine Streifen oder Bänder, die mit der Grundfolie verbunden sind, und so die elektrischen Leiterbahnen bilden, aufgeteilt.

Obwohl die Leiterbahnen auf der Grundfolie durch Bedrucken mit einer elektrisch leitfähigen Tinte hergestellt werden können, sollten die oben erwähnten elektrisch leitfähigen Drähte oder Streifen durch Verwendung eines Klebstoffs mit der Oberfläche der Grundfolie verbunden werden. Die Oberfläche der Grundfolie ist mit einem Allzweckklebstoff aus z. B. Acryl, Urethan, Isocyanat und Epoxidharz beschichtet und die elektrisch leitfähigen Drähte oder Streifen werden mit der Oberfläche der Grundfolie, die mit dem Klebstoff beschichtet ist, verbunden. Wenn die Grundfolie aus einem Thermoplast besteht, werden die elektrisch leitfähigen Drähte parallel zueinander und im gewünschten Abstand voneinander auf die Grundfolie gelegt und dann, während die Kunststoff-Folie durch Wärme erweicht wird, vorsichtig mit Druck beaufschlagt, so daß die Drähte teilweise einsinken und so in der erweichten Kunststoff-Folie eingebettet werden. Wenn die Grundfolie aus einem Gummi, wie z. B. Silicongummi, besteht, werden die Drähte auf einer unvulkanisierten Gummifolie angeordnet, bei Raumtemperatur vorsichtig zum Teil in die unvulkanisierte Gummifolie eingedrückt und so in diese eingebettet, worauf dann die Heißluftvulkanisierung erfolgt.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungen der durchsichtigen Graphik-Eingabeeinheit der Erfindung. Die Fig. 3a und 3b zeigen eine Aufsicht, bzw. eine seitliche Ansicht, eines Teiles 1, bei dem der Aufnahmewiderstand 4 eine von einem Ende zum anderen zunehmende Breite aufweist, wohingegen die Dicke gleichmäßig ist, so daß der elektrische Widerstand pro Längeneinheit des Widerstandes 4 gleichmäßig mit zunehmender Breit abnimmt. Einen ähnlichen Gradienten des Widerstandes pro Längeneinheit des Aufnahmewiderstandes 4 erhält man bei dem Modell, das in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist, wobei der Aufnahmewiderstand 4 eine von einem Ende zum anderen zunehmende Dicke aufweist, wohingegen die Breite gleichmäßig ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführung, bei der sich die Gruppe von elektrischen Leiterbahnen oder Drähten aus Drähten aus Legierungen zusammensetzt, die einen sukzessiv anwachsenden spezifischen Widerstand aufweisen, beginnend z. B. mit 6,4 × 10^-5 Ohm × cm und anwachsend um beispielsweise jeweils 0,2 × 10^-5 Ohm × cm, so daß der Widerstand pro Längeneinheit der elektrisch leitfähigen Drähte schrittweise ansteigt. Fig. 6 zeigt eine ähnliche Ausführung, bei der die elektrisch leitfähigen Drähte einen zunehmenden Durchmesser, beginnend z. B. bei 0,020 mm und anwachsend um beispielsweise jeweils 0,002 mm, aufweisen, so daß der Widerstand pro Längeneinheit der Drähte einer Gruppe schrittweise ansteigt. Dies Ausführungen werden verwendet, wenn gewünscht wird, daß die Eingabeeinrichtung der Erfindung selbst die Funktion einer sekundären Umwandlung zwischen den Koordinaten der Eingabeposition und der Ausgabeinformation aufweist.

Wie man aus der obigen genauen Beschreibung ersieht, weist die durchsichtige Graphik-Eingabeeinrichtung der Erfindung folgende Vorteile auf:
(a) große Kontaktzuverlässigkeit der feinen Leitbahnen, da der elektrische Kontakt zwischen feinen Drähten aus Metall hergestellt wird;
(b) hohe Auflösegenauigkeit der Koordinaten der berührten Stelle, da die Auflösegenauigkeit gleich dem Abstand der elektrischen Leiterbahnen ist, so daß die Auflösegenauigkeit durch verbesserte geometrische Lagegenauigkeit der Leiterbahnen oder durch verbesserte Genauigkeit des Aufnahmewiderstandes, die direkt die Genauigkeit der Vorrichtung beeinflussen, angehoben werden kann; und
(c) hohe Lebensdauer der Vorrichtung, da der elektrische Kontakt zwischen Drähten aus Metall hergestellt wird.

Claims

1. Eine durchsichtige Graphik-Eingabeeinheit, gekennzeichnet durch
(a) ein erstes oder unteres Teil, das die Form einer rechteckigen Folie besitzt, und aus einem elektrisch nicht leitenden durchsichtigen Material besteht, und das an einer Oberfläche mit einer Vielzahl elektrischer Leiterbahnen, die sich jeweils von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der rechteckigen Folie erstrecken und parallel zueinander laufen, versehen ist;
(b) ein zweites oder oberes Teil, das die Form einer rechteckigen Folie besitzt und aus einem elektrisch nicht leitenden durchsichtigen Material besteht und das an einer Oberfläche mit einer Vielzahl elektrischer Leiterbahnen, die sich jeweils von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der rechteckigen Folie erstrecken und parallel zueinander laufen, wobei dieses zweite Teil parallel zum ersten Teil liegt, ohne dieses zu berühren, so daß die Oberflächen des ersten und des zweiten Teiles, die mit elektrischen Leiterbahnen versehen sind, einander gegenüberliegen und die Leiterbahnen auf dem ersten und dem zweiten Teil senkrecht zueinander sind; und
(c) mindestens einen Aufnahmewiderstand, der entlang einer Seite des ersten oder zweiten Teiles so angeordnet ist, daß die Enden der Leiterbahnen in elektrischem Kontakt mit allen Leiterbahnen stehen.

2. Durchsichtige Graphik-Eingabeeinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwert des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen und des elektrischen Widerstandes des Aufnahmewiderstandes konstant ist, unabhängig von der Lage an der Seite, wo sich der Aufnahmewiderstand befindet.