DE69822828T2

DE69822828T2 - Feststellung von relativer Position und Orientierung

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Publication number: DE69822828T2
Application number: DE69822828T
Authority: DE
Inventors: Thomas David Harston ELY; Peter Ross Harston JONES; Mark James Harston ENGLAND; Wilson Alexander Harston McKINNON; Martin Robert Harston PETTIGREW; Nicholas Andrew DAMES
Original assignee: Synaptics UK Ltd
Current assignee: Synaptics UK Ltd
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: AU748524B2; DE69822828D1; CA2295047C; JP2002508060A; AU8222598A; WO1998058237A1; EP0990122B1; HK1027619A1; CA2295047A1; EP0990122A1; ATE263359T1; JP4173917B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Positionssensoren. Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für kontaktfreie lineare Positionscodierer und Positions-Winkelcodierer relevant. Die Erfindung ist speziell zur Verwendung in Systemen geeignet, bei denen das Objekt, dessen Position erfasst wird, relativ zur Messrichtung verkippt sein kann. Sie betrifft einen Positionsdetektor, einen PC und ein Verfahren zum Erfassen der Relativposition und -orientierung. Ansprüche 1, 57, 58.
Es wurden viele Arten kontaktfreier linearer Positionscodierer und von Positions-Winkelcodierern zum Erzeugen von Signalen, die die Position zweier relativ zueinander beweglicher Elemente anzeigen, vorgeschlagen. Typischerweise, trägt eines der Elemente eine oder mehrere Sensorspulen, und das andere trägt einen oder mehrere Magnetfeldgeneratoren. Die Magnetfeldgeneratoren und die Sensorspulen sind so angeordnet, dass die Stärke der magnetischen Kopplung zwischen ihnen als Funktion der Relativposition zwischen den zwei Elementen variiert. Dies kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass die Sensorspulen so konzipiert werden, dass ihre Empfindlichkeit auf ein Magnetfeld auf vorbestimmte Weise entlang dem Messpfad variiert. Alternativ können die Magnetfeldgeneratoren so konzipiert sein, dass das von ihnen erzeugte Magnetfeld auf vorbestimmte Weise entlang dem Messpfad variiert.
Ein Beispiel dieses Magnetfeldtyps ist das Inductosyn, das einen kontaktfreien Schlitten aufweist, der so angeordnet ist, dass er das durch eine stationäre Spur erzeugte Feld erfasst, oder umgekehrt. Die stationäre Spur verfügt über ein Wiederholungsmuster von Leiterbahnen, das ein Magnetfeld mit im Wesentlichen sinusförmiger Variation in der Messrichtung erzeugt, wenn ihm ein Strom zugeführt wird. Dieses Magnetfeld wird durch den sich bewegenden Schlitten erfasst, der über sinus- und Cosinus-Detektorbahnen verfügt. Die Position der zwei relativ zueinander beweglichen Elemente wird dann aus der räumlichen Phase der durch diese zwei Detektorbahnen erfassten Signale bestimmt.
Die Anmelderin hat ihrer früheren internationalen Anmeldung WO95/31696 ei nen ähnlichen Positionscodierertyp vorgeschlagen, bei dem ein Element eine Erregerspule und eine Anzahl von Sensorspulen trägt und das andere Element einen Resonator trägt. Im Betrieb versorgt die Erregerspule den Resonator mit Energie, der seinerseits Signale in den Sensorspulen induziert, die sinusförmig abhängig von der Relativposition zwischen den zwei Elementen variieren. Ein ähnliches System ist in EP 0182085 offenbart, das eine leitende Abschirmung an Stelle des Resonators verwendet. Jedoch zeigt die Verwendung der leitenden Abschirmung an Stelle des Resonators die Nachteile, dass die Ausgangssignalpegel viel kleiner sind und das System nicht in einem Impulsecho-Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem ein kurzer Erregungsstromstoß an die Erregerwicklung gelegt wird und dann, nachdem der Erregungsstrom geendet hat, die in den Sensorspulen induzierten Signale erfasst und verarbeitet werden.
Ein allen diesen bekannten Positionssensoren bekanntes Problem besteht darin, dass in die Messungen ein Positionsfehler gelangt, wenn das bewegliche Element relativ zum anderen Element verkippt ist. Bei manchen Anwendungen, wie Werkzeugmaschinenanwendungen, ist es möglich, die Bewegung der zwei relativ zueinander beweglichen Elemente körperlich einzugrenzen, z. B. unter Verwendung von Führungsschienen oder dergleichen. Jedoch ist dies manchmal nicht möglich. Zum Beispiel wird bei einem XY-Digitalisiertablett, wie dem in US 4848496 beschriebenen, das bewegliche Element (der Stift) durch einen menschlichen Bediener bewegt, und seine Verkippung relativ zum Tablett variiert im Normalgebrauch beträchtlich.
Die meisten bisher vorgeschlagenen Digitalisiertabletts verwenden eine große Anzahl überlappender, jedoch getrennter Erreger- und Sensorspulen, die über die aktive Fläche des Digitalisiertabletts verteilt sind. Das System identifiziert die aktuelle Position des Stifts durch Erfassen derjenigen Kombination von Erreger- und Sensorspulen, die die größten Ausgangssignalpegel liefert. Einige Systeme, wie das im oben genannten Dokument US 4848496 offenbarte, führen eine quadratische Interpolation aus, um zu versuchen, die aktuelle Position des Stifts genauer zu bestimmen. Jedoch leidet dieser Systemtyp unter dem Problem, dass er eine große Anzahl von Erregerspulen benötigt, die individuell mit der Energie versorgt werden müssen, sowie eine große Anzahl von Sensorspulen, die für jede mit Energie versorgte Erregerspule individuell überwacht werden müssen. Daher existiert ein Kompromiss zwischen der Ansprechzeit des Systems und der Genauigkeit des Tabletts. Insbesondere ist für hohe Genauigkeit eine große Anzahl von Erreger- und Sensorspulen erforderlich, jedoch nimmt die Ansprechzeit des Systems ab, wenn die Anzahl der Erreger- und Sensorspulen erhöht wird. Die Anzahl der in einem vorgegebenen System verwendeten Erreger- und Sensorspulen wird daher durch die erforderliche Anwendung bestimmt.
EP-A-0680009 offenbart ein derartiges Digitalisiertablettsystem, das ebenfalls so aufgebaut ist, dass es die Signale von verschiedenen Sensorspulen verarbeitet, um die Orientierung des Stifts in der XY-Ebene zu bestimmen.
Die Erfindung zielt darauf ab, zumindest einige dieser Probleme bei den bekannten Positionssensoren zu lindern und eine alternative Technik zum Bestimmen der Orientierung z. B. eines Stifts relativ zu einem Digitalisiertablett zu schaffen.
Gemäß einer Erscheinungsform ist durch die Erfindung ein Positionsdetektor mit Folgendem geschaffen: einem ersten und einem zweiten relativ bewegbaren Element, wobei das erste Element einen Magnetfeldgenerator zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist und das zweite Element eine erste und eine zweite Leiterbahn aufweist, die induktiv an den Magnetfeldgenerator gekoppelt sind, und wobei die erste Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer ersten charakteristischen Dimension längs eines Messpfads verläuft und die zweite Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer zweiten verschiedenen charakteristischen Dimension längs des Messpfads Verläuft, wodurch in Reaktion auf ein durch den Magnetfeldgenerator erzeugtes Magnetfeld ein erstes Signal in einer ersten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der ersten Leiterbahn und des Magnetfeldgenerators variiert, und ein zweites verschiedenes Signal in einer zweiten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der zweiten Leiterbahn und des Magnetfeldgenerators variiert; und einer Einrichtung zum Verarbeiten des ersten und des zweiten Signals, um die relative Position der zwei relativ bewegbaren Elemente zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung ferner eine Einrichtung zum Bestimmen der relativen Orientierung der zwei Elemente unter Verwendung des ersten und des zweiten Signals und einer Beziehung zwischen den zugehörigen charakteristischen Dimensionen der geometrischen Variation der zwei Leiterbahnen aufweist.
Diese Leiterbahnen können z. B. unter Verwendung von Wicklungen mit verschiedenen Ganghöhen entlang dem Messpfad gebildet werden. Unter Verwendung derartiger Wicklungen kann eine Positionsmessung über den gesamten Messpfad erzielt werden, und es kann eine Anzeige der Relativverkippung der zwei Elemente in der Messrichtung erhalten werden. Dieses System vermeidet daher das Erfordernis einer großen Anzahl überlappender Wicklungen, die über den Messpfad verteilt sind und die daher nicht unter den oben erörterten Problemen leiden.
Durch Anbringen eines ähnlichen Positionsdetektors zum Erfassen der Relativposition und -Orientierung der zwei Elemente in einer zweiten Richtung kann die Relativorientierung in einer die zwei Richtungen enthaltenden Ebene bestimmt werden. Noch ferner kann durch Anbringen von zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren am ersten Element die vollständige Relativorientierung der zwei Elemente aus den Signalen bestimmt werden, wie sie durch die zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren geliefert werden. Daher kann ein Positionsdetektor mit sechs vollständigen Freiheitsgraden zum Erfassen der Position eines Objekts über einem ebenen Satz von Wicklungen geschaffen werden. Das System benötigt keinen Satz von Wicklungen in zwei verschiedenen Ebenen, die unter einem Winkel zueinander geneigt sind. Dieser Positionsdetektor ist daher für viele Anwendungen geeignet und zweckdienlich, insbesondere für Spielzeuge und Spiele für Kinder sowie zur Verwendung bei der Steuerung einer Zeigevorrichtung an einem PC, wo die Wicklungen z. B. hinter dem LCD-Schirm eingebettet sind.
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 veranschaulicht schematisch ein Computersystem mit einem XY-Digitalisiertablett zum Eingeben von Daten in dasselbe;
2 zeigt schematisch eine Explosionsansicht des in der 1 dargestellten Digitalisiertabletts, mit allgemein zwei Gruppen von Wicklungen, die einen Teil des Digitalisiertabletts bilden und die dazu verwendet werden, die XY-Position eines Stifts relativ zum Digitalisiertablett zu erfassen;
3 zeigt schematisch die Form eines Stifts, der beim in der 1 dargestellten XY-Digitalisiertablett verwendbar ist;
4a zeigt schematisch die Form einer ersten periodischen Wicklung mit einer ersten Periode, die einen Teil eines Satzes von Wicklungen bildet, die zum Erfassen der X-Position des Stifts relativ zum Digitalisiertablett verwendet werden;
4b zeigt schematisch die Form einer zweiten periodichen Wicklung mit derselben Periode wie der der in der 4a dargestellten Wicklung und in Phasenquadrator zu dieser, die ebenfalls Teil des Satzes von Wicklungen ist, die zum Erfassen der X-Position des Stifts relativ zum Digitalisiertablett verwendet werden;
4c zeigt schematisch die Form einer dritten periodischen Wicklung mit einer Periode, die von derjenigen der in den 4a und 4b dargestellten Wicklungen verschieden ist, und die ebenfalls Teil des Satzes von Wicklungen ist, die zum Erfassen der X-Position des Stifts relativ zum Digitalisiertablett verwendet werden;
4d zeigt schematisch die Form einer vierten periodichen Wicklung mit derselben Periode wie der der in der 4c dargestellten Wicklung und in Phasenquadrator zu dieser, die ebenfalls Teil des Satzes von Wicklungen ist, die zum Erfassen der X-Position des Stifts relativ zum Digitalisiertablett verwendet werden;
4e ist Schnittansicht eines Teils in der 1 dargestellten XY-Digitalisiertabletts;
5 ist eine schematische Darstellung einer Erregungs-und Verarbeitungsschaltung, die dazu verwendet wird, die Position des in der 3 dargestellten Stifts relativ zum in der 1 dargestellten XY-Digitalisiertablett zu bestimmen;
6a veranschaulicht die Form eines zeitlich variierenden Erregungssignals, das an einige der in der 4 dargestellten Wicklungen gelegt wird;
6b veranschaulicht einen zeitlich variablen Strom, der in einem Resonator, der Teil des in der 2 dargestellten Stifts ist, fließt, wenn das in der 6a dargestellte Erregungssignal einer der in der 4 dargestellten Wicklungen zugeführt wird;
6c veranschaulicht schematisch die Form eines Ausgangssignals eines Mischers, der Teil der in der 5 dargestellten Verarbeitungselektronik ist;
6d veranschaulicht schematisch die Form einer Ausgangsspannung einer Integrierer/Abtast-Halte-Schaltung, die Teil der in der 5 dargestellten Verarbeitungselektronik ist;
7a zeigt einen Schnitt eines Teils der in der 4a dargestellten Wicklung, und sie veranschaulicht die Beziehung zwischen dem in der Wicklung fließenden Strom und dem sich ergebenden, erzeugten Magnetfeld;
7b zeigt schematisch eine Vektordarstellung der Art, gemäß der eine Z-Komponente des in der 7a dargestellten Magnetfelds entlang der X-Richtung des in der 1 dargestellten XY-Digitalisiertabletts variiert, und eine entsprechende Annäherung der Art, gemäß der diese Vektordarstellung positionsabhängig entlang der X-Richtung variiert;
7c zeigt schematisch eine Vektordarstellung der Art, gemäß der eine X-Komponente des in der 7a dargestellten Magnetfelds entlang der X-Richtung des in der 1 dargestellten XY-Digitalisiertabletts variiert, und eine entsprechende Annäherung der Art, gemäß der diese Vektordarstellung positionsabhängig entlang der X-Richtung variiert;
8 ist eine perspektivische Ansicht der den in der 2 dargestellten Stift haltenden Hand eines Bedieners, und sie veranschaulicht die Verkippung der Stift-Längsachse gegenüber der vertikalen Richtung;
9 ist ein dreidimensionales Koordinatendiagramm, das die Stiftachse mit dem XYZ-Koordinatensystem des in der 1 dargestellten Digitalisiertabletts in Beziehung setzt;
10 ist ein Koordinatendiagramm der XZ-Ebene zum Veranschaulichen der Projektion der in der 9 dargestellten Stiftachse auf die XZ-Ebene;
11 ist ein Koordinatendiagramm der YZ-Ebene zum Veranschaulichen der Projektion der in der 9 dargestellten Stiftachse auf die YZ-Ebene;
12 ist ein Diagramm, das die Art veranschaulicht, gemäß der zwei durch die in der 5 dargestellte Verarbeitungselektronik hergeleitete Ausgangssignale abhängig von der X-Position des Stifts relativ zum Digitalisiertablett variieren, und sie veranschaulicht den Positionsfehler, der durch die Verkippung des Stifts gegenüber der vertikalen Richtung verursacht wird;
13 ist ein kartesisches Kurvenbild, das die zweite Werte zeigt, die ein Winkel einnehmen kann, wenn das Doppelte des Winkels bekannt ist;
14 veranschaulicht schematisch die Form eines elektronischen Spiels für Kinder;
15 ist eine schematische Darstellung der Form eines Spielzeugautos, wie es beim in der 14 dargestellten elektronischen Spiel verwendet wird, und sie veranschaulicht die Form eines Resonators, der dazu verwendet wird, die Position des Autos relativ zu einem XY-Digitalisiertablett zu erfassen, das ein Teil des in der 14 dargestellten Spiels ist;
16 ist eine schematische Darstellung der Form einer Kombination mit zwei Resonatoren, die bei den unter Bezugnahme auf die 1 und 14 beschriebenen XY-Digitalisiersystemen verwendet werden kann und die Ausführung genauer Positionsberechnungen und Orientierungsberechnungen ermöglicht;
17 veranschaulicht die Form einer Kombination mit drei Resonatoren, die dazu verwendet werden kann, vollständige Orientierungsinformation und auch die XYZ-Position eines die Resonatorkombination tragenden Objekts relativ zum in der 1 oder 14 dargestellten XY-Digitalisiertablett zu liefern;
18 veranschaulicht schematisch die Form eines Designs mit zwei Resonatoren, das dazu verwendet werden kann, vollständige Orientierungsinformation und auch die XYZ-Position eines die Resonatorkombination tragenden Objekts relativ zum in der 1 bis 14 dargestellten XY-Digitalisiertablett zu liefern;
19 veranschaulicht schematisch die Form eines Digitalisiertabletts mit einer am Umfang angebrachten Erregerwicklung, die um einen Satz von Empfangswicklungen gewunden ist;
20a veranschaulicht schematisch die Form einer Wicklung, die, wenn sie mit Energie versorgt wird, ein Magnetfeld erzeugt, das sinusförmig entlang ihrer Länge variiert und in einem Digitalisiertablett dazu verwendet werden kann, die Position zu erfassen;
20b veranschaulicht schematisch die Form einer Wicklung, die, wenn sie mit Energie versorgt wird, ein Magnetfeld erzeugt, das entlang ihrer Länge linear variiert und die in einem Digitalisiertablett zum Erfassen der Position verwendet werden kann;
21 ist eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Schachspiels unter Verwendung eines XY-Digitalisiertabletts zum Erfassen der Orte der Spielsteine, die einen Teil des Schachspiels bilden;
22 zeigt schematisch einen Schnitt eines der Spielsteine des in der 21 dargestellten Schachspiels;
23 ist eine perspektivische Ansicht eines PC mit einem XY-Digitalisiersystem, das sich hinter seinem Flüssigkristalldisplay befindet;
24 veranschaulicht schematisch eine Schnittansicht des in der 23 dargestellten PC, um die Beziehung zwischen den Wicklungen des Digitalisiersystems und dem Flüssigkristaldisplay zu veranschaulichen;
25a veranschaulicht die Form einer Wicklung mit einer einzelnen Periode, die einen Teil eines Satzes von Wicklungen bildet, zum Erfassen der Position des Stifts relativ zum in der 23 dargestellten LCD verwendet werden; und
25b veranschaulicht die Form einer zweiten Wicklung mit einer Periode, die mit der der in der 25a dargestellten Wicklung übereinstimmt und in Phasenquadratur zu dieser steht und ebenfalls einen Teil des Satzes von Wicklungen bildet, die zum Erfassen der Position des Stifts relativ zum in der 23 dargestellten LCD verwendet werden.
26 zeigt schematisch die Form eines beim in der 23 dargestellten PC verwendeten Stifts;
27 ist ein Schaltbild zum Veranschaulichen der elektronischen Komponenten, die Teil des in der 26 dargestellten Stifts sind;
28a veranschaulicht schematisch einen eindimensionalen linearen Positionscodierer;
28b veranschaulicht die Form einer ersten periodischen Wicklung, die Teil des in der 28a dargestellten linearen Positionscodierers ist;
28c veranschaulicht die Form einer zweiten periodischen Wicklungen, die Teil des in der 28a dargestellten Positionscodierers ist und dieselbe Periode aufweist, jedoch in Phasenquadratur zur in 28b dargestellten Wicklung steht;
28d veranschaulicht die Form einer dritten Wicklung, die Teil des in der 28a dargestellten Positionscodierers ist und eine andere Periode als die der in den 28b und 28c dargestellten Wicklungen aufweist;
28e veranschaulicht die Form einer vierten Wicklung, die Teil des in der 28a dargestellten linearen Positionscodierers ist und dieselbe Periode wie die in der 28d dargestellte Wicklung, jedoch mit Phasenquadratur zu dieser, aufweist.
Die 1 zeigt schematisch ein Computersystem 1 mit einem Display 3, einer Hauptverarbeitungseinheit 5, einer Tastatur 7, einem XY-Digitalisiertablett 9 und einem Stift 11. Das XY-Digitalisiersystem erfasst die aktuelle XY-Position des Stifts 11 gegenüber dem Tablett 9, und es verwendet die erfasste Position zum Steuern des Orts eines Kursors 13 auf dem Display 3. Die 2 zeigt schematisch eine Explosionsansicht des Digitalisiertabletts 9. Wie dargestellt, verfügt das Digitalisiertablett über eine erste Gruppe von Wicklungen 9-a, eine zweite Gruppe von Wicklungen 9-b und einen Trägerabschnitt 9-c zum Halten der zwei Gruppen von Wicklungen 9-a und 9-b. Die Gruppe der Wicklungen 9-a wird zum Bestimmen der X-Koordinatenposition des Stifts 11 verwendet, und die Gruppe der Wicklungen 9-b wird zum Bestimmen der Y-Koordiantenposition des Stifts 11 verwendet. Die 3 zeigt die Form des in der 1 dargestellten Stifts 11 detaillierter. Wie dargestellt, verfügt der Stift 11 über eine Spule 15, die über einen Schalter 16 in Reihe mit einem Kondensator 17 geschaltet ist, um einen allgemein durch die Bezugszahl 18 gekennzeichneten Resonanzkreis zu bilden. Die Spule 15 ist so um einen Ferritkern 19 gewunden, dass ihre Achse 21 mit der des Stifts 11 übereinstimmt. Bei dieser Ausführungsform schließt der Schalter 16 entweder dann, wenn die Spitze 23 des Stifts 11 gegen die Oberfläche des Digitalisiertabletts 9 gedrückt wird, oder durch Aktivierung einer Steuertaste (nicht dargestellt) an der Seite des Stifts. Daher ist der Stift 11 bei dieser Ausführungsform der Art nach passiv, da er keine Spannungsquelle wie eine Batterie oder dergleichen enthält.
Im Betrieb gelangt, wenn der Schalter 16 geschlossen wird und ein Energie versorgungssignal an eine Energieversorgungswicklung (die Teil der Gruppe von Wicklungen 9-a und 9-b ist) angelegt wird, der Resonator 18 in Resonanz, und er induziert in Sensorwicklungen (die ebenfalls Teil der Gruppen von Wicklungen 9-a und 9-b sind) Signale. Die Anordnung der Erregerwicklung, der Sensorwicklungen und des Resonators 18 ist dergestalt, dass die in den Sensorwicklungen induzierten Signale abhängig von der XY-Position des Resonators 18 relativ zum Digitalisiertablett 9 variieren. Daher kann die aktuelle XY-Position des Resonators 18 durch eine geeignete Verarbeitung der in den Sensorwicklungen induzierten Signale bestimmt werden. Außerdem variieren die in den Empfangswicklungen induzierten Signale auch abhängig von der Orientierung des Stifts 11, und die Wicklungen sind so angeordnet, dass diese Orientierungsinformation auch durch geeignete Verarbeitung der empfangenen Signale bestimmt werden kann. Noch ferner befindet sich der Resonator 18 bei dieser Ausführungsform an einer festen Position in Bezug auf die Spitze 23 des Stifts 11, und daher kann die XY-Position der Spitze 23 des Stifts aus der XY-Position des Resonators und der ermittelten Orientierung bestimmt werden.
Bei dieser Ausführungsform werden zum Bestimmen der X-Position des Stifts 11 vier gesonderte Wicklungen verwendet, und zum Bestimmen der Y-Position werden vier gesonderte Wicklungen verwendet. Bei dieser Ausführungsform sind die vier zum Bestimmen der Y-Position verwendeten Wicklungen dieselben, wie sie für die X-Position verwendet werden, jedoch mit einer Verdrehung um 90°. Nun erfolgt unter Bezugnahme auf die 4a bis 4d, die die Form dieser Wicklungen veranschaulichen, eine detaillierte Beschreibung zur Form der zum Bestimmen der X-Position verwendeten vier Wicklungen. Wie dargestellt, erstreckt sich jede der Wicklungen 31 bis 34 über die gesamte aktive Länge L_X (die bei dieser Ausführungsform 300 mm beträgt) in der X-Richtung und über die gesamte aktive Länge L_Y (die bei dieser Ausführungsform 300 mm beträgt) in der Y-Richtung des Digitalisiertabletts 9. Bei dieser Ausführungsform sind die Wicklungen so angeordnet, dass sie ein Ausgangssignal liefern, das abhängig von der Relativposition des Stifts und des Digitalisiertabletts 9 entlang dem Messpfad (entlang der X-Achse) sinusförmig variiert.
Gemäß der 4a erstreckt sich die Wicklung 31 in der X-Richtung, und sie verfügt über ein Wiederholungsmuster von Leiterbahnen. Genauer gesagt, verfügt die Wicklung 31 über fünf Perioden (31-1 bis 31-5) des Wiederholungsmusters, wobei jede Periode zwei Schleifen in abwechselndem Sinn (a und b) aufweist. Wie es in der 4a dargestellt ist, werden die Schleifen a durch Wickeln des Drahts in der Uhrzeigerrichtung gebildet und die Schleifen b werden durch Wickeln des Drahts in der Gegenuhrzeigerrichtung gebildet. Da sich die fünf Perioden der Wicklung 31 über eine Länge von 300 mm erstrecken, beträgt die Periode oder Ganghöhe (λ₁) der Wicklung 31 60 mm. Als Ergebnis des abwechselnden Sinns benachbarter Schleifen ist die Wicklung 31 relativ unempfindlich gegen elektromagnetische Interferenz (EMI), und sie ruft selbst keine EMI in anderen elektrischen Schaltungen hervor, da das durch einen in der Wicklung fließenden Strom erzeugte Magnetfeld mit ungefähr 55 dB pro Ganghöhe von der Wicklung (d. h. alle 60 mm) abfällt. Dadurch, dass das Ausmaß jeder Schleife (d₁) ungefähr doppelt so groß wie der Abstand (d₂) zwischen benachbarten Schleifen gemacht wird, variiert das Ausgangssignal näherungsweise sinusförmig mit der Relativposition zwischen dem Stift und dem Digitalisiertablett, und zwar mit einer 2π/λ₁ entsprechenden Raumfrequenz (ω).
Die in der 4b dargestellte Wicklung 32 besteht ebenfalls aus fünf Perioden von Schleifen a und b mit abwechselndem Sinn, und sie verfügt über dieselbe Ganghöhe λ₁ wie die Wicklung 31. Jedoch sind, wie es durch die gestrichelte Linie 37 veranschaulicht ist, die Schleifen der Wicklung 32 entlang der X-Richtung um λ₁/4 verschoben, so dass die Wicklungen 31 und 32 ein Phasenquadratur-Wicklungspaar bilden. Damit sich beide Wicklungen 31 und 32 über die gesamte Länge L_X erstrecken, sind die Schleifen 38 und 39 am linken und rechten Ende der Wicklung 32 beide in derselben Gegenuhrzeigerrichtung gewickelt, jedoch erstrecken sie sich in der X-Richtung nur über ein Viertel der Ganghöhe λ₁. Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der zwei Typen von Schleifen a und b und der von jeder derselben umschlossenen Fläche aufrechterhalten. Die Wicklung 32 ist auch um 180° relativ zur Wicklung 31 um die X-Achse gedreht, jedoch beeinflusst dies ihren Betrieb nicht, und es erleichtert die Herstellung des Digitalisiertabletts 9.
Gemäß der 4c verfügt die Wicklung 33 über dieselbe allgemeine Form wie die Wicklung 31, jedoch mit der Ausnahme, dass sechs Perioden (33-1 bis 33-6) des Wiederholungsmusters vorliegen, die sich über die aktive Länge L_X erstrecken. Wie bei den Wicklungen 31 und 32, verfügt die Periode über zwei Schleifen a und b mit abwechselndem Sinn. Da über die aktive Länge L_X mehr Perioden des Wiederholungsmusters vorliegen, ist die Ganghöhe λ₂ der Wicklung 33 kleiner als die Ganghöhe λ₁ der Wicklung 31, und bei dieser Ausführungsform beträgt λ₂ 50 mm. Wie es in der 4c dargestellt ist, befindet sich der Ausgangsanschluss der Wicklung 33 in der unteren echten Ecke der Wicklung. Der Fachmann erkennt, dass der Anschlusspunkt an einer beliebigen Position entlang der Länge der Wicklung liegen kann. Die Position des Anschlusspunkts der Wicklung 33 wurde gewählt, um ihn von den Anschlusspunkten für die Wicklungen 31 und 32 zu trennen.
Wie es in der 4d dargestellt ist, verfügt die Wicklung 34 auch über sechs Perioden von Schleifen a und b mit abwechselndem Sinn, jedoch sind diese um ein Vierteil der Ganghöhe λ₂ entlang der X-Richtung in Bezug auf diejenigen der Wicklung 33 verschoben. Daher bilden die Wicklungen 33 und 34, wie die Wicklungen 31 und 32, ein Phasenquadraturpaar von Wicklungen. Erneut ist die Wicklung 34 um 180° in Bezug auf die Wicklung 32 um die X-Achse verdreht. Dies, um die Herstellung des Digitalisiertabletts 9 zu erleichtern und die Anschlusspunkte an die vier Wicklungen 31 bis 34 zu trennen.
Um die Gruppe von Wicklungen 9-a zu bilden, die zum Bestimmen der X-Position des Stifts 11 in Bezug auf das Digitalisiertablett 9 verwendet werden, werden die Wicklungen 31 bis 34 übereinander angeordnet. Ein ähnlicher Satz von Wicklungen, die um 90° verdreht sind, ist vorhanden und wird über oder unter den Wicklungen 31 bis 34 angeordnet, um die Gruppe von Wicklungen 9-b zu bilden, die zum Bestimmen der Y-Koordinate des Stifts 11 in Bezug auf das Digitalisiertablett 9 verwendet werden. Daher verfügt das Digitalisiertablett 9 bei dieser Ausführungsform über insgesamt acht gesonderte Wicklungen.
In der restlichen Beschreibung wird das Quadraturpaar der Wicklungen 31 und 32 als sin-A- bzw. cos-A-Wicklung bezeichnet, und die Wicklungen 33 und 34 werden als sin-B- bzw. cos-B-Wicklung bezeichnet. In ähnlicher Weise werden die zum Bestimmen der Y-Position entsprechenden Wicklungen als sin-C-, cos-C-, sin-D- und cos-D-Wicklung bezeichnet.
Es existiert eine Anzahl von Arten, gemäß denen diese Wicklungen hergestellt werden können. Die meisten bisherigen kommerziellen Systeme verwenden entweder eine Siebdrucktechnik unter Verwendung leitender Farben oder eine Technik mit einer gedruckten Leiterplatte (PCB = printed circuit board). Jedoch leidet die Siebdrucktechnik unter dem Nachteil, dass die hergestellten Wicklungen über einen relativ hohen Widerstand im Vergleich zu denen verfügen, die durch die PCB-Technik hergestellt werden, was entweder zu Ausgangssignalen mit niedrigem Pegel führt, wenn die Wicklungen dazu verwendet werden, Magnetfelder zu erfassen, oder es ergibt das Erfordernis großer Sendeleistungen, um die erforderliche Magnetfeldstärke zu erzeugen, wenn die Wicklungen zum Erzeugen von Magnetfeldern dienen.
Obwohl die unter Verwendung der PCB-Technik hergestellten Wicklungen einen niedrigeren Widerstand als die unter Verwendung von Siebdruckfarben aufweisen, leidet die PCB-Technik unter einer Anzahl von Nachteilen, zu denen die Folgenden gehören: (i) existierende PCB-Verarbeitungstechniken arbeiten vorwiegend auf Chargenbasis mit maximalen Plattenabmessungen von ungefähr 0,6 m; (ii) existierende PCB-Techniken verwenden typischerweise mehrere Schichten mit Durchgangsverbindungen (Durchführungen), die schwierig herzustellen sind, insbesondere bei Systemen mit mehreren Wicklungen wie denen, wie sie bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden; und (iii) in den Ausgangssignalen werden Positionsfehler erzeugt, da die Leiterbahnen nicht in einer einzelnen Schicht sondern in zwei oder mehr getrennten Schichten liegen.
Demgemäß werden bei dieser Ausführungsform die Wicklungen des Digitalisiertabletts 9 unter Verwendung einer Drahtbondtechnik hergestellt, die einige dieser Probleme lindern kann. Drahtbonden ist in der Technik der Herstellung gedruckter Leiterplatten eine relativ gut bekannte Technik. Der zum Herstellen der Wicklungen verwendete Draht verfügt typischerweise über einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, und er besteht im Allgemeinen aus emailliertem Kupfer, so dass er andere Drähte in derselben Schicht ohne Kurzschlussbildung überschneiden kann. Ein geeigneter Typ einer Drahtbondtechnik wurde u.a. von Advance Interconnection Technology, Islip, Long Island, Mew York, USA entwickelt. Die Technik existierte für mindestens 20 Jahre, und das allgemeine Prinzip und der Aufbau einer geeigneten Drahtbondvorrichtung sind z. B. im Dokument US 4693778 beschrieben, dessen Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Die am 28. Mai 1998 eingereichte, ebenfalls anhängige internationale Anmeldung Nr. ... (WO-A2-98-54545, veröffentlicht am 3.12.98) beschreibt die Art, gemäß der eine derartige Drahtbondtechnik dazu verwendet werden kann, Wicklungen zur Verwendung in Positionssensoren herzustellen. Genauer gesagt, werden die Wicklungen dadurch hergestellt, dass ein emaillierter Kupferdraht mit dem erforderlichen Muster auf ein geeignetes Substrat gebondet wird. Bei dieser Ausführungsform werden die acht Wicklungen des Digitalisiertabletts 9 auf einem gesonderten Substrat hergestellt, und sie werden dann aufeinander gelegt, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden. Genauer gesagt, wird bei dieser Ausführungsform die Schichtstruktur dadurch herge stellt, dass als Erstes der Draht mit dem erforderlichen Muster auf einen isolierenden Wicklungskern (nicht dargestellt) gewunden wird, um eine erste der acht Wicklungen herzustellen. Diese Wicklung wird dann zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat eingebettet, um die Drähte am Ort festzuhalten. Dann wird eine weitere Wicklung unter Verwendung des isolierenden Wicklungskerns erzeugt und dann zwischen dem zweiten und einem dritten Substrat eingebettet. Dann wird dieser Prozess wiederholt, bis alle acht Wicklungen zwischen zwei Substraten eingebettet sind.
Die 4e zeigt eine Schnittansicht entlang der X-Achse für das in der 1 dargestellte Digitalisiertablett 9. Wie dargestellt, existieren neun Substratschichten 45-1 bis 45-9, die die acht gesonderten Wicklungen 41-1 bis 41-8 einbetten. Die oberste Substratschicht 45-1 wirkt auch als Schutzschicht, die auf der Oberfläche über ein aufgedrucktes Material verfügen kann, was von der Anwendung des XY-Digitalisiertabletts abhängt. Wie dargestellt, sind bei dieser Ausführungsform die Wicklungen für die X-Positionsmessung in Schichten abwechselnd mit denen für die Y-Positionsmessung angeordnet. Um für mechanische Stabilität zu sorgen, ist eine Grundschicht 47 aus Stahl vorhanden. Da die Grundschicht 47 aus Stahl Magnetfelder stören kann, die durch die in den Wicklungen 41 des Digitalisierers fließenden Ströme erzeugt werden, wird zwischen die Grundschicht 47 und die letzte Substratschicht 45-9 eine magnetisch weiche Schicht 49 eingefügt. Die magnetisch weiche Schicht 49 schirmt auf effektive Weise die Wicklungen 41 gegen die Grundschicht 47 aus Stahl ab, und sie verbessert das Funktionsvermögen durch Bereitstellen eines durchlässigen Pfads für den Magnetfluss, damit dieser hinter den Wicklungen durchlaufen kann. Die magnetisch weiche Schicht kann z. B. aus Kunststoff oder Kautschuk bestehen, der Eisen- oder Ferritpulver enthält, wobei jedoch jedes beliebige magnetisch weiche Material verwendet werden kann. Dieses Material kann durch Extrusion in langen Stücken z. B. von Anchor Magnets Ltd. Sheffield, UK unter den Handelsnamen Ferrostrip und Ferrosheet hergestellt werden, und es ist daher für Systeme großer Länge geeignet. Dieses Material ist minimal leitend, so dass Wirbelstromverluste minimiert sind. G40
Zu den Vorteilen der, Drahtbondtechnik gehören: (i) die Wicklungen verfügen über relativ geringen Widerstand (bei einem Drahtdurchmesser von ungefähr 0,15 mm beträgt der spezifische Widerstand ungefähr 1 Ohm pro Meter); (ii) es kann eine hohe Wicklungsdichte hergestellt werden – bis zu sechs Drähte pro mm in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (bei einem Drahtdurchmesser von 0,15 mm), was stärker komplizierte Wicklungen und erhöhten Wick lungswirkungsgrad ermöglicht (da Mehrfachwindungen verwendet werden können); und (iii) es können mehrere Drahtschichten verwendet werden, und es sind Drahtüberkreuzungen in derselben Schicht möglich.
Nun erfolgt eine detaillierter Beschreibung zur Art, gemäß der die Position des Stifts 1 in Bezug auf das Digitalisiertablett 9 bestimmt wird. Bei dieser Ausführungsform wird das Erregungssignal sequenziell zweimal an die sin-A-Wicklung angelegt, dann zweimal an die cos-A-Wicklung, dann zweimal an die sin-C-Wicklung und schließlich zweimal an die cos-C-Wicklung. Zwischen der Energieversorgung für jede dieser Wicklungen ist eine kurze Zeitperiode vorhanden, während der die in der sin-B-Wicklung, der cos-B-Wicklung, der sin-D-Wicklung und der cos-D-Wicklung empfangenen Signale verarbeitet werden, um die Stiftposition in Bezug auf das Digitalisiertablett 9 zu entnehmen. Wie es unten detaillierter beschrieben wird, werden bei dieser Ausführungsform, zusätzlich zur Bestimmung der X- und der Y-Position des Stifts 1 in Bezug auf das Digitalisiertablett 9, die in diesen Wicklungen empfangenen Signale verarbeitet, um einen Schätzwert für Folgendes zu ermitteln: (i) die Höhe (Z) des Stifts 11 über dem Digitalisiertablett 9; (ii) den Winkel (α), um den der Stift gegenüber der vertikalen (d. h. gegenüber der Z-Achse) verkippt ist; und (iii) die Orientierung (Θ) des Stifts 11 in der XY-Ebene.
Die 5 veranschaulicht die Erregungs- und Verarbeitungselektronik, die dazu verwendet wird, die Erregerwicklungen (sin-A, cos-A, sin-C und cos-C) mit Energie zu versorgen und die von den Empfangswicklungen (sin-B, cos-B, sin-D und cos-D) empfangenen Signale zu erfassen. Bei dieser Ausführungsform wird die sin-A-Erregerwicklung als Erste mit Energie versorgt, und das in der sin-B-Empfangswicklung empfangene Signal wird verarbeitet. Dann wird die sin-A-Erregerwicklung erneut mit Energie versorgt und es wird das in der cos-B-Wicklung empfangene Signal verarbeitet. Dann wird eine ähnliche Abfolge von Erregung und Verarbeitung für die Erregerwicklungen cos-A und die Empfangswicklungen sin-B und cos-B sowie für die Erregerwicklungen sin-C und cos-C und die Empfangswicklungen sin-D und cos-D ausgeführt. Die Energieversorgung der Quadraturwicklungen auf diese Weise gewährleistet, dass der Resonator an allen Positionen über der aktiven Fläche des Digitalisiertabletts 9 mit Energie versorgt wird. Wie dargestellt, verfügt die Erregungs- und Verarbeitungsschaltung über einen digitalen Signalgenerator 55, der ein geeignetes Erregungssignal erzeugt, das durch einen MOSFET-Verstärker 57 verstärkt wird und über den Schalter 59 und eine jeweilige Ausgangsleitung 50-1 bis 50-4 an die zutreffende Erregerwicklung gelegt wird.
Der digitale Signalgenerator 55 wird durch einen Mikrocontroller 61 gesteuert, der gewährleistet, dass die Frequenz des Energieversorgungs-Wechselspannungssignals dazu geeignet ist, dafür zu sorgen, dass der Resonator 18 im Stift 11 im Resonanz arbeitet. Der Mikrocontroller 61 steuert auch den digitalen Signalgenerator und den Schalter 59 so, dass die sin-A-, die cos-A-, die sin-C- und die cos-C-Wicklung zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Reihenfolge mit Energie versorgt werden.
Die 6a zeigt die Form des Erregungssignals, das bei dieser Ausführungsform sequenziell an die vier Erregerwicklungen (sin-A, cos-A, sin-C und cos-C) angelegt wird. Wie es in der 6a dargestellt ist, verfügt das Erregungssignal 52 über sechs Perioden einer Rechteckspannung, deren Frequenz zur Resonanzfrequenz des Resonators 18 passt. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Resonanzfrequenz des Resonators, und damit diejenige des Erregungssignals, 2 MHz, wobei jedoch jede beliebige Frequenz im Bereich von 10 kHz und 10 MHz praxisgerecht wäre. Wenn dieses Erregungssignal 52 an eine der Erregerwicklungen gelegt wird, fließt ein Strom in der Erregerwicklung, der ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Resonator 18 koppelt und dafür sorgt, dass dieser in Resonanz arbeitet. Die 6b veranschaulicht die allgemeine Form des Resonatorstroms 53 als Ergebnis dessen, dass das Energieversorgungssignal 52 an eine der Energieversorgungswicklungen gelegt wird. Wie dargestellt, steigt der Resonatorstrom allmählich in der Stärke von demjenigen Zeitpunkt aus an, zu dem die Erregungsspannung an die Erregerwicklung gelegt wird. Der Resonatorstrom erreicht dann seinen Maximalwert, wenn die Erregungsspannung zum Zeitpunkt t₁ von der Wicklung weggenommen wird, und ihr bleibt für eine kurze anschließende Zeitperiode (T) weiterhin in Resonanz. Wie es unten erläutert wird, ist bei dieser Ausführungsform die Verarbeitungsschaltung so ausgebildet, dass sie die empfangenen Signale nach der Zeit t₂ verarbeitet, d. h. nach dem Wegnehmen des Erregungssignals von der Erregerwicklung. Dies ist möglich, da der Resonator weiterhin "oszilliert", nachdem die Erregung entfernt wurde, und dies hat den Vorteil, dass es jeglichen Fehler beseitigt, der durch direkte Kopplung zwischen den Erreger- und Empfangswicklungen hervorgerufen würde.
Die von den Empfangswicklungen (sin-B, cos-B, sind-D und cos-D) empfangenen Signale werden, über eine jeweilige Eingangsleitung 62-1 bis 62-4 und einen Schalter 63, an einen Verstärker 65 geliefert, der die empfangenen Signale verstärkt. Die von den Empfangswicklungen empfangenen Signale bilden im Wesentlichen eine amplitudenmodulierte Version des Erregungssignals, in dem die Positionsinformation des Stifts 11 in der Amplitude codiert ist. Die verstärkten Signale werden daher an einen Mischer 67 durchgelassen, wo sie dadurch synchron demoduliert werden, dass sie mit einem Signal mit derselben Grundfrequenz wie der des Erregungssignals multipliziert werden, das durch den digitalen Signalgenerator 55 über eine Leitung 69 geliefert wird. Weitere Einzelheiten zur Beziehung zwischen dem Erregungssignal und dem Signal, das dazu verwendet wird, die empfangenen Signale zu demodulieren, finden sich in der früheren internationalen Anmeldung WO95/31696 der Anmelderin, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Die 6c zeigt die Form des vom Mischer 67 ausgegebenen Signals 56. Wie dargestellt, startet das Mischer-Ausgangssignal 56 zum Zeitpunkt t₂ unmittelbar nach der Wegnahme des Erregungssignals, und es verfügt über eine Gleichspannungskomponente, die die Positionsinformation enthält, gemeinsam mit unerwünschten Wechselspannungskomponenten hoher Frequenz. Die Wechselspannungskomponenten werden dadurch aus dem Mischer-Ausgangssignal 56 entfernt, dass das Signal über eine vorbestimmte Anzahl von Perioden des Erregungssignals integriert wird (da das Integral eines sinusförmig var variienden Signals über eine oder mehrere Perioden null ist). Diese Integration des Mischer-Ausgangssignals 56 wird durch die Integrierer/Abtast-Halte-Schaltung 73 ausgeführt, und die Integrationsperiode wird durch den digitalen Signalgenerator 55 über die Steuerleitung 75 gesteuert. Die 6d veranschaulicht die Form des Ausgangssignals 58 der Integrierer/Abtast-Halte-Schaltung 73. Wie dargestellt, steigt das Ausgangssignal 58 im Verlauf der Zeit an, und der Endwert (V_out) hängt vom Gleichspannungs-Gesamtpegel des Mischer-Ausgangssignals 56 während der Integrationsperiode ab. Das Ausgangssignal (V_out) der Integrierer/Abtast-Halte-Schaltung 73 wird dann durch den Analog-Digital-Wandler 77 aus einem analogen in ein digitales Signal gewandelt und an den Mikrocontroller 61 weitergeleitet. Wie oben angegeben, wird dann die Erregungs- und Verarbeitungsprozedur für verschiedene Kombinationen von Erreger- und Empfangswicklungen wiederholt, und der Mikrocontroller 61 verwendet die Ausgangssignale (V_out) der verschiedenen Kombinationen, um die Position (X, Y, Z), die Verkippung (α) und die Orientierung (β) des Stifts 11 herzuleiten. Dieses Information wird dann über eine Leitung 79 an die in der 1 dargestellte Hauptrecheneinheit 5 geleitet, die die Information dazu verwendet, die Position des Körpers 13 und andere auf dem Display 3 angezeigte Information zu steuern.
Nun wird die Art beschrieben, gemäß der die XYZ-Position, die Verkippung (α) und die Orientierung (Θ) des Stifts 11 bestimmt werden. Um dies auszuführen, ist es jedoch erforderlich, die Form des Magnetfelds zu verstehen, das durch den in den Erregerwicklungen sin-A, cos-A, sin-C und cos-C fliessenden Energieversorgungsstrom erzeugt wird, und wie das Magnetfeld mit dem Resonator 18 im Stift 11 zusammenwirkt, um in den Empfangswicklungen sin-B, cos-B, sin-D und cos-D ein Signal zu induzieren, aus dem diese Positionsund Orientierungsinformation bestimmt werden kann. Wie es der Fachmann erkennt, ist das durch einen in einer Wicklung fließenden Strom erzeugten Magnetfeld eine Funktion der Form der Wicklung und des derselben zugeführten Erregungssignals, d. h.: HWicklung(x, y, z, t) = f(FORM, E(t)) (1)
In ähnlicher Weise ist die in einer sich in einem Wechselmagnetfeld befindenden Wicklung induzierte ENF eine Funktion des Magnetfelds sowie eine Funktion der Form der Wicklung, d. h.: EMFWicklung(t) = f(FORM, H(x, y, z, t)) (2)
Wie oben angegeben, ist bei dieser Ausführungsform die Form der in der 4 dargestellten Wicklungen des Digitalisierers so konzipiert, dass das von jeder Wicklung, wenn sie mit Energie versorgt wird, erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen sinusförmig abhängig von der Position entlang der Wicklung variiert. Die Art, gemäß der dies bewerkstelligt wird, wird nun für die in der 4a dargestellte sin-A-Wicklung 31 unter Bezugnahme auf die 7 veranschaulicht. Die 7a zeigt einen Schnitt entlang Linien S-S eines Teils der in der 4a dargestellten sin-A-Wicklung 31, und insbesondere zeigt sie einen Schnitt durch die Periode 31-3 und einen Teil der Perioden 31-2 und 31-4. Die Figur zeigt die Situation, gemäß der der sin-A-Wicklung 31 ein Konstantstrom zugeführt wird. Durch Betrachten des Pfads, wie er vom durch die sin-A-Wicklung 31 fließenden Strom eingenommen wird, fließt der Strom in den Paaren von Drähten, die benachbart zueinander liegen, z. B. den Drähten 81 und 82, in derselben Richtung, entweder in die Papierebene oder aus ihr heraus, und der Strom, der in einem benachbarten Paar von Drähten, wie den Drähten 83 und 84, fließt, fließt in der entgegengesetzten Richtung. Dies ist in der 7a unter Verwendung von Punkten zum Repräsentieren von Strömen veranschaulicht, die aus der Papierebene herauslaufen, wobei Kreuze dazu verwendet sind, Ströme zu repräsentieren, die in die Papierebene eintreten. Daher kann das durch jedes Paar von Drähten erzeugte Magnetfeld bestimmt werden, und diese sind durch die Kreise 85-1 bis 85-5 angenähert. Diese Magnetfelder 85 kombinieren miteinander, um ein resultierendes Magnetfeld zu erzeugen, das in eine Komponente in der Z-Richtung, eine Komponente in der X-Richtung und eine Komponente in der Y-Richtung aufgeteilt werden kann. Jede dieser Magnetfeldkomponenten wird nun berücksichtigt, und zwar insbesondere im Hinblick darauf, wie sie in der X-Richtung variieren.
Als Erstes wird die Z-Komponente betrachtet. Am Punkt A zeigen die Magnetfeldlinien horizontal nach links in der X-Richtung, und daher existiert am Punkt A keine Z-Komponente. Dies ist durch den Punkt 86 im in der 7b dargestellten Vektordiagramm repräsentiert. Wenn jedoch eine Bewegung vom Punkt A zum Punkt B erfolgt, steigt der Wert der Z-Komponente des Magnetfelds bis zu einem Maximalwert am Punkt B an. Dies ist durch die Vektoren 88 und 90 repräsentiert, deren Größe vom Punkt A zum Punkt B zunimmt. Wenn diese Analyse entlang der X-Richtung fortgesetzt wird, ergibt sich die vollständige, in der 7b dargestellte Vektorzeichnung. Unterhalb dieser Vektorzeichnung befindet sich eine Annäherung an die Art, gemäß der sich die Stärke und die Richtung der Vektoren positionsabhängig entlang der X-Richtung ändern. Wie dargestellt, variiert diese Näherung auf sinusförmige Weise abhängig von der Periode der sinusförmigen Variationsanpassung der Ganghöhe λ₁ der sin-A-Wicklung 31. Wie es der Fachmann erkennt, ist die Variation der Z-Komponente nicht genau sinusförmig, und im Ergebnis enthält das erzeugte Magnetfeld auf unerwünschte räumliche Harmonische höherer Ordnung. Jedoch verfügen diese Harmonischen höherer Ordnung über kürzere Perioden, und da ihre Amplituden mit einer Rate abfallen, die proportional zu ihrer Periode ist, wird die Form des Magnetfelds zunehmend rein sinusförmig, wenn der Zwischenraum zwischen dem Resonator 18 und den Wicklungen erhöht wird. Außerdem können die Wicklungsformen so gewählt werden, dass die niedrigsten unerwünschten Harmonischen beseitigt werden, die diejenigen sind, die über größere Zwischenräume andauern. Zum Beispiel kann der Abstand zwischen den benachbarten Paaren von Drähten in der 7 so gewählt werden, dass die dritte räumliche Harmonische beseitigt wird. Durch Beseitigen dieser niedrigen räumlichen Harmonischen ist die Magnetfeldform sehr nahe selbst bei kleinen Zwischenräumen an einen Sinusverlauf angenähert.
Eine ähnliche Analyse der horizontalen X-Komponente des Magnetfelds führt zum in der 7c dargestellten Vektordiagramm, das, wie dargestellt, ebenfalls an eine sinusförmig variierende Funktion abhängig von X angenähert ist, mit einer der Ganghöhe λ₁ der sin-A-Wicklung 31 entsprechenden Periode, jedoch um 90° phasenverschoben zur Z-Komponente. Eine ähnliche Analyse kann für die Variation der Y-Komponente des Magnetfelds in der X-Richtung ausgeführt werden. Da jedoch die Drähte parallel zur Y-Rich tung verlaufen, erzeugen sie nur Magnetfeldkomponenten in der X- und der Z-Richtung. Im Ergebnis ist die Y-Komponente des Magnetfelds im Wesentlichen null, mit Ausnahme an den Enden der Spulen in der Y-Richtung, wo die Drähte parallel zur Y-Richtung durch Drähte parallel zur X-Richtung verbunden sind. Diese letzteren Drähte erzeugen Magnetfelder mit Komponenten in der Y-Richtung, jedoch fallen diese mit dem Abstand zwischen dem Stift und den Wicklungen schnell ab.
Wie es der Fachmann erkennt, nimmt die Stärke des durch die Erregung der sin-A-Wicklung erzeugten Magnetfelds mit dem Abstand von der Wicklung in der Z-Richtung ab. Es ist erkennbar, dass dieses Abfallen des Magnetfelds durch eine Exponentialfunktion angenähert werden kann, wobei die Abfallensrate ungefähr umgekehrt proportional zur Ganghöhe λ₁ der sin-A-Wicklung verläuft, so dass die Abfallensrate umso kleiner ist, je größer die Ganghöhe ist.
Aus der obigen Analyse kann der "Formfaktor" der sin-A-Wicklung 31 wie folgt definiert werden: SsinA(x, y, z) = e(–ωAz)[–cos(ωAx + Φx), 0, sin(ωAx + Φx)] (3)wobei ω_A = 2π/λ₁ ist und Φ_x eine Systemkonstante ist, deren Wert von der Position des Bezugspunkts abhängt, der bei den Messungen für die (X, Y, Z)-Position als Ursprung verwendet wird. Da die cos-A-Wicklung 32 dieselbe allgemeine Form wie die sin-A-Wicklung 31 aufweist, jedoch um λ₁/4 in der X-Richtung verschoben ist, kann ein ähnlicher Formfaktor für die cos-A-Wicklung 32 wie folgt definiert werden: ScosA(x, y, z) = e(–ωAz)[–sin(ωAx + Φx), 0, cos(ωAx + Φx)] (4)
Ähnliche Ausdrücke können für die Formfaktoren der sin-B-und der cos-B-Wicklung 33 und 34 hergeleitet werden, wobei zu beachten ist, dass die Raumfrequenz (ω) verschieden ist, da die Ganghöhe λ₂ der sin-B- und der cos-B-Wicklung verschieden von der der sin-A- und der cos-A-Wicklung 31 und 32 ist. Die Formfaktoren der sin-C-, der cos-C-, der sin-C- und der cos-D-Wicklung können durch eine ähnliche Analyse erhalten werden, wobei für diese Wicklungen zu beachten ist, dass die X-Komponente des Magnetfelds entfernt von der Enden der Drähte in der X-Richtung im Wesentlichen null ist, da die Drähte entfernt von diesen Enden parallel zur X-Richtung verlaufen.
Demgemäß wird, wenn das in der 6a dargestellte Erregungssignal an die sin-A-Wicklung gelegt wird, das folgende Magnetfeld um das Digitalisiertablett 9 herum erzeugt: HsinA(x, y, z, t) = SsinA(x, y, z)·f(E(t)) (5)
Wie oben angegeben, ist das Erregungssignal E(t) eine Rechteckspannung, die eine Grundkomponente mit einer Frequenz, die an die Resonanzfrequenz des Resonators 18 angepasst ist, und Harmonische höherer Ordnung enthält. Da die genaue Art der zeitlichen Änderung des Erregungssignals für die folgende Analyse unkritisch ist, wird eine detailliertere Beschreibung des Erregungssignals weggelassen. Das erzeugte Magnetfeld koppelt mit dem Resonator 18 und sorgt dafür, dass dieser in Resonanz gerät. Der Strom, der auf Grund des erzeugten Magnetfelds im Resonator fließt, ist proportional zur Komponente des erzeugten Magnetfelds entlang der Achse 21 des Resonators 18. Während normalen Gebrauchs hält der Benutzer, wie es in der 8 veranschaulicht ist, den Stift 11 normalerweise wie einen Schreibstift, was dazu führt, dass die Achse 21 des Resonators 18 um einen gewissen unbekannten Winkel (α) gegenüber der Vertikalen verkippt ist.
Die 9 zeigt einen dreidimensionalen kartesischen Kurvenschrieb, wobei der Ursprung im Zentrum des Resonators liegt und die Achse desselben in der Richtung des Einheitsvektors r (dx, dy, dz) zeigt. Wie es in der 9 dargestellt ist, ist der Einheitsvektor r um den Winkel α gegenüber der Vertikalen verkippt und um einen Winkel Θ gegenüber der X-Achse verdreht. Der Winkel Θ repräsentiert ein Maß für die Orientierung des Stifts 11 in der SY-Ebene. Daher kann der Resonatorstrom wie folgt ausgedrückt werden:
mit dx = rcosΘsinα = rxsinαx (7) dy = rsinΘsinα = rysinαy (8) dz = rcosα = rxcosαx = rycosαy (9)wobei, wie es in den 10 und 11 dargestellt ist, r_x und r_y die Projektionen des Einheitsvektors r auf die XY- bzw. die YZ-Ebene sind und α_x und α_y die jeweiligen Winkel zwischen diesen projizierten Vektoren und der Z-Achse sind. Dieser Resonatorstrom erzeugt ein Resonator-Magnetfeld in der Richtung der Resonatorachse 21, das seinerseits in der sin-B- und der cos-B-Wicklung 33 und 34 eine EMF induziert. Das Resonator-Magnetfeld induziert auch ein Signal in den anderen Wicklungen, jedoch werden diese anderen Signale bei den folgenden Berechnungen nicht verwendet, und sie werden daher ignoriert. Als Ergebnis der reziproken Art der magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen des Digitalisiertabletts 9 und dem Resonator 18 hat die in der sin-B-Spule induzierte EMF die folgende Form:
die, nach einer Demodulation durch den Mischer 67 und einer Integration durch die Integrierer/Abtast-Halte-Schaltung 73 nach einer Vereinfachung die folgende Form aufweist:
wobei S^AS^B das oben genannte Ausgangssignal V_OUT ist, wenn die sin-A-Wicklung mit Energie versorgt wird und das in der sin-B-Wicklung induzierte Signal verarbeitet wird, wobei ω_Σx = ω_A + ω_B gilt und wobei A eine vorab bekannte Kopplungskonstante ist. Auf ähnliche Weise verfügt das in der cos-B-Wicklung durch Energieversorgung der sin-A-Wicklung über die folgende Form:
Ähnliche Ausdrücke können auch für die Signale hergeleitet werden, wie sie in der sin-B- und der cos-B-Wicklung induziert werden, wenn die cos-A-Wicklung mit Energie versorgt wird und diese sind wie folgt gegeben:
Bei dieser Ausführungsform werden die in den Gleichungen 11 bis 14 angege benen Signale durch den Mikrocontroller 61 kombiniert, um die folgenden Summen- und Differenzsignale zu erzeugen:
die unter Verwendung gut bekannter Entwicklungen von sin (A ± b) und cos (A ± B) hinsichtlich sin-A, sin-B, cos-A und cos-B hergeleitet werden. Durch Verwenden des Arkustangens des Verhältnisses dieser Komponenten können eine Grob-Positionsmessphase und eine Fein-Positionsmessphase für die X-Koordinatenposition des Stifts 11 bestimmt werden. Genauer gesagt, wird die Grob-Positionsmessphase dadurch bestimmt, dass der inverse Tangens für die vier Quadranten des sin-und des cos-Differenzsignals unter Verwendung der folgenden Gleichung verwendet werden:
und die Fein-Positionsmessphase wird dadurch bestimmt, dass dass der inverse Tangens für die vier Quadranten des sin-und des cos-Summensignals unter Verwendung der folgenden Gleichung verwendet werden:
wobei N_A und N_B die Anzahl der Perioden der sin-A- bzw. der cos-B-Wicklung über die aktive Länge L_X des Digitalisiertabletts 9 sind. Wie es aus den Gleichungen 19 und 20 erkennbar ist, hat die Verkippung (α) des Stifts 11 einen Positionsfehler (2α_x ) in die in der Gleichung 20 angegebene Fein-Positionsmessphase eineführt. Dies beeinflusst jedoch die Grob-Positionsmessphase nicht.
Eine ähnliche Verarbeitung für die Signale, wie sie von der sin-D- und der cos-D-Wicklung empfangen werden, wenn die sin-C- und die cos-C-Wicklung mit Energie versorgt werden, führt zu den folgenden Ausdrücken für die Grob- und die Fein-Positionsmessphase der Y-Position des Stifts 11 in Bezug auf das Digitalisiertablett 9:
Die 12 veranschaulicht die Weise, gemäß der die Grob- und die Fein-Positionsmessphase für die X-Position abhängig von der Position über die aktive Länge L_X des Digitalisiertabletts 9 variieren. Wie dargestellt, variiert die Grob-Positionsmessphase 100 linear zwischen –π und π über die gesamte aktive Länge L_X des Digitalisiertabletts 9 hinweg. Diese Messung bietet daher ein eindeutiges Maß für die X-Position über die Gesamtlänge L_X. Dies, da N_A– N_B= 1 gilt. Die Fein-Positionsmessphase 102 variiert ebenfalls linear zwischen –π und π. Jedoch zeigt die Fein-Positionsmessphase elfmal über die Länge L_X einen Zyklus zwischen –π und π. Dies, da N_A + N_B = 11 gilt. Da die Fein-Positionsmessphase einen durch die Verkippung des Resonators 18 enthaltenen Positionsfehler ξ enthält, ist es nicht möglich, eine Fein-Positionsmessung auszuführen. Da jedoch die Grob-Positionsmessphase aus einem Differenzsignal hergeleitet wird, wird die Auswirkung der Verkippung auf die erfassten Signale aufgehoben. Daher kann die Grob-Positionsmessung immer verwendet werden, um die aktuelle Position des Stifts 11, unabhängig von seiner Verkippung, in Bezug auf das Digitalisiertablett 9 zu bestimmen.
Bei dieser Ausführungsform werden die Grob-Positionsmessungen für die X- und die Y-Position gemeinsam mit den bekannten Konstanten Φ_x und Φ_y in die jeweiligen Gleichungen 20 und 22 eingegeben, damit sich Schätzwerte betreffend 2α_x und 2α_y ergeben. Wenn 2α_x und 2α_y gegeben sind, existieren zwei mögliche Werte für α_x und α_y, die sich um 180° unterscheiden. Dies ist in der 13 dargestellt, die zeigt, dass der Winkel 2α_x zwischen der Z-Achse und der Linie 105 dann erhalten werden kann, wenn α_x dem Winkel zwischen der Z-Achse und der Linie 107 oder dem Winkel zwischen der Z-Achse und der Linie 109 gleich ist. Wenn jedoch der Verkippungsbereich auf –π/2 und π/2 begrenzt ist, kann ein Schätzwert für den Wert von α_x und α_y bestimmt werden, aus dem die Verkippung α der Resonatorachse 21 gegenüber der Z-Achse gemeinsam mit der Orientierung Θ des Stifts 11 in der XY-Ebene aus den folgenden Gleichungen bestimmt werden kann:
Die Höhe Z des Stifts 11 über dem Digitalisiertablett 9 kann dann aus dem Amplituden der in den Gleichungen 15 bis 18 angegebenen kombinierten Signale und insbesondere aus einem der folgenden zwei Amplitudenterme erhalten werden:
die beide mit der Höhe (Z) des Stifts 11 über dem Digitalisiertablett 9 und in gewissem Ausmaß in der Verkippung und der Orientierung (wegen r_x ² und r_y ²) des Stifts 11 variieren. Da jedoch α und Θ aus den Gleichungen 23 und 24 abgeschätzt wurden, kann der Wert von r_x ² und r_y ² unter Verwendung der Gleichungen 7 bis 9 bestimmt werden, und demgemäß kann die Höhe Z des Stifts 11 über dem Digitalisiertablett 9 aus diesen Amplituden bestimmt werden.
Zusammengefasst gesagt, wird bei dieser Ausführungsform bei einem unbekannten Kippwinkel zwischen dem Stift und der Z-Achse ein Grob-Positionsmesswert, der durch die Kippung nicht beeinflusst wird, erhalten, woraus ein Schätzwert für (i) den Kippwinkel (α) und die Orientierung (Θ) des Stifts; und (ii) ein Schätzwert für die Höhe des Stifts über dem Digitalisiertablett bestimmt werden. Jedoch wird kein Fein-Positionsmesswert für die aktuelle Position des Stifts erhalten, da dieser durch einen durch die Verkippung hervorgerufenen Positionsfehler gestört ist.
Die 14 veranschaulicht die Form einer zweiten Ausführungsform, bei der der Kippwinkel der Resonatorachse relativ zur Z-Achse bekannt ist. Insbesondere veranschaulicht die 14 auf schematische Weise ein elektron inches Spiel mit einem Digitalisiertablett 9 (das dasselbe wie bei der ersten Ausführungsform verwendete ist), einem Display 3 und einem Kinderspielzeug 118, das frei über die Fläche des Digitalisiertabletts 9 bewegbar ist. Wie es in der 15 dargestellt ist, beherbergt das Spielzeugauto 111 einen Resonator 18, dessen Achse um einen bekannten Winkel α gegenüber der Z-Achse verkippt ist. Vorausgesetzt, dass das Auto nicht von der Oberfläche des Digitalisiertabletts 9 abgehoben wird, ist der Winkel zwischen der Achse 21 des Resonators 18 und der Z-Achse auf den Wert α fixiert. Da der Kippwinkel α bei dieser Ausführungsform bekannt ist, kann die Orientierung (Θ) des Autos 111 in der XY-Ebene aus dem Verhältnis der durch die Gleichungen 25 und 26 definierten Amplituden bestimmt werden (vorausgesetzt, dass ω_Δx gleich groß wie ω_Δy ist), d. h. aus:
Insbesondere kann der Wert von sin²Θ oder cos²Θ bestimmt werden, da α bekannt ist. Wenn jedoch nur sin²Θ oder cos²Θ bekannt ist, sind vier mögliche Werte von Θ zulässig, einer in jedem Quadranten. Die beste Art zum Bestimmen des korrekten Werts von Θ ist: (a) Berechnen von α_x und α_y aus den Gleichungen 23 und 24 für jeden möglichen Wert von Θ; dann (b) Verwenden dieser Werte von α_x und α_y zum Bestimmen der X- und der Y-Feinposition des Spielzeugautos 111 aus den Gleichungen 20 und 22; und schließlich (c) Identifizieren, welcher Wert von Θ die kleinste Diskrepanz zwischen der abgeschätzten Feinposition und der aus den Gleichungen 19 und 21 erhaltenen gemessenen Grobposition liefert. Die Orientierung Θ, die die kleinste Diskrepanz ergibt, wird dann verwendet, um eine geeignete Szene anzuzeigen, wie sie aus dem Spielzeugauto 111 an dessen aktueller Position und mit dessen aktueller Orientierung zu sehen ist.
Es ist jedoch zu beachten, dass das obige Verfahren nicht die robusteste Art zum Bestimmen der Orientierung (Θ) des Spielzeugautos 111 ist, da Fehler in der Grob-Positionsmessung die Art beeinflussen können, gemäß der die Fein-Positionsmessung interpretiert wird, und dies kann zu Fehlern bei der Wahl des Orientierungswinkels Θ führen.
Dieses Problem kann dadurch überwunden werden, dass zwei gesonderte, jedoch zusammenfallende Resonatoren (d. h. mit demselben Mittelpunkt) im Spielzeugauto 111 angebracht werden, von denen jede auf einer anderen Frequenz arbeitet, so dass sie unabhängig abgefragt werden können, wobei ein Resonator nicht verkippt ist und der andere Resonator unter einem bekannten Winkel relativ zum anderen verkippt ist. Die 16 veranschaulicht eine derartige Kombination von Resonatoren. Wie dargestellt, verfügen die beiden Resonatoren 18-1 und 18-2 über denselben Mittelpunkt 121, jedoch ist die Achse 21-2 des Resonators 18-2 um einen bekannten Winkel α gegenüber der Achse 21-1 des Resonators 18-1 verkippt. In der Praxis kann der Resonator 18-2 aus zwei in Reihe geschalteten Spulen und einem Kondensator hergestellt werden, wobei eine Spule dieselbe Achse wie die im unverkippten Resonator 18-1 verwendete Spule aufweist und die andere ihre Achse orthogonal zur anderen hat. Bei Verwendung im Spielzeugauto 111 der 14 und 15 sind die Werte α_x und α_y für den Resonator 18-1 null, wenn die Achse 21-1 des Resonators 18-1 so angeordnet ist, dass sie in der Z-Richtung zeigt. Daher können sowohl die Grob- als auch die Fein-Positionsmessphase, die durch Energieversorgung des Resonators 18-1 erhalten werden, dazu verwendet werden, die X- und die Y-Position des Mittelpunkts 121 (und demgemäß des Spielzeugautos 111) relativ zum Digitalisiertablett 9 zu bestimmen. Ferner sind die Positionen der Resonatoren dieselben, da sie zusammenfallen. Demgemäß können die aus den Signalen des unverkippten Resonators 18-1 erhaltenen Fein-Positionsmesswerte zum Bestimmen von α_x und α_y für den unverkippten Resonator 18-2 unter Verwendung der Gleichungen 20 und 22 verwendet werden. Diese Werte von α_x und α_y zusammen mit dem bekannten Winkel α und den durch die Gleichungen 25 und 26 definierten Amplitudenmessungen können dann dazu verwendet werden, die Orientierung Θ des Spielzeugautos 111 zu berechnen. Daher, nämlich durch Verwenden der zwei zusammenfallenden Resonatoren 18-1 und 18-2, die unabhängig abgefragt werden können, ist es möglich, die Fein-Positionsmessung aufzufinden und diese dazu zu verwenden, einen genaueren Schätzwert für die Orientierung des Spielzeugautos 111 in der XY-Ebene des Digitalisiertabletts 9 zu erhalten.
Bei den obigen Ausführungsformen ist eine Technik zum Bestimmen der XYZ-Position eines Resonators oder eines Paars von Resonatoren und zum Bestimmen der Orientierung (Θ) des Resonators in der XY-Ebene, und demgemäß der Position und der Orientierung eines Objekts, wie eines Stifts oder eines Kinderspielzeugs, das den mindestens einen Resonator trägt, beschrieben. Jedoch ist bei den obigen Ausführungsformen angenommen, dass der Resonator in der XY-Ebene nur eine Drehung ausführen kann. Jedoch sind andere Drehungen des mindestens einen Resonators möglich, z. B. um die X-Achse, was zu einer Fehlberechnung der Position oder der Orientierung des Resonators in der XY-Ebene führen würde. Dies, da es dem System an ausreichender Information zum Bestimmen sowohl der Feinposition als auch der Orientierung der Resonatoren nur aus den Fein-Phasenmessungen fehlt. Insbesondere ergeben sich aus den vier Fein-Phasenmessungen nur drei unabhängige Größen, da der Winkel zwischen den zwei Resonatorachsen festliegt, wohingegen die Bestimmung der Feinposition und der Orientierung die Bestimmung von fünf Größen erfordert. Die einzige mögliche Quelle für Zusatzinformation sind die vier Amplitudenmessungen, jedoch sind, wie bereits angegeben, dies keine robusten Größen, und die Verwendung derselben zum Bestimmen der Feinposition und der Orientierung würde die Genauigkeit des Systems in Frage stellen. (Es ist zu beachten, dass die Grob-Positionsmessungen der zwei Resonatoren identisch sind und nur die Grobposition der beiden Resonatoren in der X- und der Y-Richtung liefern, so dass sie keine Zusatzinformation liefern.) Ferner kann die Orientierung der nur zwei Resonatoren durch das System nicht eindeutig bestimmt werden. Dies, da das System nicht zwischen einem Resonator und demselben Resonator mit umgekehrter Achse unterscheiden kann, was dadurch erreicht werden kann, dass sie um 180° um eine Achse gedreht werden, die rechtwinklig zu ihren beiden Achsen verläuft. Daher ist es bei den obigen Ausführungsformen nicht möglich, die komplette Orientierung eines die Resonatoren tragenden Objekts zu bestimmen.
Nun wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der die komplette Orientierung des die Resonatoren tragenden Objekts bestimmt werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird dies dadurch bewerkstelligt, dass drei zusammenfallende Resonatoren verwendet werden, von denen jeder bei einer anderen Frequenz arbeitet, so dass sie unabhängig abgefragt werden können, wobei die Achse jedes Resonators relativ zu den beiden anderen verkippt ist. Eine geeignete Resonatorkombination ist in der 17 veranschaulicht. Wie dargestellt, verfügt die Resonatorkombination über drei Resonatoren 18-1, 18-2 und 18-3, wobei die jeweiligen Resonatorachsen 21-1, 21-2 und 21-3 um einige bekannte Winkel relativ zueinander verkippt sind. Um eine mögliche Doppeldeutigkeit hinsichtlich der Resonatoren zu vermeiden, existieren zwei Konfigurationen, die vermieden werden müssen. Insbesondere dürfen zwei der Resonatorachsen 21-1, 21-2 und 21-3 nicht beide rechtwinklig zur anderen Achse verlaufen, und alle drei Achsen dürfen nicht in derselben Ebene liegen, da bei diesen Kombinationen der Resonatoren eine oder mehrere Orientierungen existieren, die nicht unterschieden werden können. Wenn z. B. zwei der Achsen rechtwinklig zur dritten verlaufen, kehrt eine Drehung um 180° um die dritte Achse die Richtung der zwei anderen Achsen um, und diese zwei Orientierungen unterschieden werden. In ähnlicher Weise kehrt, wenn alle drei Achsen in derselben Ebene liegen, eine Drehung um 180° um die Linie senkrecht auf dieser Ebene, die durch das Zentrum des Resonators verläuft, alle drei Ach sen um, und erneut können diese zwei Orientierungen nicht unterschieden werden.
Wie oben beschrieben, erzeugt jeder Resonator 18 einen Grob-Positionsmesswert in der X- und Y-Richtung (durch Gleichungen 19 und 21 definiert, einen Fein-Positionsmesswert der X- und der Y-Richtung (durch die Gleichungen 20 und 22 definiert) sowie zwei Amplitudenmesswerte (durch die Gleichungen 25 und 26 definiert). Da der Grob-Positionsmesswert nur von der X- und der Y-Koordinate des Resonators abhängt und da alle drei Resonatoren zusammenfallen, erzeugen daher alle drei Resonatoren 18-1, 18-2 und 18-3 denselben Grob-Positionsmesswert. Der Amplitudenmesswert hängt am stärksten von 2 und in gewissem Ausmaß von der Orientierung der Resonatorachse in Bezug auf die Z-Achse ab. Jedoch ist dies keine robuste Quelle für Information für die Orientierung des Resonators, und so werden bei dieser Ausführungsform die Amplituden dieser drei Resonatoren dazu verwendet, Information über die Höhe (Z) der Resonatoren über dem Digitalisiertablett 9 zu liefern. Der Fein-Positionsmesswert für die X- und die Y-Position der Resonatorkombination muss immer noch bestimmt werden, gemeinsam mit drei Parametern, die die vollständige Orientierung der Resonatorkombination definieren. Eine Technik zum Bestimmen dieser Messwerte wird nun beschrieben.
Wenn die Kippwinkel der drei Resonatoren 18-1, 18-2 und 18-3 die Werte α_x und α_y, β_x und β_y bzw. γ_x und γ_y aufweisen, können, wenn Schätzwerte für X und Y angegeben sind (durch die durch die Gleichungen 19 und 21 definierten Grob-Positionsmesswerte gegeben), Schätzwerte für 2α_x und 2α_y, 2β_x und 2β_y, 2γ_x und 2γ_y aus den Fein-Positionsmesswerten berechnet werden. Wenn die Achse eines der Resonatoren 18 in der Richtung des Einheitsvektors u (dx, dy, dz) liegt, gilt: dx = dztanαx (28) dy = dztanαy außerdem gilt, da u ein Einheitsvektor ist, dx² + dy² + dz² = 1, und daher kann der Einheitsvektor u wie folgt definiert werden:
Daher können, wenn Schätzwerte für die Werte X und Y vorliegen (aus den Grob-Positionsmesswerten), die Einheitsvektoren (u, v und w) für die drei Resonatorachsen 21-1, 21-2 und 21-3 berechnet werden. Da für u, v und w jeweils zwei mögliche Richtungen existieren, führt dies zu acht möglichen Kombinationen von Winkeln zwischen den Resonatorachsen, und um die korrekte Kombination zu bestimmen, müssen sie mit den vorab bekannten tatsächlichen Winkeln zwischen den Resonatorachsen verglichen werden. Dies kann unter Verwendung eines Standardmäßigen Minimierungsalgorithmus erfolgen. Wenn z. B. a, b und c die Einheitsvektoren in der Richtung der Achse der nicht verdrehten Resonatorkombination sind, kann der Wert χ2 = (u·v – a·b)2 + (v·w – b·c)2 + (w·u – c·a)2 (30)für jede der acht möglichen Kombinationen von u, v und w berechnet werden, und die Schätzwerte für X und Y können so variiert werden, dass χ² minimiert wird. Die Werte von X und Y, die χ² minimieren, sind die besten Schätzwerte für die Resonatorposition, und die Wahl von u, v und w, durch die dieser Minimalwert geliefert wird, wird die Orientierung der Resonatorkombination spezifiziert. Obwohl es aus der Gleichung 30 nicht erkennbar ist, garantiert die Verwendung eines Resonatortriplets, das keine der oben erörterten zwei mehrdeutigen Konfiguration bildet, das χ² nur für eine Wahlmöglichkeit von u, v und w minimal ist. Es ist möglich, dass andere Werte von X und Y außer den Resonatorkoordinaten existieren, für die χ² ein örtliches Minimum erreicht, jedoch gewährleistet das Starten des Minimierungsalgorithmus mit den Schätzwerten von X und Y, wie sie aus den Grob-Positionsmesswerten hergeleitet wurden, dass diese örtlichen Minima vermieden werden.
In der 18 ist eine alternative Resonatorkombination veranschaulicht, die vollständige Orientierungsinformation für die Resonatorkombination liefern kann. Wie dargestellt, verfügt diese Resonatorkombination über ein Paar von Resonatoren, die um einen festen (bekannten) Abstand voneinander getrennt sind. In diesem Fall dürfen, damit die Orientierung der Kombination unzweideutig ist, die Achsen 21-5 und 21-6 der zwei Resonatoren 18-5 und 18-6 nicht parallel oder rechtwinklig zur Linie 131 verlaufen, die ihre Mittelpunkte 133 und 135 verbindet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, existiert eine Drehung um die Linie 131, die beide Achsen aufrechterhält oder umkehrt, und diese zwei Orientierungen können nicht unterschieden werden. Zusätzlich müssen die in den Sensorwicklungen dieser zwei Resonatoren 18-5 und 18-6 erzeugten Signale voneinander unterscheidbar sein. Dies wird am einfachsten unter Verwendung von Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen erzielt.
Wie beim unter Bezugnahme auf die 17 erörterten Resonatortriplet können die X- und die Y-Grobposition der Kombination aus dem Grob-Positionsmesswert von einem der Resonatoren (oder als Mittelwert ihrer X- und Y-Grobposition) unter Verwendung der Gleichungen 19 und 20 berechnet werden. In ähnlicher Weise kann die Z-Position der Resonatorkombination aus den Amplitudenmesswerten von einem der Resonatoren (oder erneut aus einem geeigneten Mittelwert der Amplituden der Signale von den zwei Resonatoren) berechnet werden. Dann muss noch der Messwert für die X- und die Y-Feinposition und die Orientierung der Kombination bestimmt werden. Um dies zu bewerkstelligen, muss aus den Grob-Positionsmesswerten mehr Information entnommen werden. Da z. B. die Grob-Positionsmesswerte die X- und die Y-Position der zwei Resonatoren 15-5 und 18-6 anzeigen, zeigt die Differenz zwischen den zwei Grobpositionen dementsprechend die Richtung der Linie 131 in der XY-Ebene, d. h. die Orientierung Θ, der Resonatorkombination an. Ferner existieren, da der Abstand zwischen den Zentren 132 und 135 der Resonatoren 18-5 und 18-6 bekannt ist, nur zwei mögliche Richtungen für die Linien 131, abhängig davon, ob der Resonator 18-5 oder 18-6 höher ist. Daher wird durch Vergleichen der Amplitudenwerte der zwei Resonatoren ermittelt, welcher Resonator höher liegt, und daher wird die Richtung der Linie 131 bestimmt. Dadurch wird die Gesamtorientierung der Resonatorkombination, mit Ausnahme der Drehung um die Linie 131, definiert. Wie im Fall des Resonatortriplets können dieser letzte Rotationsmesswert sowie der Fein-Positionsmesswert für die X- und die Y-Position unter Verwendung einer standardmäßigen Minimierungstechnik ermittelt werden.
Wie es der Fachmann erkennt, ist die Verwendung einer Kombination mit zwei Resonatoren gegenüber einer Resonatortriplet-Kombination bei einem System von Vorteil, bei dem mehrere verschiedene Objekte relativ zum Digitalisiertablett zu verfolgen sind, und insbesondere dann, wenn die Bandbreite für die Betriebsfrequenz beschränkt ist. Jedoch leiden diese zwei Resonatorausführungsformen unter dem Problem, dass zur Herleitung der Fein-Positionsparameter die Verwendung von Grob-Positionsmesswerten und von Amplitudenmesswerten gehört, was die Gesamtgenauigkeit des Systems in Frage stellen kann.
Nun wird gemeinsam mit einer Anzahl alternativer Anwendungen eine Anzahl von Modifizierungen beschrieben, die an den obigen Digitalisiersystemen vorgenommen werden können.
Bei den obigen Ausführungsformen wurden periodische Wicklungen mit einer ersten Periode dazu verwendet, den Resonator zu erregen, und periodische Wicklungen mit einer zweiten, anderen Periode wurden dazu verwendet, das vom Resonator erzeugte Signal zu empfangen. Die 19 veranschaulicht schematisch die Form eines Digitalisiertabletts 9 mit denselben Wicklungen (die allgemein durch die Bezugszahl 161 gekennzeichnet sind) wie bei den Digitalisiertabletts der 1 und 14, gemeinsam mit einer getrennten Erregerwicklung 151, die um den Umfang der Wicklungen 161 herum angebracht ist. Wie dargestellt, ist bei dieser Ausführungsform die Erregerwicklung 151 zweimal um die anderen Wicklungen 161 herumgewickelt.
Der allgemeine Betrieb dieser Ausführungsform ist dem der obigen Ausführungsform ähnlich. Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform ein Erregungssignal an die Wicklungen 151 gelegt, die einen innerhalb des Stifts 11 liegenden Resonator mit Energie versorgt und dafür sorgt, dass dieser in Resonanz gerät, wodurch wiederum Signale in jeder der Wicklungen 161 induziert werden. Bei dieser Ausführungsform werden die Signale verwendet, die in allen acht Wicklungen induziert werden. Es kann gezeigt werden, dass die in den vier Wicklungen, die zum Bestimmen der X-Position verwendet werden (d. h. die sin-A-, die cos-A-, die sin-B- und die cos-B-Wicklung) induzierten Signale die folgende Form aufweisen:
Dabei ist A₀ ein Kopplungsfaktor zwischen der Sendewicklung 151 und dem Resonator. Wenn der Arkustangens des Verhältnisses dieser Signale gebildet wird, ergibt sich ein Messwert entsprechend ω_Ax + Φ_x – α_x und ω_Bx + Φ_x– α_x. Ähnliche Messwerte werden auch durch die sin-C-, die cos-C-, die sin-D- und die cos-D-Wicklung zur Verwendung beim Bestimmen der Y-Position geliefert. Wenn die Summe und die Differenz der Arkustangenswerte für jedes der Signale für die X- und die Y-Richtung gebildet werden, ergeben sich Grob-Positionsmesswerte und Fein-Positionsmesswerte, die, wie zuvor, durch die Gleichungen 19 bis 22 definiert sind. Die X- und die Y-Position sowie die Orientierung des Resonators können daher auf dieselbe Weise wie zuvor hergeleitet werden. Jedoch hängt bei dieser Ausführungsform die Gesamtamplitude der in den acht Empfangswicklungen induzierten Signale vom Kopplungsfaktor A₀ zwischen der Sendewicklung 151 und dem Resonator, der eine Funktion der Position und der Orientierung des Resonators ist. Da jedoch die Orientierung und die X- und die Y-Position des Resonators berechnet werden müssen, können diese mit den Amplitudenwerten und dem bekannten Feldmuster der Sendewicklung 151 am Umfang kombiniert werden, um die Höhe (Z) des Resonators über dem Digitalisiertablett 11 zu bestimmen. Bei einer einfachen Sendewicklung, wie der in der 19 dargestellten, ist das durch Energieversorgung der Sendewicklung erzeugte Magnetfeldmuster im Wesentlichen über den Betriebsbereich gleichmäßig, so dass A₀ nur von der Orientierung des Resonators abhängt, was die Bestimmung von Z vereinfacht.
Bei den obigen Ausführungsformen verfügen die zum Erfassen des durch den mit Energie versorgten Resonator erzeugten Signals verwendeten Wicklungen über mehrere leitende Schleifen mit abwechselndem Sinn. Wie oben erörtert, ist dieser Wicklungstyp von Vorteil, da er relativ unempfindlich auf elektromagnetische Interferenz ist und selbst nicht viel Störung bei anderen elektronischen Schaltungen verursacht. Jedoch ist die Verwendung derartiger Wicklungen nicht wesentlich. Wesentlich ist es, dass die Wicklung ein Magnetfeld erzeugt, das auf vorbestimmte Weise, vorzugsweise sinusförmig, variiert. Die 20a veranschaulicht die Form einer alternativen Wicklung, wie sie verwendbar ist. Die periodische Wicklung 171 verfügt über zehn Perioden abwechselnder Wicklungen. Durch Betrachten des durch den in der Wicklung 171 fließenden Strom erzeugten Magnetfelds kann gezeigt werden, dass sowohl die Z- als auch die X-Komponente des durch Magnetfelds, wie es von dieser Wicklung erzeugt wird, wenn sie mit Energie versorgt wird, sinusförmig auf ähnliche Weise wie das Magnetfeld variiert, das durch die in der 4 dargestellten Wicklungen erzeugt wird. Daher kann diese Wicklung an Stelle einer der in der 4 dargestellten Wicklungen verwendet werden, jedoch ist es wahrscheinlicher eine aus einem Satz ähnlicher Wicklungen zu bilden. Jedoch ist die Verwendung der Wicklung 171 nicht bevorzugt, da elektromagnetische Störungen aus dem Hintergrund in die Wicklung koppeln und Fehler in den Ausgangssignalen erzeugen. Die 20b veranschaulicht die Form einer anderen, alternativen Wicklung 171, die verwendbar ist. Wie dargestellt, besteht die Wicklung 172 aus im Wesentlichen dreieckigen Schleifen, die sich von ihren Enden her zum zentralen Überschneidungspunkt verengen. Diese Wicklungsform ist so ausgebildet, dass das Ausgangssignal in der Messrichtung (d. h. in der X-Richtung) ungefähr linear abhängig von der Position und der Orientierung des Stifts variiert. Durch Berücksichtigen der Ausgangssignale dieser Wicklung und des Ausgangssignals z. B. einer anderen, ähnlichen Wicklung mit einer ähnlichen Verengungsrate der Schleifen, können die Position und die Orientierung bestimmt werden. Um die Orientierung des Stifts bei dieser Orientierung bestimmten zu können, wäre eine ähnliche Wicklung erforderlich, die z. B. über eine andere Verjüngung verfügt, so dass die Signale jeweils auf andere lineare Weise variieren.
Bei den obigen Ausführungsformen sind ein Resonator oder mehrere im Stift oder Spielzeugauto vorhanden. Die verwendeten Resonatoren verfügen über eine Induktionsspule und einen Kondensator. Es können andere Resonatorformen verwendet werden, wie magnetostriktive Resonatoren, Keramikresonatoren oder eine beliebige Kombination derselben. Die Verwendung von Resonatoren ist bei den meisten Anwendungen bevorzugt, da der Stift und das Spielzeugauto passiv sein können und die durch Resonatoren erzeugten Ausgangssignale viel größer sind als diejenigen, wie sie z. B. durch leitende Abschirmungen oder Kurzschlussspulen erzeugt werden. Zusätzlich erlauben Resonatoren die Verwendung einer Impulsecho-Abfragetechnik, wie der oben beschriebenen, die Interferenzen verringert, die durch direkte Kopplung zwischen dem Erregerwicklung und den Empfangswicklungen hervorgerufen werden. Selbst wenn jedoch die Signale an den Empfangswicklungen gleichzeitig mit der Erregung der Erregerwicklung verarbeitet werden, kann das Signal vom Resonator vom Signal von der Erregerwicklung unterschieden werden, da sie um 90° phasenverschoben sind. Dasselbe ist bei einer leitenden Abschirmung oder einer Kurzschlussspule nicht der Fall. Jedoch könnte ein System unter Verwendung leitender Abschirmungen oder von Kurzschlussspulen theoretisch verwendet werden. Jedoch kann es bei derartigen Ausführungsformen schwierig sein, die volle Orientierungsinformation herzuleiten, da es schwierig ist, verschiedene Kombinationen von Kurzschlussspulen und Kombinationen leitender Abschirmungen zu konzipieren, die voneinander unterscheidbare Signale erzeugen.
Eine alternative Möglichkeit an Stelle eines Resonators ist die Verwendung einer oder mehrerer mit Energie versorgter Spulen. Die Spulen können durch eine Batterie betrieben werden, die sich z. B. innerhalb des Stifts befindet. Bei einer derartigen Ausführungsform würde der Stift auch über einen Ortsoszillator zum Erzeugen eines Treibersignals zum Anlegen an die Spule verfügen. Wenn mehr als eine Spule vorhanden ist, wäre ein Signalgenerator erforderlich, um die verschiedenen Ansteuersignale für die verschiedenen Spulen zu erzeugen, so dass die durch die verschiedenen Spulen in den Wicklungen des Digitalisiertabletts erzeugten Signale unterschieden werden können.
Bei den obigen Ausführungsformen war ein einzelnes Objekt vorhanden, das relativ zum Digitalisiertablett beweglich war. Die 21 ist eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung verkörpernden elektronischen Schachspiels 175. Das elektronische Schachspiel verfügt über ein Digitalisiertablett 9 (das dasselbe wie das bei der unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Ausführungsform verwendete Digitalisiertablett ist), das dazu verwendet wird, die Position und die Orientierung der auf dem Schachbrett befindlichen Spielsteine 177 zu erfassen. Um zwischen den Signalen von jedem der verschiedenen Spielsteine 177 zu unterscheiden, trägt jeder Stein 177 einen Resonator mit einer anderen Resonanzfrequenz. Da sich in einem Schachspiel 32 Steine befinden, beinhaltet dies die Verwendung von 32 verschiedenen Resonanzfrequenzen. Wenn die verfügbare Bandbreite begrenzt ist, können die verwendeten Resonatoren einen Keramikresonator in Reihe mit der Spule und dem Kondensator enthalten, um die Frequenztrennung zwischen den Signalen von den verschiedenen Resonatoren zu verbessern. Bei dieser Ausführungsform muss die Verarbeitungselektronik für eine Energieversorgung und eine Verarbeitung der Signale von jedem Spielstein sorgen. Dies wird vorzugsweise sequenziell ausgeführt, jedoch kann es gleichzeitig ausgeführt werden, wenn mehrere Verarbeitungskanäle verwendet werden.
Um ein geeignetes Energieversorgungssignal sequenziell an die Erregerwicklungen anzulegen, ist ein digitaler Signalgenerator erforderlich, der auf alle interessierenden Resonanzfrequenzen abgestimmt werden kann. Es ist eine kontinuierliche Abstimmsteuerung um diese interessierenden Frequenzen herum wünschenswert, um es dem Computersteuersystem (nicht dargestellt) zu ermöglichen, die Frequenz und demgemäß die Signalpegel selbst dann zu optimieren, wenn schlecht abgestimmte Resonatoren vorhanden sind. Dies ermöglicht es, nicht abgestimmte (billige) Resonatoren mit hohen Q-Faktoren zu verwenden. Um die Signalepegel zu maximieren, kann der Computer die Frequenz des Energieversorgungssignals variieren, um maximale Signalpegel zu erzielen. Er kann auch sowohl die in Phase liegenden als auch die quadraturphasen-Rückkehrsignale vom Resonator erfassen, um die Rückkehrphase des Signals zu ermitteln und sie mit dem optimalen Wert auszurichten. Diese Steuerung der Phase, der Frequenz und der Amplitude der Erregungssignale kann z. B. unter Verwendung eines feldprogrammierbaren Logikzellenarrays bewerkstelligt werden.
Die Grenze der Anzahl von Spielsteinen, die verfolgt werden können, ist alleine durch die Verfügbarkeit der verschiedenen Resonatorfrequenzwerte bestimmt, wobei der Q-Wert der Resonatoren und geeignete Abstände zwischen diesen Frequenzen, um Übersprechen zwischen verfolgten Resonatoren zu vermeiden, vorgegeben sind. In der Praxis können Resonatoren leicht mit Inkrementen von 100 kHz von 100 kHz bis 10 MHz erhalten werden, was zur Möglichkeit bis zu 100 eindeutig verfolgbaren Resonatoren führt, wobei die Q-Werte dergestalt sind, dass +/– 10 kHz für ausreichende Trennung zwischen Kanälen sorgen. Bei dieser Ausführungsform benötigt es ungefähr 4 ms, um die Position eines Spielsteins zu bestimmen. Daher erfordert es 128 ms, um die aktuelle Position aller 32 Steine des Schachspiels zu bestimmen, was ein dynamisches Verfolgen der Steine erlaubt.
Die 22 veranschaulicht schematisch den Schnitt eines der Spielsteine 177 des Schachspiels. Wie dargestellt, ist bei dieser Ausführungsform ein Resonator 18-7 mit einer Achse rechtwinklig zur Basis 171 vorhanden. Dies gewährleistet, dass dann, wenn sich der Stein auf dem Spielbrett befindet, die Achse 21-7 des Resonators in die Z-Richtung zeigt. Bei einem alternativen Spiel, wie einem Fußballspiel, bei dem die Orientierung jedes Spielsteins für das Spiel relevant ist, kann jeder Spielstein 177 eine Resonatorkombination mit zwei oder mehr Resonatoren, wie denen, wie sie in den 17 oder 18 dargestellt sind, tragen, woraus die vollständige Orientierung des Steins zusätzlich zu seiner aktuellen Position relativ zum Digitalisiertablett unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken bestimmt werden kann.
Wie es der Fachmann erkennt, können einige Ausführungsformen der Erfindung bei einem Virtual-Reality-System verwendet werden, z. B. bei Verfolgen der Bewegungen eines 6D-Joysticks. Typischerweise nutzen derartige Systeme eine magnetische Wechselspannungskopplung zum Verfolgen der Position von Objekten. Das oben beschriebene Digitalisiertablettsystem kann dazu verwendet werden, diese Funktion billiger und mit einem zweckdienlicheren planaren Satz von Empfangswicklungen nachzuahmen. Jedoch werden, da dieser Ausführungsformtyp dazu in der Lage sein muss, bei relativ großen Abständen zwischen dem Joystick und dem Digitalisiertablett zu arbeiten, und da die Genauigkeit kein Schlüsselmerkmal ist, vorzugsweise Wicklungen mit einer einzelnen Periode über das Messgebiet verwendet (da das Abfallen des Magnetfelds umgekehrt proportional zur Ganghöhe der Wicklungen ist). Bei derartigen Anwendungen können, an Stelle des in den 17 und 18 veranschaulich ten Designs mit zwei oder drei Resonatoren, drei Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen verwendet werden, die an verschiedenen Positionen am Joystick platziert werden. Dann kann eine Verdrehung des Joysticks rechtwinklig zum Digitalisiertablett aus den Relativpositionen von drei Resonatoren berechnet werden, und die Stampf- und Gierbewegung des Joysticks können aus den relativen Höhen der Resonatoren über dem Digitalisiertablett berechnet werden. Eine Kalibrierung für die Werte null des Stampfens und Gierens kann durch vertikales Halten des Joysticks ausgeführt werden. Bei einer derartigen Anwendung wird der Joystick vorzugsweise entweder durch eine Batterie oder durch eine direkte Verbindung mit der Verarbeitungselektronik mit Energie versorgt, da dies den erzielbaren Bereich erhöht, elektromagnetische Emission beschränkt und genaue Berechnungen zum Abstand, zum Stampfen und Gieren auf Grundlage alleine von Signalpegeln ohne Rückgriff auf Verhältnisse ermöglicht.
Eine weitere Anwendung dieses Positionscodierertyps besteht im Bereitstellen einer Positionsrückmeldungsmessung in einem magnetischen Anhebesystem. Bei einer derartigen Anwendung sind ausgeglichene Wicklungen der in der 4 dargestellten Form wesentlich, da derartige Anhebesysteme große Wechsel- und Gleich-Magnetfelder verwenden, die mit den Wicklungen wechselwirken würden, wenn sie nicht ausgeglichen würden, d. h., wenn sie nicht eine gleiche Anzahl von Schleifen mit abwechselndem Sinn enthalten würden. Um die elektronische Verarbeitung bei dieser Ausführungsform (und bei jeder der anderen Ausführungsformen) zu beschleunigen, könnten die Signale von jeder der Sensorspulen (sin-B, cos-B, sin-D und cos-D) gleichzeitig durch ihren eigenen Verarbeitungskanal erfasst werden, statt unter Verwendung der in der 5 veranschaulichten Vorgehensweise mit Zeitmultiplex. Jedoch erhöht dies die Kompliziertheit und die Kosten der Verarbeitungselektronik, und dies ist nur dann günstig, wenn es wesentlich ist, die Positionsmesswerte schnell zu erhalten.
Die 23 veranschaulicht eine weitere, die Erfindung verkörpernde Anwendung des XY-Digitalisiersystems. Insbesondere ist die 23 eine perspektivische Ansicht eines PC 181, bei dem, hinter seinem Flüssigkristalldisplay 183, ein Satz von Wicklungen zum Bestimmen der X- und der Y-Position eines Stifts 11 relativ zum LCD 183 eingebettet ist. Bei dieser Ausführungsform werden ausgeglichene Wicklungen verwendet, da diese gegen elektromagnetische Interferenz relativ immun sind und da sie für wenig Wechselwirkung mit anderen Schaltungen sorgen, so dass sie hinter dem Flüssigkristalldisplay positioniert werden können, ohne dessen Betrieb zu beeinflus sen. Existierende Displaysysteme mit der Fähigkeit eines Berührungstabletts nutzen feine Spulen, die auf die Oberfläche des Displays aufgedruckt sind. Dies weisen einen hohen Widerstand auf und leiden daher unter demselben Problem wie durch Siebdruck aufgebrachte Farben. Die aufgedruckten Spulen verringern auch die Transparenz des Schirms. Demgegenüber verfügen die Digitalisiererwicklungen über relativ niedrigen Widerstand, und sie können hinter dem Flüssigkristalldisplay platziert werden.
Die 24 zeigt eine Schnittansicht des in der 23 dargestellten Flüssigkristalldisplays 183 entlang der Linie S-S. Wie dargestellt, verfügt das Display über eine obere Schutzschicht 191 über der Flüssigkristallschicht 192, die zwischen zwei Schichten von Elektroden 193 und 195 eingebettet ist. Hinter der unteren Schicht 195 von Elektroden ist eine Isolierschicht 197 vorhanden, um die Elektrodenschicht elektrisch gegen die Digitalisiererwicklungen 199 abzuschirmen, die zwischen den zwei Hälften 201 und 203 eines Substrats eingebettet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Wicklungen 199 in einer einzelnen Schicht ausgebildet. Um den Effekt irgendwelcher Metallobjekte hinter dem LCD zu verringern, ist hinter der Substratschicht 203 eine Schicht 204 aus magnetisch weichem Material, wie einem Ferritpulver enthaltenden Kautschuk, vorhanden.
Die 25a und 25b veranschaulichen schematisch die Form eines Quadraturpaars von Wicklungen 211 und 213, wie sie bei dieser Ausführungsform verwendet werden. Wie dargestellt, verfügt jede der Wicklungen 211 und 213 über eine einzelne Periode von Schleifen mit abwechselndem Sinn, wobei jede Schleife über vier Windungen eines Leiters verfügt. Durch Erhöhen der Anzahl der Windungen in jeder Schleife werden die von den Wicklungen 211 und 213 ausgegebenen Signalpegel erhöht. Wie bei den unter Bezugnahme auf die 4 beschriebenen Wicklungen, sind die Wicklungen 211 und 213 so konzipiert, dass sie, wenn sie mit Energie versorgt werden, ein Magnetfeld erzeugen, das in der X-Richtung sinusförmig variiert. Außerdem ist der Abstand (in der X-Richtung) zwischen den die Schleifen bildenden Leiterwindungen so ausgebildet, dass versucht ist, räumliche Harmonische höherer Ordnung des oben genannten Felds zu verringern. Die Wicklungen 211 und 213 sind so angeordnet, dass sie sich über das gesamte LCD 183 erstrecken, und bei dieser Ausführungsform erstrecken sie sich über 250 mm in der X-Richtung und über 180 mm in der Y-Richtung. Die Abfallensrate des durch die Wicklung 211 oder 213 erzeugten Magnetfelds ist daher viel kleiner als die Abfallensrate der unter Bezugnahme auf die 4 beschriebenen Wicklungen. Diese Wicklungen können daher dazu verwendet werden, die Position des Stifts über einen größeren Zwischenraum zwischen den Wicklungen und dem Stift zu erfassen.
Zusätzlich zu den zwei Wicklungen 211 und 213 sind zwei weitere Wicklungen, die ein Phasenquadraturpaar bilden, für die Messung in der X-Richtung erforderlich. Diese zwei anderen Wicklungen können z. B. zwei Perioden von Schleifen mit abwechselndem Sinn erhalten, wobei wiederum jede Schleife über vier Windungen verfügt. Zusätzlich sind vier weitere Wicklungen für die Messung in der Y-Richtung erforderlich. Wenn verschiedene Anzahlen von Windungen dazu verwendet werden, jede Wicklung aufzubauen, müssen für die verschiedenen empfangenen Signale verschiedene Verstärkungen oder Gewichtungen angewandt werden, um dies zu kompensieren.
Wie bei der unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Ausführungsform kann der Stift 11 einen Resonator enthalten, der durch die hinter dem LCD liegenden Wicklungen mit Energie versorgt wird. Um jedoch Batterieenergie des PC 181 einzusparen, wird der Stift 11 bei dieser Ausführungsform vorzugsweise durch eine austauschbare Batterie versorgt. Die 26 veranschaulicht einen derartigen mit Energie versorgten Stift 11. Wie dargestellt, verfügt der Stift über eine Batterie 221, einen Oszillatorchip 223, einen Signalverarbeitungschip 225, eine um einen Ferritkern 229 gewundene Spule 227 sowie eine vom Benutzer betätigbare Steuertaste 230. Wie es in der 27 dargestellt ist, erzeugt der Ortsoszillator 223 ein lokales Frequenzsignal, das an den Signalverarbeitungschip 223 gegeben wird, der über einen Signalgenerator 231 und einen Verstärker 233 verfügt. Der Signalgenerator 231 erzeugt ein geeignetes Ansteuersignal zum Anlegen an die Spule 227, und der Verstärker 233 verstärkt dieses Signal vor dem Anlegen an die Spule 227. Wie es in der 27 dargestellt ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers über einen Schalter 235, der durch die in der 26 dargestellte vom Benutzer betätigbare Steuertaste 230 gesteuert wird, an die Spule 227 gelegt. Unter Verwendung des oben beschriebenen Stifts mit z. B. einer AAA-Alkalibatterie kann eine Betriebslebensdauer von ungefähr 1000 Stunden erzielt werden.
Bei den obigen Ausführungsformen sind zweidimensionale XY-Digitalisiersysteme beschrieben. Einige Gesichtspunkte der Erfindung sind jedoch nicht auf zweidimensionale Positionscodierer beschränkt. Insbesondere können einige Merkmale der Erfindung in einer eindimensionalen linearen Positionscodierer oder einen Positions-Winkelcodierer eingebaut werden. Die 28a veranschaulicht die Form eines eindimensionalen linearen Positionscodierers 251, der die Erfindung verkörpert. Der Codierer verfügt über einen Träger 253, der vier gesonderte Wicklungen 254-1, 254-2, 254-3 und 254-4 trägt, die mit einer Erregungs- und Verarbeitungsschaltung 255 verbunden sind. Der Codieren wird dazu verwendet, die Position eines Resonanzkreises 257 zu bestimmen, der in der X-Richtung verstellbar ist, wie es durch einen Pfeil 259 mit zwei Köpfen repräsentiert ist.
Wie es in den 28b bis 28e dargestellt ist, besteht jede der Wicklungen 254 aus im Wesentlichen sechseckig geformten Schleifen, wobei benachbarte Schleifen in abwechselndem Sinn gewickelt sind. Wie dargestellt, bildet die Wicklungen 254-1 und 254-2 gemeinsam ein Phasenquadraturpaar und sie verfügen über fünf Perioden (λ₃), die sich über den Messbereich erstrecken. In ähnlicher Weise bilden auch die Wicklungen 254-3 und 254-4 ein Phasenquadraturpaar, jedoch erstrecken sich diese Wicklungen über sechs Perioden (λ₄) über den Messbereich. Die Form der Wicklungen 254 ist so ausgebildet, dass das durch ein an sie gelegtes Erregungssignal erzeugtes Magnetfeld sinusförmig mit der Position entlang der X-Richtung variiert. Bei dieser Ausführungsform werden die Wicklungen 254-3 und 254-4 durch die Erregungs- und Verarbeitungsschaltungen 255 mit Energie versorgt, und die durch den Resonator 257 in den Wicklungen 254-1 und 254-2 induzierten Signale werden verarbeitet, um die Resonatorposition in der X-Richtung zu entnehmen. Zusätzlich zur X-Position des Resonators kann ein Schätzwert für die Verkippung des Resonators in der XZ-Ebene, d. h. α_x, unter Verwendung der Grob-Positionsmessphase und der Fein-Positionsmessphase aus der obigen Gleichung 20 hergeleitet werden. Außerdem ist es möglich, einen groben Schätzwert für die Höhe des Resonators 257 über der Ebene des Trägers 253 zu erhalten. Da jedoch diese Höhe auch von der Gesamtorientierung des Resonators 257 abhängt, hängt die Genauigkeit der abgeschätzten Höhe vom Ausmaß der Verkippung des Resonators 257 in der YZ-Ebene ab (die aus den bei dieser Ausführungsform erhaltenen Messwerten nicht bestimmt werden kann).
Bei den obigen Ausführungsformen sind zwei Phasenquadraturpaare von Wicklungen dazu verwendet, die Position eines Objekts in der zu messenden Richtungen zu bestimmen, und die Anzahl der Perioden eines Paars von Quadraturwicklungen ist um eins kleiner als die Anzahl der Perioden im anderen Paar von Quadraturwicklungen. Durch diese Konfiguration liefert die Grob-Positionsmessphase über die gesamte aktive Länge des Digitalisiertabletts einen absoluten Positionsmesswert für das Objekt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Anzahl der Perioden in jedem der Paaren von Quadraturwicklungen um mehr als 1 differieren, in welchem Fall der Grob-Positions messwert keinen absoluten Messwert für die Position des Objekts liefert. Wenn ein absoluter Positionsmesswert benötigt wird, kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass eine Ausgangsposition definiert wird, gegenüber der das Objekt registriert werden kann, um eine Anfangsposition zu erhalten, wobei dann ein absoluter Positionsmesswert dadurch erhalten wird, dass das Objekt verfolgt wird, wenn es über die Messfläche bewegt wird. Jedoch ist diese Ausführungsform nicht bevorzugt, da die Absolutposition des Objekts beim Abschalten der Spannung verloren geht, und auch dann, wenn das Objekt vollständig aus dem Erfassungsbereich der Wicklungen entfernt wird.
Eine alternative Lösung besteht darin, einen dritten Satz von Quadraturwicklungen bereitzustellen, erneut mit anderer Ganghöhe im Vergleich zu den Wicklungen der anderen zwei Sätze, woraus es möglich ist, eine Berechnung vom Verniertyp auszuführen, um die Absolutposition des Objekts herzuleiten. Außerdem können bei dieser Ausführungsform, wenn vom Objekt ein einzelner Resonator getragen wird, die in den drei Sätzen von Wicklungen induzierten Signale dazu verwendet werden, die Genauigkeit des Grob-Positionsmesswerts zu erhöhen. Zum Beispiel können, wenn eine Wicklung mit zehn Perioden, eine Wicklung mit sieben Perioden und eine Wicklung mit vier Perioden bereit gestellt werden, (i) die Signale von den Wicklungen mit zehn und mit sieben Perioden kombiniert werden, um einen Grob-Positionsmesswert zu liefern, der abhängig von der Kippung des Stifts nicht variiert, der aber linear dreimal zwischen –π und π über den Messbereich hinweg variiert; (ii) es können die Signale von den Wicklungen mit zehn und vier Perioden kombiniert werden, um einen Grob-Positionsmesswert zu liefern, der nicht abhängig von der Kippung des Stifts variiert, jedoch linear über den Messbereich sieben mal zwischen –π und π variiert; und (iii) es können diese zwei Grob-Positionsmesswerte bei einer Berechnung vom Verniertyp dazu verwendet werden, die Position des Stifts in der Messrichtung genauer zu bestimmen.
Bei den obigen Ausführungsformen wurde die Höhe des Stifts über dem Digitalisiertablett aus den Amplitudenwerten der in den Empfangswicklungen induzierten Signale ermittelt. Diese Messung ist jedoch für Fehler auf Grund einer Variation der Resonanzfrequenz und des Q-Werts des Resonators sowie auf Grund von Temperatureffekten in der Verfolgungs- und Verarbeitungselektronik (wodurch der konstante Wert A in der Gleichung 39 beeinflusst wird) anfällig. Da jedoch dieser Fehler denselben Versatz. in der Amplitude der von den verschiedenen Empfangswicklungen empfangenen Signale hervorrufen, kann die Höhe des Stifts über dem Empfangswicklung dadurch genauer berechnet werden, dass Relativamplituden von Signalen verwendet werden, deren Signalvariation abhängig vom Zwischenraum verschieden ist. Anders gesagt, dadurch, dass die Relativamplituden von Signalen verwendet werden, die von Wicklungen mit verschiedenen Perioden empfangen werden. Genauer gesagt, kann bei der Ausführungsform, die eine am Umfang angebrachte Erregerwicklung verwendet, die Höhe (Z) des Stifts über dem Digitalisiertablett dadurch ermittelt werden, dass das Verhältnis der Amplituden der in den Empfangswicklungen mit verschiedenen Perioden empfangenen Signale verwendet wird. Bei der ersten Ausführungsform, bei der eine Erregerwicklung mit einer ersten Periode und eine Empfangswicklung mit einer zweiten, anderen Periode verwendet wird, ist es jedoch nicht möglich, einen derartigen Relativamplitudenterm ebenso einfach zu ermitteln. Bei einer derartigen Ausführungsform wären drei Sätze periodischer Wicklungen erforderlich, jeder mit anderer Periode. Die Signale von zwei Sätzen von Wicklungen können dazu verwendet werden, einen ersten Amplitudenwert (aus der Gleichung 25) zu bestimmen, und die von einem dieser zwei Sätze von Wicklungen und dem dritten Satz von Wicklungen empfangenen Signale können dazu verwendet werden, einen zweiten Amplitudenwert zu liefern. Das Verhältnis dieser zwei Amplitudenwerte liefert einen Hinweis auf die Höhe (Z) des Stifts über dem Digitalisiertablett, der durch Fehler unbeeinflusst bleibt, die durch eine Variation der Resonanzfrequenz des Resonators und die Temperatureffekte der Verfolgungs- und Verarbeitungselektronik unbeeinflusst bleibt, vorausgesetzt, dass die Differenz zwischen den Periodenanzahlen der Wicklungen, die dazu verwendet werden, die Amplitudenmesswerte zu liefern, nicht gleich ist.
Bei den obigen Ausführungsformen wurden die Wicklungen um einen isolierenden Wicklungskern gewickelt und dann zwischen zwei Hälften einer Substratschicht eingebettet. Bei einer alternativen Ausführungsform könnten die Drähte auf das Substrat gebondet werden, während sie mit der erforderlichen Konfiguration gewunden werden. Das Bonden kann dadurch bewerkstelligt werden, dass z. B. Ultraschallenergie auf den Draht angewandt wird, wodurch das Substrat schmilzt und anschließend eine Verbindung mit dem Draht hergestellt wird, wenn es abkühlt.
Bei den obigen Ausführungsformen wurden die Signale von den Quadratursätzen von Wicklungen verwendet, und Phasenmesswerte wurden durch Ausführen einer Arkustangens-Berechnung erhalten. Es ist möglich, die Phaseninformation den empfangenen Signalen zu entnehmen, ohne eine derartige Argustangens-Funktion auszuführen. Die Anmelderin hat in der früheren internationalen Anmeldung WO98/00921 eine Technik zum Entnehmen der Phaseninformation und zum Wandeln derselben in eine zeitlich variierende Phase offenbart. Eine ähnliche Verarbeitungstechnik könnte dazu verwendet werden, die Phaseninformation zu entnehmen, aus der die Relativposition des Stifts und des Digitalisiertabletts gemeinsam mit der Relativorientierung bestimmt werden kann.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen wurden Phasenquadraturwicklungen verwendet. Dies, da die Amplitude der empfangenen Signale (die sinusförmig abhängig von der X- oder Y-Position variieren) mit der Höhe (Z) des Stifts über den Wicklungen variiert, weswegen diese Amplitudenvariation abhängig von der Höhe durch Bilden des Verhältnisses der Quadratursignale beseitigt werden kann und die positionsmäßig variierende Phase aus einer unkomplizierten Argustangens-Funktion bestimmt werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform können zwei Wicklungen verwendet werden, die in der Messrichtung relativ gegeneinander versetzt sind. Jedoch ist diese Ausführungsform nicht bevorzugt, da eine kompliziertere Verarbeitung ausgeführt werden muss, um die positionsmäßig variierende Phasen zu entnehmen. Noch alternativ können drei Wicklungen verwendet werden, die jeweils um ein Sechstel der Windungsganghöhe relativ gegeneinander versetzt sind, und dies kann insbesondere zum Regenerieren der Quadraturausgangssignale verwendet werden. Zusätzlich ist bei einer Ausführungsform, bei der z. B. der Stift auf einer festen Höhe über den Wicklungen liegt, das Anbringen der zweiten oder dritten versetzten Wicklung nicht wesentlich, da die Amplitude der sinusförmigen Variation nicht variiert. Daher kann die Positionsinformation unter Verwendung der Ausgangssignale der Wicklungen mit verschiedenen Perioden bestimmt werden.
Bei den obigen zweidimensionalen Ausführungsformen sind die zum Bestimmen der X- und der Y-Position sowie der Orientierung verwendeten Wicklungen in zueinander orthogonalen Richtungen ausgebildet. Dies ist nicht wesentlich. Alles was bei diesen Ausführungsformen erforderlich ist, ist es, dass zwei Gruppen von Wicklungen existieren, die die Position und die Orientierung in zwei verschiedenen Richtungen messen, woraus die X- und die Y-Position bestimmt werden können und woraus die Orientierung bestimmt werden kann.
Bei der ersten Ausführungsform sind Wicklungen mit fünf und sechs Perioden verwendet. Die Anzahl der verwendeten Perioden entspricht einer Designwahl, und es kann eine Abänderung zum Optimieren der Auflösung, der Genauigkeit und des Bereichs des Systems erfolgen. Die Auflösung und die Genauigkeit können durch mehr Perioden verbessert werden (bis zu einer Grenze), jedoch beträgt der praktische Betriebsbereich typischerweise ein Drittel der Gang höhe der Wicklungen. Daher beträgt bei der ersten Ausführungsform mit sechs Perioden über eine aktive Länge von 300 mm der maximale praktische Betriebsbereich ungefähr 17 mm.

Claims

Positionsdetektor mit: einem ersten und einem zweiten relativ bewegbaren Element (11, 9), wobei das erste Element (11) einen Magnetfeldgenerator (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist und das zweite Element (9) eine erste und eine zweite Leiterbahn. (31, 33) aufweist, die induktiv an den Magnetfeldgenerator (18) gekoppelt sind, und wobei die erste Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer ersten charakteristischen Dimension längs eines Meßpfads verläuft und die zweite Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer zweiten verschiedenen charakteristischen Dimension längs des Meßpfads verläuft, wodurch in Reaktion auf ein durch den Magnetfeldgenerator (18) erzeugtes Magnetfeld ein erstes Signal in einer ersten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der ersten Leiterbahn (31) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert, und ein zweites verschiedenes Signal in einer zweiten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der zweiten Leiterbahn (33) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert; und einer Einrichtung (61) zum Verarbeiten des ersten und des zweiten Signals, um die relative Position der zwei relativ bewegbaren Elemente zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (61) ferner eine Einrichtung zum Bestimmen der relativen Orientierung der zwei Elemente unter Verwendung des ersten und des zweiten Signals und einer Beziehung zwischen den zugehörigen charakteristischen Dimensionen der geometrischen Variation der zwei Leiterbahnen aufweist.
Positionsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Leiterbahnen (31, 33) und der Magnetfeldgenerator (18) so angeordnet sind, daß das erste und das zweite Signal im wesentlichen sinusförmig mit der relativen Position der zwei bewegbaren Elemente (11, 9) variieren.
Positionsdetektor nach Anspruch 2, wobei die relative Orientierung der zwei bewegbaren Elemente eine Phasenverschiebung in den sinusförmigen Variationen bewirkt.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Element (9) ferner eine dritte und eine vierte Leiterbahn (33, 34) aufweist, die induktiv an den Magnetfeldgenerator (18) gekoppelt sind, wobei die dritte Leiterbahn (32) in geometrisch verschiedener Weise mit der gleichen charakteristischen Dimension wie die erste Leiterbahn (31) verläuft, die vierte Leiterbahn (34) in geometrisch verschiedener Weise mit der gleichen charakteristischen Dimension wie die zweite Leiterbahn (33) verläuft, die erste und die dritte Leiterbahn (31, 32) relativ zueinander längs des Meßpfads verschoben sind, die zweite und die vierte Leiterbahn (33, 34) relativ zueinander längs des Meßpfads verschoben sind, in Reaktion auf ein von dem Magnetfeldgenerator (18) erzeugtes Magnetfeld ein drittes Signal in einer dritten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der dritten Leiterbahn (32) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert, und ein viertes Signal in einer vierten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der vierten Leiterbahn (34) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert.
Positionsdetektor nach Anspruch 4, wobei die erste und die dritte Leiterbahn (31, 32) in Abstand voneinander längs des Meßpfads angeordnet sind, um ein 90°-Phasenverschiebungspaar zu bilden.
Positionsdetektor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zweite und die vierte Leiterbahn (33, 34) in Abstand voneinander längs des Meßpfads angeordnet sind, um ein 90°-Phasenverschiebungspaar zu bilden.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) zum Verarbeiten des ersten und des zweiten Signals betreibbar ist, um einen ersten, von der relativen Position und Orientierung abhängigen Wert und einen zweiten, verschiedenen, von der relativen Position und Orientierung abhängigen Wert zu liefern, sowie dazu betreibbar ist, die relative Position und Orientierung der zwei Elemente (11, 9) unter Verwendung des ersten und des zweiten Werts und der Beziehung zwischen den zugehörigen charakteristischen Dimensionen der erzeugten Variation der zwei Leiterbahnen (31, 33) zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 7, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die relative Position und Orientierung dadurch zu bestimmen, daß eine gewichtete Kombination des ersten und des zweiten Werts durchgeführt wird, wobei die angewandte Gewichtung von den charakteristischen Dimensionen der geometrischen Variation der zwei Leiterbahnen (31, 33) abhängt.
Positionsdetektor nach Anspruch 7, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die Summe und die Differenz des ersten und des zweiten Werts bei der Bestimmung der relativen Position und Orientierung zu bestimmen.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen in Form eines periodischen Musters gebildet sind und die charakteristische Dimension der jeweiligen Leiterbahn (31, 33) die Ganghöhe des periodischen Musters enthält.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich die Leiterbahnen (172) von ihren Enden zu einem zentralen Kreuzungspunkt enger werdend verjüngen, um eine Anzahl von im wesentlichen dreiecksförmigen Schleifen zu definieren, und wobei die charakteristische Dimension die Verjüngung jeder Leiterbahn enthält.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) zum Verarbeiten des ersten und des zweiten Signals ausgelegt ist, um (i) einen groben Meßwert der relativen Position der zwei Elemente (11, 9) unabhängig von der relativen Orientierung der zwei Elemente (11, 9) und (ii) einen feinen Meßwert der relativen Position der zwei Elemente (11, 9) abhängig von der relativen Orientierung der zwei Elemente zu liefern.
Positionsdetektor nach Anspruch 12, wobei die relative Orientierung eine offensichtliche Verschiebung in dem feinen Meßwert bezüglich des groben Meßwerts bewirkt.
Positionsdetektor nach Anspruch 13, wobei die Verschiebung ungefähr das Doppelte des Winkels der relativen Verkippung zwischen den zwei Elementen (11, 9) längs des Meßpfads beträgt.
Positionsdetektor nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Verkippungswinkel bekannt ist und die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die relative Position der Elemente aus dem feinen Meßwert und dem bekannten Verkippungswinkel zu bestimmen.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldgenerator eine kraftbetriebene Spule (221, 227) aufweist.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Magnetfeldgenerator einen Resonator (18), eine Kurzschlußspule und/oder eine leitfähige Abschirmung enthält.
Positionsdetektor nach Anspruch 17, wobei der Magnetfeldgenerator eine Resonanzschaltung (18) mit Spule und Kondensator aufweist.
Positionsdetektor nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Magnetfeldgenerator einen keramischen Resonator aufweist.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das zweite Element ferner eine Anregungsschaltung (151) zur Energieversorgung des Magnetfeldgenerators aufweist.
Positionsdetektor nach Anspruch 20, wobei die Anregungsschaltung (151) dazu ausgelegt ist, eine im wesentlichen konstante Kopplung mit dem Magnetfeldgenerator über den Meßpfad aufzuweisen.
Positionsdetektor nach Anspruch 21, wobei die erste Empfangsschaltung die erste Leiterbahn (31) und die zweite Empfangsschaltung die zweite Leiterbahn (33) aufweist.
Positionsdetektor nach Anspruch 22, wenn abhängig von Anspruch 4, wobei die dritte Empfangsschaltung die dritte Leiterbahn (32) und die vierte Empfangsschaltung die vierte Leiterbahn (34) aufweist, und wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die Signale aus der ersten und der dritten Empfangsschaltung zu kombinieren und die Signale aus der zweiten und der vierten Empfangsschaltung zu kombinieren, um die Positions- und Orientierungsinformationen abzuleiten.
Positionsdetektor nach Anspruch 23, wobei jeder der Empfangsschaltungen sinusförmig mit der relativen Position längs des Meßpfads variiert und die Spitzenamplitude der sinusförmigen Variation in Abhängigkeit von dem Zwischenraum zwischen dem Magnetfeldgenerator (18) und den Leiterbahnen (31, 33) variiert, und wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die Signale aus der ersten und der dritten Empfangsschaltung zu kombinieren und/oder die Signale aus der zweiten und der vierten Empfangsschaltung zu kombinieren, um eine Wertangabe des Zwischenraums zwischen dem ersten und dem zweiten Element (11, 9) zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die Positionsinformation zu gewinnen, indem ein ratiometrischer Arkustangens der Meßwerte bestimmt wird, die aus den in der ersten und der dritten Empfangsschaltung empfangenen Signalen abgeleitet wurden, sowie der Meßwerte, die aus den in der zweiten und der vierten Empfangsschaltung empfangenen Signalen abgeleitet wurden.
Positionsdetektor nach Anspruch 25, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die aus den Signalen von der ersten und der dritten Empfangsschaltung gewonnene Positionsinformation und die aus den Signalen von der zweiten und der vierten Empfangsschaltung gewonnene Positionsinformation zu kombinieren, um einen groben Positionsmeßwert zu liefern, der nicht von der Orientierung der zwei bewegbaren Elemente abhängt, sowie einen feinen Meßwert, der von der relativen Orientierung abhängt.
Positionsdetektor nach Anspruch 20, wobei die Anregungsschaltung die erste oder die zweite Leiterbahn (31, 33) enthält.
Positionsdetektor nach Anspruch 27, wenn abhängig von Anspruch 4, wobei die Anregungsschaltung die erste und die dritte Leiterbahn (31, 32), die erste Empfangsschaltung die zweite Leiterbahn (32) und die zweite Empfangsschaltung die vierte Leiterbahn (34) enthält.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 20 bis 28, ferner mit einer Antriebseinrichtung (57) zum Anlegen eines Energieversorgungssignals an die Anregungsschaltung.
Positionsdetektor nach Anspruch 29, wenn abhängig von Anspruch 28, wobei die Antriebseinrichtung (57) dazu betreibbar ist, sowohl die erste als auch die dritte Leiterbahn (31, 32) mit Energie zu versorgen und wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die von der zweiten und der vierten Leiterbahn (33, 34) als ein Ergebnis der Anregung der ersten und der dritten Leiterbahn (31, 32) empfangenen Signale zu verarbeiten.
Positionsdetektor nach Anspruch 30, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, das in der zweiten Leiterbahn (33) bei Energieversorgung der ersten Leiterbahn (31) empfangene Signal mit dem in der vierten Leiterbahn (34) bei Energieversorgung der dritten Leiterbahn (32) empfangenen Signal zu kombinieren und das in der vierten Leiterbahn (39) bei Energieversorgung der ersten Leiterbahn (31) empfangene Signal mit dem in der zweiten Leiterbahn (33) bei Energieversorgung der dritten Leiterbahn (32) empfangenen Signal zu kombinieren.
Positionsdetektor nach Anspruch 31, wobei die Kombination das Erhalten der Summe und der Differenz der Signale einschließt.
Positionsdetektor nach Anspruch 31 oder 32, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, Positionsinformation aus den kombinierten Signalen zu gewinnen, indem ein ratiometrischer Arkustangens der kombinierten Signale bestimmt wird, um einen groben Positionsmeßwert zu liefern, der nicht von der Orientierung der zwei Elemente (11, 9) abhängt, und einen feinen Positionsmeßwert zu liefern, der von der relativen Orientierung abhängt.
Positionsdetektor nach Anspruch 29 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Antriebseinrichtung (57) dazu betreibbar ist, einen Puls des Energieversorgungssignals während eines ersten Zeitintervalls an die Anregungsschaltung anzulegen, und wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die induzierten Signale während eines nachfolgenden, zweiten Zeitintervalls nach dem ersten Zeitintervall zu verarbeiten.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen in Form von wenigstens zwei längs des Meßpfads aufeinanderfolgenden Schleifen angeordnet sind, wobei jede Schleife längs des Pfads verläuft und die Schleifen in Serie miteinander verbunden und so angeordnet sind, daß in benachbarten Schleifen durch ein allgemeines alternierendes Hintergrundmagnetfeld induzierte EMKs einander entgegengesetzt sind.
Positionsdetektor nach Anspruch 35, wobei die Schleifen eine generell rechteckige Form aufweisen.
Positionsdetektor nach Anspruch 35, wobei die Schleifen eine generell hexagonale Form aufweisen.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei jede der Schleifen mindestens eine Leiterwicklung aufweist.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Signal zeitabhängige Signale darstellen, deren Amplitude in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der zwei Elemente variiert.
Positionsdetektor nach Anspruch 39, wobei die Verarbeitungseinrichtung (61) einen Demodulator (67) zum Demodulieren der empfangenen Signale aufweist.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (31, 33) durch auf mindestens ein Substrat (9-C) gebondete Drähte gebildet sind.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Leiterbahn (31, 33) im wesentlichen in derselben Ebene oder in im wesentlichen parallelen Ebenen gebildet sind.
Positionsdetektor nach Anspruch 42, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu betreibbar ist, die relative Verkippung zwischen dem Magnetfeldgenerator und der zu der Ebene oder den Ebenen senkrechten Richtung zu bestimmen.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Element (9) feststeht und das erste Element beweglich ist.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dazu ausgelegt, die relative Position und Orientierung von mehreren ersten Elementen (177) zu erfassen, die jeweils einen zugehörigen Magnetfeldgenerator (18-7) aufweisen, der charakteristisch für das erste Element (177) ist.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Element zur relativen Bewegung in einer ersten und einer zweiten Richtung in einer Meßebene befestigt sind, die erste Leiterbahn (31) in geometrisch variierender Weise mit einer ersten charakteristischen Dimension längs der ersten Richtung verläuft und die zweite Leiterbahn (33) in geometrisch variierender Weise mit einer zweiten verschiedenen charakteristischen Dimension längs der ersten Richtung verläuft, wodurch in Reaktion auf ein durch den Magnetfeldgenerator erzeugtes Magnetfeld ein erstes Signal in einer ersten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der ersten Leiterbahn (31) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert, und ein zweites verschiedenes Signal in einer zweiten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der zweiten Leiterbahn (33) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert, das zweite Element (9) ferner eine dritte und eine vierte Leiterbahn aufweist, die induktiv an den Magnetfeldgenerator (18) gekoppelt sind, wobei die dritte Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer dritten charakteristischen Dimension längs der zweiten Richtung verläuft und die vierte Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer vierten charakteristischen Dimension längs der zweiten Richtung verläuft, die von der dritten charakteristischen Dimension verschieden ist, wodurch in Reaktion auf ein durch den Magnetfeldgenerator (18) erzeugtes Magnetfeld ein drittes Signal in einer dritten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der dritten Leiterbahn und des Magnetfeldgenerators variiert, und ein viertes verschiedenes Signal in einer vierten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der vierten Leiterbahn und des Magnetfeldgenerators variiert, die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, (i) das erste und das zweite Signal zu verarbeiten, um die relative Position und Orientierung der zwei Elemente (11, 9) in der ersten Richtung unter Verwendung einer Beziehung zwischen der zugehörigen charakteristischen Dimension der geometrischen Variation der ersten und der zweiten Leiterbahn zu bestimmen, und (ii) das dritte und das vierte Signal zu verarbeiten, um die relative Position und Orientierung der zwei Elemente (11, 9) längs der zweiten Richtung unter Verwendung einer Beziehung zwischen der zugehörigen charakteristischen Dimension der geometrischen Variation der dritten und der vierten Leiterbahn zu bestimmen, und der Detektor ferner eine Einrichtung zum Kombinieren der relativen Orientierungen in der ersten und der zweiten Richtung aufweist, um die relative Orientierung des ersten und des zweiten Elements in der Meßebene zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 46, wobei das erste Element einen ersten und einen zweiten Magnetfeldgenerator (18-1, 18-2) aufweist, die zum Erzeugen jeweils verschiedener Magnetfelder in im wesentlichen verschiedenen Richtungen betreibbar sind, und die Verarbeitungseinrich tung (61) dazu betreibbar ist, die Signale aus den zwei Magnetfeldgeneratoren zu unterscheiden, um die relative Position und Orientierung in der Ebene zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 47, wobei der erste Magnetfeldgenerator (18-1) dazu betreibbar ist, ein Magnetfeld im wesentlichen in einer zu der Ebene senkrechten Richtung zu erzeugen, und die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die aus dem ersten Magnetfeldgenerator (18-1) empfangenen Signale zu verarbeiten, um eine feine und eine grobe Positionsmessung der relativen Position des ersten und des zweiten Elements (11, 9) zu bestimmen, und wobei der zweite Magnetfeldgenerator (18-2) dazu betreibbar ist, ein Magnetfeld im wesentlichen in einer in vorbestimmtem Winkel zu der Ebene geneigten Richtung zu erzeugen, und die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu betreibbar ist, die Signale aus dem zweiten Magnetfeldgenerator zu verarbeiten, um die relative Orientierung des ersten und des zweiten Elements in der Ebene zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 48, wobei der erste und der zweite Magnetfeldgenerator (18-1, 18-2) koinzident sind.
Positionsdetektor nach Anspruch 47 oder 48, wobei der erste und der zweite Magnetfeldgenerator (18-5, 18-6) voneinander durch einen vorbestimmten Abstand getrennt sind, und die Verarbeitungseinrichtung (61) dazu ausgelegt ist, die von dem ersten und dem zweiten Magnetfeldgenerator empfangenen Signale zu verarbeiten, um die vollständige relative Orientierung des ersten und des zweiten Elements (11, 9) zu bestimmen.
Positionsdetektor nach Anspruch 50, wobei sowohl der erste als auch der zweite Magnetfeldgenerator (18-5, 18-6) ein effektives Magnetzentrum (133, 135) aufweisen und zum Erzeugen eines Magnetfelds längs zugehöriger verschiedener Achsen (21-5, 21-6) davon betreibbar sind, und wobei die Magnetfeldgeneratoren so angeordnet sind, daß die Achsen weder parallel noch senkrecht zu einer die effektiven Magnetzentren verbindenden Linie (131) stehen.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 47 bis 49, mit drei koinzidenten Magnetfeldgeneratoren (18-1, 18-2, 18-3), die jeweils zum Erzeugen eines Magnetfelds in verschiedenen Richtungen angeordnet sind und die ferner so angeordnet sind, daß die Verarbeitungseinrichtung (61) die von den Magnetfeldgeneratoren empfangenen Signale verarbeiten und die vollständige relative Orientierung des ersten und des zweiten Elements (11, 9) ableiten kann.
Positionsdetektor nach Anspruch 52, wobei die drei koinzidenten Magnetfeldgeneratoren so angeordnet sind, daß die Richtungen, in denen zwei der Magnetfeldgeneratoren ein Magnetfeld erzeugen, nicht senkrecht zu der Richtung stehen, in der der andere Magnetfeldgenerator das Magnetfeld erzeugt.
Positionsdetektor nach Anspruch 52 oder 53, wobei die drei koinzidenten Magnetfeldgeneratoren so angeordnet sind, daß die Richtungen, in denen die Magnetfeldgeneratoren jeweils ein Magnetfeld erzeugen, nicht in der gleichen Ebene liegen.
Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 46 bis 54, wobei die in der ersten und der zweiten Richtung verwendeten Leiterbahnen im wesentlichen die gleiche Form aufweisen.
Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die magnetische Kopplung zwischen der ersten Leiterbahn und dem Magnetfeldgenerator mit einer ersten räumlichen Frequenz variiert und die magnetische Kopplung zwischen der zweiten Leiterbahn und dem Magnetfeldgenerator mit einer zweiten räumlichen Frequenz variiert.
Personalcomputer (181) mit einem Positionsdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Element (9) die Leiterbahnen aufweist und die Empfangsschaltungen hinter einem Display (183) des Computers angeordnet sind, und wobei das erste Element eine Zeigevorrichtung (11) zum Zeigen auf Positionen des Displays (183) aufweist und die von dem Positionsdetektor bestimmte relative Position der Zeigevorrich tung und des Displays zum Steuern von nicht auf dem Display gezeigter Information verwendet wird.
Verfahren zum Erfassen der relativen Position und Orientierung zwischen einem ersten und einem zweiten Element (11, 9), die zur relativen Bewegung längs eines Meßpfads angeordnet sind, wobei: ein Magnetfeldgenerator (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem ersten Element (11) vorgesehen wird; eine erste und eine zweite Leiterbahn (31, 33) vorgesehen werden, die induktiv an den Magnetfeldgenerator (18) an dem zweiten Element (9) gekoppelt sind, wobei die erste Leiterbahn (31) in geometrisch variierender Weise mit einer ersten charakteristischen Dimension längs des Meßpfads verläuft und die zweite Leiterbahn in geometrisch variierender Weise mit einer zweiten verschiedenen charakteristischen Dimension längs des Meßpfads verläuft, wodurch in Reaktion auf ein durch den Magnetfeldgenerator (18) erzeugtes Magnetfeld ein erstes Signal in einer ersten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der ersten Leiterbahn (31) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert, und ein zweites verschiedenes Signal in einer zweiten Empfangsschaltung erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der relativen Position und Orientierung der zweiten Leiterbahn (33) und des Magnetfeldgenerators (18) variiert; unter Verwendung des Magnetfeldgenerators (18) ein Magnetfeld erzeugt wird; das erste und das zweite Signal von den Empfangsschaltungen empfangen werden; und das erste und das zweite Signal verarbeitet werden, um die relative Position und Orientierung der zwei bewegbaren Elemente unter Verwendung einer Beziehung zwischen den zugehörigen charakteristischen Dimensionen der geometrischen Variation der zwei Leiterbahnen zu bestimmen.