DE2120910A1 - Anordnung zur Erzeugung elektrischer, von den Koordinaten in einer Ebene abhängiger Signale - Google Patents

Description

Anordnung zur Erzeugung elektrischer, von den Koordinaten in einer Ebene abhängiger Signale

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer, von den Koordinaten in einer Ebene abhängiger Signale.

Das Problem, die Lage eines Punktes in einer Ebene durch elektrische Signale däfeustellen, tritt in der Technik öfter auf und es sind dazu bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden.

So ist beispielsweise eine Art elektronischer Schreibtafel bekannt, auf der ein Abtaststift mit seiner Spitze aufgesetzt oder bewegt wird. Dabei sind verschiedene Methoden zur elektronischen Auswertung der Lage des Stiftes angewendet worden. Im Fall, da eine Spannung zur Erregung der Schreibtafel benützt wird, muß für eine Teilung der Spannung gesorgt werden, so daß eine Potentialdifferenz zur Funktion des Ortes wird. Dies kann so geschehen, daß einer Tafelkante entlang eine Reihenschaltung von "Widerständen für den Spannungsabfall sorgt. Parallele Leitungen, welche verschiedene Spannungspunkte abgreifen, leiten dann einem Gitter ähnlich diese Potentiale über die eine Dimension der Tafel, Zur Erzeugung eines Docket YO 970 022 1 0 9 8 A 7 / 1 6 6 5

linearen Spannungsgradienten nach diesem Verfahren sind Wert und Konstanz der verwendeten Widerstände recht kritisch.

Nach einer anderen Methode ist der Abtaststift aktiv und als Quelle eines Magnetfeldes ausgebildet. Die Tafel umfaßt eine Anzahl Gitter, je eines pro Bit der digitalen Positionsanzeige. Um eine gewünschte Auflösung zu erreichen braucht es in diesem Fall ziemlich viele Leitungen für die Tafel, so daß deren Herstellung teuer wird. Nach einem anderen Vorschlag benötigt der Stift galvanischen Kontakt mit den Gitterleitungen, um Schaltkreise zu schließen, denen die Lageinformation entnommen werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche ein hohes Auflösungsvermögen trotz einfacher Gitterstruktur sichert.

Diese Aufgabe ist in vorteilhafter Weise erfindungs gemäß gekennzeichnet durch eine Tafel umfassend ein erstes und ein zweites, abwechslungsweise stromdur chflossenes Leitungs gitter zur Erzeugung je eines Spannun-gsgradienten in der Richtung der ersten bzw. der zweiten Dimension, durch wenigstens eine Signalquelle zur Beschickung der genanntenGitter mit Strom und ferner durch ein bewegliches, kapazitiv ankoppelbares Abtastelement zur Abgabe auswertbarer, lageabhängiger Signale.

Gleichzeitig kann auf Widerstände mit kritischem Wert, zur Erzeugung Docket YO 970 022 1 0 9 8 A 7 / 1 6 6 5

vorgegebener Potentialdifferenzen, verzichtet werden. Schließlich erweist sich die hier vorgeschlagene Vorrichtung auch als unempfindlich gegenüber kleineren Schwankungen im Abstand der Spitze des Abtaststiftes von der Tafeloberfläche. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine gitterartige, zweidimensionale Anordnung eines

widerstandbehafteten Drahtes in Serpentinen;

Fig. 2 eine einzelne Drahtschleife in einem Gitter der Tafel

und drei verschiedene Prüfpositionen;

Fig. 3 die Beziehung der Zeitintervalle, in welchen die Gitter

der Tafel erregt werden und

Fig. 4 graphisch die Streufunktion des Abtastbereiches für

einen kapazitiv gekoppelten Stift.

Docket YO 970 022 109847/1665

Jn Fig, 1 ist die Srhichtstruktur der graphischen Da ten tafel gP7.r»^rgt. Die Tafel besteht aus einem serpentinenförmigen Y^-Gitter 10, welches von einem ebenso geformten X-Gitter 12 überlagert wird. Ueber den beiden Gittern liegt darstellungsgemäss eine Deckfläche 14, die aus Plastik, Epoxydharz, Glas oder einem, anderen Material bestehen kann. Die beiden Gitter 10 und 12 sind an Signalquellen 18 und Intervallschalter 59 und 61 angeschlossen.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Tafel aus einer Oberfläche von ungefähr 28 cm im Quadrat mit serpentinenförmigen Kupferdrähten 10 und 12 von etwa 0,06 mm, die so angeordnet sind, dass zwischen den Drähten ein Abstand von ungefähr 2 mm liegt. Diese Anordnung ergibt einen linearen Spannungsabfall über den Leitungen 10 und 12 mit einer minimalen Kapazität zwischen den Gittern. Der Spannungsabfall verläuft rechtwinklig zur Stromfluss richtung in den Leitungen der Gitter. Die Leitungen können für andere Koordinatensysteme natürlich auch anders gelegt werden, als sie im Ausführungsbeispiel gezeigt sind. So kann z. B. auch eine Tafel aufgebaut werden, die in einem Polarkoordinatensystem arbeitet. Dabei müssen die Gitterleitungen natürlich in einer dem Koordinatensystem entsprechenden

BAD ORIGINAL 109847/1

YO 9-70-022 - 4 -

Art gelegt werden. Eine -weitere Aciiderung ist möglich zur Kompensation einer ungleichmässigen Anordnung der Leiter dadurch, dass der spezifische Widerstand der Leiter entsprechend verändert wird.

Im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 wird jetzt das Schalten der elektrischen Signale auf die Tafel beschrieben. Gemäss Darstellung in Fig. 3 gehören je zwei Perioden in ein Intervall zur Bestimmung der X- und Y-Position, d.h. das X-Intervall umfasst die Perioden T und T und das Y-Intervall die Perioden T und T Diese Zeitperioden T. bis T werden als Subintervalle bezeichnet. Wenn angenommen wird, dass zuerst die Position des Stiftes in der X-Richtung bestimmt werden soll, so beginnt der Schalter 59 mit der Verbindung der Signalquelle mit der entsprechenden Gitterleitung. Der Schalter 59 bleibt in der T -Position während der Intervalle T und T . Während desselben Zeitraumes sind die zur Y-Gitterleitung gehörigen Schalter 59 und 61 mit Erde verbunden, so dass kein Signal für die Y-Richtung während der Subintervalle T und T vorliegt. Am Ende des Subintervalles T wird der zur X-Richtung gehörende Schalter 61 mit der Signalquelle 18 für die ganze Dauer der Zeit T

109847/1665 BAD ORIGINAL

YO 9-70-022 - 5 -

verbunden. Für dieses Subintervall T liegt also die ganze X-Gitterleitung auf gleichem Potential aufgrund der Tatsache, dass die Signalquelle an beide Seiten der Serpentinenleitung angeschlossen ist. Dadurch, dass man die X-Leitung auf gleiches Potential setzt, wird dem Lagerechner 21 ein von ihm benötigtes Bezugssignal geliefert. Die Lageinformation wird in ein digitales Signal umgesetzt, indem man eine Lagespannung mit einer Bezugs spannung vergleicht, was jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Aehnlich wie es für die X-Richtung beschrieben wurde, wird für die Y-Richtung während der Intervalle T und T entsprechend den Zeitdiagrammen der Fig. 3 vorgegangen. Während der Erregung der Y-Leitung wird das X-Gitter auf Erdpotential gehalten, um so eine gegenseitige kapazitive Beeinflussung der Gitterebenen zu vermeiden. Um die kapazitive Beeinflussung zwischen den Gitterebenen so klein wie möglich zu halten, wird der spezifische Widerstand des Drahtes so gewählt, dass ein Spannungsminimum in dem abgeschalteten Gitter induziert wird.

BAD ORJQINAL 109847/1665

YO 9-70-022 - 6 -

In Fig. 2 ist eine Schleife eines Gitters gezeigt, die dazu benutzt werden soll, die Bildung eines Spannungsmittelwertes für den jeweiligen Slift-Abfühlbereich in seiner Lage bezüglich der Serpentinenanordnung des Widerstandsdrahtes zu zeigen. In Fig. sind drei Lagen dargestellt, und zwar eine erste am oberen Teil der Schleife, eine zweite in der Mitte und eine dritte Lage im unteren Teil der Schleife. Zur Erläuterung soll angenommen werden, dass der Draht einen Spannungsabfall von einem Volt von einer Seite der Schleife zur anderen aufweist. Wenn also am Punkt 20 eine Spannung von 16 Volt liegt, dann weisen die "Punkte und 24 eine Spannung von 17 Volt und der Punkt 26 eine Spannung von 18 Volt auf.

In Fig. 2A ist eine Draufsicht des Stiftes über dem Oberteil einer Schleife eines der beiden Gitter gezeigt. Der Stift ist in dieser Figur in die Nähe des Endes der Schleife gesetzt. Es ist zu beachten, dass die verwendeten Figuren nur der Darstellung dienen und nicht notwendigerweise masstabgetreu sind. Somit weisen die Wendepunkte im Gitter praktisch auf beiden Seiten dasselbe Potential auf. Die beiden Punkte 22 und 24 in Fig. 2

109847/1665

YO 9-70-022 - 7 -

BAD ORIGINAL

haben z.B. eine Spannung von 17 Volt, obwohl zwischen ihnen eine bestimmte Drahtstrecke dargestellt ist.

Wenn sich der Stift im oberen Teil der Schleife befindet und die Mitte des Abfühlbereiches zwischen den beiden Linien 27 und 28 liegt, dann nimmt er eine Lage ein, in der er alle Spannungen in seinem Abfühlbereich auf einen Wert mittelt, welcher der Lage seines Zentrums 30 entspricht. Dieselbe Spannungsverteilung wie in Fig. 2A sei weiterhin vorausgesetzt. Dann betrüge am Punkt 32 die Spannung 16, 9 Volt und am Punkt 34 17,1 Volt. In ähnlicher Weise unterliegt der Stift Spannungseinflüssen aus dem gesamten Bereich unterhalb des Kreises. Alle diese Potentialpunkte unterhalb des Betrachtungsbereiches werden zu einem Mittelwert zusammengefasst und erscheinen als eine Spannung von 17 Volt. In Fortführung dieser Darstellung wird jetzt gezeigt, dass der Spannungswert von 17 Volt über die ganze Mittellinie der in Fig. gezeigten Schleife ermittelt wird. In Fig. 2B ist das Gesichtsfeld des Stiftes um den Mittelteil der Schleife herum gezeigt. Somit erscheint am Punkt 36 ein Potential von 16, 5 Volt und am Punkt ein Potential von 17,5 Volt. Durch Bildung des Mittelwertes dieser

109847/1665 ^ °™^stNAL

YO 9-70-022 - 8 -

beiden Spannungen ergeben sich wieder 1? Volt als resultierendes vom Stift abgefühltes Signal. Auf ähnliche Weise wird in Fig. 2C gezeigt, dass das Potential am Punkt 30 immer noch bei 17 Volt liegt, weil der Mittelwert des Potentiales von 16, 1 Volt am Punkt und 17,9 Volt am Punkt 42 gebildet wird. Diese Beispiele dienen nur der Darstellung und in der Praxis existiert natürlich ein Spannungsgradient unterhalb des Gesichtsfeldes des Stiftes. Von diesem Spannungsgradienten wird effektiv der Mittelwert gebildet und das dem Punkt 30 entsprechende resultierende Potential bestimmt.

Der in der Tafel in der Widerstandsleitung entstehende Spannungsgradient ist linear in beiden Richtungen X und Y. Bei Betrachtung einer Bewegung in der X-Richtung führt die Lageänderung des Stiftes zu verschiedenen Potentialen, die der Abtastschaltung 23 zugeführt werden. Verschiebungen in der Y-Richtung führen zu keiner Potentialänderung während des X-Intervalls, da in der Y-Richtung auf dem X-Gitter kein Spannungsgradient vorliegt. Dieselben Prinzipien gelten in entsprechender Weise für Verschiebungen in der Y-Richtung während des Y-Intervalls.

109847/1665

YO 9-70-022 - 9 -

BAD ORIGINAL

In Fig. 4 ist die Streuung im wirksamen Abtastbereich des kapazitiv gekoppelten Stiftes graphisch dargestellt. Die drei Kurven in dieser Fig. weisen auf die Anzahl der Drähte hin, die das Abtastsignal abhängig vom Abstand des Stiftes von der Oberfläche des Gitters beeinflussen. Die Kurve A stellt z.B. die Stellung des Stiftes sehr dicht über einem Draht in einer der Ebenen dar. Diese Lage des Stiftes begrenzt den effektiven Abtastbereich, indem der Einfluss des Potentials von den umgebenden Drähten herabgesetzt wird. Die Kurve B zeigt den effektiven Abtastbereich für die Stiftposition an der Oberfläche der Tafel. Sie zeigt, dass das effektive Streufeld des Stiftes in dieser Höhe etwa einen Durchmesser gleich zwei Drahtabstände hat. Die Kurve C zeigt die Streufunktion für den Fall, in welchem der Stift ungefähr 6 mm über der Tafel steht. Dieser Fall würde eintreten, wenn die Bedienungsperson z.B. einen Schreibblock zwischen den Stift und die Tafel schiebt. Bedeutsam ist, dass die Kurven A, B und C der Fig. 4 symmetrisch um den Punkt direkt unterhalb der Stiftmitte angeordnet sind. Es liegt also Mittelwertsbildung der von den umgebenden Drähten beigetragenen Potentiale vor ungeachtet der Erhebung des Stiftes über eine gewisse Mindesthöhe, die der Dicke der Deckschicht 14 entspricht.

109847/1665 BAD ORIGINAL

YO 9-70-022 - 10 -

Die auf Lagen des Stiftes in der Mitte zwischen zwei Leitungen einer Schleife bezogenen Beispiele gelten natürlich für die Darstellung der Vorgänge in irgendeiner Schleife der Gitter. Es wird zwar ein anderer Mittelwert gebildet, wenn der Mittelpunkt des Abtaststiftes genau über eine der Gitterleitungen zu liegen kommt. Das resultierende Signal ist jedoch im wesentlichen stets linear bezüglich Abstand rechtwinklig zur Stromfluss richtung in der Schleife.

Für Darstellungszwecke wurde der Draht so gezeigt, dass¹ er mit rechtwinkligen Ecken eine Schleife bildet. Diese Darstellung wurde lediglich der einfacheren Zeichnung halber gewählt. Um die bestmöglichen Ergebnisse in bezug auf Linearität in der Nähe der Schleifenenden zu erhalten muss der Widerstand des Drahtes im Schleifenende gleichmässig verteilt sein. Eine andere Lösung wäre die Verbindung der Drahtenden durch einen Leiter mit anderem spezifischen Widerstand als jenem der Gitterdrähte. Solange jedoch die serpentinenförmige Anordnung aufrechterhalten wird, kann auch Linearität erzielt werden.

-,:■-. =189847/186 5"
YO 9-70-022 - 11 - · BAD ORIGINAL

Als .Ausführungsbeispiel wurde eine Tafel mit einem avveidiracnsionalen Koordinaten system gewählt, die einen linearen Spannungsgradienten erfordert. Es können jedoch nach demselben Prinzip auch andere Systeme benutzt werden, solange eine gewisse Beziehung zwischen dem spezifischen Leitungs wider stand und der St reu funkt ion des Stiftes besteht, von der ein elektrisches in Bezug auf Lage decodierbares Signal abgeleitet werden kann. Im Ausführungsbeispiel ermöglicht der durch die Serpentinenanordnung des widerstandbehafteten Drahtes erzeugte Spannungsgradient jeden gewünschten Auflösungsgrad, solange die Abtastschaltung das Signal in geeigneter Weise auswerten kann. Die Auflösung hängt also nicht vom Abstand der Drähte ab, denn der vom Stift abgetastete Spannungsgradient verläuft rechtwinklig zum Stromfluss in den Gitterdrähten stetig. Die Auflösung ist eine Funktion des Verhältnisses von Signal zu Geräusch der Abtast- und Decodierschaltung und nicht eine Funktion der Gitteranordnung.

■ . 10 9 8 4 7/1665

BAD ORIGINAL

YO 9-70-022 - 12 -

Claims (5)

1. - 13 PATENTANSPRÜCHE

   /1.) Anordnung zur Erzeugung elektrischer, von den Koordinaten in einer Ebene abhängiger Signale, gekennzeichnet durch eine Tafel umfassend ein erstes und ein zweites, abwechslungsweise stromdurchflossenes Leitungsgitter (10 bzw. 12) zur Erzeugung je eines Spannungsgradienten in der Richtung der ersten bzw. der zweiten Dimension, durch wenigstens eine Signalquelle (18) zur Beschickung der genannten Gitter mit Strömend ferner durch ein bewegliches, kapazitiv ankoppelbares Abtastelement zur Abgabe auswertbarer, lageabhängiger Signale.
2. 2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitungs gitter (10 bzw. 12) aus einem widerstandbehafteten Leiter besteht, der inSerpentinen senkrecht zur Koordinatenrichtung ausgelegt ist, der das betreffende Gitter zugeordnet ist.
3. 3. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste steuerbare Schalter (59) vorgesehen und je mit dem einen Ende eines Leitungsgitters verbunden sind, so daß abwechselnd das eine Gitter mit diesem Ende an die Spannungsquelle (18) das andere jedoch an Erde anschließbar ist und umgekehrt.
4. 4. Anordnung nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere steuerbare Schalter (61) vorgesehen und je mit dem ande-

   109847/1665

   Docket YO 970 022

   ren Ende eines Leitungs gitter s verbunden sind, so daß jedes dieser Enden an Erde oder an die genannte Spannungsquelle (18) anschließbar ist.
5. 5. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter eines Gitters eine gleichmäßige Widerstandsverteilung über seine Länge aufweist.

   109847/16 65

   Docket YO 970 022

   Leerseite