DE69423313T2

DE69423313T2 - Elektronische Hinweisanordnung

Info

Publication number: DE69423313T2
Application number: DE69423313T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Amano
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2014-12-17
Also published as: US5691747A; EP0660258A2; DE69423313D1; EP0660258A3; EP0660258B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, welches die Position eines mit Druck beaufschlagten Punkts auf einer Oberfläche angibt. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung eine Zeigevorrichtung für einen elektronischen Schirm, um das Eingeben von Daten in Personal-Computer zu unterstützen oder um eine Funktion bei digitalen Uhren auszuwählen.
Das Eingeben von Daten in Personal-Computer (PC) und Arbeitsplatzrechner (work-stations) wird herkömmlicherweise unter Verwendung von Tastaturen als primäres Verfahren zum Eingeben von Daten und unter Verwendung von Zeigevorrichtungen als Hilfsvorrichtung für die Dateneingabe durchgeführt. Zeigevorrichtungen werden beispielsweise dazu verwendet, eine Position einer Cursor-Markierung (Zeiger) auf einem Anzeigeschirm zu spezifizieren, und fallen grob in die folgenden zwei Kategorien.

(1) Absolut-Koordinaten-Typ (beispielsweise Berührungsschirm-Typ und Tablett-Typ)

Diese Vorrichtungen sind überwiegend statische Vorrichtungen. Für diese Vorrichtungen ist ein externes Eingabeelement erforderlich, welches zu den Positionen auf einem Anzeigeschirm korrespondiert, und es wird eine Position durch Spezifizieren eines Bereichs auf dem externen Eingabeelement spezifiziert. Es werden Eingabeoperationen bei dem Berührungsschirm-Typ durch Berühren einer transparenten Elektrode auf dem Anzeigeschirm und bei dem Tablett-Typ durch Berühren einer plattenartigen Eingabevorrichtung mit einer stiftartigen Vorrichtung durchgeführt.

(2) Relativ-Koordinaten-Typ (beispielsweise Maus oder Rollkugel (track ball)

Diese Vorrichtungen sind überwiegend dynamische Vorrichtungen. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, eine Cursor-Markierung auf einem Schirm hinsichtlich von planaren Bewegungen der Zeigevorrichtung abgeleiteten Pulsdaten zu bewegen, deren Bewegungsvektoren (Transfervektor pro Zeiteinheit) in einen Computer durch Transformieren der Linearbewegungen in digitalisierte Pulsdaten eingegeben werden.
Der erste Zeigevorrichtungs-Typ unterliegt dem Nachteil, daß die Vorrichtung selbst kompliziert und teuer ist und aufgrund der Art des Vorrichtungsaufbaus selbst nicht einfach kompakt gemacht werden kann.
Beispielsweise umfaßt der Berührungsschirm-Aufbau eine transparente Elektrode an der Oberseite eines Anzeigeschirms, welche an einem Gerät fester Größe befestigt ist, so dass die Zeigevorrichtung allein nicht kompakt gestaltet werden kann. Auf ähnliche Weise arbeitet die tablettartige Vorrichtung auf Grundlage einer 1 : 1-Beziehung zwischen dem Schirm und dem Berührungsbereich und diese beiden sind nicht dazu geeignet, ein kompaktes Gerät bereitzustellen.
Bei dem Relativ-Koordinaten-Typ von Zeigevorrichtungen entstehen die folgenden Probleme.
Eine Maus erfordert einen bestimmten Raum zur Bewegung eines Mausgehäuses auf einer flachen Oberfläche sowie zwei Codierer zum Erfassen der x- und y-Komponenten eines Bewegungsvektors. Eine Rollkugel (track ball) weist einen sich bewegenden Ball und einen festen Hauptkörper auf, so daß kein Raum zur Bewegung des Hauptkörpers erforderlich ist; allerdings erfordert dieser ebenfalls zwei Codierer zum Erfassen der x- und y- Komponenten eines Bewegungsvektors.
Deshalb besteht bei der Erzeugung einer kompakten Zeigevorrichtung des Relativ-Koordinaten-Typs das Problem darin, daß es erforderlich ist, eine sehr präzise Kugel-Drehungs-Erfassungsvorrichtung aufzubauen. Darüber hinaus ist dis Vorrichtung, da sie sich bewegende Teile aufweist, dafür anfällig, Schmutzpartikel aufzunehmen, womit das Problem bei der Langzeitzuverlässigkeit der Vorrichtung entsteht. In jüngster Zeit sind optische Vorrichtungen zum Erfassen der x- und y-Komponenten auf dem Markt erschienen, jedoch weisen diese ein Problem dahin auf, daß ein besonderes Pad (Polster) verwendet werden muß.
Zwischenzeitlich gibt es Armbanduhren, welche dazu in der Lage sind, nicht nur die Zeit anzuzeigen, sondern auch verschiedene Berechnungsschritte durchzuführen, und Daten einzugeben, zu speichern und anzuzeigen. Derartige Armbanduhren sind mit einer Mehrzahl von Schaltknöpfen zum Auswählen einer Funktion und Tasten zum Eingeben von Daten versehen und die Anzahl derartiger Funktionstasten wächst, je mehr Funktionen angeboten werden.
Es ist nicht nur schwer, eine Mehrzahl von Schaltknöpfen auf einem begrenzten Raum einer Armbanduhr bereitzustellen, sondern ein derartiger Versuch führt auch zu einer Situation, welche den Betrieb selbst umständlich macht und welche den Vorgang der Auswahl einer erwünschten Funktion behindert.
Eine Alternative liegt darin, einen Rollball (track-ball) als Zeigevorrichtung zum Auswählen einer bestimmten Funktion aus einem Schirmmenü eines Computers zu verwenden, jedoch erfordert eine derartige Vorrichtung nicht nur ein Rotationselement, sondern auch zwei Codierer zum Erfassen der x- und y-Komponenten der Bewegungsrichtung. Deshalb ist eine derartige Cursor-Bewegungs-Vorrichtung nicht als Zeigevorrichtung bei Vorrichtungen anwendbar, welche klein sein müssen, wie beispielsweise eine Armbanduhr.
Es kann auch möglich sein, eine Schaltvorrichtung bereitzustellen, um positive und negative Richtungen auf der x- und y-Achse anzuzeigen und um einen Cursor gemäß der Anzeige zu bewegen. Allerdings erfordert eine derartige Vorrichtung immer noch sich bewegende Teile, wie beispielsweise Federn und Kontakte, und ist für einen Zuverlässigkeitsverlust anfällig, wenn die Teile miniaturisiert werden oder deren Anzahl vergrößert wird.
Die JP-A-05/233085 offenbart eine Vorrichtung, welche die im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Zeigevorrichtung bereitzustellen, welche eine Langzeit-Lebensdauer- Zuverlässigkeit aufweist und welche miniaturisiert und ohne Verwendung einer mechanischen Drehvorrichtung betrieben werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals vorgesehen, welches die Position eines mit Druck beaufschlagten Punkts auf einer Oberfläche angibt; im Abstand zu der Kontaktfläche angeordnete Druckerfassungsmittel, zum Erfassen des auf die Kontaktfläche angelegten Drucks; und Berechnungsmittel, welche auf die Druckerfassungsmittel ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, welches die Position des mit Druck beaufschlagten Punkts angibt, wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Zeigevorrichtung vorgesehen, wie in Anspruch 12 definiert.
Gemäß der ersten Zeigevorrichtung werden Vibrationsdrücke von dem Druckpunkt als Zentrum ausgebreitet, wenn eine Bedienungsperson Druck auf eine freiliegende Oberfläche des elastischen Elements ausübt. Die Intensität der sich ausbreitenden Drucksignale wird im Verhältnis zum Quadrat der durchlaufenen Strecke gedämpft. Die Drucksignale werden durch Druckerfassungselemente erfaßt, welche in dem Bodenabschnitt angeordnet sind. Die auf die Bodenfläche projizierten Koordinaten des mit Druck beaufschlagten Punktes werden aus den Verhältnissen der von den Drucksensoren erfaßten Signale nach speziellen Formeln berechnet. Der mit Druck beaufschlagte Punkt kann dann hinsichtlich der orthogonalen x- und y- Achse der Bodenfläche spezifiziert werden, wobei der Ursprung am Zentrum der Bodenfläche angenommen wird, und eine korrespondierende Position auf einem Anzeigeschirm kann durch eine geeignete Markierung definiert werden, wie beispielsweise eine Cursormarkierung. Der Aufbau der Vorrichtung umfaßt keine sich bewegenden Teile, so daß deshalb eine, Langzeitbetriebs- Zuverlässigkeit sichergestellt werden kann. Da der Betrieb der Vorrichtung das Drücken auf ein elastisches Element und keine Bewegung des elastischen Elements selbst umfaßt, erfordert die Vorrichtung für ihren Betrieb keinen großen Raum. Die Berechnung der Projektionskoordinaten kann wiederholt zu bestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden, so daß die Koordinaten auf fortlaufender Basis bestimmt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 13 definiert, umfaßt die elektronische Zeigevorrichtung ferner ein zweites Berechnungsmittel zum Berechnen von Positions-Angabesignalen in bestimmten Zeitintervallen und zum Berechnen eines Bewegungsvektors zum Angeben einer positionellen Veränderung des Oberflächenpunkts in einem vorbestimmten Zeitintervall.
Gemäß der zweiten Zeigevorrichtung kann die Bewegung eines mit Druck beaufschlagten Punkts definiert werden. Eine Bedienungsperson bewegt einen druck-ausübenden Finger auf der Oberfläche des elastischen Elements um eine Strecke und in einer Richtung, um eine Cursormarkierung auf einem Anzeigeschirm zu bewegen. Wie in der ersten Zeigevorrichtung werden Vibrationsdrucksignale von dem mit Druck beaufschlagten Punkt erzeugt und wenn sich der mit Druck beaufschlagte Punkt auf der Oberfläche des elastischen Elements bewegt, bewegen sich die Zentren der sich ausbreitenden Signale auf der Oberfläche in gleichem Maße. Der Berechnungsprozeß umfaßt eine Reihe von Druckpunkten in einem vorgegebenen Abtastintervall. Somit wird ein Bewegungsvektor berechnet, um die Cursormarkierung von einer Position an einem Anzeigeschirm zu einem weiteren Punkt auf dem Anzeigeschirm zu bewegen. Die zweite Zeigevorrichtung ist dazu ausgelegt, ohne das Erfordernis von sich bewegenden Teilen eine Reihe von Bewegungspunkten auf der Oberfläche des elastischen Körpers hinsichtlich relativer Projektionskoordinaten zu spezifizieren. Somit kann die Langzeitbetriebs-Zuverlässigkeit sichergestellt werden. Es ist offensichtlich, daß die zweite Zeigevorrichtung weitere Vorteile der ersten Zeigevorrichtung aufweist, wie beispielsweise die Kompaktheit und die Einfachheit der Bedienung.
Ein optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Geschwindigkeit des Bewegungsvektors berechnet werden kann. Wenn sich der mit Druck beaufschlagte Punkt schnell bewegt, dann wird die Abtastfrequenz derart eingestellt, daß der Bewegungsvektor auf einer feineren Zeitskala durch häufigeres Abtasten des Bewegungsvektors berechnet wird.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß das elastische Element über einen Klebstoff mit dem Basisabschnitt verbunden ist, welcher die Druckerfassungselemente umgibt. Diese Anordnung verhindert, daß Druck direkt auf die Druckerfassungselemente ausgeübt wird und sieht eine höhere Genauigkeit der Positionsanzeige vor.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Anzahl der Druckerfassungselemente von drei auf vier vergrößert werden kann und daß die vier Elemente äquidistant vom Ursprung in Vierfach-Symmetrie angeordnet sein können. Bei dieser Anordnung können aufgrund der Symmetrie der Elemente die von den vier Elementen erfaßten Drucksignale kompensiert werden, so dass sie sich gegenseitig ausgleichen, um die Position des mit Druck beaufschlagten Punkts präziser zu definieren. Auch diese Anordnung ermöglicht es, daß die Ausbreitungsstrecke entlang der orthogonalen Achse durch ein Berechnungsverfahren im Vergleich zu dem Fall von drei Druckerfassungselementen minimiert werden kann.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die drei oder mehr Druckerfassungselemente auf einer gemeinsamen Halbleiterbasis hergestellt werden können. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung von Halbleitertechnologie und ermöglicht, dass die Vorrichtung klein und präzise hergestellt werden kann.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß Drucksignale durch drei oder mehr Druckerfassungselemente erfaßt werden können, welche in jeweiligen Hohlräumen aufgenommen sind, wobei die Öffnung zu der Bodenfläche hin gerichtet ist. Diese Anordnung der Elemente vergrößert die Empfindlichkeit der Vorrichtung dadurch, daß die Erfassung von kleinen Änderungen in den inneren Hohlräumen möglich gemacht wird.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Hohlräume mit einem flüssigkeitsartigen Material gefüllt sein können. Dies minimiert die Dämpfung von Drucksignalen durch die Übertragung in Luft und vergrößert die Empfindlichkeit der Erfassung.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß jeder Hohlraum über ein zugeordnetes Druckübertragungsmittel, wie beispielsweise ein Rohr, mit einem Positionssensor verbunden sein kann, so daß jedes Druckerfassungselement eine Druckänderung innerhalb seines eigenen zugeordneten Druckübertragungsmittels erfassen kann, wodurch die Druckerfassung unabhängig von der Positionierung der Positionsanzeiger gemacht wird.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Hohlräume und die zugeordneten Druckübertragungsrohre mit einem flüssigkeitsartigen Material gefüllt sein können.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Druckübertragungsrohre aus einem steifelastischen Material hergestellt sein können, wodurch die Empfindlichkeit der Erfassung der Drucksignale vergrößert werden kann.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Hohlräume und die steifen Druckübertragungsrohre mit einem flüssigkeitsartigen Material gefüllt sein können, um weiter die Empfindlichkeit der Erfassung der Drucksignale zu erhöhen.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Druckübertragungsrohre auf einen gemeinsamen Punkt am Zentrum des Bodenabschnitts zu gerichtet sein können. Es ist dann möglich, viele Druckerfassungsvorrichtungen in einem vorgegebenen Bereich des Bodenabschnitts vorzusehen und dies führt zur Senkung der Kosten der Vorrichtung.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Oberfläche des elastischen Elements mit einem Material beschichtet sein kann, welches einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als das elastische Element. Es ist dann möglich, die Ausbreitung der Oberflächendruckwellen entlang des elastischen Elements zu minimieren, um die auf die Positionsanzeige gerichteten Signale zu vergrößern, was zu höheren Intensitäten der Drucksignale an den Druckerfassungselementen führt.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Oberflächenbeschichtung mit höherem Elastizitätsmodul eine große Anzahl an kleinen Teilen aufweisen kann, welche voneinander beabstandet sein können. Durch eine derartige Anordnung der Oberflächenbeschichtung ist die Auswahl eines mit Druck beaufschlagten Punktes in gewissem Maße beschränkt; allerdings wird aufgrund der minimierten Oberflächenausbreitung der Pegel an durch die Druckerfassungselemente erfaßten Drucksignalen vergrößert.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Zeigevorrichtung an einem von Hand gehaltenen Gehäuse eines Geräts angeordnet ist, so daß das elastische Element an der oberen Fläche des Geräts frei liegt, um eine Steuerfläche zu bilden. Diese Anordnung der Zeigevorrichtung ermöglicht, daß der Benutzer Koordinaten durch einfaches Drücken auf das elastische Element an der Zeigevorrichtung spezifiziert.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Vorrichtung in einer elektronischen Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Funktionen zum Ausführen von Berechnungsschritten und zum Anzeigen der berechneten Ergebnisse auf einem Anzeigeschirm eingebaut sein kann. Die elektronische Vorrichtung kann eine portable elektronische Vorrichtung sein, welche von dem Benutzer getragen wird. Die Koordinatenspezifizierung wird durch das Prinzip der Definition der Projektionskoordinaten erreicht, welches in der ersten Vorrichtung angewendet wurde, indem einfach auf die freiliegende Fläche des elastischen Elements Druck ausgeübt wird.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Zeigevorrichtung mit Druckerfassungselementen versehen ist, welche vorgespannte Elemente sind, um Ausgabesignale proportional zu dem angelegten Druck zu erzeugen. Die Vorspannung kann gleich und/oder fortlaufend auf jedes der Druckerfassungselemente angelegt werden, so daß die erfaßten Drucksignale unter denselben Betriebsbedingungen miteinander verglichen werden.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Vorspannung statt kontinuierlich lediglich während einer Meßperiode periodisch angelegt wird, um elektrische Energie zu sparen.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die Vorspannung periodisch an jeden Widerstandsschaltkreis angelegt wird, um elektrische Energie zu sparen.
Ein weiterer optionaler Aspekt der Vorrichtung liegt darin, daß die Vorspannung zur Einfachheit des Schaltkreises und zum Sparen von elektrischer Energie ein Strompuls ist.
Vorteilhafterweise ist die Kontaktfläche/Oberfläche des elastischen Elements kleiner als eine Hand eines Erwachsenen. Sie kann im wesentlichen dieselbe Größe aufweisen wie eine Zeigefingerspitze eines Erwachsenen.
Die Position des Punktes auf der Kontaktfläche/Oberfläche des elastischen Elements, welcher mit Druck beaufschlagt wird, kann mathematisch aus den Werten der verschiedenen durch die Sensoren der Erfassungsmittel erfaßten Drücke bestimmt werden oder durch eine Nachschlagetabelle, in welcher die druck-repräsentierenden Werte, welche den einzelnen Sensoren für einen gegebenen mit Druck beaufschlagten Punkt auf der Kontaktoberfläche zugeordnet sind, gespeichert sind und mit welchen die erfaßten Werte verglichen werden, um die beste Paarung zu finden.
Zugunsten eines besseren Verständnisses der Erfindung werden nun Ausführungsbeispiele beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Zeigevorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 2 ein Schaltungsblockdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels ist.
Fig. 3A eine perspektivische Ansicht eines teilweise weggeschnittenen Bereichs des Positionssensors zeigt.
Fig. 3B die Positionsanzeiger im Verhältnis zu den Druckerfassungselementen zeigt.
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht des planaren Bodenabschnitts mit einem Positionssensor zeigt, welcher eine Verbindungsschnittstelle zwischen einem elastischen Gummi und einer Halbleiterbasis umfaßt.
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Bestimmung der Projektionskoordinate hinsichtlich der Positionssensoren ist, weiche an dem planaren Bodenabschnitt angeordnet sind.
Fig. 6A eine statische Position des Betriebs des Positionssensors zeigt.
Fig. 6B eine Fingerbewegung zeigt, welche einen Bewegungsvektor definiert.
Fig. 7A eine Draufsicht des planaren Bodenabschnitts einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des Positionssensors zeigt.
Fig. 7B die Verbindungsschnittstelle zwischen dem elastischen Gummi und der Halbleiterbasis zeigt.
Fig. 8 eine weitere Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des Positionssensors zeigt.
Fig. 9 eine weitere Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des Positionssensors zeigt.
Fig. 10 eine Vorderansicht eines Computers ist, welche eine Cursorbewegung auf einem Anzeigeschirm hinsichtlich der x- und y-Komponenten eines Bewegungsvektors u zeigt.
Fig. 11 ein zweites Ausführungsbeispiel der Zeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 12 ein Schaltungsblockdiagramm des zweiten Ausführungsbeispiels ist.
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Zeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 14A einen außermittig vorstehenden Körper mit einer niedrigen Höhe einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
Fig. 14B ein außermittig vorstehender Körper mit einer hohen Höhe ist.
Fig. 15 ein viertes Ausführungsbeispiel der in einer Armbanduhr eingebauten Zeigevorrichtung zeigt.
Fig. 16 ein Beispiel einer LCD-Menü-Anzeige zeigt.
Fig. 17 ein Schaltungsblockdiagramm zum Anlegen einer Vorspannung an die Druckerfassungselemente in dem vierten Ausführungsbeispiel ist.
Fig. 18A ein Beispiel ist, bei welchem eine konstante Vorspannung angelegt ist.
Fig. 18B ein Beispiel einer periodisch angelegten Vorspannung ist.
Fig. 18C ein Beispiel einer während einer Meßperiode kontinuierlich angelegten Vorspannung ist.
Fig. 18D ein Beispiel einer während einer Meßperiode periodisch angelegten Vorspannung ist.
Fig. 18E ein Beispiel von kontinuierlich angelegten Vorspannungs- Strompulsen ist.
Fig. 18F ein Beispiel von periodisch angelegten Vorspannungs- Strompulsen ist.
Fig. 19 ein Schaltungsblockdiagramm des vierten Ausführungsbeispiels der Zeigevorrichtung ist, welches in einer Armbanduhr Anwendung finden kann.
Zunächst werden die konstruktiven Details der Zeigevorrichtung erläutert, gefolgt von der Erklärung des Prinzips der Bestimmung der Projektionskoordinatenposition, gefolgt von einer Erläuterung des Bewegungsvektors. Es werden vier Ausführungsbeispiele I bis IV dargelegt, um die Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten einer kompakten Zeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern.

I: Erstes Ausführungsbeispiel

I-I Aufbau

Fig. 1 ist eine Außenansicht einer Zeigevorrichtung PD.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Zeigevorrichtung PD ein Gehäuse M und ein etwa halbkreisförmiges elastisches Element 1, welches an einer oberen Fläche des Gehäuses M angeordnet ist. Ein Kabel C ist durch eine Seitenfläche des Gehäuses M vorgesehen, um Betriebsdaten von der Zeigevorrichtung zum Spezifizieren von Koordinaten zu einem Personal- Computer und zu weiteren datenverarbeitenden Vorrichtungen zu übertragen. Details werden später erläutert.

I-1-1 Positionssensor

Ein Positionssensor 10 ist an der Basis 2 des halbkreisförmigen elastischen Elements 1 wie in Fig. 3 gezeigt vorgesehen und führt eine Funktion der Berechnung von Projektionskoordinaten eines an dem elastischen Element 1 erzeugten mit Druck beaufschlagten Punkts durch.
In Fig. 3A zeigt eine zum Teil weggeschnittene Ansicht des Positionssensors 10 einen Innenaufbau des Positionssensors 10.
Wie in Fig. 3A und 3B gezeigt, umfaßt der Positionssensor 10 piezoelektrische Druckerfassungselemente S. bis 54 und ein elastisches Element 1 einer im wesentlichen halbkreisförmigen Gestalt. Die folgende Erläuterung setzt voraus, daß das elastische Element 1 eine perfekte halbkreisförmige Gestalt aufweist, obwohl auch andere Formen möglich sind.
Die piezoelektrischen Druckerfassungselemente (kurz gesagt die Elemente) S&sub1; -S&sub4; sind an der flachen Oberfläche L einer Halbleiterbasis 2 des elastischen Elements 1 angeordnet und erzeugen elektrische Spannungen V&sub1;-V&sub4; im Verhältnis zu dem angelegten Druck. Weitere Details der Druckerfassungsvorrichtung werden später angegeben.
Die Elemente S&sub1;-S&sub4; korrespondieren zu den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; und deren Koordinaten (x, y) sind bezüglich des Ursprungs (O, O) der ebenen Oberfläche L und eines Radius r des elastischen Elements 1 angegeben. Mit Bezug auf Fig. 3B werden Q&sub1;-Q&sub4; durch die folgenden Koordinaten definiert durch die x- und y-Achse wiedergegeben:
(a, O), (O, a), (-a, O) und (O, -a)
wobei r > a > O ist und die positiven Richtungen in Richtung der Pfeile an der x- und der y-Achse gerichtet sind.
In dieser Darstellung sind die vier Punkte Q&sub1;-Q&sub4; äquidistant vom Ursprung (O, O) um eine Strecke "a" angeordnet.
Als nächstes wird die Verbindungsschnittstelle zwischen den Elementen und dem elastischen Element 1 hinsichtlich des Elements S&sub1; und Fig. 4 erläutert, welche den Aufbau der Vorrichtung zeigt.
Ein Basisabschnitt des in Fig. 4 gezeigten Positionsanzeigers umfaßt eine Halbleiterbasis 2, welche mit dem elastischen Element 1 über eine dazwischenliegende Verbindungsschicht 3 verbunden ist. Das Element S&sub1; ist mit einem sehr kleinen Hohlraum 4&sub1; ausgebildet, welcher in der Basis 2 derart ausgebildet ist, daß er zu dem Positionsanzeiger Q&sub1; korrespondiert. Das Element S&sub1; umfaßt ein Membranelement (ein dünner Film mit einer Dicke von einigen Zehntel Mikrometer) 5&sub1;, und ein Dehnungsmeßgerät 6&sub1;, welches auf der Oberseite des Membranelements 5&sub1; ausgebildet ist.
Das Element S&sub1; wird unter Verwendung einer bekannten Halbleiterätztechnik hergestellt und insbesondere ist das Dehnungsmeßgerät eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer p-Typ-Widerstandsschicht, hergestellt durch selektive Diffusion von Störstellen (wie beispielsweise Bor) in der Basis 2.
Auf ähnliche Weise sind die Elemente S&sub2;-S&sub4; auf der Basis 2 hergestellt und dienen als Positionsanzeiger Q&sub2;-Q&sub4; durch Erzeugen einer Spannung, welche proportional zu dem angelegten Druck ist.
Der Positionssensor 10 erzeugt Positionsinformation wie folgt. Wenn auf eine Oberfläche des elastischen Elements 1 Druck angelegt wird, werden Druckwellen erzeugt und breiten sich durch das elastische Element 1 als elastische Wellen aus, um Vibrationskräfte auf die Hohlräume 4&sub1;-4&sub4; auszuüben, welche zu den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; korrespondieren. Die Dehnungsmeßgeräte 6&sub1;-6&sub4; erfahren Dehnungen in Antwort auf die Druckdifferentiale (verursacht durch die Differenz des Drucks im Hohlraum und dem äußeren atmosphärischen Druck), welche auf die Dehnungsmeßgeräte 6&sub1;-6&sub4; durch die Öffnung 7 ausgeübt werden. Die Druckschwankungen bewirken, daß der Widerstand der Dehnungsmeßgeräte 6&sub1;-6&sub4; entsprechend schwankt.
Die Anschlußenden der Meßgeräte 6&sub1;-6&sub4; sind mit dampfabgelagertem Aluminium beschichtet, um äußere elektrische Verbindungen zum Verarbeiten der ausgegebenen Widerstandssignale durch einen bekannten Schaltkreis vorzusehen. Das Ergebnis ist eine Erzeugung der Spannungen V&sub1;-V&sub4; proportional zu der Signalstärke von den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4;.
Falls erforderlich, können die Hohlräume 4&sub1;-4&sub4; mit einem flüssigen Medium gefüllt werden, welches einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist (beispielsweise Wasser, Alkohol), oder einem flüssigkeitsartigen Material (wie beispielsweise Gelatine). Dadurch können in den Hohlräumen erzeugte Mikrovibrationen erfaßt werden und in genaue elektrische Signale mit geringer Dämpfung umgewandelt werden.

I-1-2 Prinzip der Koordinatenbestimmung

Als nächstes wird das Prinzip der Bestimmung der Projektionskoordinaten unter Verwendung des Positionssensors 10 mit Bezug auf Fig. 5 erläutert. Fig. 5 ist eine vereinfachte Version des in Fig. 3 gezeigten Positionssensors und die Details wurden zum Zweck der Darstellung lediglich des Prinzips der Projektionskoordinatenbestimmung weggelassen.
Wenn eine Bedienungsperson auf eine Oberfläche des elastischen Elements 1 mit einer Fingerspitze 40 drückt, wie in Fig. 6 dargestellt, werden Vibrationskräfte an einem Punkt Pn des elastischen Elements 1 als Folge der arteriellen Blutdrücke erzeugt, welche durch die Fingerspitze wirken. Der Punkt Pn wird als wirksamer Mittelpunkt der Erzeugung der Vibrationskräfte angenommen. Mit anderen Worten wird der Punkt Pn als Mittelpunkt der Aufbringung des durch den Finger 40 erzeugten Druckpunkts angenommen.
Unter der Annahme, daß zu dem Zeitpunkt t = n Vibrationen erzeugt werden, breiten sich die Vibrationskräfte als elastische Druckwellen durch das elastische Element 1 aus. Die Druckwellen werden proportional zum Quadrat der zurückgelegten Strecke gedämpft und werden durch die Elemente S&sub1;-S&sub4; erfaßt, welche korrespondierende elektrische Spannungen V&sub1;-V&sub4; erzeugen.
Die Gleichung für die sphärische Oberfläche des elastischen Elements ist gegeben durch:
x² + y² + z² = r² (1)
wobei z > 0.
Deshalb ist der Punkt Pn(x, y) auf der sphärischen Oberfläche des elastischen Elements 1 aus der Gleichung (1) gegeben durch:
Pn(xn,yn, r² - (x²n + y²n)) (2)
Aus den Gleichungen (1) und (2) sind die Abstände zwischen dem Punkt Pn und den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; jeweils durch die folgenden Gleichungen gegeben.
= a² - 2axn + r²
= a² - 2ayn + r²
= a² + 2axn + r²
= a² + 2ayn + r² (3)
Als nächstes sind, da die Vibrationsintensitäten proportional zu einem Quadrat der Ausbreitungsstrecke von dem elastischen Element 1 abnehmen, die Spannungen V&sub1;-V&sub4;, welche durch die Elemente S&sub1;-S&sub4; erzeugt werden, umgekehrt proportional zu einem Quadrat der Ausbreitungsstrecke. Die Spannungen V&sub1;-V&sub4; sind durch die folgenden Gleichungen gegeben.
V&sub1;( a² - 2axn + r²)² = V&sub2;( a² - 2ayn + r²)² = V&sub3;( a² + 2axn + r²)² = V&sub4;( a² + 2ayn + r²)² (4)
Aus Gleichung (4) sind die Koordinaten (x, y) des Punkts Pn (x, y) durch die folgenden Gleichungen gegeben.
Wie vorstehend erläutert, können dann, wenn die Vibrationskräfte an dem Punkt Pn auf der Oberfläche des elastischen Elements 1 erzeugt werden, die Koordinaten des Punkts Pn aus den Werten der Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; von den Elementen S&sub1;-S&sub4; bestimmt werden. Die somit erhaltenen Koordinaten des Punkts Pn korrespondieren tatsächlich zu den Koordinaten des Punkts P'n, wie in Fig. 5 gezeigt, welcher eine vertikale Projektion des Punkts Pn auf die flache Oberfläche L ist (entsprechend den Projektionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; der Elemente S&sub1;-S&sub4;).
Wie durch Gleichung (5) gezeigt, wird die Koordinate xn aus den Spannungen V&sub1;-V&sub3; berechnet, welche durch die auf der x-Achse angeordneten Elemente S&sub1;, S&sub3; erzeugt werden, unabhängig von der Koordinate yn, welche aus den Spannungen V&sub2;, V&sub4; berechnet wird, die von den auf der y-Achse angeordneten Elementen S&sub2;, S&sub4; erzeugt werden. Das Berechnungsverfahren stellt sicher, daß keine gegenseitige Interferenz auftritt. Dies wird im folgenden weiter erläutert.
Durch Analysieren der Gleichung (4) im Detail ist ersichtlich, daß lediglich drei Spannungswerte aus den Elementen S&sub1;-S&sub4; erforderlich sind, um die Koordinaten xn, yn zu erhalten, jedoch wird bei diesem Verfahren die Berechnung der letzten Koordinate auf Grundlage des verbleibenden Spannungswerts durch die vorangehenden drei Spannungswerte bewirkt. Um beispielsweise die Koordinaten xn, yn auf Grundlage lediglich der Ausgangsspannungen von den Elementen S&sub1;-S&sub4; zu erhalten, wird die Koordinate xn aus den ersten Spannungen V&sub1;, V&sub3; berechnet, dann wird dieser Wert xn in Gleichung (4) eingesetzt und unter Verwendung des Spannungswerts V&sub2; kann der Wert von yn berechnet werden. Jedoch verwendet dieses Verfahren zur Berechnung der Koordinate yn die Spannungen V&sub1;-V&sub3; und wenn Unterschiede in den Ausgabecharakteristiken zwischen den einzelnen Elementen vorliegen, kann keine genaue Bestimmung der Endkoordinate durchgeführt werden.
Bei dem vorstehenden Verfahren zur Bearbeitung der Koordinatenbestimmung wird angenommen, daß das grob halbkreisförmige elastische Element 1 ein perfekt halbkreisförmiger Körper ist, d. h. es wird angenommen, daß eine Kugel exakt hälftig durch ihr Zentrum geschnitten wurde.
Vom Standpunkt des Tastsinns des Benutzers aus ist es allerdings besser, daß das elastische Element eine Gestalt eines niederen Vorsprungs besitzt, wie in Fig. 14A dargestellt. Ferner ist es wahrscheinlich schwierig, routinemäßig einen perfekt halbkugelförmigen Körper herzustellen und es ist wahrscheinlicher, daß das tatsächliche Produkt eher wie das in Fig. 14B oder 14A gezeigte gestaltet ist, welches übertriebene Formen von außermittigen Produkten sind. Es ist möglich, die Koordinaten xn, yn durch Gleichung (5) durch ein Näherungsverfahren zu bestimmen, wenn die Abweichung vom Idealfall innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.
Das Näherungsverfahren wird nachfolgend erläutert. Es wird ein näherungsweise halbkugelförmiges elastisches Element 1 betrachtet, welches durch um einen Betrag Δz außermittiges Schneiden eines perfekten halbkugelförmigen Körpers erreicht wird.
Bei einem elastischen Körper mit einem Radius r und einem Ursprung bei (O, O) sind die Positionsanzeiger Q&sub1;-Q&sub4; auf Grundlage der Elemente S&sub1;-S&sub4; wie folgt gegeben:
Q&sub1; (a, O, Δz)
Q&sub2; (O, a, Δz)
Q&sub3; (-a, O, Δz)
Q&sub4; (O, -a, Δz).
Es folgt, daß die Quadrate der Abstände zwischen Pn und den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; aus Gleichung (3) erhalten werden können, welche zu den folgenden Gleichungen führt:
² = (xn - a)² + yn² + (zn - Δz)²
² = xn² + (yn - a)² + (zn - Δz)²
² = (xn + a)² + yn² + (zn - Δz)²
² = xn² + (yn + a)² + (zn - Δz)² (6),
wobei
zn = r² - (xn² + yn²) (7),
Wie vorstehend werden die an dem Punkt Pn erzeugten Vibrationskräfte proportional zum Quadrat der Abstände gedämpft und die Spannungen V&sub1; - V&sub4; sind umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Strecken zwischen dem Punkt Pn und den jeweiligen Positionsanzeigern. Mit anderen Worten ist ein Produkt des Quadrats der in Gleichung (6) angegebenen Strecke und der korrespondierenden Spannung gleich dem bei anderen Positionsanzeigern und wie vorstehend sind die Koordinaten xn, yn des Punkts Pn durch die folgenden Gleichungen gegeben.
In Gleichung (8) kann dann, wenn der Wert von (Δz) klein genug ist, die Größe (Δz)² vernachlässigt werden.
Es ist auch aus Gleichung (8) ersichtlich, daß dann der Wert von (za · Δz) vernachlässigt werden kann, wenn die Strecke zwischen dem Ursprung und dem Positionszeigern innerhalb der Größe des Radius r so groß wie möglich gemacht wird.
Durch Vornehmen dieser Maßnahmen wird Gleichung (8) virtuell gleich Gleichung (5).
Bei dem vorstehenden Verfahren zur Berechnung der Koordinaten xn, yn wurden die Spannungswerte V&sub1;-V&sub4; in Gleichung (5) verwendet. Das folgende stellt ein alternatives Berechnungsverfahren dar.
Das Verfahren umfaßt ein Kalibrierungsexperiment, um eine Tabelle vorzubereiten, welche die Verhältnisse der Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; darstellt, welche durch Anlegen von Vibrationskräften bekannter Größe auf einen Punkt an der freiliegenden Oberfläche des elastischen Elements 1 erzeugt werden. Durch Wiederholen dieses Verfahrens an verschiedenen Punkten an der freiliegenden Oberfläche des elastischen Elements 1 ist es möglich, eine Tabelle vorzubereiten, welche sich auf die Positionen auf der freiliegenden Oberfläche zu den erzeugten Spannungen bezieht.
Die aktuellen Koordinaten (xn, yn) des Punkts Pn werden aus der Tabelle durch Finden eines Verhältnisses von Spannungen erhalten, welche aus der Berührung eines Punkts auf der freiliegenden Oberfläche des elastischen Elements 1 erzeugt wurden.
Wie vorstehend erläutert, ist es klar, daß die Form des elastischen Elements 1 nicht auf eine halbkugelförmige Form allein beschränkt ist. Andere Oberflächenformen, welche für den Benutzer geeignet sind, können ohne Einschränkung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
I-1-3 Prinzip zur Berechnung der Komponenten des Bewegungsvektors
Als nächstes wird ein Fall der Bewegung des mit Druck beaufschlagten Punkts zu einem anderen Punkt auf der Oberfläche des elastischen Elements 1 betrachtet, wie in Fig. 6 gezeigt. Der Finger 40 hat sich von einem Punkt P zum Zeitpunkt t = 0 zu einem anderen Punkt Pn+1 zum Zeitpunkt t = n + 1 bewegt. Wie vorher werden die Koordinaten (xn+1, yn+1) des projizierten Punkts P'n+1 auf der planaren Oberfläche L des mit Druck beaufschlagten Punkts Pn erhalten.
Wenn der mit der Druck beaufschlagte Punkt sich von t = n + 1 zu t = n + 2, t = n + 3 usw. bewegt, wird eine ähnliche Technik verwendet, um die jeweiligen Koordinaten der projizierten Punkte P'n+2, P'n+3 usw. zu erhalten.
Durch Subtrahieren eines während eines vorangehenden Abtastzyklus erhaltenen vorangehenden Koordinatenwerts von dem gegenwärtigen Koordinatenwert, d. h. durch Erhalten von xn + 1 - xn; und yn + 1 - yn, ist es möglich, die x- und y-Komponente eines Bewegungsvektors des mit Druck beaufschlagten Punkts während eines Abtastzyklus zu erhalten.
Ferner ist es möglich, durch Erhalten der Größe der Komponente (Bewegungsstrecke) und durch Teilen derselben durch die Dauer des Abtastzyklus, einen Geschwindigkeitsvektor des Bewegungsvektors zu dem Zeitpunkt zu erhalten. Wenn die Frequenz des Abtasttaktes Fs ist, ist der Geschwindigkeitsvektor V durch den nachfolgend gezeigten Ausdruck gegeben.

I-1-4 Klick-Betätigung

In diesem Ausführungsbeispiel erkennt dann, wenn ein Durchschnittswert der Spannungen V&sub1;-V&sub4; einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, die Zeigevorrichtung, daß eine "Klick"-Betätigung durchgeführt wurde. Diese Situation tritt dann auf, wenn ein auf einen Punkt auf dem elastischen Element 1 drückender Finger 40 den Berührungsdruck weiter erhöht. Es ist aus Gleichung (5) erkennbar, daß die Berechnung der Koordinaten auf Grundlage des Verhältnisses der Spannungen V&sub1;-V&sub4; leichter als aus deren Absolutwerten durchgeführt werden kann, und deshalb werden die speziellen Koordinaten nicht verändert, bis der Berührungspunkt verändert wird.
Die Möglichkeit der Erfassung der Klick-Betätigung kann auf dieselbe Weise verwendet werden, wie dies bei einer herkömmlichen Maus getan wird (bei welcher das Klicken durch Drücken eines Knopfes an dem Mauskörper ausgeführt wird). Beispielsweise kann das Anlegen eines relativ leichten Fingerdrucks auf das elastische Element 1 derart wirken, daß es den Cursor in einem bestimmten Teil der Anzeige an einem PC-Monitor positioniert, welcher eine bestimmte Position anzeigt. Wenn dann das Klicken ausgeführt wird, wird die Funktion aktiviert.

I-2 Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels

I-2-1 Erste Abwandlung

Eine erste Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels wird mit Bezug auf Fig. 7 erläutert.
Fig. 7A zeigt eine Draufsicht einer weiteren Form des Positionssensors 10. Fig. 7B ist eine Querschnittsansicht des Positionsanzeigers. Diejenigen Teile, welche dieselben sind wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre Erklärung wird weggelassen.
Der Positionssensor 10 umfaßt, wie vorher, einen Hohlraum 4&sub1;, welcher einem Positionsanzeiger Q&sub1; zugeordnet ist. Ein hohles Rohr 8&sub1;, welches an einer Seitenfläche des Hohlraums 4&sub1; vorgesehen ist, erstreckt sich zur Mitte der ebenen Oberfläche L und ist mit der Basis 2 verbunden. Auf ähnliche Weise sind die den Positionsanzeigern Q&sub2;-Q&sub4; zugeordneten Hohlräume 4&sub2;-4&sub4;, vorgesehen, welche diese mit der Basis 2 über die hohlen Rohre 8&sub2;-8&sub4; verbinden, die sich zum Mittelpunkt der ebenen Oberfläche L erstrecken. Die Basis 2 weist die Elemente S&sub1;-S&sub4; auf, welche mit den Öffnungen der hohlen Rohre 8&sub1;-8&sub4; verbunden sind.
In diesem Fall sind die Hohlräume 4&sub1;-4&sub4; und die hohlen Rohre 8&sub1;-8&sub4; separat von der Basis 2 hergestellt und sollten aus einem steif elastischen Material 9 hergestellt sein, wie beispielsweise aus harten Kunststoffen oder Metallen. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, da die Elemente S&sub1;-S&sub4; in Gruppen auf der Basis 2 hergestellt werden können, unabhängig von den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; und es kann ein wirksamerer Gebrauch einer gegebenen Grundfläche erzielt werden, um die Kosten der Vorrichtung zu senken.
Bei dieser Konstruktionsart ist es möglich, die Hohlräume 4&sub1;-4&sub4; und die hohlen Rohre 8&sub2;-8&sub4; mit einer Flüssigkeit oder mit flüssigkeitsartigen Substanzen zu füllen, welche eine niedrige thermische Ausdehnung aufweisen.
Die dargestellten Positionsanzeiger 10 weisen Dehnungsmeßgeräte auf, welche mit den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; auf der planaren Oberfläche L verbunden sind, um die durch die Vibrationen erzeugten Dehnungen zu erfassen. Dieser Aufbau ist auch für durch geringe erzeugte Deformation erzeugte Dehnungen geeignet, welche die Ausgangssignale direkt beeinflussen, wenn das elastische Element 1 mit einem Finger mit Druck beaufschlagt wird. Deshalb ist es bevorzugt, die Vorrichtung wie in Fig. 4 gezeigt, aufzubauen, so daß die elastischen Wellen über die Verbindungsschicht 3 und die Hohlräume 4 erfaßt werden.
Obwohl die Anzahl der Elemente in diesem Ausführungsbeispiel vier betrug, funktioniert, wie vorstehend beschrieben, die Vorrichtung gleichermaßen wirksam mit drei Elementen. Es besteht Bedarf, sicherzustellen, daß die Positionsanzeiger auf dem planaren Bodenabschnitt eines halbkugelförmigen elastischen Elements vorgesehen sind, um zu ermöglichen, daß die Vorrichtung die Positionen der Elemente mit den Positionen auf der Oberfläche des elastischen Elements 1 genau in Korrelation bringt.
Gemäß dem Positionssensor 10 in den beiden vorstehend dargestellten Ausführungsbeispielen breiten sich die durch die Vibrationen an dem Punkt P erzeugten elastischen Wellen nicht lediglich zu den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; aus, sondern breiten sich auch gleichmäßig in alle Richtungen innerhalb des elastischen Elements 1 aus. Deshalb besteht der Nachteil, daß die Drucksignalstärken V&sub1;-V&sub4; an den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; von der Größe der an dem Punkt Pn erzeugten Vibrationen abhängen. Deshalb wird dann, wenn die Signalstärken gering sind, das S/N-Verhältnis verschlechtert, d. h. das Rauschen nimmt zu.
Die folgenden Ausführungsbeispiele betreffen Vorrichtungen mit verbesserten S/N-Verhältnissen.

I-2-2 Weitere Beispiele der Positionssensoren

Die Erfinder haben entdeckt, daß dann, wenn ein Abdeckelement 81 mit einem höheren Elastizitätsmodul als der des elastischen Elements 1 (beispielsweise ein harter Kunststoff oder ein Metall) verwendet wird, um die Oberfläche des elastischen Elements 1 abzudecken, wie in Fig. 8 dargestellt, die Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; von den Elementen S&sub1;-S&sub4; über diejenigen ohne Abdeckung ansteigen.
Es wird vermutet, daß dieses Phänomen dadurch erzeugt wird, daß es für die elastischen Wellen an der Oberfläche aufgrund der Anwesenheit der Abdeckung schwierig ist, sich auf der Oberfläche des elastischen Elements 1 auszubreiten, und daß diese direkt zum Zentrum des elastischen Elements 1 gerichtet sind. Deshalb werden die Größe des Ausgangssignals von den Positionsanzeigern durch die zusätzlichen Drücke, welche an den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; abgetastet werden, vergrößert und dadurch wird die Größe der Ausgangsspannung V&sub1;-V&sub4; vergrößert. Als Folge wird vermutet, daß der Ausbreitungskoeffizient für die elastischen Wellen von der Oberfläche zu den Positionsanzeigern verbessert wurde.
Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, daß die Anwesenheit des Abdeckelements 81 einen direkten Fingerkontakt auf dem elastischen Element 1 verhindert und die Abnützung des elastischen Elements 1 durch Fingerfett verhindert wird.
Es ist auch möglich, wie in Fig. 9 gezeigt, eine Vielzahl kleiner Teile 82 des Abdeckungselements 81 über der Oberfläche des elastischen Elements 1 zu verteilen. Obwohl Fig. 9 einen Fall zeigt, in welchem die kleinen Teile 82 angeheftet sind, ist es unbedeutend, ob die kleinen Teile 82 angeheftet oder in das elastische Element 1 eingebettet sind.
Der Ausbreitungskoeffizient ist für die von den kleinen Teilen 82 zu den Positionsanzeigern laufenden Wellen höher als für diejenigen, welche von der freiliegenden elastischen Oberfläche des elastischen Elements 1 zu den Positionsanzeigern verlaufen. Deshalb besteht die Tendenz, daß die Koordinaten des Punkts Pn wahlweise hinsichtlich derjenigen Positionen der kleinen Teile 82 projiziert auf die planare Oberfläche L definiert sind. Allerdings ist dieser Vorrichtungstyp für diejenigen Anwendungsfälle wirksam, in welchen die Auflösung nicht das primäre Erfordernis ist, da die Ausgangssignale höher sind.
Es wird vorgeschlagen, daß dieses Problem durch Bereitstellen einer größeren Anzahl an kleinen Teilen 82 und strategisches Verteilen derselben über die Oberfläche des elastischen Elements 1 gelöst werden kann.

I-3 Elektrische Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels

Die elektrische Konfiguration der Zeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 2 erläutert.
Ein A/D-Wandler 11 tastet die Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; zu der durch den Takt CLK bestimmten Abtastzeit ab und wandelt die analogen Spannungssignale in digitale Signale um. Genauer gesagt liegen die abgetasteten Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; auf der Taktrate und werden mit einem Multiplexer mit einer Rate multiplexiert, welche bedeutend schneller als die Taktrate ist, und in digitale Signale umgewandelt. Durch diese Anordnung ist es möglich, Ausgangsspannungen V&sub1;-V&sub4; von den vier Elementen S&sub1;-S&sub4; unter Verwendung von lediglich einem A/D-Wandler 11 in digitale Signale zu konvertieren. Die digitalen Signale werden über eine Schnittstelle (nicht gezeigt) und einen Bus an eine CPU (zentrale Bearbeitungseinheit) 12 übertragen.
Ein ROM (random access Read Only Memory, Freizugriff-Nur-Lese-Speicher) 13 speichert die Programme und weitere für die CPU 12 erforderliche Befehle. Ein RAM (random access Read And Write Memory; Freizugriff-Lese-und- Schreib-Speicher) 14 speichert eine Koordinate zu jedem Taktzeitpunkt. Ein Zeitgeber 12 erzeugt die Basistaktfrequenz Φ zum Zuführen zu der CPU 12 sowie zum Ausgeben einer geteilten Taktfrequenz auf Grundlage der Basistaktfrequenz 9 unter dem Befehl des Steuer/Regelsignals S von der CPU 12.
Ein Pulsgenerator 16 wird zur Erzeugung von dem durch die CPU 12 berechneten Bewegungsvektor entsprechenden Pulsen verwendet, um Signale zu erzeugen, welche eine Klickbetätigung anzeigen, und gibt die erzeugten Signale über ein Kabel C (siehe Fig. 1) an eine externe Vorrichtung aus, wie beispielsweise einen PC (nicht gezeigt). Dieser Pulsgenerator 16 erzeugt keine Zählpulse, wenn er als "Absolut-Koordinaten"-Erfassungstyp verwendet wird und die Information an dem Punkt P'n wird direkt dem PC zugeführt.
Die CPU 12 berechnet die Koordinaten xn, yn nach Maßgabe der Gleichung (5) aus den abgetasteten Spannungen V&sub1;-V&sub4;, und dann, wenn anwendbar, subtrahiert sie die vorangehenden Koordinaten xn-1, yn-1, von den Koordinaten xn, yn, um die Werte der x- und y-Komponente für einen Bewegungsvektor während eines Zyklus des Takts CLK zu erhalten.
Die CPU 12 steuert/regelt auch die Frequenz des Takts CLK des Zeitgebers 12 mittels des Steuer/Regel-Signals S, so daß die Frequenz beispielsweise auf die Hälfte reduziert wird, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit schneller als ein spezieller Wert ist, oder um die Frequenz beispielsweise zu verdoppeln, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit niedriger als der spezielle Wert ist.
Weitere Operationen der CPU 12 werden nachfolgend näher erläutert.

I-4 Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels

Als nächstes wird der Betrieb der Zeigevorrichtung PD des ersten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es gibt die folgenden beiden Arten, als welche die Zeigevorrichtung PD verwendet wird:
(1) Absolut-Koordinaten-Erfassungstyp und
(2) Relativ-Koordinaten-Erfassungstyp.
Die Wahl zwischen den beiden Typen kann durch einen Schalter oder einen externen Befehl erfolgen.

(1) Absolut-Koordinaten-Erfassungstyp

Dieser Typ wird verwendet, um einen statischen Punkt zu definieren. Es wird hier angenommen, daß die Schirmkoordinaten auf dem PC-Schirm und die Koordinaten auf der ebenen Oberfläche L der PD-Vorrichtung in einer 1 : 1- Basis miteinander in Verbindung gebracht wurden, wenn die Zeigevorrichtung PD als Absolut-Typ verwendet wird.
Die Bedienungsperson positioniert einen Finger 40 auf der Oberfläche des elastischen Elements 1, wie in Fig. 6 dargestellt und drückt auf die Oberfläche. Das Zentrum des mit Druck beaufschlagten Punktes ist hinsichtlich eines vertikalen Projektionspunkts des mit Druck beaufschlagten Punktes auf der ebenen Oberfläche L definiert. Die Druckbeaufschlagungs- Operation bewirkt, daß das elastische Element 1 an dem mit Druck beaufschlagten Punkt als Zentrum vibriert, und die erzeugten elastischen Wellen breiten sich zu den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; aus.
Die elastischen Wellen werden durch die Elemente S&sub1;-S&sub4; erfaßt und dann in Spannungen V&sub1;-V&sub4; umgewandelt und digitalisiert. Die Koordinaten xn, yn werden auf Grundlage der digitalisierten Daten durch die CPU berechnet und an einen PC ausgegeben.
Dieser Betrieb wird für jede Periode des Takts CLK wiederholt, und es werden aufeinanderfolgende Koordinaten bestimmt.
Bei dem Absolut-Koordinaten-Erfassungstyp werden für jede Taktperiode die Koordinaten xn, yn durch den Positionsanzeiger Q&sub1;-Q&sub4; auf Grundlage des Punktes auf der planaren Oberfläche L erzeugt, welcher durch den mit Druck beaufschlagten Punkt auf dem elastischen Element 1 projiziert wurde. Die Ergebnisse werden an den PC ausgegeben, um einen Punkt auf den Schirmkoordinaten zu spezifizieren.
Bei dem absoluten Typ werden die elastischen Wellen nicht erzeugt und die Spannungswerte V&sub1;-V&sub4; der Elemente S&sub1;-S&sub4; sind alle einander gleich, wenn die Bedienungsperson keinen Druck auf das elastische Element 1 ausübt. Wie aus der Gleichung (5) ersichtlich, werden unter dieser Bedingung die Koordinaten (O, O), und die Cursormarkierung kehrt zum Ursprung zurück.

(2) Relativ-Koordinaten-Erfassungstyp

Dieser Typ wird verwendet, um einen sich bewegenden Punkt zu definieren. Es wird angenommen, daß die Cursormarkierung 30 eines Anfangspunktes (t = 0) eines PCs am Zentrum eines Bildschirms steht, wie in Fig. 10 gezeigt. Es sei angenommen, daß die Bedienungsperson einen neuen Cursorpunkt 31 erhalten möchte, welcher in einer rechten oberen Ecke des Schirms liegt. In diesem Fall bezeichnet "u" einen Vektor, welcher den gegenwärtigen Cursorpunkt mit einem gewünschten neuen Punkt verbindet. Es sei am Rande angemerkt, daß bei PC-Schirmen gewöhnlicherweise die positive Richtung auf der y-Achse nach unten gerichtet ist, um jedoch mit den Richtungen der Positionssensoren 10 der planaren Oberfläche L zusammenzupassen, wird in diesem Ausführungsbeispiel die Richtung nach oben als positiv angenommen.
Um die Cursormarkierung 30 zu der neuen Position zu bewegen, bewegt die Bedienungsperson den Finger 40, wie in Fig. 6B dargestellt.
Das bedeutet, daß die Bedienungsperson auf einen Punkt mit einem Finger 40 drückt (Schritt 1) und den Finger 40 entlang der Oberfläche in der Richtung des Vektors u bewegt (Schritt 2). Während sie den PC-Schirm betrachtet, wiederholt die Bedienungsperson die Schritte 1, 2, um eine Übereinstimmung zwischen der gegenwärtigen Cursormarkierung 30 und dem erwünschten Punkt 31 zu erhalten. Diese Bedienung führt zu einer Wirkung, welche ähnlich der Drehung des elastischen Elements 1 in der Richtung des Vektors u ist. Es ist allerdings anzumerken, daß das elastische Element 1 selbst sich tatsächlich nicht dreht.
Die vorstehenden Betriebsschritte werden hinsichtlich der Vorrichtungskomponenten, welche in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt wurden, erläutert.

Schritt 1

Zu der Zeit t = n, wenn die Bedienungsperson auf das elastische Element 1 drückt, breiten sich elastische Vibrationen von dem mit Druck beaufschlagten Punkt als Zentrum aus, wie in dem Fall des absoluten Typs. Die elastischen Wellen werden durch die Elemente S&sub1;-S&sub4; erfaßt, und die CPU 12 berechnet die Koordinaten xn, yn des auf die planare Oberfläche L projizierten zu dem mit Druck beaufschlagten Punkt korrespondierenden Punkts. Die Koordinaten werden vorübergehend im RAM 14 gespeichert.

Schritt 2

Wenn ein Taktzyklus vorbei ist (wenn t = n + 1), werden Koordinaten xn+1, yn+1 auf ähnliche Weise berechnet und im RAM 14 gespeichert, während die Koordinaten von dem vorangehenden Zyklus xn, yn aus dem RAM 14 ausgelesen werden. Eine Differenz wird wie nachfolgend gezeigt erhalten:
xn+1 - xn
yn+1 - yn
um x- und y-Komponenten der Bewegungsvektoren während eines Taktzyklus zu erhalten. Die Bewegungsvektoren werden dem Pulsgenerator 16 zugeführt.
In dem Pulsgenerator 16 werden Zählpulse und Richtungsmarkierungen korrespondierend zu jedem Bewegungsvektor erzeugt und an den PC ausgegeben. Die Zählpulse zeigen den Absolutwert des Vektors an und die Markierungen zeigen die Richtung des Vektors an, um die Größe und die Richtung der Bewegung zu definieren, welche für die Koordinaten xn, yn erforderlich ist. Das Ergebnis liegt darin, daß die Cursormarkierung 30 sich um eine durch die Bewegungsvektoren spezifizierte Strecke von dem vorangehenden Punkt aus bewegt und an dem ersten neuen Punkt ankommt.
Auf ähnliche Weise werden zum Zeitpunkt t = n + 2 die zweiten neuen Koordinaten berechnet:
xn+2 - xn+1
yn+2 - yn+1
Die Zählimpulse und Richtungsmarkierungen werden erzeugt, so daß sie zu dem zweiten neuen Punkt korrespondieren und werden an den PC ausgegeben. Das Ergebnis liegt darin, daß die Cursormarkierung 30 sich von dem ersten neuen Punkt zu dem zweiten neuen Punkt um die Strecke und die Richtung bewegt, welche durch die zweiten Bewegungsvektoren spezifiziert ist.
Ähnliche Berechnungen werden für jede Anzahl an Bewegungen des mit Druck beaufschlagten Punktes zu den Zeiten t = n + i ausgeführt, wobei i = 1, 2, 3..., um die jeweiligen Bewegungsvektoren aus den Koordinaten zu berechnen:
xn+i - xn+i-1
yn+i - yn+i-1
und die korrespondierenden Pulszählwerte und Richtungsmarkierungen werden erzeugt und an den PC ausgegeben, wodurch aufeinanderfolgende Bewegungen der Cursormarkierung 30 spezifiziert durch den mit Druck beaufschlagten Punkt erreicht werden.
Zusammengefaßt bewegt die Bedienungsperson den mit Druck beaufschlagten Punkt auf dem elastischen Element 1 derart, daß die Cursormarkierung 30 auf dem Schirm sich von einem Punkt zu einem erwünschten Punkt durch wiederholtes Bewegen des mit Druck beaufschlagten Punkts auf dem elastischen Element 1 bewegt und dadurch eine Anzahl von geeigneten Bewegungsvektoren u erzeugt wird, um den gewünschten Punkt auf dem Schirm zu erreichen.
Die CPU 12 steuert/regelt ferner die Frequenzteilung des Takts CLK in dem Zeitgeber 15 durch Erzeugen eines Steuer/Regel-Signals S nach Maßgabe der Geschwindigkeit V des Bewegungsvektors u, welche in Gleichung (9) erhalten wurde.
Detaillierter gesagt wird die Geschwindigkeit V in drei Bereiche geteilt, so daß:
O ≤ V < Vmin (α)
Vmin ≤ V < Vmax (β)
Vmax ≤ V (γ)
wobei V die gegenwärtige Geschwindigkeit wiedergibt und Vmin, Vmax vorbestimmte Schwellengeschwindigkeitswerte wiedergeben. Im Verhältnis zu den drei Geschwindigkeitsbereichen bestimmt die CPU 12, in welchem Geschwindigkeitsbereich die gegenwärtige Geschwindigkeit liegt und erzeugt das Steuer/Regel-Signal S, um die Taktrate des Zeitgebers 15 zu steuern/regeln. Beispielsweise wird dann, wenn die gegenwärtige Geschwindigkeit in dem (α)-Bereich liegt, der vorliegende Taktzyklus verdoppelt; wenn die Geschwindigkeit in dem (β)-Bereich liegt, wird der vorliegende Taktzyklus beibehalten; und wenn der Geschwindigkeitsbereich in dem (γ)-Bereich liegt, wird der Taktzyklus halbiert. Je nach Erfordernis werden verschiedene Steuer/Regeltechniken verwendet.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Steuern der Abtastrate wird eingesetzt, um die folgende Bewegung des mit Druck beaufschlagten Punkts in diesen Ausführungsbeispielen zu ermöglichen.
Bei dem relativen Typ ist dann, wenn die Bedienungsperson keinen Druck auf das elastische Element 1 ausübt, der Bewegungsvektor u gleich null, und die Cursormarkierung 30 wird in dem mit Druck beaufschlagten Punkt gehalten. In diesem Fall wird die Abtastperiode des Takts CLK länger, da die Geschwindigkeit gleich null ist.

(B) Zweites Ausführungsbeispiel

In dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wurde die Zeigevorrichtung PD als eigenständige Vorrichtung (stand-alone Vorrichtung), beispielsweise zur Verwendung mit einem Tisch-PC (desk-top PC), hergestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft einen anderen Zeigevorrichtungstypus und zeigt einen Fall, bei welchem die Zeigevorrichtung PD innerhalb des PC-Körpers eingebaut ist.
Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Zeigevorrichtung PD der vorliegenden Erfindung. Die Zeigevorrichtung PD ist in einen Laptop-PC 50 mit einem Anzeigebereich 17 eingebaut. In diesem Beispiel ist das elastische Element 1 derart angeordnet, daß es von dem Frontbereich der Tastatur 51 vorsteht.
Fig. 12 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm für das zweite Ausführungsbeispiel. Der Unterschied in der Schaltungskonfiguration zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 gezeigt, und em zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 12 gezeigt, liegt darin, daß eine unabhängige Schaltungsvorrichtung, ein Pulsgenerator 16, nicht erforderlich ist, da diese Funktion von dem PC 50 bereitgestellt werden kann. Die Cursormarkierung 30 ist in dem Anzeigebereich 17 gezeigt und Eingabedaten werden in den PC 50 über das Keyboard 51 eingegeben. Die CPU 12, der ROM 13 und der RAM 14, wie in Fig. 12 gezeigt, sind mit dem PC 50 gemeinsam. Das bedeutet, daß der PC 50 Berechnungen durchführt, welche mit der Definition der Koordinaten in dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem Bewegungsvektor u gemäß den Standardberechnungserfordernissen des PCs 50 zusammenhängen, um dadurch die Cursormarkierung 30 zu spezifizieren.

(C) Drittes Ausführungsbeispiel

Es wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Zeigevorrichtung PD mit Bezug auf Fig. 13 beschrieben, welche eine perspektivische Ansicht der äußeren Gestalt gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist. Die Zeigevorrichtung PD ist in einer portablen elektronischen Vorrichtung mit einer Anzeigevorrichtung 17 eingebaut, wie beispielsweise einem elektronischen Notizbuch 60. In diesem Fall ist das elastische Element 1 in dem oberen Abschnitt der Tastenschalteranordnung 61 vorgesehen. Die elektrische Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels ist dieselbe wie die in Fig. 12 gezeigte.
Das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel der Zeigevorrichtung PS stellen den Vorteil dar, daß die Miniaturisierung der Zeigevorrichtung PD durch die Beseitigung des Erfordernisses eines Bewegungsraums möglich gemacht wurde.

(D) Viertes Ausführungsbeispiel

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Zeigevorrichtung PD, angewandt bei einer Armbanduhr 20, mit einer Größe, welche sogar kleiner als die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist, wird mit Bezug auf Fig. 15 bis 17 erläutert.

D-1 Konstruktion der Armbanduhr

Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht der Armbanduhr 20 mit einer Zeigevorrichtung PD des vierten Ausführungsbeispiels.
Die Armbanduhr 20 weist ein Flüssigkristallanzeige (LCD)-Feld 24 (kurz gesagt Feld) auf, welches in der Mitte eines Uhrengehäuses M angeordnet ist. Das Feld 20 wird in der Richtung A betrachtet und zeigt normalerweise die Tageszeit an, kann jedoch auch ein Menü zum Auswählen einer Funktion anzeigen. Ein Beispiel eines Menüs ist in Fig. 16 gezeigt. Die in diesem Menü gezeigten Funktionen sind in Reihen aufgelistet und für jede Funktion ist nachfolgende Information in den Lagen unterhalb der ersten Lage gespeichert. Eine gewünschte Funktion kann mittels der Cursormarkierung 30 ausgewählt werden und eine Klick-Betätigung bringt die nachfolgende Information im Umlauf hervor.

D-2 Elektrische Konfiguration des Positionssensors

Fig. 15 zeigt ein elastisches Element 1, welches einen Teil des Positionssensors 10 umfaßt und welches unterhalb des Feldes 24 angeordnet ist. Die Schirmkoordinaten werden durch Drück- und Klick-Betätigungen auf das elastische Element 1 spezifiziert.
Die elektrische Konfiguration der Elemente S&sub1;-S&sub4; des Positionssensors 10 wird mit Bezug auf die Fig. 17 und 18 erläutert. Die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; sind variable Widerstände, um einen Ausgleich des Schaltkreises zu erreichen.
Die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; korrespondieren zu den Elementen S&sub1; - S&sub4; und sind, wie in Fig. 17 gezeigt, in Reihe mit Ausgangsanschlüssen 62 an beiden Enden verbunden. Die Enden der Reihenwiderstände sind mit einem Vorspannungsschaltkreis 60 verbunden. Der Vorspannungsschaltkreis 60 umfaßt einen Feststromschaltkreis 64; einen Schalter 66 zum Ein/Ausschalten eines Ausgangssignals von dem Schaltkreis 64; und einen Umschaltschaltkreis zum Einschalten des Schalters 66, wenn ein Steuer/Regel-Signal T hochwertig (high) H wird. Mit anderen Worten wird das Ausgangssignal von dem Feststromschaltkreis 64 an die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; angelegt, wenn das Steuer/Regel-Signal T hochwertig (high) H wird.
Wie vorstehend beschrieben, ändert sich der Widerstand einer Dehnungsmeßvorrichtung mit sich ändernden Dehnungen, so daß dann, wenn ein konstanter Strom durch die Dehnungsmeßvorrichtung 6&sub1;-6&sub4; fließt, die Spannungen V&sub1;-V&sub4; zwischen den Anschlüssen 62 proportional zu den an den Positionsanzeigern Q&sub1;-Q&sub4; auftretenden Drücken sind und die relative Größe der angelegten Drücke wiedergeben.
Es gibt eine Vielzahl von Wellenformen, welche für das Steuer/Regel-Signal T verwendet werden können, in Abhängigkeit von der Größe und dem Aufbau einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Ausgangssignalen von dem Positionssensor 10. Einige Beispiele sind in Fig. 18A dargestellt, welche ein konstantes Signal 70 zeigt, welches sowohl während der Meßperiode als auch während der Nichtmeßperiode hochwertig (high) H ist; Fig. 18B zeigt ein gepulstes Signal 72 sowohl während der Meßperiode als auch während der Nichtmeßperiode; Fig. 18C zeigt ein Signal 72, welches während der Meßperiode konstant hochwertig (high) H ist; Fig. 18D zeigt ein gepulstes Signal 76, welches lediglich während der Meßperiode hochwertig (high) wird. Hier betrifft die Meßperiode eine Periode der Erfassung von elastischen Vibrationen.
Um ein geeignetes Signal T auszuwählen, ist das Signal 70 für eine hohe Genauigkeit der Positionserfassung geeignet. Andererseits ist dann, wenn ein geringer Energieverbrauch wichtig ist, das gepulste Signal 76 geeignet. Für eine hinreichende Genauigkeit und einen hinreichenden Stromverbrauch sind die Signale 72 oder 74 geeignet.
Dies wird nachfolgend detaillierter erläutert.
Die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; weisen einen konstanten Stromfluß auf und es besteht in bestimmtem Maße Wärmeerzeugung. Deshalb ist eine Temperaturdifferenz vorhanden, wenn die Vorspannung angelegt ist und wenn diese nicht angelegt ist. Die Temperaturdifferenz führt zu einem kleinen Unterschied in den Widerständen und kann einen Fehler bei den Druckbestimmungen auslösen. Wenn das Signal 70 als Steuer/Regel-Signal T ausgewählt wird, fließt selbst während der Nichtmeßperioden Strom durch die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; und wenn Messungen durchgeführt werden, bei welchen zur thermischen Stabilisierung des Schaltkreises einige Zeit verstrichen gelassen wird, sind von den Temperaturdifferenzen herrührende Meßfehler extrem klein.
Wenn das Signal 76 als Steuer/Regel-Signal T ausgewählt wird, fließt Strom diskontinuierlich lediglich während der Meßperiode und der thermische Erzeugungseffekt ist minimal und es kann auch Energie eingespart werden. Eine weitere Energieeinsparung ist durch Betreiben des Positionssensors 10 und seines zugeordneten Schaltkreises (A/D-Wandler und Verstärker usw.) synchron zu dem Meßbetrieb möglich. Er kann derart angeordnet sein, daß die Energie lediglich dann an den Meßschaltkreis angelegt wird, wenn das gepulste Signal 76 hochwertig (high) H ist, um weiter Energie zu sparen.
Der konstante Vorspannungsstrom aus dem Konstantstrom- Ausgabeschaltkreis 64 kann verschiedene Wellenformen aufweisen. Beispielsweise können die Signale ausreichend höhere Frequenzen aufweisen als eines der gepulsten Signale 72 oder 76, wie in Fig. 18E gezeigt. Natürlich können verschiedene Kombinationen der Signale 70, 72 und 76 gewählt werden. Insbesondere wird dann, wenn das gepulste Signal 76 gewählt wird, die Periode des Anlegens der Vorspannung auf die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; sehr kurz und der Energieverbrauch ist ebenfalls sehr gering. Der Positionssensor 10 und dessen Meßschaltkreise kann synchron mit dem Anlegen der Vorspannung zur Energieeinsparung betrieben werden und lediglich während der Dauer der angelegten Vorspannung.
Es ist anzumerken, daß die Vorspannungswellenform kompatibel zu den Vibrationsdruckänderungen sein sollte, so daß diese innerhalb der Abtastmöglichkeit liegt und daß auch der zentrale Prozessor dazu in der Lage ist, die Ausgangsdaten zu bearbeiten.

D-3 Elektrische Konfiguration der Armbanduhr

Fig. 19 zeigt einen elektrischen Aufbau der Armbanduhr 20. Im Vergleich zu der in Fig. 12 gezeigten Blockschaltung weist der Uhrschaltkreis keine Tastatur 51 auf, und anstelle des Anzeigebereichs 17 wird ein LCD-Feld 24 verwendet. Das Steuer/Regel-Signal T für den Vorspannungsschaltkreis 60, wie in Fig. 17 gezeigt, wird durch einen Takt CLK erzeugt. Deshalb wird bei dem Vorspannungsschaltkreis 60 in diesem Ausführungsbeispiel die Vorspannung synchron zu dem Takt-CLK-Signal an die Dehnungsmeßvorrichtungen 6&sub1;-6&sub4; angelegt.
In Fig. 19 erzeugt ein LCD-Steuerschaltkreis 21 Zeitsignale und Anzeigedaten (auf dem LCD-Anzeigefeld 24 anzuzeigen) auf Grundlage der über einen Bus von der CPU 12 zugeführten Daten, und führt diese zu dem Vertikallinien- Steuer/Regel-Schaltkreis 22 und zu dem Horizontallinien-Steuer/Regel- Schaltkreis 23 zu. Der Vertikallinien-Steuer/Regel-Schaltkreis 22 und der Horizontallinien-Steuer/Regel-Schaltkreis 23 sind mit jeder Elektrode des Feldes 24 verbunden und steuern/regeln die jeweilige vertikale oder horizontale Elektrode. Die durch die CPU 12 zugeführten Daten werden somit auf dem LCD-Feld 24 angezeigt.

D-4 Betrieb der Armbanduhr

Der Betrieb der Armbanduhr 20 mit dem vorstehend dargelegten Aufbau wird nachfolgend erläutert.
Wenn die Uhranzeigefunktion ausgewählt wird, wird durch die CPU 12 der Basistakt Φ berechnet und der akkumulierte Takt wird auf dem Feld 24 als Tageszeit angezeigt. Die Technik ist herkömmlich und wird nicht beschrieben.
Wenn der Positionssensor 10 geklickt wird, während die Tageszeit angezeigt wird, wird die Cursormarkierung (nicht gezeigt) im Zentrum des Feldes 24 angezeigt und gleichzeitig wechselt die Anzeige zu einem Menü (siehe Fig. 16).
Zu diesem Zeitpunkt wird die Cursormarkierung zu einer gewünschten Funktion gemäß einem vorbestimmten absoluten Modus oder relativen Modus bewegt. Die gewählte Funktion wird unter Verwendung des Positionssensors 10 ausgeführt.
Es ist in diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, daß der Positionssensor 10 dazu ausgelegt ist, alle Operationen durchzuführen, welche von irgendeiner elektronischen Vorrichtung unabhängig von der Größe oder der Komplexität der Funktionen erforderlich sind.
Als abschließende Anmerkung wird ein Verfahren zum Vergrößern der Genauigkeit der Positionsbestimmung durch Korrigieren der Differenzen der Leistung der einzelnen Elemente S&sub1;-S&sub4; aufgrund der Vorrichtungseigenschaftsdifferenzen dargelegt.
Die Technik basiert auf einer Positionsbestimmung mit drei Elementen. Zuerst werden drei Elemente aus den vier Elementen ausgewählt und Koordinaten x yn werden für einen Punkt bestimmt. Als nächstes werden weitere drei Elemente ausgewählt, um die Koordinaten xn, yn zu erhalten. Die Anzahl der Wege der Auswahl von drei Elementen aus den vier Elementen beträgt vier Wege, gegeben durch &sub4;C&sub3; und die verbleibenden zwei Wege führen ebenfalls zu zwei Gruppen an Koordinaten xn, yn. Die vier Gruppen an somit unabhängig voneinander erhaltenen Koordinaten sind allesamt dieselben, wenn alle der Elemente S&sub1;-S&sub4; dieselben Eigenschaften aufweisen. Wenn keine Übereinstimmung besteht, kann angenommen werden, daß die Ausgabecharakteristiken der Elemente verschieden sind, und es können Rückberechnungen ausgeführt werden, indem die Ausgangsspannungen eingestellt werden, um gleiche Ausgangswerte von allen der vier Elemente S&sub1; -S&sub4; zu erhalten. Durch diese Technik können die einzelnen Ausgabedifferenzen korrigiert werden, um eine genauere Positionsbestimmung zu erreichen.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind als darstellend anzusehen und beschränken die Anwendung der Zeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung in keiner Weise. Es ist selbstverständlich, daß das Prinzip der Bestimmung von Projektionskoordinaten, wie dargestellt, auf weitere Formen nicht rotierender Positionsbestimmung angewendet werden kann. Beispielsweise gibt es viele Abwandlungen in der Anordnung der Druckerfassungsvorrichtungen sowie in der Wahl der Herstellungsverfahren und der Form des elastischen Elements.

Claims

1. Vorrichtung (PD) zum Erzeugen eines Signals, welches die Position eines mit Druck beaufschlagten Punkts (Pn) auf einer Fläche angibt, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen vorstehenden Körper mit einer vorstehenden Kontaktfläche (1); Druckerfassungsmittel (S&sub1;-S&sub4;), welche im Abstand zu der Kontaktfläche (1) angeordnet sind; und

Berechnungsmittel (11-16), welche auf die Druckerfassungsmittel (S&sub1;- S&sub4;) ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, welches die Position des mit Druck beaufschlagten Punkts (Pn) auf der Kontaktfläche (1) angibt, dadurch gekennzeichnet,

daß der vorstehende Körper durch auf die Kontaktfläche ausgeübten Druck erzeugte Vibrations-Drucksignale weiterleitet, derart, daß bei zunehmendem Ausbreitungsweg die Vibrations-Drucksignale abgeschwächt werden; und

daß die Erfassungsmittel die aus dem auf die Kontaktfläche ausgeübten Druck resultierenden abgeschwächten Drucksignale erfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Druckerfassungsmittel (S&sub1;-S&sub4;) zum Erfassen eines Blutdrucks in der Fingerspitze (40) eines Benutzers der Vorrichtung ausgelegt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktfläche (7) im wesentlichen halbkugelförmig oder im allgemeinen kuppelförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Körper elastisch ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsmittel (11-16) in vorbestimmten Zeitintervallen positionsangebende Signale erzeugen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsmittel (11-16) die Position des Punkts (Pn) auf der Kontaktfläche (1) in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen berechnen und ein Signal erzeugen, welches einen Bewegungsvektor des Punktes (Pn) angibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, umfassend Zeitintervall- Steuer/Regelmittel (12) zum Einstellen des Zeitintervalls nach Maßgabe der Bewegungsgeschwindigkeit des Punktes (Pn).

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckerfassungsmittel (S&sub1;-S&sub4;) drei oder vier Drucksensoren umfassen, welche äquidistant vom Mittelpunkt der Kontaktfläche (1) in drei- oder vierfacher Symmetrie im Abstand angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Element (2) mit einem Hohlraum (4&sub1;) mit einer in Verbindung mit der Kontaktfläche (1) stehenden Öffnung, wobei die Druckerfassungsmittel (S&sub1;-S&sub4;) in dem Hohlraum angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (1) ein Material (81) mit höherem Elastizitätsmodul aufweist als der eines Materials zwischen der Kontaktfläche und den Erfassungsmitteln (S&sub1;-S&sub4;).

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein von Hand gehaltenes Gehäuse (M), von welchem aus die Kontaktfläche 1) vorsteht.

12. Elektronische Zeigevorrichtung zum Zeigen auf eine feststehende Position an einem Bildschirm eines Computers, umfassend eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, wobei der vorstehende Körper ein elastisches Element (1) mit einer vorstehenden oberen Kontaktfläche und einer planaren Bodenfläche aufweist, welche an einem Basisabschnitt des elastischen Elements mittels Befestigungsmitteln angebracht ist, um die Vibrations-Drucksignale weiterzuleiten, und wobei wenigstens drei Druckerfassungsmittel in dem Basisabschnitt vorgesehen sind; und

wobei die Berechnungsmittel ein erstes Berechnungsmittel zum Berechnen von Projektionskoordinaten des mit Druck beaufschlagten Punktes umfassen, um die Koordinaten des mit Druck beaufschlagten Punktes hinsichtlich eines Zentrums des planaren Bodenabschnitts zu definieren.

13. Elektronische Zeigevorrichtung nach Anspruch 12, umfassend ein zweites Berechnungsmittel zum Berechnen der Positions-Angabesignale in bestimmten Zeitintervallen und zum Berechnen eines Bewegungsvektors zum Angeben einer positionellen Veränderung des Oberflächenpunkts in einem vorbestimmten Intervall.