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Dokumentenidentifikation DE3781938T2 19.05.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0249417
Titel Berührungsaktive Vorrichtung mit verbesserter Linearität.
Anmelder Elographics, Inc., Oak Ridge, Tenn., US
Erfinder Gibson, William A., Knoxville Tennessee 37932, US;
Talmage, Jr., John E., Oak Ridge Tennessee 37830, US
Vertreter Popp, E., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.pol.; Sajda, W., Dipl.-Phys., 8000 München; Bolte, E., Dipl.-Ing., 2800 Bremen; Reinländer, C., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bohnenberger, J., Dipl.-Ing.Dr.phil.nat., 8000 München; Möller, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 2800 Bremen
DE-Aktenzeichen 3781938
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 05.06.1987
EP-Aktenzeichen 873050207
EP-Offenlegungsdatum 16.12.1987
EP date of grant 30.09.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse G06K 11/12

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Bestimmen der Koordinaten einer Stelle in einem zweidimensionalen System und insbesondere auf einen elektrographischen berührungsempfindlichen Positionsmeßfühler, der einfach herstellbar ist und mit dem solche Punkte mit guter Linearität über einen vergrößerten Anteil der Fläche des Meßfühlers bestimmt werden können.

Es gibt viele Gebiete der Technik, in denen es erwünscht ist, elektrische Signale zu erzeugen, die irgendeinem körperlichen Punkt in einem zweidimensionalen ebenen oder nichtebenen Koordinatensystem proportional sind. Beispielsweise ist es häufig erwünscht, Diagramme oder andere Darstellungen von technischen Daten zu rekonstruieren, solche Daten in Computern zu speichern oder berührungsempfindliche Meßfühler für eine Vielzahl von Anwendungen vorzusehen. Eine Vorrichtung, die für diesen Zweck im Gebrauch ist, ist als elektrographischer Meßfühler bekannt, wobei orthogonale elektrische Felder erzeugt werden, und zwar eines in einer X-Richtung und eines in einer Y-Richtung im Koordinatensystem. Ein Kontakt oder eine andere Wechselwirkung mit dem Meßfühler an einer bestimmten Stelle mit einem Finger oder anderen Gegenstand bewirkt die Erzeugung von Signalen, die für die X- und Y-Koordinaten dieses bestimmten Punkts repräsentativ sind.

Orthogonale elektrische X- und Y-Felder der Vorrichtungen dieses Typs werden von zahlreichen Arten von Systemen erzeugt. Beispielsweise werden parallele Elektroden auf gegenüberliegende Kanten von zwei voneinander beabstandeten Flächenkörpern angeordnet, wobei die Elektroden auf dem einen Flächenkörper orthogonal zu denen auf dem zweiten Flächenkörper orientiert sind. Das elektrische Feld in der einen Richtung wird in einem Flächenkörper unter Anlegen einer Spannung an die Gruppe von Elektroden auf diesem Flächenkörper erzeugt, und das orthogonale Feld wird in dem zweiten Flächenkörper durch Anlegen einer Spannung an seine Elektroden erzeugt. Bei einer anderen Konfiguration werden dagegen die orthogonalen elektrischen Felder in einem einzigen Flächenkörper erzeugt, und zwar mit verschiedenen Konfigurationen von Elektroden entlang den Kanten des Flächenkörpers, wobei die Spannung an diese Elektroden in einer zeitlich richtig abgestimmten Folge angelegt wird. Eine typische Gruppe von Einzelflächenkörper-Meßfühlern verwendet Elektroden vom Widerstandstyp im Gegensatz zu einer anderen Gruppe, die Dioden verwendet, um die erforderlichen Spannungen anzulegen.

Bei der Einzelflächenkörper-Vorrichtung, die Widerstandselektroden verwendet, ist es wohlbekannt, daß Äquipotentiallinien, die von den Elektroden in der Mitte des Flächenkörpers erzeugt werden, im allgemeinen gerade parallele Linien in jeder der Richtungen sind. Bei Annäherung an den Umfangsrand des Flächenkörpers weichen diese Äquipotentiallinien jedoch vom Ideal ab, indem sie nichtparallele krumme Linien sind. Die Krümmung, d. h. der Bogen, wird durch den Spannungsabfall in den Widerstandselektroden erzeugt. Wenn eine Vorrichtung hoher Linearität gewünscht wird, kann sie zwar nahe der Mitte der Vorrichtung erhalten werden, nicht jedoch am Rand der Vorrichtung, und zwar wegen dieser nichtparallelen gebogenen Äquipotentiallinien nahe dem Rand.

Um hohe Linearität über die gesamte größere Fläche der Vorrichtung zu erzielen, wurden viele spezielle Elektrodensysteme vorgeschlagen, um den Linearitätsbereich des Instruments zu vergrößern. Beispielsweise sind in US-PS 3 798 370 zum Anlegen der Spannung an den Flächenkörper die Elektroden in einer Krümmung oder einem Bogen entlang jeder Kante angeordnet, so daß die Spannungsabfälle im Widerstandselement entlang den Rändern der Vorrichtung wenigstens teilweise kompensiert werden. Das wird dort unter Bezugnahme auf Fig. 2 erörtert.

In ähnlicher Weise sind spezielle Elektrodenkonfigurationen in der US-PS 4 079 194 und in der US-PS 4 178 481 gezeigt und beschrieben. In diesen Patentschriften werden spezielle Elektrodenkonfigurationen verwendet, um die Krümmung zu verringern, um die wirksame Fläche eines Meßfühlers gegebener Größe zu vergrößern.

Eine weitere komplexe "Elektroden"-Konfiguration ist in der US-PS 4 293 734 gezeigt. Diese Elektroden nehmen erheblichen Raum entlang dem Rand des Meßfühlers ein (siehe beispielsweise Fig. 3 und 8 der US-PS 4 293 734). Außerdem kombiniert in der US-PS 4 293 734 das gezeigte Netzwerk das umfangsmäßige Widerstandsnetzwerk mit den Elektroden zum Einleiten von Potentialen in die Widerstandsschicht, so daß eine Änderung in dem einen sich auf das andere auswirkt und somit keine individuelle Justierung erfolgt.

Eine weitere Patentschrift auf dem allgemeinen Gebiet von "Meßfühlern" ist die US-PS 4 493 104. In dieser Patentschrift wird eine Einheit beschrieben, die einen linearen Spannungsabfall und einen linearen Spannungsgradienten entlang jeder Kante hat. Ein linearer Spannungsabfall, wie er erreicht wird, bedeutet tatsächlich gekrümmte Äquipotentialfeldinien; das würde wiederum irgendeine Einrichtung erforderlich machen, um die Krümmung zu vermindern, um einen maximalen aktiven Bereich zwischen den Kanten des Meßfühlers zu erhalten. Die Patentschrift befaßt sich nicht mit dem Fall von gekrümmten Feldern.

Zahlreiche Arten von Meßfühlern werden als Transparentauflage auf einem Bildschirm wie etwa einem Computer-Terminal in Form einer Kathodenstrahlröhre verwendet. Solche Bildschirme haben nach außen gekrümmte (konvexe) Ränder. Wenn Meßfühler nach dem Stand der Technik mit nach innen verlaufenden Elektroden (oder zumindest nach innen gerichteten gebogenen Feldern) auf diesen Bildschirmgeräten verwendet werden, ist der aktive Bereich eines Meßfühlers kleiner als die potentiell verfügbare Fläche des Bildschirms.

Ein System zur Verminderung der Krümmung in den Äquipotentiallinien und zur dementsprechenden Steigerung der wirksamen Größe eines gegebenen Meßfühlers ist in der EP-Patentanmeldungsveröffentlichung 0 186 464 beschrieben. Dieses System verwendet eine einzige Reihe von Elektroden entlang jeder Kante der Widerstandsschicht des Meßfühlers, wobei die Länge der Elektroden, die Räume zwischen ihnen und die Größe der an jede angelegten Spannung so gewählt sind, daß der Spannungsgradient entlang der Reihe von Elektroden den Spannungsabfall entlang einem Widerstandselement, das die Spannung zu den Elektroden liefert, überwindet.

Wir haben einen alternativen Typ von berührungsempfindlichem Meßfühler gegenüber demjenigen nach der EP 0 186 464 entdeckt, der ein lineares Ausgangsverhalten über einen größeren Anteil der Oberfläche des Meßfühlers liefert, indem die Krümmung von Äquipotentiallinien entlang Kanten des Meßfühlers verringert wird. Die vorliegende Erfindung gibt einen berührungsempfindlichen Positionsmeßfühler an, der folgendes aufweist:

(a) eine Widerstandsschicht, die einen gewählten, im wesentlichen in der ganzen Schicht gleichmäßigen spezifischen Widerstand hat;

(b) ein Widerstandselement, welches langgestreckte Segmente hat, die jeweils im allgemeinen längs jedes der Umfangsränder der Widerstandsschicht angeordnet sind, um in der Widerstandsschicht orthogonale elektrische Felder zu erzeugen, wobei jedes der Segmente des Widerstandselements (i) gegenüberliegende Enden aufweist, die mit den benachbarten Enden der angrenzenden Segmente des Widerstandselements verbunden sind, und (ii) mit der Widerstandsschicht in elektrischer Verbindung steht;

(c) eine Vielzahl von diskontinuierlichen Isolierbereichen von jeweils gewählter wirksamer Länge in der Widerstandsschicht, die entlang einem gewählten Pfad längsseits der Segmente des Widerstandselements angeordnet sind und Räume von gewählter wirksamer Länge und Breite zwischen benachbarten Isolierbereichen bilden, wobei der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht in diesen Räumen Widerstandselektrodenelemente erzeugt, die gewählte Widerstandswerte haben, wobei die gewählten wirksamen Längen der Isolierbereiche und die selektiven Widerstandswerte der Widerstandselektrodenelemente so gewählt sind, daß ein gewählter Spannungsgradient längs des Pfades erzeugt wird, um jeglichen Spannungsabfall längs des Widerstandselements auszugleichen, wenn die orthogonalen Felder durch die Widerstandselektrodenelemente in die Widerstandsschicht eingeführt werden; und

(d) eine Einrichtung zum Ableiten von Ausgangssignalen, die Koordinaten eines gewählten Punkts auf der Widerstandsschicht entsprechen.

Die Positionierung der Isolierbereiche, die Widerstandselektrodenelemente bestimmter Größe und mit bestimmten Räumen vorsieht, kompensiert jeden Spannungsabfall entlang dem Widerstandselement. Ohne diesen Ausgleich würde, wenn beispielsweise das Widerstandselement allein vorhanden wäre, eine Krümmung der Äquipotentiallinien längs der Kanten des Meßfühlers vorhanden sein, und in diesem gekrümmten Bereich würde ein nichtgleichmäßiges Ausgangsverhalten vorliegen. Die vorliegende Erfindung verringert in vorteilhafter Weise die Größe dieser Krümmung. Daher ist die Kompensation so ausgelegt, daß über einen größeren Anteil des Meßfühlers ein im wesentlichen lineares Ausgangsverhalten vorhanden ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung wird die Oberfläche, über die ein lineares Ausgangsverhalten erreicht wird, als "ein aktiver Bereich" bezeichnet.

Nachstehend werden einige besondere Vorteile des Meßfühlers gemäß der Erfindung aufgeführt. Der Meßfühler kann so hergestellt werden, daß er eine minimale Fläche hat, die für Einrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Feldern darin bestimmt ist. Der Meßfühler kann über dem Bildschirm von Bildschirmgeräten verwendet werden, was zu einer optimalen Nutzung des Raums derselben führt. Es kann ein Einzelflächenkörper-Meßfühler gebildet werden, der kostengünstig herstellbar ist und der die Krümmung, die normalerweise bei den bekannten Vorrichtungen vorhanden ist, erheblich verringert oder beseitigt.

Gemäß der Erfindung wird eine Schicht mit einem gleichmäßigen spezifischen Widerstand angegeben. Diese Schicht kann entweder durchsichtig oder undurchsichtig sein und kann unter Anwendung von konventioneller Technologie gebildet sein. In elektrischer Verbindung mit dieser Schicht ist das genannte Widerstandselement positioniert, durch das gewählte Spannungen an die Widerstandsschicht entlang ihren Kanten angelegt werden können. Ein Stromfluß von dem Widerstandselement in die Widerstandsschicht ist auf Bereiche von gewählter Breite begrenzt durch das Vorsehen einer ausgerichteten Reihe von Isolierbereichen, indem beispielsweise vorgesehen ist, daß die Widerstandsschicht ein Material aufweist, das in den Isolierbereichen fehlt, so daß der Stromfluß begrenzt wird, indem er durch die Räume zwischen diesen Isolierbereichen geht. Die Isolierbereiche sind bevorzugt relativ lang, und zwar bevorzugt in Richtung längs der Reihe. Diese Begrenzung des Stromflusses zu den dazwischenliegenden Räumen erzeugt einen gewählten Spannungsgradienten längs der Reihe. Insbesondere ist der wirksame Spannungsgradient längs der Reihe gewählt, um der Krümmung entgegenzuwirken, die sonst aufgrund des Spannungsabfalls längs des Widerstandselements vorhanden wäre.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Widerstandselement durchgehend, hat einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand und steht mit der Widerstandsschicht an ihren Umfangskanten in durchgehendem Kontakt. Das Element ist typischerweise gebildet durch Aufbringen eines Streifens von Widerstandsmaterial, der einen spezifischen Widerstand hat, der etwa 0,01mal so groß ist wie der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht. Eine typische Breite des Streifens ist 0,25 cm (0,1 Zoll). Statt dessen kann ein Streifen aus Widerstandsband verwendet werden, der entweder einen durchgehenden oder willkürlichen elektrischen Kontakt mit der Widerstandsschicht erzeugt. Auch kann ein durchgehendes Widerstandselement verwendet werden, das an diskreten Stellen mit der Widerstandsschicht elektrisch verbunden ist. Dieses kann beispielsweise dem Draht gleichen, der in der vorgenannten EP- Patentveröffentlichung Nr. 0 186 464 gezeigt ist. Eine weitere Konstruktion ist ein nichtdurchgehendes Widerstandselement. Jede der alternativen Konstruktionen kann entweder auf die Widerstandsschicht aufgebracht (oder davon überdeckt) sein oder nahe den Umfangskanten der Widerstandsschicht positioniert sein.

Die Einrichtungen zum Ableiten von Ausgangssignalen von dem Meßfühler können eine Reihe von Formen haben. Beispielsweise können die Einrichtungen folgendes aufweisen: (a) ein kapazitives Element zum Anbringen angrenzend an die Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt und einen Schaltkreis, der mit den Enden des Widerstandselements verbunden ist, um die Wirkung des kapazitiven Elements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen; oder (b) ein kapazitives Element zum Anbringen in Kontakt mit der Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt, und einen Schaltkreis, der zwischen das kapazitive Element und die Enden der Widerstandselemente geschaltet ist, um die Wirkung des kapazitiven Elements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen; oder (c) ein Widerstandselement zum Anbringen in Kontakt mit der Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt, und einen Schaltkreis, der zwischen das kapazitive Element und die Enden des Widerstandselements geschaltet ist, um die Wirkung des Widerstandselements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen; oder (d) einen Schaltkreis, der mit den Enden der Widerstandselemente verbunden ist, um orthogonale elektrische Felder in die Widerstandsschicht einzuleiten, und eine leitfähige Einrichtung zur Kontaktierung der Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt, um von der Widerstandsschicht an diesem Punkt Spannungssignale zu erhalten. Im letztgenannte Fall ist die leitfähige Einrichtung bevorzugt eine leitfähige flexible Abgriff-Folie, die von der Widerstandsschicht einen gleichmäßigen Abstand hat, und weist ferner eine Einrichtung auf, um einen unbeabsichtigten Kontakt zwischen der Abgriff-Folie und der Widerstandsschicht zu verhindern, aber einen beabsichtigten Kontakt an dem gewählten Punkt zuzulassen. In diesem Fall kann die Schaltungseinrichtung zwischen die Abgriff-Folie und die Enden der Widerstandselemente geschaltet sein, um Ausgangssignale abzuleiten, die den Koordinaten eines Kontaktpunkts zwischen der Abgriff-Folie und der Widerstandsschicht entsprechen. Die bevorzugte Einrichtung zum Ableiten der Ausgangssignale ist die leitfähige Abgriff-Folie, aber die übrigen Systeme wie etwa die leitfähige Sonde, die die Widerstandsschicht berührt, oder ein kapazitives oder Widerstandselement (Finger oder Sonde), das angrenzend an einen (oder in Kontakt mit einem) gewählten Bereich des Meßfühlers plaziert wird, sind ebenfalls denkbar.

Bestimmte Längen, Breiten, Formen und Abstände der Isolierbereiche sind bevorzugt. Bevorzugt sind die Längen der Isolatoren und die Räume zwischen ihnen viereckig. Aber andere Konfigurationen, wie etwa oval, kreisrund usw. sind ebenfalls geeignet, und zwar insbesondere, wenn die Isolierbereiche geringe Größe haben.

Bei manchen Meßfühler-Ausführungsformen ist die Kontrolle der Krümmung im äußersten Drittel jeder Umfangskante der Widerstandsschicht in Richtung zu jeder Ecke am kritischsten. Daher sind bei bevorzugten Ausführungsformen die Isolierbereiche nur in diesen Bereichen des äußersten Drittels vorgesehen, und zwar speziell, um die Herstellung zu vereinfachen. Eine solche Konfiguration ist typisch für einen kleinen Meßfühler von z. B. 10 cm·10 cm (4·4 Zoll).

Die Größe, Breite und Beabstandung der Isolierbereiche kann gleichmäßig oder verschieden sein. Bei einem kleinen Meßfühler (typischerweise 10·10 cm) kompensieren gleichmäßige Größe und Beabstandung den Spannungsabfall ausreichend. Bei größeren Meßfühlern tritt jedoch ein höherer Spannungsabfall längs des Widerstandselements auf. Daher ist in diesen Fällen eine sorgfältigere Erzeugung von Spannungsgradienten erwünscht. Bei diesen Anwendungen ist es erwünscht, daß der Spannungsgradient von den Ecken des Meßfühlers in Richtung zur Mitte jeder Kante abnimmt. Bei diesen Ausführungsformen wird es insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bevorzugt, daß die gewählte wirksame Länge der Isolierbereiche von jeder Ecke der Widerstandsschicht zu einer Mittellinie jeder der Umfangskanten der Widerstandsschicht hin abnimmt und daß die wirksame Länge der Räume zwischen aneinandergrenzenden Isolierbereichen von jeder Ecke der Widerstandsschicht zu der Mittellinie der Umfangskanten hin zunimmt. Bevorzugt haben außerdem sämtliche Isolierbereiche gleichmäßige Breite senkrecht zu dem Pfad. Ein größerer Meßfühler mißt typischerweise 30 cm·30 cm (12·12 Zoll).

Bei einem kleinen Meßfühler (typischerweise 10 cm·10 cm oder 4 Zoll·4 Zoll) sind die bevorzugten Dimensionen für die Isolierbereiche die folgenden:

cm Mitte-Mitte-Abstand 0,7 (0,25 Zoll)

Breite 0,13 (0,05 Zoll)

Raum dazwischen, der die Widerstandselektrodenelemente bildet 0,10 (0,04 Zoll).

Bei solchen Größen haben die Widerstandselektrodenelemente (in den Räumen zwischen den Isolierbereichen) Werte von 0,10·0,13 cm (0,04·0,05 Zoll). Der tatsächliche Widerstandswert ist dann von dem spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht abhängig.

Bei einem größeren Meßfühler (typischerweise 30 cm·30 cm oder 12 Zoll·12 Zoll) sind bevorzugte Dimensionen für die Isolierbereiche die folgenden:

Länge, abnehmend von der Ecke zur Mitte der Kante der Widerstandsschicht, von 2,54 cm bis 0,51 cm (1,0 bis 0,2 Zoll);

Räume dazwischen, zunehmend von der Ecke zur Mitte der Kante, von 0,06 bis 2,03 cm (0,025 bis 0,8 Zoll)

Für jede Meßfühlergröße ist der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht bevorzugt 10 000 Ohm pro Quadrat, und der spezifische Widerstand des Widerstandselements (typischerweise eines Streifens mit einer Breite von 0,25 cm = 0,1 Zoll) ist bevorzugt 100 Ohm pro Quadrat. Bevorzugt ist der spezifische Widerstand RE des Widerstandselements etwa 0,01mal so groß wie der spezifische Widerstand RL der Widerstandsschicht.

Die Widerstandsschicht kann auf einem Substrat vorgesehen werden, beispielsweise durch Siebdrucken unter Verwendung einer geeigneten Druckfarbe. Die Isolierbereiche können somit gebildet werden, indem das Widerstandsmaterial (z. B. Druckfarbe) auf diesen Bereichen weggelassen wird.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Ansicht einer Vorrichtung, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, wobei die Komponenten getrennt (auseinandergezogen) dargestellt sind;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Oberfläche der Widerstandsschicht und die Zuleitungen für das Widerstandselement und den Kontaktflächenkörper gezeigt sind und die Vorrichtung auf einem Substrat angebracht ist; und

Fig. 3 eine Teildraufsicht, die einen Quadranten einer anderen Ausführungsform einer Anordnung von Isolierbereichen zeigt, speziell zur Verwendung auf größeren Meßfühlern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort bei 10 eine Explosionsansicht einer Vorrichtung zum Erreichen der vorgenannten Ziele gezeigt. Die gezeigten Komponenten sind in dieser Fig. 1 nur zum Zweck der besseren Erläuterung vereinzelt und nicht, um anzudeuten, daß die Komponenten trennbar sein müssen. Bei der speziellen Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Träger 12 vorgesehen, der als ein Substrat angesehen werden kann. Dieses Substrat 12 kann entweder starr oder flexibel sein. Auf eine Oberfläche 14 des Substrats ist ein Begrenzungselement 16 aus Widerstandsmaterial aufgebracht. Der Widerstandswert und die Konfiguration dieser Begrenzung werden nachstehend erläutert. Der Zweck dieser Begrenzung ist es, elektrische Felder in eine Widerstandsschicht 18 einzuleiten, die in elektrischem Kontakt mit der Widerstandsbegrenzung liegt. Eine äquivalente Konstruktion würde man erhalten durch Aufbringen der Widerstandsschicht 18 auf die Oberfläche 14 des Substrats und anschließendes Aufbringen der Widerstandsbegrenzung 16 auf die Oberseite oder in deren Nähe. Um die elektrischen Felder zu erzeugen, werden geeignete Spannungen an jede der Ecken, z. B. 20, der Widerstandsbegrenzung 16 über elektrische Leiterbahnen, z. B. 22, angelegt.

Die Spannung wird dem aktiven Bereich des Meßfühlers durch "Widerstandselektrodenelemente" 24 aufgeprägt, die durch die Verwendung von Isolierbereichen 26 gebildet sind. Im vorliegenden Fall soll der Ausdruck "Isolierbereich" einen Bereich bedeuten, der keine Widerstandsschicht aufweist. Diese Isolierbereiche 26 sind schmal und im wesentlichen rechteckig und sind in einer Reihe nahe der inneren Kante der Widerstandsbegrenzung 16 orientiert. Typischerweise werden die Isolierbereiche gebildet, indem das Aufbringen der Widerstandsschicht in diesen Bereichen verhindert oder die aufgebrachte Widerstandsschicht durch geeignete Mittel entfernt wird. Die Breite dieser Isolierbereiche 26 und ihre wirksame Länge (wirksame Länge, die dem aktiven Bereich zugewandt ist), die ihre Beabstandung entlang der Reihe beeinflußt, sind so gewählt, daß die resultierenden Widerstandselektrodenelemente dazwischen einen Spannungsgradienten entlang der Reihe ausbilden, der den Spannungsabfall entlang der Widerstandsbegrenzung 16 kompensiert.

Die Isolierbereiche haben gleichmäßige Größe und Beabstandung und sind nur am äußersten Drittel jeder Kante der Widerstandsschicht 18 in Richtung zu jeder Ecke positioniert. Dies wird bei kleinen Meßfühlern von typischerweise 10 cm·10 cm bevorzugt.

Die Mitte-Mitte-Abstände der Zwischenräume zwischen Isolierbereichen betragen 0,7 cm. Die Breite B (senkrecht zu dem aktiven Bereich) der Isolierbereiche ist 0,13 cm, und jeder der Räume A dazwischen, die die Widerstandselektrodenelemente bilden, ist 0,1 cm. Somit sind die Widerstandselektrodenelemente 0,1 cm·0,13 cm. Der tatsächliche Widerstandswert hängt außerdem vom spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht ab. Bei dieser Ausführungsform beträgt der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht bzw. der Widerstandselektrodenelemente 10 000 bzw. 100 Ohm pro Quadrat.

Das Widerstandselement 16, wie es in den Figuren gezeigt ist, ist ein durchgehendes Widerstandselement in durchgehendem Kontakt mit der Widerstandsschicht. Diese ist, wie noch angegeben wird, gebildet durch Aufbringen eines Streifens aus Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand, der etwa 0,01mal so groß wie der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht ist. Die Breite des Streifens ist 0,1 Zoll.

Jede Ecke der Widerstandsbegrenzung 16 ist über eine Leiterbahn 22 mit einem Verbinder 27 verbunden, so daß der Meßfühler 10 an einem Kabel befestigt werden kann, das zu geeigneten Schaltkreisen führt (Fig. 2). Dieses Kabel liefert beispielsweise Spannungen in der richtigen Folge, so daß orthogonale Äquipotentialfelder in der Widerstandsschicht ausgebildet werden.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort eine Abgriff- Folie 28 gezeigt, die eine flexible, leitfähige Folie ist, an der bei 30 eine Zuleitung 32 befestigt ist (vgl. Fig. 2 in bezug auf die Zuleitung 32, die an dem Verbinder 27 befestigt ist). Obwohl nicht gezeigt, sind typischerweise Inseln aus Isoliermaterial zwischen der Widerstandsschicht 18 und der Abgriff-Folie 28 angeordnet, um einen unbeabsichtigten Kontakt zu verhindern, aber einen beabsichtigten Kontakt zuzulassen, wenn die Abgriff-Folie an einem gewählten Punkt eingedrückt wird. Während dieses Kontakts werden Spannungssignale erhalten, die sich auf die Koordinaten des kontaktierten Punkts beziehen. Weitere Trenneinrichtungen einschließlich eines Luftzwischenraums können ebenfalls verwendet werden, um einen unbeabsichtigten Kontakt zu verhindern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Meßfühlers gezeigt, die sich besonders für größere Meßfühler als diejenigen eignet, die für die Konstruktion der Fig. 1 und 2 bevorzugt sind.

In diesem Fall soll der Spannungsgradient von den Ecken des Meßfühlers zur Mitte jeder Kante hin abnehmen. Daher sind bei dieser Ausführungsform des Meßfühlers 10' die Isolierbereiche 26' mit abnehmender Länge in Richtung zur Mitte ausgebildet, und die Zwischenräume 24' (die Widerstände) nehmen an Breite zu. Der Meßfühler von Fig. 3 mißt 30 cm (12 Zoll) entlang einer Kante, die Isolierbereiche nehmen von ca. 2,54 cm auf 0,51 cm (von 1 Zoll auf 0,2 Zoll) ab, und die dazwischen befindlichen Räume nehmen von ca. 0,06 auf 2,03 cm (0,025 auf 0,8 Zoll) bei einem spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht von 10 000 Ohm pro Quadrat zu. Der spezifische Widerstand des streifenförmigen Widerstandselements ist typischerweise 100 Ohm pro Quadrat bei einer Breite von 0,25 cm (0,1 Zoll).

Mit der Konstruktion gemäß der Erfindung werden im wesentlichen nichtgekrümmte elektrische Äquipotentiallinien erzeugt, wenn geeignete Spannungen angelegt werden. Auf diese Weise ist im wesentlichen der gesamte Bereich zwischen den gegenüberliegenden Reihen von Isolierbereichen für den aktiven Bereich des Meßfühlers nutzbar. Somit existiert eine sehr kleine Begrenzung von nichtnutzbarem Bereich, und diese Randbegrenzung wird ohne weiteres von einem Deckring oder dergleichen einer Bildschirmeinheit überdeckt.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß eine Positionsmeßfühlervorrichtung erhalten wird, bei der ein maximaler aktiver Bereich erhalten wird, indem die Krümmung von Äquipotentiallinien nahe den Kanten des Meßfühlers im wesentlichen beseitigt ist. Insbesondere wird diese Verbesserung durch wesentlich vereinfachte Herstellungsschritte erreicht. Sowohl die Widerstandsbegrenzung (die irgendeine der oben erläuterten Konfigurationen hat) als auch die Widerstandsschicht werden typischerweise durch Siebdrucken mit einer geeigneten Druckfarbe erzeugt, wenn der Meßfühler undurchsichtig sein soll. Bei einem durchsichtigen Meßfühler kann die Widerstandsschicht beispielsweise halbleitendes Metalloxid sein, das auf ein durchsichtiges Substrat aufgebracht ist. Die Widerstandsbegrenzung kann durch Siebdrucken unter Verwendung einer geeigneten Druckfarbe aufgebracht sein, da dieser Bereich nicht durchsichtig zu sein braucht. Sowohl bei einem undurchsichtigen als auch bei einem durchsichtigen Meßfühler werden die Isolierbereiche nahe den Kanten gebildet, indem entweder die Widerstandsbeschichtung nicht aufgebracht wird (was insbesondere bei undurchsichtigen Meßfühlern einfach durchführbar ist) oder die Beschichtung in diesen Bereichen nach einem Aufbringen der Widerstandsbeschichtung über die gesamte Oberfläche entfernt wird. Außerdem können die Leiterbahnen durch Siebdrucken von leitfähigem Material gebildet werden.

Es wurden zwar nur spezielle Ausführungsformen beschrieben, für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die hier enthaltenen Lehren die Herstellung weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben. Beispielsweise sind zwar die Isolierbereiche als entlang einer geraden Reihe ausgerichtet gezeigt, eine solche Reihe von Bereichen kann aber gekrümmt sein, wie es für einen speziellen Anwendungsfall erwünscht oder notwendig sein kann.


Anspruch[de]

1. Berührungsempfindlicher Positionsmeßfühler (10), der folgendes aufweist:

(a) eine Widerstandsschicht (18), die einen gewählten, im wesentlichen in der ganzen Schicht gleichmäßigen spezifischen Widerstand hat;

(b) ein Widerstandselement (16), welches langgestreckte Segmente hat, die jeweils im allgemeinen längs jedes der Umfangsränder der Widerstandsschicht (18) angeordnet sind, um in der Widerstandsschicht (18) orthogonale elektrische Felder zu erzeugen, wobei jedes der Segmente des Widerstandselements (16) (i) gegenüberliegende Enden aufweist, die mit den benachbarten Enden der angrenzenden Segmente des Widerstandselements (16) verbunden sind, und (ii) mit der Widerstandsschicht (18) in elektrischer Verbindung steht;

(c) eine Vielzahl von diskontinuierlichen Isolierbereichen (26) von jeweils gewählter wirksamer Länge in der Widerstandsschicht (18), die entlang eines gewählten Pfades längsseits der Segmente des Widerstandselements (16) angeordnet sind und Räume von gewählter wirksamer Länge und Breite zwischen benachbarten Isolierbereichen bilden, wobei der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht (18) in diesen Räumen Widerstandselektrodenelemente (24) erzeugt, die gewählte Widerstandswerte haben, wobei die gewählten wirksamen Längen der Isolierbereiche (26) und die selektiven Widerstandswerte der Widerstandselektrodenelemente (24) so gewählt sind, daß ein gewählter Spannungsgradient längs des Pfades erzeugt wird, um jeglichen Spannungsabfall längs des Widerstandselements (16) auszugleichen, wenn die orthogonalen Felder durch die Widerstandselektrodenelemente (24) in die Widerstandsschicht (18) eingeführt werden; und

(d) eine Einrichtung zum Ableiten von Ausgangssignalen, die Koordinaten eines gewählten Punktes auf der Widerstandsschicht (18) entsprechen.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, wobei das Widerstandselement (16) durchgehend ist, einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand hat und mit der Widerstandsschicht (18) in durchgehendem Kontakt steht.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Ableiten von Ausgangssignalen eine der folgendem Komponenten aufweist:

(a) ein kapazitives Element zum Anbringen angrenzend an die Widerstandsschicht (18) an dem gewählten Punkt, und einen Schaltkreis, der mit den Enden der Segmente des Widerstandselements verbunden ist, um die Wirkung des kapazitiven Elements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen;

(b) ein kapazitives Element zum Anbringen in Kontakt mit der Widerstandsschicht (18) an dem gewählten Punkt, und einen Schaltkreis, der zwischen das kapazitive Element und die Enden der Segmente des Widerstandselements geschaltet ist, um die Wirkung des kapazitiven Elements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen;

(c) ein Widerstandselement zum Anbringen in Kontakt mit der Widerstandsschicht (18) an dem gewählten Punkt, und einen Schaltkreis, der zwischen das kapazitive Element und die Enden der Segmente des Widerstandselements geschaltet ist, um die Wirkung des Widerstandselements an dem gewählten Punkt zu messen und die Ausgangssignale zu erzeugen;

(d) einen Schaltkreis, der mit den Enden der Segmente des Widerstandselements verbunden ist, um orthogonale elektrische Felder in der Widerstandsschicht (18) einzuleiten, und eine leitfähige Einrichtung zur Kontaktierung der Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt, um von der Widerstandsschicht an diesem Punkt Spannungssignale zu erhalten.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, Unterabsatz (d), wobei die leitfähige Einrichtung eine leitfähige, flexible Abgriff-Folie (28) ist, die von der Widerstandsschicht (18) einen gleichmäßigen Abstand hat, aber einen beabsichtigten Kontakt an dem gewählten Punkt erlaubt, mit einer Einrichtung, die einen unbeabsichtigten Kontakt verhindert und die vorzugsweise aus einer Vielzahl von isolierenden Inseln besteht, welche zwischen der Widerstandsschicht (18) und der leitfähigen, flexiblen Abgriff-Folie (28) angeordnet sind.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gewählte wirksame Länge der Isolierbereiche (26) von jeder Ecke der Widerstandsschicht aus zu einer Mittellinie jeder der Umfangskanten der Widerstandsschicht (18) abnimmt, und die wirksame Länge von Räumen zwischen einander benachbarten Isolierbereichen (26) von jeder Ecke der Widerstandsschicht aus zu der Mittellinie der Umfangskanten zunimmt, und alle Isolierbereiche (26) eine gleichmäßige Breite rechtwinklig zu dem Pfad haben.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Isolierbereiche (26) längs eines gewählten Teils des Pfades angeordnet sind, wobei der gewählte Teil im wesentlichen ein Drittel der Umfangskanten der Widerstandsschicht (18), den Ecken derselben am nächsten, ausmacht, die gewählte wirksame Länge der Isolierbereiche (20) gleichmäßig ist und die gewählte wirksame Länge der Abstände (24) zwischen den Isolierbereichen (26) gleichmäßig ist, wobei diese Isolierbereiche (26) eine gleichmäßige Breite rechtwinklig zu dem Pfad haben.

7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht etwa 10000 Ohm pro Quadrat und der spezifische Widerstand der Widerstandselemente etwa 100 Ohm pro Quadrat ist und entweder:

(a) jede der Umfangskanten der Widerstandsschicht (18) etwa 10,2 cm (vier Zoll) lang und die gewählte wirksame Länge jedes der Isolierbereiche (26) etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) ist, die Isolierbereiche (26) etwa 1,27 mm (0,05 Zoll) breit sind, und die gewählte Länge der Räume zwischen den Isolierbereichen (26) etwa 1,02 mm (0,04 Zoll) beträgt; oder

(b) jede der Umfangskanten der Widerstandsschicht (18) etwa 30,5 cm (12 Zoll) lang ist, die gewählte wirksame Länge der Isolierbereiche (26) gleichmäßig von etwa 2,5 cm (1,0 Zoll) in der Nähe der Ecken der Widerstandsschicht (18) auf etwa 5,1 mm (0,2 Zoll) zur Mittellinie jeder Umfangskante der Widerstandsschicht (18) abnimmt, und die gewählte Länge der Räume zwischen den Isolierbereichen von etwa 0,64 mm (0,025 Zoll) in der Nähe der Ecken auf etwa 2,0 cm (0,8 Zoll) zur Mittellinie zunimmt.

8. Meßfühler nach Anspruch 2 oder einem der davon abhängigen Ansprüche, der einen aktiven Bereich mit linearem Ausgangsverhalten bietet, wobei:

(a) die Widerstandsschicht (18) ein Material aufweist, welches einen gewählten, im wesentlichen gleichförmigen spezifischen Widerstand RL hat,

(b) das durchgehende Widerstandselement (16) einen im wesentlichen gleichförmigen spezifischen Widerstand RE hat, wobei der spezifische Widerstand RE etwa 0,01 mal so groß ist wie der spezifische Widerstand RL;

(c) die Vielzahl von diskontinuierlichen Isolierbereichen (26) vom Material der Widerstandsschicht frei ist, und der gewählte Pfad in der Widerstandsschicht (18), in dem sie angeordnet sind, längsseits der Segmente des Widerstandselements (16) verläuft, und (d) die Einrichtung zum Ableiten von Ausgangssignalen eine Spannungseinrichtung zur Erzeugung der orthogonalen Felder, eine leitfähige Einrichtung zum Kontaktieren der Widerstandsschicht an dem gewählten Punkt und weitere Schaltungseinrichtungen aufweist, die zwischen die leitfähige Einrichtung und die Widerstandselemente geschaltet sind, um Potentiale der Felder an dem gewählten Punkt als Maß von Koordinaten des gewählten Punktes zu bestimmen.

9. Meßfühler nach Anspruch 8, wobei die leitfähige Einrichtung eine leitfähige, flexible Abgriff-Folie (28) gemäß Anspruch 4 aufweist.

10. Meßfühler nach Anspruch 9, wobei die weiteren Schaltungseinrichtungen zwischen die Abgriff-Folie (28) und die Enden der Segmente des Widerstandselements (16) geschaltet ist.







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