DE3816208A1 - Tastfeld-einrichtung und verfahren zu ihrer verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tastfeld-Einrichtung und das Verfahren zu ihrer Verwendung. Das Tastfeld (als Tast-Bildschirm oder Berührungs-Tastatur) kann mit verschiedenen Typen von elek­ tronischen Informationsanzeigeschirmen, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren oder anderen Typen von flachen Anzeige­ tafeln, verwendet werden.

Gegenwärtig existierende Tastfeld-Systeme gehören verschie­ denen Typen an. Einige Typen verwenden Widerstandsmembranen, wobei diese Vorrichtungen jedoch leicht verkratzt werden und häufig das von dem Schirm kommende Licht schwächen. Derartige Vorrichtungen sind außerdem feuchtigkeitsempfindlich.

Ein anderer Typ einer Tastfeld-Vorrichtung weist ein kapa­ zitives Tastfeld auf, das aus einem über dem Bildschirm ange­ ordneten transparenten Substrat mit einem dauerhaften Metall­ oxid aufgebaut ist. Dieser Typ eines Tastfelds verkratzt nicht so leicht wie die Widerstandsmembran, erfordert jedoch eine leitfähige Sonde und spricht nicht auf behandschuhte Finger oder auf Schreibstifte an.

Ein anderer Typ eines Tastfelds ist ein akustisches Feld, bei dem Schallwellen zur Anwendung kommen, die durch den Finger oder einen anderen Schreiber oder einen anderen Gegen­ stand unterbrochen werden. Dieser Feldtyp hat eine hohe Auf­ lösung und schwächt das Licht nicht, weist jedoch den Haupt­ nachteil auf, daß er nicht in der Lage ist, zuverlässig große Objekte festzustellen und außerdem empfindlich gegenüber Schmutz und Streuobjekten auf dem Bildschirm ist.

Andere gegenwärtige Tastfeld-Vorrichtungen arbeiten nach dem Prinzip, daß die Bedienungsperson zwei zueinander senkrechte Lichtstrahlen unterbricht, wenn die Bedienungsperson den Bild­ schirm berührt. Eine dieser Vorrichtungen verwendet eine Reihe von Infrarot-LEDs (lichtemittierende Dioden) entlang zweier benachbarter Kanten eines rechteckigen Schirms, wobei die LEDs geradlinig zu gegenüberliegenden Kanten des recht­ eckigen Schirms weisen. Entlang den beiden gegenüberliegenden Kanten befinden sich Reihen von Infrarot-Fototransistoren oder Fotodetektoren, die in einem 1 : 1-Verhältnis gerade auf die LEDs weisen. Derartige Vorrichtungen erfordern eine große Anzahl von Infrarot-Strahlern und -Detektoren und erfordern darüber hinaus zahlreiche elektrische Bauteile zur Analyse der Signale.

Angesichts dieses Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Tastfeld-System und ein Verfahren zu seiner Verwendung anzugeben.

Insbesondere soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Tast­ feld-System mit einer verminderten Anzahl beweglicher Teile geschaffen werden, das ein Festkörpersystem ist und das zu­ verlässig und robust ist. Es soll ferner die Schwächung des Anzeige-Lichts so gering wie möglich halten und in Form einer Vorrichtung vorliegen, die mit allen Typen von flachen Anzeige­ tafeln verwendet werden kann, beispielsweise mit Gleichstrom- Gasentladungs-Anzeigetafeln, Wechselstrom-Gasentladungs-An­ zeigetafeln, Flüssigkristall-Anzeigetafen, Elektrolumineszenz- Anzeigetafeln, vakuumfluoreszierenden Anzeigetafeln und anderen Typen von Informations-Anzeigetafeln.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung zu schaffende Tastfeld- Vorrichtung soll ferner die Einwirkung des Umgebungslichts auf den Betrieb der Vorrichtung so weit wie möglich ausschal­ ten und außerdem die Bildschärfe des auf der Anzeigetafel zu verwendenden Signals verbessern.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Tastfeld-System zu schaffen, das einfach in der Herstellung ist, haltbar bei seiner Verwendung und im Betrieb effizient.

Diese Aufgabe wird durch ein Tastfeld-System mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Paar von sinus­ förmig schwingenden Zungen verwendet, die einen ersten und einen zweiten Strahl von Infrarot-Energie ablenken und die dadurch bewirken, daß die Strahlen über einen bestimmten Winkel einen offenen Bereich innerhalb eines Tragerahmenwerks überstreichen. Jeder Energiestrahl wird bei seinem Über­ streichen der offenen Fläche von einem Rückstrahler an der gegenüberliegenden Kante des Rechtecks so reflektiert, daß er in einem Winkel von 180° zurück zu der Zunge und zu einem Detektor reflektiert wird, der sich in unmittelbarer Nachbar­ schaft der Energiequelle befindet. Ein Finger oder eine an­ dere Unterbrechungssonde unterbricht den Strahl der Infra­ rot-Energie, was zu einer momentanen Intensitätsabnahme führt. Diese kann von den Detektoren des Tastfeld-Systems erkannt werden und in ein Signal verwandelt werden, das zu seiner visuelle Darstellung an den Bildschirm weitergeleitet werden kann.

Die Schwingung der Zunge ist so synchronisiert, daß ein Mikro­ prozessor die Winkelstellung des Strahls im Moment der Unter­ brechung errechnen kann. Das erhaltene Tastfeld-System ist verläßlicher als die vorbekannten Vorrichtungen.

Die schwingende Zunge kann auf verschiedene Art konstruiert sein. Ein Zungentyp wird so aufgebaut, daß man Schichten eines piezoelektrischen PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Polymer­ films nimmt und diese durch Zusammenkleben zu einem Laminat verarbeitet. Jede Schicht des Laminats weist eine Dicke von etwa 9 µm bis etwa 54 µm auf und hat einen dünnen Metallfilm auf jeder seiner Seiten, üblicherweise Nickel oder Zinn- Aluminium. Der PVDF-Film ist in polarisierter Form im Handel erhältlich, und zwar so, daß er sich ausdehnt, wenn er einer Spannung in einer Richtung quer zu seiner Dicke ausgesetzt wird, und sich zusammenzieht, wenn diese Spannung umgekehrt wird. Das Polymerblatt wird zuerst in schmale Streifen ge­ schnitten, die Abmessungen von etwa 0,635×5,08 cm aufweisen. Diese Streifen werden so miteinander verklebt, daß die Polari­ sationsvektoren des PVDF einer jeden Schicht entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Indem man nur zwei Schichten auf diese Weise miteinander verbindet, wird die Zunge eine Doppelplatte (im Sinne eines Zweielementkristalls). Der Leim, der verwendet werden kann, ist beispielsweise ein "Carter′s Rubber Cement", der mit zehn Teilen Toluol pro ein Teil Kleb­ stoff verdünnt ist. Der verdünnte Klebstoff wird so aufge­ strichen, daß er sich zwischen zwei Schichten des piezo­ elektrischen Polymerfilms befindet. Ein leitfähiges Epoxid­ harz wird dazu verwendet, eine elektrische Verbindung zwischen den beiden innenliegenden Oberflächen des Films herzustellen, so daß sie auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten werden. Danach wird ein Ende des Doppelplattenstreifens mit elektrischen Verbindungen versehen, um ihn anzutreiben. Die Doppelplatte wird mit einer kleinen Klammer montiert, die es ermöglicht, die Länge der Doppelplatte einzustellen, so daß eine Einstellung der Schwingungsfrequenz der Zunge möglich ist. Die Zunge wird mit einem Wechselstrom von etwa 150 V und einer Frequenz von etwa 50 Hertz angetrieben. Die Zunge vibriert oder oszilliert, weil die Doppelplatte im Grunde ein Bimetallstreifen ist. Wenn senkrecht zu den Schichten der Doppelplatte eine Spannung angelegt wird, bewirkt die entgegengesetzte Anordnung der Polarität der beiden Streifen der Doppelplatte, daß eine Schicht sich ausdehnt, während sich die andere zusammenzieht. Da die beiden miteinander verklebt sind, schwingt die Zunge vor und zurück und erzeugt eine oszillierende Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von dem angelegten Wechselstrom. Es ist dabei bevorzugt, daß die Zunge eine volle Auslenkung von etwa 45° aufweist, was es ermöglicht, den Lichtstrahl um etwa 90° abzulenken.

Ein ähnliches Ergebnis kann erhalten werden, wenn man ein piezoelektrisches keramisches Mikroplättchen (Wafer) ver­ wendet, das an einem langgestreckten biegsamen Kunststoff­ streifen oder einer solchen Zunge befestigt ist. Das piezo­ elektrische keramische Mikroplättchen weist zwei oder mehr Teile eines piezokeramischen Materials auf, die unter Bildung einer Schichtstruktur miteinander laminiert sind, die os­ zilliert, wenn eine sinusförmige Spannung in der richtigen Weise angelegt wird. Die Piezokeramik ist gegenüber der zuerst beschriebenen laminierten Zunge bevorzugt, weil die Kermaik, die starrer ist, leichter zu handhaben ist und weil die Wahr­ scheinlichkeit ihrer Beschädigung geringer ist. Die Piezo­ keramik, die hart und starr ist, verbiegt sich, knickt sich oder knittert weniger leicht als die oben beschriebene la­ minierte Zunge.

Das Ende der Zunge weist einen Spiegel auf, der geeignet ist, den Strahl zu reflektieren.

Über eine ausgefeilte Programmierung entsprechender mathe­ matischer Gleichungen ist es möglich, mit Hilfe eines Mikro­ prozessors die Lage der schwingenden Zunge zu errechnen und damit auch den Ort des Infrarotstrahls bezüglich der Ober­ fläche der Kathodenstrahlröhren-Anzeigevorrichtung. Das er­ möglicht dann in einem weiteren Schritt die Errechnung des Orts des unterbrechenden Gegenstands, beispielsweise des Fin­ gers oder eines Schreibgeräts.

Der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Rückstrahler ist vorzugsweise ein rückstrahlendes Band. Dieses Band hat die Eigenschaft, den Strahl zurück in die gleiche Richtung zu reflektieren, aus der er aufgetroffen ist, und zwar unab­ hängig vom Einfallswinkel des Strahls. Das führt dazu, daß die Energie zu ihrer Quelle zurückkehrt. Es sind verschiedene Typen eines derartigen rückstrahlenden Bands bekannt, die von der Minnesota Mining and Manufacturing Company unter den Handelsnummern 7800, 7900, 7590 und 3870 hergestellt und ver­ trieben werden.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Lichtquelle und das zugehörige Detektorsystem umfassen einen Infrarotstrahler und einen dazu passenden Fototransistor, die beide auf ein­ fache Weise im Handel erhältlich sind.

Ein Strahl Infrarotenergie wird von dem Strahler erzeugt und von einem Reflexionsspiegel reflektiert, in dem ein Loch ausgeführt ist. Die Energie wird dadurch auf einen Spiegel gerichtet, der an der schwingenden Zunge angeordnet ist und der den Strahl so reflektiert, daß dieser die Oberfläche der Kathodenstrahlröhre in einem vorgegebenen Winkel über­ streicht. In jedem beliebigen Moment wird dabei dieser Strahl von dem rückstrahlenden Band reflektiert und zurück auf den Spiegel an der schwingenden Zunge geleitet. Da die Energie während dieser Zeit höchstens etwa 61 cm Weg zurücklegt, ist die Stellung der Zunge bei dem Widerauftreffen des rückge­ strahlen Strahls im wesentlichen unverändert, da nur etwa 2 Nanosekunden an Zeit verstrichen sind. Der Strahl wird dann von dem Zungenspiegel zurück zu dem Spiegel mit dem sehr kleinen Loch darin reflektiert, und der durch das Loch tretende Strahl erreicht den Detektor.

Die Vorrichtung weist ferner noch ein Paar von Detektoren für die Endstellungen der Abtastbereiche auf, die feststellen, wenn der Abtaststrahl das Endes seines Abtastzyklus erreicht.

Wenn ein Gegenstand, wie beispielsweise ein Finger oder eine Sonde, den Lichtstrahl unterbricht, liefert der Strahldetektor dieses Signal zu einer Regelvorrichtung. Die Regelvorrichtung setzt die Signale aus den Abtaststrahl-Detektoren und den Abtast-Enddetektoren zueinander in eine zeitliche Beziehung und verwendet dann den erhaltenen Wert dazu, den Winkel zu errechnen, um den jeder Abtaststrahl zum Zeitpunkt seiner Unterbrechung ausgelenkt war. Der erhaltene Wert wird dann dazu verwendet, durch Triangulation die XY-Koordinaten der Sonde bezüglich des Schirms zu errechnen.

Eine andere Funktion der Regelvorrichtung (Controller) be­ steht darin, die Zeit des Abtast-Endsignals zu messen und den gemessenen Wert an die Energiequelle zurückzuliefern, die die Klemmenspannung für die oszillierenden Zungen liefert. Dieser Wert steuert die an die Oszillatoren angelegte Spannung, so daß die Amplitude der schwingenden Zunge konstant gehalten wird.

Die von der Regeleinrichtung zur Berechnung des Orts des Fingers der Bedienungsperson auf dem Bildschirm verwendete mathematische Theorie besteht im folgenden: Wenn der Finger einer Person auf den Bildschirm zeigt und die Abtaststrahlen unterbricht, wird von beiden Strahlablenkungs-Detektoren (Biege­ detektoren) ein Signal zu der Regelvorrichtung geliefert. Das Programm in der Regelvorrichtung vergleicht die Zeiten der von den Abtast-Enddetektoren gelieferten Impulsen mit den Zeiten der Impulse aus den Strahlablenkungs-Detektoren. Der Win­ kel der Strahlen im Moment ihres Auftreffens auf den Ziel- Finger errechnet sich wie folgt:

Winkel = 180° - 2(a) + cos 2(ft),

worin a die Amplitude der Bewegung der Zunge in Grad ihrer Ablenkung ist, f die Frequenz der Zunge ist und t die Zeit innerhalb des Abtastzyklusses, zu der der Strahl unterbrochen wird. Die Größen a und f sind bekannt, und die Größe t wird durch den Computer durch Vergleich der Signale aus dem Abtast- Enddetektor und den Strahlablenkungs-Detektoren ermittelt. Unter Verwendung dieser drei Größen kann der Computer die Winkel der beiden Strahlen gemäß der obgien Formel errechnen.

Um die XY-Koordinaten des Orts, des Ziels oder Fingers zu erhalten, müssen zwei oder mehr simultane Gleichungen gelöst werden, in denen man die wie oben berechneten Winkel verwendet. Die Gleichungen lauten:

worin X, Y, L, R und d so definiert sind, wie es in Fig. 10 der Zeichnungen zu erkennen ist.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren Bezug genommen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kathodenstrahlschirm mit einer darüber angeordneten Tastfeld-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer in der vorliegenden Erfindung verwendbaren schwingenden Zunge;

Fig. 2B eine vergrößerte Teilansicht des Bereichs innerhalb der kreisförmigen Linie 2B von Fig. 2A;

Fig. 3A eine Schnittdarstellung einer modifizierten Aus­ führungsform einer in der vorliegenden Erfindung ver­ wendbaren Zunge;

Fig. 3B eine vergrößerte Teilansicht des von der keisförmigen Linie 3B in Fig. 3A umschriebenen Bereichs;

Fig. 4A eine Schnittansicht einer weiteren modifizierten Aus­ führungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Zunge;

Fig. 4B eine vergrößerte Teilansicht des von der Linie 4B umschriebenen Bereichs von 4A;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Klemme, die die Zunge von Fig. 4A hält;

Fig. 6 eine schematische Ansicht, die die wesentlichen Be­ standteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihn Zusammenwirken zeigt;

Fig. 7 eine Blockdiagrammansicht der Einrichtung für den An­ trieb der schwingenden Zunge;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der signalformenden Schaltung, die mit den Strahlablenkungs-Detektoren und den Abtast-Enddetektoren verbunden ist;

Fig. 9 eine Blockdiagramm-Ansicht, die die Regelvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 eine Diagrammdarstellung, die die Berechnung der Winkel der Strahlen gemäß der vorliegenden Erfindung er­ läutert; und

Fig. 11 eine Teilansicht ähnlich der von Fig. 1, wobei jedoch eine modifizierte Ausführungsform mit rotierenden Spiegeln anstelle von schwingenden Zungen gezeigt ist.

Bezug nehmend auf die Zeichnungen bezeichnet das Bezugs­ zeichen 10 generell das Tastfeld-System der vorliegenden Erfindung. Das System 10 umfaßt einen rechteckigen Rahmen 12 mit oberen und unteren Rahmenteilen 14 und 16 sowie seit­ lichen Rahmenteilen 18 und 20, die eine rechteckige Öffnung 22 bilden. Der Rahmen 12 kann über einem Kathodenstrahl- Bildschirm oder einer anderen Anzeigetafel 24 angeordnet werden, die durch die rechteckige Öffnung 22 frei zugänglich sind.

Am oberen Rahmenteil 14 ist ein Paar von Gehäusen 26, 28 montiert, von denen jedes einen Infrarotstrahler 30 und einen Infrarotsignal-Detektor 32 enthält. Innerhalb der Gehäuse 26 und 28 ist ferner eine diagonale Oberfläche 34 angeordnet, die eine kleine Öffnung 36 (Fig. 6) aufweist, die von einem Spiegel 37 umgeben ist. Die Öffnung 36 ist ein Nadelloch, das geeignet ist, einen Lichtstrahl durch den Spiegel 37 zu dem Detektor 32 durchzulassen. Wenn der Strahler 30 in Be­ trieb gesetzt wird, erzeugt er einen Infrarotlicht-Strahl, der auf den Spiegel 37 trifft und von dem Spiegel 37 in einem Winkel auf einen Spiegel 38 abgelenkt wird, der sich am Ende einer Zunge 40 befindet, die zwischen einem Paar von einstell­ baren leitenden Klemmen 42 und 44 mit Hilfe von Anschluß­ schrauben 46 (Fig. 5) eingeklemmt ist.

Die Zunge 40 ist so ausgelegt, daß sie bei der Zuführung eines Wechselstroms über die Klemmen 42 und 44 schwingt. Wenn somit ein Infrarotlicht-Strahl auf den Spiegel 38 an der Zunge 40 trifft, wird dieser über den Schirm 24 zu einem reflektieren­ den Band 48 abgelenkt, das sich um die Basis und die Seiten des rechteckigen Rahmens 12 herum erstreckt.

Das reflektierende Band 48 ist ein rückstrahlendes Band, das dafür sorgt, daß der Infrarotstrahl genau entgegen der Rich­ tung seines Einfalls auf das zurückstrahlende Band 48 reflek­ tiert wird. Das führt dazu, daß der reflektierte Strahl zu dem Spiegel 38 am Ende der Zunge 40 zurückkehrt und von diesem Spiegel zu dem Nadelloch 36 im Spiegel 37 abgelenkt wird, durch welches er auf den Detektor 32 auftrifft. Die Wege der Strahlen aus den zwei Strahlern 30 sind durch die Pfeile 50, 52 in Fig. 1 gezeigt.

Am oberen Rahmenteil 14 des rechteckigen Rahmens 12 ist auch ein Paar von Abtastend-Detektoren 54 montiert, die so ausge­ legt sind, daß sie die Lichtstrahlen 50, 52 dann empfangen, wenn diese beim Abtasten ihre obersten Extrempositionen während der Schwingung der Zungen 40 erreichen.

Der Aufbau der Zunge 40 ist in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Die Zunge 40 enthält zwei biegsame langgestreckte Teile 56, 58, die mit Hilfe eines Klebstoffs 60 laminatartig verbunden sind. Die Teile 56, 58 können aus irgendeinem flexiblen Material bestehen, sind jedoch vorzugsweise aus Polyethylen­ terephthalat (Mylar) oder irgendeinem anderen haltbaren Kunst­ stoff hergestellt. Jedes Teil 56, 58 weist einen dünnen leit­ fähigen Film 62 auf einer seiner Oberflächen auf sowie einen anderen, davon getrennten, dünnen leitfähigen Film 64 auf der anderen seiner Oberflächen. Jedes Teil 56, 58 ist etwa 9 µm bis 54 µm dick. Zwischen den einander zugekehrten leitfähigen Oberflächen 62 der beiden Streifen ist ein leitfähiges Epoxid­ harz 61 angeordnet, so daß diese innenliegenden leitfähigen Oberflächen auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten werden.

Ein Paar von elektrischen Zuleitungen 66, 68 sind mit den beiden leitfähigen Klemmenteilen 42, 44 so verbunden, daß das Anlegen einer Wechselspannung senkrecht zur Dicke der laminierten Zunge 40 ermöglicht wird.

Die Teile 56, 58 umfassen eine polarisierte piezoelektrische PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Polymerfolie und sind so mitein­ ander verklebt, daß die Polarisationsvektoren es PVDF einer jeden Schicht einander entgegengesetzt ausgerichtet sind. Das führt zur Ausbildung einer Doppelplatte (im Sinne eines Zweielementkristalls). Das senkrecht zu der Doppelplatte an­ gelegte elektrische Potential wird von einem 150 V-Wechsel­ strom mit einer Frequenz von etwa 50 Hertz angetrieben, und die Zunge schwingt infolge des Anlegens dieses Wechselstroms. Zu der Schwingung kommt es, weil die Vorrichtung ihrem Wesen nach ein Bimetallstreifen ist und beim Anlegen der Spannung eine Schicht der Doppelplatte sich ausdehnt, während sich die zweite Schicht zusammenzieht. Da die beiden miteinander verklebt sind, springt die Zunge vor und zurück, weil die beiden Teile 56 und 58 aufeinander eine Schub- bzw. Zug­ wirkung ausüben.

Um eine Strahlablenkung über die gesamte Oberfläche des Bild­ schirms zu erhalten, ist es erwünscht, daß die Zungen eine Schwingungsweite von etwa 45° aufweisen. Um einen Schwingungs­ bereich dieser Weite zu erhalten, ist es erforderlich, daß die Frequenz der Spannung auf die natürliche Schwingungs­ frequenz der Zunge abgestimmt ist, so daß die beiden in Resonanz sind. Das führt dann dazu, daß die Infrarotstrahlen 50, 52 den Bildschirm in einer Rotationsbewegung überstreichen, deren Drehachse am Spiegel 38 der Zunge 40 liegt und die in­ folge eines Abtastbereichs von etwa 90° den gesamten Schirm 24 in wirksamer Weise erfaßt.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine modifizierte Ausführungs­ form der Zunge, die durch das Bezugszeichen 70 bezeichnet ist. Die Zunge 70 weist ein einziges langgestrecktes Kunst­ stoffteil auf, das an seinem Ende einen Spiegel 38 aufweist. An die beiden gegenüberliegenden Seiten des Teils 70 am dem Spiegelende entgegengesetzten Ende ist ein Paar von polari­ sierten piezoelektrischen keramischen Mikroplättchen (Wafern) 72, 74 angeordnet. Wie in Fig. 2B zu erkennen ist, enthält jedes Mikroplättchen 72, 74 einen leitfähigen Film 76 auf einer Oberfläche und einen davon getrennten weiteren leit­ fähigen Film 78 auf seiner gegenüberliegenden Oberfläche. Ein leitfähiges Epoxidharz 71 hält die beiden innenliegenden, einander zugekehrten leitfähigen Filme 78 auf dem gleichen elektrischen Potential. Die Polarisationsvektoren der beiden Mikroplättchen 72, 74 sind einander entgegengesetzt, so daß sich unter der Einwirkung einer über die Klemmen 42, 44 ange­ legten Spannung das eine Mikroplättchen ausdehnt, während sich das andere zusammenzieht. Diese keramischen Mikroplätt­ chen sind daher piezoelektrisch und in der Lage, eine Schwingung der Zunge 70 unter der Einwirkung der an die Klemmen 42, 44 angelegten Wechselspannung zu bewirken. Die Piezokeramik, die hart und starr ist, verbiegt sich nicht, faltet sich nicht und knittert nicht, wie das bei einer Zunge gemäß der in Fig. 4A gezeigten Ausführungsform der Fall sein kann. Das Polyethylenterephthalat- oder Kunst­ stoffteil 70 oszilliert mit großen Amplituden (etwa 45°), wenn zwischen der Spannung und der natürlichen Resonanzfrequenz des Teils 70 Resonanz erzielt ist.

Die Fig. 3A und 3B zeigen einen weiteren Typ einer Zunge 80, die an einer ihrer Enden einen Spiegel 38 aufweist und die mit ihrem anderen Ende mit einem Anschluß 82 versehen ist. Der Anschluß 82 ist seinerseits mit einem Paar von keramischen Mikroplättchen 84, 86 verbunden, die auf ihren entgegenge­ setzten Oberflächen Filme 88, 90 aufweisen. Ein leitfähiges Teil 92 ist sandwichartig zwischen den Mikroplättchen 84, 86 angeordnet und erstreckt sich aus diesen so weit heraus, daß es mit einer dritten Zuleitung 93 verbunden werden kann, wie in Fig. 3A dargestellt ist. Das schafft einen parallelen elektrischen Anschluß zum Anlegen einer Spannung zwischen der Zuleitung 93 und den Zuleitungen 66, 68. Aufgrund der parallelen elektrischen Anschlüsse sind die piezokeramischen Teile 72, 74 mit ihren Polaritäten in der gleichen Richtung ausgerichtet, so daß sich das eine ausdehnt und das andere zusammenzieht, wenn ein Spannung zwischen der Zuleitung 93 und den anderen beiden Zuleitungen 66, 68 angelegt wird. Das führt dazu, das das Teil 80 unter dem Einfluß einer angelegten Wechselspannung zwischen der Zuleitung 93 und den anderen beiden Zuleitungen 66, 68 schwingt.

Bezug nehmend auf Fig. 8 wird die Schaltung erläutert, die zur Modifizierung der von den Strahlablenkungsdetektoren 32 und den Abtastend-Detektoren 54 gelieferten Signalen ver­ wendet wird. Ein Filter oder eine signalformende Schaltung 94 wird dazu verwendet, die beiden von den Strahlablenkungs- Detektoren 32 gelieferten Signalen zu filtern. Das Bezugs­ zeichen 96 zeigt ein typisches Signal, wie es zu Beginn von den Strahlablenkungs-Detektoren 32 geliefert wird. Das Signal enthält einen Bereich mit niedriger Amplitude und wird mit dem Bezugszeichen 98 bezeichnet, sowie einen ver­ größerten Bereich mit einer hohen Amplitude, der mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Der Bereich 98 gibt das Signal wieder, wie es empfangen wird, wenn die Strahlen bei ihrer Bewegung über den Schirm 24 nicht unterbrochen werden und zurück zu ihrer Ausgangsquelle reflektiert werden. Der Bereich 100 des Signals zeigt das Signal, das erhalten wird, wenn der Strahl durch einen Finger oder eine Sonde unter­ brochen wird.

Der Zweck der Filterschaltung 94 besteht darin, den normalen Bereich 98 aus den beiden Signalen aus den beiden Strahl­ ablenkungs-Detektoren 32 herauszufiltern, so daß nur der Bereich 100 eines jeden Signals übrig bleibt, der die Unter­ brechung der Strahlen durch die Sonde repräsentiert. Die Filterschaltung 94 enthält zwei Filter 102, 103, die Dioden 106 bzw. 107 enthalten. Der Filter 102 ist so ausgelegt, daß er ein Signal von einem der beiden Strahlablenkungs-Detek­ toren 32 empfängt, während der Filter 103 das Signal aus dem anderen der beiden Strahlablenkungs-Detektoren 32 empfängt. Der Filter 102 ist mit einem Komparator 108 und der Filter 103 mit einem Komparator 109 verbunden.

Die Signale aus den beiden Strahlablenkungs-Detektoren 32 werden getrennt den Filtern 102, 103 zugeführt. Die beiden Filter 102, 103 ändern ihre jeweiligen Signale so, daß die von dem Bezugszeichen 104 dargestellten Signalformen erzeugt werden. Das Signal 104 zeigt eine Verminderung des normalen Bereichs 98, was zu einem ausgeprägteren Unterschied zwischen dem Bereich 98 und dem Bereich 100 des Signals führt.

Nachdem sie die Filter 102 und 103 passiert haben, passieren die beiden Signale die Dioden 106 bzw. 107. Die Dioden 106 und 107 liefern eine signifikante Verbesserung der Signale, indem sie den unteren Bereich eines jeden Signals abschnei­ den und den Unterbrechungsabschnitt 100 im wesentlichen allein übrig lassen. Es wurde festgestellt, daß durch die Verwendung der Dioden 106 und 107 die auf dem Bildschirm 24 erhaltene Zeichenschärfe sehr viel besser ist als eine Zeichenschärfe, die ohne der Verwendung der Dioden 106 und 107 erzeugt wird.

Die beiden Signale passieren dann die Komparatoren 108 und 109, die nur den Durchtritt eines Signals mit der Amplitude des Signals 100 gestatten. Aus den Komparatoren 108 und 109 werden die Signale zu einer Regeleinrichtung (Controller) 110 übertragen, die als Blockdiagramm in Fig. 9 gezeigt ist.

Die Abtastend-Detektoren schicken ihre Signale ebenfalls durch eine Signalmodifikationsschaltung, die durch das Bezugszeichen 112 gekennzeichnet ist, wobei das elektrische Signal von der mit Bezugszeichen 114 gezeigten Form in eine Form gemäß Signal 116 geändert wird. Das Signal 116 wird dann der Regeleinrich­ tung 110 zugeführt.

Nunmehr Bezug nehmend auf Fig. 9 werden in der Regeleinrichtung (dem Controller) 110 die Signale aus den Strahlablenkungs- Detektoren 32 und den Abtastend-Detektoren 54 zeitlich zuein­ ander in Beziehung gesetzt, und der erhaltene Wert wird dazu verwendet, den Winkel eines jeden Abtaststrahls zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Strahls durch die Sonde zu errechnen. Der Zeitvergleich wird durch die Blöcke 118, 120 dargestellt, und die Winkelberechnung durch den Block 122. Wenn der Winkel der Strahlen einmal bestimmt ist, kann die Regeleinrichtung dann die X- und Y-Koordinaten des Orts der Sonde durch Triangulation errechnen, wobei Block 124 diese Berechnung darstellt. Die erhaltene Information wird dann zu einem Kommunikationsprogramm innerhalb der Regeleinrichtung geleitet, die dazu verwendet werden kann, die geeignete In­ formation zu dem Wirtscomputer zur Steuerung der Kathoden­ strahlröhre zuzuführen. Das Endergebnis ist dann das, daß die Bedienungsperson durch Anordnung der Sonde an dem Bildschirm bewirken kann, daß ein entsprechendes visuelles Signal auf dem Bildschirm selbst erscheint.

Die Regeleinrichtung übt ferner die zusätzliche Funktion aus, daß sie das Abtastend-Signal zeitlich mißt und diesen Wert an die Energiequelle zurückliefert, die die angelegte Spannung für das Oszillieren der Zungen liefert. Dieser Wert, der zurück­ geführt wird, steuert die den Oszillatoren zugeführte Spannung so, daß die Amplitude der schwingenden Zunge konstant gehalten wird.

Fig. 6 zeigt schematisch das gesamte System für die linke Hälfte der Vorrichtung. Der Infrarot-Treiber veranlaßt den Strahler 30, einen Infrarotstrahl abzustrahlen, der auf den Spiegel 34 auftrifft und zu dem Spiegel 38 an der Zunge 40 reflektiert wird. Die Zunge 40 wird von dem Oszillator 38 in Schwingung versetzt und schwingt so, daß der Strahl winkelförmig über den Schirm 24 zu dem reflektierenden Band 48 abgelenkt wird. Beim Auftreffen auf das reflektierende Band 48 kehrt der Strahl in sich selbst zu der schwingenden Zunge 40 zurück. Infolge des kurzen Weges (nicht mehr als 61 cm), den der Strahl zurück­ legt, befindet sich die schwingende Zunge 40 praktische noch in der gleichen Stellung, d. h. ihre Stellung hat sich zwi­ schen dem Zeitpunkt der Ablenkung des Strahls zu dem Band bis zum Zeitpunkt der Rückkehr des Strahls von dem Band nicht verändert. Beim Auftreffen auf den Spiegel 38 wird der zurück­ kehrende Strahl auf seinem Rückweg zur Öffnung 36 im Spiegel 37 abgelenkt und trifft durch diese Öffnung hindurch auf den Strahlablenkungs-Detektor 32. Das Signal wird dann von dem Strahlablenkungs-Detektor 32 der Signalformschaltung 94 und aus dieser der Regeleinrichtung zugeführt.

Der Abtastend-Detektor 54 nimmt den Strahl jedesmal auf, wenn dieser einen seiner Abtastzyklen beendet, und das führt je­ weils zu einem Einzelsignal, das von dem Abtastend-Detektor 54 zu der Regeleinrichtung gesandt wird.

Eine Rückkopplungs-Verbindung 130 kann von der Zunge 40 zu dem Oszillator 128 vorgesehen sein. Das ermöglicht es, daß der Oszillator automatisch so gesteuert wird, daß er die Zunge 40 mit einer Frequenz antreibt, die mit der natürlichen Frequenz der Zunge 40 in Resonanz ist. Die Fig. 7 zeigt ein alternatives System zum Antrieb der Zunge 40, das diese Rückkopplungs-Verbindung nicht enthält. Eine richtige Ab­ stimmung des Oszillators der Fig. 7 kann in diesem Falle mit einem einstellbaren manuellen Abstimmer (nicht gezeigt) be­ wirkt werden, so daß die gewünschte Resonanz erhalten wird.

Bezug nehmend auf Fig. 11 ist dort eine modifizierte Form des erfindungsgemäßen Tastfeld-Systems gezeigt. Alle Teile ent­ sprechen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, mit der Aus­ nahme, daß anstelle der schwingenden Zungen 40 rotierende Spiegel 140 verwendet werden. Wenn die Zungen 40 verwendet werden, werden diese vorzugsweise mit einer Frequenz von etwa 40 Hertz in Schwingung versetzt. Wenn rotierende Spiegel verwendet werden, ist es möglich, diese mit etwa 20 Um­ drehungen pro Sekunde zu betreiben, wenn auf beiden Seiten der rotierenden Spiegel Spiegeloberflächen vorgesehen sind. Die speziellen Schwingungsfrequenzen der Zungen und die Rotationsgeschwindigkeiten der Spiegel können jedoch selbst­ verständlich beliebig variiert werden, ohne der Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine sehr einfache und wirksame Einrichtung zur Bestimmung des Ortes der Sonde auf dem Schirm. Die für das Tastfeld-System der vorliegenden Erfindung erforderliche elektrische Schaltung ist erheblich einfacher, als es die Schaltungen der vorbekannten Vorrichtun­ gen waren. Indem außerdem die Dioden 106, 107 verwendet werden, ist es möglich, auf dem Bildschirm selbst eine sehr hohe Bild­ schärfe zu erhalten.

Obwohl für die vorliegende Erfindung ein Infrarotstrahl ein bevorzugter Strahlentyp ist, können auch andere Licht- oder Energieformen verwendet werden, solange sie in Form eines richtungsgebündelten Strahls vorliegen. Infrarotenergie hat jedoch den Vorteil, daß sie weniger empfindlich gegenüber Störungen durch ein Außenlicht ist, das beispielsweise durch die Fenster oder die Raumbeleuchtung einfällt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Kombination mit irgendeinem beliebigen Typ einer Anzeigetafel verwendet werden, wobei sie auf eine derartige Vorrichtung ganz einfach dadurch abgestimmt werden kann, indem man den Rahmen 10 über dem Bildschirm befestigt und eine Verbindung mit einer geeigneten elektrischen Schaltung herstellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst somit wenigstens alle eingangs genannten Aufgaben in hervorragender Weise.

Claims (11)

1. Tastfeld-Einrichtung zur Verwendung mit einem rechteckigen Bildschirm mit einer Frontfläche und einer oberen, einer unteren und zwei einander gegenüberliegenden seitlichen Kanten, die in der Lage ist, den Ort eines an der Front­ fläche des Bildschirms angeordneten Gegenstands zu bestimmen, und die umfaßt:
eine erste und eine zweite Strahlenquelle zur Erzeugung eines ersten bzw. eines zweiten richtungsgebündelten Strahls;
eine erste und eine zweite bewegliche Strahlablenkungsein­ richtung, die in einem Abstand voneinander in den Strahlungs­ wegen des ersten bzw. des zweiten Strahls angeordnet sind,
wobei die erste und die zweite Strahlablenkungseinrichtung jeweils in einer solchen Weise beweglich sind, daß der erste bzw. der zweite Strahl jeweils in einem Abtastmuster abge­ lenkt werden, so daß sie innerhalb eines vorgegebenen Abtast­ zeitraums einen Winkelbereich über der Frontläche des recht­ eckigen Bildschirms überstreichen, wobei dieser Winkelbereich im wesentlichen die gesamte Fläche des Bildschirms erfaßt;
eine Reflektoreinrichtung, die um den Bildschirm herum in einer solchen Weise angeordnet ist, daß sie während der ge­ samten Ablenkung des ersten und zweiten Strahls durch die erste bzw. zweite Strahlablenkungseinrichtung sich im Strah­ lungsweg des ersten und zweiten Strahls befindet, wobei die Reflektoreinrichtung in der Lage ist, den ersten und zweiten Strahl jeweils mit einem Winkel von 180°C bezüglich der Ein­ fallsrichtung des ersten bzw. zweiten Strahls auf die Re­ flektoreinrichtung zu reflektieren;
eine erste und eine zweite Abtastend-Detektor-Einrichtung zur Feststellung der Endzeitpunkte eines jeden vorgegebenen Ab­ tastzeitraums des ersten bzw. des zweiten Strahls;
eine erste und eine zweite Strahlablenkungs-Detektor-Ein­ richtung, auf die der erste bzw. der zweite Strahl auftreffen, nachdem die Strahlen durch die Reflektoreinrichtung reflek­ tiert wurden, wobei die erste und die zweite Strahlablenkungs- Detektor-Einrichtung in der Lage sind, eine Unterbrechung des ersten bzw. des zweiten Strahls durch den Gegenstand festzustellen, der an der Frontfläche des Schirms im Strah­ lungsweg des ersten und des zweiten Strahls angeordnet ist; sowie
eine Regeleinrichtung, die mit der ersten und der zweiten Abtastend-Detektor-Einrichtung sowie ferner mit der ersten und der zweiten Strahlablenkungs-Detektor-Einrichtung ver­ bunden ist und die eine Berechnung des Ablenkungswinkels des ersten Strahls und des zweiten Strahls zum Zeitpunkt ihrer Unterbrechung durch den Gegenstand sowie eine Berechnung des Orts des Gegenstands auf dem Schirm ermöglicht, wenn der Gegenstand den ersten und den zweiten Strahl unterbricht.

2. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste und die zweite Strahlablenkungseinrichtung jeweils einen rotierenden Spiegel aufweisen.

3. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste und die zweite Strahlablenkungseinrichtung jeweils eine längliche biegsame Zunge mit einem frei schwin­ genden Ende sowie ein Ablenkteil an diesem freien Ende der Zunge zur Ablenkung des auftreffenden Strahls aufweisen.

4. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste und die zweite Strahlablenkungseinrichtung jeweils außerdem eine Schwingungserzeugungs-Einrichtung auf weisen, die das freie Ende der jeweiligen Zunge in eine Hin- und Herschwingung versetzt, wobei die Schwingungserzeugungs­ einrichtung geeignet ist, eine Schwingung mit der Resonanz­ frequenz der Zunge zu erzeugen.

5. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zunge ein längliches flexibles Kunststoffteil mit zwei gegenüberliegenden ebenen Oberflächen umfaßt und daß die Schwingungserzeugungs-Einrichtung ein Paar von kera­ mischen Teilen umfaßt, die auf den gegenüberliegenden Seiten der ebenen Oberflächen des Kunststoffteils angeordnet sind, wobei die beiden Keramikteile jeweils einander gegenüber­ liegende Oberflächen aufweisen, die mit einer leitfähigen Schicht bedeckt sind, und daß ferner eine Klemmeneinrichtung vorgesehen ist, die das Paar der keramischen Teile fest an das Kunststoffteil andrückt, so daß es bei der Zufuhr einer elektrischen Wechselspannung senkrecht zu dem Paar der keramischen Teile zu einer Schwingung des Kunststoffteils kommt.

6. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zunge ein längliches biegsames Kunststoffteil mit einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen und zwei einander gegenüberliegenden Enden aufweist und daß die Schwingungserzeugungs-Einrichtung an eines der Enden der Zunge befestigt ist und ein Paar von Keramikteilen aufweist, die jeweils einander gegenüberliegende, mit einem leitfähigen Film überzogene Oberflächen aufweisen, und daß ferner ein läng­ liches leitfähiges Teil zwischen den beiden Keramikteilen angeordnet ist und daß ferner eine Klemmeneinrichtung vor­ gesehen ist, die die Keramikteile unter Gewährleistung eines elektrischen Kontakts an das leitfähige Teil anpressen, so daß die Zufuhr einer elektrischen Wechselspannung über das leitfähige Teil senkrecht zu jedem der Keramikteile eine Schwingung des Kunststoffteils bewirkt.

7. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zunge ein Paar aus länglichen Kunststoffstreifen aufweist, die jeweils zwei mit einem leitfähigen Film über­ zogene Oberflächen aufweisen, wobei diese Streifen Oberfläche an Oberfläche zusammengehalten werden, so daß die Zufuhr einer wechselnden Potentialdifferenz senkrecht zur Gesamtdicke des Streifenpaars eine Schwingung der Zunge bewirkt.

8. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste und die zweite Strahlablenkungs-Detektor- Einrichtung jeweils eine Strahlumwandlereinrichtung zum Um­ wandeln der reflektierten Strahlen in ein kontinuierliches elektrisches Signal aufweisen, das einen normalen Amplituden­ bereich aufweist, der dem Fall entspricht, daß der reflek­ tierte Strahl nicht unterbrochen wurde, sowie einen deutlich unterschiedlichen Amplitudenbereich, der dem Fall entspricht, daß der reflektierte Strahl durch den Gegenstand unterbrochen wurde.

9. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und die zweite Strahlablenkungs-Detek­ tor-Einrichtung jeweils eine elektrische Filterschaltung zum Herausfiltern wenigstens eines Teils des Signals im mormalen Amplitudenbereich und zum Hindurchlassen derjenigen Portion des Signals, die den unterschiedlichen Amplitudenbereich aufweist, umfassen.

10. Tastfeld-Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und die zweite Strahlablenkungs- Detektor-Einrichtung jeweils eine Diode umfassen, die mit der jeweiligen Filterschaltung so verbunden ist, daß sie das Signal aus der Filterschaltung empfängt und die ver­ bliebenden Bereiche des Signals mit dem normalen Amplituden­ bereich eliminiert.

11. Verfahren zur Bestimmung des Orts eines Gegenstandes, der an der Frontfläche eines Bildschirms mit einer oberen, einer unteren und zwei gegenüberliegenden seitlichen Kanten angeordnet ist, wobei dieses Verfahren umfaßt:
Aussenden von einem ersten und einem zweiten richtungsgebün­ delten Strahl aus einer ersten bzw. einer zweiten, in einem Abstand von der ersten angeordneten Strahlenquelle über die Frontfläche des Bildschirms;
Ablenken des ersten und des zweiten Strahls auf eine solche Weise, daß sie um eine erste bzw. eine zweite Drehachse herum innerhalb eines vorgegebenen Abtastzeitraums einen bestimmten Winkelbereich der Oberfläche des Bildschirms in einem Abtastmuster überstreichen;
Reflektieren des ersten und des zweiten Abtaststrahls mit Hilfe eine Reflektoreinrichtung, die so um den Bildschirm herum angeordnet ist, daß sie die Strahlen in einem Winkel von jeweils 180° zur Einfallsrichtung der Strahlen auf die Reflektoreinrichtung reflektiert;
Empfangen des ersten und zweiten reflektierten Strahls mit Hilfe einer ersten bzw. einer zweiten Strahlablenkungs- Detektor-Einrichtung, die in der Lage ist, eine Unterbrechung des ersten bzw. des zweiten Strahls durch einen im Strahlungs­ weg dieser Strahlen angeordneten Gegenstand festzustellen;
Feststellen einer Unterbrechung des ersten und des zweiten Strahls mit Hilfe der jeweiligen zugeordneten Strahlab­ lenkungs-Detektor-Einrichtung;
Vergleichen des Zeitpunkts der festgestellten Unterbrechung mit den Zeitpunkten des Endes des zugehörigen Abtastzeit­ raums, um die Ablenkwinkel des ersten bzw. des zweiten Strahls zum Zeitpunkt ihrer Unterbrechung durch den Gegenstand zu ermitteln; und
Berechnung des Orts des Gegenstands bezüglich des Bildschirms aus den Ablenkwinkeln des ersten und des zweiten Strahls zum Zeitpunkt ihrer Unterbrechung durch den Gegenstand.