TOUCH PANEL FÜR MONITOR MIT KRAFTWANDLERN UND FLUCHTENDEN VORSPANNELEMENTEN
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ortung von auf eine Fläche ausgeübten Druckkräften.
Es ist bekannt (DE 195 02 956 A1 ), vor die Anzeigeeinheit einer Maschineπsteuerung eine berührungsempfindliche Platte zu bauen, welche in der Lage ist, auf ihrer ebenen Oberfläche den Ort zu ermitteln, wo die Platte mit leichtem Druck berührt wird. Die Lage wird dort in xy- Koordinaten ausgedrückt und einem Rechner übergeben. Dieser ermittelt je nach Berührungsstelle anwendungsspezifische Abläufe. Für die Ermittlung der Berührungskoordinaten ist an jeder Ecke der Platte ein Kraftsensor montiert, im folgenden Sensor genannt. Um bei der bekannten Anordnung jeglichen Ansatzpunkt für Vandalismus zu vermeiden, können die Platte stufenförmig und der Rahmen die Stufe übergreifend mit gemeinsamer Oberfläche ausgebildet sein. Der vom Rahmen überdeckte Teil der Platte ist an den Ecken der Platte zwischen je einem Sensor und je einem mit dem Sensor fluchtenden Federelement gehaltert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit berührungsempfindlicher Oberfläche zu schaffen, deren Konstruktion und deren Wirkungsweise gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierten Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Im Prinzip besteht die Erfindung bei einer Einrichtung zur Ortung von auf eine ebene oder gewölbte, im wesentlichen formstabile Oberfläche ausgeübten Druckkräften darin, daß ein die Oberfläche enthaltender oder tragender Körper bzw. eine ebene oder gewölbte Scheibe vorgesehen ist, daß der Scheibe wenigstens drei über die Oberfläche verteilt angeordnete druckempfindliche Sensoren zugeordnet sind, daß die Sensoren auf einem Bezugskörper, z.B. einem Rahmen, angeordnet oder auf oder an diesem gehaltert sind, daß Körper bzw. Scheibe und Bezugskörper bzw. Rahmen durch Vorspannelemente miteinander verbunden sind, und daß die Vorspannelemente relativ zu den Sensoren seitlich versetzt angeordnet sind.
Dadurch wird erreicht, daß die Empfindlichkeit der Sensoren besser genutzt werden kann und und daß die Montage der Baueinheit aus dem den Druckkräften ausgesetzten Körper und dem einen Bezug für die Sensoren bildenden Bezugskörper bzw aus Rahmen und Scheibe vereinfacht wird. Die Scheibe kann durchsichtig oder undurchsichtig sein, sie kann eine Platte, aber auch eine gewölbte Scheibe und sogar eine als Linse ausgebildete Scheibe sein. Schließlich kann die Scheibe selbst auch ein flacher Bildschirm sein. Vandalismus kann durch eine Frontblende von Gehäuse oder Rahmen vermieden werden, die bis zum Rand des Körpers bzw. der Scheibe reicht und gegen diesen Rand abgedichtet ist. Bei Verwendung einer nach außen gewölbten Scheibe kann auch die Blende entsprechend gewölbt ausgebildet sein.
Die Form der Oberfläche kann nahezu beliebig gewählt werden. Sie kann beispielsweise rechteckig oder oval sein. Sie kann eben, aber auch gewölbt sein.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Diese zeigen in:
Figur 1 eine prinzipielle Frontansicht einer Einrichtung gemäß der
Erfindung, Figur 2 eine geschnittene Seitenansicht zur Figur 1 , Figur 3 eine Darstellung des Kräftesystems, Figur 4 eine Rückansicht der Frontscheibe gemäß Fig. 1 ohne
Vorspannelemente, aber mit Positionierteilen , Figur 5 eine geschnittene Seitenansicht der Figur 4, Figur 6 eine Ansicht der Frontscheibe gemäß Fig. 1 mit Positionierteilen für die Vorspannelemente, Figur 7 eine Seitenansicht zur Fig. 6, Figur 8 eine Ansicht der Frontscheibe gemäß Fig. 1 mit
Führungselementen für die Scheibe, Figur 9 eine Seitenansicht zur Fig. 8, Figur 10 eine Ansicht der Frontscheibe gemäß Fig. 1 mit Sensoren als
Verankerungselemente für Befestigungsmaterial, Figur 11 eine Seitenansicht zur Fig. 12 Figur 12 eine Ansicht gemäß Fig. 1 mit Halte- oder Vorspannelementen als Verankerungselemente für Befestigungsmaterial, Figur 13 eine Seitenansicht zur Fig. 12, Figur 14 bis 19 und Fig. 21-24 unterschiedliche Ausführungsbeispiele der
Vorspannelemente Figur 20 ein Detail aus Fig. 19 Figur 25 die Seitenansicht einer Ortungseinrichtung mit vor einem flachen
Bildschirm (Display) angeordneten durchsichtigen Körper, Figur 26 die geschnittene Seitenansicht eines Monitors mit vorgesetzter
Ortungseinrichtung, Figur 27 eine Frontansicht einer anderen Ausführungsform als Fig. 1.
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Figur 1 zeigt eine prinzipielle Frontansicht einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Ortung von Druckkräften F, die auf eine im wesentlichen formstabile, also nicht nachgiebige, Oberfläche 1 eines als Scheibe ausgebildeten Körpers 2 ausgeübt werden. Dem Körper 2 sind vier druckempfindliche Sensoren 3 zugeordnet, die sich auf einem Bezugskörper 4 abstützen. Der Bezugskörper 4 ist mittels zweier relativ zu den Sensoren 3 seitlich versetzt angeordneter Vorspannelemente 6 mit dem Körper 2 zu einer Einheit verbunden, insbesondere geklammert. Die Vorspanneiemente 6 und die druckempfindlichen Sensoren 3 sind so bemessen, daß die druckempfindlichen Sensoren 3 vorgespannt sind. In Fig. 1 wirken die Vorspannelemente 6 zu diesem Zweck federnd auf die Verbindung der Teile 2 und 4 ein, wie durch die Federn 7 in Fig. 2 angedeutet ist. Es ist aber auch möglich, die Sensoren 3 allein oder zusätzlich federnd zu lagern. Eine Sensoranordnung mit wenigstens drei Sensoren 3 ermöglicht die Bestimmung der Koordinaten, die von einer Druckkraft F auf die Oberfläche 1 des Körpers 2 ausgeübt wird. Die Oberfläche 1 des Körpers 2 kann mit beliebigen, in der Figur. 1 nicht eingezeichneten Symbolen gestaltet werden. Dadurch wird die Oberfläche 1 des Körpers 2 zu einer Bedieneroberfläche, bei der bestimmte Felder als digitale, analoge druckempfindliche Schalter oder Potentiometer in der Funktion simuliert werden. Die beiden Körper 2 und 4 könnten in diesem Fall durchgehend undurchsichtig ausgebildet , beispielsweise benachbarte Scheiben sein.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der in Fig 1 dargestellten Einrichtung mit zwei solchen benachbarten Scheiben. Wird der Körper 2 aus durchsichtigem Material gestaltet, wird der Bezugskörper 4 rahmenartig gestaltet, wie in Fig. 1 durch den Rand 5 angedeutet. Eine solche rahmenartige Ausbildung des Bezugskörpers 4 hinter einer durchsichtigen Scheibe ist in Fig. 1 durch den sichtbaren inneren Rand 5 des Rahmens dargestellt. Eine solche Ausführung kann vor dem Bildschirm eines Monitors
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angeordnet sein. Dadurch kann die jeweilige Bildschirmdarstellung des Monitors oder Displays als Bedieneroberfläche verwendet werden.
Fig. 3 zeigt ein beim Auftreten einer Kraft F auf die Sensoren 3 wirkendes Kräftesystem im Zusammenhang mit einem entsprechenden Koordinatensystem. Die Kraft F wird mit Hilfe des im wesentlichen formstabilen Körpers 2 nach den allgemeinen Gesetzen der Statik für ein ebenes Kräftesystem ( in Fig. 3 ) auf die Sensoranordnung aus den Sensoren 3 übertragen. Dabei bewirkt die Kraft F eine räumliche Verschiebung des Körpers 2 im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 1 in Richtung auf die Sensoren 3. Dieser Körper 2 verteilt die Kraft F entsprechend dem Schwerpunkt der Kraft F auf die einzelnen Sensoren 3. Für ein solches Kräftesystem läßt sich bei Annahme linearer Kennlinie mit wenigen Gleichungen für jeden Punkt der Oberfläche 1 des Körpers 2 der jeweilige Angriffspunkt der Kraft F berechnen. Eine erste Gleichung geht davon aus, daß die Summe aller auf den Körper 2 einwirkenden Kräfte (also Kraft F und die von den Sensoren 3 ausgeübte Gegenkraft ) gleich Null ist. Die anderen beiden Gleichungen geben getrennt die Momente in der x Richtung bzw. der y Richtung der xy-Ebene an. Die x,y-Vektoren spannen praktisch eine Ebene auf, die mit guter Näherung einer Parallelverschiebung der durch die Berührungs-/Meß-Punkte der Kraftsensoren aufgespannten Fläche entspricht. Jede auf die Oberfläche 1 des Körpers 2 einwirkende Kraft F, also auch schräg einwirkende Kräfte, wie in Fig. 3 gezeigt, erlaubt eine Detektion dieser Kraft F und eine Übertragung der senkrechten Komponente Fz dieser Kraft F mit entsprechenden Momenten in x- bzw. y- Richtung auf die (in Fig. 1 vier) über den Randbereich des Körpers 2 verteilten Sensoren 3. Die in Fig. 3 gezeichneten Kräfte Fx und Fx sind parasitäre, in der ersten Gleichung störende Kräfte und sollten unwirksam gemacht oder wenigstens in ihrer Wirkung klein gehalten werden. Im folgenden werden einige Möglichkeiten zur Minimierung solcher parasitärer Kräfte Fx und Fy angegeben.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von Positionierteilen 8 auf der Rückseite des Körpers 2 für die Lagesicherung des Körpers 2 relativ zu den vom Bezugskörper 4 gehaltenen oder auf diesem befestigten Sensoren 3.
Fig. 5 zeigt die geschnittene Seitenansicht zu Fig. 4.
Fig.6 zeigt eine Anordnung von Positionierteilen 9 auf der Vorderseite des Körpers 2, also beispielsweise auf der Oberfläche 1 , für die Lagesicherung des Körpers 2 relativ zu den den Bezugskörper 4 und den Körper 2 zusammenfügenden Halterungselementen 6.
Fig. 7 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung von Positionier- oder Führungsteilen 10 neben dem Rand des Körpers 2, die eine Bewegung des Körpers 2 relativ zum Bezugskörper 4 in der xy-Ebene verhindern. Diese Führungsteile 10 sind beispielsweise am Körper oder Rahmen 4 befestigt.
Fig. 9 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Fig. 8, die deutlich zeigt, wie die Führungsteile 10 am Körper oder Rahmen 4 befestigt sind.
Fig. 10 zeigt eine Befestigung des Körpers 2 direkt an den Sensoren 3, die damit eine Bewegung des Körpers 2 relativ zum Bezugskörper 4 in der xy-Ebene verhindern. Die Sensoren 3 sind zu diesem Zweck als Biegebalken ausgeführt, die in Montagestelien 31 ,32 spezielles Befestigungsmaterial tragen oder aufnehmen können.
Fig. 11 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Fig. 11 , die deutlich zeigt, wie die Sensoren 3 als Biegebalken ausgeführt sind und mit dem Körper 2 verbunden sind.
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Fig. 12 zeigt eine Befestigung des Körpers 2 direkt an den Halteelementen 6 an Montagestellen 61 , die damit ebenfalls eine Bewegung des Körpers 2 relativ zum Bezugskörper 4 oder zu den Sensoren 3 verhindern.
Fig. 13 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Fig. 11 , die deutlich zeigt, daß die Vorspannelemente zusätzlich das Befestigungsmaterial tragen und mit dem Körper 2 verbunden sind. Bei der Betrachtung der Fig. 13 ist zu beachten, daß die Vorspannelemente relativ zu den Sensoren seitlich versetzt sind, das Befestigungsmaterial also nicht in die Sensoren eingreift.
Bei den Einrichtungen nach den vorstehend beschriebenen Figuren 1 - 13 werden die einzelnenen Bauteile wie die Körper 2 und 4, die Sensoren 3 und die Positionierteile 8-10 durch die Vorspannelemente 6 zu einer Einheit, zu einem System vereinigt, mit der eine beliebig im Raum ausgedehnte Kraft auf der Oberfläche 1 zu detektieren und in das der Einrichruπg eigene Koordinatensystem zu übertragen. Dabei bestimmt die senkrecht auf die Oberfläche 1 wirkende Kraftkomponente Fz die Lokalisierung der gesuchten Koordinate.
Wegen der Bedeutung der Vorspannelemente für die Genauigkeit der Lokalisierung werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben. Figur 14 bis Fig. 19 zeigen solch unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Vorspannelemente 6.
In Fig. 14 weist das Halterungselement 6 eine den Rand 11 des Körpers 2 umfassende Klammer 12 auf und einen im Bezugskörper 4 senkrecht zur Oberfläche 1 des Körpers 5 angeordneten Bolzen 13, der mit der Klammer 12 durch einen Hebelarm 14 auf der Seite der Oberfläche 1 relativ zum Bezugskörper 4 gegen die Kraft von ein oder mehreren Federn 15 bewegbar ist. Dieser Bolzen 13 ist mit einem Innengewinde 16
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versehen. Mittels einer verstellbaren Schraube 17 ist dadurch die Federkraft verstellbar. Die Innenfläche des Hebelarms 14 verläuft im wesentlichen in derjenigen Ebene der Oberfläche 1 , auf die die zu ortenden Druckkräfte wirken.
In Fig. 15 weist das Halterungselement 6 wie in Fig. 14 eine den Rand 11 des Körpers 2 umfassende Klammer 12 auf und einen im Bezugskörper 4 senkrecht zur Oberfläche 1 des Körpers 2 angeordneten Bolzen 13, der relativ zum Bezugskörper 4 gegen die Kraft von ein oder mehreren Federn 15 bewegbar ist. Auch in Fig. 15 ist dieser Bolzen 13 mit einem Innengewinde 16 versehen, das mittels einer verstellbaren Schraube 17 eine Verstellbarkeit der Federkraft erlaubt. Anders als in Fig. 14 sind hier aber Klammer 12 und Bolzen 13 durch einen Hebelarm 14 verbunden, der auf der der Krafteinwirkung abgewandten Seite des Körpers 2 angeordnet ist. In beiden Figuren sind die das Gegenlager zu den Halteelementen 6 bildenden Sensoren 3 nicht dargestellt. Körper 2 und Bezugskörper 4 scheinen daher gegeneinander frei beweglich zu sein. Dies ist in den folgenden Figuren nicht der fall. Die dort gezeigten Sensoren sind aber stets seitlich gegen die Vorspannelemente 6 bzw. Klammern 12 versetzt.
Fig. 16 zeigt eine Einrichtung, bei der die Sensoren 3 fest am Bezugskörper 4 angebracht sind und die der Druckkraft F abgewandte Seite des Körpers 2 berühren. Ein mit dem im Bezugskörper 4 federnd gelagerten Bolzen 13 fest verbundener stabiler Hebelarm 14 drückt den Körper 2 in Richtung auf die Sensoren 3 und bewirkt für diesen eine Vorspannung. Diese ist mittels Schraube 17 und Abstandsstück 23 einstellbar. Fig. 17 wie Fig. 16 zeigen eine Einrichtung, bei der die Sensoren 3 fest am Bezugskörper 4 angebracht sind und die der Druckkraft F abgewandte Seite des Körpers 2 berühren. Auch hier drückt ein mit dem im Bezugskörper 4 federnd gelagerten Bolzen 13 fest verbundener mittels ein oder mehrerer Kugeln 41 gelagerter, stabiler
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Hebelarm 14 den Körper 2 in Richtung auf die Sensoren 3 und bewirkt für diesen eine Vorspannung. Anders als in Fig. 16 ist in Fig. 17 ein Körper 2 vorgesehen, der an seinem Rand eine Nute oder Öffnung 18 aufweist. In diese Öffnung greift die Klammer 12 zur Halterung des Körpers 2 ein. Das hat den Vorteil, daß die Oberfläche 1 relativ über die Ebene des Hebelarms 14 und den Bezugskörper oder Rahmen 4 übersteht. Diese Konstruktion ermöglicht die Verwendung einer Blende, die mittels einer Dichtung so dicht am Rand des Körpers 2 anliegt, daß die Einrichtung nicht einfach beschädigt werden kann.
Fig. 18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Vorspannelements, bei dem die Sensoren 3 wie in Fig. 17 fest am Bezugskörper 4 angebracht sind und die der Druckkraft abgewandte Seite des Körpers 2 berühren. Anders als dort ist hier eine am Bezugskörper 4 gelagerte Blattfeder 19 vorgesehen, die mit ihrem freien Ende 20 den Körper 2 in Richtung auf die Sensoren 3 drückt.
Fig. 19 zeigt eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 18, bei der die Blattfeder nicht am Bezugskörper 4 selbst befestigt ist, sondern an einem mittels einer schwalbenschwanzartigen Verbindung im Bezugskörper 4 verschiebbaren Teil 21. In diesem Teil 21 ist eine Schraube 22 drehbar gelagert, die zur Änderung der Vorspannung der Blattfeder 19 verstellbar gelagert ist.
Fig. 21 bis Fig. 24 zeigen Ausführungen mit durchsichtigem Körper (Scheibe) 2, bei der verschiedene Blenden 24, 25 zur Abdeckung der Sensoren 3 und Vorspannelemente 6 verwendet sind. Dabei sind die Blenden 24 in Fig. 21 und 22 so stabil ausgebildet, daß sie zur Verhinderung des Vandalismus beitragen, während die Blenden 25 in den Figuren 23 und 24 als dünne undurchsichtige Schicht auf den Rand des Körpers 2 aufgebracht sind. In Fig. 23 ist zusätzlich die stabile Blende 24 vorgesehen. In Fig. 24 überschreitet der Körper 2 die Maße des Rahmens
5 und erfordert dadurch eine größere Fläche der dünnen Blende 25. Sie werden also durch die Kraft F entlastet. Ihre Befestigung ähnelt in diesem Fall denen der Vorspannelemente 6 in den Figuren 12 bis 15 und 18 bis 19.. Die Wirkung der Vorspannkraft würden hier die Kraftsensoren selbst mit ihrer Eigenschaft als Federelemente mit der Federkoπstante kF übernehmen. Fig. 23 und 24 zeigen die Möglichkeit, das Vorspannelement 6 als Blattfeder auf der gleichen Seite des Körpers 2 zu plazieren wie den Kraftsensor 3. Dabei muß die Blattfeder fest mit dem Körper 2 verbunden werden. Zu diesem Zweck ist der Blattfeder in der Scheibe 2 ein Dübel 35 zugeordnet, in den eine durch das Vorspanneiement 6 und eine Abstandhülse 37 geführte Schraube 36 eingeschraubt wird und dabei den Vorspannhebel 6 mit der Scheibe fest verbindet, Statt oder zusätzlich zur Schraubverbindung kann auch noch ein Kleber eingesetzt werden. Eine Dichtung 33 ist zwischen der Scheibe 2 und dem Rahmen 4 angeordnet.
Fig. 20 zeigt zur Verdeutlichung der Schwalbenschwaπzkoπstruktion in Fig. 19 eine Draufsicht auf den Körper 4 und das verschiebbare Teil 21 mit der Verstellschraube 22 und zwei Feststellschrauben 23.
Figur 25 zeigt die Seitenansicht einer Ortungseinrichtung in Form einer transparenten Baugruppe 26 mit einem dahinter angeordnetem flachen Bildschirm 27 (Display). In diesem Falle ist die den Körper 2 und den Rahmen 5 enthaltende Baugruppe 26 der Ortungseinrichtung wie auch der flache Bildschirm 27 über separate Befestigungsmittel 28 mit dem Bezugskörper 4 verbunden.
Figur 26 zeigt die geschnittene Seitenansicht eines Monitors 29 mit vorgesetzter Baugruppe der Ortungseinrichtung, Der Bezugskörper 4 umschließt hier den Monitor als Gehäuse, dessen vordere Stirnflächen die Befestigungselemente der Baugruppe aufnehmen.
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Figur 27 zeigt eine Frontansicht einer anderen Ausführungsform als der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung mit rechteckigem Körper 2 und vier in den Ecken angeordneten Sensoren. In Fig. 27 ist nämlich eine Einrichtung mit ovaler Oberfläche 1 eines Körpers 2 dargestellt und einem entsprechend ovalen Rahmen sowie mit drei Sensoren und drei Halteelementen.
Die druckempfindlichen Sensoren 3 geben je nach Ort des Druckes elektrische Daten wieder, die mittels eines Prozessors ausgewertet und zunächst zur Feststellung oder Ortung des jeweils vom Betrachter berührten oder gedrückten Ortes auf der Oberfläche 1 genutzt werden. Wenn aber die Position detektiert ist, kann wie bei einem Rechner eine Bestimmung dieser Position beispielsweise eines auf dem Bildschirm 2 dargestellten Symbols denselben Funktionsablauf bewirken wie durch das Anklicken des Symbols mit dem Zeiger oder Cursor der bisher üblichen sogenannten Maus.
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Bezugszeichenliste
1 Oberfläche
2 Körper (Scheibe)
3 Sensor
Bezugskörper
Rand (Rahmen)
Vorspannelement
Feder
Positionierteil für Sensor 6
Positionierteil für Vorspannelement
10 Führungsteil für Körper 2
11 Rand des Körpers 2
12 Klammer
13 Bolzen (in 4)
14 Hebelarm
15 Feder
16 Innengewinde
17 Schraube 8 Öffnung im Rande von 2
19 Blattfeder 0 freies Ende der Blattfeder 1 verschiebbares Teil in 4 2 Verstell-Schraube in 21 3 Feststellschraube 4 stabile Blende 5 dünne Blende (auf Körper (Scheibe) 2 6 Baugruppe Ortungseinrichtung 7 flacher Bildschirm (Display) 8 Befestigungsmittel 9 Monitor 1 Montagestelle 2 Montagestelle 3 Dichtung 4 Schraube für Blende 24 5 Dübel 6 Schraube für Dübel 35 7 Abstandhülse 1 Lager
1 Montagestelle