DE2748806A1

DE2748806A1 - Kapazitiv erregter wandler

Info

Publication number: DE2748806A1
Application number: DE19772748806
Authority: DE
Inventors: Thomas W Bobick
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1977-10-31
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2748806C2; CA1118071A; US4103252A; GB1590334A

Description

Χβγ αχ Corporation, Rochester N.Y./USA

Kapazitiv erregter Wandler

Die Erfindung bfitrifft einen Fühler für einen kapazitiv erregten Wandler. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wandler, der auf menschliche Berührung anspricht, zur Erzeugung einer Frequenzänderung des Ausgangssignals eines Oszillators.

Automatische Datenverarbeitungssysteme vom Typ der Rechnersteuerungen, insbesondere» Da t pniuör ter-Verarbei tungssy sterne , benötigen Anweisung?- und Korrektur Instruktionen einer Bedienungsperson, um !wirkungsvoll und mit befriedigendem Ergebnis arbeiten zu können. Bei derartigen Systemen ist es wichtig, die Reaktionszeit der Bedienungsperson auf ein Minimum zu reduzieren, u»as eine einfache und zuverlässige Kommunikationsverbindung zwischen der Bedienungsperson und dem System und umgekehrt erfordert. Jegliches System für die Darbietung von Informationen an eine Bedienungsperson und zum Empfangen von Anweisungen derselben sollte schnell arbeiten und eine leichte Interpretierbarkeit gewähren.

In jüngster Zeit hat sich allgemein eine Technik durchgesetzt, bei der Rine Einrichtung zum Anzeigen von Daten für schnelle und leichte Kommunikation mit einer Bedienungsperson verwendet wird; diese Einrichtung ist. gewöhnlich als Kathodenstrahlröhre (CRT) vorgesehen, die derart gesteuert werden kann, daQ sie Daten auf einem Schirm anzeigt. Derartige Daten werden oft in Zeilenformat dargeboten, mit. numerischen und alphabetischen Typen und weiteren Symbolen, und die Informationsteile, die einzelne Symbole oder eine Kombination aus Symbolen enthalten, erscheinen auf dem

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Schirm der Kathodenstrahlröhre in ähnlich«" Üieise wie auf einem geschriebenen Blatt. Die Kathodenstrahlröhre bildet somit eine zweckmäßige und zufriedenstellende Kommunikationsverbindung zu/ischen dem Datenverarbeitungssystem und der Bedienungsperson.

Weniger zufriedenstellend ist diese Kommunikationsverbindung von einer Bedienungsperson zu dem System, insbesondere für der Fall, uio Ana-eisungen der Bedienungsperson empfangen werden. Es kommt vor, daß die Bedienungsperson eine Verarbeitungsfunktion bezüglich irgendwelcher Daten, die auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre angezeigt werden, durchführen muQ. Beispielsueise kann es sein, daß ein besonderer Buchstabe oder eine Gruppe von Buchstaben gelöscht werden soll und durch andere Buchstaben ersetzt u/erden soll. Ferner kann es erforderlich sein, ein gesamtes Anzeigefeld mit anderen Daten des Systems neu zu ordnen. Zur Durchführung dieser Funktion ist es erforderlich, der Bedienungsperson eine Kommunikationsverbindung zur Verfügung zu stellen, die eine Identifizierung des Typs bzw. der Typen ausgedrückt durch ihre Lage auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre ermöglicht.

Es wurden bereits viele Versuche unternommen, der Bedienungsperson eines Datenverarbeitungssysteins zu ermöglichen, einen besonderen Typ oder eine Gruppe von Typen zu identifizieren, die auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden. Bei einem bekannten System ist eine sogenannte Berührungsdraht-Überlegemaske auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre befestigt und mit geeigneten Ansprechvorrichtungen verbunden, welche es ermöglichen, daß die Informationsteil-Identifizierungsfunktion von der Bedienungsperson ausgeführt werden kann, indem der geeignete Bereich der ITlaske mit einem Finger berührt wird. Die mit der Berührungsdraht-Überlegemaske verbundenen Ansprechvorrichtungen erfordern umfangreiche und aufwendige Schaltjfeinrichtungen; insbesondere aber besitzen sie nicht die angestrebte Zuverlässigkeit.

Bei anderen Versuchen zur Bildung einer Kommunikationsverbindung zwischen einer Bedienungsperson und einer Daten-Anzeigeeinrichtunq wurden Lichtgitter verwendet, um mit diesen zu lokalisieren,

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wo der Finger der Bedienungsperson aufgelegt wird, durch Unterbrechung de? Kreises einer photoempfindlichen Vorrichtung.

Bei einem weiteren Versuch gemäß dem Stand der Technik zur Lösung des Problems der Kommunikation der Bedienungsperson werden einer oder mehrere Kondensatoren verwendet, die einteilig mit dem Schirm der Kathodenstrahlröhre verbunden sind und absichtlich eine hohe Leckstrom-Charakteristik aufweisen. Wenn das Leckfeld durch die Fingerberührung einer Bedienungsperson unterbrochen wird, so wird die kapazitive Reaktanz verändert, und das Gleichgewicht einer Brückensehaltung wird gestört.

Aufgabe der Erfindung ist. rs, einen Fühler für einen kapazitiv erregten Wandler zu schaffen, der eine optimale Kommunikation zwischen Bedienungsperson und Datenverarbeitungssystem ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Fühler für einen kapazitiv erregten Wandler gelüst, der gemäG der Erfindung gekennzeichnet ist durch ein erstes Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die entlang einer der zwei senkrechten Achsen angeordnet sind, und ein zweites Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die mit dem ersten Paar von gegenüberliegenden Elektroden fingerartig verflochten und längs der zweiten senkrechten Achse angeordnet sind.

Durch die Erfindung wird ferner ein kapazitiv erregter UJandler geschaffen, der einen Fühler enthält, welcher auf eine Positionsberührung anspricht, um eine Kapazitanzänderung zu bewirken. Ein an den Fühler angeschlossener Oszillator erzeugt ein Signal mit einer Frequenz, die in Beziehung zur Kapazitanz des Fühlers steht, welcher durch das Paar gegenüberliegender Elektroden gebildet sein kann, wie es vorstehend beschrieben ist.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus dRr Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

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Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines für Berührung empfindlichen, kapazitiv erregten Uiandlers;

Fig. 2 ein Logikschaltbild einer Oszillator- und TaktstRuerungsschaltung, die auf pinen berührungsempfindlichen Fühler anspricht; ;

Fig. 3 eine Darstellung von zwei Ufellenzügen des Ausgangssignals eines Oszillators, der an einen nicht berührten Fühler bzui. an einen berührten Fühler angeschlossen ist;

Fig. 4 eine Reihe von ttiellenzügen, welche die Erzeugung des Takt— und des Steuersignals für die Schaltung nach Figur 2 bei nicht berührtem Fühler illustrieren;

Fig. S eine Reihe von tilellenzügen, «eiche die Erzeugung eines Impulszuges an einen AusgangsanschluQ eines Kanals der Schaltung nach Figur 2, die an einen berührten Fühler angeschlossen ist, darstellen; und

Fig. 6 bis 9 eine Folge von Ausgangewellen für jeden der vier Kanäle der Schaltung nach Figur 2 für verschiedene Berührungszustinde der Fühler nach Figur 1.

Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen, die einen kapazitiv erregten Wandler 10 zeigt, der aus vier isolierten geätzten Kupferelektroden 12 bis 15 besteht, die typischeru*eise auf einem blattförmigen Substrat 11 mittels einer herkömmlichen Ätztechnik gebildet sind. Über den Elektroden 12 bis 15 liegt ein lichtdurchläsäger Plastikschirm 16, durch den hindurch die Elektroden 12 bis 15 sichtbar sind. Der lichtdurchläsäge Plastik- oder Kunststoff schirm 16 bildet eine Schutzschicht für die Elektroden 12 bis 15 gegenüber direkter Menschlicher Berührung.

Jede der Elektroden 12 bis 15 enthält jeweils einen sich radial nach innen erstreckenden Finger 12a bis ISa, der in der Nähe der

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Schnittstelle dßr X-Achse und Y-Achse des Wandlers endet. Die besondere Gestalt jeder der Elektroden 1? bis 15 enthält ferner jeweils gekrümmte Abschnitte 12b und 12c, 13b und 13c, 14b und 14c sowie 15b und 15c, die von der jeweiligen X- oder Y-Achse abbiegen, nach der die Elektrode orientiert ist. Alle gekrümmten Elektrodenabschnitte sind ausgehend von der zentralen Schnittstelle mit dem sich radial erstreckenden Finger leicht zu einem Punkt hin verjüngt, der in der Nähe der senkrechten Achse liegt, auf der die Elektrode liegt.

Entsprechend der Zeichnung ist der Abstand zwischen den miteinander verflochtenen gekrümmten Abschnitten jeder Elektrode im wesentlichen konstant zwischen nebeneinanderliegenden Abschnitten. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den Abschnitten 12b und 15b praktisch konstant über den gesamten Überlappungsbereich dinser zwei ADschnitte.

Im Rahmen der Erfindung sind zwar auch andere Gestaltungsformen des Wandlers 10 möglich, das hiei gezeigte besondere Wüster ermöglicht jedoch die Ertastung einer Kapazitätsänderung gleichzeitig längs den beiden Achsen.

Eine Anwendung des Wand Ir rs 10 besteht in einem Fühler, auch als Sensor— oder Berührungstaste bezeichnet, für ein Läufer— Anzeige-Steuersystem zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Kathodenstrahlröhrenanzeige, wie sie bei Datenverarbeitungsge— raten verwendet wird, beispielsweise in einem Uiörter-Uerarbeitunnsgerät. IJJenn der Finger der Bedienungsperson auf irgendeinen Teil des Kupfermusters des Wandlers 10 gelegt wird, so bewirkt diese menschliche Berührung eine Kapazitätsänderung, die ertastet wird, sodaG die Frenuenz eines Oszillators geändert wird, der einen Impulsstrom als Signal erzeugt, das eine gewünschte Lage oder Bewegung der Kathodenstrahlröhrenanzeige bezeichnet .

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Die Elektrode 12 des Wandlers 10 ist mit dem Eingang nines Oszillators 1Θ verbunden, der eine Frenupnz erzeugt, die sich mit dor Kapazität der Elektrode 12 ändert, und ziuar über eine Leitung 20 als ein Eingangssignal für ein Takt- und Steuernetzwerk 22. Die Elektrode 14 ist mit dem Eingang eines Oszillators 24 verbunden, der ein Frenuenzsignal in einer Leitung 26 mit einer Frenuenz erzeugt, die von der Kapazität der Elektrode abhängt, wobei dieses Signal ebenfalls in das Takt— und Steuernetzwerk 22 eingegeben u/ird. In gleicher UJeise ist die Elektrode 13 mit dem Eingang eines Oszillators 28 und die Elektrode 15 mit dem Eingang eines Oszillators 30 verbunden.

Jeder dieser Oszillatoren erzeugt ein Frenuenzsignal jeweils ir Leitung 32 bzw. 34 für das Takt- und Steuernetzwerk 22. Aufgrund der Arbeitsweise des Takt- und Steuernetzwerks 22 werden vier Ausgangsimpulszüge in Leitungen 36 bis 39 erzeugt, die einzeln oder in Kombination die Lage der Berührung des Fingers der Bedienungsperson auf dem geätzten Kupfermuster des Wandlers 10 bezeichnen.

Bei diesem Wandler 10, der mit den Oszillatoren 18, 24, 28 und 30 und dem Takt- und Steuernetzwerk 22 in der dargestellten Weise verbunden ist, ermitteln die Elektroden 12 und 14 die Lage einer Berührung entlang der Y-Achse (aufwärts/abwärts auf einer Kathodenstrahlröhre), während die Elektroden 13 und 15 auf eine Berührung ansprechen, um Impulszüge an dem Takt- und Steuernetzwerk 22 zu erzeugen und einen Läufer auf der X-Achse (links/rechts auf einer Kathodenstrahlröhre) in Stellung zu bringen. Die Änderung der Elektrodenbreite auf dem Wandler 10 ermöglicht, daß die Kapazität bei einer Berührung an irgendeiner Stelle auf dem geätzten Kupfermuster sich mit der Berührung verändert, wodurch eine Veränderung der Frenuenz des Impulszuges ermöglicht wird, der in den Leitungen 36 bis 39 von dem Takt- und Steuernetzwerk 22 erzeugt wird. Beispielsweise bewirkt die Berührung des Fingers der Bedienungsperson am Mittelpunkt des Fingers 12a auf dem Schirm 16 oder durch diesen hindurch» daO ein Impulszug in Leitung 36 erzeugt wird, der, wenn er an die Anzeigeinufer-

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Schaltung einer Kathodenstrahlröhre (CRT) angekoppelt wird, bewirkt, daß der Läufer sich langsam nach oben bewegt, während eine Berührung an der Elektrodenschrittstelle des Fingers 12a mit den Abschnitten 12b und 12c einen Impulszug in Leitung 36 erzeugt, der beuirkt, daü der Anzeigeläufer sich schnell nach oben bpuiegt. In gleicher UJeise bewirkt eine menschliche Berührung oe? Fingers 13a bzw. durch den Schirm 16 hirdurch, daü ein Impulszug in Leitung 38 erzeugt wird, der, wenn er an eine Läuferschaltung einer Kathodenstrahlröhre angekoppelt wird, bewirkt, daß der angezeigte Läufer sich langsam nach rechts bewegt, während eine menschliche Berührung an der Schnittstelle des Fingers 13 a mit den Abschnitten 13b und 13c bewirkt, daG der Anzeigeläufer sich schnell nach rechts bewegt.

Um eine Anzeigeläufer-Bewegung in einer anderen Richtung zu erzeugen als entlang der senkrechten Achse, berührt die Bedienungsperson den Plastikschirm 16 an einer solchen Stelle des geätzten Kupfermusters, u/ie dies der Überlappungsbereich zwischen den Abschnitten 14c und 15c ist. Eine menschliche Berührung an irgendeinem Punkt, wo die zwei Abschnitte 14c und 15c sich überlappen, bewirkt, daß Impulszüge in Leitungen 37 und 39 gleichzeitig erzeugt werden, die, wenn sie gemeinsam in einer Anzeige 1 auferSchaltung verkoppelt werden, bewirken, daß der Anzeigeläufer sich auf der Kathodenstrahlröhre nach unten und nach links bewegt.

In Figur 2 ist ein detailliertes Logikschaltbild der Oszillatoren und des Takt- und Steuernetzwerks 22 von Figur 1 gezeigt, wobei alle Elektroden 12 bis 15 als entsprechend numerierte Kondensatoren 12 bis 15 dargestellt sind. Oeder dieser veränderlichen Kondensatoren 12 bis 15 ist ein Teil einer Taktschaltung als Teil des Einganges eines Oszillators. Insbesondere ist der veränderliche Kondensator 12 ein Teil einer Takt schaltung, die Widerstände 40, 42 und einen Kondensator 44 enthält. Die Takt— schaltung ist mit dem Eingang eines als integrierte Schaltung ausgeführten Zeitgebers 46 vom Typ "555" verbunden, der ferner mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung (nicht

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dargestellt) über einen Kondensator 48 verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 40 und 42 ist. mit dem D-AnschluG (Entladeanschluß) des Zeitgebers 46 verbunden, während der Schnittpunkt, des Widerstands 42 mit dem Kondensator 44 mit dem T (Trigger)— und dem TR (Schu»elle)-Ar.schluQ des Zeitgebers verbunden ist. In gleicher UJeise ist der veränderliche Kondensator 13 ein Teil einer Takt- oder Zeitsteuerungsschaltung, die Widerstände 50, 52 und einen Kondensator 54 enthält, die untereinander und mit einem "555"-Zeitgeber 56 verbunden sind, wobei der Zeitgeber über einen Kondensator 58 mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist. In gleicher Weise ist der veränderliche Kondensator 14 ein Teil einer Takt- odor Zeitgeberschaltung, die Widerstände 60, 62 und einen Kondensator 64 enthält, die mit oen Eingangsanschlüssen eines "555"-Zeitgebers 66 verbunden sind, der ebenfalls über einen Kondensator 68 mit den* positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist. Der veränderliche Kondensator 15 ist ein Teil einer Taktoder Zeitgeberschaltung, die Widerstände 70, 72 und einen Kondensator 74 enthält, welche mit einem "555^M-Zeitgeber 76 verbunden sind, der ferner über einen Kondensator 78 mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist. Gemäß der Zeichnung ist jede Takt- oder Zeitgeberschaltung ferner mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung verbunden.

Jeder dieser "555"-Zeitgeber ist extern als rücksetzbarer freilaufender Oszillator geschaltet, uiobei ein für alle Oszillatoren gemeinsamer Rücksetzimpuls in einer Leitung 80 erzeugt wird, die jeweils mit dem R (RücksetzJ-Anschluß aller Zeitgeber verbunden ist.

Durch menschliche Berührung irgendeiner der Elektroden 12 bis 15 wird die effektive Kapazität, mit denen die Zeitgeber jeweils verbunden sind, erhöht, sodaß dadurch die Impulsfrenuenz geändert wird, die am 0 (Ausgang)-Anschluß jedes Zeitgebers erzeugt wird.

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Durch menschliche berührung des veränderlichen Kondensators 12 wird beispie lsiuei SB die effektive Kapazität an der Verbindungsstelle des Widerstands 42 mit dem Kondensator 44 vergrößert. Diese Kapazitätserhöhung wird von dem "555"-Zeitgeber 46 ertastet, und die Ausgangsf reciuenz des Zeitgebers nimmt ab.

Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen. Der UJellenzug B2 ist ein typisches Ausgangssignal des Zeitgebers 46, ujenn der veränderliche Kondensator 12 nicht, berührt wird. Gemäß der Darstellung betragt für den unberührten Zustand des veränderlichen Kondensators 12 die Impulsbreite am Ausgang des Zeitgebers 46 typischerujeise etwa 80 IVlikrosekunden. In Abhängigkeit von der Lage der Berührung des veränderlichen Kondensators 12 steigt, die Impulsbreite am Ausgang des Zeitgebers 46 von etwa 80 lYiikrosekunden bis zu 150 ilfiikrosekunden, wie dies beim llJellenzug 84 dargestellt ist. Diese Zeitdifferenz bzuj. Zunahme der Impulsbreite wird als ItiaLi für din Lage der Berührung auf dem geätzten Kupfermuster des UJandlers 10 ertastet trzw. erfaßt.

Jeder der drei anderen Kanäle, die jeweils einzeln die "555"-Zeitgeber 56, 66 und 76 enthalten, arbeitet in gleicher ÜJeise. Eine Berührung irgendeiner der Elektroden 13 bis 15 ergibt, eine Zunahme der Impulsbreite am Ausgang des Zeitgebers 56, 66 bzw. 76. Diese Zeitdifferenz bzw. Zunahme der Impulsbreite am Ausgang der Zeitgeber 46, 56, 66 und 76 wird an das Takt- und Steuernetzujerk 22 angelegt, um einen Impulszug in einer oder mehreren Ausgangsleitungen 36 bis 39 zu erzeugen.

Zur Festlegung des Taktintervalls, während dessen ein Impulszug an irgendeiner Ausgangsleitung erzeugt wird, erzeugt ein Oszillator, der lYlonovibratoren 82 und 84 enthält, Taktimpulse in Leitungen 80 und 86. Dor aus den lYlonovibratoren 82 und 84 bestehende Oszillator enthält ferner ein Zeitgebernetzwerk aus einem Widerstand 88 und einem Kondensator 90, das mit dem Monovibrator 82 verbunden ist, und ein Zeitgebernetzwerk mit. einem

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Widerstand 92 und einem Kondensator 94, der mit dnm fi.onovibrator 84 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem monovibrator 82 und dem Monovibrator 84 erfolgt mittels eines Inverters 96 und eines Nicht-und-Gatters 98, die im Inneren des ffionovibrators 84 vorgesehen sind. Eine Rückkopplungsschleife, die vom Q-AnschluQ des IKlonovibrators 84 zum Ausgang des Monovibrators 82 führt, enthält einen Inverter 100 und ein Nicht-und-Gatter 102, die im Inneren des Monovibrators 82 vorgesehen sind.

Auf der Grundlage der Zeitkonstante der Zeitgebernetzwerke wird ein Impulszug mit einer gegebenen Frequenz, beispielsweise 30 Hz, in Leitung 80 erzeugt, und ein Impulszug mit derselben Frenuenz wird in Leitung 86 erzeugt.

Als Teil des Oszillators sind ferner Monovibratoren 102 und 104 vorgesehen, von denen der erste Ausgangs-Stillsetzimpulse in einer Leitung 108 erzeugt und der zweite Ausgangs-Stillsetzimpulse in einer Leitung 110 erzeugt. Beide Monovibratoren 104, 106 sind mit dem Q-Anschluß des ßlonovibrators 84 verbunden. Insbesondere empfängt der Monovibrator 104 das AusgarQSsignal des lYionovibrators 84 über einen Inverter 112 und ein Nicht-und-Gtitter 114, die intern in dem Monovibrator 104 enthalten sind. Ein mit dem Monovibrator 104 verbundenes Zeitgebernetzwerk entheilt einen Widerstand 116 und einen Kondensator 118. In gleicher Weise empfängt der Monovibrator 106 ein Ausgangssignal des Monovibrators 84 über einen Inverter 120 und ein Nicht-und-Gatter 122, die intern in dem Monovibrator 106 vorgesehen sind. Das Zeitgebernetzwerk für den Monovibrator 106 besteht aus einem Widerstand 124 und einem Kondensator 126. Bei allen Monovibratoren 82, B4, 104 und 106 ist der CL-Anschluß mit einem Widerstand 128 verbunden, der mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist. Ferner sind auch die Ausgänge aller Nicht-und-Gatter 98, 102, 114 und 122 mit dem Widerstand 28 verbunden.

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Zuti.it 2 J ic he 'Si teuerimpul fr fiir das Takt- und Steuernetzwerk 2? werden in Leitung 130 und 132 erzeugt, und zu/ar als Ausgangssiqnale eines Impulszug-Oszillators. Dieser Impulszug-Oszillator besteht aus lYlonovibratoren 134 und 136 mit ähnlicher Schaltung wie bei den Monovibratoren 82 und 84. Ein Zei tgebernetzwerk, das einen Widerstand 138 und einen Kondensator 140 enthalt, ist mit dem Monovibrator 134 verbunden, und ein Zeitgebernetzwerk, das einen Widerstand 142 und einen Kondensator 144 enthält, ist mit dem lYlonovibrator 136 verbunden. Die zwei ITIonovibratoren sind über einen Inverter 146 miteinander verbunden, dessen Ausgang mit einem Nicht-und-Gatter 148 verbunden ist, wobei diese Schaltungsteile intern in dem Monovibrator 136 vorgesehen sind. In der Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des Hfionovibrators 136 und dem Eingang des lYlonovibrators 134 sind ein Inverter 150 und ein Nicht-und-Gatter 152 vorgesehen, die intern in dem lYlonovibrator 134 enthalten sind. Der Impulszug-Oszillator wird mit dem Ausgang des fflonovibrators 82 synchronisiert, und zuiar über eine Verbindung vom CL-AnschluQ der IKIonovibratoren 134 und 136 mit der Ausgangsleitung 80. (Hit der Leitung 80 sind ferner die Nicht-und-Gatter 148 und 152 verbunden.

Dip TaktimpuJse in den Leitungen 80, 86, 130 und 132 werden dazu verwendet, die "555"-Zeitgeber 46, 56, 66 und 76 sowie Gatter-Logikschaltungen zu steuern, unter denen sich J-K-Flip-Flops 154 bis 157 und verschiedene Freigabe- und Stillsetz-und-Gatter 158 bis 161 sowie Nicht-und-Gatter 162 bis 165 befinden, tliie bereits erwähnt wurde werden die Taktimpulse in Leitung 80 an die Rücksetzanschlüsse der Zeitgeber 46, 56, 66 und 76 angelegt. Die Taktimpulse in Leitung 86 werden dazu verwendet, die J-K-Flip-Flops 154 bis 157 zu löschen, und werden an die CL-Anschlüsse dieser Flip-Flops angelegt. Ausgangs-Stillsetzimpulse, die in Leitung 108 erzeugt werden, werden an einen Anschluß der UND-Gatter 158 und 159 angelegt, während Ausgangs-Stillsetzimpulse, die in Leitung 110 erzeugt werden, an UND-Gatter 160 und 161 angelegt werden. Die in Leitung 130 erzeugten Taktimpulse steuern die Freigabe der Nicht-und-Gatter 162 und 164, und die Taktimpul-

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se in Leitung 132 werden dazu verwendet, die Nicht-und-Gatter 163 und 165 freizugeben.

Die Schaltung und die ArbeitFuifii se der ^Mb55"-Zeit.geber, der J-K-Flip-Flops und der zwei Gatter in jedem Kanal sind ähnlich. Es u/ird hier der Y-Aufwärts-Kanal betrachtet; das Signal mit veränderlicher Frenuenz am O-Anschluß des "555"-Zeitgebers 46 wird an den TaktanschluO des J-K-Flip-Flops 154 angelegt, dessen Π-Anschluß mit einen Eingang des UND-Gatters 158 verbunden ist. Ein Ausgang des UND-Gatters 158 wird an einem Eingang des Nichtund-Gatters 16? angelegt, dessen Ausgang mit Leitung 36 verbunden ist. U/as den veränderlichen kondensator 13 anbetrifft, so u/ird das Ausgangssignal des Zeitgebers 56 am O-AnschluQ an den Takteingang des J-K-Flip-Flops 156 angelegt, dessen TJ-Anschluß mit einem Eingang des UND-Gatters 160 verbunden ist. Der Ausgangs Anschluß des UND-Gatters 160 ist mit dem Nicht-und-Gatter 174 verbunden, dessen Ausgang mit Leitung 3Θ verbunden ist. In gleicher UJeise ist der 0—Anschluß des "555"-Zeitgebers 66 mit dem TaktanschluO des J-K-Flip—Flops 155 verbunden, das an seinem Ώ-Ausgang ein Signal erzeugt, das an einen Eingang des UND-Gatters 159 angelegt wird. Das UND-Gatter 159 liefert Ausgangssignale, die an einen Eingang des Nicht-und—Gatters 163 angelegt werden, welches mit der Ausgangsleitung 37 verbunden ist. In dem Kanal, der den veränderlichen Kondensator 15 enthält, ist der Zeitgeber 76 mit dem J-K-Flip-Flop 157 verbunden, dessen Ώ-Anschluß mit einem UND-Gatter 161 verbunden ist. (flit dem Ausgang des UND-Gatters 161 ist ein Eingang des Nicht-und-Gatters 165 verbunden, dessen Ausgang mit Leitung 39 verbunden ist.

Jeder J-Anschluß der Flip-Flops 154 und 157 ist mit der positiven Gleichspannung über Widerstand 128 verbunden, und jeder K-Anschluß dieser Flip-Flops ist mit ITIasse verbunden.

In d·· "Y-Aufwärts"-Kanal wird im Betrieb ein Taktimpuls, der in Figur 4 als Ulellenzug 166 dargestellt ist, in Leitung 80 er-

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zeugt und an den " 555"-Zei tgeber 46 angelegt, Mit der v/orderen Planke des Takt impulses 166 ist die vordere Flanke eines Ausgangs-5tillsetzimpulses 16B synchronisiert, der in Leitung 108 erzeugt wird, welche an UND-Gatter 58 angelegt ist. Mit der vorderen FlankR des Impulses 166 ist ferner ein Impulszug 170 am Ausgang des Monovibrators 134 in Leitung 130 synchronisiert. Während der Impulsbreite des Taktimpulses 166 und bei unberührtem Zustand des veränderlichen Kondensators 12 ist das Ausgangssignal des "555"-Zeitgebers 46, das an das J-K-Flip—Flop 154 angelegt wird, durch den Wellenzug 172 dargestellt.

In dem Zeitintervall des Taktimpulses 166 wird der Zeitgeber 46 beim Auftreten der vorderen Flanke des Taktimpulses freigegeben. Die vordere Flanke des Ausgangs-Stillsetzimpulses 168 in Leitung 108 sperrt das UND-Gatter 15B, und dessen Ausgang verbleibt auf dem Logikpeqel "ü", wodurch das Nicht-und—Gatter 162 gesperrt wird. Mit der vorderen Flanke des Taktimpulses 168 ist die vordere Flanke des ersten Tm^ulses aus dem Taktgeber 46 synchronisiert. Dieser Impuls wird an das J-K-Flip-Flop 154 angelegt, welches ein hochliegendes Logiksignal am H-Ausgang für das UND-Gatter 158 erzeugt. Das UND-Gatter 158 wird jedoch gesperrt und sperrt wiederum das Nicht-und-Gatter 162. Die Impulse 170 des Impulszug-Oszillators in Leitung 130, die an Nicht-und-Gatter 162 angelegt werden, werden also daran gehindert, zur Ausgangsleitung 36 übertragen zu werden. Dies resultiert aus der Sperrung des Nicht—und-Gatters 162 mittels des Ausgangssignals auf Logik— pegel "0" des UND-Gatters 158.

Beim Auftreten der hinteren Flanke des ersten Impulses aus dem Taktgeber 46 kippt das 3-K-Flip-Flop 154, und der Q-Ausgang wird auf Logikpegel "0" geschaltet. Dieses 3-K—Flip-Flop 154 kann anschließend nicht in den anderen stabilen Zustand gekippt werden, und die darauffolgenden Impulse aus dem Taktgeber 46 ändern nicht den Logikpegel an dem H-AnpchluQ. Während der verbleibenden Taktimpulse 166 bleibt also der TJ-Ausgangsanschluß

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des Flip-Flops 154 auf Logikpegel "ü^w.

Beim Auftreten der hinteren Flanke des Ausgangs-5tillsetzimpulses 168 in Leitung 108 uiird das UND-Gatter 158 stillgesetzt, bzw. gesperrt. Zu diesem Zeitpunkt, befindet sich jedoch der Q-Anschluß des Flip-Flops 154 auf Logikpegel "0" und bleibt, dort, während der Dauer des Taktimpulses 166. Der Ausgang des UND-Gatters 158 wird folglich auf Logikpegel "0" mährend der verbleibenden Dauer des Taktimpulses 166 gehalten, wodurch ferner das Nicht-und-Gatter 162 gesperrt gehalten wird. Die Impulse des Impulszug-Oszillators in Leitung 130 werden daran gehindert, zur Ausgangsleitung 36 übertragen zu werden. Dadurch werden in Leitung 36 keine Ausgangsimpulse erzeugt, wie durch den in Figur 4 gezeigten lüellenzug 173 verdeutlicht uiird.

Anschließend endet der Taktimpuls 166, wodurch der Taktgeber zurückgesetzt wird und dieser Oszillator stillgesetzt wird. Eeim Auftreten der hinteren Flanke des Taktimpulses 166 wird, obschon dies in Figur 4 nicht gezeigt ist, ein Taktimpuls in Leitung 86 erzeugt, um 3-K—Flip-Flop 154 zu löschen, um ein Ansprechen auf den nächsten Ausgangsimpuls des Taktgebers 46 zu ermöglichen.

Solange der erste Impuls aus dem Taktgeber 46 im UJellenzug ein Zeitintervall aufweist, das kürzer ist als der Ausgangs-Stil] setzimpuls 168, verbleibt der Ausgang des Nicht-und-Gatters 16? auf Logikpegel "1". Dieser Zustand besteht so lange wie der veränderliche Kondensator 12 nicht berührt wird.

Es wird nun auf Figur 5 Bezug genommen und angenommen, daß der Finger 12a berührt wird. Beim Auftreten der Anstiegsflanke des Takt impulses 166 wird ein Ausgangs—Stillsetzimpuls 168 in Leitung 108 erzeugt und dem UND-Gatter 158 zugeführt. Erneut u.ird der Impulszug-Oszillator freigegeben und erzeugt den Impulszug 170 in Leitung 130 für Nicht-und-Gatter 162.

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Wnnn Finger 1?a berührt irird, so nimmt die Ausgangsfreciuenz des "bEj5"-Tak tgeber ε· 46 ab, wodurch die 1 ntervallbrei te jedes Auf— gangsimpulses, der an dar» J-K-Flip-Flop 154 angelegt wird, zunimmt. Der Impulswellenzug 174 zeigt ein typisches Ausgangssignal drs Taktgebers 46, wenn der Finger 12a berührt wird. U/enn dieser Impuls an J-K-Flip-F lop 154 angelegt wird, so kippt der Q-AnschluO auf Logikpegel "1", ujelcher an UND-Gatter 158 angelegt mi rd. li/ahrend des Zeitintervalls des Auftretens des Ausgangs-5ti1lsetzimpulses 168 wird dieses Ausgangssignal des J-K-Flip-Flops 154 blockiert, und der Ausgang des UND-Gatters 158 befindet sich auf Logikpegel "D".

Beim Auftreten der hinteren Flanke des Ausgangs-Stillsetzimpulses 168 sind beide Eingänge des UND-Gatters 158 auf Logikpegel "1", wodurch ein Taktfenster erzeugt wird, in dem eine logische "1" am Nicht-und-Gatter 162 erzeugt wird. Wenn der Ausgang des UND-Gatters 158 sich jedesmal dann auf Logikpegel "1" befindet, wenn ein Impuls in Leitung 130 erscheint, so befinden sich beide Eingänge des Nicht-und-Gatters 162 auf Logikpegel "1". Dadurch wird dann eine logische "0" in Ausgangsleitung 36 erzeugt. Das Ausgangssignal in Leitung 36 ist nun eine Reihe von Impulsen mit der Frenuenz des Signals in Leitung 130, wie durch UUellenzug 176 dargestellt ist. Die Anzahl der Impulse 176, die in der Ausgangsleitung 36 erzeugt werden, ändert sich mit der Breite des Taktfensters, das zwischen der hinteren Flanke des Ausgangs— Stillsetzimpulses 168 und der hinteren Flanke des Taktgeberimpulses 174 gebildet ist.

Beim Auftreten der hinteren Flanke des Impulses 174 iuird das J-K-Flip-Flop 154 in den zweiten stabilen Zustand gekippt, wodurch der ^-Anschluß auf Logikpegel "0" geschaltet wird. UJie zuvor bereits erläutert wurde kann dieses Flip-Flop nicht erneut vom Ausgang des Taktgebers 46 gekippt werden, und der Tj-AusgangsanschluQ ist für die Dauer des Taktimpulses 166 auf dem Logik pegel "0" festgesetzt. Dadurch wird der Ausgang des UND-Gatters

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158 auf Logikpegel "0" getrieben, wodurch die Impulse 170 am Nicht-und-Gatter 162 gesperrt werden. Der nächste· Ausgangsimpuls des Taktgebers 46 erzeugt also nicht erneut einen Zustand zum Durchtakten der Impulse 170 zur Ausgangsleitung 36.

Es ist nun ersichtlich, daß die Anzahl der Impulse 176, die in der Ausgangsleitung 36 erzeugt werden, von dem Zeitintervall zwischen der hinteren Flanke des Impulses 168 und der hinteren Flanke des Impulses 174, wenn dieser später auftritt, abhängt. Dieses Zeitintervall steht direkt in Beziehung zur Kapazität der Elektrode 12. Die in Ausgangsleitung 36 erzeugte größere Anzahl von Impulsen 176 ist der Steuerfaktor zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers über die Kathodenftrahlröhrenanzeige.

Jeder der anderen drei Kanäle der in Figur 2 gezeigten Schaltung arbeitet wie oben bezüglich des Kanals der Elektrode 12 beschrieben. Die Ausgangsimpulse 176 können also an irgendeiner der Ausgangsleitungen 36 bis 39 erzeugt werden, abhängig davon, an welcher Elektrode ein Ansprechen auf einen Berührungszustand erfolgt. Die Richtung der Läuferbewegung wird dadurch bestimmt, welches der Nicht-und-Gatter 162 bis 165 den Impulszug 176 an die Ausgangsleitungen 36 bis 39 ankoppelt.

Es wird nun auf die Figuren 6 bis 9 Bezug genommen, wo die Ausgangswellenzüge jeweils in den Leitungen 36 bis 39 für verschiedene Berührungslagen auf dem Uiandler 10 gezeigt sind, lüenn die Bedienungsperson die Fingerelektrode 12a berührt, so arbeitet der Kanal des veränderlichen Kondensators 12 in derselben Weise, wie anhand von Figur 5 beschrieben, um einen Impulszug 178 in Ausgangsleitung 36 zu erzeugen. Jede andere Ausgangsleitung 37 bis 39 verbleibt auf Logikpegel "1", wie durch die lüellenzüge 179 bis 181 illustriert ist. Diese Folge von Spannungen wird in eine Läufer-Treiberschaltung eingegeben, typischerweise Aufwärts/Abwärts-Zähler, welche den Anzeigeläufer schnell auf-

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wrirts entlang der positiven Y-Achse der Kathodenstrahlröhre treibt.

Nun soll angenommen werden, daü die Bedienungsperson die Abschnitte 12c und 13c berührt, wodurch die Kapazität der veränderlichen Kondensatoren 12 und 13, die jeweils mit Zeitgeber bzw. 56 verbunden sind, gerindert wird. Jeder Kanal dieser zwei Taktgeber arbeitet in derselben Weise wie unter Bezugnahme auf Figur 5 beschrieben, sodaG die Ausgangsimpulse 182 und 184 in Leitungen 36 bzw. 38 erzeugt werden. Während die Kanäle der veränderlichen Kondensatoren 1? und 13 die Ausgangswellonzüge 18? und 184 erzeugen, arbeiten die Kanäle der veränderlichen Kondensatoren 14 und 15 in derselben Weise, wie unter Bezugnahme auf figur 4 beschripben. Die Nicht-und-Gatter 163 und 165 befinden sich also im gesperrten Zustand und blockieren das Ausgangssignal des Impulszug-Oszillators in Leitung 132 von den Ausgangsleitungen 37 und 39. Dies führt dazu, daß die Uiellenzüge 183 und 185 jeweils in Ausgarmsleitungen 37 bzw. 39 erzeugt werden.

tUenn die Bedienungsperson die Abschnitte 14c und 15c berührt, so arbeiten die Kanäle der veränderlichen Kondensatoren 14 und 15, welche Oszillator 66 bzw. 76 enthalten, derart, daQ die Ausgangs— impulse des üJellenzuges 187 bzw. 189 in Ausgangsleitung 37 bzw, 39 erzeugt werden. Unter diesen Bedingungen erzeugen die Kanäle der veränderlichen Kondensatoren 12 und 13 die Wellenzüge 186 bzw. 188, d.h. es wird kein Impulszug an diesen Ausgangsleitungen erzeugt, wenn eine Berührung der Abschnitte 14c und 15c erfolgt. Die Elektronik für den Läufer, welche auf die Ausgangswellenzüge 186 bis 189 anspricht, treibt die Lauferanzeige abwärts und nach links auf der Kathodenstrahlröhre.

Es wird nun auf Figur 9 Bezug genommen, wo die Ausgangswellen— züge der Leitungen 36 bis 39 gezeigt sind, wenn eine Berührung auf der breiten Fläche des Musters der Elektrode 12 erfolgt, wo die Abschnitte 12b und 12c mit dem Finger 12a zusammen gelangen. Der von deii "555"-Taktgeber 56 erzeugte Ausgangswellen—

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zug 174 erzougt ein längeres Taktfenster als dies für die in Figur 6 gezeigten Zustände der Fall ist, und es werden mohr Ausgangsimpulse in Ausgangsleitung 36 erzeugt, nenn Wellenzug 178 mit liJellenzug 179 verglichen wird. Diose Gedingung führt dazu, daß die Lnuferanzeige auf der Kathodenstrahlröhre nach oben bewegt wird. Der Laufer bewegt sich jedoch schnell über die Kathodenstrahlröhre nach oben. Die Anzahl der Impulse in jedem der in Figuren 6 bis 9 gezeigten Uiellenzüge gibt also nicht nur die Richtung der Lauferbeu/ßgung an, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sich dieser bewegt.

lüenn die Elektrode 12 berührt wird, tuie zuvor unter Bezugnahme auf Figur 9 beschrieben wurde, so führen die Ausgangsleitungen 37 bis 39 keine Ausgangsimpulse, wie durch Uiellenzüge 191 bis 193 verdeutlicht wird. Durch Berührung jeder breiten Fläche der Elektroden 13 bis 15 uiird gleichzeitig eine begrenzte Anzahl von Ausgangsimpulsen, wie sie durch liJellenzug 190 gegeben sind, in den jeweiligen Ausgangsleitungen 37 bis 39 erzeugt.

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Claims

Xerox Corporation, Rochester N.Y./USA

Patentansprüche

1. Fühler für einen kapazitiv/ erregten Wandler, gekennzeichnet, durch

ein erstes Paar von gegenüberliegenden Elektroden (12, 14), die entlang einer von zwei senkrechten Achsen angeordnet sind, und

ein zweites Paar von gegenüberliegenden Elektroden (13, 15), die mit dem ersten Paar von gegenüberliegenden Elektroden fingerartig verflochten und entlang der zweiten senkrechten Achse angeor net sind.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Paar der auf den zwei senkrechten Achsen angeordneten Elektroden eine ringförmige Anordnung bilden.

3. Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radiu des inneren Randes der ringförmigen Anordnung im wesentlichen konstant ist.

4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radin des äußeren Randes der ringförmigen Anordnung im wesentlichen konstant ist.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durcF eine Fingerelektrode (12a, 13a, 14a, 15a), die sich jeweils von den Elektroden aus radial nach innen erstreckt.

6« Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede

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Firgere]ektrode längs einer der zwei senkrechten Achsen orientiert ist.

7. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daO jede dieser Elektroden in gegenüberlifigenden Richtungen ausgehend von einer ersten Abmessung entlang einer der senkrechten Achsen bis zu einer zweiten Abmessung an einem Ende, das mit einer Elektrode des senkrecht beabstandeten Paares verflochten ist, verjüngt verläuft.

8. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daQ der Verflechtungsabstand zwischen den Paaren von gegenüberliegenden Elektroden im wesentlichen konstant ist.

9. Fühler für einen kapazitiv erregten Wandler, gekennzeichnet, durch

ein Substrat aus elektrisch isolierendem Material, ein erstes Paar von gegen'iberl iegenden Elektroden, die auf dem Substrat entlang einer von zu/ei senkrechten Achsen gebildet, sind, und

ein zweites Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die auf dem Substrat gebildet und mit dem ersten Paar von gegenüberliegenden Elektroden fingerartig verflochten und längs der zweiten senkrechten Achse angeordnet sind.

10. Fühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ein geätztes Kupfermuster enthalten, das auf dem Substrat liegt.

11. Fühler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Schutzschirm (16), der auf dem Kupfermuster liegt.

12. Fühler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kupferelektroden eine ringförmige Anordnung bilden, mit einem im wesentlichen konstanten Verflechtungsabstand zwischen den Paaren von gegenüberliegenden Elektroden .

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13. Kapazitiv erregter Uiandlnr, gekennzeichnet durch

einen auf die Lage einer Berührung ansprechenden Fühler, der eine Kapazitätsänderung verursacht, und einen an den Fühler angeschlossenen Oszillator (18, 24, 28, 30), der ein Signal mit einer Freciuenz erzeugt, die sich mit der Kapazität des Fühlers ändert.

14. Wandler nach Anpruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Durchschalten eines Impulszugsignals zu einem AusgangsanschluQ, u/o bei diese Einrichtung an den Oszillator angeschlossen ist und auf ein Taktfenster anspricht, das sich mit der Freciuenz des Oszillators verändert.

15. Wandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator eine integrierte Schaltung enthält, die Impulssignale mit einer Ufiederholungsfrenuenz erzeugt, die in Beziehung zur Kapazität des Fühlers steht.

16. Wandler nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine auf das Ausgangssignal der integrierten Schaltung und auf Freigabeimpulse ansprechende Einrichtung, die für ein zuvor festgesetztes Zeitfenster ein Impulszugsignal zu einem Ausgangsanschluß durchläßt.

17. Wandler nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler ein Substrat aus elektrisch isolierendem !material enthält, mit einem über dem Substrat liegenden geätzten Kupfermuster, das mit dem Oszillator verbunden ist und auf eine Posititionsberührung anspricht.

18. Kapazitiv erregter Wandler, gekennzeichnet durch

einen Fühler mit einer Mehrzahl von Elektroden, die jeweils auf die Lage einer Berührung derart ansprechen, daß eine Kapazitätsänderung an jeder Elektrode verursacht wird, und eine (mehrzahl von Oszillatoren, deren Anzahl gleich der Mehrzahl von Elektroden ist, wobei jeder Oszillator mit einer der Elektro-

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den verbunden ist und r i π Signal mit einc-r Frenuenz erzeugt, die in Beziehung zur Kapazität der Elektrode steht.

19. Wandler nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Takt—

und S feuereinrichtung (22), die mit der Mehrzahl won Oszil J atoren verbunden ist, zur Erzeugung eines Impulszugsignals an einem AusgangsanschluG für ein zuvor festgesetztes Zeitfenster, das sich mit der Frenuenz des Signals aus den Oszillatoren verrindert.

20. Wandler nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, riaG jeder der Oszillatoren eine integrierte Logikschaltung enthält, die Impulseignale mit einer UJiederholungsfrenuenz erzeugt, die in Reziehung zur Kapazität der damit verbundenen Elektrode steht.

21. Wandler nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daü der Fühler aus zwei Paaren von gegenüberliegenden Elektroden besteht, die entlang senkrechten Achsen orientiert sind.

22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daG ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden mit dem anderen Paar von gegenüberliegenden Elektroden fingerartig verflochten ist.

23. Wandler nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Fingerelektrode, die sich für jede der Elektroden radial nach innen erstreckt .

24. Wandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Werflechtungsabstand zwischen den Paaren von gegenüberliegenden Elektroden im wesentlichen konstant ist.

25. Wandler nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daG der Fühler ein Substrat aus elektrisch isolierendem material enthält und daü die Elektroden aus einem Kupfer-

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muster auf dem Substrat bestehen.

26. Wandler nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch einen Schutzschirm, der über den Kupferelektroden liegt.

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