Vorrichtung zum Erfassen der Ortskoordinaten eines Druckpunktes innerhalb eines Sensorfeldes

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen der Ortskoordinaten eines Druckpunktes innerhalb eines Sensorfeldes, das wenigstens eine elektrische Widerstandsschicht aufweist, die über randseitige elektrische Anschlüsse an eine Meß- und Auswerteschaltung angeschlossen ist.

Stand der Technik

Vorrichtungen zum Erfassen eines Druckpunktes innerhalb eines vorgegebenen Sensorfeldes kommen für unterschiedliche Anwendungen, beispielsweise in Form von Touchscreens, zum Einsatz. Bei resistiven Touchscreens wird der Umstand ausgenützt, daß bei einer elektrischen Widerstandsschicht, an die auf zwei einander gegenüberliegenden Rändern eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, die an einem Punkt zwischen den beiden Rändern abgreifbare Spannung vom Abstand des Abgriffpunktes von den an die Spannung angelegten Rändern abhängt. Wird daher über eine mit geringem Abstand von der Widerstandsschicht angeordnete Schicht im Druckpunktbereich ein elektrischer Kontakt zufolge einer druckbedingten Durchbiegung der Widerstandsschicht hergestellt, so kann über diesen elektrischen Kontakt die im Druckpunkt herrschende Spannung als Maß für den Abstand des Druckpunktes von den an die Spannung angelegten Rändern der Widerstandsschicht ausgewertet werden. Die an die Gleichspannung angelegte Widerstandsschicht bildet ja mit dem elektrischen Kontakt im Bereich des Druckpunktes einen Spannungsteiler. Zur

Bestimmung der Abstandskoordinaten des Druckpunktes in einer zweiten Achse ist eine Widerstandsschicht in dieser Achsrichtung an eine Gleichspannung anzulegen, so daß sich die Ortskoordinaten des Druckpunktes aus zwei Messungen ergeben, wobei die beiden Schichten jeweils eine Widerstandsschicht zur Messung der Ortskoordinaten in einer Achse darstellen können. Es ist aber auch möglich, nur eine Widerstandsschicht mit einer Leiterschicht für den Spannungsabgriff vorzusehen. In diesem Fall ist die Widerstandsschicht abwechselnd an Gleichspannungen in Richtung der beiden Achsen anzulegen. Nachteilig bei diesen bekannten resistiven Touchscreens ist vor allem, daß sie zwingend eine elektrische Gleichspannungsversorgung für ihre Funktion benötigen. Außerdem wird üblicherweise als Träger eine Glasplatte vorgesehen, was starre Sensorfelder bedingt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen der Ortskoordinaten eines Druckpunktes innerhalb eines Sensorfeldes so auszugestalten, daß einerseits ein vergleichsweise einfacher Aufbau gewährleistet werden kann und anderseits eine Unabhängigkeit von äußeren Spannungsquellen erreicht wird.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die mit zumindest drei elektrischen Anschlüssen versehene elektrische Widerstandsschicht auf einer ferroischen Schicht aus einem intern geladenen zellulären Polymer aufgebracht ist.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die für die Ortsbestimmung des Druckpunktes innerhalb des Sensorfeldes benötigte elektrische Ladung durch Piezoeffekte zur Verfügung zu stellen, wenn das Sensorfeld örtlich einer Druckbelastung ausgesetzt wird, so daß die entstehende Ladung entlang der Widerstandsschicht abgeleitet werden kann. über elektrische Anschlüsse kann der dadurch bedingte Strom gemessen werden, der vom elektrischen Wider-

stand der Widerstandsschicht zwischen dem der Ladungsquelle entsprechenden Druckpunkt und dem jeweiligen elektrischen Anschluß und damit vom Abstand des Druckpunktes vom jeweiligen Anschluß abhängt. Um die Abhängigkeit der erzeugten Ladung und damit des Stromes vom aufgebrachten Druck auszugleichen, sind zumindest drei elektrische Anschlüsse vorzusehen.

Die für die Bereitstellung entsprechender Ladungen erforderlichen piezoelektrischen Effekte werden vorteilhaft durch eine ferroische Schicht ermöglicht, also einem Material, dessen Symmetrie durch Temperatur oder Druck verändert werden kann, wie dies bei ferroelektrischen und/oder ferromagnetischen Bauelementen ausgenützt wird. Biegeweiche Schichten mit quasiferroelektrischen Eigenschaften ergeben sich, wenn zelluläre Polymere durch Mikroplasmaent- ladungen dauerhaft intern aufgeladen werden. Für eine solche Aufladung eignen sich insbesondere geschäumte, unpolare Polymere, die hervorragende Isolatoren sind. Voraussetzung für eine interne Ladung ist eine Ionisierung des Gases in den zellenartigen Hohlräumen, so daß freie Ladungsträger in Form von Elektronen und Ionen vorhanden sind. Neben ferroelektrischen Eigenschaften vergleichbaren Wirkungen in einem äußeren elektrischen Feld können auch piezoelektrische Wirkungen festgestellt werden, und zwar aufgrund der unterschiedlichen elastischen Eigenschaften des Gases in den Hohlräumen des zellulären Polymers und des Polymers selbst. Dabei ergeben sich sehr geringe dynamische piezoelektrische Koeffizienten d ₃ i von beispielsweise zwei pC/N und große piezoelektrische Koeffizienten d ₃₃ von zum Beispiel 250 pC/N, so daß die durch Scherkräfte bedingten elektrischen Spannungen vielfach vernachlässigt werden können, was im Zusammenhang mit einer Biegung der ferroischen Schicht von Bedeutung ist, weil Ladungseffekte zufolge einer Biegeverformung der biegeweichen zellulären Polymere bei der Ortskoordinatenbestimmung eines Druckpunktes unberücksichtigt bleiben können. Da die elektrische Widerstandsschicht auf der ferroischen Schicht aufgebracht ist, wird die durch eine Druckbelastung der ferroischen Schicht entstehende Ladung über die Widerstandsschicht zu den Anschlüssen abgeleitet, wobei über das Verhältnis der gemessenen Entladungsströme eine eindeutige Ortsbestimmung

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des Druckpunktes über eine angeschlossene Meß- und Auswerteschaltung möglich ist. Werden mehr als für die eindeutige Ortsbestimmung benötigte Anschlüsse der Widerstandsschicht vorgesehen, so können auch mehrere Druckpunkte erfaßt werden, was für manche Anwendungen von Bedeutung ist.

Besonders günstige Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die ferroi- sche Schicht in einer kapazitiven Struktur zwischen zwei Deckschichten angeordnet wird, von denen die eine die elektrische Widerstandsschicht und die andere eine elektrisch leitende Schicht bilden, so daß sich zwischen den Deckschichten beim Auftreten einer Ladung eindeutige Spannungsverhältnisse ergeben.

Ferroische Schichten aus einem intern geladenen zellulären Polymer sind nicht lichtdurchlässig. Dies spielt jedoch im Zusammenhang mit vorzusehenden Anzeigefeldern dann keine Rolle, wenn die mit der elektrischen Widerstandsschicht versehene ferroische Schicht einen Träger für das Anzeigefeld bildet, das - wie an sich bekannt - lichtemittierende, organische Dioden aufweisen kann. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß eine ausreichende Druckbelastung der ferroischen Schicht durch das aufgebrachte Anzeigefeld gewährleistet ist. Aufgrund der Biegeweichheit der ferroischen Schicht kann eine Biegeverformung der mit dem Anzeigefeld versehenen ferroischen Schicht sichergestellt werden. Es ist lediglich für eine entsprechende Biegeweichheit des Anzeigefeldes zu sorgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Ortskoordinaten eines Druckpunktes innerhalb eines Sensorfeldes in einem schematischen Querschnitt und

Fig. 2 diese Vorrichtung in einer schematischen Draufsicht.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die dargestellte Vorrichtung zum Erfassen der Ortskoordinaten eines Druckpunktes weist eine ferroische Schicht 1 aus einem intern geladenen zellulären Polymer zwischen zwei Deckschichten auf, von denen die eine eine elektrische Widerstandsschicht 2 bildet, während die andere eine elektrisch leitende Schicht 3 darstellt. Die elektrische Widerstandsschicht 2 ist mit randseitigen elektrischen Anschlüssen 4 versehen, über die die Vorrichtung mit einer Meß- und Auswerteschaltung 5 verbunden ist, die gesondert dargestellte Strom- Meßeinrichtungen 6 im Bereich jedes Anschlusses 4 umfaßt. Wird die ferroische Schicht 1 örtlich mit einem Druck beaufschlagt, wie dies in der Fig. 1 durch die Kraft 7 veranschaulicht ist, so bewirkt dieser Druck aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der ferroischen Schicht 1 eine Ladung und damit eine entsprechende Spannung zwischen der Widerstandsschicht 2 und der leitenden Schicht 3. Diese Ladung wird über die Anschlüsse 4 durch die Widerstandsschicht 2 abgeleitet, wobei die gemessenen Ableitströme in der Meß- und Auswerteschaltung 5 zur Bestimmung der Ortskoordinaten des Druckpunktes 8 ausgewertet werden. Wie sich aus dem in der Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten Ersatzschaltbild ergibt, stellt die Widerstandsschicht 2 zwischen dem Druckpunkt 8 und den Anschlüssen 4 ohmsche Widerstände Ri, R ₂ , R ₃ und R ₄ dar, die die Größe der über die Anschlüsse 4 abgeleiteten Entladungsströme mitbestimmen, so daß mit dem Größenverhältnis der gemessenen Ströme auf die Widerstandsverhältnisse und damit auf den Abstand des Druckpunktes 8 von den Anschlüssen 4 geschlossen werden kann. über einen Ausgang 9 der Meß- und Auswerteschaltung 5 können somit die Ortskoordinaten des Druckpunktes 8 zur Verfügung gestellt werden, ohne daß es einer äußeren Spannungsquelle bedarf. Außerdem ist die ferroische Schicht 1 aus einem zellulären Polymer biegeweich, so daß das durch die Widerstandsschicht 2 bestimmte Sensorfeld für die Erfassung der Ortskoordinaten eines Druckpunktes 8 einer Biegeverformung unterworfen werden kann. Diese Bie-

geverformung wirkt sich wegen des geringen piezoelektrischen Koeffizienten d ₃ i nicht nachteilig auf das Meßergebnis aus.

Um das Sensorfeld mit einem Anzeigefeld verbinden zu können, muß die ferroische Schicht 1 mit der Widerstandsschicht 2 als Träger für ein solches Anzeigefeld dienen, weil die ferroische Schicht 1 aus einem zellulären Polymer lichtundurchlässig ist. In der Fig. 1 ist ein solches zusätzliches Anzeigefeld strichpunktiert angedeutet und mit dem Bezugszeichen 10 versehen.