DE3882370T2

DE3882370T2 - System und gerät zur bereitstellung eines eingangs in drei dimensionen zu einem wirtprozessor.

Info

Publication number: DE3882370T2
Application number: DE88904815T
Authority: DE
Inventors: Andrew Gorniak
Original assignee: General Datacomm Inc
Current assignee: General Datacomm Inc
Priority date: 1987-05-01
Filing date: 1988-04-29
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-04-30
Also published as: JPH02503964A; AU613637B2; DE3882370D1; WO1988008565A1; EP0362255A1; CA1324424C; KR890700869A; IN169831B; AU1727988A; EP0362255B1; EP0362255A4

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme und Instrumente zur Bereitstellung von drei Eingabedimensionen für einen Host-Prozessor. Die Erfindung betrifft im einzelnen Eingabegeräte für Computer-Prozessoren, wie z. B. eine Computer-Maus, die es erlauben, Daten in drei Dimensionen einzugeben bei gleichzeitigem Arbeiten auf einer im wesentlichen planen Oberfläche. Zunächst sollte klar sein, daß es sich bei der von einem Bediener in die Geräte dieser Erfindung getätigte Eingabe um eine von dem Bediener manuell gesteuerte dreidimensionale und von der Form her analoge Eingabe handelt. Die Geräte erfassen die analoge Information entweder digital oder analog. In beiden Fällen jedoch wird die Information von dem Gerät dieser Erfindung oder von angeschlossenen Mikroprozessoren so verarbeitet, daß ein Host-Prozessor wie beispielsweise ein Computer die Information entziffern kann. Derzeitiger Stand der Technik ist, daß die dem Prozessor des Computers zugeführte verarbeitete Information in digitaler Form vorliegen muß um von diesem verarbeitet werden zu können.
Mit dem Aufkommen des Personal Computer (PC) ist die Auswahl an handgesteuerten Eingabegeräten für Computer-Prozessoren stark gestiegen. Die meisten dieser handgesteuerten Eingabegeräte erlauben die Eingabe von Informationen ausgehend von der x- und y-Koordinate des Geräts. Zu den wohl gängigsten Arten dieser Geräte gehören der Lichtstift, ein Stift für ein Bit-Pad, sowie die Computer-Maus. Der Lichtstift wird am Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre eingesetzt, die den von dem Elektronenstrahl empfangenen Impuls zur Positionsermittlung nutzt. Der Lichtstift kann benutzt werden, um einen Cursor auf einem Bildschirm an die von dem Bediener gezeigte x- und y-Position zu bewegen, also zur Informationseingabe.
In bezug auf das aus Stift und Bit-Pad bestehende System sind verschiedene Ausführungsformen Stand der Technik. Die Kombinationen aus elektrostatischem oder kapazitivem Stift und Bit-Pad sorgen für ein elektrisches Feld zwischen dem Stift oder Cursor und einer speziellen Pad-Oberfläche, in die eine Antenne, ein Gifter oder ähnliches integriert ist. Der Stift oder Cursor gibt ein Sinuswellen- Signal aus, das von in x- oder y-Richtung angeordneten Leitungen in der Antenne oder dem Gitter aufgenommen wird. Die Amplitude oder Phasenverschiebung der von der Antenne empfangenen Welle liefert einen Hinweis auf die Position des Stifts.
Eine elektromagnetische Bid-Pad-Anordnung sorgt für die elektromagnetische Kupplung zwischen dem Stift und dem Bit-Pad oder Tablett. Der Stift beinhaltet typischerweise eine kleine Spule, die als Primärwicklung eines Luftkern-Transformators agiert, während das Tablett ein Kupferdrahtgeflecht enthält, das als Sekundärwicklung dieses Transformators agiert. Die genaue Position des Stifts wird durch Abtasten der Drähte des Tabletts und Auswerten der Signale ermittelt. Andere Stift/Bit-Pad-Kombinationen sind unter anderem Schalldigitalisiergeräte, bei denen der Stift eine Schallwelle ausgibt und das Pad oder Tablett Streifenmikrophone beinhaltet, die das Tablett überwachen. Die Mikrophone ermitteln die exakte Position des Stifts. In allen derzeit bekannten Ausführungen bieten die Kombinationen aus Stift und Bit-Pad dem Bediener die Möglichkeit, interaktiv mit einem Bildschirm zu arbeiten, um Bilder zu erstellen oder eine Auswahl zu treffen. Die Stift/Bit-Pad-Kombinationen erlauben es dem Bediener ferner, Daten durch Eingabe exakter Positionsangaben ausgehend von einer vorhandenen Zeichnung zu digitalisieren.
Ebenso zum Stand der heutigen Technik gehört ein Stift für die dreidimensionale Dateneingabe, hergestellt von Polhemus Navigation Sciences of Colchester, VT. Dieser Stift von Polhemus Navigation Sciences kann über die Oberfläche eines nichtmetallischen Gegenstandes bewegt werden, um einen Gegenstand durch Messen des z-Abstandes zwischen Stift zum Bit-Pad sowie der x- und y-Position des Stifts entsprechend der oben beschriebenen elektromagnetischen Konfiguration dreidimensional in digitaler Form darzustellen.
Die mechanische Computer-Maus (von der ein Beispiel in Form eines Blockbildes in Abbildung i dargestellt ist), wohl die gängigste aller handgesteuerten Eingabegeräte für Desktop-Computer, weist typischerweise die Form einer Rollkugel auf, deren Bewegung in x- und y-Richtung elektronisch erfaßt wird. Optische, akustische und Widerstands-Meßwertgeber sind bekannt. Bei den Ausführungen mit optischen und akustischen Meßwertgebern kann die Maus frei von jedweder direkten Verbindungsleitung zum Computer sein, sie muß sich jedoch innerhalb des "Blickfeldes" des Computers befinden. Im Falle der Ausführung mit Widerstandsmeßwertgeber braucht die Maus je nach Länge des Verbindungskabels nicht unbedingt im "Blickfeld" des Computers sein.
Wie aus Abbildung ersichtlich, sorgen einige mechanische Maus- Konfigurationen nicht nur für die Abtastung in x- und y-Richtung mittels des x-Achsen-Sensors 12 und des y-Achsen-Sensors 14, sondern bieten auch Funktionsschalter wie die Schalter 16 und 18 an. Die Bewegungen in x- und y-Richtung sind analoge Eingangssignale. Jedoch geben die Sensoren 12 und 14 typischerweise ein binäres oder digitales Signal aus, das an einen Mikroprozessor 20 übermittelt werden kann. Der Mikroprozessor interpretiert die binären Werte, um die Bewegungen der Maus in x- und y-Richtung darzustellen. Die über die Funktionsschalter getätigten Eingaben, die einen EIN- oder AUS-Status repräsentieren, werden ebenso an den Mikroprozessor 20 weitergeleitet und sind von Anfang an digitale Informationen. Das heißt, eine binäre Eins ("1") wird als Schalter geöffnet und eine binäre Null ("0") wird als Schalter geschlossen (oder umgekehrt) interpretiert. Die digitalen Daten von den x- und y-Achsen-Sensoren sowie den Druckschaltern werden sodann in parallel oder zeitlich sequentiell dargestellte Daten umgewandelt und an die Computer-Schnittstelle 25 (über einen EIA-Treiber 26, wenn es sich um zeitlich sequentiell dargestellte Daten handelt,) weitergeleitet. Bei den Daten handelt es sich typischerweise um asynchrone Daten, die die Bewegungsrichtung der Maus zusammen mit den Schalterpositionsauswahldaten umfassen. Der Computer kann nun die Daten über ein Softwareprogramm interpretieren und die Funktionen der Schalter ausführen sowie die Bewegungen der Maus in x- und y-Richtung ermitteln. Je nach Wunsch kann die Computer-Software genutzt werden, um Konfigurationsinformationen von dem Mikroprozessor einzuholen und diese Konfigurationsinformationen (über einen EIA-Empfänger 28, wenn es sich um zeitlich sequentiell dargestellte Daten handelt), zu ändern um z. B. die Bewegungsempfindlichkeit der Maus oder das Datenformat zu ändern.
Anerkanntermaßen sind verschiedene Computer-Softwareprogramme entwickelt worden, die eine Computer-Maus wie die in Abbildung 1 gezeigte Maus als Eingabegerät verwenden, die es dem Bediener gestattet eine dreidimensionale Grafikfunktion durchzuführen durch Eingabe von Informationen wie den Maßen der Außenflächen eines Gegenstandes. Dies kann durch Bewegen der Maus über die gewünschten Strecken und Betätigen ("Anklicken") der Funktionstaste der Maus oder auf andere bekannte Weise geschehen. Anhand dieser Informationen in Verbindung mit einer hochtechnischen und detaillierten Software ist ein Computer- Prozessor in der Lage, ein Objekt dreidimensional abzubilden und es sogar um eine gewünschte Achse zu drehen.
Die notwendigen Funktionen für grafische Darstellungen am Computer wie Linienstärken, Ziffern ("dithering"), Farbtönung und Farbe werden derzeit auf ähnliche Weise wie die dreidimensionalen Grafiken realisiert. Das heißt, beim Linienzeichnen verlangt die Funktion "Linien zeichnen" von dem Bediener die vorherige Festlegung oder Einstellung der Strichstärke der zu zeichnenden Linie. Diese Auswahl erfolgt typischerweise anhand eines Auswahlmenüs, das entweder ständig am Bildschirmrand eingeblendet ist oder mit Hilfe der Maus aufgerufen werden kann. Dieses Auswahlmenü wird typischerweise entweder durch Betätigen einer Taste auf der Maus oder durch Bewegen des Cursors auf die entsprechende Menüaufruffunktion am Bildschirm und anschließendem Betätigen der Taste aufgerufen. In beiden Fällen muß der Bediener eine digitale Auswahl der Strichstärke treffen durch Ausführen einer Reihe von Verfahrensschritten, wobei diese Schrittfolge bei jeder Änderung der Strichstärke erneut durchzuführen ist. Selbst dann ist die einmal gewählte Strichstärke konstant und kann nur schrittweise erhöht werden. Gleiches gilt, wie bekannt, für die Auswahl von Farbton, Farbe und Ziffern.
JP-A-61 062916 stellt ein auf Druck reagierendes mausartiges Gerät zur dreidimensionalen Dateneingabe vor. Das enthüllte Druckmeßsystem verwendet eine federbelastete Vorrichtung, bei der sich ein Teil der Vorrichtung innerhalb des übrigen Teils der Vorrichtung verschiebt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist-in den unabhängigen Ansprüchen 1, 6 und 12 beschrieben.
Das Eingabegerät dieser Erfindung kann für viele Zwecke genutzt werden. Die dritte Dimension unter der manuellen Steuerung des Bedieners könnte von dem Prozessor in eine z-Dimension übersetzt werden, um Rechnersystemen zum Editieren von Grafik eine dreidimensionale Modellierungsfähigkeit zu verleihen. Das heißt, durch Druck auf die Maus könnten Objekte "in" das Bild eingefügt werden. Die dritte Dimension könnte auch, wenn gewünscht, eine Drehfunktion sein. Oder es könnte eine analoge Verstärkungsfunktion oder eine analoge Strichstärkenfunktion, die sich für Computer-"Zeichen"- oder Desktop-Publishing-Programme dynamisch ändern lassen, angeboten werden. Als solche würden die drei Dimensionen einer analogen Eingabe dynamische Änderungen in einer "dritten Dimension" zulassen und den Bediener von der Notwendigkeit freistellen, bei jeder Änderung der Intensität oder Strichstärke immer wieder dieselbe Schrittfolge durchzuführen, wie Betätigen einer Drucktaste zum Wechseln in einen anderen Programmteil zwecks Auswahl der Intensität und zum Zurückkehren zu der Zeichnung.
Diese Erfindung sowie die weiteren Vorzüge und Gegenstände dieser Erfindung werden dem Fachmann verständlicher anhand der ausführlichen Beschreibung und der sie begleitenden Abbildungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Die Abbildung 1 zeigt ein Blockbild eines dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden Eingabegeräts für einen Host-Computer, das zwei Eingabedimensionen anbietet;
die Abbildung 2A zeigt ein Blockbild eines Eingabegeräts mit drei Eingabedimensionen, bei dem eine analoge dritte Dimension durch Verwendung einer druckempfindlichen Vorrichtung bestimmt wird;
die Abbildung 2B zeigt ein Blockbild eines Eingabegeräts mit drei Eingabedimensionen als eine Alternative zu dem Gerät nach Abbildung 2A zur Eingabe der analogen Daten der dritten Dimension in einen Mikroprozessor;
die Abbildung 2C zeigt ein Blockbild eines Eingabegeräts mit drei Eingabedimensionen, bei dem die dritte Dimension durch Verwendung einer druckunempfindlichen Vorrichtung bestimmt wird;
die Abbildung 3 zeigt eine zum Teil abgeschnittene perspektivische Ansicht einer dieser Erfindung entsprechenden Maus-Anwendung mit drei Eingabedimensionen, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem derzeitigen Stand der Technik entsprechende Maus so angepaßt worden ist, daß sie unter der manuellen Steuerung des Bedieners ein analoges Signal einer dritten Dimension empfangen kann; und
die Abbildung 4 zeigt eine zum Teil abgeschnittene perspektivische Ansicht eines Stifts.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN ANWENDUNG

Bevor wir uns der Abbildung 2A zuwenden, ist es sinnvoll, einige Fachtermini zu definieren. Diese Erfindung wird "System" und "Instrument" zur "Eingabe" von Daten für einen Host-Prozessor bezeichnet. Der Begriff "Eingabe" wurde gewählt, um deutlich zu machen, daß es sich bei dem Ausgangssignal des Systems oder Geräts dieser Erfindung um Informationen handelt, die als Eingangssignale einem Host-Prozessor zugeführt werden. Der Begriff "System" wird verwendet um aufzuzeigen, daß die Art der dreidimensionalen Erfassung von Bedienereingaben in separaten Vorrichtungen oder auch in einem einzelnen "Instrument" realisiert sein kann. Es ist ferner davon die Rede, daß diese Erfindung drei "Dimensionen" mit einer analogen dritten Dimension besitzt. Dies soll zum Ausdruck bringen, daß dem Bediener drei Eingabedimensionen (z. B. x, y und z) die er manuell steuern kann, zur Verfügung stehen und daß die dritte Eingabe (z. B. z) analog oder in ihrer Art veränderlich ist im Gegensatz zu einer digitalen (EIN-AUS) Eingabe eines Schalters.
Die Abbildung 2A nun zeigt anhand von Blockbildern eine Reihe von Anordnungen des Instruments zur Eingabe von Daten in drei Dimensionen. Das Eingabeinstrument 50a besteht im wesentlichen aus den Einrichtungen 52a und 54a zur Erfassung der Position oder zur Erfassung und Messung der Bewegung des Instruments oder Geräts 50a in zwei senkrecht zueinander stehenden Dimensionen auf einer im wesentlichen planen Oberfläche sowie zur Lieferung von Ausgangssignalen, die für die zweidimensionale (d. h. x und y) Position oder Bewegung des Geräts 50a stehen, einer Einrichtung 56a zur Messung und Erfassung eines analogen Eingangssignals der dritten Dimension in die Vorrichtung 50A und Lieferung eines für eine Eingabe einer dritten Dimension stehenden Ausgangssignals bei Ausrichtung des Geräts auf einer ebenen Fläche, sowie einer Einrichtung 60a zum Empfang der Ausgangssignale der Einrichtungen 52a, 54a und 56a und zur Bereitstellung von aus diesen Signalen gewonnenen und für eine Eingabe in einen Computer-Prozessor 70a geeigneten Daten. Die Vorrichtung 50a umfaßt im einzelnen einen x-Achsen-Sensor 52a und einen y-Achsen-Sensor 54a, die beide verschiedenartig ausgeführt sein können (z. B. als Computer-Maus, Stift/Bit-Pad-Kombination oder Lichtstift) wie auf diesem Fachgebiet bekannt. (Siehe beispielsweise die US-Patente von Fernald, Nr. 3.761.877, von Eckert, Nr. 3.806.912, von Whetstone et al., Nr. 3.956.588, von Dym et al., Nr. 4.009.338, von Prugh et al., Nr. 4.206.314, von Rocheleau, Nr. 4.243.843, von Kirsch, Nr. 4.364.035, und von Hawley, Nr. 4.628.755, sowie die Artikel: Rodgers, James, "Data Entry Devices Get Smart", in CAE, March 1987, Seiten 52-58; de Bruyne, Pieter, "Computer Large-Area Graphic Digitizer for Personal Computers", in IEEE CG&A, December 1986, Seiten 49-53.) Es ist klar, daß im Falle der mechanischen Computer-Maus die x- und y-Achsen-Sensoren die Bewegung erfassen und messen und ein mit dieser Bewegung in Beziehung stehendes Ausgangssignal liefern, während im Falle der Stift/Bit-Pad-Konfiguration die x,y-Position des Stifts durch die Sensoren 52a und 54a erfaßt werden und ein diese Position anzeigendes Ausgangssignal bereitgestellt wird. In beiden Fällen können die Sensoren 52a und 54a in digitaler oder analoger Weise arbeiten, entsprechend ihrer jeweiligen Auslegung. Liefern die Sensoren analoge Ausgangssignale, so können diese durch eine direkt mit den Sensoren gekoppelte Schaltung oder durch eine innerhalb des Mikroprozessors 60a angeordnete Schaltung digitalisiert werden.
Gemäß dieser Erfindung werden von dem Mikroprozessor 60a auch zusätzliche Informationen über eine dritte Dimension empfangen. Bei der in Abbildung 2A gezeigten Anordnung liefert eine analoge druckempfindliche Vorrichtung 56a ein Ausgangssignal, das die analoge dritte Dimension auf eine Art von einer Vielzahl von Arten, wie im folgenden noch erläutert, darstellt. Das bereitgestellte analoge Spannungssignal wird sodann typischerweise von Verstärker 72a verstärkt der als Operationsverstärker oder als Einzeltransistor mit ausreichender Verstärkung ausgelegt sein kann, um die Spannung in den optimalen Arbeitsbereich des Analog/Digital- Umsetzers 74a zu bringen. Die digitalisierte Information wird sodann dem Signalspeicher (Latch) 76a zugeführt, wo sie bis zu ihrer Weiterleitung über den Datenbus 78a an den Mikroprozessor 76a gespeichert wird. Der Informationsfluß von dem A/D-Umsetzer 74a zum Signalspeicher 76a und von dort zum Mikroprozessor 60a wird von der Synchronisiereinheit 82a gesteuert, die ihre Zeitsteuerung z. B. von dem Taktgeber des Mikroprozessors 60a ableiten kann. D.h. die Synchronisiereinheit 82a liefert ein Abtastratentaktsignal an den A/D-Umsetzer 74a und ein Übernahmesignal (Strobe) an den Signalspeicher 76, so daß dieser bereit ist, das nächste digitale Abtastsignal zu empfangen. Sobald eine digitale Information in dem Signalspeicher 76a abgelegt ist, schickt die Synchronisiereinheit einen Impuls über die Interrupt-Leitung an den Mikroprozessor 60a, um anzuzeigen, daß die Information verfügbar ist. Der Mikroprozessor 60a, bei dem es sich je nach Wunsch um einen Acht-Bit-Prozessor wie den 8749-Prozessor von INTEL oder einen Sechszehn- oder Zweiunddreißig-Bit-Prozessor handeln kann, zusammen mit der erforderlichen Peripheriegeräteausstattung, muß dann die digitale Information durch Ausgabe des Ausgabe-Freigabe-Signals aus dem Signalspeicher 76a auslesen. Das Takten des Signalspeichers bewirkt das Erscheinen der binären Daten auf dem Datenbus 78a.
Als Reaktion auf die von den Sensoren 52a, 54a und 56a erhaltenen Informationen übernimmt der Mikroprozessor die Informationen und gibt vorzugsweise einen asynchronen digitalen Datenstrom aus. Der asynchrone Datenstrom enthält Daten über die Bewegungsrichtung sowie Druckempfindlichkeitsdaten. Sind zudem binäre Schalter wie die Druckschalter 91a und 93a auf dem Eingabegerät 50a vorgesehen und an den Mikroprozessor 60a angeschlossen, so kann der asynchrone Datenstrom auch Schalter-Informationen enthalten. In jedem Fall wird der Datenstrom, sofern er in digitaler Form vorliegt an den EIA-Treiber übermittelt, der den Spannungspegel dieses Digitaldatenstroms von TTL- auf EIA-Niveau ändert, so daß er von dem Host-Prozessor 70a des angeschlossenen Computers gelesen werden kann. Sofern gewünscht, kann ein EIA-Empfänger 88a vorgesehen werden, so daß der Mikroprozessor 60a von dem Host- Pozessor 70a des Computers gesteuert werden kann. Auf diese Weise könnte der Computer-Bediener dem Mikroprozessor 60a befehlen, die Druckempfindlichkeitsinformationen oder Daten des Sensors 56a oder die Bewegungs- oder Positionsempfindlichkeitsinformationen oder Daten der Sensoren 52a und 54a zu ändern. Wie zu erkennen ist, können die Daten, sofern sie ein paralleles Format aufweisen, direkt an die Schnittstellenschaltung des Host-Prozessors 70a gesendet werden und könnte der Host-Prozessor ebenso den Mikroprozessor 60a steuern.
Die Abbildung 2B zeigt eine alternative Anordnung zur Erfassung der analogen Information über die drifte Dimension von dem druckempfindlichen Sensor 56b und zur Versorgung des Mikroprozessors 60b mit den entsprechenden Daten. Der analoge Drucksensor 56b ist so ausgelegt daß er ein Ausgangssignal mit einem Spannungspegel entsprechend der Änderung des auf den Sensor 56b einwirkenden Drucks ausgibt. Das Spannungssignal wird sodann von dem Verstärker 72b so verstärkt, daß es innerhalb des optimalen Steuerspannungs-Arbeitsbereichs des spannungsgeregelten Oszillators 75b liegt. Die Frequenz des Oszillators wird von der Eingangsspannung gesteuert, und die Ausgangsfrequenz wird dem Mikroprozessor 60b zugespeist. Der Mikroprozessor 60b ermittelt die Frequenz des Oszillators 75b, wobei sich die Frequenzänderung proportional zu dem auf den Sensor 56b ausgeübten Druck verhält. Die Frequenz wird sodann softwaremäßig gemessen und in eine digitale Form gebracht und dem asynchronen Datenstrom wie im Zusammenhang mit Abbildung 2A beschrieben zugeführt.
Was die analoge druckempfindliche Vorrichtung 56a anbelangt die den Mikroprozessor 60a mit analogen Informationen über eine dritte Dimension versorgt, so ist festzuhalten, daß diese Vorrichtung 56a jede beliebige Auslegung von einer Vielzahl von Auslegungsarten haben kann. Ohne hiermit in irgendeiner Weise Grenzen setzen zu wollen, lassen sich die Vorrichtungen zur Lieferung von Druckempfindlichkeitsinformationen leicht in zwei spezielle Gruppen einteilen: Vorrichtungen, die wellenförmige Signale erfassen oder nutzen, und Vorrichtungen, die andere elektrische Eigenschaften nutzen oder messen.
Zu den auf diesem Gebiet bekannten elektrischen druckempfindlichen Vorrichtungen zählen Druckmeßwertwandler vom resistiven (Widerstand), induktiven und kapazitiven Typ. Ein Beispiel für einen Widerstands-Druckmeßwertwandler ist ein Dehnungsmeßstreifen bei dem ein Draht so angeordnet ist, daß bei Aufbringung eines Drucks auf diesen Draht öder auf einen mit diesem Draht verbundenen dünnen Metallstreifen sich der Widerstand des Drahtes entsprechend verändert.
Bei Anlegen einer konstanten Spannung an diesen Draht kann der Strom als ein Maß für den einwirkenden Druck herangezogen werden. Ebenso können induktive und kapazitive Druckmeßwert- Druckmeßwertwandler vorgesehen werden, bei denen der Druck eine Bewegung eines Eisenstabs oder ähnliches in eine Drahtspule (bei der induktiven Ausführung) bzw. ein Näherrücken paralleler Platten zueinander (bei der kapazitiven Ausführung) bewirkt, um elektrische Signale auszugeben, die über die einwirkende Kraft Auskunft geben. Eine andere auf diesem Gebiet bekannte elektrische druckempfindliche Vorrichtung ist der piezoelektrische Meßwertwandler, bei dem eine kristalline Struktur verwendet wird, die bei Beanspruchung auf Druck (Zug) oder Torsion Spannung erzeugt. Im Falle des piezoelektrischen Meßwertwandlers wird nur dann Spannung erzeugt wenn die Vorrichtung eine Druckänderung erfährt. Das heißt, ein Integrationskreis wäre für Zwecke dieser Erfindung vorzuziehen, wo es gilt, Kräfte (eher als Kraftänderungen) zu messen. Und noch eine andere Form einer elektrischen druckempfindlichen Vorrichtung ist ein druckempfindlicher Widerstand (siehe z. B. Machine Design, January 8, 1987, S. 58). Beim druckempfindlichen Widerstand nimmt der Widerstand unter Einwirkung einer Kraft ab.
Eine andere Anordnung mit einem elektrischen Druckmeßwertwandler könnte einen hydraulischen Sensor beinhalten, bestehend aus einem Flüssigkeitsbehälter, der mit einer Leitung oder ähnlichem versehen ist, an deren Ende ein Dehnungsmesser oder piezoelektrischer Meßwertwandler angeordnet ist. Bei Aufbringen von Druck von außen auf den Behälter wird der Flüssigkeitsdruck ansteigen, und der angestiegene Druck wird von dem Dehnungsmesser oder Meßwertwandler erfaßt.
Eine andere Gruppe elektrischer druckempfindlicher Vorrichtungen kann unter dem Begriff "linear verschiebbare Vorrichtungen" ("linear motion devices") zusammengefaßt werden. Zu diesen Vorrichtungen zählen Widerstandvorrichtungen wie Potentiometer sowie Magnetwiderstände, die den Hall-Effekt ausnutzen. Bei der Potentiometer-Ausführung könnte ein gefedertes verschiebbares Potentiometer verwendet werden. Bei jeder Druckeinwirkung auf die Feder würde sich der Widerstand des Potentiometers ändern. Entsprechend könnte bei den Magnetwiderständen, die den Hall- Effekt ausnutzen, ein Magnet an einen beweglichen Mechanismus wie einen mit einer Feder versehenen Hebel gekoppelt werden. Ein Hall-Schalter, wie z. B. ein Halbleiter, der als besonders Merkmal die Eigenschaft besitzt bei Einwirkung eines Magnetfeldes leitfähig zu werden, könnte in unmittelbarer Nähe des beweglichen Hebelmechanismus angeordnet werden. D.h., bei Aufbringen einer Kraft auf den Hebel und die Feder würde der Magnet näher an den Hall- Schalter heranrücken, der dann beginnen würde, einen elektrischen Strom zu leiten. Die Leitfähigkeit des Schalters (d. h. der ihn durchfließende Strom) könnte sodann als Maß für die aufgebrachte Kraft oder die Linearbewegung (z) der Vorrichtung herangezogen werden.
Was die druckempfindlichen, Wellen erfassenden Vorrichtungen anbelangt so ist festzuhalten, daß diese in mancher Hinsicht den "linearverschiebbaren Vorrichtungen" ähnlich sind. Wenn gewünscht, könnten eine Schallquelle und ein Schalldetektor auf der Unterseite einer gefederten Vorrichtung angeordnet werden, auf die Druck aufgebracht wird. Sobald sich die federgespannte Vorrichtung zum Boden hin neigt, steigt die Laufzeit, die eine Schallwelle zur Überwindung der Distanz zwischen der Quelle und einer am Boden fest angeordneten Fläche und zum Detektor zurück benötigt mit steigender Distanz an. Die dritte, druckempfindliche Dimension kann dann aus der Laufzeit der Schallwelle errechnet werden. Ähnliche Techniken könnten in Verbindung mit Lichtwellen und Magnetwellen Anwendung finden, die die Zeit (Phasenverschiebung) und/oder Intensität als Maß für die Auslenkung heranziehen.
Es bieten sich noch andere Möglichkeiten zur Realisierung von Wellen erfassenden Vorrichtungen. Beispielweise könnten Schall- oder Lichtquellen und ihre entsprechenden Detektoren einander gegenüber angeordnet und darüber oder dazwischen ein auslenkender Mechanismus vorgesehen werden. Durch das Auslenken des Auslenkungsmechanismus unter Einwirkung einer Kraft könnte die Schallwelle oder Lichtwelle daran gehindert werden, ihren Detektor zu erreichen. Die Intensität der empfangenen Wellen könnte dann als Maß für die aufgebrachte Kraft herangezogen werden.
Entsprechend einer anderen Anordnungsreihe ist die Einrichtung zur Lieferung einer dritten analogen Eingabe an einen Host-Prozessor eine druckunempfindliche Vorrichtung. Wie in Abbildung 2C gezeigt, könnten als Beispiele hierfür ein Hebel, ein Daumenrad oder ein Schiebe-Regler genannt werden, die auf analoge Weise elektrische Änderungen oder Wellenänderungen bewirken könnten. So könnte beispielsweise ein Daumenrad an ein Potentiometer, eine Platte oder eine Eisenstange angeschlossen werden, so daß der Widerstand, die Kapazitanz oder Induktanz einer Schaltung jeweils durch Bewegen des Rades geändert werden könnte. Das Daumenrad könnte aber auch, wenn dies gewünscht wird, mit einem optischen Abtastsystem verbunden werden, und zwar durch Kopplung des Daumenrades mit einer Blende, die zwischen einer Lichtquelle und deren Sensor angeordnet ist. Die Blende würde mit einem Rad versehen, das eine graduierte Öffnung oder einen lichtdurchlässigen Bereich aufweist, so daß bei einer Bewegung des Daumenrades das durch die Blende strömende Licht entweder verstärkt oder abgeschwächt wird. Diese Änderung wiederum wird von dem optischen Sensor erkannt, der diese Änderung in einen Strom oder eine Spannung umwandelt, der bzw. die dem von dem Bediener eingegebenen analogen Signal entspricht. Der Spannungspegel würde dann an den Signalverstärker 72c, A/D-Umsetzer 74c, Signalspeicher 76c und Mikroprozessor 60c weitergeleitet, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit der Abbildung 2A beschrieben. Eine andere ähnliche Ausführung einer solchen druckunempfindlichen analogen Vorrichtung zur Erfassung einer dritten Dimension wäre z. B. ein Schallsensor, der die Stellung eines Daumenrades, Hebels oder Schiebe-Reglers erkennt.
Die Computer-Maus dieser Erfindung kann viele Gestaltungsformen annehmen. Ebenso zahlreich sind die Gestaltungsformen der Einrichtung zum Empfang der analogen Eingangssignale der Maus. Beispielsweise könnte ein Mikroprozessor an die Maus angeschlossen werden, oder könnte die Maus mit Ultraschall- oder Infrarot-Impulsgebern gekoppelt werden, die an entsprechend vorgesehene Detektoren Signale abgeben. (Siehe z. B. de Bruyne, Pieter, "Compact Large-Area Graphic Digitizer for Personal Computers", in IEEE CO&A, December 1986, Seiten 49-53).
Das Eingabegerät kann für verschiedene Zwecke genutzt werden. D.h., die dritte Dimension könnte eine z-Dimension sein, die Rechnersystemen zum Editieren von Grafik eine dreidimensionale Modellierungsfähigkeit verleiht. Auf diese Weise können hinter anderen Objekten angeordnete Objekte hervorgeholt oder in der Tiefe einer dreidimensionalen Darstellung eingefügt werden durch "Hineingehen in" die Darstellung mit Hilfe der driften analogen Dimension unter der Steuerung des Bedieners. Wenn gewünscht, könnte dem Bediener nach Erreichen des Zielpunktes in der Tiefe die Möglichkeit gegeben werden, einen Druckschalter zu betätigen, um eine Position in der dritten Dimension konstant beizubehalten. Eine derartige Option wäre besonders da nützlich, wo die dritte Dimension über eine Anordnung mit einer druckempfindlichen Vorrichtung realisiert wurde.
Andere Anwendungen für das Eingabegerät mit drei Eingabedimensionen wäre u. a. die analoge Steuerung von Strichstärke, Farben, Farbton und Ziffern ("dithering") durch den Bediener. So könnten bei Verwendung einer druckempfindlichen Vorrichtung unterschiedliche Drücke auf einen Stift dazu genutzt werden, Strichstärke oder Farbton (Dunkelheit) einer Linie während der Erstellung der Zeichnung oder Digitalisierung zu ändern. Eine derartige Anordnung wäre vergleichbar mit dem stärken Aufdrücken auf einen Stift beim Zeichnen auf Papier und bietet die Möglichkeit, dererlei Aufgaben an einem Computer auf natürliche Weise durchzuführen. Bei dieser Auslegung würden die drei Dimensionen der analogen Eingabe den Bediener von der Notwendigkeit befreien, bei jeder gewünschten Änderung der Strichstärke oder Farbtönung wiederholt einen Druckschalter zu betätigen, um zur Auswahl der Strichstärke oder Farbtönung in einen anderen Programmteil zu wechseln und anschließend zu der Zeichnung zurückzukehren. Die Analogfähigkeit der dritten Dimension könnte somit eine Erleichterung für solche derzeit schwierigen Aufgaben darstellen.
Die Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer Computer-Maus, die entsprechend den Lehren dieser Erfindung ausgelegt ist. Die Maus 100 umfaßt im allgemeinen eine bewegliche Kugel 102 zur Durchführung der Bewegungen in der x- und y-Richtung, eine Funktionstaste 104, ein Computer-Anschlußkabel 106, sowie die gesamte Schaltungsanordnung einer Standard-Maus. Zusätzlich ist eine Druckwalze 110 vorgesehen, die mit einem fest angeflanschten piezoelektrischen Meßgrößenwandler 120 versehen ist. Wird auf die Maus Druck ausgeübt, so wird die Druckwalze 110 nach oben in den piezoelektrischen Meßgrößenwandler 120 bewegt was dazuführt, daß in dem piezoelektrischen Meßgrößenwandler Strom erzeugt wird. Da der erzeugte Strom eine Funktion der Änderung des auf die Maus ausgeübten Drucks ist, wird ein Integrationsglied verwendet, um ein Spannungsausgangssignal auszugeben. Das heißt ändert sich der Druck an dem piezoelektrischen Meßgrößenwandler 120 nicht, so liefert der piezoelektrischen Meßgrößenwandler 120 keinen Strom. Das Integrationsglied jedoch gibt noch ein Spannungssignal aus, basierend auf der vorhergehenden Erfahrung des piezoelektrischen Meßgrößenwandlers. Wird der Druck auf die Maus erhöht oder abgeschwächt, so wird ein resultierender gerichteter Strom von dem piezoelektrischen Meßgrößenwandler 120 geliefert. Das heißt, das Integrationsglied wird ein höheres oder niedrigeres Spannungssignal ausgeben. Wird der gesamte Druck von der Maus gelöst, so wird der resultierende Strom das Integrationsglied veranlassen, ein Null-Spannungssignal auszugeben.
Eine ähnliche Anordnung wie die Maus-Anordnung mit einem piezoelektrischen Meßgrößenwandler ist in Abbildung 4 dargestellt. In diesem Fall ist ein Stift 200 mit der üblichen Stift-Schaltungsanordnung 202, einem Computer-Anschlußkabel 204 und zusätzlich einem Dehnungsmeßstreifen 206 nebst zugehöriger Schaltungsanordnung vorgesehen. Wird der Stift stark auf das Pad gedrückt, so wird die Spitze 208 des Stiftes 200 gegen den Dehnungsmeßstreifen 206 gedrückt was eine Änderung des Widerstandes des Dehnungsmeßstreifens bewirkt. Als Ergebnis ändert sich die Spannung über dem Dehnungsmeßstreifen. Vorzugsweise ist der Ausgang des Dehnungsmeßstreifens so ausgelegt daß er sich linear mit dem Druck ändert, so daß eine lineare Druckerhöhung einen linearen Spannungsanstieg nach sich zieht. Da der Dehnungsmeßstreifen den Druck direkt (und nicht einen Druckunterschied) anzeigt, wird kein Integrationsglied benötigt.
Diese Unterlage beschreibt und illustriert Systeme und Instrumente zur Bereitstellung von drei Eingabedimensionen für Host-Prozessoren sowie die Computer-Maus dieser Erfindung gemäß den Patentansprüchen.

Claims

1. Eine druckempfindliche Computer-Maus (100), betriebsfähig entlang einer im wesentlichen planaren Oberfläche für die Bereitstellung einer Eingabe in drei Dimensionen zu einem Hostprozessor, der an besagte Maus gekoppelt ist, wobei drei Dimensionen analoger Eingabe zu besagter Maus sich unter der Handbedienung eines Benutzers von besagter Maus befinden und die besagte Maus folgendes umfaßt:

Mittel (52a, b; 54a, b) zur Feststellung und Messung der Bewegung von besagter Maus (100) in zwei senkrechten Dimensionen entlang besagter, im wesentlichen planaren Oberfläche zur Bereitstellung von mindestens einer ersten Ausgabe, repräsentativ für die besagte Bewegung von besagter Maus in zwei senkrechten Dimensionen;

Druckempfindliches Mittel (56a, b) zur Feststellung und Messung einer analogen dritten dimensionalen Eingabe in die besagte Maus unter der Handbedienung des Benutzers, während sich die besagte Maus entlang der besagten planaren Oberfläche bewegt, und zur Bereitstellung einer zweiten Ausgabe, repräsentativ für die besagte dritte dimensionale Eingabe zu besagter Maus, worin die besagte analoge dritte dimensionale Eingabe eine Kraft darstellt, die von dem Benutzer auf die besagte Maus ausgeübt wird, senkrecht zu den besagten zwei senkrechten Dimensionen; und

Elektrisches Interfacemittel, an welchem die besagten ersten und zweiten Ausgaben, repräsentativ für die besagten drei Dimensionen der Eingabe zu besagter Maus, bereitgestellt sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

das besagte, druckempfindliche Mittel eine Druckwalze (110) in direktem Kontakt mit besagter planarer Oberfläche und einen Spannungsmesser (206) umfaßt, der auf besagter Druckwalze naheliegend fest angebracht ist; und

das besagte, druckempfindliche Mittel so angebracht ist, daß unter besagter Kraftanwendung auf besagte Druckwalze im wesentlichen keine relative Bewegung zwischen besagter Druckwalze und besagtem Spannungsmesser entsteht.

2. Eine Maus nach Anspruch 1, die zusätzlich folgendes umfaßt:

Mittel (60a, b), gekoppelt mit besagtem elektrischen Interfacemittel zum Empfang der ersten und zweiten Ausgaben und zur Bereitstellung von Information, die als Eingabe in den besagten Hostprozessor geeignet ist, worin die besagte Information für die besagten drei Dimensionen der Eingabe repräsentativ ist.

3. Eine Maus nach Anspruch 2, worin das besagte Mausmittel (60a), gekoppelt mit besagtem elektrischen Interfacemittel, folgendes beinhaltet:

einen Signalverstärker (72a) und analog dazu einen Digitalumwandler (74a) für die Verstärkung von besagter zweiter Ausgabe in eine optimale Ausdehnung für den besagten analogen Digitalumwandler und für die Umwandlung der verstärkten analogen Signale in Digitalsignale zur Bereitstellung von verstärkten digitalisierten Signalen;

einen Eingabedrücker (76a) zur Speicherung der besagten verstärkten digitalisierten Signale; und

einen Mikroprozessor (60a) zur Erzielung von besagten verstärkten digitalisierten Signalen von besagtem Eingabedrücker (76a) zur Erzielung einer der besagten ersten und zweiten Eingaben, und zur Erzielung von Signalen daraus, repräsentativ für die besagten drei Dimensionen der Benutzer-Eingabe, die zur Speisung in den besagten Hostprozessor in der Lage sind.

4. Eine Maus nach Anspruch 3, die ferner folgendes umfaßt: Digitales Schaltmittel (104), das den Benutzer in die Lage versetzt, digitale Information in den besagten Hostprozessor einzugeben.

5. Eine Maus nach Anspruch 4, worin besagtes digitales Schaltmittel (104) eine Signalausgabe bereitstellt, die an den besagten Mikroprozessor (60a) übermittelt wird, und wobei die besagte Signalausgabe des besagten digitalen Schaltmittels Kontrollinformation zumindest für die Kontrolle der besagten analogen dritten dimensionalen Benutzer-Eingabe umfaßt.

6. Eine druckempfindliche Computer-Maus (100), betriebsfähig entlang einer im wesentlichen planaren Oberfläche für die Bereitstellung einer Eingabe in drei Dimensionen zu einem Hostprozessor, der an die besagte Maus gekoppelt ist, wobei drei Dimensionen analoger Eingaben zu besagter Maus sich unter der Handbedienung eines Benutzers von besagter Maus befinden und die besagte Maus folgendes umfaßt:

Mittel (52a, b; 54a, b) zur Feststellung und Messung der Bewegung von besagter Maus (100) in zwei senkrechten Dimensionen entlang besagter, im wesentlichen planaren Oberfläche zur Bereitstellung von zumindest einer ersten Ausgabe, repräsentativ für die besagte Bewegung von besagter Maus in zwei senkrechten Dimensionen:

Druckempfindliches Mittel (56a, b) zur Feststellung und Messung einer analogen dritten dimensionalen Eingabe in die besagte Maus unter der Handbedienung des Benutzers, während sich die besagte Maus entlang der besagten planaren Oberfläche bewegt, und zur Bereitstellung einer zweiten Ausgabe, repräsentativ für die besagte dritte dimensionale Ausgabe zu besagter Maus, worin die besagte analoge dritte dimensionale Eingabe eine Kraft darstellt, die von dem Benutzer auf die besagte Maus ausgeübt wird, senkrecht zu den besagten zwei senkrechten Dimensionen; und

Elektrisches Interfacemittel, an welchem die besagten ersten und zweiten Ausgaben, repräsentativ für die besagten drei Dimensionen der Eingabe für besagte Maus, bereitgestellt sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

das besagte, druckempfindliche Mittel eine Druckwalze (110) in direktem Kontakt mit besagter planarer Oberfläche und einem piezo-elektrischen Energieumwandler (120) umfaßt, der auf besagter Druckwalze naheliegend fest angebracht ist; und

das besagte, druckempfindliche Mittel so angebracht ist, daß unter besagter Kraftanwendung auf die besagte Druckwalze im wesentlichen keine relative Bewegung zwischen besagter Druckwalze und besagtem piezo-elektrischen Energieumwandler entsteht.

7. Eine druckempfindliche Computer-Maus nach Anspruch 6, worin das besagte Druckmeßmittel darüber hinaus einen Integrator umfaßt, der mit dem besagten piezo-elektrischen Energieunwandler gekoppelt ist, und zwar zwecks Integrierung eines elektrischen Signals, das von besagtem piezo-elektrischen Energieumwandler empfangen wird.

8. Eine Maus nach Anspruch 7, die zusätzlich folgendes umfaßt:

Ein Mittel (60a), das an das besagte elektrische Interfacemittel zum Empfang der besagten ersten und zweiten Ausgaben gekoppelt ist und daraus geeignete Information für die Eingabe in den besagten Hostprozessor bereitstellt, worin die besagte Information für die besagten drei Eingabe-Dimensionen repräsentativ ist.

9. Eine Maus nach Anspruch 8, worin das besagte, an besagtes elektrisches Interfacemittel gekoppelte Mittel (60a) folgendes umfaßt:

Einen Signalverstärker (72a) und analog dazu einen Digitalumwandler (74a) zur optimalen Verstärkung der besagten zweiten Ausgabe für den besagten analogen Digitalumwandler und zur Umwandlung der verstärkten analogen Signale in Digitalsignale zwecks Bereitstellung verstärkter digitalisierter Signale;

einen Mikroprozessor (60a) zur Erzielung von besagten verstärkten digitalisierten Signalen von besagtem Eingabedrücker, zur Erzielung eines der ersten und zweiten Ausgaben und zur Erzielung von Signalen daraus, repräsentativ für die besagten drei Dimensionen von Benutzer- Eingaben, die zur Eingabe in den besagten Hostprozessor in der Lage sind.

10. Eine Maus nach Anspruch 9, die zusätzlich folgendes umfaßt:

Digitales Schaltmittel (104), das den Benutzer in die Lage versetzt, digitale Information in den besagten Hostprozessor einzugeben.

11. Eine Maus nach Anspruch 10, worin das besagte digitale Schaltmittel (104) eine Signalausgabe bereitstellt, die an den besagten Mikroprozessor (63a) gerichtet- ist, und worin die besagte Signalausgabe von besagtem digitalen Schaltmittel eine Kontrollinformation zumindest zur Kontrolle von besagter analoger dritter dimensionaler Benutzer-Eingabe umfaßt.

12. Eine druckempfindliche Computer-Maus (100), betriebsfähig entlang einer im wesentlichen planaren Oberfläche für die Bereitstellung einer Eingabe in drei Dimensionen zu einem Hostprozessor, der an besagte Maus gekoppelt ist, wobei drei Dimensionen analoger Eingabe zu besagter Maus sich unter der Handbedienung eines Benutzers von besagter Maus befinden und die besagte Maus folgendes umfaßt:

Mittel (52a, b; 54a, b) zur Feststellung und Messung der Bewegung von besagter Maus (100) in zwei senkrechten Dimensionen entlang der besagten, im wesentlichen planaren Oberfläche zur Bereitstellung von zumindest einer besagten Ausgabe, repräsentativ für die besagte Bewegung der besagten Maus in zwei senkrechten Dimensionen;

Druckempfindliches Mittel (56a, b) zur Feststellung und Messung einer analogen dritten dimensionalen Eingabe in besagte Maus unter der Handbedienung des Benutzers, während sich die besagte Maus entlang der besagten planaren Oberfläche bewegt, und zur Bereitstellung einer zweiten Ausgabe, repräsentativ für die besagte dritte dimensionale Eingabe zu besagter Maus, worin die besagte analoge dritte dimensionale Eingabe eine Kraft darstellt, die von dem Benutzer auf die besagte Maus ausgeübt wird, senkrecht zu den besagten zwei senkrechten Dimensionen; und

Elektrisches Interfacemittel, an welchem die besagten ersten und zweiten Ausgaben repräsentativ für die besagten drei Dimensionen der Eingabe zu besagter Maus bereitgestellt sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

das besagte, druckempfindliche Mittel einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter in direktem Kontakt mit besagter planaren Oberfläche umfaßt, wobei der besagte, mit Flüssigkeit gefüllte Behälter mit einem Ableitungsrohr ausgestattet ist, und auch einen Druckumwandler umfaßt, der neben einem Ende des besagten Ableitungsrohres angebracht ist; und

das besagte druckempfindliche Mittel so angebracht ist, daß unter besagter Kraftanwendung auf den besagten, mit Flüssigkeit gefüllten Behälter im wesentlichen keine relative Bewegung zwischen besagtem, mit Flüssigkeit gefüllten Behälter und besagtem Druckumwandler entsteht.

13. Eine Maus nach Anspruch 12, die zusätzlich folgendes umfaßt:

Mittel (60a, b), gekoppelt mit besagtem elektrischen Interfacemittel zum Empfang von besagten ersten und zweiten Ausgaben, und das daraus Information bereitstellt, welche für die Eingabe in den besagten Hostprozessor geeignet ist, worin die besagte Information für die drei Dimensionen der Eingabe repräsentativ ist.

14. Eine Maus nach Anspruch 13, worin das besagte Mittel (60a), das mit besagten elektrischen Interfacemittel gekoppelt ist, folgendes umfaßt:

Einen Signalverstärker (72a) und analog einen Digitalunwandler (74a) zur optimalen Verstärkung der besagten zweiten Ausgabe für den besagten analogen Digitalumwandler und zur Umwandlung der verstärkten analogen Signale in Digitalsignale zwecks Bereitstellung verstärkter digitalisierter Signale;

einen Mikroprozessor (60a) zur Erzielung von besagten verstärkten digitalisierten Signalen von besagtem Eingabedrücker (76a), zur Erzielung einer der besagten ersten und zweiten Ausgaben, und zur Erzielung von Signalen daraus, repräsentativ für die besagten drei Dimensionen von Benutzer-Eingaben, die zur Eingabe in den besagten Hostprozessor in der Lage sind.

15. Eine Maus nach Anspruch 14, die zusätzlich folgendes umfaßt:

16. Eine Maus nach Anspruch 15, worin das besagte digitale Schaltmittel (104) eine Signalausgabe bereitstellt, die an den besagten Mikroprozessor (60a) gerichtet ist, und worin die besagte Signalausgabe von besagtem digitalen Schaltmittel eine Kontrollinformation zumindest zur Kontrolle der besagten analogen dritten dimensionalen Benutzer-Eingabe umfaßt.