Устройство для считывания графической информации

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к планшетам для считывания графической информации. Расширение функциональных возможностей достигается за счет введения в планшет между каждой диэлектрической пластиной и электропроводами пьезорезистивного слоя и введения дополнительных планшетов, объединенных в пакет с первым. 6 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к планшетам для считывания графической информации.

Известен планшет для считывания графической информации, содержащий электропроводящую поверхность, разделенную на квадратные секции, примыкающие друг к другу через контактные линейные шины, коммутатор координат, состоящий из счетчика и дешифратора, соединенных с блоком управления, источник постоянного напряжения, подключенный через блок ключей к контактным линейным шинам, элемент считывания информации, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, и блок обмена информацией, блок сравнения напряжений.

Однако известный планшет для считывания графической информации конструктивно достаточно сложен, имеет ограниченную точность считывания графической информации, сложную схему коммутации и опроса координатных шин, что уменьшает скорость преобразования координат и уменьшает функциональные возможности устройства.

Известен планшет, который содержит две пьезоэлектрические мембраны, с одной стороны каждой из которых нанесены строковые электроды. Мембраны наложены одна на другую таким образом, что строковые электроды одной мембраны перпендикулярны строковым электродам другой мембраны. Строковые электроды на каждой мембране соединены между собой в три перемежающиеся группы так, что при движении пера по планшету устройство формирует ряд импульсов, характеризующих направление и скорость перемещения пера.

Однако такой планшет обладает узкими функциональными возможностями, сложной схемой коммутации и опроса координатных шин, сложной электронной системой расшифровки выходного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для считывания графической информации, выполненное в виде многослойной платы, содержащей расположенные один над другим два слоя диэлектрика с нанесенными на них взаимоортогональными токопроводящими шинами и электропроводящий слой.

Но такое устройство обладает узкими функциональными возможностями.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей планшета для считывания графической информации.

Цель достигается тем, что планшет содержит r-эементов, число которых определяется по формуле r=1NT(log_n(k₁/log_n(g)+1, где k₁ максимальное число электродов в первой паре мембран, определяемое как L/D (где L размер стороны рабочего поля планшета, D разрешающая способность планшета), g число электродов в каждой группе, расположенных один под другим, выполненных с одним или двумя, в последнем случае разделенными металлическим слоем, слоями из пьезорезистивного материала, размещенными между строковыми электродами, число которых в элементах определяется по формуле k_m+1=k_m/g, где m=1, номер элемента, а ширина электродов b_m+1=(b_m+d)^*g-d, где d расстояние между ними; и образующих отдельные провода выходной шины данной координатной оси за счет соединения между собой электродов с одинаковыми номерами из разных групп каждого элемента, электрические сигналы которой представляют собой многоразрядный позиционный код в системе счисления с основанием n=g с числом разрядов, равным числу элементов r с весом m+1-го разряда, определяемым как W_m+1= n^m.

Из научно-технической литературы и патентной документации неизвестно использование многослойного планшета для считывания графической информации, состоящего из r-элементов, расположенных один под другим, выполненные с одним или двумя, в последнем случае разделенными металлическим слоем, слоями из пьезорезистивного материала, размещенного между строковыми электродами, образующими отдельные провода выходной шины координатной оси за счет соединения между собой электродов с одинаковыми номерами из разных групп каждого элемента. Работа последнего основана на замыкании электрической цепи между координатными шинами и токопроводящим слоем при одноосном нормальном воздействии на пьезорезистивный слой. Это замыкание и соответственно протекание тока по одной из координатных шин происходит в результате фазового перехода диэлектрик-металл в слое пьезорезистивного материала в месте, на которое было оказано давление. Кроме того, не известно использование многослойного планшета, составные элементы которого выполняли бы функцию кодирования координаты таким образом, что каждый последующий элемент формирует сигнальную шину более старшего разряда.

Таким образом, описываемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", как новая совокупность существенных признаков, проявляющая новое техническое свойство.

Возможность достижения положительного эффекта обусловлена тем, что действие устройства основано на уменьшении сопротивления слоя пьезорезистивного материала и переходе его из диэлектрического состояния в металлоподобное при нажимных усилиях, соответствующих одноосному давлению порядка 0,03-0,1 МПа. После снятия усилия исходное диэлектрическое состояние восстанавливается. Высокая чувствительность пьезорезистивного слоя к одноосному давлению позволяет применять конструкцию планшета многослойного типа. Многослойнось в свою очередь позволяют за счет выбора определенной комбинации числа и размеров электродов на каждой мембране осуществить кодирование координаты точки нажатия без привлечения дополнительных устройств.

На фиг.1 представлена схема фрагмента одного элемента планшета; на фиг.2 эквивалентная электрическая схема, соответствующая одному узлу координатной сетки; на фиг. 3 пример устройства, состоящего из элементов с двоичным позиционным кодом; на фиг.4 верхний элемент; на фиг.5 средний элемент; на фиг. 6 нижний третий элемент.

Планшет представляет собой многослойную конструкцию, состоящую из расположенных один под другим функциональных элементов. Схема фрагмента одного элемента устройства изображена на фиг.1. Элемент состоит из двух диэлектрических мембран 1, на которые нанесены электроды в виде узких металлизированных параллельных полос 2. Мембраны располагаются одна под другой электродами 2 друг к другу так, что электроды 2 верхней мембраны 1 ориентированы перпендикулярно электродам 2 нижней мембраны. Между ними располагаются два пьезорезистивных слоя 3 и электропроводящий слой 4. Каждый электрод 2 и электропроводящий слой 4 соединены с отдельными проводниками 5 для включения в электрическую цепь. Совокупность проводников, соединенных с электродами одной диэлектрической пленки, образуют выходную шину "Х" 6 элемента. Аналогично образуется выходная шина "Y"6.

Мембраны 1 могут быть изготовлены из любого диэлектрического материала, но должны быть достаточно тонкими и гибкими. Электроды 2 могут быть изготовлены произвольным способом из любого материала с достаточно высокой проводимостью, но должны иметь такую толщину, которая не влияет на гибкость диэлектрической мембраны. Длина электродов определяется размерами рабочего поля планшета L, а ширина b и расстояние между ними d его разрешающей способностью. Разрешающая способность D равна D=d+b.

Количество электродов, нанесенных на верхнюю мембрану, может отличаться от количества электродов, нанесенных на нижнюю, так как размеры сторон рабочего поля L и разрешающая способность D по разным координатным осям могут быть различны. В качестве электропроводного слоя 4 может использоваться тонкая металлическая фольга или тонкая гибкая диэлектрическая пленка, покрытая электропроводящими слоями с обеих сторон. Кроме того слой 4 можно наносить непосредственно на один или оба пьезорезистивных слоя 3, например, методом напыления.

Проекция системы электродов элемента на рабочее поле образует координатную сетку с ортогональными электродами. Эквивалентная электрическая схема, соответствующая одному узлу этой сетки, изображена на фиг.2. Каждый узел образует две электрические цепи, одна из которых соответствует оси "Х", а другая оси "Y". Отдельная цепь включает в себя электрод 2, пьезорезистивный слой 3 и электропроводящий слой 4. Напряжение в цепи подается с помощью проводников 5, присоединенных к электродам и электропроводящему слою. Пьезорезистивные слои обозначены на схеме в виде группы из двух кнопок, так как они не проводят электрически ток в исходном состоянии и замыкают цепь при нажатии на них.

Принцип действия элемента состоит в следующем.

В исходном состоянии пьезорезистивные слои являются диэлектриками, и ток в цепях отсутствует. Под воздействием давления на какую-либо точку рабочего поля в пьезорезистивных слоях под этой точкой происходят переходы типа диэлектрик-металл, что приводит к замыканию между проводящим слоем и электродами и вызывает появление электрического тока в соответствующих цепях. Таким образом, нажатие на какую-либо точку рабочего поля вызывает появление электрического сигнала в одной из цепей элемента, соответствующих оси "Х" и в одной из цепей, соответствующих оси "Y", т.е. на выходных шинах "Х" и "Y" элемента появляется цифровой сигнал в позиционном коде. При этом первому разряду соответствует верхний элемент, а значение координат точки нажатия определяется по формулам X i_m* w_m, y j_m* w_m где i_m номер провода шины "Х" элемента m, на котором появился сигнал; j_m номер провода шины "Y" элемента m, на котором появился сигнал.

При необходимости измерения только одной координаты каждый элемент состоит из одной мембраны с необходимыми координатными шинами, слоя из пьезорезистивного материала и металлического слоя.

Устройство может состоять из одного элемента, описанного выше. В этом случае на выходах "Х" и "Y" в момент нажатия на какую-либо точку рабочего поля получается цифровой сигнал в одноразрядном позиционном коде в системе счисления с основанием n, где n=k, k число электродов по каждой оси координат.

Для того чтобы заменить код выходного сигнала на многоразрядный позиционный с любым основанием, необходимо увеличить число элементов в устройстве и изменить соответственно ширину и количество электродов в отдельных слоях. В этом случае элементы располагаются один под другим, образуя "стопку", а электроды каждого элемента объединяются в группы по g-электродов в каждой. Электроды в пределах каждой группы нумеруются по порядку, начиная с нулевого. При этом электроды всех групп элемента с одинаковыми номерами соединяются между собой, образуя один провод выходной шины данной координатной оси элемента.

П р и м е р ы. На фиг.3 изображен пример планшета, состоящего из трех элементов с двоичным позиционным выходным кодом. Верхний элемент изображен на фиг.4. Он содержит по восемь электродов на каждой из диэлектрических мембран. Средний элемент (фиг.5) содержит по четыре электрода на каждой мембране, нижний (фиг. 6) по два. На тех же фиг. изображены и схемы коммутации электродов каждого элемента. Электроды соединены между собой таким образом, что выходную шину каждого элемента составляют два провода, образующие один разряд по оси Х и два провода, образующие один разряд по оси Y. Сигнал на одном из проводов каждого разряда соответствует нулю, на другом единице. Старшему разряду соответствует нижний элемент, второму средний, младшему верхний. Исключив в каждом элементе провода, соответствующие нулю, можно получить двоичную выходную шину. В этом случае отсутствие сигнала на проводе будет соответствовать нулю, а появление сигнала единице соответствующего разряда.

При нажатии на точку, отмеченную на фиг.3 черным квадратом, сигналы появляются на проводах, отмеченных на фиг.4-6 звездочкой. Это соответствует координате Х=101 и координате Y=010 в двоичном коде.

Пример расчета параметров планшета со следующими характеристиками: разрешающая способность D=100 мкм; размер рабочего поля 50смх50 см; выходной код в системе счисления с основанием n=10.

Пусть ширина электродов в первом элементе b=60 мкм, тогда расстояние между ними будет равно d=D-b=100 мкм-60 мкм=40 мкм.

Число электродов в первом элементе: k₁=L/D=500 мм/0,1 мм=5000.

Число электродов в группе g=n=10. Число элементов равно r=INT(log_n(k₁)/log_n(g)+1)= INT(lg(5000)/lg(10)+1)=4 Расстояние между электродами во всех элементах 40 мкм. Ширина электродов будет равна во втором элементе
b₂=(b₁+d)˙g-d=(60 мкм+40 мкм). 10-40 мкм=960 мкм
в третьем элементе
b₃=(b₂+d)˙g-d=(960 мкм+40 мкм).10-40 мкм=9960 мкм;
в четвертом элементе
b₄=(b₃+d)˙g-d=(9960 мкм+40 мкм).10-40 мкм=99960 мкм.

Число электродов:
во втором элементе k₂=k₁/g= 5000/10=500;
в третьем элементе k₃=k₂/g=500/10=50;
в четвертом элементе k₄=k₃/g=50/10= 5.

Изготовленный макет планшета для считывания графической информации состоит из трех печатных плат-мембран, изготовленных методом фотолотографии из фольгированного медью стеклотекстолита. Толщина плат составляет 150 мкм. Верхняя печатная плата содержит с одной стороны 50 параллельных проводников шириной 1 мм, длиной 100 мм и расстоянием между ними 1 мм. Печатные проводники объединены в пять групп по 10 электродов в каждой и пронумерованы. Электроды с одинаковыми номерами соединены между собой, образуя выходную шину, состоящую из 10-ти проводников. Вторая плата выполнена из двустороннего стеклотекстолита, на одной стороне которого находятся печатные проводники, подобные проводникам первой платы, объединенные между собой так же, как и на первой плате, а на противоположной стороне пять печатных проводников прямоугольной формы шириной 19 мм и длиной 100 мм. Расстояние между проводниками равно 1 мм. Проводники на противоположных поверхностях платы расположены во взаимно перпендикулярных направлениях. Третья нижняя плата с конфигурацией электродов, совпадающей с конфигурацией электродов противоположной стороны второй платы. На печатные проводники всех плат нанесен слой пьезорезистивного материала толщиной ≈10 мкм методом медленного вытягивания платы из раствора. Между первой и второй, второй и третьей платами помещены лавсановые пленки, покрытые медью с двух сторон. Эти покрытия выполняют функцию металлического соя, а лавсановая пленка использована в качестве упругой мембраны, обеспечивающей гибкость металлического слоя. Платы склеены между собой и помещены на жесткое основание, изготовленное из оргстекла. Сверху планшет закрыт тонкой пластиной из оргсекла с вырезом над его рабочей областью. Выходные шины каждой печатной платы распаяны на разъем. Ответная часть разъема соединена с четырехразрядным индикатором (по два разряда на каждую координату). Высота планшета без учета толщины основания составляет 4 мм. С учетом нижнего основания 10 мм.

При работе планшета оператор проводит по рабочему полю планшета концом указки, обводя контур рисунка или чертежа, или создавая новую графическую информацию. При этом на табло четырехразрядного индикатора высвечиваются цифры, соответствующие координате той точки, на которую нажимает в данный момент оператор. Скорость движения указки оператора не ограничивается функциональными возможностями планшета, а определяется профессиональными навыками оператора. По описываемому изобретению разработаны рабочие чертежи, изготовлены опытные образцы, проведены лабораторные испытания.

Результаты испытаний свидетельствуют о следующих преимуществах предложенного планшета по сравнению с прототипом:
простота конструкции и изготовления в связи с использованием простых технологий типа фотолитографии и лакокрасочной;
возможность изготовления планшета любой формы и размеров, в том числе в виде тонкой гибкой прозрачной пластины, что позволяет снимать информацию с любого носителя, а также совмещать планшет с экраном дисплея ЭВМ или телевизора;
высокая скорость отображения координат, так как время появления сигнала на выходной шине ограничивается только скоростью распространения электрического сигнала в соединительных проводах.

возможность изготовления планшетов с различными типами кодировки и уровней выходного сигнала без применения каких-либо элементов электроники, что позволяет непосредственно связывать планшет с различными устройствами отображения и обработки информации.

возможность использовать в качестве "карандаша" любой подручный предмет, так как отсутствует необходимость электрической связи между "карандашом" и планшетом.

пренебрежимо малая потребляемая мощность, так как планшет работает в ключевом режиме, для поддержания которого не требуется энергии, управление осуществляется за счет физической энергии оператора.

нечувствительность к различным внешним воздействиям таким, как рентгеновское, радиоактивное, высокочастотное, ультрафиолетовое излучение, температурные изменения в диапазоне -50^оС- +100^оС, высокая влажность и агрессивные химические среды, так как используемые материалы устойчивы к указанным воздействиям.

низкая себестоимость, так как предполагаемые технологии и материалы, используемые при изготовлении планшета, просты и недороги.

возможность использования для кодировки графической информации как в двухкоординатном варианте, так и в однокоординатном, в качестве измерительного отсчетного устройства высокого разрешения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, содержащее первый планшет, состоящий из двух параллельных диэлектрических пластин с расположенными на их обращенных одна к другой поверхностях взаимоортогональными токопроводящими шинами и размещенного между диэлектрическими пластинами электропроводящего слоя, отличающееся тем, что в первом планшете между каждой диэлектрической пластиной и электропроводящим слоем размещен пьезорезистивный слой, кроме того, в устройство введены объединенные в пакет с первым дополнительные идентичные первому планшеты, токопроводящие шины планшетов с одинаковыми порядковыми номерами объединены в группы с образованием отдельных проводов выходных шин координатных осей, число r планшетов определяется по формуле
r JNT [log_n(R₁)/log_n(g) + 1]
где R₁ максимальное число шин в первом планшете, определяемое как L/D, где L размер стороны рабочего поля планшета, D разрешающая способность;
n основание кода;
g число шин в каждой группе,
число шин в планшетах определяется по формуле
R_m+1 R_m/g,
где m номер планшета;
а ширина шин
b_m+1= (b_m+d)^*g-d,
где d расстояние между электродами, d D b.