DE2911561C2

DE2911561C2 - Wandler zum Umwandeln von Druckschwankungen in elektrische Signale

Info

Publication number: DE2911561C2
Application number: DE2911561A
Authority: DE
Inventors: Donald William Dayton Ohio Baver; Robert Henry Miamisburg Ohio Granzow; William Richard Dayton Ohio Horst; Bruno Jose Centerville Ohio Paganini
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR International Inc
Priority date: 1978-03-24
Filing date: 1979-03-23
Publication date: 1982-08-12
Also published as: GB2017310B; DE2911561A1; US4143357A; JPS54131827A; CA1118900A; FR2423017A1; JPS6230449B2; FR2423017B1; GB2017310A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches !.

In bestimmten Einrichtungen oder Systemen, beispielsweise bei Banken, in Regierungsstellen, im Großoder Einzelhandel oder in Farbrikationsbetrieben, besteht ein hohes Bedürfnis an Sicherheit, um beispielsweise zu verhindern, daß unbefugte Personen eine solche Einrichtung benutzten oder betreten. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, zuverlässige Mittel vorzusehen, durch weiche überprüft wird, ob die eine Benutzung oder einen Eintritt ίο begehrende Person tatsächlich diejenige Person ist, als welche sie sich ausgibt Zum Zwecke der Prüfung der Identität einer Person können verschiedenen persönliche Charakteristika verwendet werden.

Ein solches geeignetes Charakteristikum ist das Druckmuster der Unterschirft einer Person. Es wurden bereits Systeme entwickelt, welche nach diesem Prinzip zwischen einer gefälschten Unterschrift und einer gültigen Unterschirft zu unterscheiden vermögen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die individueilen Druckcharakteristika einer zu prüfenden Unterschrift festgestellt und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden, welche automatisch verarbeitet und mit einer gespeicherten Darstellung einer gültigen Unterschrift verglichen werden können, um festzustellen, ob die zu prüfende Unterschrift eine gültige Unterschrift ist oder nicht. Der erfindungsgemäße Wandler kann in einem solchen Unterschriftprüfungssystem verwendet werden. Ein Wandler der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art ist in der US-PS 39 56 734 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besitzt eine Halterung zum Abstützen eines Endes eines starren länglichen Trägerarms, dessen anderes Ende mit einer Schreibfläche verbunden ist, die sich abhängig von beim Schreiben auf ihr erzeugten Kraftänderungen bewegt sowie Fühlvorrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das sich abhängig von der Bewegung der Schreibfläche ändert. Insbesondere besitzt die bekannte Vorrichtung eine horizontal angeordnete Platte, auf der sich eine Schreibfläche befindet und welche von zwei Trägerarmen abgestützt wird, die sich von einem halbstarren vertikalen Halteglied wegerstrecken, das eine Bewegung der Arme zusammen mit der Platte, abhängig von Druckänderungen beim Schreiben erlaubt. An dem Halteglied sind Fühlvorrichtungen, etwa in Form eines Dehnungsmeßstreifens oder eines piezoelektrischen Elementes angebracht, die auf die sich ändernde in dem Halteglied beim handschriftlichen Schreiben auf der Platte verursachte Dehnung ansprechen. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist, daß die Auslenkung an den Fühlvorrichtungen wesentlich kleiner als an der Schreibfläche sind, so daß die Messung der Druckänderungen auf dieser Schreibfläche mit einer reduzierten Genauigkeit erfolgt. Die US-PS 39 91 402 beschriebt einen Wandler, bei dem die Fühlvorrichtungen direkt mit der Platte verbunden sind. Diese wird jedoch an ihren Seiten durch je ein aufrechtstehendes Gummiglied getragen, was den Nachteil hat, daß die Platte zu einem Verkanten aus ihrer Horizontalen niegt, wenn statt in der Mitte, in der Nähe einer Kante der Schreibfläche geschrieben wird. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit erhöhter Genauigkeit bei der Messung der beim Schreiben erzeugten Druckänderungen zu schaffen, bei dem ein Verkanten vermieden wird, so daß das Ausgangssignal des Wandlers unabhängig von derjenigen Stelle auf der Schreibfläche ist, auf der gerade geschrieben wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßiger Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Um den erwünschten Zweck zu erreichen, muß der Wandler bestimmten Mindestanforderungen genügen. Zunächst muß die eine ausreichende Größe und Stabilität besitzen, um der eine Unterschrift leistenden Person eine zweckmäßige und bequeme Schreibunterlage zu bieten, und sie soll während des Schreibvorgangs keine merkliche Bewegung ausführen. Außerdem muß ic die Wandlervorrichtung robust und stabil sein, um bei Mißbrauch nicht leicht beschädigt zu werden, sie soll ferner durch äußere Erschütterungen nicht beeinflußt werden und soll einer übermäßigen Druckeinwirkung oder Stoßbelastungen standhalten, ohne daß Beschädigungen auftreten. Ferner soll die Wandlervorrichtung ein analoges elektrisches Signal erzeugen, dessen Amplitude direkt proportional dem jeweils auftretenden Schreibdruck ist; dies bedeutet, daß das Verhältnis von Kraft zu Spannung durch einen konstanten vorbestimmten Eichfaktor hergestellt werden muß, welcher unabhängig von der örtlichen Lage der Druckeinwirkung auf der Schreibfläche ist Das erforderliche Frequenzverhalten des Tisches muß mindestens 0 Hz (Dauerzustand) bis 125 Hz betragen und soll frei sein von Resonanz- oder harmonischen Verzerrungen.

Im folgenden werden anhand von Beispielen einige Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Wandlervorrichtung, von welcher eingie Teile weggebrochen dargestellt sind;

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht, von der ebenfalls einige Teile weggebrochen dargestellt sind, in welcher ein Ausführungsbeispiel der Wandlervorrichtung in einen Schalter oder eine ähnliche Einrichtung eingebaut ist, die eine öffnung aufweist, um zu ermöglichen, daß die Schreibfläche einer Schreibplatte der Wandlervorrichtung in annähernd der gleichen Ebene liegt, wie die Schaltertischfläche, um den Schreibvorgang zu erleichtern, wobei diese Figur ferner einen Aufzeichnungsträger zeigt, auf welchen eine Unterschrift oder andere Daten aufgezeichnet werden können;

Fig.3 eine Seitenansicht, aus welcher ersichtlich ist, wie die Schreibfläche unter Verwendung des auch in F i g. 1 gezeigten Gelenks befestigt ist; -

F i g. 4A, 4B und 4C teilweise weggebrochen dargestellte Seitenansichten, aus welchen verschiedene Ausführungsforinen des Gelenks ersichtlich sind.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich besitzt die Wandlervorrichtung 8 eine Schreibfläche 10, welche auf der oberen Seite und an dem einen Ende eines freitragenden Arms 12 angeordnet ist, der mittels Befestigungselementen 14, beispielsweise mittels Schrauben, an einem senkrechten Halteglied 16 befestigt ist, das wiederum an einer Grundplatte 18 befestigt ist, welche wiederum mehrere dämpfende Füße 20 aufweist, um die Einwirkung externer mechanischer Erschütterungen auf die Bewegung der Schreibfläche 10 zu vermindern.

Der freitragende Arm 12 ist mit einem nachgiebigen Gelenk 15 versehen, welches sich in unmittelbarer Nähe zu dem Halteglied 16 befindet, um in Abhängigkeit von auf die Schreibfläche 10 einwirkenden Kräften eine vertikale Bewegung derselben zu ermöglichen. Die Schreibfläche 10 kann durch die ebene horizontale obere Endfläche des freitragenden Arms gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, die obere Fläche eines an dem freitragenden Arm 12 befestigten separaten Elementes als Schreibfläche 10 zu verwenden, wie dies aus F i g. 1 ersichtlich ist; hierdruch erhält man eine geeignetere Schreibunterlage, als wenn man den freitragenden Arm selbst als Schreibfläche verwendet

Der freitragende Arm 12 besitzt eine bestimmte Länge, um die Wirkung von auf die Schreibfläche 10 einwirkenden Kräften zu vervielfachen, er besitzt eine bestimmte gleichmäßige Dicke und ist mit einer Ausnehmung 22 versehen, um sein Gewicht zu vermindern und seine Resonanzfrequenz zu erhöhen. Die Unterseite der Schreibfläche 10 ist hohl ausgebildet, um die Erhöhung der Resonanzfrequenz zu unterstützen. Eine Rippe 13 dient zur Verstärkung bzw. Versteifung der Schreibfläche.

Unterhalb der Schreibfläche 10 ist an der Rippe 13 ein Stab 24 befestigt, welcher mit einem bewegbaren Kern 26 eines allgemein mit dem Bezugszeichen 28 versehenen Bewegungswandlers verbunden ist Dieser Wandler erzeugt in einer später noch näher beschriebenen Weise ein elektrisches Ausgangssignal, welches proportional zur Bewegung der Schreibfläche tO während des Schreibens einer Unterschrift oder anderer Daten auf dieser ist, wobei dieses Signal über ein Leiterkabel 30 mit der Auswerteschaltung verbunden ist. Eine Justier- oder Einstellschraub'; 32 ermöglicht ein Verschieben des in dem Wandler 28 enthaltenen Spulensystems in bezug auf den Kern 26.

Die Abwärtsbewegung des Arms 12 wird dadurch begrenzt, daß seine Unterseite in Berührung mit den oberen Ender, von Stäben 34 gelangt, welche an der Grundplatte 18 befestigt sind.

Die F i g. 2 veranschaulicht den Einbau der Wandlervorrichtung 8 in einen Kassenschalter oder eine ähnliche Einrichtung, welche eine obere Fläche oder Tischfläche 36 aufweist. In dieser Fläche 36 ist eine öffnung 38 vorgesehen, in welche die Schreibfläche 10 hineinragt, so daß diese mit der Oberfläche der Tischfläche fluchtet, wodurch der durch die zu überprüfende Person zu vollziehende Schreibvorgang erleichtert wird. Falls erforderlich, kann ein Aufzeichnungsträger, beispielsweise ein Papierstreifen 40, von einer Vorratsrolle (nicht gezeigt) unter der Tischfläche 36 zu der öffnung 38 über die Schreibfläche 10 und unter die Tischfläche 36 zurück zu einer Aufwickelrolle 42 geführt werden, welche den Papierstreifen nach jeder Unterschrift um eine bestimmte Strecke zu transportieren vermag. Das Schreiben auf einen Aufzeichnungsträger, wie beispielsweise auf den Papierstreifen 40, auf welchem die Unterschrift bzw. andere geschriebene Daten zu sehen sind, ist für eine Person ein natürlicherer Vorgang als das Schreiben auf eine Fläche 10, wo keine sichtbare Markierung zurückbleibt. Auf diese Weise ist es auch möglich, eine bleibende Aufzeichnung der Unterschrift zur Verwendung in dem System zurückzubehalten. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Fläche 10 auf bekannte Weise derart auszugestalten, daß eine kurzzeitige bzw. löschbare Aufzeichnung einer Unterschrift bzw. anderer Daten erfolgen kann.

Bei dem in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Gelenk 15 aus einem kurzen Abschnitt desselben Materials wie der Arm 12, welcher jedoch im Vergleich zu dem Arm 12 einen verminderten Querschnitt aufweist. Der als ein Hebelarm wirkende Arm 12 formt somit jede auf die Schreibfläche 10 einwirkende nach unten gerichtete Kraft in ein auf das Gelenk einwirkendes Biegemoment um. Die dadurch resultierende innere Spannung bewirkt

eine Krümmung des Gelenks, was eine nach unten gerichtete Bewegung der Schreibfläche zur Folge hat, bis die in dem Gelenk entstehenden Federkräfte ausreichen, die angelegte Kraft zu kompensieren. Aufgrund der wesentlich größeren Steifigkeit des Arms 12, des Haltegliedes 16 und der Grundplatte 18 hat lediglich das Gelenk i5 einen merklichen Einfluß auf das Bewegungsausmaß der Schreibfläche. Um eine beliebige Wiederholbarkeit des Vorgangs zu gewährleisten, muß das die Federwirkung hervorbringende Material des Gelenks eine Fließgrenze aufweisen, die wesentlich höher liegt als die bei dem Betrieb des Gerätes auftretenden Spannungen, und vorzugsweise soll dieses Material eine lineare Spannungs-Verformungs-Beziehung aufweisen, um eine lineare Auslenkung der Schreibfläche als Funktion der Schreibkräfte zu erreichen. Ein Arm 12 mit relativ großer Länge vervielfacht die Wirkung einer auf die Schreibfläche einwirkenden Kraft, so daß in diesem Fall der federnde Gelenkteil relativ dick und steif sein kann. Bei dem in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Arm in der Nähe des Gelenkendes eine relativ große Dicke auf, um eine gleichmäßige Kraftverteilung über den gesamten Gelenkbereich zu erzielen. Ein wirksames Gelenk wird dadurch erzielt, indem eine Nut mit entsprechenden Abmessungen quer über die gesamte Breite des Arms 12 eingefräst oder auf andere geeignete Weise vorgesehen wird. Das Ende des Arms 12 ist mit dem Halteglied 16 durch die Befestigungselemente 14 fest verbunden. _j0

In den Fig.4A, 4B und 4C sind weitere mögliche Ausführungsformen des Gelenks dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden. Die in Fig.4A dargestellte Ausführungsform besteht aus einem Arm 44 und aus einem Halteglied 46, welche aus einem einzigen Stück Metall hergestellt sind. Ein Gelenk 48 wird durch Einarbeiten einer Nut geeigneter Abmessungen erzeugt, welche quer über die gesamte Breite des Arms 44 verläuft. Diese Ausführungsform kommt einem erwünschten Merkmal entgegen, welches darin besteht, daß das Gelenk und der Arm aus dem gleichen Material bestehen soll.

Ein bevorzugtes Material für den Arm ist Aluminium, um aufgrund eines geringen Gewichts ein bestmögliches Frequenzverhalten zu erreichen, obwohl Aluminium im aligemeinen ein weniger lineares Spannungs-Verformungs-Verhältnis als Stahl besitzt und aus diesem Grunde als Gelenkmaterial als weniger geeignet angesehen werden kann. Die im folgenden diskutierten Konstruktionsdaten zeigen jedoch Arbeitsbedingungen, unter welchen eine Gesamt-Aluminium-Konstruktion zu bevorzugen ist.

In Fig.4B ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, be; welcher das am besten geeignete Material, beispielsweise Aluminium, für den mit dem Bezugszeichen 52 bezeichneten Arm und ein anderes Material, wie beispielsweise Stahl, für das mit dem Bezugszeichen 55 versehene Federgelenk verwendet werden kann. Der Arm 52 und das Gelenk 55 sind mittels mehrerer Verbindungselemente 58 miteinander verbunden, wäh- eo rend das Gelenk 55 mittels weiterer Verbindungselemente 62 mit dem Halteglied 60 verbunden ist. Diese Verbindungselemente 58 und 62 können Schraubenbolzen oder andere geeignete Mittel sein, wobei auch Klebeverbindungen in Frage kommen können. Das Gelenk 55 enthält wiederum eine geeignete Nut 64, und zwar in ähnlicher Weise wie das Gelenk 15 bei dem in den F i g. 1 und 3 dargestellten AusführungsbeispieL

Eine weitere Ausführungsform ist schließlich in Fig.4C dargestellt. Ein Bandmaterial einer anderen Art, vorzugsweise jedoch aus gehärtetem Stahl, wird auf die für das Gelenk 70 benötigte Dicke genau bearbeitet. Dieses Federgelenk wird mittels Verbindungselementen 74 mit dem Arm 72 und mittels Verbindungselementen 78 mit dem Halteglied 76 verbunden. Die Befestigung des Gelenks an dem Arm 72 und an dem Halteglied 76 wird in der Weise durchgeführt, daß die freie Länge zwischen den Verbindungsstellen der konstruktionsmäßig erforderlichen Länge des Federgelenks entspricht. Die in Fig. 4C dargestellte Ausführungsform ermöglicht eine große Flexibilität bei der Wahl des Materials, um die gewünschten mechanischen Charakteristika in bezug auf die Linearität und den Betrag der Auslenkung zu erreichen. Diese Ausführungsform bietet auch eine exakte Möglichkeit, die richtige Federdicke zu erhalten. Ein Nachteil dieser in Fig.4C dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß nicht genau definiert werden kann, wo das Federgelenk beginnt und endet, da die Lage und die Stabilität der effektiven Einspannpunkte ungenau ist. Unter den beim Betrieb auftretenden Spannungen kann sich bei solchen Verbindungsstellen das Federgelenkmaterial bewegen, was zu einer Verschiebung der Eichung und der Nullage führen kann. Bei dieser Ausführungsform wurden aus dem genannten Grunde Abweichungen von 6—10% vom durchschnittlichen Ausgangssignal ermittelt. Die in Fig.4B dargestellte Ausführungsform erlaubt ebenfalls die separate Wahl des Materials für das Gelenk, weist jedoch den zusätzlichen Vorteil auf, daß die Einspannbereiche infolge des größeren Querschnitts an den Befestigungspunkten einer wesentlich niedrigeren Beanspruchung ausgesetzt sind, wodurch die Länge des Federabschnitts genau definiert ist. Bei dem in Fig.4B dargestellten Ausführungsbeispiei können deshalb die durch Feder,-materialverschiebungen auftretende Fehler auf einen Wert von 1 -1.5% des durchschnittlichen Ausgangssignals vermindert werden. Durch die Beseitigung einer Verbindungsstelle bei der in den F i g. 1 und 3 dargestellten Ausführungsform wird die Stabilität weiter erhöht, wodurch der Fehler auf einen durchschnittlichen Wert von etwa 0,5% vermindert wird.

Es sei nunmehr angenommen, daß bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Schreibfläche einen Mittenabstand von dem eingespannten Ende des Federgelenks von 117 Millimeter aufweist und daß bei einer einwirkenden Kraft von 800 g eine maximale Auslenkung von 0,2 Millimeter erreicht wird, was zu einem Biegemoment von 9 400 g/cm an dem Gelenk führt. Bei Verwendung eines Stahlgelenks mit einer wirksamen Länge von 15 Millimetern und einer Dicke von 1 Millimeter ergibt sich eine maximale Spannung von 537 kg/cm² in dem Material. Dieser Wert liegt innerhalb des linearen Spannungs-Verformungs-Arbeitsbereichs für Stahlfedermaterial. Bei Verwendung von Aluminium zur Durchführung der gleichen Funktion ist zu beachten; daß der Elastizitätsmodul (E) von Aluminium ein Drittel desjenigen von Stahl beträgt Da die Federkraft durch die Formel »3 EM/L³« gegeben ist, muß das Trägheitsmoment (I) eines Aluminhimquerschnitts bei der gleichen Länge (L) das Dreifache eines Stahlquerschnitts betragen. Da ferner das Trägheitsmoment durch die Gleichung »6f³/12« gegeben und die Breite (b) der Feder konstant ist, muß die Dicke (t) eines Aluminiumquerschnitts das 3fache der Dicke des Stahlquerschnitts oder 1,46 Millimeter betragen, um den gleichen Durchbiegefaktor zu erhalten. Unter der

gleichen Belastung von 800 g errechnet sich die Spannung in dem Aluminiumquerschnitt zu 258 kg/cm², d. h. sie beträgt etwa die Hälfte derjenigen eines Stahlquerschnitts und etwa 10% der Fließspannung von Aluminium eines bestimmten Typs. Berücksichtigt man, daß die maximal zulässige Dauerbelastung für den Stahl 1378 kg/cm² und diejenige für Aluminium 984 kg/cm² beträgt, dann bedeutet dies, daß der Stahl bei 39% seiner Belastungsgrenze und das Aluminium lediglich bei 26% dieser Grenze arbeitet.

Diese Untersuchung zeigt, daß ein vollständig aus Aluminium bestehender Aufbau gemäß den F i g. 1 und 3 zu bevorzugen ist. Auch die in Fig.4A dargestellte Ausführungsform ist äußerst zweckmäßig, wenn sie sich in gleich guter Weise herstellen läßt, wie die in den F i g. 1 und 3 dargestellte Anordnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wandler zum Umwandeln von beim Schreiben mit der Hand auftretenden Druckschwankungen in entsprechende elektrische Signale, mit einem Halteglied zum Abstützen und Befestigen eines Endes eines vom Halteglied abstehenden, starren, länglichen Armes, an dessen anderen Ende eine Schreibfläche vorgesehen ist, welche sich in Abhängigkeit von den beim Schreiben auftretenden Druckschwankungen bewegt, und mit Fühlvorrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches sich abhängig von der Bewegung der Schreibfläche verändert, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteglied (16) starr ausgebildet ist und daß der Arm (12) in der Nähe des Haltegliedes (16) ein nachgiebiges federndes Gelenk (15) für den senkrecht auf die Schreibfläche (10) •wirkenden Schreibdruck aufweist, wobei das Gelenk

(15) einen reduzierten Querschnitt verglichen mit dem Arm (12) besitzt, wodurch eine flexible Bewegung des Armes (12) relativ zu dem Halteglied

(16) und damit der Schreibfläche (10) möglich ist, wodurch die Fühlvorrichtungen (24, 26) die mit der Schreibfläche (10) verbunden sind, betätigt werden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Gelenk (15) und der Arm (12) aus einem einzigen Stück Metall bestehen, wobei die Nachgiebigkeit durch den verminderten Querschnitt des Gelenks (15) herbeigeführt wird.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (15) durch eine quer durch das den Arm (12) bildende Metallteil verlaufende Nut gebildet wird.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteglied (16), das Gelenk (15) und der Arm (12) aus einem einzigen Metallteil bestehen.

5. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk durch eine zwischen dem Halteglied (76) und dem Arm (72) befestigte Blattfeder (70) gebildet wird.

7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Gelenk durch eine zwischen dem Halteglied (60) und dem Arm (52) befestigte feste Platte (55) gebildet wird, welche eine quer zu dem Arm (52) verlaufende Nut (64) aufweist.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteglied (16) und der Arm (12) durch ein Gehäuse (36) abgedeckt sind, welches eine Öffnung (38) aufweist, durch welche die Schreibfläche (10) freigelegt wird.

9. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteglied ein aufrechtstehendes Teil (16) ist, welches an einer Grundplatte (18) befestigt ist und von welchem sich der Arm (12) in horizontaler Richtung wegerstreckt.