CN102804114B - 用于显示装置的电极装置 - Google Patents

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Abstract

通过本发明提供一种用于电容式传感器设备或用于电容式传感器的电极装置，该传感器设备或传感器用于检测对象的位置和/或靠近，该电极装置具有传感器电极和第一屏蔽电极，其中该传感器电极设置在基本上构成为平面的、具有第一侧和第二侧的载体材料的第一侧上，以及第一屏蔽电极设置在载体材料的第二侧上并且用于相对外壳屏蔽由传感器电极发射的交变电场外壳。还提供一种具有本发明的电极装置的薄膜以及一种用于制造具有本发明的电极装置的显示装置的方法。

Description

用于显示装置的电极装置
技术领域
本发明涉及一种用于电容式传感器设备或用于电容式传感器的电极装置，该传感器设备或传感器用于检测对象的位置和/或靠近。本发明尤其是涉及一种用于显示装置的电极配置，该显示装置用于在使用本发明电极装置的条件下检测对象在该显示装置上的位置和/或该对象向该显示装置的靠近。此外，本发明涉及上面设置了该系统的部件、尤其是电极的薄膜。此外本发明涉及一种用于在使用接触敏感的显示屏以及在使用本发明薄膜的条件下制造靠近敏感的显示装置的方法。
背景技术
对于显示屏或显示器，尤其是对于计算机显示屏、移动通信设备或导航设备存在这样的期望，即通过识别向该显示屏的靠近或者识别在该显示屏附近的手势来扩展该显示屏的功能，以由此用手控制对显示在该显示屏上的电子文档进行的、诸如浏览和/或旋转的图像移动而无需在此过程中接触所述显示屏。
一种解决方案提供所谓的电容式系统。但是这些公知的解决方案存在以下缺陷，即它们仅具有很小的灵敏度，从而只能不精确地识别手势。为此在更大的显示屏的情况下，例如在办公室工作场所中所采用的那些显示屏，只能在显示屏中心区域中用附加的、设置在该显示屏中心区域中的电容式传感器基于电容进行手势识别，这额外地提高了分析的代价。
此外存在以下期望：即将接触敏感的显示屏扩展靠近识别或手势识别功能，以由此即使在接触敏感的显示屏情况下也能无接触地、用手控制或操作应用。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种用于电容式传感器设备或电容式传感器的电极装置，该传感器设备或传感器用于检测对象、尤其是手或手指的位置和/或靠近，该电极装置至少部分地避免上述缺陷并且使得可以改善该电容式传感设备或电容式传感器的灵敏度以及事后向显示装置、尤其是接触灵敏的显示装置扩展靠近敏感功能或手势功能。
根据本发明，该任务通过从属权利要求的主题解决。本发明的有利扩展在相应的从属权利要求中说明。
据此提供一种用于电容式传感器设备或用于电容式传感器的电极装置，该传感器设备或传感器用于检测对象的位置和/或靠近，该电极装置具有传感器电极和第一屏蔽电极，其中该传感器电极设置在基本上构成为平面的、具有第一侧和第二侧的载体材料的第一侧上，以及第一屏蔽电极设置在载体材料的第二侧上并且用于相对外壳（Masse）来屏蔽由传感器电极发射的交变电场。
该电极装置可以具有第二屏蔽电极，其中第二屏蔽电极设置在载体材料的第一侧上，所述传感器电极能借助设置在载体材料的第一侧上的印制导线与分析电子装置耦合，该第二屏蔽电极设置在传感器电极与印制导线之间并且与传感器电极和与印制导线有间距地设置，而且该第二屏蔽电极用于相对印制导线屏蔽由传感器电极发射的交变电场，以及传感器电极、第二屏蔽电极和印制导线分别构成为条状，其中第二屏蔽电极比印制导线更宽。
所述传感器电极可以比印制导线更宽。
所述传感器电极可以比第二屏蔽电极更宽。
所述电极装置尤其是通过相对于常规的电容式传感器系统实现了电容式传感器系统的改善的灵敏度而显得突出。利用第一屏蔽电极可以相对显示屏外壳电势屏蔽传感器电极的电场，这明显提高了敏感性。由于第二屏蔽电极与印制导线相比是宽的，因此印制导线对传感器电极的影响被最小化或保持得特别小。用于屏蔽印制导线的附加手段是不需要的，这简化了电极装置的制造并且简化了该电极装置在目标系统中的集成。由于传感器电极与印制导线相比是宽的，因此实现了传感器电极的高的灵敏度。
电极装置可以具有第三屏蔽电极，其中该第三屏蔽电极与印制导线有间距地设置在载体材料的第一侧上，其中印制导线设置在第二屏蔽电极与第三屏蔽电极之间。由此按照有利的方式进一步减小或消除了对传感器电极的侧面的影响。
传感器电极、第二屏蔽电极以及印制导线可以基本上相互平行地设置。由此沿着印制导线不会改变印制导线对传感器电极的影响，这使得可以实现设置在传感器电极与印制导线之间的第二屏蔽电极的更为简单的配置。
第一屏蔽电极可以通过导电的并且很大程度上透明的材料形成。第一屏蔽电极在此可以构成为比传感器电极、第二屏蔽电极、第三屏蔽电极和印制导线的总宽度明显更宽，从而即使对于没有导电涂层的显示装置也能实现特别敏感的检测。
第一屏蔽电极能与导电的并且很大程度上透明的层电流或电容地耦合。由此可以为常规的接触灵敏的显示屏配备手势检测或接近检测，其中使用接触灵敏的显示屏的导电涂层，以便相对显示屏外壳屏蔽电极配置。
传感器电极可以与谐振回路耦合，其中在包括传感器电极和谐振回路的条件下形成的系统可被施加电压，其中所述谐振回路的电压相对于所施加的电压的相移可指示对象向传感器电极的靠近和/或对象在传感器电极上的位置。
在包括传感器电极和谐振回路的条件下形成的系统的输出端可以通过放大器电路切换到三个屏蔽电极中的至少一个上，以便将三个屏蔽电极中的至少一个基本上置于传感器电极的电势。
在一种实施方式中，在包括传感器电极和谐振回路的条件下形成的系统的输出端可通过驱动电路切换到全部三个屏蔽电极上，以便将全部三个屏蔽电极基本上置于传感器电极的电势。
所述放大器电路可以构成为驱动电路。该驱动电路可以构成为驱动在所述至少一个屏蔽电极上的电流并且向所述至少一个屏蔽电极施加与传感器电极的电极电压相同相位的电压，其中所施加的电压优选在数值上小于传感器电极的电极电压。
由此可以在传感器电极和屏蔽电极之间产生几乎无电场的空间，这又对电容式传感器系统的灵敏度产生积极的作用。
所述至少一个耦合电极可以设置在传感器电极和第一屏蔽电极之间并且与第一屏蔽电极耦合。所述至少一个电容式传感器的输出端可以通过驱动电路切换到所述耦合电极，以便将所述耦合电极和第一屏蔽电极基本上置于传感器电极的电势。
所述驱动电路可以构成为驱动耦合电极上的电流并且向该耦合电极施加与传感器电极的电极电压相同相位的电压，其中所施加的电压在数值上小于传感器电极的电极电压。
所述屏蔽电极和所述耦合电极可以电容地耦合。
多个传感器电极可以通过复用器与驱动电路耦合。
所述谐振回路的电感部件可以通过回转器构成。
所述回转器可以包括通过电容器反馈的运算放大器，该运算放大器在电容式传感器的输入端上作用为虚拟电感，其中该虚拟电感与连接在电容式传感器的输入端上的传感器电极及其对外壳的负载电容一起形成并联振荡回路。
所述运算放大器的输出端可以与放大器电路耦合，其中在该运算放大器的输出端上设置衰减组件，优选设置欧姆分压器。
还提供一种用于显示装置的电极配置，用于检测对象在该显示装置上的位置和/或对象向该显示装置的靠近，该电极配置包括至少一个本发明的电极装置，其中该电极装置可以设置在显示装置上，使得载体材料的第二侧面向着该显示装置，并且第一屏蔽电极用于相对接地的显示装置屏蔽由传感器电极发射的交变电场。
第一屏蔽电极可以与设置在所述显示装置之前的导电并且很大程度上透明的层电流或电容地耦合。
第一屏蔽电极可以通过设置在显示装置之前的导电并且很大程度上透明的层形成。
所述电极装置可以环绕所述显示装置地设置边缘侧上，其中传感器电极由至少4个相互分离的传感器电极段形成，这些传感器电极段分别可与分析电子装置耦合，并且每个传感器电极段分别沿着该显示装置的一个边设置。由此可以确定靠近的手指的x和y坐标。
还提供一种用于检测对象的手势、位置和/或向显示装置的靠近的装置，具有本发明的电极装置，其中第一屏蔽电极嵌入到透明的保护材料中，该保护材料能设置在显示装置上，并且第一屏蔽电极用于相对接地的显示装置屏蔽传感器电极的电极场。
第一屏蔽电极和至少一个传感器电极可以分别嵌入在载体材料中，并且载体可以设置在透明的保护材料的背离显示装置的表面上。所述载体材料可以是透明的载体材料。
所述显示装置可以是接触敏感的显示屏，其中第一屏蔽电极通过接触敏感的显示屏的导电结构形成，其中接触敏感的显示屏的导电结构在时间复用方法中与用于检测接触的分析单元耦合并与用于检测靠近的分析单元耦合。从而可以提供这样一种显示屏，其既可以检测接触又可以检测在该显示屏之前进行的靠近或手势。
所述装置可以构成为，大于所述对象与显示装置的预定第一距离则分析为该对象相对于显示装置移动。
当所述对象与显示装置的距离小于第一距离时，用于检测靠近的分析单元可以被去活。
所述装置可以构成为，小于所述对象与显示装置的预定第二距离则分析为通过该对象接触显示装置。
有利地，第二距离大于第一距离。
还提供一种具有第一侧和第二侧的薄膜，其中在该薄膜的第一侧上设置一个或多个传感器电极，在第一侧上设置至少一个第二屏蔽电极，并且在第一侧上设置用于将传感器电极与分析电子装置连接的印制导线，其中第二屏蔽电极设置在该印制导线与传感器电极之间。在薄膜的第二侧上设置至少一个第一屏蔽电极。
还提供一种用于制造具有接触敏感的显示屏的靠近敏感的显示装置的方法，其中该接触敏感的显示屏具有用于检测接触的导电结构，该方法包括用于将本发明的薄膜施加在接触敏感的显示屏上的步骤，其中至少一个耦合电极向着该显示屏，并且至少一个耦合电极可与接触敏感的显示屏的导电结构置于电容耦合中。
薄膜连接端和接触敏感的显示屏的导电结构与用于检测靠近的分析单元耦合，其中导电结构在时间复用方法中与用于检测靠近的分析单元耦合并且与用于检测接触的分析单元耦合。
本发明的其它优点和有利扩展可以从说明书、附图和权利要求书中获得。
附图说明
在附图中示意性地简化示出实施例，并且在下面的描述中更详细解释这些实施例。
图1示出本发明具有两个电极层的电极装置的层结构，其中一个电极层电流耦合到显示装置导电层；
图2示出本发明具有两个层的电极装置的层结构，其中一个电极电容地耦合到显示装置的导电层；
图3以俯视图示出显示装置的本发明的电极配置；
图4示出在图3中示出的电极配置的截面；
图5示出本发明用于小型显示装置的电极配置，该显示装置不具有导电层；
图6示出电极装置的另一本发明构成，其中电极通过显示装置的导电层形成；
图7示出具有传感器电极和屏蔽电极的电容式传感器的电容等效电路图；
图8示出具有多个电容式传感器的本发明系统或电路装置的原理布置；
图9示出图8的一个电容式传感器的电容等效电路图；
图10示出电容式传感器连同靠近该电容式传感器的手指的电容等效电路图；
图11示出电容式传感器的谐振回路的构成为回转器的电感部件；
图12示出本发明系统的电极的方框形布置；
图13示出在图12中示出的本发明系统的电极的方框形布置的层结构；
图14示出电阻式接触敏感的显示屏的基本结构；
图15示出具有用于检测接触的分析单元的接触敏感的显示屏的布线；
图16示出本发明的具有用于检测接触的分析单元和用于检测靠近的分析电子装置的接触敏感的显示屏的布线；
图17示出依据对象与接触敏感的显示屏的距离进行靠近和接触检测的示例；
图18示出接触敏感的显示屏的导电结构作为本发明电极配置的屏蔽电极的使用，其中电极方框形地设置；以及
图19示出接触敏感的显示屏的导电结构作为本发明系统的屏蔽电极的使用，其中传感器电极构成为导电薄膜。
具体实施方式
图1示出本发明用于电容式传感器装置或用于电容式传感器的电极装置的层结构，该传感器装置或传感器用于检测对象的位置和/或靠近，该对象例如是手或手指。该电极装置包括至少一个第一屏蔽电极SE1、第二屏蔽电极SE2以及传感器电极E。
在载体材料TM的表面上设置传感器电极E和第二屏蔽电极SE2。在载体材料TM的第二侧上，即在载体材料的底面上设置第一屏蔽电极SE1。将传感器电极E与分析电子装置A耦合的印制导线L（参见图3）同样设置在载体材料TM的第一侧上，也就是载体材料TM的表面上。在载体材料TM的表面上同样设置第三屏蔽电极SE3。设置在载体材料TM的表面上的电极E、SE2和SE3以及印制导线L的布置被选择为，使得第二屏蔽电极SE2分布在传感器电极E与印制导线L之间，而印制导线L分布在第二屏蔽电极SE2与第三屏蔽电极SE3之间。
作为载体材料TM可以使用任意的、不导电的材料。优选使用薄膜作为载体材料TM。由此按照有利的方式提供一种仅由两个电极层组成的电极装置，这两个电极层最后仅通过载体材料TM相互分离。这样的两层电极结构的制造可以特别成本有利地进行。此外实现了：整个电极设计加上载体材料TM可以特别平坦地构成，这使得可以实现在诸如显示屏的目标系统中的特别简单的机械集成。
设置在载体材料TM的底面上的第一屏蔽电极SE1与导电层ITOS电流耦合。在本发明的电极装置应用在接触敏感的显示屏上的情况下，导电层ITOS可以例如是在该显示屏的可见区域之前的导电涂层。该导电层与第一屏蔽电极SE1的耦合或该导电层与第一屏蔽电极SE1的接触例如可以借助通孔接触DK来制造。
电极装置例如可以用粘合剂K固定在显示屏D上。该固定优选按照以下方式进行，即传感器电极E被分配给该显示屏的可见区域或分配给待监视的区域。在向着显示屏D的一侧上例如可以设置玻璃板G，其中该玻璃板例如借助粘合剂K施加在本发明的电极结构上。在玻璃板G和接触灵敏的显示屏的导电层之间可以设置用于填充的薄膜F，以避免视差误差。导电层ITOS可以施加在薄膜例如ITO薄膜上。
为了检测的目的，在传感器电极E上辐射交变电场，其中所辐射的交变电场的改变可指示对象向显示屏的靠近或该对象在显示屏上的位置。借助第二屏蔽电极SE2相对印制导线L屏蔽传感器电极E，从而印制导线L对传感器电极E的测量信号的影响被最小化。有利地，印制导线L与第二屏蔽电极SE2相比构成得特别窄，这在图4中更详细地被解释。
第三屏蔽电极SE3被设计为消除或最小化来自外部的影响。
设置在载体材料TM的底面上的第一屏蔽电极SE1用于相对显示屏屏蔽传感器电极E，也就是相对（显示屏的）外壳电势屏蔽由传感器电极E发射的交变电场外壳。此外，通过第一屏蔽电极SE1与接触灵敏的显示屏的导电层ITOS的耦合，相对外壳屏蔽了显示屏的整个可见区域外壳，从而即使在该显示屏的中心也能由传感器电极E很好地检测到靠近或手势检测。这尤其是在大面积显示装置的情况下是有利的。
因此，显示屏的导电层ITOS还用于实现相对显示屏外壳屏蔽由传感器电极E发射的交变电场外壳。由此可以按照简单的方式和方法对接触灵敏的显示屏扩展靠近或手势检测的功能，其中尤其是也可以在该显示屏的可见区域的中心进行靠近或手势检测，而无需为此采取诸如附加电极的附加措施。
图2示出如已经参照图1示出和描述的本发明的电极装置的层结构。与图1的实施方式不同，在根据图2的实施方式中，显示屏的导电层ITOS不是电流地、而是电容地耦合到第一屏蔽电极SE1。其优点是，本发明的电极装置在现有的显示屏中的集成能够特别简单地完成。这尤其是通过以下方式实现，即该电极装置、也就是载体材料TM和在载体材料上设置在表面和底面上的电极或印制导线可以借助粘合剂K粘接在接触灵敏的显示器的可见边缘区域中。这有利地尤其是在以下情况下实现，即载体材料TM和设置在载体材料上的电极和印制导线都由很大程度上透明的材料制成。
图3以俯视图示出用于接触敏感的显示屏的电极配置。
在该实施方式中，传感器电极E可以由4个电极段EX1，EX2，EY1和EY2组成。在此，每个电极段借助印制导线L与分析电子装置A连接。这些电极段分别设置在显示装置的边缘侧上，也就是电极段EY1和EY2分别设置在显示屏的左边缘和右边缘上，而电极段EX1和EX2分别设置在显示屏的上边缘和下边缘上。由此可以有利地不仅检测手指或手向显示装置的靠近，而且还可以检测手指或手相对于显示装置的位置。
如图3中可明显识别出的，在印制导线L与电极段之间分别设置屏蔽电极SE2，该屏蔽电极相对印制导线L屏蔽由相应的电极段发射的交变电场。在图3所示的实施方式中是接触灵敏的显示屏，在该显示屏的情况下在该显示屏的可见区域之前具有导电涂层，利用该导电涂层可以检测对该显示屏的接触。
例如该显示屏可以是电阻式触摸屏。如已经参照图1解释的，在此该显示屏的导电涂层与第一屏蔽电极SE1电流地或电容地耦合。如从图6可看出的，接触灵敏的显示屏的导电涂层同时也能形成第一屏蔽电极SE1，从而可以实现电极装置的总的还要更平坦的结构，以便对接触灵敏的显示器扩展靠近或手势检测的功能。
在图4中示出图3所示的电极配置的截面。下面参照图4示例性地解释电极或印制导线的尺寸确定。
可以将注意力放在用于将电极连接到分析电子装置的印制导线L的实施上。在此，为了将电极装置的灵敏度尽可能好地在空间上限制在电极平面上，尤其是窄的印制导线宽度是有利的。
第二屏蔽电极SE2与印制导线L的宽度相比构成为宽的。由此尽可能好地相对印制导线L屏蔽传感器电极。
为了获得整个传感器系统的尽可能高的灵敏度，还将传感器电极的宽度A选择为尽可能地大。通过将印制导线L与传感器电极的距离B选择为尽可能的大，可以进一步减小印制导线L对传感器电极的影响。传感器电极EX1或屏蔽电极SE2的宽度可以变化，只要屏蔽电极SE2的宽度大于印制导线L的宽度。如果印制导线L（如图4中所看见的）既与屏蔽电极SE2相比又与传感器电极EX1相比构成为特别窄，则实现电极和印制导线L的一种特别有利的配置。
如果第二屏蔽电极SE2的宽度和传感器电极的宽度与印制导线L的宽度相比选择得特别大并且同时传感器电极的宽度等于或大于第二屏蔽电极SE2的宽度，则实现一种特别有利的配置。由此一方面相对印制导线L实现了对传感器电极特别好的屏蔽，另一方面也实现了传感器电极的良好的灵敏度。
依据包围电极的材料，还可以将第二屏蔽电极SE2构成为比传感器电极稍宽，其中在此也应将印制导线L构成为特别窄。
图5示出本发明用于显示装置的电极配置。图5所示的电极配置尤其是可以很好地用在小型显示装置中，因为4个电极段EX1，EX2，EY1和EY2的宽度或这4个电极段的面积可以被选择为，使得即使在显示屏的中心也能可靠地检测到靠近或手势。该显示屏的导电涂层在此是不需要的。由此例如可以对电子像框扩展靠近检测或手势检测的可能性。图5所示的电极配置的另一种应用例如是该电极配置布置在导航设备的显示器上。在该实施方式中，有利的是将电极段实施为尽可能宽，以便也能在显示屏的中心进行良好的检测。
图6示出例如可以在不具有导电涂层的显示装置中采用的本发明电极装置的层结构。利用该装置或利用该配置还可以进一步提高如参照图5描述的更小型显示屏中的敏感度。尤其是还可以利用该配置对大面积显示装置扩展靠近检测或手势检测可能性，其中即使在大面积显示装置中也可靠地保证在显示装置中心区域中的检测。
在载体材料TM的表面上，如已经参照图1和图2显示的，设置传感器电极E、第二屏蔽电极SE2、印制导线L以及第三屏蔽电极SE3。在载体材料TM的底面上设置导电层ITOS，该导电层在载体材料的一侧上凸出超过载体材料，也就是伸入显示装置的可见区域中或完全覆盖显示装置的可见区域。
导电层ITOS优选地构成为例如在接触灵敏的显示器中采用的透明层。导电层ITOS在此承担了参照图1和图2所示的第一屏蔽电极SE1的功能。由此可以实现一种例如可以粘接在显示装置上的薄膜，其中电极E，SE2，SE3和印制导线L设置在薄膜的边缘侧上，例如参照图3所示。由此还可以在不具有导电涂层的显示装置中相对该显示装置外壳屏蔽在传感器电极E上发射的交变电场外壳。
图7示出本发明具有传感器电极E和第一屏蔽电极SE1的电容式传感器的电容等效电路图。
电容C1在传感器电极E与第一屏蔽电极SE1之间起作用。第一屏蔽电极SE1又相对于接地的显示屏D具有电容C2。
通过第一屏蔽电极SE1的屏蔽作用通过将驱动器T切换到第一屏蔽电极SE1来实现。当驱动器T的输出电压uT近似地与传感器电极E上的电极电压uE相应时，产生特别良好的屏蔽作用。
所显示的电容式传感器S（还可以设置多个传感器）可以根据相位方法工作，在该相位方法中该电容式传感器的谐振回路相对于该电容式传感器的发生器的参考信号发生相移可指示存在靠近。在手指靠近电容式传感器S的传感器电极E时，电容式传感器的谐振回路由于电容改变而从原始设置的谐振失谐。在此导致谐振回路的信号相对于将施加在谐振回路上的发生器信号产生幅度和相位改变。
幅度和相位改变可以用于检测向电容式传感器S的靠近或向该电容式传感器的传感器电极E的靠近。但是最有利的是利用相位，因为由此很大程度上与发生器信号的可能幅度改变无关并且此外还实现了在传感器电极E的电容改变方面的更大的灵敏度。此外，在应用相位方法的情况下谐振回路上的电压可以保持为低的，这有利地影响传感器电极E上的场发射，并由此还避免涉及辐射发射的EMV问题。此外相位方法还对在接收侧的由外部引起的干扰更不灵敏。
电容式传感器S的谐振回路所需要的电感部件可以借助回转器来实现。参照图11示出在本发明的系统中用于电感式传感器的回转器的基本结构。
图8示出本发明的系统或本发明的电路装置的原理布置。
该布置包括传感器电极E1至En，这些传感器电极分别与所属的电容式传感器S1至Sn耦合。在显示屏或显示器D上设置透明的保护材料SM。该保护材料SM可以由玻璃或者由塑料制成的薄膜制造。其它适于此的材料同样可以使用。
在该玻璃或薄膜的底面或表面上（或表面下方附近）施加作为屏蔽电极SE1用于相对接地的显示屏D来屏蔽由传感器电极S1至Sn发射的电场的弱导电层。当施加在传感器电极E1至En上的电极电压近似等于施加在屏蔽电极SE1上的电压时，该导电层相对于接地的显示屏D分别作用为屏蔽装置或屏蔽电极SE1。于是，屏蔽电极SE1和传感器电极E1至En处于近似相等的电势上，从而屏蔽电极SE1与传感器电极E1至En之间的空间几乎是无场的。
屏蔽电极SE1在此可以是显示装置或显示屏D的部件，而传感器电极E1至En可以与屏蔽电极SE1无关地设置在显示屏D上或事后施加在显示屏D上。
为了也在与屏蔽电极SE1无关地设置传感器电极E1至En时保证屏蔽电极和传感器电极处于基本上相等的电势上或保证在屏蔽电极与传感器电极之间形成基本上无场的空间，将电容式传感器S1至Sn的传感器输出端之一分别通过复用器MUX和驱动电路T切换到耦合电极SEK。
耦合电极SEK在此被设置为，使得耦合电极SEK位于传感器电极E1至En与屏蔽电极SE1之间并且优选可与屏蔽电极SE1电容耦合。在另一个在此未示出的实施方式中，屏蔽电极SE1可以电流地与耦合电极SEK耦合。
驱动电路T在此被构成为驱动耦合电极SEK的电流并且向耦合电极SEK施加与施加在传感器电极E1至En上的电极电压相同相位的电压。由此在耦合电极SEK上产生的信号电容地通过玻璃或薄膜耦合到导电层或耦合到屏蔽电极SE1。由此保证在任何情况下都会在传感器电极E1至En与屏蔽电极SE1之间形成基本上无场的空间。
玻璃或薄膜的表面的电容耦合从成本有利的生产的角度来看是特别有利的，因为由传感器电极E1至En和用于耦合到屏蔽电极SE1的耦合电极SEK形成的整个配置可以从上面简单地装配在显示屏D上。这尤其也在为显示屏装备靠近功能的方面中发挥着重要的作用。
参照图9更详细解释图8所示的电路的工作方式。
图9示出图8所示的用于电容式传感器S的电路的电容等效电路图。
在传感器电极E和耦合电极SEK之间有电容C1起作用。另一个电容C3在耦合电极SEK和玻璃或薄膜SM中用于屏蔽的导电层或屏蔽电极SE1之间形成。屏蔽电极SE1又具有相对于接地的显示屏D的电容C2。
对于屏蔽电极SE1的屏蔽作用，施加在屏蔽电极SE1上的电压uS是合适的。于是，在驱动器T上的输出电压为uT的情况下由以下公式得到电压uS：
。
由于驱动器T的输出电压uT近似地与传感器电极E上的电极电压uE相应，因此比例C2/C3越小，屏蔽作用就越好。这可以通过结构性措施—例如通过选择传感器电极E与屏蔽电极SE1之间的合适距离来实现。已经证明，在比例C2/C3为1时已经达到高的屏蔽作用。
从图9还可以看出，通过传感器电极E和耦合电极SEK之间的耦合电容C1出现传感器回路中的反馈，因为通过至传感器S的驱动电路T形成环路。该效果有利地可以用于提高传感器灵敏度。
此外，在玻璃中或在薄膜SM上使用导电层或屏蔽电极SE1提供了利用根据图8的本发明系统除了靠近检测之外还实现接触检测的可能性，该接触检测可以与接触地点无关地例如使得开关功能成为可能或者与在显示屏上的接触地点有关地用于手指位置的坐标计算。特别有利的是，利用图8所示的系统可以完成手势检测。该接触检测将参照图10更详细解释。
图10示出连同靠近电容式传感器的手指或接触显示器的手指的电容式传感器的电容式等效电路图。
玻璃或薄膜SM的接触总是会引起屏蔽电极SE1上的电压uS的突然减小或非常迅速的减小，因为通过由手指出发的耦合电容CS和通过相对于地的身体电容CK对屏蔽电极SE1施加了额外的电容负荷。电压uS的减小意味着作用于传感器电极E的负载电容的升高。相应地，传感器S的信号电压也突然地或非常迅速地改变。同时，对显示屏的接触还会引起与传感器电极E的电容式耦合，该耦合在图10中用另一个耦合电容CE示出。如果在接触显示器的同时靠近传感器电极E，则产生传感器S的信号电压的附加改变，由此还可以确定手指与传感器电极E的距离。
由此可以与其余传感器电极关联地确定手指在显示屏上的坐标。但是，这只能在手指相对于屏蔽电极SE1的耦合CS与手指至传感器电极E上的耦合CE相比不是太大的情况下才以足够的精度实现。
这可以通过电极配置的相应构成通过以下方式实现，即屏蔽电极SE1更近或更远地远离玻璃或薄膜SM的背离显示屏的表面设置。如果屏蔽电极SE1更远地远离玻璃或薄膜SM的待接触的表面设置，则根据本发明获得在显示屏上可区分的接触的可能性。精确的电极配置相应地取决于显示屏的大小。
图11示出在本发明的系统中用于电容式传感器的回转器的基本结构。
通过电容器CF反馈的运算放大器OP在输入端作用为虚拟电感L=R2·CF，该虚拟电感与那里连接的传感器电极E及其相对于地的负载电容CL一起形成并联振荡回路，并由此作用为在所述相移方面的敏感元件。同时，运算放大器OP的输出端用于驱动通过图8的复用器MUX连接的耦合电极SEK或分别电容地与耦合电极SEK耦合的屏蔽电极SE1。
由于通过图9的传感器电极E与耦合电极SEK之间的电容C1形成反馈环路以及由此该布置倾向于振荡，因此借助优选构成为欧姆分压器的衰减组件分走运算放大器OP的输出电压，使得运算放大器OP的输出电压与耦合电极SEK上的电压uT之比在数值上小于1。由此保证稳定的运行。此外可以将运算放大器OP的输出端与驱动电路T耦合，以可选地再次升高施加在耦合电极SEK上的电压，以及获得无电容负载的耦合电极SEK。
在将图11所示的回转器用作电容式传感器S的谐振回路的电感部件的情况下，在根据图8或图9的本发明系统的一种实施方式中，该回转器还可以在没有驱动电路T的情况下实现，因为欧姆分压器本身作为具有小于1的放大因子的放大器作用并且驱动耦合电极SEK。
此外，该布置具有以下优点，即通过所述反馈对振荡回路去阻尼并由此实现高的回路品质，这又保证了高的靠近灵敏度。并联振荡回路的这种简单和成本有利的电子实现使得还可以将整个系统集成在ASIC中。
相应于图8所示的本发明具有多个电容式传感器的系统的原理布置，根据本发明可以实现任意的、由传感器电极、耦合电极和屏蔽电极组成的电极配置，以便在传感器电极的区域中检测靠近或移动(例如手势)。
在多层结构中由4个线形状的电极EX1，EX2，EY1，EY2组成的装置的示例在图12中示出。图12示出方框形式的装置R，该装置可以从上面安装到显示器D上以装备靠近功能（或手势功能）。在此，条状的电极EX1，EX2，EY1，EY2沿着方框R的4个外边缘设置。
图12所示的方框形状的装置的层结构在图13中示意性示出，该装置可以例如用多个相互叠置的薄膜实现。
传感器电极E和多个耦合电极SEK嵌入在载体材料B中。该载体材料例如可以是透明的薄膜。这些耦合电极SEK以电流方式相互连接并且由同一个驱动电路T驱动。
在此，设置在载体材料表面的边缘上的耦合电极可以实现向外至显示器D的边缘区域的屏蔽作用。此外，设置在载体材料的底面上的耦合电极与放入玻璃或薄膜SM中的屏蔽电极SE1一起用于相对显示器屏蔽传感器电极E。
条状的装置具有以下优点，即能够以针对显示器表面上的X/Y坐标系的简单算法来计算手指位置的坐标，因为例如在X电极EX1和EX2上形成的信号与在Y电极EY1和EY2上的信号无关。
使用4个条状的传感器电极的坐标计算例如可以借助对X电极或Y电极的相位或分析来进行。为此有利地确定X电极对或Y电极对的相位差和相位和，即
和
或
和。
由此还可以对该坐标确定线性化，因为在形成差的情况下一般产生相位差的非线性分布。对于该线性化，可以首先（对每个电极对）定义函数：
。
由此可以选择具有适当选择的常数或的：
，
以获得分别针对X方向和Y方向的线性化。通过由此产生的近似的比例性，可以非常简单地确定手指的位置。
利用图12和图13所示的、由具有屏蔽电极SE1的层SM和具有传感器电极和耦合电极SEK的层B组成的方框形结构，可以非常简单地对现有的显示器扩展靠近确定或手势确定的功能。
同样，根据本发明所述系统可以通过以下方式集成在现有的显示器中，即已经在该显示器中存在的导电结构还被用于本发明的系统。
由此例如可以通过以下方式对电阻式接触灵敏的显示器简单地扩展所述功能：即使用接触灵敏的显示器的已经存在的导电结构。
图14示出电阻式接触灵敏的显示器（触摸屏）的结构。该电阻式接触灵敏的显示器基本上由两个相对的导电层20,30（薄膜-薄膜或者ITO玻璃-薄膜）组成，这些导电层通过小的间隔点10相互分离。接触灵敏的显示器设置在显示装置的上方。该接触灵敏的显示器具有在用手指或笔通过接触点接触时传导电压的测量导线。
图15示出图14所示的电阻式接触灵敏的显示器通过显示连接电缆70和插头60与用于检测接触的分析单元μC的耦合。
根据本发明，触摸屏的导电层（与触摸屏的具体实施无关）可以用作电极结构，尤其是用作本发明电极装置的第一屏蔽电极SE1。为了保留触摸屏的接触检测的现有功能，该接触检测的现有功能在时间复用方法中与本发明的用于检测靠近的分析单元GestIC耦合。这种耦合在图16中示出。
图17示出依据对象与接触敏感的显示屏的距离进行的靠近和接触检测的示例。
在这里所示的示例中，定义两个切换阈值SW1和SW2。这些切换阈值说明了与接触敏感的显示屏D的第一距离SW1和第二距离SW2。
靠近接触敏感的显示屏D的人手或手指可以在接触敏感的显示屏D之前或在由本发明的电极装置检测的区域中执行移动，该移动可以由所述电极装置检测和分析。该分析可以包括手势识别。
如果手或手指与显示屏D的距离大于第二距离SW2，去活用于检测接触的分析单元μC。用于检测靠近的分析单元GestIC被激活，以检测显示屏之前的移动。
如果手或手指进一步靠近显示屏，使得手/手指的距离小于第二距离SW2并且大于第一距离SW1，则激活分析单元μC和分析单元GestIC由此一方面可以检测移动或手势。另一方面还可以确保通过分析单元μC可靠地检测向显示屏的快速靠近或对显示屏的快速接触。
如果手或手指更进一步靠近显示屏D，使得手/手指的距离小于第一距离SW1，则去活分析单元GestIC。用于检测接触的分析单元μC继续保持激活。由此可以防止在显示屏之前非常近的移动（所述移动导致对显示屏的接触）影响对该移动的分析。距离SW1可以选择得非常小。优选的，距离SW1位于几毫米的范围内。但是根据应用领域，距离SW1还可以位于几厘米的范围内。
在这里所示的示例中，用于检测接触的分析单元μC和用于检测靠近的分析单元GestIC被激活或去活，以提供或不提供相应的功能。分析单元μC或GestIC的激活例如可以通过向它们提供相应的工作电压来进行。
替换分析单元GestIC的激活或去活，还可以将该分析单元适配为，使得该分析单元分别仅依据对象与显示屏的距离来实施相应的功能。然后，分析单元GestIC仅在手指的距离大于第一距离SW1时才分析所检测的移动。如果该距离小于第一距离SW1，则虽然检测移动但是不对其进行分析。特别有利的是，在距离小于SW1的情况下在所检测的移动中仅分析沿着Z轴的移动、也就是手指至显示屏的距离。
在此，分析单元GestIC和μC总是有效的，并且如参照图16所示与相应的电极耦合。
根据本发明存在多种实现可能，其中总是将接触灵敏的显示器的至少一个导电层用作传感器电极E或用作屏蔽电极。
第一种可能在于，向着显示屏D的下面的层20用作屏蔽电极，而上面的层30用作传感器电极E。由此可以在没有附加电极的情况下装备电阻式接触灵敏的显示器。屏蔽电极在此同时还形成耦合电极SEK。
另一种在图18中示出的可能在于，电阻式接触灵敏的显示器的两个导电层一起用作共同的第一屏蔽电极。替换的，还可以仅将两个导电层中的一个用作第一屏蔽电极。该结构所需的传感器电极EX1，EX2，EY1，EY2可以作为单独的部件设置在显示屏上。在此，可以采用作为方框结构的实施形式，其中在该方框结构上仅设置传感器电极、第二屏蔽电极和印制导线。还可以设置单个的环绕式传感器电极，由此使得可以简单地靠近显示器而无需位置确定。该方框结构例如可以借助按压接触或点击接触电流地与分析单元耦合。
另一种可能在于，电阻式接触灵敏的显示器的至少一个导电层用作屏蔽电极，并且以附加导电薄膜100（例如ITO-薄膜）的形式构成传感器电极E并施加在已有的触摸屏上，如图19所示。在图19所示的实施方式中，唯一的传感器电极E作为连续的导电薄膜施加在触摸屏上。由此可以按照简单的方式实现向显示器的简单靠近而无需位置确定。
替换的，还可以将具有多个相互独立的传感器电极E的薄膜或具有分段的传感器电极E的薄膜施加在触摸屏上，例如具有4或16个方形或矩形构成的传感器电极。还可以是多个平行分布的条状构成的传感器电极，从而有利地可以例如检测靠近的手指的X位置。随着传感器电极的数量增大，例如对手势的检测的分辨率也进一步提高。
这具有以下优点，即可以节省本发明系统的至少一个电极面，但仍然通过使用触摸屏的导电结构以比现有技术的系统更高的灵敏度提供靠近识别或手势识别的全部功能。由此还产生明显更简单的机械集成，这意味着在制造工艺中显著的成本降低以及同时材料成本的降低。
通过本发明可以有利地触发例如设备功能而不接触该设备。由此例如可以在汽车中调用导航设备的功能，而无需将视线从交通事件上离开，这提高了交通中的安全性。尽管如此仍然能操作该导航设备的触摸屏上的开关或按钮。
通过无接触的操作，例如还可以操作电子相框，而不会通过手指按压弄脏该电子相框。即使在大强度使用的情况下也不会影响该设备的美学整体印象。对电子相框的操作例如可以包括待显示的图像的转换。此外电子相框的安装或电子相框的陈列可以无需考虑在对操作元件进行接触或开关时该电子相框会滑落或从墙上掉下地进行。由此电子相框还可以安装在这样的区域中，在这些区域中用户不能直接接近设置在所述设备的背面的操作元件，如在公知的电子相框的情况下就是这样。用户只需要还是进入该设备的附近，以便用手势操作或控制该设备。
本发明的特征在于高的灵活性，尤其是在与不同的显示屏大小匹配的情况下，而在更大显示器的情况下灵敏度不会下降。在其它这里未示出的实施方式中，还可以设置多个电极段，以便也检测更复杂的手势。通过仅由两个电极层—即载体材料的表面上的电极和印制导线以及在载体材料的底面上的电极—来组成所述电极装置，可以实现在目标系统中的特别简单的机械集成，因为整个电极装置可以实施得特别平坦。此外，如通过本发明建议的在载体材料上的两层电极配置的制造可以特别简单和成本有利的来实现。此外通过提供导电薄膜，在该导电薄膜上施加载体材料TM和电极，可以对极为不同的显示装置扩展手势或靠近功能。

Claims (33)

1.一种用于电容式传感器（S）的电极装置，该电容式传感器用于无接触地检测对象的位置和/或靠近，该电极装置具有传感器电极（E）和第一屏蔽电极（SE1），其中
-该传感器电极（E）设置在平面地构成的载体材料（TM）的第一侧（TM1）上以便辐射交变电场，其中所辐射的交变电场的改变指示对象的靠近或位置，以及
-第一屏蔽电极（SE1）设置在载体材料（TM）的第二侧（TM2）上并且用于相对地屏蔽由传感器电极（E）发射的交变电场，
其中所述传感器电极（E）设置成感测辐射的交变电场的变化，
所述电极装置进一步具有第二屏蔽电极（SE2），其中第二屏蔽电极（SE2）设置在所述载体材料（TM）的所述第一侧（TM1）上，其中
-所述传感器电极（E）能借助设置在载体材料（TM）的第一侧（TM1）上的印制导线（L）与分析电子装置（A）耦合，
-该第二屏蔽电极（SE2）在传感器电极（E）与印制导线（L）之间并且与传感器电极（E）和与印制导线（L）有间距地设置，而且该第二屏蔽电极用于相对印制导线（L）屏蔽由传感器电极（E）发射的交变电场，以及
-传感器电极（E）、第二屏蔽电极（SE2）和印制导线（L）分别构成为条状，其中第二屏蔽电极（SE2）比所述印制导线更宽（L）。
2.根据权利要求1所述的电极装置，其中所述传感器电极（E）比所述印制导线（L）更宽。
3.根据权利要求1所述的电极装置，其中所述传感器电极（E）比所述第二屏蔽电极（SE2）更宽。
4.根据权利要求1至3之一所述的电极装置，进一步具有第三屏蔽电极（SE3），其中该第三屏蔽电极（SE3）与印制导线（L）有间距地设置在载体材料（TM）的第一侧（TM1）上，其中所述印制导线（L）设置在第二屏蔽电极（SE2）与所述第三屏蔽电极（SE3）之间。
5.根据权利要求1至3之一所述的电极装置，其中所述传感器电极（E）、第二屏蔽电极（SE2）以及印制导线（L）相互平行地设置。
6.根据权利要求1至3之一所述的电极装置，其中所述第一屏蔽电极（SE1）通过导电的并且很大程度上透明的材料（ITOS）形成。
7.根据权利要求1至3之一所述的电极装置，其中传感器电极（E）与谐振回路耦合，其中在包括所述传感器电极（E）和谐振回路的条件下形成的系统能被施加电压，其中所述谐振回路的电压相对于所施加的电压的相移能指示对象向所述传感器电极（E）的靠近和/或对象在传感器电极（E）上的位置。
8.根据权利要求7所述的电极装置，其中在包括传感器电极（E）和谐振回路的条件下形成的系统的输出端能通过放大器电路切换到三个屏蔽电极（SE1，SE2，SE3）中的至少一个，以便将三个屏蔽电极（SE1，SE2，SE3）中的至少一个置于所述传感器电极（E）的电势上。
9.根据权利要求8所述的电极装置，其中所述放大器电路是驱动电路，并且该驱动电路构成为驱动在所述至少一个屏蔽电极（SE1，SE2，SE3）上的电流并且向所述至少一个屏蔽电极施加与传感器电极（E）的电极电压相同相位的电压，其中所施加的电压在数值上小于传感器电极（E）的电极电压。
10.根据权利要求1至3之一所述的电极装置，其中
-至少一个耦合电极（SEK）能设置在传感器电极（E）和第一屏蔽电极（SE1）之间并且与第一屏蔽电极（SE1）耦合；以及
-所述至少一个电容式传感器（S）的输出端能通过驱动电路切换到耦合电极（SEK），以便将耦合电极（SEK）和第一屏蔽电极（SE1）置于传感器电极（E）的电势上。
11.根据权利要求10所述的电极装置，其中所述驱动电路构成为驱动耦合电极（SEK）上的电流并且向所述耦合电极（SEK）施加与传感器电极（E）的电极电压相同相位的电压，其中所施加的电压在数值上小于传感器电极（E）的电极电压。
12.根据权利要求10所述的电极装置，其中屏蔽电极（SE）和耦合电极（SEK）能电容地耦合。
13.根据权利要求8所述的电极装置，其中所述至少一个电容式传感器（S）的输出端能通过复用器（MUX）与放大器电路耦合。
14.根据权利要求7所述的电极装置，其中所述谐振回路的电感部件通过回转器形成。
15.根据权利要求14所述的电极装置，其中所述回转器包括通过电容器（CF）反馈的运算放大器（OP），该运算放大器在电容式传感器（S）的输入端上作用为虚拟电感，其中该虚拟电感与连接在电容式传感器（S）的输入端上的传感器电极（E）及其对地的负载电容（CL）一起形成并联振荡回路。
16.根据权利要求15所述的电极装置，其中所述运算放大器（OP）的输出端能与放大器电路耦合，以及在该运算放大器（OP）的输出端上设置衰减组件。
17.根据权利要求16所述的电极装置，其中所述衰减组件是欧姆分压器。
18.一种用于显示装置（D）的电极配置，用于无接触地检测对象在该显示装置（D）上的位置和/或对象向该显示装置（D）的靠近，该电极配置包括至少一个根据上述权利要求1-17之一所述的电极装置，其中该电极装置能设置在显示装置（D）上，使得载体材料（TM）的第二侧向着该显示装置（D），并且第一屏蔽电极（SE1）用于相对接地的显示装置（D）屏蔽由传感器电极（E）发射的交变电场，
其中所述传感器电极（E）设置成感测辐射的交变电场的变化。
19.根据权利要求18所述的电极配置，其中第一屏蔽电极（SE1）能与设置在所述显示装置（D）之前的导电的并且很大程度上透明的层（ITOS）电流或电容地耦合。
20.根据权利要求19所述的电极配置，其中第一屏蔽电极（SE1）通过设置在显示装置（D）之前的导电的并且很大程度上透明的层（ITOS）形成。
21.一种用于无接触地检测对象在显示装置（D）上的位置和/或向显示装置（D）的靠近的装置，具有根据权利要求1至17之一所述的电极装置，其中第一屏蔽电极（SE1）嵌入在透明的保护材料（SM）中，该保护材料能设置在显示装置上，并且第一屏蔽电极（SE1）用于相对接地的显示装置屏蔽传感器电极（E）的电极场，
其中所述传感器电极（E）设置成感测辐射的交变电场的变化。
22.根据权利要求21所述的装置，其中第一屏蔽电极（SE1）和至少一个传感器电极（E）分别嵌入在载体材料中，并且载体（B）设置在透明的保护材料（SM）的背离显示装置（D）的表面上。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述载体材料是透明的载体材料。
24.根据权利要求21至23之一所述的装置，其中所述显示装置（D）是接触敏感的显示屏，其中第一屏蔽电极（SE1）和/或至少一个传感器电极（E）通过接触敏感的显示屏的导电层形成，其中接触敏感的显示屏的导电层与用于检测接触的分析单元（μC）耦合并与用于检测靠近的分析单元（GestIC）耦合。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述装置构成为：大于所述对象与显示装置（D）的预定第一距离（SW1）则分析为该对象相对于显示装置（D）移动。
26.根据权利要求25所述的装置，其中当所述对象与显示装置（D）的距离小于第一距离（SW1）时，用于检测靠近的分析单元（GestIC）能被去活。
27.根据权利要求24所述的装置，其中所述装置构成为：小于所述对象与显示装置（D）的预定第二距离（SW2）则分析为通过该对象接触显示装置（D）。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述第二距离（SW2）大于第一距离（SW1）。
29.根据权利要求24所述的装置，其中接触敏感的显示屏的导电层在时间复用方法中与用于检测接触的分析单元（μC）耦合并与用于检测靠近的分析单元（GestIC）耦合。
30.根据权利要求24所述的装置，其中第一屏蔽电极（SE1）包括耦合电极（SEK）。
31.一种用于根据权利要求1所述的电极装置的薄膜，其具有多个传感器电极（E）和至少一个耦合电极（SEK），其中传感器电极（E）在至少一个耦合电极（SEK）的一侧上、并且以到至少一个耦合电极（SEK）的预定距离而被设置以便辐射交变电场，其中所辐射的交变电场的改变指示对象的靠近或位置，以及所述薄膜具有用于将传感器电极（E）连接到分析单元（GestIC）和用于将传感器电极（E）和至少一个耦合电极（SEK）连接到驱动电路（T）的连接端，用于在传感器电极（E）与至少一个耦合电极（SEK）之间产生无场的空间，
其中所述传感器电极（E）设置成感测辐射的交变电场的变化。
32.一种用于制造具有接触敏感的显示屏的靠近敏感的显示装置的方法，其中该接触敏感的显示屏具有用于检测接触的导电结构，该方法包括用于将根据权利要求31所述的薄膜施加在接触敏感的显示屏上的步骤，其中至少一个耦合电极（SEK）向着该显示屏，并且至少一个耦合电极（SEK）能与接触敏感的显示屏的导电结构置于电容耦合中，
其中所述传感器电极（E）设置成感测辐射的交变电场的变化。
33.根据权利要求32所述的方法，进一步具有：用于将薄膜连接端和接触敏感的显示屏的导电结构与用于检测靠近的分析单元（GestIC）耦合的步骤，其中导电结构在时间复用方法中与用于检测靠近的分析单元（GestIC）耦合并且与用于检测接触的分析单元（μC）耦合。
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