DE102006031376A1 - Zweidimensionaler Positionssensor - Google Patents
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Abstract
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Positionssensor zum Feststellen der Position eines Objektes innerhalb eines zweidimensionalen Erfassungsbereichs.
- Die Verwendung zweidimensionaler berührungsempfindlicher Positionssensoren verbreitet sich immer mehr. Beispiele umfassen die Verwendung von Positionssensoren in Laptop-Computern anstelle von Maus-Zeigegeräten, als Bedienfelder zum Empfangen von Benutzereingaben zur Steuerung von Geräten oder insbesondere als Glas-Berührungsbildschirmgeräte mit einem X-Y-Koordinatenausgang. Einige Anwendungen erfordern eine durchsichtige Erfassungsschicht, sodass eine Anzeige unterhalb des Bildschirms betrachtet werden kann, während andere Anwendungen lediglich eine undurchsichtige Berührungsoberfläche erfordern, beispielsweise für ein Tastenfeld auf einem Küchengerät oder einem PC-Peripheriegerät.
- Berührungsempfindliche Positionssensoren werden für mechanische Geräte häufig bevorzugt, da sie eine robustere Schnittstelle schaffen und häufig als ästhetisch angenehmer betrachtet werden. Da berührungssensitive Positionssensoren keine dem Benutzer zugänglichen beweglichen Teile erfordern, sind sie darüber hinaus weniger verschleißanfällig als ihre mechanischen Gegenstücke und können innerhalb einer abgedichteten äußeren Oberfläche bereitgestellt werden. Dies macht ihre Verwendung dort, wo eine Gefahr besteht, dass Schmutz oder Fluide in ein gesteuertes Gerät eindringen, besonders attraktiv.
- Es existiert eine große Menge vom Stand der Technik betreffend Berührungsfeldern und Bildschirmen. Diese können im All gemeinen in zwei Klassen unterteilt werden: Jene, die eine X-Y-Koordinate von mehr oder weniger kontinuierlicher Natur ("XY"-Typ) mitteilen, und jene, die eine diskrete Erfassungsoberfläche ("diskreter Typ") mit vordefinierten Tastenbereichen, die durch eine physikalische Geometrie festgelegt sind, aufweisen. Der XY-Typ wird hauptsächlich über LCD oder andere Bildanzeigetypen verwendet, während der letztere Typ in Tastenfeldern für feste Funktionen eingesetzt wird. Es gibt hiervon Ausnahmen, beispielsweise teilen Oberflächen von Berührungsfeldern in Laptops eine XY-Position mit, sind jedoch undurchsichtig. XY-Typen benötigen immer eine Erfassungsoberfläche auf der Benutzerseite oder "ersten Oberfläche" der Berührungsfläche. Beispielsweise umfassen sowohl kontinuierliche resistive und kapazitive Berührungsbildschirme eine Erfassungsschicht, die entweder von dem Benutzer physikalisch niedergedrückt oder nahezu direkt oder höchstens durch eine dünne Isolationsschicht (wie in Maus-Berührungsfeldern) berührt werden muss. Diese Typen machen es erforderlich, dass das Produkt eine Glasrand- oder Einfassungsöffnung aufweist, um einen direkten oder nahezu direkten Kontakt des Benutzers mit der Erfassungsschicht zu ermöglichen. Ein signifikanter Nachteil dieser Typen besteht darin, dass in dem Feld eine Öffnung vorhanden sein muss, die eine Dichtung gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz erforderlich macht und infolgedessen in ihrer Anbringung teuer ist. Darüber hinaus ist die Erfassungsschicht einem Missbrauch direkt ausgesetzt und kann durch scharfe Objekte oder Reibung leicht beschädigt werden. Während robuste kapazitive Typen bekannt sind, die vergrabene Drähte innerhalb einer Glasschicht aufweisen (beispielsweise
US 5,844,506 [1]), benötigen diese weiterhin eine Einfassungsöffnung in einer Fläche die abgedichtet werden muss, und benötigen zwei Erfassungsschichten als eine Matrix aufgrund der Notwendigkeit, die X- und Y-Leiter zu kreuzen. Ferner sind diese Bildschirme in ihrer Herstellung sehr teuer und können nicht als Massenartikel hergestellt werden; zusätzlich ist bekannt, dass die Erfassungsschaltung komplex und teuer ist. - Im Bereich diskreter Berührungstasten ist es seit einiger Zeit bekannt, dass kapazitive Tasten hinter einer festen bzw. massiven Oberfläche angeordnet werden können, die keine Einfassungsöffnung benötigt. Diese Typen ermöglichen jedoch nur eine begrenzte Auflösung, die durch den Ort diskreter Elektrodenformen vorgegeben ist. Ein Beispiel hierfür ist in
US 4,954,823 [2],4 und6 , angegeben. Während es gut bekannt ist, dass diese Elektroden aus einer einzelnen Schicht eines durchsichtigen Leiters, wie beispielsweise Indium-Zinnoxid ("ITO") hergestellt werden können, um eine Anordnung über einer einfassungslosen Bildschirmanzeige zu ermöglichen, beispielsweise durch eine Anbringung der Schicht als ein Film auf der Rückseite eines Teilbereichs eines Feldes, ist diese Technologie dennoch auf diskrete Berührungsflächen beschränkt, die auf der Anzahl, der Größe und der Anordnung diskreter Elektroden basieren. -
1 zeigt schematisch in Draufsicht ein Berührungsfeld des inUS 4,954,823 [2] beschriebenen Typs, das jedoch in einem orthogonalen Array angeordnet bzw. ausgeführt ist. Das Berührungsfeld2 umfasst ein Gitter diskreter Elektroden4 , die auf einem isolierenden Substrat6 angebracht sind. Jede Elektrode ist mit einem Kanal einer Kapazitätsmess-Schaltung in einer Steuereinheit8 verbunden.US 5,463,388 [3] beschreibt diese Geometrie beiläufig im Zusammenhang mit ihrer1 , um zu zeigen, wie ein solches Array verwendet werden kann, um eine Position eines Objektes in der Nähe der Erfassungsschicht durch die Bestimmung eines Schwerpunkts der Signale von jedem Feld zu bestimmen.US 5,463,388 zeigt jedoch nicht, wie ein solcher Entwurf zu implementieren ist und beschreibt stattdessen eine Matrix von Leitern zusammen mit einer Schwerpunktberechnung einer kontinuierlichen X-Y-Position. Tatsächlich ist es nicht praktikabel, so viele Erfassungskanäle wie einen pro Erfassungsfeld zu haben, und eine Matrixanordnung ist, wie im Folgenden beschrieben wird, wesentlich effizienter. -
2 zeigt schematisch einen Positionssensor12 basierend auf einer Matrix von Leitern, wie er inUS 5,463,388 [3] beschrieben ist. Der Positionssensor12 umfasst eine Anzahl vertikaler, ausgerichteter Streifenelektroden (Spalten)14 , die auf einer oberen Oberfläche eines isolierenden Substrats16 angebracht sind, und eine Anzahl horizontaler ausgerichteter Streifenelektroden (Zeilen)15 , die auf einer gegenüberliegenden unteren Oberfläche des isolierenden Substrats angebracht sind. Jede vertikale Streifenelektrode ist mit einem Kanal einer Kapazitätsmess-Schaltung in einer Steuereinheit18 verbunden. Dieser Typ eines Positionssensors ermöglicht daher einen X-Y-Koordinatenausgang von kontinuierlicher Natur mittels der Berechnung eines Schwerpunkts der Kapazität unter den Zeilen und Spalten anstelle unter diskreten Feldern. Dieser Typ erfordert jedoch zwei Erfassungsschichten, damit die Matrixspuren weggeführt bzw. geleitet werden können, und ermöglich nicht die Verwendung optisch durchsichtiger Materialien. - Die ideale Berührungsoberfläche würde das Erfordernis einer Einfassungsöffnung beseitigen (oder zumindest optional werden lassen), eine preisgünstige Erfassungsoberfläche aufweisen, die auf der Rückseite der Feldoberfläche angebracht ist und die durch eine vernünftige Dicke des Feldmaterials (beispielsweise bis zu 4 mm Glas oder Kunststoff) hindurch reichen kann, optional lediglich eine Erfassungsschicht ohne Überkreuzungen in dem Erfassungsbereich erfordern, mit durchsichtigen Erfassungsschichten wie beispielsweise ITO verwendbar sein, einen Ausgang des XY-Typs haben und einen kompakten und kostengünstigen Treiber-Schaltkreis aufweisen. Diese Zusammenstellung idealer Ziele ist in keinem Stand der Technik bisher erreicht.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein kapazitiver Positionssensor zum Bestimmen der Position eines Objektes in einem Erfassungsbereich geschaffen, wobei der Sensor ein Substrat mit einer Oberfläche mit einer Anordnung von darauf angebrachten Elektroden umfasst, wobei die Elektroden ein Array von in Spalten und Zeilen angeordneten Erfassungszellen zum Bilden des Erfassungsbereich definieren, jede Erfassungszelle eine Spalten-Erfassungselektrode und eine Zeilen-Erfassungselektrode enthält, die Spalten-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Spalte elektrisch miteinander gekoppelt sind und die Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Zeile elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen an gegenüberliegenden Enden wenigstens einer der Zeilen elektrisch durch jeweilige Zeilen-Umgriffverbindungen miteinander gekoppelt sind, die außerhalb des Erfassungsbereichs vorgesehen sind.
- Infolgedessen kann ein Positionssensor mit Elektroden auf lediglich einer einzigen Schicht eines Substrats geschaffen werden. Da der Positionssensor ein sich überschneidendes Array aus Spalten und Zeilen von Zeilen-Erfassungselektroden (d.h. eine Matrix) verwendet, werden darüber hinaus weniger Messkanäle als bei Sensoren, die auf einem Array diskreter Elektroden basieren, benötigt.
- Da der Positionssensor auf Erfassungselektroden auf lediglich einer einzelnen Oberfläche basiert, kann er günstiger in der Herstellung sein als die bekannten doppelseitigen Positionssensoren. Dies bedeutet auch, dass die Erfassungselektroden direkt auf eine Oberfläche abgelagert werden können, deren gegenüberliegende Oberfläche unzugänglich (beispielsweise eine Bildschirmanzeige) ist. Die Erfassungselektroden können auch auf einer inneren Oberfläche eines Gerätegehäuses aufgebracht oder abgelagert werden, wodurch die Notwendigkeit für eine Schutzabdeckung entfällt, die erforderlich sein könnte, falls die Elektroden auch auf der äußeren Oberfläche vorhanden sein müssten.
- Die elektrischen Zeilen-Umgriffverbindungen können eine leitende Spur umfassen, die auf dem Substrat angebracht ist. Dies ermöglicht es, die Verbindung außerhalb des Erfassungsbereichs in demselben Prozess-Schritt wie die Erfassungselektroden innerhalb desselben herzustellen. In alternativer Weise können die Zeilen-Umgriffverbindungen durch einen freiliegenden Draht hergestellt werden, der in geeigneter Weise mit den jeweiligen Zeilen-Erfassungselektroden verbunden ist.
- Die Spalten-Erfassungselektroden einer Spalte von Erfassungszellen an einem Rand des Erfassungsbereichs können elektrisch durch Spalten-Umgriffverbindungen miteinander gekoppelt sein, die außerhalb des Erfassungsbereichs in ähnlicher Weise vorhanden oder hergestellt sind.
- Der Positionssensor kann ferner eine Mehrzahl von Kapazitätsmesskanälen enthalten, die mit jeweiligen einzelnen Zeilen von Zeilen-Erfassungselektroden und den Spalten von Spalten-Erfassungselektroden verbunden sind, wobei jeder Messkanal betreibbar ist, ein Signal zu erzeugen, das für eine Kapazität zwischen seiner ihm zugeordneten Spalte oder Zeile von Erfassungselektroden und einer Systemerde charakteristisch ist.
- Darüber hinaus kann der Positionssensor ferner einen Prozessor umfassen, der betreibbar ist, um die Position des Objektes entlang der ersten Richtung durch Vergleichen von Signalen von den Spalten von Spalten-Erfassungselektroden und entlang der zweiten Richtung durch Vergleichen von Signalen von den Zeilen von Zeilen-Erfassungselektroden zu bestimmen.
- Dies ermöglicht die Bestimmung der Position einer vorzunehmenden Berührung, die ansonsten eine mit den Erfassungselementen verbundene konventionelle Schaltung benutzt.
- Die Kapazitätsmesskanäle können einen Ladungstransfer-Schaltkreis umfassen, da dies einen zuverlässigen und robusten Weg darstellt, um Kapazitäten der Höhe zu messen, die in einer typischen Implementierung zu erwarten sind. Andere Formen von Kapazitätsmess-Schaltkreisen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Im Allgemeinen ist bevorzugt, einen Kapazitäts-Treiberschaltkreis zu verwenden, der sämtliche Zeilen- und Spaltenverbindungen in einer im Wesentlichen phasensynchronen Weise treibt, um zu verhindern, dass die elektrischen Felder in benachbarte Zeilen und Spalten übersprechen bzw. kreuzkoppeln. Dies ist ebenfalls in
US 5,463,388 [3] beschrieben, in welcher sämtliche Zeilen- und Spaltenleiter von einem einzelnen Oszillator getrieben werden. - Die Erfassungszellen können in drei oder vier Spalten angeordnet sein. Dies kann einen Positionssensor mit einer ausreichenden Auflösung über einem Erfassungsbereich typischer Größe für die meisten Anwendung schaffen.
- Die Spalten- und Zeilen-Erfassungselektroden in jeder Erfassungszelle können miteinander verschachtelt sein (beispielsweise durch eine spiralartige Wegführung um einander herum oder können verflochten/ineinander greifend sein), besonders in Entwürfen, in welchen der Zeilen- und Spaltenabstand größer als der eines typischen Fingers ist. Dies schafft eine wesentlich gleichmäßigere Abschirmung von Signalen von den X- und Y-Bahnen an jedem Verschachtelungsort, was eine bessere Positionsmitteilung im Hinblick auf einen die darüber liegende Oberfläche berührenden Finger ermöglicht. Dies ist ebenfalls in
US 5,463,388 [3], beispielsweise in2 , beschrieben. In Layouts, in denen die Zeilen- und Spaltenabstände ähnlich oder kleiner als ein menschlicher Finger sind, ist es ausreichend, andere Anordnungen von Elektrodenmustern zu verwenden, beispielsweise ein Array von Rautenformen, wie es in8 dargestellt und weiter unten beschrieben wird. - Der Positionssensor kann ein transparentes Substrat und transparente Elektroden (beispielsweise aus Indium-Zinnoxid (ITO) gebildet und auf dem Substrat abgelagert) enthalten. Dies ermöglicht, dieses über einem Bildanzeigeschirm anzuordnen, ohne das, was darunter angezeigt wird, zu verdecken. Der Bildanzeigeschirm kann daher so ausgeführt sein, dass er einem Benutzer "virtuelle" Tasten oder Knöpfe anzeigt, die durch den Benutzer durch Platzieren seines Finger über einem geeigneten Teil der Bildanzeige benachbart dem Positionssensor angewählt werden können. Die Position der Benutzerberührung kann dann mit den Positionen der dargestellten "virtuellen" Tasten bzw. Knöpfe verglichen werden, um zu entscheiden, welche gewählt wurde.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gerät mit einem Positionssensor nach dem ersten Aspekt der Erfindung geschaffen. Der Positionssensor kann in vielen Gerätetypen verwendet werden. Beispielsweise kann das Gerät ein tragbares/in der Hand gehaltenes Gerät (Handgerät), beispielsweise ein Mikrocomputer bzw. PDA (Personal Data Assistent), ein Multimedia-Player, ein mobiles (zellulares) Telefongerät, eine rekonfigurierbare Fernsteuerung oder eine Bildkamera (Fotoapparat) oder Videokamera, z.B. mit einem auf der Bildanzeige liegenden Positionssensor, sein. In alternativer Weise könnte der Positionssensor ebenfalls in größer-formatigen Einrichtungen, wie beispielsweise Küchengeräten, Telefonzellen und dergleichen, verwendet werden. Undurchsichtige Versionen können zur Verwendung in Berührungsflächen des PC-Stils, Tastenfeldern und anderen Mensch-Schnittstellen-Geräten, die in der Technik gut bekannt sind, verwendet werden.
- Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbau einer auf einem Substrat angeordneten kapazitiven Er fassungsoberfläche geschaffen, die eine X-Y-Koordinatenposition eines Objektes innerhalb eines aktiven Erfassungsbereichs mitteilt, wenn sich das Objekt benachbart dieser Oberfläche befindet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Ablagern einer einzigen Schicht eines gemusterten (strukturierten) leitfähigen Materials in dem aktiven Erfassungsbereich, wobei das Muster Zeilen und Spalten von Elektroden umfasst, die mit einzelnen kapazitiven Erfassungskanälen verbunden sind, und wobei zumindest eine Zeile oder Spalte in eine Mehrzahl von Segmenten innerhalb des aktiven Bereichs aufgebrochen ist; (b) Verbinden der aufgebrochen Segmente untereinander mit einem elektrischen Leiter, wobei bewerkstelligt wird, dass der Leiter außerhalb des aktiven Erfassungsbereichs liegt; (c) Verbinden der Zeilen und Spalten mit individuellen Erfassungskanälen eines Mehrkanal-Kapazitivsensor-Erfassungsschaltkreises mit mehreren Ausgängen, die Amplituden der Kapazität auf den Zeilen und Spalten repräsentieren; und (d) Bereitstellen eines Prozessors, der im Betrieb die mehreren Ausgänge verarbeitet, um eine Koordinatenposition des benachbarten Objekts als einen X-Y-Ort zu bestimmen.
- Der Prozessor kann ausgelegt sein, eine durch die physikalische Geometrie des gemusterten leitenden Materials verursachte Positionsabweichung zu kompensieren.
- Der Prozessor kann auch ausgelegt sein, einen Schwerpunkt der Signale über Zeilen und einen Schwerpunkt der Signale über Spalten zu berechnen.
- Nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein kapazitiver Positionssensor zum Bestimmen der Position eines Objektes in einem Erfassungsbereich geschaffen, wobei der Sensor ein Substrat mit einer Oberfläche umfasst, auf welcher ein Anordnung von leitenden Elektroden angebracht ist, wobei die Elektroden ein Array aus Erfassungszellen definieren, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind, um einen Erfassungsbereich zu bilden, jede Erfassungszelle eine Spalten-Erfassungselektrode und eine Zeilen-Erfassungselektrode enthält, die Spalten-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Spalte elektrisch miteinander verbunden sind und die Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Zeile elektrisch miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine Spalten-Erfassungselektrode ein durchgängiges Rückgrat innerhalb des Erfassungsbereichs aufweist und die wenigstens eine andere Spalte durch Verbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs elektrisch durchgängig gemacht ist.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Erläuterung, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun in beispielhafter Weise auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, in welchen:
-
1 einen bekannten zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor in schematischer Weise in Draufsicht zeigt; -
2 einen weiteren bekannten zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor in schematischer Weise in Draufsicht zeigt; -
3 einen zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor nach einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Weise in Draufsicht zeigt; -
4 ein den Positionssensor von3 enthaltendes Gerät in schematischer Weise in Perspektivansicht zeigt; -
5A und5B Diagramme sind, die in schematischer Weise die Kapazität als Funktion der Spaltenanzahl (5A ) und der Zeilenanzahl (5B ) von Erfassungszellen zeigen, die verwendet werden, um die Posi tion eines Objektes benachbart dem Positionssensor des in4 dargestellten Gerätes zu bestimmen; -
6 den zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor und Anzeigebildschirm des in4 dargestellten Gerätes in schematischer Weise in Draufsicht zeigt; -
7 und8 zweidimensionale kapazitive Positionssensoren gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung in schematischer Weise in Draufsicht zeigen; -
9 die mitgeteilten Positionen verglichen mit den tatsächlichen Positionen für ein Objekt benachbart einem Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Weise in Draufsicht zeigt; und -
10 eine Bildanzeige der Umrisse von gewünschten Tastenpositionen verglichen mit den Umrissen von mitgeteilten Tastenpositionen für einen Positionssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise in Draufsicht zeigt. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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3 zeigt in schematischer Weise in Draufsicht einen zweidimensionalen berührungsempfindlichen kapazitiven Positionssensor22 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Positionssensor22 ist ausgelegt, die Position eines Objektes entlang einer ersten (x) und einer zweiten (y) Richtung zu bestimmen, wobei die Orientierung derselben im oberen linken Bereich der Zeichnung dargestellt ist. Der Sensor22 umfasst ein Substrat24 mit einer Anordnung von darauf angebrachten Erfassungselektroden26 . Die Erfassungselektroden26 definieren einen Erfassungsbereich, innerhalb welchem die Position eines Objektes (beispielsweise eines Fingers oder eines Stiftes) benachbart dem Sensor bestimmt werden kann. Das Substrat24 ist aus einem transparenten Kunststoffmaterial und die Elektroden sind aus einem transparenten Film aus Indium-Zinnoxid (ITO) gebildet, der unter Verwendung von konventionellen Techniken auf dem Substrat24 abgelagert wurde. Der Erfassungsbereich des Sensors ist demzufolge transparent und kann sich über einer Bildschirmanzeige (oder Bildanzeigeschirm) befinden, ohne zu verdecken, was hinter dem Erfassungsbereich dargestellt ist. In anderen Beispielen kann es nicht beabsichtigt sein, dass sich der Positionssensor über einer Bildanzeige befindet, und der Positionssensor kann nicht transparent sein; in diesen Beispielen kann die ITO-Schicht durch ein wirtschaftlicheres Material, wie z.B. eine kupferlaminierte PCB, ersetzt werden. - Das Muster der Erfassungselektroden auf dem Substrat
24 ist dergestalt, dass es den Erfassungsbereich in ein Array (Gitter) von Erfassungszellen28 unterteilt, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. (Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe "Zeile" und "Spalte" hier verwendet werden, um in bequemer Weise zwischen zwei Richtungen zu unterscheiden, und nicht in der Weise interpretiert werden sollen, dass sie entweder eine vertikale oder eine horizontale Orientierung implizieren.) Eine der Erfassungszellen28 ist in beispielhafter Weise in3 durch eine gepunktete Umrisslinie dargestellt. In diesem Positionssensor sind vier Spalten von Erfassungszellen, die in y-Richtung ausgerichtet sind, und fünf Zeilen von Erfassungszellen, die in x-Richtung ausgerichtet sind (insgesamt zwanzig Erfassungszellen), vorhanden. Die oberste Zeile von Erfassungszellen wird für die in3 dargestellte Geometrie als Zeile y1 bezeichnet, die nächste darunter liegende als Zeile y2, usw., bis herunter zu Zeile y5. Die Spalten der Erfassungszellen werden in ähnlicher Weise von links nach rechts als Spalten x1 bis x4 bezeichnet. Die in3 mit einem punktierten Umriss dargestellte Erfassungszelle28 liegt infolgedessen am Schnittpunkt der Zeile y1 und der Spalte x3. - Jede Erfassungszelle enthält eine Zeilen-Erfassungselektrode
30 und eine Spalten-Erfassungselektrode32 . Die Zeilen-Erfassungselektroden30 und Spalten-Erfassungselektroden sind innerhalb jeder Erfassungszelle28 so angeordnet, dass sie miteinander verschachtelt sind (in diesem Fall dadurch, dass sie eckig in spiralartiger Weise umeinander herum verlaufen), sind jedoch nicht galvanisch verbunden. Da die Zeilen- und Spalten-Erfassungselektroden verschachtelt (ineinander greifend) sind, kann ein Objekt benachbart einer gegebenen Erfassungszelle eine signifikante kapazitive Kopplung zu beiden Erfassungselektroden bewirken, unabhängig davon, wo sich das Objekt in der Erfassungszelle befindet. Das charakteristische Maß der Verschachtelung kann von der Größenordnung der kapazitiven Basisfläche (Fußabdruck) eines typischen zu detektierenden Objektes, oder kleiner, sein, um die besten Resultate zu liefern. Die Größe und Form der Erfassungszelle28 kann vergleichbar mit der des zu detektierenden Objektes oder größer (innerhalb praktischer Grenzen) sein. - Die Zeilen-Erfassungselektroden
30 sämtlicher Erfassungszellen in derselben Zeile sind elektrisch miteinander verbunden, um fünf getrennte Zeilen von Zeilen-Erfassungselektroden zu bilden. In ähnlicher Weise sind die Spalten-Erfassungselektroden32 sämtlicher Erfassungszellen in derselben Spalte miteinander elektrisch verbunden, um vier getrennte Spalten von Spalten-Erfassungselektroden zu bilden. - Die Spalten-Erfassungselektroden in Spalte x2 sind durch eine Verbindung
51 miteinander verbunden, die auch als Grat (Rückgrat) bezeichnet wird, und die innerhalb des Erfassungsbereichs als ein Teil einer einzigen der auf dem Substrat abgelagerten Elektroden hergestellt ist und die zwischen den Spalten x2 und x3 verläuft. Diese Verbindung verläuft über die Länge des Erfassungsbereichs. Infolgedessen stellt eine einzelne, durchgängig leitende, auf dem Substrat24 abgelagerte Elektrode die Spalten-Erfassungselektroden32 sämtlicher Erfassungszellen in Spalte x2 und deren Zwischenverbin dungen bereit. Die Spalten-Erfassungselektroden in Spalte x3 sind in ähnlicher Weise durch eine Verbindung35 miteinander verbunden, die innerhalb des Erfassungsbereichs vorliegt und sich wiederum zwischen den Spalten x2 und x3 als ein Rückgrat erstreckt. Infolgedessen stellt wiederum eine einzelne durchgängige, leitende, auf dem Substrat24 abgelagerte Elektrode die Spalten-Erfassungselektroden32 sämtlicher Erfassungszellen in Spalte x3 und deren Zwischenverbindungen bereit. - Die Zeilen-Erfassungselektroden
30 in Spalten x1 und x2 der Zeile y2 sind ebenfalls durch Verbindungen miteinander verbunden, die innerhalb des Erfassungsbereichs vorliegen. Infolgedessen stellt eine einzelne, durchgängige, leitende, auf dem Substrat24 abgelagerte Elektrode34 die Zeilen-Erfassungselektroden der Erfassungszellen in Spalten x1 und x2 der Zeile y2 und deren Zwischenverbindung bereit. Die Zeilen-Erfassungselektroden in Spalten x3 und x4 der Zeile y2 sind in ähnlicher Weise durch eine Verbindung miteinander verbunden, die innerhalb des Erfassungsbereichs vorhanden ist, sodass eine einzelne, durchgängige Elektrode36 wiederum diese Zeilen-Erfassungselektroden und ihre Zwischenverbindung bereitstellt. Aufgrund der auf dem Substrat befindlichen Verbindungen (Rückgrate), die sich zwischen den Spalten x2 und x3 erstrecken, um zwischen ihren jeweiligen Spalten-Erfassungselektroden Verbindungen zu bilden, können die Zeilen-Erfassungselektroden in Spalten x1 und x2 der Zeile y2 jedoch nicht mit den Zeilen-Erfassungselektroden in den Spalten x3 und x4 der Zeile y2 durch eine auf der Oberfläche des Substrats hergestellte Verbindung verbunden werden. Infolgedessen ist eine Verbindung38 zwischen den Zeilen-Erfassungselektroden an gegenüberliegenden Enden dieser Zeile (d.h. in den Spalten x1 und x4) außerhalb des Erfassungsbereichs vorgesehen. Die Verbindung38 erstreckt sich um die Außenseite des Erfassungsbereichs herum, um die Elektrode34 , die die Zeilen-Erfassungselektroden in den Spalten x1 und x2 der Zeile y2 bereitstellt, mit der Elektrode36 , die die Zeilen-Erfassungselektroden in den Spalten x3 und x4 der Zeile y2 bereitstellt, zu verbinden. Infolgedessen sind sämtliche Zeilen-Erfassungselektroden in dieser Zeile elektrisch miteinander verbunden. Ähnlich Umgriffverbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs sind vorgesehen, um sicherzustellen, dass die jeweiligen Zeilen-Erfassungselektroden der anderen Zeilen miteinander verbunden sind. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Verbindung außerhalb des Erfassungsbereichs zwischen den Zeilen-Erfassungselektroden an gegenüberliegenden Enden der Zeile y1, obwohl eine solche in3 dargestellt ist, nicht erforderlich ist, da die zwischen den Spalten-Erfassungselektroden der Spalten x2 und x3 verbindenden Rückgrate sich nicht bis zu dem äußeren Rand des Erfassungsbereichs erstrecken müssen und eine Verbindung, die sich entlang des oberen Rands des Erfassungsbereichs erstreckt, verwendet werden könnte, um zwischen den Zeilen-Erfassungselektroden in Zeile y1 (nicht dargestellt) eine Verbindung herbeizuführen. - Jede Spalten-Erfassungselektrode in Spalte x1 ist aus einer separaten Elektrode auf dem Substrat gebildet. Diese separaten Elektroden sind durch Verbindungen
40 miteinander verbunden, die extern (d.h. außerhalb) des Erfassungsbereichs gebildet sind. Die Spalten-Erfassungselektroden in Spalte x4 sind durch Verbindungen41 in einer ähnlichen Weise wie jene der Spalte x1 miteinander verbunden. Auf diese Art und Weise können die äußeren zwei Spalten innerhalb des Erfassungsbereichs diskontinuierlich bzw. unterbrochen sein, um durch Zeilen-Elektroden einen Zugang zu den Zellen zu ermöglichen, obgleich die Spalten dennoch im Ganzen hergestellt sind. - In diesem Beispiel sind die verschiedenen Verbindungen, die außerhalb der Erfassungsbereichs zwischen den Zeilen-Erfassungselektroden in Erfassungszellen an gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Zeilen und den Spalten-Erfassungselektroden in den Spalten an der Peripherie des Erfassungsbereichs vorgesehen sind, aus freien Drähten gebildet, die an den Elektroden des Erfassungsbereichs in geeigneter Weise un ter Verwendung konventioneller Techniken angebracht sind. Da diese Verbindungen freie Drähte sind, entstehen keine Schwierigkeiten aus dem Erfordernis, dass diese außerhalb des Erfassungsbereichs vorgesehenen Verbindungen einander an Orten kreuzen. In einem alternativen Entwurf können die außerhalb des Erfassungsbereichs vorgesehenen Verbindungen durch leitende Spuren auf dem Substrat ähnlich der auf dem Erfassungsbereich gebildeten Elektroden bereitgestellt werden. Dies kann günstig sein, da die den Erfassungsbereich bildenden Elektroden und die die Verbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs herstellenden elektrischen Spuren in einem einzigen Prozess-Schritt hergestellt werden können. Konventionelle elektrische Verbinder bzw. Steckbrücken können an den Orten, wo Verbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs einander kreuzen, verwendet werden. In noch einem weiteren alternativen und bevorzugteren Entwurf ist die Verdrahtung durch eine Kombination von leitenden Spuren auf dem Substrat ähnlich der den Erfassungsbereich bildenden Elektroden, die einige Anbringungsknoten verbinden, plus einem oberhalb dieser Leiter abgelagerten dielektrischen Isolator, plus einer leitfähigen Tinte (beispielsweise Silbertinte), die auf dem dielektrischen Isolator in Musterform aufgebracht ist, um sämtliche verbleibenden Knoten, die verbunden werden müssen, zu verbinden, ausgeführt. Dies schafft eine kostengünstige, dünne, ebene Oberfläche, die lediglich wenige gut bekannte Prozess-Schritte erfordert und keine diskreten Verbinder oder Steckbrücken erforderlich macht.
- Es versteht sich, dass die Anzahl der Zeilen und Spalten nicht, wie in
3 dargestellt, fünf bzw. vier sein muss. Andere Anzahlen von Zeilen und Spalten können verwendet werden, um unterschiedlichen Geometrien Rechnung zu tragen. Während weiterhin Zeilen und Spalten so dargestellt sind, dass sie dieselbe, quadratische Zellen28 bewirkende Basisdimension aufweisen, können die Zeilen und Spalten auch nicht zusammenpassende oder sogar nicht gleichförmige Dimensionen aufweisen, die rechteckförmige Zellen28 oder möglicherweise andere Formen, wie beispielsweise Trapeze, herbeiführen. Ferner erfordern sie in Fällen, in welchen die Bereiche der Zellen28 verschachtelt sind, keine wie dargestellt winkligen oder eckigen Verschachtelungsmuster; die Verschachtelungen können kreisförmig oder spiralförmig sein oder andere Formen aufweisen, um denselben allgemeinen Effekt zu bewirken. - Der Positionssensor
22 umfasst ferner eine Reihe von Kapazitätsmesskanäle42 , die an jeweilige einzelne Zeilen der Zeilen-Erfassungselektroden und der Spalten der Spalten-Erfassungselektroden gekoppelt sind. Jeder Messkanal ist ausgelegt, ein Signal zu erzeugen, das den Wert einer Kapazität zwischen der zugeordneten Spalte oder Zeile der Erfassungselektroden und einer Systemerde angibt. Die Kapazitätsmesskanäle42 sind in3 als zwei separate Bänke dargestellt, wobei eine Bank mit Zeilen der Erfassungselektroden (die Messkanäle sind mit y1 bis y5 bezeichnet) gekoppelt ist und eine Bank mit den Spalten der Spalten-Erfassungselektroden (die Messkanäle sind mit x1 bis x4 bezeichnet) gekoppelt sind. Es versteht sich jedoch, dass in der Praxis die gesamte Messkanal-Schaltung höchstwahrscheinlich in einer einzelnen Einheit, wie beispielsweise einen programmierbaren oder anwendungspezifischen integrierten Schaltkreis, bereitgestellt wird. Obgleich neun einzelne Messkanäle in3 dargestellt sind, können die Kapazitätsmesskanäle genauso durch einen einzigen Kapazitätsmesskanal mit geeigneter Multiplexierung geschaffen sein, obgleich dies keine bevorzugte Betriebsart ist. Eine gleiche oder ähnliche Schaltung derart, wie sie inUS 5,463,388 [3] beschrieben ist, kann verwendet werden, die bei Verwendung eines Abtast-Multiplexers sämtliche Zeilen und Spalten gleichzeitig mit einem einzigen Oszillator treibt, um einen laminaren Satz von Erfassungsfeldern durch das darüber liegende Substrat zu verbreiten. Vorzugsweise sind die Erfassungskanäle42 mehrere Inphase-Ladungsübertragungssensoren des inUS 5,730,165 [4] oderUS 6,466,036 [5] beschriebenen Typs. Das Treiben mehrerer solcher Erfassungsschaltkreise in einer phasensynchronen Weise bewirkt die gewünschte laminare Feldverbreitung. - Es wird darauf hingewiesen, dass das Substrat eine wertvolle Funktion schafft, indem es ferner die elektrischen Felder vermischt, sodass nicht nur die Felder von X- und Y-Leitungen über Zellen
28 besser gemischt sind, sondern Erfassungsgradienten zwischen benachbarten Zellen28 erzeugt werden. Dies bewirkt die Fähigkeit, interpolierte Positionen sowohl in der X- als auch der Y-Dimension zu erhalten, obgleich die Dimensionen der Zellen28 breiter als ein betätigendes Objekt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass dickere Panele bzw. Berührungsfelder eine bessere Vermischungs-Performance und daher eine bessere Fähigkeit zum Interpolieren von Positionen bieten. - Die von den Messkanälen
42 gemessenen, einen Kapazitätswert angebenden Signale werden der Verarbeitungsschaltung44 bereitgestellt. Die Verarbeitungsschaltung ist ausgelegt, die interpolierte Position einer kapazitiven Last zu bestimmen, die dem Erfassungsbereich durch ein Objekt benachbart dem Positionssensor angelegt wird. Die interpolierte Position der kapazitiven Last entlang der x-Richtung wird aus den Signalen von den Kapazitätsmesskanälen bestimmt, die den Spalten der Spalten-Erfassungselektroden zugeordnet sind, und die interpolierten Positionen der kapazitiven Last entlang der y-Richtung wird von den Signalen bestimmt, die den Zeilen der Zeilen-Erfassungselektroden zugeordnet sind. Sobald die Position des Objektes entlang der x- und y-Richtungen bestimmt ist, wird die Position einer Haupt-Steuereinheit (Controller)46 mitgeteilt, sodass diese geeignete Aktionen vornehmen kann. - Die
4 zeigt in schematischer Weise in Perspektivansicht ein Gerät50 , das den in3 dargestellten Positionssensor22 enthält. In diesem Beispiel ist das Gerät ein in der Hand gehaltener Multimedia-Player, der ein Gehäuse52 umfasst, das Gerätesteuerelektronik (nicht dargestellt) und eine Flüssigkristall-Bildschirmanzeige54 enthält. Verschiedene Textzeilen sind auf der Bildschirmanzeige erkennbar, die beispielsweise ein Befehlsmenü für das Gerät repräsentieren. Der Erfassungsbereich des Positionssensors liegt oberhalb der Bildschirmanzeige54 , wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Spalten- und Zeilen-Erfassungselektroden, die außerhalb des Erfassungsbereichs vorgesehen sind, innerhalb des Gehäuses52 vor der Betrachtung versteckt sind. Die Elektrodenschicht befindet sich vollständig innerhalb des Gehäuses, liegt unterhalb der Kunststoffabdeckung und ist eine Filmschicht, die am Inneren der Umhüllung angebracht ist. Dies schafft eine Steueroberfläche ohne Öffnungen und daher ohne das Erfordernis für einen Einfassungsrand. Die Verwendung einer einzelnen Schicht von durchsichtigem ITO mit externen Knotenverbindungen schafft eine hohe Klarheit bzw. Deutlichkeit und geringe Kosten. Ein Benutzer kann aus dem auf dem Bildschirm54 dargestellten Befehlsmenü auswählen, indem er auf den geeigneten Ort zeigt. Der Positionssensor teilt den Ort der Berührung der Gerätesteuereinheit mit, die ihrerseits entscheidet, welcher Befehl ausgeführt werden soll. Dies erfolgt dadurch, dass die Position der Berührung mit den Positionen der gegenwärtig dargestellten Menüpunkte verglichen wird. - In
4 ist auch ein Finger56 gezeigt, der sich an einem Punkt P benachbart dem Positionssensor22 und oberhalb der Bildschirmanzeige54 befindet. Das Vorhandensein des Fingers56 in der Nähe des Positionssensors22 beeinflusst die Kapazität jeder der Zeilen und Spalten von Erfassungselektroden unterschiedlich in Abhängigkeit von der Position des Fingers innerhalb des Erfassungsbereichs. Die Verarbeitungsschaltung44 ist in der Lage, die Position der Berührung aus den Signalen, die von den jeweiligen Kapazitätsmesskanälen geliefert werden, zu bestimmen. - Die
5A und5B sind Diagramme, die in schematischer Weise die Signale zeigen, die von den Kapazitätsmesskanälen42 für den Positionssensor22 erzeugt werden, wenn der Finger56 in der in4 gezeigten Position ist.5A zeigt die Signale Cx von jeweiligen Spalten der Spalten-Erfassungselektroden (x1 bis x4). Die vertikalen, gepunkteten Linien stellen in schematischer Weise Grenzen jeder der Spalten dar. Die5B zeigt die Signale Cy von jeweiligen Zeilen der Zeilen-Erfassungselektroden (y1 bis y5), wobei die vertikalen, gepunkteten Linien Grenzen jeder der Zeilen darstellen. Die von den Kapazitätsmesskanälen bereitgestellten Signale wurden gemäß konventionellen Techniken verarbeitet, beispielsweise wurden je nach Wunsch eine Hintergrundkapazitäts-Entfernung, eine Berührungs-Schwellwertdetektion, eine Normierung und eine Filterung durchgeführt. - Aus
5A ist ersichtlich, dass das Vorhandensein des Fingers56 für die Spalte x2 die größte Erhöhung der kapazitiven Kopplung gegenüber der Systemerde verursacht (d.h. die Spalte x2 zeigt den größten Signalwert). Dies bedeutet, dass der Punkt P, der der Interpolation oder dem Schwerpunkt der durch den Finger56 angelegten kapazitiven Last entspricht, innerhalb der Spalte x2 liegt. Ferner ist die kapazitive Kopplung gegenüber der Systemerde für die Spalte x3 größer als für die Spalte x1. Dies bedeutet, dass sich der Punkt P näher an der Spalte x3 als an x1 befindet. Die Bestimmung der Position des Punktes P entlang der x-Richtung wird daher dadurch vorgenommen, dass die Signale von verschiedenen Spalten der Spalten-Erfassungselektroden verglichen werden, und insbesondere dadurch, dass die Interpolation oder der Schwerpunkt der Signalwerte bestimmt wird. Dies kann unter Verwendung konventioneller Verarbeitungstechniken erfolgen. In diesem Fall wird die Interpolation oder der Schwerpunkt der in5A dargestellten Verteilung der Signale bei der Position Xp bestimmt. Unter der Annahme, dass die Spalten eine Einheitsbreite aufweisen und die linke Grenze der Spalte x1 bei x = 0 liegt, liegt der Punkt P an einer Position entlang der x-Richtung von etwa x = 1,8 Einheiten, wie dies in5A durch einen Pfeil dargestellt ist. Eine ähnliche Analyse oder Berechnung wird für die Signale von den Zeilen der Zeilen-Erfassungselektroden durchgeführt. Unter der Annahme, dass die Zeilen von einer Einheitsbreite sind und die oberste Grenze der Zeile y1 y = 0 ist, liegt der Punkt P an einer Position Yp entlang der y-Richtung bei etwa y = 2,8 Einheiten, wie dies wiederum durch einen Pfeil dargestellt ist. Die Position des Fingers P wird daher auf (x, y) = (1,8, 2,8) bestimmt. Es wird darauf hingewiesen, dass die inhärente Interpolation, die durch die unterschiedlichen kapazitiven Kopplungen des Fingers zu benachbarten Spalten/Zeilen bewirkt wird, bedeutet, dass der Schwerpunkt oder die Interpolation der durch den Finger angelegten kapazitiven Last (d.h. die erachtete Berührungsposition) mit einer Auflösung bestimmt werden kann, die besser als die charakteristische Größe der Erfassungszellen ist. - Die von Positionssensoren nach einigen Ausführungsformen der Erfindung mitgeteilte XY-Position kann in Abhängigkeit von der Größe, der Lage und der Form der Zellen verzerrt oder verfälscht sein. Dies hat in der praktischen Verwendung für eine Menütastenbenutzung oder andere Eingabeformen jedoch kaum irgendeine Netto-Wirkung, da die mitgeteilte Position beispielsweise über eine Nachschlagetabelle ohne weiteres korrigiert werden kann oder die Koordinaten der Menütasten für eine Verfälschung lediglich kompensiert werden können. Die durch die Zellengröße bewirkte XY-Verfälschung wiederholt sich von einer Einheit zu der nächsten Einheit, da sie ein physikalisches Phänomen ist, das mit dem Muster selbst verbunden ist.
-
9 zeigt beispielsweise ein Tastenfeld oder einen Berührungsbildschirm des Typs der3 mit einem 5 × 4 Array von Erfassungszellen28 , wobei eine Diagonallinie91 von links oben nach rechts unten über die Oberfläche gezogen ist. Die tatsächlich mitgeteilte Position kann stattdessen diejenige sein, die durch die durchgezogene Linie93 dargestellt ist. Die mitgeteilte Linie93 kann bezüglich X und Y ohne weiteres durch Verwendung eines Korrekturalgorithmus oder einer Nachschlagetabelle korrigiert werden, sodass die schlussendlich mitgeteilte Position so korrigiert ist, dass sie genau entlang der Linie91 liegt. In alternativer Weise können Tasten, die in dem empfindlichen Bereich des Positionssensors22 abgebildet werden, invers verzerrt oder verfälscht werden, um, wie in10 gezeigt, die mitgeteilte Verfälschung bzw. Verzerrung zu kompensieren. Hier werden die physikalisch gewünschten Tastenumrisse101 und102 in mitgeteilte Formen103 und104 verzerrt bzw. verfälscht. Statt zu versuchen, die mitgeteilten X-Y-Daten zu korrigieren, können die Tastenumrisse zum Zwecke der Tastenerkennung wie gezeigt in dieselben mitgeteilten Umrissformen103 und104 verzerrt bzw. verfälscht werden. Wenn dies durchgeführt wird, sind die mitgeteilten Tasten identisch zu den gewünschten Formen101 und102 . -
6 zeigt in schematischer Weise eine Draufsicht auf die Bildschirmanzeige54 des in4 dargestellten Geräts, die ein Befehlsmenü anzeigt. Das einem Benutzer angezeigte Befehlsmenü enthält eine Reihe von Kastenumrissen, in welchen die Zahlen 0 bis 9 dargestellt sind, einen Kastenumriss, der das Wort "ENTER" enthält und einen Kastenumriss eines Kastens, der teilweise mit einer Schattierung gefüllt ist und benachbart mit Abstufungen versehen ist, die den Inhalt oder die Lautstärke von gespielter Musik als ein Bruchteil des maximalen Inhalts bzw. der maximalen Lautstärke zeigen. Auf der Bildanzeige54 ist darüber hinaus ein durch eine punktierte Linie begrenzter Bereich dargestellt, der einige früher eingegebene Befehle zeigt. Das Muster der dem über der Bildschirmanzeige angeordneten Positionssensor zugeordneten Erfassungselektroden ist auch in6 dargestellt, obgleich darauf hingewiesen wird, dass der Positionssensor transparent ist und in der Praxis nicht erkennbar sein würde. Da die Erfassungsschicht und die zugeordnete Elektronik in der Lage sind, einen X-Y-Ort mitzuteilen, ist die Position der Tasten bzw. Knöpfe beliebig, so wie das bei jedem analogen Bildschirm-Eingabegerät der Fall sein würde. Daher kann jedes bekannte Schnittstellenschema über der Fläche des Bildschirms eingesetzt werden, wie beispielsweise Menütasten, Schieber, Räder, Gestenerkennung, Buchstabenerkennung und dergleichen. Ferner müssen diese Schemata nicht mit den Zellen ausgerichtet sein und können in beliebiger Weise über der Oberfläche angeordnet sein. -
7 zeigt in schematischer Weise in Draufsicht einen zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor72 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Dieser Positionssensor weist wiederum fünf Zeilen von Erfassungszellen (bezeichnet mit y1 bis y5) auf, hat jedoch lediglich drei Spalten von Erfassungszellen (bezeichnet mit x1 bis x3). Die Spalte x2 bildet ein durchgängiges Grat (Rückgrat)73 in dem Sensorbereich, und es sind Verbindungen38 (ähnlich der in3 gezeigten entsprechend nummerierten Verbindung) gezeigt, die die Zeilen außerhalb des Erfassungsbereichs miteinander verbinden, und Verbindungen40 ,41 (die ähnlich der in3 gezeigten entsprechend nummerierten Verbindungen sind) machen die äußeren Spalten außerhalb des Erfassungsbereichs durchgängig. Dieser Positionssensor weist insgesamt fünfzehn Erfassungszellen auf. Dies bedeutet, dass er im Allgemeinen eine geringere Positionsauflösung entlang der x-Richtung hat als der in3 gezeigte Positionssensor22 , falls er einen Erfassungsbereich derselben Größe wie dieser Sensor hat. In alternativer Weise kann er dieselbe (oder eine bessere) Positionsauflösung haben, sofern er einen kleineren Erfassungsbereich als der in3 dargestellte Sensor aufweist. Der Betrieb des in7 gezeigten Positionssensors ist ansonsten ähnlich dem Positionssensor22 der3 und ist aus diesem verständlich. -
8 zeigt in schematischer Weise in Draufsicht einen zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor82 gemäß einer wei teren Ausführungsform der Erfindung. Dieser Positionssensor weist fünf Zeilen und drei Spalten von Erfassungszellen auf. Eine erste84 und eine zweite86 Erfassungszelle sind durch punktierte Umrisse identifiziert. In diesem Beispiel verlaufen die Zeilen- und Spalten-Erfassungselektroden jeder Erfassungszelle nicht spiralförmig umeinander herum. In den Erfassungszellen in Spalte x2 (beispielsweise der Erfassungszelle84 ) verlaufen die Spalten-Erfassungselektroden durchgängig als ein Grat (Rückgrat) durch die Erfassungszelle, während die Zeilen-Erfassungselektroden zwei leitende Bereiche an jeder Seite der Spalten-Erfassungselektrode aufweisen. In Erfassungszellen in Spalten an dem Rand des Erfassungsbereichs (d.h. Spalten x1 und x3, beispielsweise Erfassungszelle86 ) verläuft die Zeilen-Erfassungselektrode durchgängig durch die Erfassungszelle, wobei die Spalten-Erfassungselektrode zwei leitende Bereiche an jeder Seite der Zeilen-Erfassungselektrode aufweist. Der Betrieb des in8 gezeigten Positionssensors82 ist ansonsten ähnlich zu dem der Positionssensoren22 ,72 der3 und7 und kann aus diesen verstanden werden. Es versteht sich, dass die Erfassungszellen der8 auch als verschachtelt betrachtet werden können, wenngleich nur in einer minimalen Art und Weise. Dies zeigt, dass weitere Grundformen, die anders als Rauten oder verschachtelte Spuren sind, ebenfalls möglich sind. Der wichtige Aspekt besteht darin, dass in einer Zelle ein Abschnitt einer Zeilen-Elektrode und ein Abschnitt einer Spalten-Elektrode vorhanden ist. - Die Größe des Erfassungsbereichs in einem gegebenen Positionssensor hängt von seiner Implementierung ab. In einem in der Hand gehaltenen Mobilgerät der in
4 gezeigten Art kann ein Erfassungsbereich in der Größenordnung von 4 cm (x-Richtung) zu 5 cm (y-Richtung) geeignet sein. Dies würde Erfassungszellen in der Größenordnung von 1 cm2 bewirken. Dies ist vergleichbar mit der typischen Größe einer Fingerspitze und kann so sicherstellen, dass eine gute kapazitive Kopplung sowohl zu den Zeilen- als auch zu den Spalten-Erfassungs elektroden innerhalb jeder Zelle besteht, wenn diese verwendet wird, um die Position eines Benutzerfingers zu erfassen. Größere oder kleinere Erfassungsbereiche können genauso gut eingesetzt werden. Es besteht auch keine Notwendigkeit, dass die Spalten und Zeilen dieselben Breiten aufweisen, obgleich unterschiedliche Breiten bedeuten würden, dass die Positionsauflösung für die zwei Richtungen unterschiedlich sein könnte. - Darüber hinaus gibt es keine Grenze für die Anzahl der Zeilen, die verwendet werden können, während weiterhin ein Erfassungsbereich mit einer einzelnen Schicht von Erfassungselektroden innerhalb des Erfassungsbereichs (d.h. Erfassungselektroden auf nur einer Seite des Substrats) vorgesehen sind. Die in den
3 ,7 und8 dargestellten Muster können einfach in y wiederholt werden, wobei entsprechende zusätzliche Kapazitätsmesskanäle für die zusätzlichen Zeilen der Zeilen-Erfassungselektroden bereitgestellt werden. Es ist jedoch nicht möglich, sowohl mehr als vier Zeilen als auch mehr als vier Spalten für einen Positionssensor mit Erfassungselektroden auf nur einer Seite des Substrats zu haben. - Es versteht sich auch, dass es für den Positionssensor nicht erforderlich ist, ein durchgängiges Grat bzw. Rückgrat innerhalb des Erfassungsbereichs zu haben, um eine Verbindung zwischen Spalten-Erfassungselektroden in Spalten zu schaffen, die nicht an einem Rand des Erfassungsbereichs liegen. Beispielsweise könnten die den Spalten x2 und x3 in
3 zugeordneten Grate bzw. Rückgrate an einem Punkt entlang ihrer Länge unterbrochen sein, wobei Verbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs zwischen den jeweiligen Gruppen von Spalten-Erfassungselektroden oberhalb und unterhalb der Unterbrechung vorgesehen wären. Beispielsweise könnten die Grate bzw. Rückgrate zwischen den Zeilen y2 und y3 so unterbrochen sein, dass die Zeilen-Erfassungselektroden in den Spalten x1 und x2 dieser Zeilen mit den Zeilen-Erfassungselektroden in den Spalten x3 und x4 durch Verbindungen verbunden werden können, die innerhalb des Erfassungsbereichs durch die Unterbrechung in den Graten bzw. Rückgraten hergestellt werden. Es würde dann keine Notwendigkeit für Verbindungen bestehen, die außerhalb des Erfassungsbereichs für diese Zeilen vorgesehen werden, obgleich Verbindungen außerhalb des Erfassungsbereichs für die Spalten x2 und x3 erforderlich wären. - Es versteht sich, dass Positionssensoren, die die Erfindung verkörpern, eine Vielzahl zusätzlicher Merkmale beinhalten können. Beispielsweise kann es in manchen Anwendungen wünschenswert sein, eine "Aufwach"-Funktion zu haben, wobei das gesamte Gerät "schläft" oder sich in einem Ruhe- oder Hintergrundzustand befindet. In diesem Fällen ist es oft wünschenswert, ein Aufwachsignal durch die bloße Nähe eines eine gewisse Distanz entfernten menschlichen Körperteils zu erhalten. Das Element kann als eine einzelne große kapazitive Elektrode ohne Beachtung der Orts-Position betrieben werden, während die Einheit in dem Hintergrundzustand ist. Während dieses Zustands sucht die elektronische Treiberlogik nach einer sehr kleinen Signaländerung, die nicht notwendigerweise ausreichend ist, um als eine 2D-Koordinate verarbeitet zu werden, die jedoch ausreicht, um festzustellen, dass ein Objekt oder ein Mensch in der Nähe ist. Die Elektronik "weckt" dann das Gesamtsystem und das Element wird dann so betrieben, dass es wieder ein richtiger Positionssensor wird.
- Schließlich wird darauf hingewiesen, dass, obgleich der Begriff "Berührung" häufig in der vorstehenden Beschreibung benutzt wird, ein Positionssensor der vorstehend beschriebenen Art ausreichend empfindlich sein kann, dass er in der Lage ist, den Ort eines benachbarten Fingers (oder eines anderen Objektes, wie beispielsweise eines Stiftes) zu bemerken, ohne dass ein physikalischer Kontakt benötigt wird. Der hier verwendete Begriff "Berührung" sollte daher dementsprechend ausgelegt werden.
- LITERATUR
-
- [1]
US 5,844,506 (Binstead) - [2]
US 4,954, 823 (Binstead) - [3]
Us 5,463,388 (AT&T IPM Corp.) - [4]
US 5,730,165 (Philipp) - [5]
US 6,466,036 (Philipp)
Claims (27)
- Kapazitiver Positionssensor (
22 ,72 ,82 ) zum Bestimmen der Position eines Objektes in einem Erfassungsbereich, wobei der Sensor ein Substrat (24 ) mit einer Oberfläche mit einer darauf angebrachten Anordnung von Elektroden (26 ) umfasst, wobei die Elektroden ein Array von in Spalten und Zeilen angeordneten Erfassungszellen (28 ) zum Bilden des Erfassungsbereichs definieren, jede Erfassungszelle eine Spalten-Erfassungselektrode (32 ) und eine Zeilen-Erfassungselektrode (30 ) enthält, die Spalten-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Spalte elektrisch miteinander gekoppelt sind und die Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Zeile elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen an gegenüberliegenden Enden von wenigstens einer der Zeilen elektrisch durch jeweilige Zeilen-Umgriffverbindungen (38 ), die außerhalb des Erfassungsbereichs vorhanden sind, miteinander gekoppelt sind. - Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Zeilen-Umgriffverbindungen eine auf dem Substrat abgelagerte leitende Spur umfassen.
- Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Zeilen-Umgriffverbindungen freie Drähte umfassen, die mit den jeweiligen Zeilen-Erfassungselektroden verbunden sind.
- Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spalten-Erfassungselektroden einer Spalte von Erfassungszellen an einem Rand des Erfassungsbereichs elektrisch miteinander durch Spalten-Umgriffverbindungen (
40 ,41 ), die außerhalb des Erfassungsbereichs vorhanden sind, verbunden sind. - Positionssensor nach Anspruch 4, wobei die Spalten-Umgriffverbindungen auf dem Substrat abgelagerte leitende Spuren umfassen.
- Positionssensor nach Anspruch 4, wobei die Spalten-Umgriffverbindungen freie Drähte umfassen, die mit den jeweiligen Spalten-Erfassungselektroden verbunden sind.
- Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Mehrzahl von Kapazitätsmesskanälen (
42 ) umfasst, die mit jeweiligen einzelnen Zeilen und Spalten von Erfassungselektroden verbunden sind, wobei jeder Messkanal ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, das eine Kapazität zwischen der ihm zugeordneten Spalte oder Zeile der Erfassungselektroden und einer Systemerde angibt. - Positionssensor nach Anspruch 7, der ferner einen Prozessor (
44 ) umfasst, der ausgelegt ist, die Position des Objektes in dem Erfassungsbereich entlang einer ersten Richtung durch Vergleich von Signalen von unterschiedlichen Spalten miteinander und entlang einer zweiten Richtung durch Vergleich von Signalen von unterschiedlichen Zeilen miteinander zu bestimmen. - Positionssensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kapazitätsmesskanäle einen Ladungsübertragungs-Schaltkreis aufweisen.
- Positionssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kapazitätsmesskanäle ausgelegt sind, eine Mehrzahl von Erfassungselektroden im Wesentlichen phasensynchron miteinander zu betreiben.
- Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Erfassungszellen in drei Spalten angeordnet sind.
- Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Erfassungszellen in vier Spalten angeordnet sind.
- Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spalten-Erfassungselektrode und die Zeilen-Erfassungselektrode in jeder Erfassungszelle miteinander verschachtelt sind.
- Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus einem transparenten Material gebildet ist.
- Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden aus einem transparenten elektrisch leitfähigen Material gebildet sind.
- Positionssensor nach Anspruch 15, wobei das transparente elektrisch leitfähige Material ein auf dem Substrat abgelagerter Film aus Indium-Zinnoxid (ITO) ist.
- Positionssensor nach Anspruch 15 oder 16, der ferner eine grafische Bildanzeige (
54 ) umfasst, wobei die Elektroden in dem Erfassungsbereich über der grafischen Bildanzeige angeordnet sind, um einen Berührungsbildschirm bereitzustellen. - Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein isolierendes Feld aufweist, wobei die Elektroden in dem Erfassungsbereich unterhalb des isolierenden Feldes angeordnet sind, um ein Tastenfeld bereitzustellen.
- Gerät (
50 ), das den Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. - Verfahren zum Aufbau einer auf einem Substrat (
24 ) angeordneten kapazitiven Erfassungsoberfläche, die eine X-Y-Koordinatenposition eines Objektes innerhalb eines aktiven Erfassungsbereichs mitteilt, wenn das Objekt sich benachbart der Oberfläche befindet, das die Schritte umfasst: (a) Ablagern einer einzelnen Schicht eines gemusterten leitenden Materials in dem aktiven Erfassungsbereich, wobei das Muster Zeilen und Spalten von Elektroden (26 ) umfasst, die mit einzelnen kapazitiven Erfassungskanälen (42 ) verbunden sind, und wobei zumindest eine Zeile oder Spalte in eine Mehrzahl von Segmenten innerhalb des aktiven Bereichs aufgebrochen ist; (b) Verbinden der aufgebrochenen Segmente miteinander mit einem elektrischen Leiter (38 ,40 ,41 ), wobei vorgesehen ist, dass der Leiter außerhalb des aktiven Erfassungsbereichs liegt; (c) Verbinden der Zeilen und Spalten mit einzelnen Erfassungskanälen eines Mehrkanal-Kapazitätssensor-Schaltkreises mit mehreren Ausgängen, die Amplituden der Kapazität an den Zeilen und Spalten repräsentieren; und (d) Bereitstellen eines Prozessors (44 ), der ausgelegt ist, die mehreren Ausgänge zu verarbeiten, um eine Koordinatenposition des benachbarten Objektes als ein X-Y-Ort zu bestimmen. - Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Prozessor ausgelegt ist, eine Positionsverfälschung, die durch die physikalische Geometrie des gemusterten leitenden Materials bewirkt wird, zu kompensieren.
- Verfahren nach den Ansprüchen 20 bis 21, wobei der Prozessor ausgelegt ist, einen Schwerpunkt der Signale über den Zeilen und einen Schwerpunkt der Signale über den Spalten zu berechnen.
- Verfahren nach den Ansprüchen 20 oder 21, wobei der Prozessor ausgelegt ist, eine Interpolation der Signale über Zeilen und eine Interpolation der Signale über Spalten zu berechnen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die kapazitiven Erfassungskanäle Treibersignale einsetzen, die im Wesentlichen phasensynchron zueinander sind.
- Kapazitiver Positionssensor (
22 ,72 ,82 ) zum Bestimmen der Position eines Objektes in einem Erfassungsbereich, wobei der Sensor ein Substrat (24 ) mit einer Oberfläche mit einer darauf angebrachten Anordnung von leitenden Elektroden (26 ) umfasst, wobei die Elektroden ein Array von zur Bildung des Erfassungsbereichs in Spalten und Zeilen angeordneten Erfassungszellen (28 ) definieren, jede Erfassungszelle eine Spalten-Erfassungselektrode (32 ) und eine Zeilen-Erfassungselektrode (30 ) enthält, die Spalten-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Spalte elektrisch miteinander gekoppelt sind und die Zeilen-Erfassungselektroden von Erfassungszellen in derselben Zeile elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei zumindest eine Spalten-Erfassungselektrode ein durchgängiges Rückgrat (73 ) innerhalb des Erfassungsbereichs umfasst, und zumindest eine andere Spalten-Erfassungselektrode über Verbindungen (40 ,41 ) außerhalb des Erfassungsbereichs elektrisch durchgängig ausgebildet ist. - Positionssensor nach Anspruch 25, wobei die leitenden Elektroden transparent sind und der ferner eine grafische Bildanzeige (
54 ) umfasst, wobei die leitenden Elektroden in dem Erfassungsbereich über der grafischen Bildanzeige angeordnet sind, um einen Berührungsbildschirm bereitzustellen. - Positionssensor nach Anspruch 25 oder 26, der ferner ein isolierendes Feld umfasst, wobei die leitenden Elektroden in dem Erfassungsbereich unterhalb des isolierenden Feldes angeordnet sind, um eine Tastenfeld bereitzustellen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PHILIPP, HARALD, DROGHEDA, IE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: QRG LTD., EASTLEIGH, HAMPSHIRE, GB |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRUENECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & SCHWANHAEUS, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ATMEL CORP., SAN JOSE, US Free format text: FORMER OWNER: QRG LTD., EASTLEIGH, HAMPSHIRE, GB Effective date: 20130130 Owner name: ATMEL CORP., US Free format text: FORMER OWNER: QRG LTD., EASTLEIGH, GB Effective date: 20130130 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRUENECKER PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTG MB, DE Effective date: 20130130 Representative=s name: GRUENECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & SCHWANHAEUS, DE Effective date: 20130130 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: NEODRON LTD., IE Free format text: FORMER OWNER: ATMEL CORP., SAN JOSE, CALIF., US |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE P, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE P, DE |
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Ref document number: 102006063082 Country of ref document: DE |
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R003 | Refusal decision now final |