DE102007021029B4

DE102007021029B4 - Stiftloser zweidimensionaler kapazitiver wandler

Info

Publication number: DE102007021029B4
Application number: DE102007021029.0A
Authority: DE
Inventors: Harald Philipp
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2027-05-05
Also published as: KR20070108077A; JP2007299409A; GB0708359D0; US20100271330A1; US20070257894A1; US9430104B2; GB2437827B; DE102007021029A1; US20140152919A1; DE202007006407U1; US8648819B2; GB2437827A; TW200805128A

Abstract

Ein stiftloser zweidimensionaler kapazitiver Wandler (100) zum Nachweis von Berührung (125; 320) oder Nähe (325), umfassend: einen ersten Elektrodensatz (102), bestehend aus einer Vielzahl von Elektroden (102a–e), die in einer parallelen Anordnung entlang einer ersten Achse (y) angeordnet sind, wobei die Elektroden (102a–e) miteinander über einen widerstandsbehafteten Pfad (105) verbunden sind, und mit einer ersten Verbindung (107) auf einer ersten (102e) besagter Elektroden (102a–e) und einer zweiten Verbindung (108) auf einer zweiten (102a) besagter Elektroden (102a–e); einen zweiten Elektrodensatz (103), bestehend aus einer Vielzahl von Gradientenfeld erzeugenden geformten Elektroden (103a–d), die in einer parallelen Anordnung entlang der ersten Achse (y) angeordnet sind und jede sich entlang einer zweiten Achse (x) quer zu der ersten Achse (y) erstreckt, wobei die Elektroden (103a–d) des zweiten Elektrodensatzes (103) galvanisch miteinander verbunden sind und eine einzelne Verbindung (111) haben; einen dritten Elektrodensatz (104), bestehend aus einer Vielzahl von Gradientenfeld erzeugenden geformten Elektroden (104a–d), die in einer parallelen Anordnung entlang der ersten Achse (y) angeordnet sind und jede sich entlang der zweiten Achse (x) erstreckt, wobei die Elektroden (104a–d) des dritten Elektrodensatzes (104) galvanisch miteinander verbunden sind und eine einzelne Verbindung (112) haben; wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) des zweiten und dritten Elektrodensatzes (103; 104) in sich gemeinsam erstreckenden Paaren (103/104a–d) zur Bereitstellung verhältnisgestützter kapazitiver Signale angeordnet sind, wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) des zweiten und dritten Elektrodensatzes (103; 104) geformt und bemessen sind, um entsprechende kapazitive Signale bereitzustellen, die es ermöglichen, einen Berührungsort entlang der zweiten Achse (x) durch verhältnisgestützte Auswertung der entsprechenden kapazitiven Signale aufzulösen, und ...

Description

Die Erfindung betrifft zweidimensionale Wandler, die von einem menschlichen Finger oder einem Stift bedient werden können. Beispielgeräte beinhalten Berührungsbildschirme und Berührungsfelder, insbesondere die über LCDs, CRTs und anderen Arten von Anzeigen, oder Stifteingabetafeln, oder Impulsgeber, die in Maschinenanlagen zu Zwecken der Rückkopplungssteuerung verwendet werden. Insbesondere betrifft diese Erfindung stiftlose zweidimensionale kapazitive Wandler, die derart aufgebaut sind, dass die Erfassungsschicht auf der Rückseite eines Bedienfeldes oder einer Linsenoberfläche angeordnet ist, insbesondere zur Verwendung in kleineren Berührungsbildschirmen, wo eine Platzbeschränkung entlang der Ränder des Bildschirms auftritt, zum Beispiel in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen oder tragbaren Medienwiedergabegeräten. Zusätzlich befasst sich die Erfindung mit dem Erfordernis der Verringerung der Auswirkungen von kapazitivem „Handschatten”.
In der US-Anmeldung 10/916,759 (veröffentlicht als US 2005/0041018 A ) gibt es ein Muster galvanisch gekoppelter Leiter, die anisotrope galvanische Eigenschaften im Erfassungsbereich aufweisen, bedingt durch die Verwendung leitfähiger Streifen, die Stromflüsse in mehr als eine Richtung verhindern, oder möglicherweise durch die Verwendung eines besonderen ungemusterten anisotropen leitfähigen Materials. Zumindest vier Verbindungen werden hergestellt, eine an jeder der Ecken der Erfassungsschicht mit einer kapazitiven Erfassungsschaltung, die die mit einer Fingerberührung verbundenen Signale nachweist. Ein Prozessor berechnet mathematisch den Ort des Schwerpunktes der Berührung innerhalb der Fläche mittels verhältnisgestützter Verfahren. Eine einfache quadratische Gleichung oder andere Verfahren korrigieren die Kissenverzerrung, die auf nur zwei Seiten des Erfassungsbereiches auftritt.
In den US-Anmeldungen 60/745,583 und 11/734,813 ist ein gemischtes Muster von Elektroden beschrieben, die galvanisch entlang einer ersten Achse verbunden sind und galvanisch entlang einer zweiten Achse isoliert sind, und die eine widerstandsbasierte Feldverteilung auf der einen Achse und eine kapazitätsbasierte Feldverteilung auf der zweiten Achse haben. Es gibt eine Vielzahl von Verbindungen mit einem widerstandsbehafteten leitfähigen Pfad zwischen ihnen auf jeder der zwei Seiten der Berührungsfläche, bei einer Gesamtzahl von mindestens vier Erfassungsschaltungsverbindungen mit dem Gerät. Eine Verbesserung umfasst die Verwendung von mehr als zwei Verbindungen entlang jedes widerstandsbehafteten Pfades, um die Auswirkungen von kapazitiven Handschatten zu verringern und die örtliche Auflösung entlang der Achse der widerstandsbehafteten Elemente zu verbessern. Es gibt keine inhärente Verzerrung im elektrischen Ansprechverhalten der Erfassungsfläche, die mathematische Berichtigung benötigen würde. Eine erste verhältnisgestützte Berechnung wird zur Ortsberechnung auf einer Achse und eine zweite verhältnisgestützte Berechnung zur Ableitung des Berührungsortes auf der zweiten Achse verwendet.
Der Begriff „zweidimensionaler kapazitiver Wandler” oder „2DCT” wird fortan verwendet werden, um sich auf Berührungsbildschirme, berührungserfassende Felder, näherungserfassende Flächen, Berührungsbildschirme zur Anzeigenüberlagerung über LCD-, Plasma- oder CRT-Bildschirmen oder ähnlichem, Ortserfassung für mechanische Geräte oder Rückkopplungssysteme, oder andere Arten von Steueroberflächen ohne Beschränkung zu beziehen, die eine Oberfläche oder einen Rauminhalt aufweisen, die/der in der Lage ist, zumindest eine zweidimensionale Koordinate, kartesische oder andere, die sich auf die Lage eines Objektes oder eines menschlichen Körperteils bezieht, über einen Kapazitätserfassungsmechanismus zu melden.
Der Begriff „zweidimensionaler widerstandsbehafteter Wandler” oder „2DRT” bezieht sich auf Berührungsbildschirme oder Stifteingabegeräte, die auf rein galvanischen Gesetzmäßigkeiten beruhen und in der Industrie allgemein als „widerstandsbehaftete Berührungsbildschirme” bekannt sind. Der Begriff „2DxT” bezieht sich auf Elemente entweder der Art 2DCT oder 2DRT.
Der Begriff „Berührung” bedeutet fortan Berührung oder Nähe eines menschlichen Körperteils oder mechanischen Bauteils ausreichender kapazitiver Signalstärke, um eine gewünschte Ausgabe zu erzeugen. Im Sinne von „Nähe” kann Berührung auch bedeuten, auf einen 2DCT zu „zeigen”, ohne physischen Kontakt herzustellen, wobei der 2DCT auf die Kapazität durch die Nähe des Objektes ausreichend anspricht, um mit einer gewünschten Wirkung zu reagieren.
Wenn es nicht anders vermerkt wird, bezieht sich der Begriff „Elektrode” auf eine kapazitive feldausstrahlende Erfassungsstruktur oder -element innerhalb des aktiven Bereiches der Erfassungsoberfläche. Der Begriff „Verbindung” bezieht sich auf galvanischen Kontakt zwischen den Erfassungselektroden und den Erfassungsschaltkreisen. Die Begriffe „Objekt” und „Finger” werden gleichbedeutend mit Bezug auf entweder ein unbelebtes Objekt wie einen Wischer oder Zeiger oder Stift, oder alternativ einen menschlichen Finger oder einen anderen Fortsatz verwendet, deren aller Gegenwart in der Nachbarschaft des Elementes eine ortsgebundene kapazitive Kopplung von einem Bereich des Elementes zurück zu einem Schaltungsbezugspunkt über irgendeinen weitschweifigen Pfad erzeugen wird, sei es galvanisch oder nicht-galvanisch. „Dielektrikum” bedeutet jedes hauptsächlich nichtleitfähige Material wie Kunststoff, Glas, Minerale, Holz oder andere Substanzen, insbesondere im Bezug auf eine Schicht, die zwischen den Elektroden und dem Objekt eingefügt ist, wie eine Abdeckplatte oder ein Film oder eine Linse. Der Begriff „Berührung” bedeutet irgendeine kapazitive oder galvanische Kopplung zwischen einem Objekt und den Elektroden und beinhaltet entweder unmittelbaren physischen Kontakt zwischen einem Objekt und den Erfassungselektroden, oder physischen Kontakt zwischen einem Objekt und einem Dielektrikum, das sich zwischen Objekt und den Erfassungselektroden befindet, oder berührungslose Kopplung mit den Erfassungselektroden, die eine dazwischentretende Schicht eines Dielektrikums zwischen dem Objekt und den Elektroden beinhalten kann oder nicht. Die Erwähnung bestimmter Schaltungskenngrößen oder der Ausrichtung soll nicht als einschränkend für die Erfindung aufgefasst werden, da eine breite Auswahl an Kenngrößen möglich ist, die keine oder geringfügige Änderungen an den Schaltkreisen oder Algorithmen verwenden; bestimmte Kenngrößen und Ausrichtung werden nur zu erklärenden Zwecken verwendet,
Viele Arten von 2DCTs sind bekannt dafür, unter einer geometrischen Verzerrung zu leiden, die als „Kissen” bekannt ist, wonach die gemeldete Berührungskoordinate wegen elektrischer Einflüsse auf der Erfassungsoberfläche fehlerhaft ist. Diese Einflüsse werden in eingehenderer Tiefe in verschiedenen anderen Patenten wie zum Beispiel in US 4,198,539 beschrieben. Eine hervorragende Zusammenfassung der bekannten Ursachen, Lösungen und Probleme der Lösungen für geometrische Verzerrung kann in einer Lektüre von Babb et al. in US 5,94 0,065 und US 6,506,983 gefunden werden. US 5,940,065 beschreibt kurz und bündig die zwei Hauptklassen der Berichtigung: 1) elektromechanische Verfahren, die mit Entwurf oder Änderung der Erfassungselektrode(n) oder ihrer Verbindungen verknüpft sind; 2) die Verwendung mathematischer Formeln, um die Verzerrung zu berichtigen.
Es gibt Berührungsbildschirmentwürfe, die gemusterte Erfassungselektroden verwenden, um die Verzerrung auf Kosten der Komplexität des Erfassungselementes und der Treiberelektronik zu unterdrücken. Ein Beispiel ist OS 5,844,506, die feine Drahtelektroden in einer x-y-Anordnung offenbart. Ein anderes ist US 5,650,597 , die eine Anordnung von einseitig gerichteten Schienen mit gebündelten Verbindungen offenbart. US 6,297,811 beschreibt die Verwendung von dreieckigen Umrissformen, jede mit einem individuellen Erfassungskanal verbunden. US 4,550,221 ist ein Beispiel eines Matrixansatzes, wo x- und y-gerichtete Elektroden sich kreuzen müssen und dabei das Elektrodenmuster zwingen, zwei oder mehr Lagen zu belegen, was erhebliche Mehrkosten verursacht und im Falle von LCD-Berührungsbildschirmen die Durchsichtigkeit verringert. Die US-Anmeldung 60/697,613 (veröffentlicht als GB 2428306 ) beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Musterung von Elektroden, das Kreuzungen im Erfassungsbereich mit geringer oder keiner Verzerrung vermeidet, aber dieses Verfahren erfordert noch eine verhältnismäßig große Zahl an Verbindungen. Diese Verfahren können alle gute Auflösung bereitstellen, erfordern aber eine große Zahl an Verbindungen und sind daher teuer umzusetzen. Eine hohe Verbindungszahl beschränkt auch die Nützlichkeit in kleineren Berührungsbildschirmen, wo wenig Platz um die Erfassungsfläche herum ist, der große Zahlen von Drahtbahnen zu den Verbindungen erlaubt.
2DCT-Geräte, die Matrixansätze oder Elektroden-zu-Elektroden-Kopplungsansätze verwenden wie US 4,198,539 oder US 5,650,597 , haben auch eine beschränkte Eignung, Felder durch dicke Materialien hindurch zu projizieren, oder ihre Felder geringfügig in den leeren Raum zu projizieren, um einen „Zeigebildschirm” zu erzeugen. Im Falle von US 4,198,539 sind die einzelnen Elektroden sehr schmal und haben dadurch bedingt einen begrenzten Oberflächeninhalt, der wesentlich ist, um ein Feld durch ein dickeres Dielektrikum zu projizieren; demzufolge sind solche Entwürfe typischerweise auf die Anwendung für Spurfelder (Trackpads) für Notebookcomputer und dergleichen beschränkt, mit einer dünnen Überschicht auf Elektroden. Im Falle von US 5,650,597 sind die Felder zwischen benachbarten Elektrodenstreifen eingeschlossen, was die Feldlinien auf einen kurzen Pfad beschränkt, so dass wenig Feld übrig bleibt, das aus dem Dielektrikum heraustritt. Solche Beschränkungen verringern die Berührungssignalstärke und verhindern den Gebrauch der Elektroden mit dicken dielektrischen Schichten.
2DCT-Geräte, die Elektroden verwenden, die auf den Widerstand der Elektroden angewiesen sind, wie die US-Anmeldung 10/916,759 (veröffentlicht als US 2005/0041018 A ) oder US 4,198,539 und US 5,650,597 , unterliegen Nichtlinearitäten oder Uneinheitlichkeiten von Einheit zu Einheit, die einen Eichvorgang zur Berichtigung erforderlich machen. Solch ein Eichvorgang erhöht die Kosten des Erfassungselementes und kann leicht mit der Zeit und Umwelteinflüssen wie Temperatur oder Feuchtigkeit oder Lichtaussetzung aus der Eichung fallen, was mit der Zeit den Widerstand der Elektroden ändern kann. Die Notwendigkeit der Nacheichung des Erfassungselementes ist ein gravierender kommerzieller Nachteil.
Es sollte bemerkt werden, dass die elektronischen Erfassungsschaltkreise und -verfahren, die in US 5,730,16 5 , US 6,288,707 , US 6,466,036 , US 6,535,200 , US 6,452,514 , US 10/697,133 (veröffentlicht als US 2004/104826 A1 und erteilt als US 7,148,704 ) und US 10/916,759 (veröffentlicht als US2005/0041018 A ) beschrieben sind, in Verbindung mit der hierin beschriebenen Erfindung verwendet werden können, aber diese Schaltungen und Verfahren sollen nicht als einschränkend aufgefasst werden. Eine Vielfalt von kapazitiven Erfassungsschaltungen und Auslegungslogik kann mit der Erfindung verwendet werden, um die Elektroden zu treiben und die erforderlichen Ausgaben hervorzubringen.
In der US-Anmeldung US 10/697,133 (veröffentlicht als US 2004/104826 A1 und erteilt als US 7,148,704 ) wird in Verbindung mit 12 ein Verfahren zur Verwendung individueller widerstandsbehafteter eindimensionaler Streifen beschrieben, um einen Berührungsbildschirm zu erzeugen. Diese Streifen können entweder parallel oder aufeinanderfolgend ausgelesen werden, da die Verbindungen zu diesen Streifen unabhängig voneinander sind. Außerdem wird darin in Verbindung mit 6 eine interpolierte Kopplung zwischen benachbarten Elementen und einem Objekt wie einem Finger beschrieben. US 10/697,133 (veröffentlicht als US 2004/104826 A1 und erteilt als US 7,148,704 ) wird durch Bezugnahme auf ihren Offenbarungsgehalt in dieser Schrift aufgenommen.
Die vorliegende Erfindung ist der 4 der US 6,288,707 ähnlich. In dieser Anordnung gibt es durchsetzte dreieckige Elektroden, die den Ort auf einer ersten Achse auflösen, und abgestufte Schienenelektroden, die den Ort auf einer zweiten Achse auflösen. In US 6,288,707 sind die Dreiecke in zwei entgegengesetzten Sätzen verdrahtet und mit einem Erfassungskanal pro Satz verbunden. Die rechteckigen Schienen sind ebenfalls in zwei Sätzen verdrahtet, wobei das Breitenverhältnis der Schienen mit einem Prozentsatz einer festgelegten Gesamthöhe entlang einer zweiten Achse variiert. Vier Verbindungen werden für diese Anordnung benötigt.
Die Verwendung dreiecksförmiger Elektroden zur Erzeugung von Feldgradienten ist seit einiger Zeit bekannt; zum Beispiel US 4,087,625 , das ein Stifteingabegerät ist, verwendet sich wiederholende Sätze dreieckiger Elektroden 14a, 14b zur Erzeugung kapazitiver Felder. Widerstandsteiler 27, 32 erzeugen einen Feldgradienten auf einer Achse, während die Dreiecke einen Gradienten auf einer zweiten Achse erzeugen. Diese Offenbarung lehrt nicht die Verwendung einer kapazitiven Erfassungsfunktion in der Elektrodenanordnung selbst, sondern hängt stattdessen von einem Stift zur Aufnahme der Felder ab. Dieses Gerät kann daher keine menschliche Berührung nachweisen.
US 4,659,874 offenbart ein Stifteingabegerät mit ähnlichen Dreiecksmustersätzen, deren Abmessung sich entlang einer Achse ändert. Die x-Dimension wird durch den Feldgradienten aufgelöst, der durch die dreieckigen Formen erzeugt wird, während die y-Dimension dadurch aufgelöst wird, dass die Basisbreite der Dreiecke entlang der y-Achse geändert wird. Die Erfindung erfordert den Gebrauch eines aktiven Stiftes zur Eingabe von Signalen in die Erfassungsanordnung und spricht nicht auf menschliche Berührung an. Ein Nachteil des Feldgradienten der y-Achse, der durch diesen Entwurf erzeugt wird, ist, dass die Verstärkung entlang der vertikalen Achse nicht ausreicht, um maßstäbliche Messwerte bereitzustellen, und es daher erforderlich macht, dass die Ausgabe dementsprechend maßstäblich angepasst wird. Es ist auch recht schwierig, die Granularität des Ansprechverhaltens zu verhindern, da die Muster recht groß sein können, um den gewünschten Gradienteneffekt auf der y-Achse zu bewerkstelligen.
US 4,999,462 offenbart ein Dreiecke verwendendes Verfahren, wieder mit einem Stifteingabegerät und Verdrahtung von einem Mikrocomputer mit jedem einzelnen Dreieck, wobei der Stift das elektrische Feld von den dreieckigen Elektroden aufnimmt. Dieses System ist ebenfalls nicht in der Lage, menschliche Berührung nachzuweisen.
US 4,705,919 und US 4,952,757 offenbaren weiterhin Stifteingabegeräte, die Dreiecke verwenden.
Die Druckschrift US 6,535,200 B2 offenbart zweite und dritte Elektrodensätze in Dreiecksform zur Auflösung eines Berührungsortes entlang einer zweiten Achse und einen ersten Elektrodensatz zur Auflösung eines Berührungsortes entlang einer ersten Achse quer zur zweiten Achse. Die Auflösungsverfahren beruhen auf der verhältnisgestützten Auswertung kapazitiver Signale.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln eine gute Auflösung des Berührungsortes bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der stiftlose zweidimensionale kapazitive Wandler der Erfindung ist besonders nützlich für Anwendungen, in denen die Größe des Berührungsbildschirms wichtig ist, das heißt, kleine Berührungsbildschirme und Mausspurfelder zum Beispiel.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie selbige in die Tat umgesetzt werden kann, wird nun beispielhafter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen.
1 zeigt schematisch ein Muster der Elektroden und der Verdrahtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein Muster der Elektroden und der Verdrahtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, auf größere Kompaktheit ausgelegt.
3 zeigt schematisch ein Muster der Elektroden und der Verdrahtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, auf größere Kompaktheit und Symmetrie ausgelegt. Ebenfalls gezeigt werden Berührungsflächen und Handschatten.
4 zeigt schematisch eine Art von Treiberschaltung, die in geeigneter Weise zum Treiben der Elektroden der Erfindung verwendet werden kann.
5 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Signalprozessors wie eines Mikrocontrollers, der zur Verarbeitung der Signale der Erfindung verwendet wird.
6 zeigt die Verbindungen von den Elektroden zu einem Mikrocontroller, die die Schaltung von 5 anwendet.
7 zeigt schematisch ein Muster der Elektroden und Verdrahtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine aktive Erfassungsschaltung zur Verwendung mit dem Elektrodenmuster und der Verdrahtungsanordnung der vierten Ausführungsform in 7, oder allerdings jeder der ersten bis dritten Ausführungsformen.
Ausführliche Beschreibung
In Bezugnahme auf die Zeichnungen, wird in 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. 1 zeigt in Aufsicht eine kapazitive berührungserfassende Anordnung 100 mit einer benutzbaren Berührungsfläche 101 (gezeigt als gepunkteter Umriss). Elektroden 102a–g lösen eine erste Achse (gezeigt als y) auf, während Elektroden 103a–f und 104a–f eine zweite Achse auflösen (gezeigt als x). In der Praxis ist die Anordnung im Bezug auf x und y in einigen Anwendungen umkehrbar. Die x-Achse wird durch die von den Dreiecksformen erzeugten Feldgradienten aufgelöst, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Linksseitige und rechtsseitige Verbindungen 111 beziehungsweise 112 sind mit einer Schaltung (nicht gezeigt) verdrahtet, die die kapazitive Last an diesen Elektroden erfasst und eine verhältnisgestützte Messung des Berührungsortes entlang der x-Achse erhält.
Die y-Achse wird durch die Verwendung eines widerstandsbehafteten Elementes 105 aufgelöst, das entlang einer Seite der Elektroden verläuft und das mit den Elektroden 102a–g verbindet. Der Feldgradient auf dieser Achse wird durch 105 gemäß einer aus meiner anhängigen US-Anmeldung 10/697,133 (veröffentlicht als US 2004/104826 A1 und erteilt als US 7,148,704 ) bekannten Art und Weise erzeugt. Zwei grundsätzliche Verdrahtungsverbindungen werden zu diesem widerstandsbehafteten Element hergestellt, nämlich oberseitige und unterseitige y-erfassende Verbindungen 107 beziehungsweise 108. Eine oder mehrere zusätzliche Verdrahtungsverbindungen werden optional zwischen den Endschienen 102a und 102g hergestellt. Zwei solcher Verbindungen sind in 1 gezeigt, nämlich eine untere mittlere Verbindung 109 und eine obere mittlere Verbindung HO; die Gründe für solche Verbindung(en) werden in Kürze erklärt, insgesamt für fünf, sechs oder mehr im Gesamten mögliche Verbindungen. Das widerstandsbehaftete Element 105 hat einen End-zu-End-Widerstand zwischen 1 kOhm und 10 MOhm, obwohl die bestmögliche Arbeitsleistung in den meisten praktischen Ausgestaltungen mit Werten zwischen 20 kOhm und 1 MOhm erreicht wird. Das Element 105 wird am besten aus einem widerstandsbehafteten Film gefertigt, um die Gesamtanordnung dünn zu halten; Materialien für 105 können dicke Filmwiderstände, ITO, leitfähige Polymere und dergleichen beinhalten. Der Film wird so aufgebracht, dass er die Elektroden 102 in Falle eines ITO- oder metallbasierten Elektrodensatzes überlagert. In einigen Anwendungen ist es ebenso annehmbar, eine Kette separater Widerstände zu verwenden, zum Beispiel wenn Platz kein Problem darstellt.
Überkreuzungen zwischen der linksseitigen Verdrahtungsbahn 111 und den Elektroden 102 werden mit Hilfe der dünnen dielektrischen Flächen 106 gelöst, die auf den Elektroden 102 vor dem Aufbringen des Leiters für die linksseitigen Verbindungen 111 aufgebracht werden. Da das Erfassungselement 100 üblicherweise mit einem Anschluss oder einem Erfassungschip, der an einer Kante liegt, verdrahtet ist, werden die Drähte 107, 108, 109, 110, 111, und 112 an eine Kante (gezeigt als unten) geführt, wo sie mit einem Anschluss oder dem Erfassungschip verdrahtet werden können.
Ein bekanntes Problem bei kapazitiven Berührungsbildschirmen, wenn sie hinter einem Dielektrikum angebracht sind, insbesondere einem Dielektrikum niedrigen Epsilons und/oder erheblicher Dicke und Gesamtgröße, ist das Phänomen des „Handschattens”, das in allgemeinerer Weise in meiner US 10/341,948 (veröffentlicht als US 2003/132922 A1 ) beschrieben wird. Das Problem des Handschattens verstärkt sich besonders, wenn weniger Elektrodenverbindungen verwendet werden, wie in der vorliegenden Erfindung. Höhere Elektrodenanzahlen und mehr Verbindungen verringern unausweichlich die Auswirkung durch die Lokalisierung des Ansprechens auf die Stelle der Fingerberührung. Für viele Anwendungen ist dies jedoch unpraktikabel, weil enge Verdrahtungskanäle 120, 121 entlang der Seiten der Anzeigefläche benötigt werden.
Die Abmessungen der sich wiederholenden Muster von Schienen und Dreiecken müssen auf eine Größe gleich der oder kleiner als die einer Berührung eines menschlichen Fingers 125 skaliert werden. Falls das Musterausmaß in der vertikalen Richtung (wie gezeigt) größer als die Kontaktflache einer Berührung 125 ist, kann ein nichtlinearer Versatz des Ortsansprechverhaltens auftreten, wenn ein Finger über die Berührungsoberfläche gezogen wird.
Ein Merkmal von Handschatten ist, dass er hauptsächlich auf der vertikalen Ansichtsachse auftritt, weil dies die gleiche Achse der Darbringung einer menschlichen Hand ist. Deswegen kann die Verwendung von mehr als zwei Verbindungen entlang dieser Achse nur bei der Verringerung oder praktischen Beseitigung von Handschatten helfen. Deshalb sollte eine Achse mehr Verbindungen als die andere Achse aufweisen, und die Achse mit höherer Verbindungszahl sollte diejenige sein, die am meisten unter dem Handschatteneffekt leidet, das heißt die vertikale (y) Achse. Solch eine Anordnung wird als asymmetrisch verbundene Elektroden („ACE”) bezeichnet werden.
Demgemäß können mittlere Verbindungen 109 und 110 bereitgestellt werden, die bei der Lokalisierung der Felder auf der y-Achse helfen. Experimentell wurde herausgefunden, dass diese Zusatzverbindungen bei Berührungsbildschirmen von etwa 2 Inch (50 mm) Diagonalen nicht benötigt werden, aber bei 3 Inch (75 mm) Diagonalen und größer besteht ein eindeutiger Bedarf zur Handschattenverringerung, besonders, wenn die Erfassungsanordnung 100 hinter Kunststoff gelegen ist, das ein geringes Epsilon hat, so dass kapazitive Kopplung der Fingerkuppen an die Elektrodenanordnung verringert wird. Mittlere Verbindungen 109 und 110 verbinden die Punkte ungefähr auf einem Drittel der y-Achse. In verschiedenen ACE-Anordnungen können eine, zwei, drei oder mehr zusätzliche „mittlere” Elektroden je nach Grad des Handschattens existieren. Im Allgemeinen werden mehr mittlere Elektroden benötigt, je länger die y-Achse ist.
Weitergehend zu 2 wird eine zweite Ausführungsform mit einer leicht unterschiedlichen Anordnung der Elektrodenanordnung 100 gezeigt. In dieser Anordnung ist der widerstandsbehaftete Streifen 105 durch das gleiche leitfähige Material ersetzt, das in den Elektroden verwendet wird. Im Falle von ITO ist ein üblicher Wert für den Schichtwiderstand 300 Ohm pro Quadrat. Um das ITO selbst als ein widerstandsbehaftetes Element zu verwenden und um die relativ hohen Werte von benötigtem End-zu-End-Widerstand zu erreichen, muss die Pfadlänge irgendwie vergrößert werden. In 2 wird dies durch den Einsatz der Schienen 102 als einem zusätzlichen Pfad für den Stromfluss über die Ausschnitte 201 innerhalb der Schienen erreicht. Bahnen 202 von Schiene zu Schiene werden ebenfalls aus dem Elektrodenmaterial hergestellt, so dass das gesamte Gebilde bestehend aus Elektroden 102, 103, 104 und Bahnen 202 in einem Schritt auf der selben Schicht gefertigt wird. Das Dielektrikum 106 trennt den Elektrodenleiter von der linken x-Verbindung 111, um Kurzschlüsse zu verhindern.
Weitergehend zu 3 wird eine dritte Ausführungsform mit noch einer weiteren Anordnung der Elektrodenanordnung 100 gezeigt, wobei der benötigte widerstandsbehaftete Streifen, der als 105 in 1 gezeigt ist, in die y-auflösenden Schienen 102 selbst eingebettet ist. Der Pfad für den Widerstand verläuft in Schlangenlinien von oben nach unten (wie gezeigt) mit widerstandsbehafteter Weiterleitung 202, die jede Schiene mit der nächsten verbindet. Die Endschienen 310, 311 am oberen und unteren Ende des Elektrodenmusters sind kein Bestandteil des widerstandsbehafteten Pfades; dadurch sind sie äquipotential im Bezug auf ihre Verbindungsdrähte 107 und 108. Da die rechte x-Verbindung 112 noch mit den rechten Dreiecken 104 verbunden werden muss, ist zusätzliches dünnes Überkreuzungsdielektrikum 301 zwischen jedem der 104 bis 112 notwendig.
Gepunktete Umrisse 320 und 325 zeigen die Flächen des Fingerkontaktes beziehungsweise des Handschattens, der weiter unten erläutert wird.
4 zeigt eine ACE-fähige Schaltung 400 zum Betrieb des Berührungsbildschirmelektrodensatzes 100. Wie gezeigt werden sechs Erfassungskanäle über eine einzige Steuervorrichtung 401 betrieben, die Schaltsteuersignale A, B, C an jeden Schaltersatz 404, 405, 406 schickt. Spannungsvergleicher 403 wird zum Festlegen des Punktes des Zählabbruchs der entsprechenden Zähler 402 verwendet. Unbearbeitete Signalausgaben 410–415 werden zu einem unten beschriebenen Signalverarbeitungsblock geleitet. Die Schaltung arbeitet gemäß meiner US 6,466,036 . Vorzugsweise ist die gesamte Schaltung 400 in einem Mikrocontroller enthalten, der unter Steuerung von Firmware betrieben wird.
5 zeigt den Signalverarbeitungsblock 501, der zur Verarbeitung der unverarbeiteten Signale 410–415 zu einem verwendbaren Ergebnis verwendet wird, das heißt, zumindest x- und y-Koordinaten sowie ein logisches Bestätigungssignal 503 zum Berührungsnachweis. Zusätzlich kann eine logische Nähenachweisausgabe 504 bereitgestellt werden, die auf die nahe Umgebung eines Objektes wie einer menschlichen Hand anspricht. Koordinatenausgaben 502 können auch ein z-Achsenergebnis beinhalten, das im Verhältnis zur Signalstärke steht; dies kann bei der Objektnäheauflösung helfen und auch bei der Bestimmung des Berührungsdruckes behilflich sein.
Signalverarbeitung für x- und y-Ergebnisse wird gemäß verhältnisgestützter Verfahren wie in unzähligen anderen Patenten inklusive meiner eigenen US 10/697,133 (veröffentlicht als US 2004/104826 A1 und erteilt als US 7,148,704 ) beschrieben durchgeführt. Z-Achsenergebnisse wie Signalstärke, Nähenachweis und Berührungsnachweis werden einfach von einer Änderung In der Signalsumme von allen Erfassungskanälen abgeleitet. Falls die Änderung in dieser Summe einen ersten Betrag übersteigt, wird Nähe ausgewiesen. Falls die Änderung in dieser Summe einen zweiten, größeren Betrag übersteigt, wird Berührung ausgewiesen. Falls die Änderung in der Summe selbst das z-Achsensignalergebnis ist.
Die Auflösung der y-Achse mit einer ACE-Anordnung wird entweder gemäß einer Schwerpunktsberechnung oder über eine einfache lineare Interpolation zwischen den Elektrodenverbindungspunkten durchgeführt, wie es im Stand der Technik wohl bekannt ist. Andere Mittel können auch verwendet werden. Signalabweichung durch Handschatten tritt vornehmlich auf, wenn der obere Teil des Bildschirms berührt wird 320, aber die Handflächenfläche der Hand eines Benutzers über dem unteren Teil schwebt, so dass ein kapazitiver „Schatten”-Effekt 325 erzeugt wird, der schwächer als die Kopplung bei 320 ist. Die Kopplung 325 ist ein schwankender Fehlerterm und kann bedingen, dass der gemeldete Ort von 320 in unvorhersehbarer Weise nach unten versetzt wird. Dementsprechend müssen in der y-Achsenberechnung die Signale, die von den unteren Elektrodenverbindungen 108 und 109 ankommen, relativ unterdrückt werden, wenn eine obere Fläche berührt wird (und umgekehrt). Linksseitige und rechtsseitige Verbindungen 111 und 112 lösen nur die x-Achse auf und haben einen sehr kleinen Versatzterm durch den Handschatten.
Ebenfalls sind der Schlafzeitgeber 506 und der geschaltete Oszillator 507 gezeigt, die verwendet werden, um Zustände verringerter Leistungsaufnahme möglich zu machen und insbesondere „Schlafen legen”- und „Auf Berührung vom Schlaf aufwachen”-Zustände. Eine Hauptsteuereinheit (nicht gezeigt) kann einen Zustandsbefehl über den Signalpfad 509 an einen Prozessor 501 schicken, um das Gerät in einen oder mehr Niedrigleistungs- oder Schlafzustande zu versetzen. Der Leitrechner kann auch das gesamte Gerät über einen Schlafbefehl 505 in Schlaf versetzen. In Antwort auf 505, kann der Schlafzeitgeber 506 auf eine bestimmte Aufwachverzögerung gesetzt werden, die sich auch wiederholen kann. Nach einer solchen Verzögerung kann 506 den geschalteten Oszillator 507 mit der Ausgabe 408 aktivieren, um die gesamte Schaltung der 4 und 5 in Gang zu setzen. Optional kann der Signalprozessor 501 nach einem Nachweis von entweder Nähe oder Berührung 506 auch in einen schnelleren Zeitgeberzustand „wecken”, das heißt, einer mit weniger Verzögerung zwischen Oszillatoraktivierungen über das Signal 508. Der schnellere Zustand kann für die gesamte Periode der Nähe oder Berührung andauern und dann in einen periodischen Wachzustand niedriger Leistung oder in vollen Schlafzustand zurückversetzt werden. Zustandssignal 509 kann dazu verwendet werden, die Schlafdauer zu bestimmen. Steuersignal 510 wird gemeinsam mit Zeitgeberausgabesignal 408 auch der SchaltSteuereinheit 401 zugeführt, um den Betrieb der Erfassungslogik zu steuern.
In 6 wird eine vollständige tatsächliche Umsetzung gezeigt, die beide 4 und 5 umfasst. Die Logiken beider Figuren, das heißt 400 und 500, sind innerhalb eines selbstenthaltenden Mikrocontrollers 601 implementiert, der nur externe Erfassungsabtastkapazitäten Cs1–Cs6, 407a–f und Verbindungen zu der Elektrodenanordnung 100 verwendet. Die meisten handelsüblichen Mikrocontroller enthalten bereits sämtliche Logik, die nötig ist, um die oben beschriebenen Funktionen und Arbeitsschritte durchzuführen. Zur ESD-Unterdrückung und elektromagnetischen Regelgerechtheit, werden Widerstände 603 verwendet, um etwas Entkopplung von den Erfassungselementen bereitzustellen.
Die Elektrodenausgestaltungen, die in 1, 2 und 3 gezeigt werden, können direkt auf die Rückseite eines dielektrischen Bedienfeldes wie Glas aufgebracht werden. ITO kann verwendet werden, um den Erfassungsbereich klar (durchsichtig) zum Einsatz über einem LCD oder einer anderen Anzeige zu machen.
In einer alternativen Ausführungsform können die Dreieckselektroden ein durchsetztes Muster bilden, das Feldgradienten erzeugen kann.
7 zeigt schematisch ein Muster der Elektroden und Verdrahtung gemäß solch einer alternativen Ausführungsform, die die vierte Ausführungsform ist. Die mit denen der vorhergehenden Ausführungsformen übereinstimmenden Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die kapazitive berührungserfassende Anordnung 100 mit einer benutzbaren Berührungsfläche 101 (gezeigt als gepunkteter Umriss) ist augenscheinlich. Schienenelektroden 102a–e lösen eine erste Achse auf (gezeigt als y), während Elektroden 103a–d und 104a–d eine zweite Achse auflösen (gezeigt als x). Die vorliegende Ausführungsform ist die selbe wie die erste Ausführungsform, mit Ausnahme der Form der das verhältnisgestützte Signal liefernden Elektroden 103a–d und 104a–d. Anstatt einer stetigen dreieckigen Verjüngung zur Ausbildung der Bereiche gemeinsamer Erstreckung haben die x-Elektroden eine Zinnenstruktur, in der die gemeinsame Erstreckung zwischen den x-Elektrodengruppen 103a–d und 104a–d durch eine Verzahnung in y-Richtung gebildet wird, wobei benachbarte Blöcke sich gemeinsam erstreckender Elektrodenpaare festgelegte den x-Ort bestimmende Flächenverhältnisse haben.
Die gewünschte x-abhängige Änderung der verhältnisgestützten Signale, die von den sich gemeinsam erstreckenden Paaren von x-Elektroden abgeleitet werden, wird immer noch hinsichtlich der in y-Richtung bereitgestellten Flächenverhältnisse durch die verzahnte Ausgestaltung erreicht, vorausgesetzt, dass die Auslösefläche, zum Beispiel Fingerkontaktfläche, angemessene Größe aufweist. Die verzahnte Anordnung kann für eine Sensorfläche, die hauptsächlich für Tastenanordnungen verwendet wird, wünschenswert sein, da sie eine schrittweise Änderung in der Information über den x-Ort bereitstellt, je nach Breite jeder verzahnten Einheit, angezeigt als „w” in der Figur. Dadurch kann sowohl der x- als auch der y-Ortsinformation eine schrittweise Empfindlichkeit verliehen werden, die die vorzugsweise Ausgestaltung für eine Tastenanordnung darstellt.
Ähnlich der ersten Ausführungsform sind linksseitige und rechtsseitige x-erfassende Verbindungen 111 und 112 mit einer Schaltung (nicht gezeigt) verdrahtet, die die kapazitive Last an diesen Elektroden erfasst und eine verhältnisgestützte Messung des Berührungsortes entlang der x-Achse erhält. Die y-Achse wird durch die Verwendung eines widerstandsbehafteten Elementes 105 aufgelöst, das entlang einer Seite der Elektroden verläuft und das mit den Elektroden 102a–e verbindet. Der Feldgradient auf dieser Achse wird durch das widerstandsbehaftete Element 105 (gezeigt mit der schraffierten Linie) wie in der ersten Ausführungsform erzeugt. Zwei grundsätzliche Verdrahtungsverbindungen werden zu diesem widerstandsbehafteten Element hergestellt, nämlich eine Verbindung 107 mit der oberen Elektrodenschiene 102e und eine Verbindung 108 mit der unteren. Elektrodenschiene 102a. Eine oder mehr zusätzliche Verdrahtungsverbindungen können optional zwischen Endschienen wie in der ersten Ausführungsform hergestellt werden, sind aber nicht in der Figur dargestellt. Widerstandsbehaftetes Element 105 hat einen End-zu-End-Widerstand zwischen 1 kOhm und 10 MOhm, obwohl die bestmögliche Arbeitsleistung mit Werten zwischen 20 kOhm und 1 MOhm in den meisten praktischen Entwürfen erreicht wird. Der linksseitige x-Leiter 111 ist von den Schienen 102a–e durch dünne dielektrische Flächen 106 wie in der ersten Ausführungsform isoliert.
Man soll sich bewusst machen, dass jede Elektrode jegliche gewünschte Anzahl von verzahnten Einheiten haben kann, von denen vier dargestellt sind. Für eine Tastenanordnungsanwendung, wie für das Tastenfeld eines Mobiltelefons oder Taschenrechners, kann die Zahl der Einheiten wie dargestellt relativ klein sein, zum Beispiel im Bereich zwischen drei und acht. Andererseits, falls quasi-stetiges verhältnisgestütztes Erfassen erforderlich ist, kann die Zahl der Zinnen relativ groß sein, zum Beispiel im Bereich zwischen 10 und 50. In ähnlicher Weise kann die Zahl der Schienenelektroden für die y-Erfassung relativ klein sein, um eine für Tastenanordnungen geeignete granuläre Erfassung bereitzustellen, zum Beispiel im Bereich von drei bis acht, oder relativ groß für quasi-stetige Empfindlichkeit in der y-Richtung, zum Beispiel 10 bis 50. Für größere Zahlen von verfassenden Schienenelektroden können dazwischenliegende Verbindungen 109 (nicht gezeigt) vorteilhafterweise bereitgestellt werden.
Es sei ferner angemerkt, dass die kapazitive berührungserfassende Anordnung der vierten Ausführungsform wie oben für die erste bis dritte Ausführungsform im Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben ausgestaltet werden kann, was der Lehre von US 6,466,036 folgt. Dies ist ein passives kapazitives Erfassungsverfahren, das auf der Messung der Kapazität einer Erfassungselektrode bezüglich eines Systemreferenzpotentiales (Erde) beruht. Ein bekanntes alternatives kapazitives Erfassungsverfahren ist aktive Erfassung basierend auf der Messung der kapazitiven Kopplung zwischen zwei Elektroden (anstelle zwischen einer einzigen Erfassungselektrode und einem Systembezugspotential). Die Gesetzmäßigkeiten aktiver kapazitiver Erfassungsmethoden wie in 2DCTs angewendet werden in meiner US 6,452,514 beschrieben. US 5,648,642 (Synaptics, Inc.) beschreibt ebenfalls aktive kapazitive Erfassung in einem 2DCT.
Der Vollständigkeit halber wird nun der Betrieb des Elektrodenmusters der vierten Ausführungsform mit aktiver Erfassung beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Elektrodenmuster der ersten bis dritten Ausführungsformen auch mit aktiver Ausführungsform in ähnlicher Weise getrieben werden können. Das bedeutet, dass die Blockelektroden 102 und 103 der vierten Ausführungsform durch stetig sich verjüngende Elektroden ersetzt werden können und die oben beschriebenen Möglichkeiten der ersten bis dritten Ausführungsformen zur Bildung der widerstandsbehafteten Zwischenverbindungen zwischen den Schienenelektroden 102 verfügbar sind.
Im Bezug auf 7 wird eine aktive Erfassungsschaltung die Schienenelektroden 102 als Treiberelektroden und die zinnenförmigen Elektroden 103 und 104 als Erfassungselektroden verwenden. Der widerstandsbehaftete Pfad, der die Schienenelektroden 102 verbindet, wird einen Spannungsteiler ausbilden, so dass die oberste Schienenelektrode 102e auf der Schienenspannung und die unterste Schienenelektrode 102a auf Bezugspotential liegen werden, mit den dazwischenliegenden Schienenelektroden 102b–d auf ungefähr gleich beabstandeten Zwischenspannungen.
Das grundlegende Prinzip aktiver Erfassung wie in 2DCTs angewendet besagt, dass die Feldkopplung zwischen einem Treiber- und Erfassungselektrodenpaar durch eine Fingerberührung gedämpft wird, da der menschliche Körper einen Teil des Feldes zwischen dem Treiber- und Erfassungselektrodenpaar ableitet. Die Ladung, die zwischen den Treiber- und Erfassungselektroden übertragen wird, ist damit als Auswirkung der Berührung vermindert, und diese Verminderung in Ladungsanhäufung an einem Abtastkondensator ist nachweisbar. Um auf die vorliegende Schaltung zurückzukommen, sei es bemerkt, dass mit der Spannungsleiter, die durch den widerstandsbehafteten Pfad 105 bereitgestellt wird, die Höhe der Verminderung der angehäuften Ladung am Abtastkondensator linear mit der Treiberspannung der Treiberelektrode skaliert. Infolgedessen ist die Höhe der Verminderung im nachgewiesenen Signal bezeichnend dafür, welche Elektrodenschiene von der Fingerberührung betroffen ist. Dadurch kann vertikale Auflösung in der y-Richtung des 2DCT bereitgestellt werden. Der widerstandsbehaftete Pfad 105 in einer aktiven Erfassungsausgestaltung spielt damit eine andere Rolle als in der passiven Erfassungsausgestaltung. In ersterem Fall fungiert er als Spannungsteiler, wohingegen er in letzterem Fall als Strompfad dient.
Zur horizontalen Auflösung in x-Richtung ist der Mechanismus konzeptionell ähnlich der passiven Erfassungsausgestaltung, dahingehend, dass eine verhältnisgestützte Auswertung zwischen der relativen Signalstärke durchgeführt wird, die von gepaarten der Elektroden 103 und 104, das heißt zwischen 103a und 104a, 103b und 104b und so weiter, erhalten wird. Dies geschieht, weil der Betrag der Dämpfung des Ladungsübertrags mit den relativen Flächen gepaarter Erfassungselektroden 103 und 104 skalieren wird, die unter dem Fingerkontakt liegen.
8 zeigt eine aktive Erfassungsschaltung zur Verwendung mit dem Elektrodenmuster und der Verdrahtungsanordnung der vierten Ausführungsform von 7, oder allerdings einer der ersten bis dritten Ausführungsformen. Der obere Teil der Figur ist ein schematischer vertikaler Schnitt durch das Berührungsbedienfeld auf der linken Seite, wo die Elektroden 103 sich weiter in vertikaler Richtung erstrecken als die Elektroden 104. Das Bedienfeld wird durch ein dielektrisches Bedienfeld 810 mit einer oberen Oberfläche 811 zur Berührung mit einem Finger 813 und einer unteren Oberfläche 812 gebildet, auf der das Elektrodenmuster und Kontakte in herkömmlicher Weise angeordnet sind. Das dielektrische Bedienfeld kann aus jedem geeigneten Material gefertigt sein, wie Glas, zum Beispiel Pyrexglas, Mylar, Teflon oder ein Kunststoffverbund, wie im Stand der Technik bekannt. Geeignete Kunststoffverbunde sind in der Tabelle unten nur beispielhaft verzeichnet, in einigen Fällen mit der Aufführung kommerziell erhältlicher Beispiele:
Der untere und rechte Teil der Figur stellen schematisch eine Steuerschaltung mit geeigneten Verbindungen und separaten Bauteilen dar. Solch eine Steuerschaltung wird durch einen herkömmlichen integrierten Schaltkreis 800 bereitgestellt, wie der QMatrix^TM Mikrocontroller Chip, der mit Steuerung durch Firmware betrieben wird, die zusammen von QRG Limited erhältlich sind.
Aus 7 bekannte Elektroden 102a–e, 103a–d und 104a–d sind auf der unteren Bedienflächenoberfläche 812 angebracht. Elektroden 102 sind die Treiberelektroden für den sogenannten Treiberkanal oder x-Kanal und werden über die Verbindung 108 mit Treiberpulsen (schematisch gezeigt) von einem Pin 803 des Steuerchips 800 durch einen geeigneten Treiberpuffer 801 im Inneren des Chips versorgt. Der widerstandsbehaftete Pfad 105, der die Treiberelektroden 102a–e miteinander verbindet, ist als separate zwischen benachbarten Treiberelektroden eingeschobene Widerstände 105a–d enthaltend dargestellt. Dies ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit, die für jede der oben beschriebenen Ausführungsformen verfügbar ist. Diese stellen die erforderliche Spannungsteilerfunktion wie oben beschrieben bereit. Ein Rücklaufpfad für das Treibersignal ist erforderlich und dies wird durch Leitung 107 bereitgestellt, die mit einem Bezugspotentialpin 802 (Erde) auf dem Chip 800 verbunden ist.
Die zwei Gruppen von Erfassungselektroden 103 und 104 für die sogenannten Y1 und Y2 Erfassungskanäle sind jede gemeinsam mit den Leitungen 111 beziehungsweise 112 verbunden. Jede dieser Leitungen trägt die vom Bedienfeld auf die entsprechenden Abtastkondensatoren zu übertragende Ladung. Abtastkondensator CSY1 häuft über den Draht 111 zugeführte Ladung auf dem Y1 Kanal an. Abtastkondensator CSY2 häuft über den Draht 112 zugeführte Ladung auf dem Y2 Kanal an. Zwei unabhängige und identische Erfassungsschaltungen werden für die zwei Erfassungskanäle bereitgestellt. Diese sind von herkömmlicher Ausgestaltung und folgen den Grundsätzen, die in meiner US 6,452,514 offenbart sind, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in diese Schrift mitaufgenommen wird. Der Abtastkondensator CSY1 wird von zwei Schaltern 811 und 812 flankiert, die mit geeigneter Auslösung dazu verwendet werden können, den Abtastkondensator vor der Messung zurückzusetzen und im Abtastkondensator angesammelte Ladung zu einer geeigneten Messschaltung 814 auszulesen, wie einen A/D-Wandler, Verstärker oder andere geeignete Schaltungselemente, die einen für die Signalstärke für den Y1 Kanal bezeichnenden Spannungspegel auffangen. Die Schaltkreise von dem Y2 Kanal sind exakt die selben mit Abtastkondensator CSY2, Schaltern 821 und 822 und Messschaltung 824. Die Daten, die von den Messschaltungen 814 und 824 aufgenommen werden, werden dann durch numerische Verarbeitung zur Durchführung verhältnisgestützter Auswertung kombiniert, die notwendig ist, um die Ortsinformation in der vertikalen und horizontalen Richtung zu ermitteln. Diese Auswertefunktion kann in den integrierten Schaltkreis 800 eingebettet sein oder extern durchgeführt werden. Wie oben erwähnt, kann der integrierte Schaltkreis in einem QMatrix Chip erhältlich von QRG Limited enthalten sein. Die Betriebsprinzipien des QMatrix Chips werden in US 6,452,514 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in dieser Schrift mitaufgenommen wird, insbesondere im Bezug auf ausführliche Information bezüglich der Schalteranordnungen und ihrer Treiberfolgen, die verwendet werden können, um ein Signal aus den Abtastkondensatoren auszulesen.
Es sei bemerkt, dass obwohl die Treiber- und Erfassungselektroden dargestellt in direkter Nachbarschaft zur dielektrischen Bedienfläche 810 gezeigt werden, sie typischerweise auf einem gemeinsamen Substrat unterstützt werden, wie einer dünnen biegsamen Platte eines geeigneten KunstStoffmaterials, das an der unteren Oberfläche 812 der dielektrischen Bedienfläche 810 mit geeigneten Mitteln wie Aufkleben oder mit Halterungen angebracht werden kann.
Bezogen auf 8 ist es offensichtlich, dass die aktive Erfassungsausgestaltung eine sehr geringe Pinanzahl bereitstellt, da alle Treiberelektroden gemeinsam von lediglich zwei Pins 802, 803 des Steuerchips getrieben werden, und die zwei Sätze von Erfassungselektroden jeweils gemeinsam mit einem entsprechenden Erfassungskanal verbunden sind.
In Zusammenfassung wird hierin ein kapazitives Berührungsbildschirm- oder Mausspurfelderfassungselement beschrieben, das getrennte x- und y-auflösende Elemente verwendet, die galvanisch voneinander isoliert sind, so dass jedes unabhängig vom anderen aufgelöst werden kann, um die Verbindungen und die Signalverarbeitung zu vereinfachen.

Claims

Ein stiftloser zweidimensionaler kapazitiver Wandler (100) zum Nachweis von Berührung (125; 320) oder Nähe (325), umfassend: einen ersten Elektrodensatz (102), bestehend aus einer Vielzahl von Elektroden (102a–e), die in einer parallelen Anordnung entlang einer ersten Achse (y) angeordnet sind, wobei die Elektroden (102a–e) miteinander über einen widerstandsbehafteten Pfad (105) verbunden sind, und mit einer ersten Verbindung (107) auf einer ersten (102e) besagter Elektroden (102a–e) und einer zweiten Verbindung (108) auf einer zweiten (102a) besagter Elektroden (102a–e); einen zweiten Elektrodensatz (103), bestehend aus einer Vielzahl von Gradientenfeld erzeugenden geformten Elektroden (103a–d), die in einer parallelen Anordnung entlang der ersten Achse (y) angeordnet sind und jede sich entlang einer zweiten Achse (x) quer zu der ersten Achse (y) erstreckt, wobei die Elektroden (103a–d) des zweiten Elektrodensatzes (103) galvanisch miteinander verbunden sind und eine einzelne Verbindung (111) haben; einen dritten Elektrodensatz (104), bestehend aus einer Vielzahl von Gradientenfeld erzeugenden geformten Elektroden (104a–d), die in einer parallelen Anordnung entlang der ersten Achse (y) angeordnet sind und jede sich entlang der zweiten Achse (x) erstreckt, wobei die Elektroden (104a–d) des dritten Elektrodensatzes (104) galvanisch miteinander verbunden sind und eine einzelne Verbindung (112) haben; wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) des zweiten und dritten Elektrodensatzes (103; 104) in sich gemeinsam erstreckenden Paaren (103/104a–d) zur Bereitstellung verhältnisgestützter kapazitiver Signale angeordnet sind, wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) des zweiten und dritten Elektrodensatzes (103; 104) geformt und bemessen sind, um entsprechende kapazitive Signale bereitzustellen, die es ermöglichen, einen Berührungsort entlang der zweiten Achse (x) durch verhältnisgestützte Auswertung der entsprechenden kapazitiven Signale aufzulösen, und wobei der widerstandsbehaftete Pfad (105) einen Spannungsteiler ausbildet, so dass die zwischen der ersten (102e) und der zweiten Elektrode (102a) des ersten Elektrodensatzes (102) liegenden Elektroden (102b–d) auf gleichbeabstandeten Zwischenspannungen zu liegen kommen, wenn eine Spannung an die erste Elektrode (102e) angelegt wird und die zweite Elektrode (102a) mit einem Bezugspotential verbunden wird, um einen Berührungsort entlang der ersten Achse (y) aufzulösen.
Ein Wandler (100) gemäß Anspruch 1, wobei die parallelen Anordnungen von Elektroden (102a–e; 103a–d; 104a–d), die die ersten (102), zweiten (103) und dritten (104) Elektrodensätze bilden, wiederholte Abmessungen besitzen, die so skaliert sind, dass sie genauso groß wie oder kleiner als eine Berührung eines menschlichen Fingers sind.
Ein Wandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) der zweiten (103) und dritten (104) Elektrodensätze in sich gemeinsam erstreckenden Paaren (103/104a–d) mit komplementären Verjüngungen über die Strecke ihrer gemeinsamen Erstreckung angeordnet sind,
Ein Wandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Elektroden (103a–d; 104a–d) der zweiten (103) und dritten (104) Elektrodensätze in sich gemeinsam erstreckenden Paaren (103/104a–d) mit benachbarten Blöcken sich ändernder Fläche über die Strecke ihrer gemeinsamen Erstreckung angeordnet sind.
Ein Wandler (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der widerstandsbehaftete Pfad (105) einen widerstandsbehafteten Streifen umfasst, der sich über die Elektroden (102a–e) des ersten Elektrodensatzes (102) erstreckt.
Ein Wandler (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der widerstandsbehaftete Pfad (105) und die Elektroden (102a–e) des ersten Elektrodensatzes (102) in einer einzigen Materialschicht gebildet sind, wobei der widerstandsbehaftete Pfad (105) eine Vielzahl von Teilen umfasst, die zwischen Enden von benachbarten Elektroden (102a–e) des ersten Elektrodensatzes (102) verbinden.
Ein Wandler (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Treiberschaltung (801) mit einem Ausgang, der mit den Elektroden (102a–e) des ersten Elektrodensatzes (102) verbunden ist, die betrieben werden kann, um ein gemeinsames Spannungsimpulse umfassendes Treibersignal an den ersten Elektrodensatz (102) zu liefern, wobei der Spannungsteiler (105) eine schrittweise Spannungssteigerung der Spannungsimpulse von Elektrode zu Elektrode bedingt; und erste und zweite Erfassungsschaltungen mit entsprechenden Eingängen, die mit Elektroden (103a–d; 104a–d) der zweiten (103) beziehungsweise dritten (104) Elektrodensätze verbunden sind, wobei jede Erfassungsschaltung einen Abtastkondensator (Csy1; Csy2) zur Anhäufung der von den Elektrodensätzen (103; 104) übertragenen Ladung und eine zum Nachweis von auf dem Abtastkondensator (Csy1; Csy2) angehäufter Ladung angeordnete Messschaltung (814; 824) umfasst.
Ein Wandler (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der widerstandsbehaftete Pfad (105) einen End-zu-End-Widerstand zwischen 1 kOhm und 10 MOhm aufweist.
Ein Wandler (100) gemäß Anspruch 8, wobei der End-zu-End-Widerstand des widerstandsbehafteten Pfades (105) zwischen 20 kOhm und 1 MOhm beträgt.