DE102008061715A1

DE102008061715A1 - Kabellose und batterielose Eingabevorrichtung

Info

Publication number: DE102008061715A1
Application number: DE102008061715A
Authority: DE
Inventors: Artem Dr. Ivanov
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-13
Also published as: DE102008061715B4

Abstract

Bereitgestellt wird eine Eingabeeinrichtung, insbesondere Tastatur, für eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche - eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln eines elektrischen Wechselfeldes, welches von der Datenverarbeitungseinrichtung abstrahlbar ist, - eine Clientelektronik, welche ausgestaltet ist, das eingekoppelte Wechselfeld zu modulieren, und - zumindest eine Tastenelektrode, welche mit der Clientelektronik gekoppelt ist, aufweist, wobei eine Änderung der Kapazität zwischen der zumindest einen Tastenelektrode und der Erde, welche durch die Annäherung eines Objektes an die Tastenelektrode hervorgerufen wird, eine vorherbestimmte Modulation des eingekoppelten Wechselfeldes durch die Clientelektronik bewirkt. Bereitgestellt wird auch eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche zum Zusammenwirken mit einer Eingabeeinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen ausgestaltet ist, sowie ein Verfahren zur Übertragung von Schaltereignissen von der Eingabeeinrichtung mit Tastenelektroden zu der Datenverarbeitungseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingabeeinrichtung, insbesondere Tastatur, für eine Datenverarbeitungseinrichtung, vorzugsweise für mobile Kleingeräte, wie Mobiltelefon oder tragbare Kleincomputer.
Bei mobilen Geräten, beispielsweise Mobiltelefonen oder tragbaren Kleincomputern (PDA) erfolgt die Eingabe von Texten über eine im Gerät integrierte Tastatur. Aufgrund der vorgegebenen Abmessungen solcher mobiler Geräte sind die integrierten Tastaturen sehr klein und der Tastenabstand meist sehr gering, was eine flüssige Eingabe von Texten erschwert. Eine vollwertige Tastatur ist in solchen Geräten aus Platzgründen nicht integrierbar.
Bei mobilen Geräten werden zunehmend alternativ zum Ziffernblock so genannte Touchscreen-Tastaturen eingesetzt, wobei auf der Anzeigeeinrichtung des Gerätes Tasten angezeigt werden, welche durch Berühren auswählbar sind. Nachteilig hierbei ist ebenfalls der beschränkt verfügbare Platz für die Darstellung der Tasten, insbesondere dann, wenn die ausgewählten Zeichen ebenfalls auf der Anzeigeeinrichtung dargestellt werden sollen.
Alternativ zu den Eingabeeinrichtungen an mobilen Geräten sind so genannte externe Eingabevorrichtungen bekannt (externe Tastaturen), welche beispielsweise über Funk (z. B. Bluetooth) oder einem Kabel (z. B. USB) an das Geräte angeschlossen werden. Sowohl die Koppelung der externen Tastatur an das Gerät über Funk als auch die Koppelung über ein Kabel haben gravierende Nachteile. Bei der kabelgebundenen Variante muss zusätzlich zur Tastatur auch das entsprechende Kabel mitgeführt werden. Bei der funkgebundenen Variante hängt die Verfügbarkeit der externen Tastatur in erheblichem Maße von der Stromversorgung der Tastatur ab. Sind die Akkumulatoren oder Batterien, mit welchen die Tastatur betrieben wird, leer, kann die Tastatur nicht verwendet werden. Zusätzlich erhöht sich das Gewicht durch den Einsatz von Batterien oder Akkumulatoren erheblich, was den mobilen Einsatz derartiger Tastaturen unattraktiv werden lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Eingabevorrichtung, insbesondere eine Tastatur, zu schaffen, welche die Eingabe von Texten auf mobilen Geräten, wie etwa ein Mobiltelefon oder ein tragbarer Kleincomputer (PDA) erleichtert und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet.
Demnach wird eine Eingabevorrichtung, insbesondere Tastatur, für eine Datenverarbeitungseinrichtung bereitgestellt, welche aufweist:

– eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln eines elektrischen Wechselfeldes, welches von der Datenverarbeitungseinrichtung abstrahlbar ist,
– eine Clientelektronik, welche ausgestaltet ist, das eingekoppelte Wechselfeld zu modulieren, und
– zumindest eine Tastenelektrode, welche mit der Clientelektronik gekoppelt ist,

Ein besonderer Vorteil dieser Eingabevorrichtung besteht darin, dass es erstmals ermöglicht wird, eine Tastatur normaler Größe zu realisieren, welche drahtlos an ein Gerät (z. B. ein Mobiltelefon) anschließbar ist und welche ohne eigene Stromversorgung betreibbar ist, da mit dem eingekoppelten Wechselfeld die Eingabe vorrichtung gleichzeitig auch mit Energie versorgt werden kann. Indem auf eine eigene Stromversorgung verzichtet wird, können besonders leichte Tastaturen hergestellt werden, da eine Stromversorgung (z. B. Akkumulatoren oder Batterien) einen großen Teil des Gewichtes einer Tastatur ausmacht. Zusätzlich ist es möglich, die Tastatur hinsichtlich ihrer Höhe sehr kompakt zu gestalten, da keine beweglichen Tasten vorgesehen werden müssen.
Die Modulation des eingekoppelten Wechselfeldes bewirkt eine Veränderung der Last an der Datenverarbeitungseinrichtung. Diese Laständerung kann von der Datenverarbeitungseinrichtung detektiert und ausgewertet werden. Zusätzliche Funkverbindungen für die Signal- bzw. Datenübertragung sind nicht notwendig, da die Energie- und Signalübertragung im Nahfeld zwischen der Datenverarbeitungseinrichtung und der erfindungsgemäßen Eingabeeinrichtung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Clientelektronik aufweisen:

- zumindest einen Gleichrichter, welcher mit einer der zumindest einen Tastenelektrode koppelbar ist, wobei der Gleichrichter ausgestaltet ist zum Erzeugen einer Gleichspannung aus dem eingekoppelten elektrischen Wechselfeld und zum Bereitstellen eines Signal, welches indikativ für die Annäherung eines Objektes an die mit dem Gleichrichter gekoppelte Tastenelektrode ist,
– eine Powermanagement-Einheit, welche mit dem Ausgang des zumindest einen Gleichrichters verbunden ist, wobei an dem Ausgang des Gleichrichters die aus dem eingekoppelten Wechselfeld erzeugte Gleichspannung anliegt und wobei die Powermanagement-Einheit zum Aufbereiten der Gleichspannung für den Betrieb der Eingabeeinrichtung ausgestaltet ist,
– einen Dekodierer, dem das von dem mindestens einen Gleichrichter bereitgestellte Signal zugeführt wird, und welcher ausgestaltet ist, das zugeführte Signal zu dekodieren,
– Mittel zum Generieren eines Modulationssignals in Abhängigkeit vom dekodierten Signal, und
– eine Modulationseinrichtung zum Erzeugen einer Amplitudenmodulation des eingekoppelten Wechselfeldes mit dem Modulationssignal.

Das Dekodieren kann vorteilhaft dadurch realisiert werden, dass für vorherbestimmte Signal-Kombinationen der Gleichrichter vorbestimmte Teilungsverhältnisse in einer Speichereinrichtung hinterlegt sind, welche ausgelesen werden und einem Frequenzteiler zugeführt werden, welcher durch Teilung aus der Trägerfrequenz ein Modulationssignal einer vorherbestimmten Frequenz erzeugt. Anstelle der Teilungsverhältnisse können auch entsprechende Codes in der Speichereinrichtung abgelegt sein.
Der Gleichrichter stellt vorzugsweise ein für die Annäherung eines Objektes (z. B. Finger) an die Tastenelektrode indikatives Signal bereit, wenn sich die Kapazität zwischen der Tastenelektrode und der Erde um ein vorherbestimmtes Maß ändert.
Jede Tastenelektrode kann mindestens eine erste und eine zweite Teilelektrode umfassen, wobei eine Anzahl der ersten Teilelektroden miteinander verbunden sind, wobei eine Anzahl der zweiten Teilelektroden miteinander verbunden sind und wobei die verbundenen ersten Teilelektroden und die verbundenen zweiten Teilelektroden jeweils mit der Clientelektronik gekoppelt sind.
Bei einer Mehrzahl von Tastenelektroden kann jede Tastenelektrode eine erste Teilelektrode und eine zweite Teilelektrode umfassen, wobei die Tastenelektroden (und damit auch die Teilelektroden) matrixförmig (d. h. in Spalten und Zeilen angeordnet) angeordnet sind, wobei die ersten Teilelektroden einer Spalte miteinander verbunden sind, wobei die zweiten Teilelektroden einer Zeile miteinander verbunden sind, wobei jede Zeile und jede Spalte mit der Clientelektronik gekop pelt ist und wobei jede Tastenelektrode über ihre Zeile und Spalte von der Clientelektronik eindeutig identifizierbar ist.
Damit müssen an der Clientelektronik nur so viele Eingänge (zum Anschließen der Tasten) vorgesehen werden, wie Spalten und Zeilen in der Tastenmatrix vorhanden sind. Das verringert gleichzeitig auch den Verdrahtungsaufwand auf der Tastatur.
Besonders vorteilhaft ist es, die Einkoppelfläche, die zumindest eine Tastenelektrode und die Clientelektronik auf einer flexiblen Leiterplatte anzuordnen. Damit sind robuste und gleichzeitig sehr flexible Tastaturen realisierbar.
Vorteilhafterweise kann die flexible Leiterplatte mit einer Ummantelung versehen werden, wobei die Eingabeeinrichtung faltbar und/oder aufrollbar ausgestaltet ist. An der Oberfläche der Ummantelung, vorzugsweise im Bereich der Tastenelektroden, können leitfähige Strukturen aufgebracht sein, wobei zwischen einer leitfähigen Struktur und der Tastenelektrode eine im Wesentlichen konstante Kapazität gebildet wird. Damit wird auf besonderes einfache und kostengünstige Weise die Sensitivität der Tastenelektroden verbessert.
Besonders vorteilhaft ist es die leitfähigen Strukturen sind im Wesentlichen kongruent zu den Tastenelektroden auszugestalten.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Datenverarbeitungseinrichtung bereitgestellt, welche zum Zusammenwirken mit einer erfindungsgemäßen Eingabeeinrichtung ausgestaltet ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung weist vorteilhafterweise auf:

– einen elektrischen Kreis zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes,
– eine Gegenkoppelfläche, an welcher das elektrische Wechselfeld abstrahlbar ist, und
– Mittel zum Auswerten einer elektrischen Größe, wobei die Auswertung eine Erfassung einer Lastveränderung in dem elektrischen Kreis umfasst und wobei die Lastveränderung von der Eingabeeinrichtung bewirkt wird.

Die Koppelung der Datenverarbeitungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen Eingabeeinrichtung erfolgt kapazitiv. Über das abgestrahlte elektrische Wechselfeld erfolgt einerseits die Kommunikation mit der Eingabeeinrichtung (durch von der Eingabeeinrichtung hervorgerufene Modulation der Last in dem elektrischen Kreis der Datenverarbeitungseinrichtung) und andererseits die Versorgung mit Energie der Eingabeeinrichtung.
Die ausgewertete elektrische Größe ist vorzugsweise einer Auswahl einer Tastenelektrode an der Eingabeeinrichtung zuordenbar.
Die Datenverarbeitungseinrichtung kann eine mobile Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere ein Mobiltelefon oder ein persönlicher digitaler Assistent (PDA) sein. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann aber ein beliebiges anderes elektrisches Gerät oder ein Bestandteil eines anderen elektrischen Gerätes sein.
In einer Ausführungsform kann die Datenverarbeitungseinrichtung eine Schnittstelle zum Verbinden der Datenverarbeitungseinrichtung mit einem mobilen Gerät aufweisen, vorzugsweise zum Verbinden mit einem Mobiltelefon oder einem persönlichen digitalen Assistenten (PDA), wobei die ausgewertete elektrische Größe über die Schnittstelle an das mobile Gerät übertragbar ist.
Damit kann eine Datenverarbeitungseinrichtung (in Kombination mit der erfindungsgemäßen Eingabeeinrichtung) für verschiedene Geräte genutzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Übertragung von Schaltereignissen von einer Eingabeeinrichtung mit Tastenelektroden zu einer Datenverarbeitungseinrichtung. Hierbei werden folgende Schritte durchgeführt:

– Einkoppeln eines elektrischen Wechselfeldes in eine Einkoppelfläche der Eingabeeinrichtung, wobei das elektrische Wechselfeld von der Datenverarbeitungseinrichtung abgestrahlt wird;
– Erzeugen eines für die Annäherung eines Objektes (z. B. Finger) an eine Tastenelektrode indikativen Signals;
– Dekodieren des für die Annäherung indikativen Signals;
– Erzeugen, in Abhängigkeit von dem dekodierten Signal, eines Modulationssignals; und
– Durchführen einer Amplitudenmodulation des eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes mit dem Modulationssignal, wobei die Amplitudenmodulation eine Änderung der Last der Datenverarbeitungseinrichtung bewirkt, welche durch die Datenverarbeitungseinrichtung detektierbar ist.

Vorteilhafterweise wird eine Gleichspannung für den Betrieb der Eingabeeinrichtung bereitgestellt, wobei die Gleichspannung aus dem eingekoppelten elektrischen Wechselfeld erzeugt wird.
Das für die Annäherung eines Objektes an eine Tastenelektrode indikative Signal wird erzeugt, wenn die kapazitive Koppelung zwischen dem Objekt und der Tastenelektrode eine vorbestimmte Kapazität überschreitet.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Tastatur gekoppelt mit einem Mobiltelefon;
2 eine Ausführungsform der Anordnung der Tastenelektroden in Matrix-Form;
3 Beispiele für die Ausgestaltung einer Tastenelektrode; und
4 ein Blockschaltbild einer Elektronik zur Aufbereitung der Tastensignale für die Übertragung an ein Mobiltelefon.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Tastatur 2, welche an ein Mobiltelefon 1 gekoppelt ist. Die Koppelung der Tastatur 2 an das Mobiltelefon 1 erfolgt kapazitiv (d. h. drahtlos) unter Ausnutzung eines zwischen der Tastatur und dem Mobiltelefon erzeugten kapazitiven Nahfeldes. Die Tastatur benötigt keine eigene Stromversorgung, wie etwa Batterien oder Akkumulatoren. Die Energie für den Betrieb der Tastatur wird vom Mobiltelefon bereitgestellt und über das Nahfeld an die Tastatur übertragen.
Die Tastatur 2 weist eine Einkoppelfläche 3 (Einkoppelelektrode) auf. Nahe dieser Einkoppelfläche 3 oder auf der Einkoppelfläche 3 wird das Mobiltelefon platziert. Für die Energie- und Signalübertragung (Datenübertragung) zwischen Mobiltelefon 1 und Tastatur 2 über die Einkoppelelektrode 3 weist das Mobiltelefon eine Gegenkoppelfläche 7 (Gegenelektrode oder Serverelektrode) auf. Zwischen den beiden Koppelflächen 3 und 7 wird im Betrieb ein (kapazitives) Nahfeld erzeugt, welches zur Energieversorgung der Tastatur und der Signal- bzw. Datenübertragung zwischen Tastatur und Mobiltelefon dient.
Zur Energieversorgung wird im Mobiltelefon 1 in geeigneter Weise ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, welches an der Gegenkoppelfläche 7 abgestrahlt wird. Das abgestrahlte Wechselfeld wir an der Einkoppelfläche 3 der Tastatur eingekoppelt und dort mittels einer geeigneten elektronischen Schaltung (etwa einer Gleichrichterschaltung) in eine Gleichspannung umgewandelt, mit welcher die Tastatur betrieben werden kann (siehe auch Beschreibung zu 4).
Des Weiteren weist die Tastatur eine Clientelektronik 4 (auch Zeropower-basierte Elektronik genannt) auf. Die Clientelektronik 4 kann beispielsweise als ASIC ausgeführt sein. Aufbau und Funktionsweise der Clientelektronik werden im Zusammenhang mit der Beschreibung zu 4 näher erläutert.
Auf der Tastatur sind mehrere Tastenelektroden 5 angeordnet. Die Tastenelektroden 5 sind jeweils über (dünne) Leiterbahnen 6 an die Clientelektronik 4 angeschlossen. Die Tastenelektroden 5 dienen als Auskoppelflächen für die Clientelektronik 4. Die Clientelektronik 4 ist so ausgestaltet, dass eine Annäherung eines Fingers an eine Tastenelektrode 5 oder das Berühren einer Tastenelektrode 5 durch einen Finger von der Clientelektronik 4 detektierbar ist und ein entsprechendes Signal über das (kapazitive) Nahfeld an das Mobiltelefon übertragbar ist, welches entsprechend der ausgewählten oder betätigten Tastenelektrode eine der Tastenelektrode zugeordnete Aktion ausführt.
Das Berühren oder die Annäherung dieser Tastenelektroden 5 durch einen Menschen wird von der Clientelektronik 4 erkannt und in ein (Modulations-)Signal umgewandelt und über das Nahfeld an das Mobiltelefon übertragen. Eine Serverelektronik (auch Zeropower-Server genannt; in 1 nicht dargestellt), welche mit der Gegenkoppelfläche 7 gekoppelt ist, im Mobiltelefon dekodiert das Modulationssignal und ermittelt daraus die berührte Taste bzw. Tastenelektrode 5. Die Serverelektronik ist auch dafür zuständig, die Clientelektronik 4 mit Energie zu versorgen.
Die Serverelektronik und die mit ihr gekoppelte Gegenkoppelfläche 7 können in einer Ausführungsform direkt in das Mobiltelefon integriert sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Serverelektronik und die Gegenkoppelfläche 7 in einem dafür vorgesehenen Gehäuse untergebracht sein. Das Gehäuse kann über eine Schnittstelle verfügen, mit welcher das Gehäuse an das Mobiltelefon angeschlossen wird. Die Serverelektronik kann besonders kompakt ausgeführt werden, sodass diese in einem besonders kleinen Gehäuse Platz findet. Die Gegenkoppelfläche 7 kann in einer Ausführungsform an der Gehäuseoberfläche angeordnet sein. Die Unterbringung der Serverelektronik in einem eigens dafür vorgesehenen Gehäuse hat den Vorteil, dass auch Mobiltelefone mit der erfindungsgemäßen Tastatur bedient werden können, wenn diese selbst keine entsprechende Serverelektronik aufweisen.
Die Kopplung des Mobilgerätes zu Erde erfolgt ebenfalls kapazitiv. Hierfür ist keine eigene Elektrode notwendig. Es ist ausreichend, wenn die Serverelektronik an die Batterie des Mobilgeräts angeschlossen ist. Dadurch wird das gesamte Mobilgerät für die Serverelektronik zur Koppelelektrode zu Erde.
Die erfindungsgemäße Tastatur kann faltbar und/oder aufrollbar ausgestaltet sein, sodass sie bei Nichtgebrauch Platz sparend verstaut werden kann. Die Abmessungen der Tastatur im Betriebsmodus können den Abmessungen einer herkömmlichen Computer-Tastatur entsprechen, sodass eine besonders effiziente Eingabe von Texten möglich wird. Für die Herstellung faltbarer und/oder aufrollbarer Tastaturen nach der vorliegenden Erfindung können flexible Leiterplatten (z. B. Polyamid-Folien-Leiterplatten) verwendet werden, auf welchen die Clientelektronik 4, die Tastenelektroden 5, die Leiterbahnen 6 und die Einkoppelfläche 3 aufgebracht werden.
Die flexiblen Leiterplatten können mit einer flexiblen Kunststoffummantelung versehen werden. Weil die Energieversorgung der Tastatur über das kapazitive Nahfeld erfolgt, kann die gesamte Elektronik mit der Kunststoffummantelung wasserdicht verschlossen werden. Für die Energieversorgung der Tastatur müssen keine Öffnung in der Ummantelung vorgesehen werden, um etwa Batterien auszutauschen. Auf Anschlüsse zum Aufladen von Akkumulatoren kann ebenfalls verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Tastatur zeichnet sich insbesondere durch das sehr geringe Gewicht aus.
An der Oberfläche der Kunststoffummantelung können im Bereich der Tastenelektroden 5 leitfähige Strukturen aufgebracht sein, um eine besonders gute kapazitive Koppelung zwischen Finger und Tastenelektrode zu gewährleisten. Jede leitfähige Struktur ist vorzugsweise genau gegenüber einer Tastenelektrode angeordnet. Zwischen der leitfähigen Struktur und der Tastenelektrode bildet sich eine im Wesentlichen konstante Koppelkapazität C1.
Die Anordnung derartiger leitfähiger Strukturen im Bereich der Tastenelektroden hat den zusätzlichen Vorteil, dass besonders gut zwischen einer Annäherung an die Tastenelektrode und einer Berührung der Tastenelektrode unterschieden werden kann. Bei der Annäherung des Fingers an eine leitfähige Struktur bildet sich eine Koppelkapazität C2 zwischen Finger und leitfähiger Struktur. Die Koppelkapazitäten C1 und C2 bilden zusammen eine Gesamtkapazität (C1, C2) zwischen dem Finger und der Tastenelektrode 5. Während der Annäherung des Fingers an die leitfähige Struktur ändert sich diese Gesamtkapazität entsprechend der Annäherung. Das Berühren der leitfähigen Struktur führt hingegen zu einem sprunghaften Anstieg der Gesamtkapazität (C1, C2) zwischen dem Finger und der Tastenelektrode 5, da sich die Gesamtkapazität (C1, C2) sprunghaft der Koppelkapazität C1 nähert (dies ergibt sich aus der Vorschrift zur Berechnung der Gesamtkapazität (C1·C2)/(C1 + C2) für zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren).
Ein besonderer Vorteil der Anordnung leitfähiger Strukturen an der Oberfläche der Kunststoffummantelung besteht darin, dass die Selektivität der einzelnen Sensorelemente wesentlich erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Tastatur auch aus Kunststoff oder einem textilen Material gefertigt sein, wobei die Tastenelektroden 5 als leitender Auftrag ausgestaltet sind. Eine metallische Leitfähigkeit ist für die Tastenelektroden nicht notwendig. Als leitender Auftrag können etwa leitende Farben verwendet werden. Solche Ausführungen sind besonders preisgünstig herzustellen.
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der Tastenelektroden 5 als Matrix. Eine derartige Anordnung ist in 2 gezeigt. Für jede Taste sind zwei (oder mehrere) Tastenelektroden 5 vorgesehen. Jeder Taste der Tastatur kann so eine eindeutige Kombination von aktivierten Tastenelektroden zugeordnet werden.
In 2 sind jeder Taste der Tastatur jeweils zwei Tastenelektroden 5.1 und 5.2 zugeordnet, wobei jede der Tastenelektroden mit der Clientelektronik 4 verbunden ist. Die Clientelektronik 4 detektiert die Annäherung an die Tastenelektroden bzw. die Berührung der Tastenelektroden. Die Clientelektronik 4 stellt abhängig von der Kombination der aktivierten Tastenelektroden 5.1 und 5.2 ein Modulationssignal an der Koppelfläche 3 bereit, bzw. überträgt das Modulationssignal an die Serverelektronik. Die Übertragung an die Serverelektronik erfolgt durch Lastmodulation.
Bei einer Matrix-Anordnung der Tastenelektroden 5.1 und 5.2 hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Tastenelektroden zeilen- bzw. spaltenweise zu verbinden, wobei jeweils die Tastenelektroden 5.1 einer Spalte verbunden werden und die Tastenelektroden 5.2 einer Zeile verbunden werden. Damit ist jede Taste eindeutig über ihre Zeile und Spalte definiert.
Anhand der Kapazitätsänderungen kann die Clientelektronik 4 unterscheiden, ob eine Taste berührt wurde oder ob der Raum zwischen den Tasten berührt wurde. Denn bei geeigneter Wahl der Abmessungen der Tatenelektroden kann erreicht werden, dass die kapazitive Koppelung zwischen Finger und Tastenelektrode bei einer Berührung der Tastatur zwischen den Tasten oder bei Berühren der Tastenzuführung nicht ausreicht, um die Clientelektronik 4 zu aktivieren. Mit der bereits gezeigten leitfähigen Struktur an der Oberfläche der Tastatur kann das Unterscheiden zwischen Berühren einer Tastenelektrode und Berühren eines anderen Bereiches der Tastaturoberfläche noch weiter verbessert werden.
Eine noch weitere Verbesserung der Unterscheidung zwischen Berühren einer Tastenelektrode und Berühren eines anderen Bereiches der Tastaturoberfläche kann bei der Matrix-Anordnung der Tastenelektroden dadurch erreicht werden, dass die Tastenelektroden 5.1 und 5.2 jeder zweiten Spalte um die vertikale Achse der Tastenelektrode 5 im Verhältnis zur benachbarten Spalte gespiegelt angeordnet werden. Die Tastenelektroden 5.1 bzw. die Tastenelektroden 5.2 zweier benachbarter Spalten sind somit gegenüberliegend angeordnet. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in der dritten Zeile der matrixförmigen Elektrodenanordnung in 2 gezeigt. Die Anordnung der Tastenelektroden 5.1 und 5.2 in der mittleren Spalte ist genau spiegelverkehrt zur Anordnung der Tastenelektroden 5.1 und 5.2 der ersten und dritten Spalte. Eine Berührung der Tastatur zwischen der ersten und der zweiten Tastenelektrode in der dritten Zeile würde dann bewirken, dass nur die Tastenelektroden 5.2 der ersten und zweiten Spalte aktiviert werden, was dazu führt, dass nur das Elektrodennetz der Tastenelektroden 5.2 der dritten Zeile aktiviert ist. Die Clientelektronik 4 kann diese Situation auswerten und daraufhin entweder einen Fehlercode an die Serverelektronik übertragen oder die Situation einfach ignorieren.
Bei Aufbau der Tastatur auf einer dünnen flexiblen Kunststofffolie können die Tastenelektroden 5.1 (Spaltenelektroden) und die Tastenelektroden 5.2 (Zeilenelektroden) auf jeweils einer Seite der Kunststofffolie angebracht sein. Der Aufbau der Schaltung lässt sich so vereinfachen.
3 zeigt weitere Elektrodenformen, wie sie in der erfindungsgemäßen Tastatur als Tastenelektroden zum Einsatz kommen können. Weitere, hier nicht gezeigte Elektrodenformen können verwendet werden.
4 zeigt als Blockschaltbild eine Ausführungsform einer Clientelektronik 4, wobei hier nur die für den Aufbau der Clientelektronik 4 notwendigen Komponenten gezeigt sind.
Die Clientelektronik 4 weist eine Einkoppelelektrode EE (welche der Koppelflächen 3 aus 1 und 2 entspricht) und mehrere Tastenelektroden TE (Tastenelektroden 5 bzw. 5.1 und 5.2 aus 1 bis 3) auf.
Die elektrische Energie bzw. das von der Serverelektronik an der Gegenkoppelfläche 7 abgestrahlte elektrische Wechselfeld wird als Trägerschwingung in die Einkoppelelektrode EE eingekoppelt. Die Einkoppelelektrode EE dient auch zur Übertragung der von der Clientelektronik 4 erzeugten Signale zur Serverelektronik. Jede Tastenelektrode TE ist mit einem Gleichrichter RECT verbunden, der an seinem Ausgang V die aus dem Trägersignal gewonnene Gleichspannung der Powermanagement-Einheit POWER zu Verfügung stellt. Die Ausgänge ON der Gleichrichter RECT signalisieren, dass der jeweilige Gleichrichter (und die dazugehörige Tastenelektrode TE) aktiviert ist. Die Powermanagement-Einheit POWER bereitet die Speisespannung für die Funktionsblöcke der Clientelektronik auf.
Die Aktivierungssignale ON der Gleichrichter RECT werden einem Dekoder DECODER zugeführt und dort dekodiert. Der Dekoder stellt für jede Kombination aus aktivierter Zeile und Spalte ein Signal bereit, welches dieser Kombination zugeordnet ist. Das Signal kann eine vorherbestimmte Frequenz oder ein vorherbestimmter Code sein. Die verschiedenen Frequenzen oder Codes, welche den verschiedenen Kombinationen zugeordnet sind, können beispielsweise in einer Lookup-Tabelle abgelegt sein. Anstelle von Frequenzen können für die verschiedenen Kombinationen auch Teilungsverhältnisse in der Lookup-Tabelle abgelegt sein, welche einem Frequenzteiler zugeführt werden, um aus einer vorherbestimmten Frequenz eine der Kombination zugeordnete Frequenz zu erzeugen.
Im Falle einer Frequenzkodierung holt der Dekoder aus der Lookup-Tabelle das der aktivierten Kombination zugeordnete Teilungsverhältnis aus der Lookup-Tabelle. Dieses Teilungsverhältnis wird in den Frequenzteiler geladen, welcher aus der Trägerfrequenz des eingekoppelten Wechselfeldes die Signalfrequenz durch Teilung erzeugt. Der Dekoder stellt damit ein der berührten Taste entsprechendes Modulationssignal einer Modulationseinrichtung MODULATOR bereit. Die Modulationseinrichtung MODULATOR führt dann eine Amplitudenmodulation des Trägersignals mit der Frequenz des Modulationssignals durch.
Ein gleichzeitiges Berühren mehrerer Tastenelektroden führt zur Aktivierung von mehrerer Zeilen bzw. Spalten der Elektrodenmatrix. Das gleichzeitige Berühren mehrerer Tastenelektroden 5 (d. h. wenn mehr als eine Spalte oder eine Zeile gleichzeitig aktiviert sind) wird von dem Dekoder erkannt. Der Dekoder kann dazu ausgestaltet sein, in einem solchem Fall ein spezielles Modulationssignal ”Fehlersignal” der Modulationseinrichtung zur Verfügung stellen. Das Fehlersignal hat im Falle der Frequenzkodierung eine spezielle Frequenz, mit welcher das Trägersignal moduliert wird. Das Teilungsverhältnis zum Erzeugen dieser Frequenz kann ebenfalls in der Lookup-Tabelle abgelegt sein. Die Serverelektronik kann die mit dem Fehlersignal modulierte Last erkennen und eine Fehlermeldung ausgeben. Alternativ kann die Serverelektronik den erkannten Fehler auch ignorieren.
Alternativ kann anstelle der frequenzkodierten Tastendarstellung ein der jeweiligen Taste entsprechender Code an die Serverelektronik übermittelt werden.
Das Vorhandensein einer zentralen Clientelektronik 4, die alle Tasten erfasst und das der jeweiligen Taste entsprechende Signal an die Serverelektronik im Mobiltelefon mittels Lastmodulation überträgt, hat spezifische Vorteile gegenüber der Lösung mit vielen einzelnen Clientelektronikeinheiten (d. h. eine Clientelektronikeinheit pro Taste):

– die gesamte Clientelektronik kann als ein ASIC bereitgestellt werden;
– die Intermodulationen einzelner Clientelektronikeinheiten werden eliminiert. Das gilt besonders für die Matrix-Anordnung der Tastenelektroden, wo ansonsten immer mehrere (2) Signale zu erfassen wären;
– da an der Serverelektronik nicht mehrere Signale gleichzeitig erfasst werden müssen, wird der Hardware- und Softwareaufwand für die Serverelektronik minimiert. So ist es beispielsweise bei der Frequenzkodierung der Tasten ausreichend, in der Serverelektronik nur einen Frequenzzähler zu realisieren (auf Fourier-Transformationen zur Signaltrennung kann verzichtet werden).

Die Erfindung ist nicht auf eine Ausführungsform beschränkt, bei welcher die erfindungsgemäße Tastatur für ein Mobiltelefon eingesetzt wird. Selbstverständlich kann die Tastatur auch in Kombination anderer Geräte, insbesondere mobiler Geräte, etwa Tablet-PC, PDA, eBook-Reader etc. verwendet werden.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Tastatur auch so ausgestaltet sein, dass sie sich als Bedieneinheit für beliebige andere elektronische Geräte verwenden lässt. Die entsprechende Ausgestaltung der Tastatur wird durch entsprechende Anordnung der Tastenelektroden und einer entsprechenden Beschriftung der Bedienoberfläche erreicht. Gemäß der Erfindung lassen sich so auch besonders flexible, leichte und kostengünstige Bedieneinheiten herstellen, welche kabellos an zu bedienende Geräte angebunden sind und keine eigene Stromversorgung benötigen.

1: Mobiltelefon (Datenverarbeitungseinrichtung)
2: Tastatur (Eingabeeinrichtung)
3: Einkoppelfläche (Einkoppelelektrode)
4: Clientelektronik (Zeropower-basierte Elektronik)
5: Tastenelektrode
5.1: geteilte Tastenelektrode
5.2: geteilte Tastenelektrode
6: Leiterbahnen
7: Gegenkoppelfläche (Serverelektrode)
EE: Einkoppelelektrode
TE: Tastenelektrode
POWER: Powermanagement-Einheit
MODULATOR: Modulationseinrichtung
DECODER: Dekoder

Claims

Eingabeeinrichtung (2), insbesondere Tastatur, für eine Datenverarbeitungseinrichtung (1), aufweisend – eine Einkoppelfläche (3) zum Einkoppeln eines elektrischen Wechselfeldes, welches von der Datenverarbeitungseinrichtung abstrahlbar ist, – eine Clientelektronik (4), welche ausgestaltet ist, das eingekoppelte Wechselfeld zu modulieren, und – zumindest eine Tastenelektrode (5), welche mit der Clientelektronik (4) gekoppelt ist, wobei eine Änderung der Kapazität zwischen der zumindest einen Tastenelektrode (5) und der Erde, welche durch die Annäherung eines Objektes an die Tastenelektrode (5) hervorgerufen wird, eine vorherbestimmte Modulation des eingekoppelten Wechselfeldes durch die Clientelektronik (4) bewirkt.
Eingabeeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Clientelektronik (4) aufweist: – zumindest einen Gleichrichter (RECT), welcher mit einer der zumindest einen Tastenelektrode (5) koppelbar ist, wobei der Gleichrichter ausgestaltet ist zum Erzeugen einer Gleichspannung aus dem eingekoppelten elektrischen Wechselfeld und zum Bereitstellen eines Signal, welches indikativ für die Annäherung eines Objektes an die mit dem Gleichrichter gekoppelte Tastenelektrode (5) ist, – eine Powermanagement-Einheit (POWER), welche mit dem Ausgang (V) des zumindest einen Gleichrichters (RECT) verbunden ist, wobei an dem Ausgang (V) die aus dem eingekoppelten Wechselfeld erzeugte Gleich spannung anliegt und wobei die Powermanagement-Einheit (POWER) zum Aufbereiten der Gleichspannung für den Betrieb der Eingabeeinrichtung (2) ausgestaltet ist, – einen Dekodierer (DECODER), dem das von dem mindestens einen Gleichrichter (RECT) bereitgestellte Signal zugeführt wird, und welcher ausgestaltet ist, das zugeführte Signal zu dekodieren, – Mittel (SIGNAL) zum Generieren eines Modulationssignals in Abhängigkeit vom dekodierten Signal, und – eine Modulationseinrichtung (MODULATOR) zum Erzeugen einer Amplitudenmodulation des eingekoppelten Wechselfeldes mit dem Modulationssignal.
Eingabeeinrichtung nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Gleichrichter (RECT) ein für die Annäherung eines Objektes an die Tastenelektrode (5) indikatives Signal bereitstellt, wenn sich die Kapazität zwischen der Tastenelektrode (5) und der Erde um ein vorherbestimmtes Maß ändert.
Eingabeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Tastenelektrode (5) mindestens eine erste und eine zweite Teilelektrode umfasst, wobei eine Anzahl der ersten Teilelektroden miteinander verbunden sind, wobei eine Anzahl der zweiten Teilelektroden miteinander verbunden sind und wobei die verbundenen ersten Teilelektroden und die verbundenen zweiten Teilelektroden jeweils mit der Clientelektronik (4) gekoppelt sind.
Eingabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Mehrzahl von Tastenelektroden (5), wobei jede Tastenelektrode (5) eine erste Teilelektrode (5.1) und eine zweite Teilelektrode (5.2) umfasst, wobei die Teilelektroden (5.1, 5.2) matrixförmig angeordnet sind, wobei die ersten Teilelektroden (5.1) einer Spalte miteinander verbunden sind, wobei die zweiten Teilelektroden (5.2) einer Zeile miteinander verbunden sind, wobei jede Zeile und jede Spalte mit der Clientelektronik (4) gekoppelt ist und wobei jede Tastenelektrode (5) über ihre Zeile und Spalte von der Clientelektronik (4) eindeutig identifizierbar ist.
Eingabeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einkoppelfläche (3), die zumindest eine Tastenelektrode (5) und die Clientelektronik (4) auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind.
Eingabeeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die flexible Leiterplatte mit einer Ummantelung versehen ist, wobei die Eingabeeinrichtung faltbar und/oder aufrollbar ausgestaltet ist, und wobei an der Oberfläche der Ummantelung, vorzugsweise im Bereich der Tastenelektroden (5), leitfähige Strukturen aufgebracht sind, wobei zwischen einer leitfähigen Struktur und der Tastenelektrode (5) eine im Wesentlichen konstante Kapazität gebildet wird.
Eingabeeinrichtung nach Anspruch 7, wobei die leitfähigen Strukturen im Wesentlichen kongruent zu den Tastenelektroden (5) ausgestaltet sind.
Datenverarbeitungseinrichtung (1), welche zum Zusammenwirken mit einer Eingabeeinrichtung (2) gemäß den vorherigen Ansprüchen ausgestaltet ist, aufweisend: – einen elektrischen Kreis zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes, – eine Gegenkoppelfläche (7), an welcher das elektrische Wechselfeld abstrahlbar ist, und – Mittel zum Auswerten einer elektrischen Größe, wobei die Auswertung eine Erfassung einer Lastveränderung in dem elektrischen Kreis umfasst und wobei die Lastveränderung von der Eingabeeinrichtung (2) bewirkt wird.
Datenverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei eine ausgewertete elektrische Größe einer Auswahl einer Tastenelektrode (5) an der Eingabeeinrichtung (2) zuordenbar ist.
Datenverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung eine mobile Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere ein Mobiltelefon oder ein persönlicher digitaler Assistent (PDA) ist.
Datenverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, weiter aufweisend eine Schnittstelle zum Verbinden der Datenverarbeitungseinrichtung mit einem mobilen Gerät, insbesondere mit einem Mobiltelefon oder einem persönlicher digitaler Assistent (PDA), wobei die ausgewertete elektrische Größe über die Schnittstelle an das mobile Gerät übertragbar ist.
Verfahren zur Übertragung von Schaltereignissen von einer Eingabeeinrichtung (2) mit Tastenelektroden (5) zu einer Datenverarbeitungseinrichtung (1), aufweisend – Einkoppeln eines elektrischen Wechselfeldes in eine Einkoppelfläche (3) der Eingabeeinrichtung (2), wobei das elektrische Wechselfeld von der Datenverarbeitungseinrichtung (1) abgestrahlt wird; – Erzeugen eines für die Annäherung eines Objektes an eine Tastenelektrode (5) indikativen Signals; – Dekodieren des für die Annäherung indikativen Signals; – Erzeugen eines Modulationssignals, wobei das Erzeugen des Modulationssignals in Abhängigkeit von dem dekodierten Signal erfolgt; und – Durchführen einer Amplitudenmodulation des eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes mit dem Modulationssignal, wobei die Amplitudenmodulation eine Änderung der Last der Datenverarbeitungseinrichtung (1) bewirkt, welche durch die Datenverarbeitungseinrichtung (1) detektierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter aufweisend Bereitstellen einer Gleichspannung für den Betrieb der Eingabeeinrichtung (2), wobei die Gleichspannung aus dem eingekoppelten elektrischen Wechselfeld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das für die Annäherung eines Objektes an eine Tastenelektrode (5) indikative Signal erzeugt wird, wenn die kapazitive Koppelung zwischen dem Objekt und der Tastenelektrode (5) eine vorbestimmte Kapazität überschreitet.