DE102009017419A1 - Kapazitiver Positionssensor - Google Patents

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Abstract

Geschaffen wird ein kapazitiver Positionssensor mit einer zweischichtigen Elektrodenstruktur. Ansteuerelektroden erstrecken sich in einer ersten Richttrats. Erfassungselektroden erstrecken sich in einer zweiten Richtung auf einer zweiten Ebene an der anderen Seite des Substrats so, dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden an einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die zusammen ein Positionserfassungsfeld bilden. Die Erfassungselektroden sind mit Verzweigungen versehen, die sich über einen Teil des Weges in der ersten Richtung so auf jede benachbarte Erfassungselektrode zu erstrecken, dass Endabschnitte der Verzweigungen aneinandergenzender Erfassungselektroden gleichen Verlauf in der ersten Richtung aufweisen, und um einen Abstand getrennt sind, der so gering ist, dass kapazitive Kopplung zu der Ansteuerelektrode, die an den gleich verlaufenden Abschnitt angrenzt, reduziert wird. Vorhandensein von Erfassungselektroden-Verzweigungen ermöglicht es, einen Sensor herzustellen, der bei einer bestimmten Anzahl von Erfassungskanälen eine größere Ausdehnung in der ersten Richtung hat, da die gleich verlaufenden Abschnitte einen Interpolationseffekt bewirkten. Die Anzahl von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode kann erhöht werden, so dass ein Sensor hergestellt werden kann, der eine noch größere Ausdehnung in der ersten Richtung hat, ohne dass die Anzahl von Erfassungskanälen erhöht werden muss.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft kapazitive Positionssensoren. Die Erfindung betrifft insbesondere zweidimensionale kapazitive Positionssensoren des Typs, der auf kapazitiven Näherungserfassungsmethoden basiert. Derartige Sensoren können als zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren (2-dimensional capacitive tranducing (2DCT) sensors) bezeichnet werden. Zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren basieren darauf, dass eine Störung einer kapazitiven Kopplung von Sensorelektroden erfasst wird, die durch die Nähe eines Zeigeobjektes verursacht wird. Eine gemessene Position der Störung entspricht einer gemessenen Position des Zeigeobjektes.
  • US 6,452,514 [6], US 7,148,704 [7] und US 5,730,165 [8] offenbaren kapazitive Berührungssensoren nach dem Stand der Technik.
  • Zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren werden normalerweise mit einem Finger eines Menschen oder einem Eingabestift (stylus) betätigt. Zu beispielhaften Vorrichtungen gehören der sog. Touchscreen bzw. Sensorbildschirm und berührungsempfindliche Tastaturen/Tastenfelder, wie sie beispielsweise zum Steuern von Unterhaltungselektronikgeräten/Haushaltsgeräten eingesetzt werden, und zwar möglicherweise mit einer darunter liegenden Anzeige, wie beispielsweise einer Flüssigkristallanzeige (LCD) oder einer Kathodenstrahlröhre (CRT). Zu anderen Vorrichtungen, die zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren enthalten können, gehören sogenannte Tablets mit Stifteingabe sowie Umsetzer (encoder), die in Maschinen beispielsweise für Regelungszwecke eingesetzt werden. Zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren sind in der Lage, mittels eines kapazitiven Erfassungsmechanismus wenigstens eine kartesische oder anderweitige zweidimensionale Koordinate zu melden, die sich auf die Position eines Objektes oder eines menschlichen Körperteils bezieht.
  • Vorrichtungen, bei denen zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren eingesetzt werden, haben zunehmend Popularität und Verbreitung gewonnen, und zwar nicht nur in Verbindung mit Personal Computern, sondern in allen Arten anderer Geräte, wie beispielsweise PDA, POS-Terminals, elektronischen Informations- und Ticket-Kiosken, Küchengeräten und dergleichen. Zweidimensionale Wandlersensoren werden häufig gegenüber mechanischen Schaltern aus einer Reihe von Gründen bevorzugt. Für zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren sind beispielsweise keine beweglichen Teile erforderlich, und daher sind sie weniger anfällig für Verschleiß als ihre mechanischen Pendants. Zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren können auch in relativ kleiner Größe hergestellt werden, so dass entsprechend kleine und kompakte Tastenfeldanordnungen geschaffen werden können. Des Weiteren können zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren unter einer gegenüber der Umgebung abgedichteten Außenfläche/Abdeckplatte vorhanden sein. Dadurch wird ihr Einsatz in feuchten Umgebungen oder dort, wo die Gefahr besteht, dass Schmutz oder Flüssigkeiten in eine Vorrichtung, die gesteuert wird, eindringen, attraktiv. Des Weiteren ziehen Hersteller häufig den Einsatz von Schnittstellen auf Basis von zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensoren in ihren Erzeugnissen vor, da derartige Schnittstellen von Verbrauchern häufig als ästhetisch ansprechender empfunden werden als herkömmliche mechanische Eingabemechanismen (beispielsweise Druckknöpfe).
  • WO 2009/027629 [9], veröffentlich am 5. März 2009, beschreibt einen kapazitiven Berührungssensor, der eine dielektrische Platte umfasst, die eine Ansteuerelektrode mit zwei Erfassungselektroden überdeckt. Eine der Erfassungselektroden ist so angeordnet, dass sie durch die erste Erfassungselektrode gegenüber der Ansteuerelektrode abgeschirmt ist, so dass die erste Erfassungselektrode einen Großteil der von der Ansteuerelektrode gekoppelten Ladung empfängt und die zweite Elektrode primär Rauschen erfasst. Eine Erfassungsschaltung, die zwei Detektorkanäle enthält, ist mit der ersten (gekoppelten) und zweiten (Rausch-)Erfassungselektrode verbunden, um jeweils Signal-Abtastwerte zu empfangen. Die Erfassungsschaltung kann so betrieben werden, dass sie ein Abschlusssignal ausgibt, das gewonnen wird, indem der zweite Signal-Abtastwert von dem ersten Signal-Abtastwert subtrahiert wird, um Rauschen zu unterdrücken.
  • Mit dem oben beschriebenen Verfahren nehmen jedoch die Größe und Dicke zu und die Auflösung einer Vorrichtung, die einen Anzeigebildschirm mit einem zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensor enthält, wird möglicherweise verringert, wenn es aktueller oder wünschenswerter ist, kleinere Geräte herzustellen. Des Weiteren sind zusätzliche Schritte bei der Herstellung erforderlich, und daher entstehen höhere Kosten, da weitere Bauteile erforderlich sind.
  • Das europäische Patent EP 1821175 [10] beschreibt eine alternative Lösung zur Reduzierung des an einem zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Berührungssensor erfassten Rauschens. EP 1821175 [10] offenbart eine Anzeigevorrichtung mit einem Berührungssensor, die so eingerichtet ist, dass der zweidimensionale Berührungssensor über einer Anzeigevorrichtung liegt, um einen berührungsempfindlichen Anzeigebildschirm zu erzeugen. Die Anzeigevorrichtung verwendet eine LCD-Anordnung mit vertikalem und horizontalem Schalten der LCD-Pixel. Die Berührungserfassungsschaltung enthält eine Stromerfassungsschaltung, eine Rauschbeseitigungsschaltung sowie eine Abtastschaltung für jeden einer Vielzahl von Sensoren, die so angeordnet sind, dass sie die zweidimensionale Sensoranordnung bilden. Die Stromerfassungsschaltung empfängt ein Strobe-Signal, das aus den horizontalen und vertikalen Schaltsignalen des LCD-Bildschirms erzeugt wird. Das Strobe-Signal wird verwendet, um eine Austastung der Stromerfassungsschaltung während einer Periode auszulösen, in der das Spannungssignal zum horizontalen Umschalten die durch die Erfassungsschaltung durchgeführte Messungen beeinflussen kann.
  • WO 2009/016382 [11], veröffentlicht am 5. Februar 2009, beschreibt einen Sensor, der eingesetzt wird, um einen zweidimensionalen Berührungssensor herzustellen, der auf einem Flüssigkristallanzeige (LCD)-Bildschirm angeordnet werden kann. Die Auswirkungen von Schaltrauschen auf die Erfassung eines Objektes, das durch ein gemeinsames Spannungssignal des LCD-Bildschirms verursacht werden, können reduziert werden. Der Sensor umfasst eine Kapazitätsmessschaltung, die so betrieben werden kann, dass sie die Kapazität des Erfassungselementes misst, sowie eine Steuerschaltung, die Ladezyklen der Kapazitätsmessschaltung steuert. Die Steuerschaltung ist so konfiguriert, dass sie Ladezyklen zu einer vorgegebenen Zeit und synchron zu einem Rauschsignal erzeugt. Die Ladeübertragungszyklen bzw. „Bursts” können beispielsweise während bestimmter Stufen des von dem Anzeigebildschirm ausgegebenen Rausch-Ausgangssignals durchgeführt werden, d. h., in Stadien, in denen das Rauschen die durchgeführte Kapazitätsmessung nicht nennenswert beeinflusst. Der Sensor kann daher so eingerichtet sein, dass er effektiv das von einem Anzeigebildschirm ausgegebene Rauschen aufnimmt und die Ladungsübertragungs-Bursts automatisch so synchronisiert, dass sie in Stadien des Rauschausgabezyklus auftreten.
  • 21 der beigefügten Zeichnungen stellt schematisch einen repräsentativen Abschnitt der Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik von US 6,562,514 bzw. des Äquivalentes WO 00/44018 [1], veröffentlicht am 27. Juli 2000, dar. Eine Vielzahl von Ansteuerelektroden X1, X2, X3 und X4, die sich in Reihen erstrecken, sind mit einer Vielzahl von Erfassungselektroden Y1, Y2, Y3 und Y4 angeordnet, die sich in Spalten erstrecken, wobei die Schnittpunkte bzw. Überkreuzungen der X- und V-Elektroden eine Matrix bzw. ein Gitter von Erfassungspunkten oder -bereichen 220 bilden. Es versteht sich, dass sich die X- und Y-Elektroden nicht tatsächlich schneiden, sondern in der vertikalen bzw. Z-Richtung senkrecht zu der Ebene der Zeichnung versetzt sind und durch eine dielektrische Schicht, üblicherweise eine Substratplatte, getrennt sind, die die X-Elektroden an einer Seite und die Y-Elektroden an der anderen Seite trägt. Jeder Elektroden-Kreuzungsbereich 220 wirkt als eine Taste, so dass das Vorhandensein eines Körpers, wie beispielsweise des Fingers eines Benutzers, aufgrund einer Änderung einer Ladungsmenge erfasst wird, die zwischen den zwei Elektroden an der Tastenposition übertragen wird. Bei dieser Anordnung wird jede der Elektroden X1, X2, X3 und X4 mit einer Ansteuerschaltung 118 über Verbindungen 105 angesteuert, und die anderen Elektroden Y1, Y2, Y3 und Y4 sind über Erfassungskanäle 116, die eine Ladungsmenge erfassen, die an jedem der Erfassungsbereiche 220 vorhanden ist, mit einer Ladungsmessschaltung 118 verbunden. Es ist zu beachten, dass der Einfachheit halber die gesamte Steuerschaltung in eine einzelne Schaltung 118 integriert ist. Derartige zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren werden normalerweise mit Geräten eingesetzt, die berührungsempfindliche Bildschirme oder berührungsempfindliche Tastaturen/Tastenfelder enthalten, die beispielsweise in Unterhaltungselektronikgeräten und Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Der zweidimensionale kapazitive Wandlersensor ist vom sogenannten „aktiven” bzw. „wechselseitigen” Typ, bei dem die Nähe eines Objektes durch die Änderungen erfasst wird, die in der Kopplung zwischen einer Ansteuerelektrode und einer oder mehreren angrenzenden Erfassungselektroden induziert werden.
  • Bei dem oben beschriebenen zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensor wird Interpolation angewendet, um die Position eines Objektes oder Fingers an den Sensor angrenzend zu bestimmen. Dies wird unter Verwendung der Signale von dem berührten Erfassungsbereich und den benachbarten Erfassungsbereichen in einem linearen Interpolationsalgorithmus ausgeführt. Damit eine Interpolation genau ist, sollte jedoch das elektrische Feld zwischen benachbarten Ansteuerelektroden linear oder zumindest bekannt sein. Wenn die Elektroden nahe beieinander angeordnet sind, kann angenommen werden, dass das elektrische Feld zwischen zwei Elektroden linear ist. Das heißt, bei Bewegung von einer Elektrode weg verringert sich das Feld linear.
  • Wenn die Größe von Vorrichtungen zunimmt, bei denen zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren eingesetzt werden, sind zweidimensionale kapazitive Wandlersensoren mit größerer Fläche erforderlich. Um die Fläche des zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensors zu vergrößern und gleichzeitig die gleiche Auflösung und Genauigkeit beizube halten (d. h. Einsatz eines nicht linearen Interpolationsverfahrens zu vermeiden), könnte die Anzahl von Ansteuer- und Erfassungselektroden erhöht werden. Dies bedeutet jedoch, dass die Anzahl von Verbindungen, die von den Steuerschaltungen erforderlich sind, zunimmt, was wiederum zu aufwändigeren Steuerschaltungen und längeren Erfassungszeiten führt, da die Erfassung von Signalen von jedem der Erfassungsbereiche normalerweise wenigstens teilweise in Reihe ausgeführt werden muss, da aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl von Ansteuer- und Erfassungsleitungen und Steuerkanälen, d. h. Chip-Anschlussstiften, nicht alle Erfassungsbereiche gleichzeitig abgefragt werden können.
  • 22 der beigefügten Zeichnungen stellt schematisch einen repräsentativen Abschnitt der Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik von US 2008/0246496 [2] dar, die am 9. Oktober 2008 eingereicht wurde. Die Figur stellt ein Muster von Elektroden dar, das Längs(Streifen)-Ansteuerelektroden 152 umfasst. Die Ansteuerelektroden 152 sind über Ansteuerkanäle 158 und 160 mit eine Steuereinheit (in der Figur nicht dargestellt) verbunden. Jeder Ansteuerkanal führt der Gruppe von vier Ansteuerelektroden 152 Ansteuersignale zu. Die Ansteuerelektroden 152 sind durch eine Kette bzw. Reihe von Widerständen 170 mit dem gleichen Wert jeweils miteinander verbunden. Als Alternative dazu könnte ein einzelner Widerstandsstreifen eingesetzt werden (in der Figur nicht gezeigt). Wenn sie betrieben werden, empfangen die gruppierten Ansteuerelektroden ein Ansteuersignal mit anderem Wert. Wenn beispielsweise der Ansteuerkanal 160 mit einem Ansteuersignal verbunden ist und der Ansteuerkanal 158 mit Erde verbunden ist, empfängt die direkt mit Ansteuerkanal 160 verbundene Elektrode den angelegten Signalwert, die Ansteuerelektrode darunter empfängt zwei Drittel des Wertes des angelegten Signals und die Ansteuerelektroden darunter empfängt ein Drittel des Wertes des angelegten Signals. Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist die vierte Elektrode, die direkt mit dem Ansteuerkanal 158 in der Figur verbunden ist, mit Erde verbunden. Das oben beschriebene Verfahren kann jedoch so wiederholt werden, dass der Ansteuerkanal 158 mit einem Ansteuersignal verbunden ist und der Ansteuerkanal 160 mit Erde verbunden ist. Dies ermöglicht es, effektiv vier Ansteuerelektroden mit nur zwei Ansteuerkanälen anzusteuern. Die in der Figur dargestellte Anordnung kann wiederholt und erweitert werden, so dass sie mehr Zwischen-Ansteuer-elektroden mit jeweiligen Widerständen enthält. Das oben beschriebene Verfahren eignet sich jedoch nur für die Ansteuerelektroden und kann nicht auf die Erfassungselektroden übertragen werden. Die in der Figur gezeigten Ansteuerelektroden sind mit benachbarten Ansteuerelektroden auf einer einzelnen Fläche verschachtelt. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die in der Figur gezeigten Ansteuerelektroden auch für Zwei- oder Doppelschicht-Designs eingesetzt werden könnten.
  • Es wäre daher vorteilhaft, eine Elektrodenstruktur für einen wechselseitig kapazitiven oder aktiven zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensor zu schaffen, das eingesetzt werden kann, um die Größe des Gesamt-Erfassungsbereiches zu vergrößern, ohne dass mehr Erfassungskanäle hergestellt werden müssen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Positionssensor geschaffen, der eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die sich in einer ersten Richtung auf einer ersten Ebene erstrecken; und eine Vielzahl von Erfassungselektroden umfasst, die sich in einer zweiten Richtung auf einer zweiten Ebene erstrecken, die gegenüber der ersten Ebene so versetzt ist, dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden an einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die zusammen eine Positionserfassungsanordnung bilden, wobei die Erfassungselektroden Verzweigungen aufweisen, die sich über einen Teil des Weges in der ersten Richtung auf jede angrenzende Erfassungselektrode so zu erstrecken, dass Endabschnitte der Verzweigungen aneinandergrenzender Erfassungselektroden gleichen Verlauf in der ersten Richtung aufweisen und um einen Abstand getrennt sind, der so gering ist, dass kapazitive Kopplung zu der Ansteuerelektrode, die an den gleich verlaufenden Abschnitt angrenzt, reduziert wird.
  • In einer Ausführungsform ist für jede Ansteuerelektrode eine Gruppe von Erfassungselektroden-Verzweigungen vorhanden, so dass gleich verlaufende Abschnitte entstehen, die eine Zone zwischen benachbarten Erfassungselektroden in der ersten Richtung einnehmen. Das Vorhandensein von Erfassungselektroden-Verzweigungen erlaubt es, einen Sensor herzustellen, der bei einer gegebenen Anzahl von Erfassungskanälen in der ersten Richtung eine größere Ausdehnung hat.
  • In anderen Ausführungsformen sind für jede Ansteuerelektrode mehrere Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen vorhanden, die zueinander in der zweiten Richtung versetzt sind, wobei durch die mehreren Gruppen jeweilige gleich verlaufende Abschnitte entstehen, die sich jeweils über verschiedene Zonen in der ersten Richtung erstrecken. Die Erhöhung der Anzahl von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode er möglicht es, einen Sensor herzustellen, der in der ersten Richtung eine noch größere Ausdehnung hat, ohne dass die Anzahl von Erfassungskanälen vergrößert wird.
  • Die Erfassungselektroden sind voneinander in der ersten Richtung um einen Abstand Psense getrennt, und die Ansteuerelektroden sind voneinander in der zweiten Richtung um einen Abstand Pdrive getrennt, wobei Psense/Pdrive = 2m ± 1 gilt und dabei „m” die Anzahl von Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode ist. Das Maß des Ansteuerelektroden-Abstandes Pdrive ist vorzugsweise vergleichbar mit der Berührungsgröße des berührenden Objektes, für das der Sensor ausgelegt ist, oder kleiner als diese. Das berührende Objekt, für das der Sensor ausgelegt ist, kann ein Finger sein, der beispielsweise eine Berührungsgröße von 8–10 mm hat. Auch ein Eingabestift könnte verwendet werden.
  • In Draufsicht deckt jede Ansteuerelektrode den Bereich ab, der ihre dazugehörigen Erfassungselektroden-Verzweigungen vollständig einschließt. Das heißt, die „Stellfläche” der Erfassungselektroden liegt innerhalb ihrer dazugehörigen Ansteuerelektroden, oder der Umfang der Ansteuerelektrode liegt wenigstens in der zweiten Richtung und vorzugsweise auch in der ersten Richtung außerhalb der zugehörigen Erfassungselektroden.
  • Die Ansteuerelektroden decken vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte erste Ebene ab, wobei einzelne der Ansteuerelektroden von benachbarten Ansteuerelektroden durch geringfügige Zwischenräume getrennt sind und die Zwischenräume so dimensioniert sind, dass sie so klein sind, dass sie unsichtbar oder nahezu unsichtbar sind. Die Zwischenräume sind vorzugsweise kleiner als ungefähr 100 μ, beispielsweise bei ITO-Ansteuerelektroden. Werte der Zwischenräume von weniger als 90, 80, 70, 60 oder 50 μm können ebenfalls bevorzugt werden. Bei einigen Elektrodenmaterialien, wie beispielsweise PET, kann es schwierig sein, derartig kleine Zwischenräume herzustellen, so dass in einigen Fällen die Zwischenräume vorzugsweise weniger als ungefähr 250, 200 oder 150 μm betragen.
  • Die Ansteuer- und die Erfassungselektroden können die einzigen vorhandenen Elektrodenschichten sein, da eine zweischichtige Elektrodenkonstruktion zu verbesserter optischer Durchlässigkeit für transparente Ausführungsformen, wie sie beispielsweise für berührungsempfindliche Displays eingesetzt werden, zu dünnerer Gesamtkonstruktion und geringeren Kosten führt.
  • Eine wichtige Kombination ist der oben definierte kapazitive Berührungssensor mit einem Anzeigemodul. Das Anzeigemodul, beispielsweise ein LCD- oder OLED-Anzeigefeld, ist normalerweise unter der ersten Schicht und vor der Berührungsfläche angeordnet, so dass von oben nach unten bzw. von der Außenseite der Vorrichtung zu ihrer Innenseite hin die Bestandteile die Folgenden sind: dielektrische Schicht, deren obere Fläche die Berührungsfläche ist, Schicht 2, Substrat, Schicht 1, Anzeigefeld, wobei sich das Anzeigefeld im Inneren des Vorrichtungsgehäuses bzw. der äußeren Schale befindet. Beim Einsatz bei einer Anzeigeeinrichtung bestehen die Elektroden voraussichtlich aus ITO.
  • In einigen Ausführungsformen besteht jede Ansteuer- und/oder Erfassungselektrode aus einer durchgehenden Lage aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise ITO oder einem Metall. In anderen Ausführungsformen besteht jede Ansteuer- und/oder Erfassungselektrode aus einem Netz oder einer filigranen Struktur miteinander verbundener Leitungen aus stark leitendem Material, die zusammen jede Elektrode bilden. Bei weiteren Ausführungsformen werden durchgehende Lagen für einen der Elektrodentypen und Netzstrukturen für den anderen Elektrodentyp eingesetzt. Bei dem Einsatz von Netzstrukturen haben die miteinander verbundenen Leitungen vorzugsweise eine so geringe Breite, dass sie unsichtbar oder nahezu unsichtbar sind. Sie können dann aus einem Material bestehen, das nicht inhärent unsichtbar ist, z. B. einem Metall, wie beispielsweise Kupfer, jedoch dennoch praktisch unsichtbar bleiben.
  • Die Erfindung kann so implementiert werden, dass sie ein kartesisches „xy”-Gitter aus Berührungssensor-Positionen bildet. Insbesondere die Ansteuerelektroden können sich in einer ersten linearen Richtung erstrecken, und die Erfassungselektroden in einer zweiten linearen Richtung quer zu der ersten linearen Richtung, so dass die Vielzahl von Schnittpunkten ein Gittermuster bilden, so beispielsweise ein Quadrat, ein rhombisches oder ein rechteckiges Gitter. Die Erfindung kann auch so implementiert werden, dass sie ein polares „rθ”-Gitter bildet, in dem sich die Ansteuerelektroden bogenförmig erstrecken und sich die Erfassungselektroden radial erstrecken, so dass die Vielzahl von Schnittpunkten auf einem oder mehreren bogenförmigen Weg/en liegen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein berührungsempfindliches Feld für einen kapazitiven Berührungssensor, wobei das berührungsempfindliche Feld eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die an einer Seite eines Substrats in einer ersten Schicht angeordnet sind, und eine Vielzahl von Erfassungselektroden aufweist, die an der anderen Seite des Substrats in einer zweiten Schicht angeordnet sind, so dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden an einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die um die Dicke des Substrats zueinander versetzt sind, wobei die Ansteuerelektroden im Wesentlichen die erste Schicht vollständig einnehmen, und einzelne der Ansteuerelektroden durch kleine Zwischenräume von benachbarten Ansteuerelektroden getrennt sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein berührungsempfindliches Feld für einen kapazitiven Berührungssensor geschaffen, wobei das berührungsempfindliche Feld eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die an einer Seite eines Substrats in einer ersten Schicht angeordnet sind, und eine Vielzahl von Erfassungselektroden aufweist, die an der anderen Seite des Substrats in einer zweiten Schicht angeordnet sind, so dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden an einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die zueinander um die Dicke des Substrats versetzt sind, wobei die Erfassungselektroden Verzweigungen aufweisen, die sich über einen Teil des Weges in der ersten Richtung so auf jede angrenzende Erfassungselektrode zu erstrecken, dass Endabschnitte der Verzweigungen aneinandergrenzender Erfassungselektroden gleichen Verlauf in der ersten Richtung aufweisen und um einen Abstand getrennt sind, der so gering ist, dass die kapazitive Kopplung zu der Ansteuerelektrode, die an den gleich verlaufenden Abschnitt angrenzt, reduziert wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen einer Position einer Betätigung an einem zweidimensionalen Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung geschaffen, wobei das Verfahren umfasst:
    Anlegen an Ansteuersignalen an jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden;
    Messen von Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Ansteuerelektroden empfangen werden und einen Grad kapazitiver Kopplung der Ansteuersignale zwischen den Ansteuerelektroden und jeder Gruppe der Erfassungselektroden darstellen;
    Bestimmen der Position in der ersten Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden gewonnen werden; und
    Bestimmen der Position in der zweiten Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die gewonnen werden, indem sequenziell jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden mit jeweiligen Ansteuersignalen angesteuert wird.
  • Gemäß einer alternativen Ausprägung dieser Erfindung wird ein kapazitiver Sensor mit einer Elektrodenstruktur geschaffen, das eine Vielzahl von Erfassungselektroden umfasst, die sich im Allgemeinen in einer y-Richtung über einen Erfassungsbereich erstrecken und in einer x-Richtung beabstandet sind, wobei der Verlauf jeder der Erfassungselektroden in der y-Richtung hier als ein Hauptstrang bezeichnet wird, jede der Erfassungselektroden des Weiteren eine Vielzahl von Verlängerungen umfasst, die in der y-Richtung beabstandet sind und hier als erste Verzweigungen bezeichnet werden, die sich von dem Hauptstrang in der x-Richtung und einer -x-Richtung erstrecken, die der x-Richtung entgegengesetzt ist und die sich von dem Hauptstrang in der zweiten und der -x-Richtung nicht weiter erstrecken als der Abstand zwischen benachbarten Hauptsträngen, und wobei die ersten Verzweigungen jeder der Erfassungselektroden über den gleichen Abschnitt des Erfassungsbereiches den gleichen Verlauf haben wie die ersten Verzweigungen benachbarter Hauptstränge.
  • Die Elektrodenmstruktur kann des Weiteren eine Vielzahl von Ansteuerelektroden umfassen, die sich in der x-Richtung erstrecken und in der y-Richtung verschachtelt sind, wobei sich jede der Ansteuerelektroden in der ersten und der x-Richtung über den gleichen Abschnitt des Erfassungsbereiches erstreckt wie die ersten Verzweigungen jeder der Erfassungselektroden.
  • Die Ansteuer- und die Erfassungselektroden können an einander gegenüberliegenden Flächen eines Substrats angeordnet sein.
  • Die Ansteuer- und die Erfassungselektroden können an einer Oberfläche verschiedener Substrate angeordnet sein.
  • Die Elektrodenstruktur kann des Weiteren eine Vielzahl zweiter, dritter oder vierter Verzweigungen umfassen, die mit den ersten Verzweigungen verschachtelt sind, wobei die gleich verlaufenden Verzweigungen von benachbarten Hauptstränge zueinander versetzt sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweidimensionaler Sensor geschaffen, der die Elektrodenstruktur umfasst, wobei der Sensor des Weiteren eine Steuereinheit umfassen kann, die eine Ansteuereinheit zum Anlegen von Ansteuersignalen an die Ansteuerelektroden umfasst, sowie eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen, die von jeder der jeweiligen Erfassungselektroden empfangen werden und einen Grad kapazitiver Kopplung der Ansteuersignale zwischen den Ansteuerelektroden und jeder der Erfassungselektroden darstellen.
  • Die Steuereinheit kann des Weiteren eine Verarbeitungseinheit umfassen, mit der eine Position einer Interaktion mit dem Erfassungsbereich anhand einer Analyse der Erfassungssignale berechnet wird, die durch Anlegen von Ansteuersignalen an die Ansteuerelektroden gewonnen werden.
  • Die Verarbeitungseinheit kann so betrieben werden, dass die Position in der x-Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen bestimmt wird, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden gewonnen werden.
  • Die Verarbeitungseinheit kann so betrieben werden, dass die Position in der y-Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen bestimmt wird, die gewonnen werden, indem sequenziell jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden mit jeweiligen Ansteuersignalen angesteuert werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen einer Position einer Betätigung an einem zweidimensionalen Positionssensor geschaffen, der eine Elektrodenstruktur umfasst, die eine Vielzahl von Erfassungselektroden umfasst, die sich im Allgemeinen in einer y-Richtung über einen Erfassungsbereich erstrecken und in einer x-Richtung beabstandet sind, wobei der Verlauf jeder der Erfassungspole in der y-Richtung hier als ein Hauptstrang bezeichnet wird und jede der Erfassungselektroden des Weiteren eine Vielzahl von Verlängerungen umfasst, die in der y-Richtung beabstandet sind und hier als erste Verzweigungen bezeichnet werden, die sich von dem Hauptstrang in der x-Richtung und einer -x-Richtung erstrecken, die der x-Richtung entgegengesetzt ist, und die sich von dem Hauptstrang in der zweiten und in der -x-Richtung nicht weiter erstrecken als der Abstand zwischen benachbarten Hauptsträngen, und wobei die ersten Verzweigungen jeder der Erfassungselektroden über den gleichen Abschnitt des Erfassungsbereiches den gleichen Verlauf haben wie die ersten Verzweigungen benachbarter Hauptstränge; eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die sich in der x-Richtung erstrecken und in der y-Richtung verschachtelt sind, wobei sich jede der Ansteuerelektroden in der ersten und der x-Richtung über den gleichen Abschnitt des Erfassungsbereiches erstreckt wie die ersten Verzweigungen jeder der Erfassungselektroden, und wobei das Verfahren umfasst: Anlegen von Ansteuersignalen an jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden; Messen von Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden empfangen werden und einen Grad kapazitiver Kopplung der Ansteuersignale zwischen den Ansteuerelektroden und jeder Gruppe der Erfassungselektroden darstellen; Bestimmen der Position in der x-Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden gewonnen werden, und Bestimmen der Position in der y-Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die gewonnen werden, indem sequenziell jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden mit entsprechenden Ansteuersignalen angesteuert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird im Folgenden als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
  • 1A zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1B zeigt eine Perspektivansicht eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1C zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1D zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1E zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2A zeigt eine Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden mit Widerstandselementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2B zeigt einen Teil der in 2A gezeigten Elektrodenstruktur mit einem Mäandermuster aus Elektrodenmaterial;
  • 2C zeigt einen Teil der in 2A gezeigten Elektrodenstruktur mit siebgedruckten Widerständen;
  • 2D zeigt einen Teil der in 2A gezeigten Elektrodenstruktur mit separaten Widerständen;
  • 3 zeigt einen Teil der in 2B gezeigten Elektrodenstruktur.
  • 4 zeigt einen Teil der Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 5A zeigt einen Teil der in 2A gezeigten Elektrodenstruktur;
  • 5B zeigt eine typische Fingerspitze;
  • 6 zeigt eine Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 7A zeigt eine Elektrodenstruktur von Erfassungselektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 7B zeigt einen kapazitiven Berührungsbildschirm mit zwei Elektrodenschichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Ansteuer- und Erfassungseinheiten, die über Kanäle mit einer Steuereinheit verbunden sind;
  • 8A zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil der in 7A gezeigten Elektrodenstruktur mit Füllelektroden;
  • 8B ist ein Schnitt durch einen Teil von 8A, der kapazitive Wege zwischen Auffüllelektroden und einer X-Elektrode darstellt;
  • 9 zeigt eine Handabschattung, die durch eine nahe Position der Handfläche, des Daumens und des Handgelenks usw. an einem Berührungsbildschirm verursacht wird, wenn der Benutzer ihn mit einem Finger berührt;
  • 10 zeigt einen Teil einer Elektrodenanordnung von Erfassungselektroden;
  • 11 zeigt einen kapazitiven Berührungssensor mit zwei Elektroden gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 zeigt ein Positionssensorfeld gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 13A zeigt eine Seitenansicht des Positionssensorfeldes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 13B zeigt eine Seitenansicht des Positionssensorfeldes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 13C zeigt eine Seitenansicht des Positionssensorfeldes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 14A zeigt schematisch eine Schaltung, die eingesetzt werden kann, um die Ladung zu messen, die von einer angesteuerten der Ansteuerelektroden zu den Erfassungselektroden übertragen wird;
  • 14B zeigt schematisch die Zeitbeziehungen beim Betrieb der Schaltung in 14A;
  • 15A zeigt ein Positionssensorfeld gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 15B zeigt einen vergrößerten Abschnitt des in 15A gezeigten Positionssensors, der die Anzahl freiliegender Verzweigungsränder zeigt;
  • 16 zeigt ein Positionssensorfeld gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 17 zeigt ein Positionssensorfeld gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 18 zeigt schematisch einen tragbaren Personalcomputer, der einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
  • 19 zeigt schematisch eine Waschmaschine, die einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
  • 20 zeigt schematisch ein Mobiltelefon, das einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
  • 21 zeigt schematisch einen charakteristischen Teil eines Positionssensors nach dem Stand der Technik;
  • 22 zeigt einen charakteristischen Teil eines Positionssensors nach dem Stand der Technik.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Im Folgenden wird eine Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten für einen kapazitiven Berührungsbildschirm bzw. einen zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor beschrieben.
  • 1A und 1B sind als Seitenansicht bzw. Perspektivansicht ausgeführte und schematische Zeichnungen einer Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten für einen kapazitiven Berührungsbildschirm bzw. einen zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor. Die Schichten 101 können allgemein aus jedem beliebigen leitenden Material bestehen, und die Schichten können so angeordnet sein, dass sie einander an zwei Seiten jedes beliebigen isolierenden Substrats 102, wie beispielsweise Glas, PET, FR4 usw. gegenüberliegen. Die Dicke des Substrats 103 ist nicht ausschlaggebend. Dünnere Substrate bewirken stärkere kapazitive Kopplung zwischen den Schichten, die in dem Steuerchip verringert werden muss. Durch dickere Substrate wird die Kopplung von Schicht zu Schicht geringer, und sie werden aus diesem Grund im Allgemeinen bevorzugt (da die gemessene Änderung der Kapazität ein größerer Teil der Kapazität von Schicht zu Schicht ist und so das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird). Typische Substratdicken reichen von mehreren 10 bis mehreren 100 μm. Des Weiteren liegt auf der Hand, dass eine dielektrische bzw. isolierende Schicht so angeordnet sein kann, dass sie auf Schicht 2 über der Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten liegt, um zu verhindern, dass ein an den zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor angrenzendes Objekt mit der Oberfläche der Schichten in Kontakt kommt. Diese isolierende Schicht kann eine Glas- oder Kunststoffschicht sein.
  • 1C zeigt die Seitenansicht einer alternativen Anordnung der Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten für den kapazitiven Berührungsbildschirm bzw. den zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor, der in 1A dargestellt ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1C sind die Schichten 101 durch eine Isolierungsschicht 108 getrennt auf der gleichen Fläche des isolierenden Substrats 102 angeordnet. Eine zusätzliche dielektrische oder isolierende Schicht 104 ist auf den Elektrodenschichten angeordnet, um zu verhindern, dass ein an den zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor angrenzendes Objekt mit der Oberfläche der Schicht in Kontakt kommt.
  • 1D zeigt die Seitenansicht einer alternativen Anordnung der Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten für den in 1A gezeigten kapazitiven Berührungsbildschirm bzw. zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1D sind die Schichten 101, durch eine Isolierschicht 108 getrennt, auf der gleichen Fläche des isolierenden Substrats 102 angeordnet. Die Elektrodenschichten 101 sind jedoch an der Fläche des isolierenden Substrats angeordnet, die von der Berührungsfläche 106 am weitesten entfernt ist. Ein Anzeigefeld 100 ist ebenfalls unterhalb des Substrats 102, das die Elektrodenschichten 101 trägt, angeordnet dargestellt (schraffiert). Es versteht sich, dass das Anzeigefeld in Kombination mit dem Berührungssensor einen Berührungsbildschirm bildet. Auch ein Anzeigefeld könnte in eine Anordnung, wie sie oben in 1C dargestellt ist, eingesetzt werden.
  • 1E zeigt die Seitenansicht einer alternativen Anordnung der Konstruktion mit zwei Elektrodenschichten für den in 1A gezeigten kapazitiven Berührungsbildschirm bzw. zweidimensionalen kapazitiven Wandler-Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1E ist jede der Schichten 101 auf einer Oberfläche zweier verschiedener isolierender Substrate 102 angeordnet. Die zwei isolierenden Substrate werden so zusammengebracht, dass die zwei Elektrodenschichten 101 von der Berührungsfläche 106 getrennt sind und durch eines der isolierenden Substrate getrennt sind. Ein Anzeigefeld könnte ebenfalls in eine Anordnung, wie sie in 1E dargestellt ist, eingesetzt werden.
  • 2A zeigt eine Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden mit Widerstandselementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Schicht 1 ist die Schicht, die von der Berührungsfläche am weitesten entfernt ist. Auf Schicht 1 befindet sich, wie in 2A gezeigt, eine Anordnung von Sendeelektroden. Die Elektroden 201 sind als eine Reihe durchgehender Streifen angeordnet, die entlang einer ersten Achse 202 bzw. einer Y-Richtung verlaufen. Eine Teilgruppe der Streifen 203 ist mit dem Steuer-Chip so verbunden, dass sie als der Sender in der oben beschriebenen Sende-Empfangs-Anordnung angesteuert werden können. Die angesteuerten Streifen 203 enthalten die am weitesten außen liegenden Streifen und dann einen gleichmäßigen Zwischenraum 204 zwischen den verbleibenden angesteuerten Streifen. Die innenliegenden Streifen 205 sind unter Verwendung von Widerstandselementen 206 in einer Kette 210 verbunden, wobei die Enden der Kette mit zwei benachbarten, angesteuerten Streifen 203 verbunden sind. Die angesteuerten Streifen 203 werden als die angesteuerten X-Streifen bezeichnet, und die resistiv verbundenen Streifen 205 werden als die Widerstands-X-Streifen bezeichnet.
  • 2B, 2C und 2D zeigen drei verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung der Widerstandselemente 206. Das heißt, die Widerstandselemente 206 können unter Verwendung des Eigenwiderstandes des Elektrodenmaterials selbst in einem „mäanderförmigen” Muster 207 am Rand des Berührungsbildschirms ausgebildet werden (siehe 2B), oder können im Siebdruck an dem Rand aufgetragenes Widerstandsmaterial 208 sein (siehe 2C) oder können physisch separate Widerstände 209 entweder am Rand des Musters (2D) oder in einer separaten Schaltung sein. Durch letztere Option nimmt die verbindende Verdrahtung erheblich zu, sie kann jedoch in einigen Ausführungen von Vorteil sein.
  • Die Widerstandskette 210 dient als ein klassischer Spannungsteiler, so dass die Amplitude des Sendesignals zwischen einem angesteuerten X-Streifen und dem angrenzenden angesteuerten X-Streifen zunehmend abgeschwächt wird. Die beschriebene Gruppe von angesteuerten und Widerstands-Streifen wird als ein „Segment” 211 beschrieben. Wenn unter Verwendung dieser Kette beispielsweise der angesteuerte X-Streifen #1 303 mit einer Impulsfolge 305 relativ zu 0 V 306 und einer Spitze-Spitze-Spannung V 307 angesteuert wird und der angesteuerte X-Streifen #2 304 auf 0 V angesteuert wird, werden die Widerstands-X-Streifen zwischen diesen beiden ratiometrisch abgeschwächt.
  • 3 zeigt einen Teil der in 2B gezeigten Elektrodenstruktur, bei der beispielsweise, wenn zwei Widerstands-X-Streifen 205 vorhanden sind und die Widerstands-Teilerkette 210 aus Elementen R308 mit gleichen Werten besteht, der Widerstands-X-Streifen #1 301 eine Spitze-Spitze-Spannung von 0,66666 V hat und Widerstands-X-Streifen #2 eine Spitze-Spitze-Spannung von 0,33333 V hat. Dadurch wird das elektrische Feld, das von diesen Widerstandselektroden emittiert wird, zunehmend geschwächt, und erzeugt so einen interpolierenden Effekt für die kapazitiven Änderungen innerhalb des Segmentes zwischen angesteuerten X-Streifen. Dadurch wird die Linearität der kapazitiven Änderungen bei Bewegung innerhalb eines Segmentes verbessert. Betrieb ohne Widerstands-X-Streifen ist möglich, jedoch ist die Linearität gering, da das elektrische Feld mit dem Abstand stark nichtlinear abnimmt. Indem gleichmäßig beabstandete Widerstands-Emissionseinrichtungen eingesetzt werden, die eine Amplitude emittieren, die ein linearer Teil von dem dazugehörigen angesteuerten X-Streifen ist, neigt das Feld zum „Ausfüllen” und erzeugt eine bessere Näherung an ein lineares System.
  • In der obenstehenden Beschreibung ist Schicht 1 eine Struktur aus Sendeelektroden, die auch als Ansteuerelektroden bezeichnet werden können. Die Elektrodenstruktur von Schicht 1 kann auch als X-Elektroden bezeichnet werden. Die Ansteuerelektroden schließen die angesteuerten X-Streifen 203 und die innenliegenden X-Streifen 205 bzw. Widerstands-X-Streifen ein. Des Weiteren sind die angesteuerten bzw. Ansteuer-Elektroden so definiert, dass sie aus den äußeren angesteuerten X-Streifen 202 und dazwischenliegenden X-Streifen oder Widerstands-X-Streifen 205 bestehen, die unter Verwendung von Widerstandselementen 206 in einer Kette 210 verbunden sind. Die äußeren X-Streifen werden als angesteuerte X-Streifen 203 bezeichnet. Es liegt jedoch auf der Hand, dass alle X-Streifen angesteuerte X-Streifen sein können, ohne dass Widerstandselemente zum Einsatz kommen.
  • Typische Widerstandselemente 206 haben Widerstandswerte, die von wenigen KΩ bis zu hohen Werten von mehreren 10 KΩ reichen. Niedrigere Werte erfordern mehr Strom (und damit Energie) zum Ansteuern von dem Steuer-Chip, ermöglichen jedoch schnellere kapazitive Messungen, da sie geringere Zeitkonstanten haben und daher schneller geladen und entladen werden können. Höhere Werte erfordern weniger Strom (und damit Energie) zum Ansteuern, haben jedoch größere Zeitkonstanten und müssen daher langsamer ge- und entladen werden. Größere Werte tragen auch dazu bei, dass Widerstand, der in einer Verbindungsverdrahtung entsteht, einen geringeren Spannungsabfall an der Stärke des emittierten Feldes von den X-Streifen bewirken und bilden daher ein effizienteres System. Aus diesem Grund werden im Allgemeinen höhere Werte bevorzugt.
  • Ein weiterer Hauptgrund dafür, die Widerstands-X-Streifen einzusetzen, besteht darin, dass das Segment dadurch skalierbar wird, d. h. indem mehr Widerstands-X-Streifen hinzugefügt werden, kann das Segment vergrößert werden. Dies geht auf Kosten der räumlichen Auflösung, d. h., das Segment verwendet die gleichen zwei angesteuerten X-Streifen, und damit muss die Auflösung der Messung grundsätzlich die gleiche sein, jedoch ist das Segment jetzt über eine größere Zone ausgedehnt, so dass die räumliche Auflösung abnimmt. Wenn das Segment skalierbar gemacht wird, werden weniger angesteuerte X-Streifen und damit weniger Verbindungen mit dem Steuer-Chip benötigt. Indem der Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und Kosten für die Verbindung/Komplexität ins Gleichgewicht gebracht wird, kann für jede Auslegung eine optimale Lösung gefunden werden.
  • Insgesamt können die Streifen in Schicht 1 als im Wesentlichen flächendeckend gesehen werden, d. h., nahezu die gesamte Oberfläche ist mit Elektroden überzogen. Die Zwischenräume zwischen den Streifen 205 können beliebig klein ausgeführt werden, und unter dem Aspekt der Sichtbarkeit ist es umso besser, je kleiner sie sind. Wenn die Zwischenräume größer als ungefähr 100 μm sind, ist dies nicht ideal, da dies zu stärkerer Sichtbarkeit des Zwischenraums für das menschliche Auge führt, und häufig besteht ein Hauptziel darin, dass ein Berührungsbildschirm möglichst unsichtbar ist. Durch einen größeren Zwischenraum nimmt auch die Möglichkeit eines erheblichen elektrischen Streufeldes in der Nähe des Zwischenraums zu Elektroden in Schicht 2 zu, wodurch die Nichtlinearität verstärkt wird. Zwischenräume von wenigen 10 μm sind verbreitet, da sie nahezu unsichtbar sind und leicht in Massenproduktion erzeugt werden können, so beispielsweise Zwischenräume zwischen 20 und 50 μm.
  • 4 zeigt einen Teil der Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie unter Bezugnahme auf 4 zu sehen ist, ist es auch vorteilhaft, einen Zwischenraum mit einer kleinen an- und absteigenden Wellenstruktur 402 zwischen angesteuerten X-Streifen 402 und Widerstands-X-Streifen 403 einzusetzen, da dies hilft, den Zwischenraum bei Betrachtung durch Schicht 2 mit dem zusätzlichen Effekt der Parallaxe zu verbergen, die durch die Dicke des Substrats verursacht wird. Es können verschiedene Strukturen eingesetzt werden, um den Zwischenraum bei Betrachtung auf diese Weise zu verbergen, beispielsweise könnten eine Sinuswelle, eine Dreieckwelle oder eine Rechteckwelle eingesetzt werden. Die Frequenz und die Amplitude werden so gewählt, dass der ansonsten lange lineare Zwischenraum bei Betrachtung durch die komplexe, jedoch regelmäßige Struktur in Schicht 2 hindurch aufgeteilt wird. Die Amplitude muss auf ein Minimum verringert werden, um Fehler bei der gemeldeten Berührungskoordinate zu vermeiden.
  • 5A zeigt einen Abschnitt der in 2A gezeigten Elektrodenstruktur.
  • 5B zeigt eine typische Fingerspitze.
  • Die Elektrodenstreifen (beide Typen) sind im Allgemeinen so gestaltet, dass sie eine Grundteilung von 8 mm oder weniger haben, wie dies in 5A gezeigt ist, vorzugsweise 5 mm. Dies berücksichtigt, dass, wie in 5B gezeigt, eine typische Fingerberührung 501 eine im Allgemeinen kreisförmige Zone 502 (in 5B schraffiert dargestellt) von ungefähr 8 bis 10 mm Durchmesser erzeugt, und so Anpassung der Elektrodenteilung an die Berüh rungsgröße den Interpolationseffekt der Berührung optimiert. Wenn die Teilung der Elektroden größer ist als 8 mm, kann dies ausgeprägte Nichtlinearität im Ansprechen bewirken, da die Interpolation weniger als ideal ist. Das heißt, wenn die Elektrodenstreifen zu breit werden, neigt, wenn sich der berührende Finger senkrecht zu den Streifen bewegt, sein Einfluss zu „Sättigung” über einer Elektrode, bevor er nennenswert mit der nächsten Elektrode in Wechselwirkung tritt. Wenn die Teilung optimiert wird, verursacht der Finger einen stetig abnehmenden Einfluss auf einen Streifen, während er bereits eine ausgeglichene Zunahme an dem benachbarten Streifen zu erzeugen beginnt, wobei der Spitzeneinfluss räumlich recht ausgeprägt ist, d. h. auf eine stetige Zunahme unmittelbar eine stetige Abnahme ohne nennenswerten Übergangsabstand von Zunahme zu Abnahme (oder umgekehrt) folgt.
  • 6 zeigt eine Elektrodenstruktur von Ansteuerelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die angesteuerten X-Streifen 601 an den äußeren Rändern von Schicht 1 haben, wie unter Bezugnahme auf 6 zu sehen ist, die Hälfte der Breite aller anderen Streifen 601. Die Konstruktion insgesamt setzt sich im Wesentlichen aus mehreren identischen verknüpften Segmenten 603 zusammen, und die angesteuerten X-Streifen an der Innenseite der Schicht 604 haben ebenfalls die halbe Breite, stoßen jedoch an dem benachbarten Segment mit seinem äußeren Streifen halber Breite an, so dass angesteuerte X-Streifen innerhalb der Struktur volle Breite zu haben scheinen. 6 zeigt die virtuelle Teilung der inneren Streifen 604 mit einer gestrichelten Linie, in der Praxis bestehen die Streifen 604 natürlich aus einem Stück. Durch die Streifen halber Breite an den zwei äußeren Rändern der Struktur wird Linearität insgesamt verbessert, d. h., wenn die Struktur unendlich wäre, wäre die Linearität diesbezüglich vollkommen, aber natürlich muss die Struktur enden, und daher liegt an den Rändern natürliche Nichtlinearität vor.
  • 7A zeigt eine Elektrodenstruktur von Erfassungselektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Schicht 2 ist die Schicht, die sich am Nächsten an der Berührungsfläche befindet. Unter Bezugnahme auf die einfachste Form in 7A ist zu sehen, dass die Elektroden an Schicht 2 eine gleichmäßig beabstandete Reihe schmaler Leitungen sind, die an einer zweiten Achse um nominell 90 Grad zu der ersten Achse entlang verlaufen, die in Schicht 1 verwendet wird und hier als eine X-Richtung bezeichnet wird. Das heißt, die Schicht-1- bzw. Ansteuerelektroden schneiden die Schicht-2- bzw. Erfassungs-Elektroden. Die Elektroden auf Schicht 2 werden als die Erfassungselektroden, y-Elektroden, Y-Leitungen oder Empfangselektroden bezeichnet. Sie sind so angeordnet, dass sie direkt und vollständig über dem Bereich 703 liegen, der von dem X-Streifen darunter eingenom men wird. Der Abstand zwischen den Streifen hat einen ähnlichen Einfluss auf die Linearität wie der Abstand der X-Streifen. Dies bedeutet, dass die Y-Leitungen mit einer Teilung 704 von 8 mm oder weniger, vorzugsweise 5 mm, beabstandet sein müssen, um beste Eigenlinearität zu bewirken. Auf ähnliche Weise wie die Schicht 1 mit ihren äußeren X-Streifen halber Breite beträgt der Abstand von dem Rand der Struktur von Schicht 2 zu der ersten Leitung die Hälfte dieser Teilung 705, um die Linearität zu verbessern. Die Breite der Y-Leitungen 706 ist wichtig. Sie müssen schmal genug sein, so dass sie für das menschliche Auge nicht einfach sichtbar sind, jedoch breit genug, um einen Widerstand (an ihrem „entfernten Ende”) zu haben, der niedrig genug ist, um kompatibel mit kapazitiven Messungen zu sein. Wenn sie schmaler sind, ist dies auch besser hinsichtlich der Rauschfestigkeit, da die Flächenausdehnung der Y-Leitung einen direkten Einfluss darauf hat, wie viel elektrisches Rauschen durch eine Fingerberührung in die Y-Leitungen gekoppelt werden kann. Wenn die Y-Leitungen schmaler sind, bedeutet dies auch, dass die kapazitive Kopplung zwischen der X- und der Y-Schicht auf ein Minimum verringert wird, was, wie bereits erwähnt, dazu beiträgt, das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren.
  • 7B zeigt einen Berührungssensor 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der in der Figur gezeigte Sensor 10 kombiniert die Elektrodenstrukturen aus 2A und 7A. Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 102, das eine Elektrodenstruktur 30 trägt, die einen empfindlichen Bereich bzw. eine Erfassungszone des Sensors bildet, sowie eine Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 20 ist mit den Elektroden innerhalb der Elektrodenstruktur über eine Reihe elektrischer Verbindungen gekoppelt, die im Folgenden beschrieben werden. Die Elektrodenstruktur 30 besteht aus Elektroden von Schicht 1 und Elektroden von Schicht 2 an einander gegenüberliegenden Seiten des Substrats 102, wie dies in 1B gezeigt ist.
  • Die Steuereinheit 20 erfüllt, wie unter Bezugnahme auf 7B erläutert, die Funktion einer Ansteuereinheit 12, mit der Teilen der Elektrodenstruktur 30 Ansteuersignale zugeführt werden, einer Erfassungseinheit 14, mit der Signale von anderen Abschnitten der Elektrodenstruktur 30 erfasst werden, und einer Verarbeitungseinheit 16, mit der eine Position auf Basis der verschiedenen Erfassungssignale berechnet wird, die durch Ansteuersignale erzeugt werden, die an verschiedene Abschnitte der Elektrodenstruktur angelegt werden. Die Steuereinheit 20 steuert so die Funktion der Ansteuer- und der Erfassungseinheit sowie die Verarbeitung von Reaktionen von der Erfassungseinheit 14 in der Verarbeitungseinheit 16, um die Position eines Objektes, beispielsweise eines Fingers oder eines Eingabestiftes, an den Sensor 10 angrenzend zu bestimmen. Die Ansteuereinheit 12, die Erfassungseinheit 14 und die Verarbeitungseinheit 16 sind in 7B schematisch als separate Elemente innerhalb der Steuereinheit dargestellt. Im Allgemeinen werden jedoch die Funktion dieser Elemente durch einen einzelnen integrierten Schaltkreis erfüllt, beispielsweise einen entsprechend programmierten Mehrzweck-Mikroprozessor, ein anwenderprogrammierbares Gate-Array oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, insbesondere in einem Mikrokontrollerformat.
  • In der Figur ist eine Anzahl von Ansteuerelektroden 60 vorhanden, die durch Längsstreifen dargestellt sind, die sich, wie oben beschrieben, in der X-Richtung erstrecken und in 2A dargestellt sind. An der gegenüberliegenden Fläche des Substrats 102 ist eine Anzahl von Erfassungselektroden 62 vorhanden, die Elektrodenschicht 2 bilden, wie sie in 7A dargestellt und oben beschrieben sind, und die die Ansteuerelektroden 60 von Schicht 1 in der y-Richtung schneiden.
  • Die Erfassungselektroden werden dann über Verbindungen bzw. Bahnen 76 mit der Erfassungseinheit 14 verbunden, und die Ansteuerelektroden werden über Verbindungen bzw. Bahnen 72 mit der Ansteuereinheit 12 verbunden. Die Verbindungen mit den Ansteuer- und Erfassungselektroden sind in 7B schematisch dargestellt. Es liegt jedoch auf der Hand, dass andere Methoden zum Führen der Verbindungen oder Bahnen eingesetzt werden können. Alle Bahnen können zur Verbindung mit der Steuereinheit 20 zu einem einzelnen Verbinderblock an dem Rand des Substrats 102 geführt werden.
  • Die Funktion des in 7B gezeigten Sensors 10 wird im Folgenden beschrieben. Es gibt, wie zu sehen ist, Konflikte zwischen den Anforderungen an die Y-Leitungen hinsichtlich ihrer Breite. Die wichtigste Anforderung ist tendenziell die Minimierung des Widerstandwertes der Y-Leitung, um erfolgreich kapazitive Messung innerhalb einer annehmbaren Gesamt-Messzeit zu gewährleisten. Dadurch entstehen breitere Elektroden, normalerweise im Bereich von 100 μm bis 1000 μm. Wenn die Sichtbarkeit der Elektroden entweder kein Problem ist oder die Elektroden praktisch unsichtbar gemacht werden können (beispielsweise index-angepasstes ITO auf PET), lassen sich die Widersprüche recht einfach lösen, und die einfachste Wahl ist die Vergrößerung der Breite. Wenn jedoch die Sichtbarkeit ein Problem darstellt und die Elektroden mit dem zur Herstellung eingesetzten Verfahren nicht ausreichend unsichtbar gemacht werden können (beispielsweise nicht index-angepasstes ITO auf Glas), muss eine alternative Anordnung gefunden werden. In diesem Fall kann ein als Ausfüllen (in-filling) bezeichnetes Verfahren angewendet werden, wie es im Folgenden beschrieben und dargestellt ist.
  • 8A zeigt einen Teil der in 7A gezeigten Elektrodenstruktur mit Ausfüll-Elektroden. Mit diesem Verfahren wird der gesamte „ungenutzte” Raum 801 mit isolierten Quadraten 802 aus Leitermaterial (beispielsweise ITO) gefüllt, die durch Zwischenräume 803 von ihren Nachbarn getrennt sind, die so klein sind, dass sie praktisch unsichtbar sind, und so klein, dass nennenswerte Kapazität von Quadrat zu Quadrat verursacht wird. Ein weiterer Schlüsselfaktor beim Gestalten der isolierten Elemente bzw. Inseln besteht darin, sie auf jeder Achse in der gleichen Größe 804 wie die Breite der Y-Leitungen 805 auszuführen. So ist die Gleichmäßigkeit der Gesamtstruktur optimal, und die einzige Unregelmäßigkeit liegt in der Länge der Y-Leitungen. Diese Struktur ist für das menschliche Auge im Wesentlichen nicht sichtbar. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Quadraten und die Zwischenräume zwischen Quadraten und benachbarten Y-Leitungen können beliebig klein ausgeführt werden, normalerweise im Bereich von einigen 10 μm, da sie nahezu unsichtbar sind, und leicht in Massenproduktion hergestellt werden können. Die Füllung wird bei der Herstellung zur gleichen Zeit und mit den gleichen Verfahrensschritten wie die Erfassungselektroden hergestellt, so dass sie aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Dicke sowie gleiche elektrische Eigenschaften wie die Erfassungselektroden haben. Dies ist praktisch, jedoch nicht ausschlaggebend. Das Ausfüllen könnte im Prinzip auch separat ausgeführt werden.
  • Die isolierten Quadrate 802 dienen dazu, die Gesamtstruktur zu verbergen, sie dienen jedoch auch als kapazitive Interpolationseinrichtung (in gewisser Weise analog zu dem Widerstands-Interpolator, der in Schicht 1 eingesetzt wird). Der so ausgebildete kapazitive Interpolator beeinflusst die Streufelder zwischen der Y-Leitung und dem darunterliegenden X-Streifen nur minimal. Dies ist wichtig, da das Feld von den Rändern der Y-Leitungen her ausreichend bis zu den X-Streifen verteilt werden muss, um einen wesentlichen Berührungseinfluss über wenigstens die Hälfte der Teilung der Y-Leitungen zu ermöglichen. Dies gilt, solange die Kapazität von Quadrat zu Quadrat wesentlich höher ist (wenigstens 2-fach) als die Kapazität eines Quadrats zu den X-Streifen. Der Grund dafür besteht darin, dass das elektrische Feld unter diesen Bedingungen dazu neigt, sich leichter von Quadrat zu Quadrat auszubreiten als dass es zu der X-Schicht nebengeschlossen wird. Dadurch sind die Feldverteilungen einer Konstruktion ohne Ausfüllung verglichen mit einer Konstruktion mit Ausfüllung ähnlich genug, um die Linearität aufrechtzuerhalten. Wenn die Zwischen räume von Quadrat zu Quadrat vergrößert werden, nimmt die Linearität ab, da das Feld dazu neigt, über das erste Paar von Quadraten von einer Y-Leitung weg nach unten zu den X-Streifen zu wandern und sich so nicht weit von der Y-Leitung ausbreitet.
  • 8B stellt diese kapazitiven Wege zwischen beispielhaften Ausfüllelektroden sowie zwischen einer beispielhaften Ausfüllelektrode und einer beispielhaften X-Elektrode dar. Kapazität von Quadrat 808 zu Quadrat 808 ist mit nominellen Kondensatoren 806 dargestellt, und Kapazität von einem der Quadrate 808 zu einem angrenzenden X-Streifen 809 ist mit dem nominellen Kondensator 807 dargestellt.
  • Es sollte bemerkt werden, dass das Ausfüllen bei dieser Konstruktion nicht wirklich notwendig ist, es kann jedoch eingesetzt werden, um die Sichtbarkeit der Struktur zu minimieren, ohne die Linearität des Ausgangs zu beeinträchtigen.
  • In Funktion werden die Sende- bzw. Ansteuerelektroden gestaffelt so betrieben, dass jeweils nur ein angesteuerter X-Streifen 203 aktiv ist, wobei alle anderen auf ein Null-Potenzial angesteuert werden. Das emittierte Feld strahlt daher jeweils nur von einem Segment aus. Das ausgestrahlte Feld wird lokal in alle der Y-Leitungen 701 oberhalb des betreffenden Segmentes gekoppelt. Der Steuerchip führt dann eine kapazitive Messung für jeden der „Schnittpunkte” bzw. jede „Kreuzung” aus, die zwischen den X- und den Y-Elektroden in diesem Segment gebildet werden. Jeder XY-Schnittpunkt ist auch als ein Knoten bekannt. Nacheinander wird jeder angesteuerte X-Streifen aktiviert und alle anderen werden auf Null-Potenzial gehalten. Auf diese Weise wird jedes Segment sequenziell abgetastet. Wenn dies für alle Segmente abgeschlossen ist, sind insgesamt N × M Knoten gemessen worden, wobei N die Anzahl angesteuerter X-Streifen ist und M die Anzahl von Y-Leitungen ist. Es ist zu betonen, dass die Knoten-Messungen unabhängig voneinander stattfinden, so dass es möglich wird, gleichzeitig mehrere Berührungspositionen zu erfassen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Verfahrens zum Abtasten der XY-Anordnung besteht darin, dass, weil jeweils nur ein Segment aktiv ist und die anderen auf Null-Potenzial angesteuert werden, nur Berührungen in dem aktiven Segment die gemessenen Knoten-Kapazitäten in diesem Segment (oder wenigstens eine erste Näherung) beeinflussen können. Dies bedeutet, dass ein als „Handabschattung” bekannter Effekt stark minimiert wird. Bei Handabschattung handelt es sich um einen Effekt, der durch die Nähe der Handfläche, des Daumens, des Handgelenks usw. zu dem Berührungsbildschirm bewirkt wird, wenn der Benutzer diesen mit einem Finger berührt.
  • 9 zeigt eine Handabschattung, die durch eine Nähe der Handfläche, des Daumens, des Handgelenks usw. zu einem Berührungsbildschirm verursacht wird, wenn der Benutzer Berührung mit einem Finger durchführt. Es liegt in der Natur der kapazitiven Messung, dass die elektrischen Felder dazu neigen, von der Oberfläche der Vorrichtung weg zu strahlen und so auch durch Objekte beeinflusst werden können, die nicht in direktem Kontakt mit der Oberfläche sind. Durch diesen Einfluss wird normalerweise die gemeldete Berührungsposition verfälscht, da die kombinierten kapazitiven Messungen des Fingers zusammen mit den durch die „Handabschattung” bewirkten Messungen die berechneten Koordinaten geringfügig verfälschen, die durch den Steuer-Chip berichtet werden. Indem jeweils nur ein Segment aktiviert wird, wird dieser normalerweise problematische Effekt drastisch verringert.
  • Wenn der gesamte Berührungsbildschirm abgetastet worden ist und N × M Knoten-Messungen generiert worden sind, ist die Berechnung der Berührungsposition eines oder mehrerer Objekte auf beiden Achsen eine einfache Aufgabe, wie es in der US-Patentanmeldung 60/949,376, veröffentlicht als WO 2009/007704 [5] am 15. Januar 2009, beschrieben ist, wobei eine Kombination aus logischer Verarbeitung zum Ermitteln des Knotens am ungefähren Mittelpunkt jeder Berührung und von standardmäßigen mathematischen Schwerpunktberechnungen der relativen Signalstärken um jede erfasste Berührung herum angewendet wird. Die Berührungsposition entlang der ersten Achse wird unter Verwendung des Signals des Mittelknotens der Berührung und des Signals des an jeder Seite unmittelbar angrenzenden Knotens aufgelöst, die auf der ersten Achse liegen. Desgleichen wird die Position auf der zweiten Achse unter Verwendung des Mittelknotens und der Signale der unmittelbar angrenzenden Knoten aufgelöst, die auf der zweiten Achse liegen.
  • Dadurch, dass die gesamte Schicht 1 nahezu vollständig mit emittierenden X-Elektroden bedeckt bzw. überzogen ist, ergibt sich ein wichtiger Konstruktionsvorteil insofern, als, da diese Elektroden praktisch immun gegenüber Änderungen parasitärer, kapazitiver Belastung sind (sie sind Ansteuereinrichtungen mit relativ niedriger Impedanz, d. h. selbst die widerstandsgekoppelten X-Streifen haben nur Gleichstromwiderstände von wenigen 10 KΩ und können so etwaige moderate parasitäre Elemente sehr schnell laden und entladen), jegliche Änderung des Abstands zwischen der Rückseite (Nicht-Berührungsseite) von Schicht 1 und einer nahegelegenen Erdlast die gemessenen Kapazitäten der Knoten nicht ändert. Der Berührungsbildschirm ist daher nur auf einer Seite, d. h. Schicht 2, berührungsempfindlich. Dies bringt erhebliche Vorteile mit sich, wenn geringfügig flexible vordere Abdeckungen eingesetzt werden, die sich relativ zu einem LCD biegen können, das unterhalb des Berührungsbildschirms angeordnet ist. Die Trennung zwischen Schicht 1 und Schicht 2 wird durch das Substratmaterial fixiert, und daher ist die Kapazität zwischen diesen beiden selbst dann unveränderlich, wenn das Substrat bei Berührung gebogen wird und die Rückseite von Schicht 1 eine Änderung ihrer Umgebungsbedingungen erfährt.
  • Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der flächendeckenden X-Konstruktion besteht darin, dass sie einen inhärenten Grad an Rauschunterdrückung für ausgestrahlte Emissionen gewährleistet, die hinter Schicht 1 vorhanden sind. Dies tritt verbreitet bei LCD-Modulen auf, bei denen häufig an ihren äußeren Schichten Ansteuersignale mit großer Amplitude vorhanden sind. Diese Ansteuer-Wellenformen werden normalerweise in die Y-Leitungen gekoppelt und verfälschen die aktuelle berichtete Kapazität der dazugehörigen Knoten. Da die Y-Leitungen jedoch durch die flächendeckende X-Schicht effektiv abgeschirmt werden, bleibt als einziger Mechanismus zum Koppeln des Rauschens in die Y-Leitungen nur kapazitives Koppeln über die X-Schicht selbst. Die X-Streifen haben, wir bereits beschrieben, entsprechend niedrigen Widerstand und können so durch die störende Rausch-Wellenform nur proportional zum Verhältnis der Impedanz der Rauschkopplung zu der Impedanz des X-Streifens gestört werden. Daher wird der Betrag des Rauschens, das in die Y-Leitungen gekoppelt wird, um dieses Verhältnis abgeschwächt. Das Koppeln der Rausch-Wellenform in die X-Streifen ist rein kapazitiv, und daher trägt Verringerung dieser Kopplungs-Kapazität dazu bei, die Interferenz noch weiter abzuschwächen. Dies kann erreicht werden, indem ein Luftspalt zwischen dem LCD und der Rückseite von Schicht 1 angeordnet wird oder indem eine transparente dielektrische Abstandshalteschicht anstelle des Luftspalts eingesetzt wird, die zu höherer Kapazität der Kopplung führt, jedoch den Vorteil hat, dass sie mechanisch robust ist. Bei einem herkömmlichen kapazitiven Berührungsbildschirm muss häufig eine vollständige zusätzliche „Abschirm”-Schicht unter Schicht 1 eingesetzt werden, um dieses LCD-Rauschen zu verringern. Diese Schicht wird häufig auf Null-Potenzial angesteuert oder wird aktiv mit einer Nachbildung der kapazitiven Erfassungswellenform angesteuert, die dazu dient, das Rauschen gegenüber dem kapazitiven Knoten zu isolieren. Dies hat den Nachteil, dass die Kosten und die Komplexität zunehmen, die optischen Eigenschaften verschlechtert werden, und es bewirkt auch, dass das Maß der Änderung der Kapazität bei Berührung verringert wird (was zu niedrigerer Auflösung und schlechterem Signal-Rausch-Verhältnis führt). Die hier beschriebene flächendeckende X-Konstruktion erzeugt häufig ausreichend Eigendämpfung des gekoppelten Rauschens, so dass keine zusätzliche Schicht erforderlich ist, was einen erheblichen ökonomischen Vorteil darstellt.
  • Ein weiterer Vorteil, den diese Konstruktion aufweist, besteht darin, dass die Y-Leitungen im Vergleich zur Größe des berührenden Objektes schmal ausgeführt werden können. Das heißt, die Y-Leitungen können eine Breite von einem Viertel oder weniger der Größe des berührenden Objektes oder äquivalent zu der Teilung der X-Elektroden haben. Eine Breite der Y-Leitung von 0,5 mm ist beispielsweise 16 mal kleiner als die Breite einer typischen Fingerberührung. Dies hat Auswirkungen auf die Flächenausdehnung, die zur Interaktion mit dem berührenden Finger verfügbar ist. Eine schmale Y-Leitung hat eine sehr kleine Flächenausdehnung zur kapazitiven Kopplung mit dem Berührungsobjekt, bei dem aufgeführten Beispiel beträgt die gekoppelte Fläche verglichen mit der gesamten „kreisförmigen” Berührungsfläche von ungefähr 50 mm2 ungefähr 4 mm2. Bei einer derartigen mit der Berührung gekoppelten Fläche wird das Maß des von dem Finger in die Y-Leitung gelangenden Rauschens minimiert, da die Kopplungskapazität gering ist. Dies hat eine abschwächende Auswirkung auf jegliches Differenzrauschen zwischen dem Berührungsobjekt und der Vorrichtung, bei der der Berührungsbildschirm eingesetzt wird. Des Weiteren wird der Widerstand reduziert, wenn die Y-Leitungen schmal sind. Verringerung des Widerstandes der Y-Leitungen verkürzt die Erfassungszeiten und verringert den Leistungsverlust.
  • Zusammengefasst sind die Vorteile des oben beschriebenen Berührungsbildschirmes die folgenden:
    • 1. Es sind nur zwei Schichten für die Konstruktion erforderlich, was a) verbesserte optische Durchlässigkeit, b) dünnere Gesamtkonstruktion und c) niedrigere Kosten bewirkt.
    • 2. Flächenfüllende Konstruktion für Elektroden auf Schicht 1, die a) nahezu unsichtbare Elektrodenstruktur beim Einsatz von ITO, b) Isolierung der Y-Leitungen auf Schicht 2 gegenüber kapazitiven Effekten unterhalb von Schicht 1, c) teilweise Dämpfung von Rauschen, das von einem darunter gelegenen LCD-Modul oder einer anderen Quelle von Rauschen gekoppelt wird, bewirkt.
    • 3. Schmale Y-Leitungen auf Schicht 2 mit optionalen Flächen füllenden isolierten Quadraten, die a) nahezu unsichtbare Elektrodenstruktur beim Einsatz von ITO, b) verringerte Elektrodenfläche, die Anfälligkeit gegen Kopplungsrauschen von Berührung reduziert, bewirkt.
  • Es ist des Weiteren vorteilhaft, die Anzahl von Y-Leitungen zu minimieren, die über Achse 1 eingesetzt werden, die in 7A als die erste Achse gekennzeichnet ist. Dies führt im Allgemeinen zu einem kostengünstigeren Steuer-Chip und vereinfacht die Verbindung der Elektroden miteinander. Bei der beschriebenen Ausführung der Y-Leitungen muss die Grundteilung zwischen den Leitungen 8 mm oder weniger betragen, um gute Linearität zu erreichen. Wenn die Leitungen weiter beabstandet sind, wird die Linearität auf Achse 1 schnell beeinträchtigt. Um den Y-Leitungen eine größere „Reichweite” zu verleihen, kann die folgende Anpassung an der Konstruktion von Schicht 2 vorgenommen werden.
  • 10 zeigt einen Abschnitt einer Elektrodenanordnung von Erfassungselektroden, bei der die Konstruktion der Y-Leitung 1101 so abgewandelt ist, dass eine Reihe von Querelementen 1102 hinzugefügt wird, die entlang der ersten Achse 1103 verlaufen und mit gleicher Abmessung 1104 so angeordnet sind, dass sie um die Y-Leitung herum zentriert sind. Die Querelemente überspannen ungefähr ½ bis ¾ des Zwischenraums zu der nächsten Y-Leitung 1105 in beiden Richtungen. Die Querelemente an jeder aufeinanderfolgenden Y-Leitung sind so angeordnet, dass sie die Querelemente derjenigen an den benachbarten Y-Leitungen 1102 überlappen, wobei der Zwischenraum 1107 zwischen den überlappenden Abschnitten, so ausgewählt wird, dass er wenige 10 μm beträgt, um die Sichtbarkeit zu minimieren und um zu verhindern, dass sich nennenswerte Streufelder an der Innenseite des überlappenden Bereiches ausbilden. Die Querelemente sind um eine Strecke 1108 entlang der Y-Leitung mit einer Teilung von 8 mm oder weniger beabstandet, und idealerweise sind sie so beabstandet, dass sie eine einheitliche Beziehung zu den Zwischenräumen in den darunterliegenden X-Streifen haben. Dadurch ist gewährleistet, dass die Feldstrukturen in allen Bereichen des Berührungsbildschirmes einheitlich und symmetrisch sind, wodurch sich gute Linearität ergibt. Die Querelemente verteilen das elektrische Feld effektiv weiter über die primäre Y-Leitung hinaus, und die überlappte Zone trägt dazu bei, das Feld von einer Y-Zone zur nächsten linear abzustufen.
  • In 2A, 7A, 7B und 10 gezeigte Ausführungsformen der Erfindung können des Weiteren Verbindungen zu beiden Verlängerungen der Ansteuer- und Erfassungselektroden bzw. Sendeelektroden und Y-Leitungen umfassen. Das heißt, dass eine Verbindung an beiden Enden jeder der Ansteuer- und Erfassungselektroden vorhanden ist. Dadurch kann die Linearität des elektrischen Feldes entlang der Ansteuerelektroden erhöht werden und die Abschirmung der flächendeckenden Elektrodenkonstruktion kann verbessert werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung können auch für Einsatzzwecke ohne Display verwendet werden, so beispielsweise Touchpads an einem Laptop-Computer oder Bedienfelder an Haushaltsgeräten.
  • 11 zeigt einen Sensor 80, der eine Elektrodenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst. Der Einfachheit halber enthält die in der Figur gezeigte Elektrodenkonstruktion keine Schaltungen. Es liegt jedoch auf der Hand, dass Ansteuer- und Erfassungsschaltungen ebenso wie oben für die Ausführungsform in 7B eingesetzt werden können. Die Figur zeigt eine Elektrodenstruktur an einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrats 82, von oben betrachtet, um die relative Position der Elektrodenstrukturen zu zeigen.
  • Die Elektrodenstruktur umfasst zwei ringförmige Elektroden des oben beschriebenen, als Schicht 1 bezeichneten Typs bzw. Sendeelektroden. Die Sendeelektroden können auch als Ansteuerelektroden bezeichnet werden. Die in der Figur gezeigten Ansteuerelektroden sind effektiv die in 2A gezeigten Sendeelektroden und sind bogenförmig gewickelt, um einen vollständigen oder nahezu vollständigen Ring zu bilden, wie er beispielsweise von einem Scroll-Rad-Sensor verwendet werden kann. Mit jeder der Ansteuerelektroden ist eine Verbindung bzw. Bahn verbunden, um ein Ansteuersignal von einer entsprechenden Ansteuereinheit (nicht dargestellt) bereitzustellen. Es kann die oben beschriebene Ansteuereinheit eingesetzt werden. Die Elektrodenstruktur umfasst des Weiteren eine Anzahl von Erfassungselektroden, die oben als Schicht-2-Elekroden 86 bezeichnet werden und die sich radial von einem Mittelpunkt aus erstrecken. Die Schicht-2-Elektroden können auch als Erfassungselektroden oder Empfangselektroden bezeichnet werden. Die Erfassungselektroden 86 haben die in 10 gezeigte und oben beschriebene Form. Die Erfassungselektroden sind mit einer Erfassungseinheit (nicht dargestellt) über Verbindungen bzw. Bahnen (nicht dargestellt) verbunden. Die Funktion des Sensors 80 gleicht der oben beschriebenen. Jedoch ist der Ausgabevorgang von einer Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt), die mit der Ansteuer- und der Erfassungseinheit verbunden ist, anders. Die Ausgabe der Verarbeitungseinheit gibt eine polare Koordinate eines an den Sensor 80 angrenzenden Objektes an. Der ringförmige Sensor 80 kann dort eingesetzt werden, wo üblicherweise zwei kreisförmige Bedienelemente in Kombination eingesetzt werden, beispielsweise die Bass- und Höhen-Einstellelemente oder die Links-/Rechts- und Vorn-/Hinten-Fade-Bedienelemente eines HiFi-Verstärkers. Es liegt auf der Hand, dass weitere ringförmige Ansteuerelektroden in dem in der Figur gezeigten Sensor 80 montiert sein können. Für diese Ausführungsform lässt sich daher zusammenfassend sagen, dass sie im Unterschied zu den anderen Ausführungsformen, die auf einem kartesischen Koordinatengitter basieren, bei dem sich die beiden Elektrodentypen entlang der X- und der Y-Achse erstrecken, auf einem polaren Koordinatengitter basiert, bei dem sich die beiden Elektrodentypen radial und bogenförmig erstrecken.
  • In einer Abwandlung der Konstruktion in 11 kann der bogenförmige Weg über einen kleineren Winkel verlaufen, so beispielsweise über einen Viertel- oder einen Halbkreis anstelle eines Vollkreises, oder über einen anderen Winkelbereich.
  • 12 ist eine Ansicht einer Vorderseite eines Positionssensors 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die auf der Konstruktion in 10 basiert. Die Vorderseite des Positionssensors ist normalerweise die Seite, die dem Benutzer beim normalen Einsatz des Sensors oder einer Vorrichtung, die den Sensor enthält, zugewandt ist. Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 40, das eine Elektrodenstruktur 30 trägt, die einen empfindlichen Bereich bzw. eine Erfassungszone des Sensors bildet, und eine Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 20 ist mit den Elektroden innerhalb der Elektrodenstruktur über eine Reihe elektrischer Verbindungen gekoppelt, die im Folgenden beschrieben werden. Die Elektrodenstruktur 30 befindet sich, wie weiter unten beschrieben, an einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrates.
  • Die Elektrodenstruktur 30 auf dem Substrat 40 kann unter Verwendung herkömmlicher Methoden (z. B; Lithografie, Abscheidung oder Ätz- bzw. Desaktivierungsverfahren) geschaffen werden. Das Substrat besteht aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise einem Kunststofffilm, in diesem Fall aus Polyethylenterephthalat (PET). Die Elektroden, die die Elektrodenstruktur bilden, bestehen aus einem transparenten leitenden Material, in diesem Fall Indium-Zinnoxid (ITO). Als Alternative dazu könnten die Elektroden aus einem opaken leitenden Material, wie einem Metall, z. B. Kupfer, bestehen. Das Substrat kann unter Verwendung eines geeigneten druckempfindlichen Klebstoffes (PSA), der durchsichtig sein kann, um Lichtdurchlässigkeit zu ermöglichen, an einer darüberliegenden Platte (nicht dargestellt) angeklebt sein. So ist der empfindliche Bereich des Sensors insgesamt transparent. Die Sensorsschicht kann, wenn sie transparent ist, über einer Barunterliegenden Anzeige ohne Verdeckung eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen kann sie, wenn die Sensorschicht opak ist, eine herkömmliche Leiterplatte oder ein anderes Substrat mit einer Kupfer-Elektrodenstruktur umfassen, beispielsweise für den Einsatz in einem Mobiltelefon-Tastenfeld.
  • 13A zeigt die bevorzugte Anordnung des Sensors 10 in einer Seitenansicht. Die Figur stellt dar, wie Elektroden 60 an einer Fläche des Substrats 40 angeordnet sind und Elektroden 62 an der gegenüberliegenden Fläche des Substrats 40 angeordnet sind. Die Elektroden 60, 62 sind Erfassungs- bzw. Ansteuerelektroden, d. h. die Ansteuerelektroden sind normalerweise am weitesten von der Berührungsfläche entfernt. Um den Sensor gegenüber einem an den Sensor angrenzenden Objekt zu isolieren, ist ebenfalls eine isolierende dielektrische Schicht 42 über dem Sensor angeordnet. Die isolierende Schicht 42 könnte eine Glas- oder Kunststoffplatte sein. Der Sensor dient dazu, die Position eines Objektes an den Sensor angrenzend an der Vorderseite 70 zu erfassen.
  • 13B zeigt eine alternative Anordnung des Sensors 10 in einer Seitenansicht. Die Figur stellt dar, wie die Elektroden 60 an einer Fläche eines Substrates 40 angeordnet sind und die Elektroden 62 an einem anderen Substrat 44 angeordnet sind. Die zwei Substrate 42, 44 werden dann, wie in der Figur gezeigt, zusammengesetzt. Normalerweise ist eine isolierende Schicht 81 zwischen den zwei Gruppen von Elektroden angeordnet, um einen elektrischen Kontakt zwischen den zwei Gruppen von Elektroden zu vermeiden. Als Alternative dazu könnten beide Sätze von Elektroden mit einer isolierenden Schicht überzogen sein.
  • 13C zeigt eine alternative Anordnung des Sensors 10 in einer Seitenansicht. Die Figur stellt dar, wie die Elektroden 60 an einer Fläche eines Substrates 40 angeordnet sind. Die Elektroden 62 sind an den Elektroden 60 getrennt von einer isolierenden Schicht 81 angeordnet, die zwischen den zwei Elektrodenstrukturen 60, 62 angeordnet ist. Es sind andere Anordnungen dahingehend vorgesehen, dass die Elektrodenstrukturen elektrisch voneinander isoliert sind und die Elektroden von Objekten an den Sensor angrenzend durch ein geeignetes dielektrisches Material getrennt sind.
  • Die Steuereinheit 20 erfüllt, wie unter Bezugnahme auf 12 zu sehen ist, die Funktion einer Ansteuereinheit 12, mit der Abschnitten der Elektrodenstruktur 30 Ansteuersignale zugeführt werden, einer Erfassungseinheit 14, mit der Signale von anderen Abschnitten der Elektrodenstruktur 30 erfasst werden, und einer Verarbeitungseinheit 16, mit der eine Position auf Basis der verschiedenen Erfassungssignale berechnet wird, die durch Ansteuersignale erzeugt werden, die an verschiedene Abschnitte der Elektrodenstruktur angelegt werden. Die Steuereinheit 20 steuert so die Funktion der Ansteuer- und der Erfassungseinheit sowie die Verarbeitung von Reaktionen von der Erfassungseinheit 14 in der Verarbeitungseinheit 16, um die Position eines Objektes, beispielsweise eines Fingers oder eines Eingabestiftes, an den Sensor 10 angrenzend zu bestimmen. Die Ansteuereinheit 12, die Erfas sungseinheit 14 und die Verarbeitungseinheit 16 sind in 12 schematisch als separate Elemente innerhalb der Steuereinheit dargestellt. Im Allgemeinen werden jedoch die Funktionen all dieser Elemente durch einen einzelnen integrierten Schaltkreis erfüllt, beispielsweise einen entsprechend programmierten Mehrzweck-Mikroprozessor, ein anwenderprogrammierbares Gate-Array oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung.
  • In der Figur ist eine Anzahl von Erfassungselektroden 62 vorhanden, die aus zwei Elementen bestehen, die hier als Hauptstränge 64 und Verzweigungen 66 bezeichnet werden. Die Hauptstränge 64 der Erfassungselektroden verlaufen in der y-Richtung, die auch als die Richtung y oder eine Längsrichtung bezeichnet wird. Die Verzweigungen 66 verlaufen in der x-Richtung bzw. einer Richtung x, die den Hauptstrang 64 schneidet. Die Verzweigungen 66 erstrecken sich sowohl nach links als auch nach rechts von den Hauptsträngen, d. h., in Bezug auf die Figur sowohl in der negativen als auch in der positiven x-Richtung. Die negative und die positive x-Richtung werden auch als die Richtung x bzw. eine Richtung –x bezeichnet, wobei die Richtung –x der Richtung x entgegengesetzt ist. Die Ausdehnung bzw. Länge der Verzweigungen beträgt ungefähr ¾ des Abstandes zwischen aneinandergrenzenden Erfassungselektroden-Hauptsträngen 64. Die Verzweigungen 66 von aneinandergrenzenden Erfassungselektroden 62 haben den gleichen Verlauf bzw. verlaufen gleich. Das heißt, die Verzweigungen 66 von aneinandergrenzenden Erfassungselektroden-Hauptsträngen 64 nehmen den gleichen Abschnitt der Erfassungszone ein. Der gleiche Verlauf der in 12 gezeigten Verzweigungen 66 erstreckt sich um ungefähr die Hälfte des Abstandes zwischen aneinandergrenzenden Erfassungselektroden-Hauptsträngen 64. Es liegt auf der Hand, dass die Ausdehnung der Verzweigungen 66 so wie die Ausdehnung des gleichen Verlaufs variieren kann. Der Abstand zwischen den gleich verlaufenden Erfassungselektroden-Verzweigungen beträgt normalerweise ungefähr 10 μm oder einige 10 μm, so beispielsweise zwischen 5 μm und 50 μm, am besten zwischen 10 μm und 30 μm. Der Abstand wird so gewählt, dass eine ausreichende Abschirmwirkung erzielt wird, während gleichzeitig zuverlässige Herstellung leicht möglich ist und keine Sichtbarkeit für das bloße Auge eines Benutzers gegeben ist.
  • An der gegenüberliegenden Fläche des Substrates 40, das unter den Erfassungselektroden liegt, ist, wie oben beschrieben, eine Anzahl von Ansteuerelektroden 60 vorhanden, die durch Längsstreifen dargestellt werden, die in einer x-Richtung verlaufen, die auch als die Richtung x bzw. die Querrichtung bezeichnet wird. Das heißt, die Ansteuerelektroden verlaufen entlang einer Achse in der x-Richtung. Die Ansteuerelektroden 60 sind in der Figur mit Strichlinien dargestellt, es liegt jedoch auf der Hand, dass sie aus einer massiven Materialschicht hergestellt werden. Die Ansteuerelektroden 60 sind normalerweise um ungefähr 10 μm oder wenige 10 μm beabstandet, beispielsweise zwischen 5 μm und 50 μm, am besten zwischen 10 μm und 30 μm. Der Abstand wird so gewählt, dass ein ausreichender Abschirmeffekt erzielt wird und gleichzeitig zuverlässige Herstellung leicht möglich ist und keine Sichtbarkeit für das bloße Auge eines Benutzers gegeben ist.
  • Bei einer Vorrichtung, die mit Fingerberührung betätigt werden soll, liegt die Breite der Ansteuerelektroden 60 in der y-Richtung bzw. der Richtung y (auch als die Längsrichtung bezeichnet) normalerweise im Bereich 4–10 mm, beispielsweise 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm oder 10 mm. Die Breite der Ansteuerelektroden wird durch die Größe des Objektes bestimmt, das an der Oberfläche des Sensors 10 verwendet wird. Wenn beispielsweise der Sensor 10 dazu dient, die Position eines Fingers an den Sensor 10 angrenzend zu erfassen, ist die Breite der Ansteuerelektroden 10 größer als in dem Fall, in dem der Sensor 10 dazu dient, die Position eines Eingabestiftes zu erfassen. Der Bereich des Substrates, der durch die Ansteuerelektroden 60 abgedeckt wird, kann als der Erfassungsbereich, die Erfassungszone oder der empfindliche Bereich bezeichnet werden.
  • Die in 12 gezeigten Ansteuerelektroden bedecken bzw. überziehen die Oberfläche des Substrates mit einer Elektrodenschicht. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Ansteuerelektroden auch mit einer geringeren Breite als der in der Figur gezeigten und oben beschriebenen versehen sein können, so dass jede der Ansteuerelektroden 60 einen Bereich der Erfassungszone abdeckt, der dem durch die Erfassungselektroden abgedeckten gleicht. Das heißt, dass die Ansteuerelektroden eine Breite von weniger als 5 mm und einen Abstand in der y-Richtung von mehr als 30 μm haben könnten.
  • Die Verzweigungen der Erfassungselektroden, die über den Ansteuerelektroden liegen, sind normalerweise symmetrisch über den dazugehörigen Ansteuerelektroden angeordnet, beispielsweise in der Richtung y mittig zwischen den Rändern der dazugehörigen Ansteuerelektroden angeordnet. Das heißt, dass der obere und der untere Rand eines Paars von Verzweigungen der Erfassungselektroden mit gleichem Verlauf gleich weit von dem oberen und dem unteren Rand der darunterliegenden Ansteuerelektrode entfernt sind. Der obere und der untere Rand dienen dazu, die oberste Ausdehnung und die unterste Ausdehnung einer Ansteuerelektrode in der y-Richtung zu beschreiben.
  • Die in 12 gezeigten Ansteuer- und Erfassungselektroden können als eine Anzahl separater Erfassungsbereiche, Knoten oder Tasten bildend betrachtet werden. Bei der obersten Ansteuerelektrode gibt es, wie mit den gestrichelten Bereichen 68 gezeigt, sieben separate Tasten. Die verschiedenen separaten Bereiche werden durch die Anzahl freiliegender Ränder der Erfassungselektroden definiert, die vorhanden sind.
  • Es ist bekannt, dass beim wechselseitigen bzw. aktiven Erfassen der Großteil der Feldlinien an den Rändern der Elektroden auftritt. An der oberen linken separaten Taste ist ein Abschnitt der Verzweigungselektrode von dem am weitesten links liegenden Erfassungselektroden-Hauptstrang vorhanden, der zwei Ränder hat, d. h. einen oberen und einen unteren Rand in der y-Richtung in der dargestellten Ausrichtung. Der nächste separate Bereich auf der rechten Seite weist nur einen freiliegenden Rand von dem am weitesten links liegenden Erfassungselektroden-Hauptstrang her auf, d. h. den oberen Rand der Verzweigungselektrode. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch den gleichen Verlauf der Verzweigung von einem angrenzenden Elektroden-Hauptstrang her der untere Rand dieser Verzweigung effektiv abgeschirmt wird. Im nächsten separaten Tastenbereich auf der rechten Seite befinden sich keine von der am weitesten links liegenden Erfassungselektrode her freiliegenden Ränder. Ein ähnliches Bild ergibt sich für den zweiten Erfassungselektroden-Hauptstrang. Wie in der Figur zu sehen ist, weist jedoch dieser Hauptstrang zwei freiliegende Ränder an dem Elektroden-Hauptstrang und einem freiliegenden Rand auf der linken und der rechten Seite des Elektroden-Hauptstrangs auf. Die Verzweigung verteilen das elektrische Feld zwischen benachbarten Erfassungselektroden-Hauptsträngen.
  • Um die Anzahl von Ansteuerleitungen zu reduzieren, die zum Ansteuern der Ansteuerelektroden 60 dienen, sind die Ansteuerelektroden 60 über Ansteuerkanäle 72 mit der Ansteuereinheit 12 der Steuereinheit verbunden. Jeder Ansteuerkanal führt einer Gruppe aus drei Ansteuerelektroden Ansteuersignale zu. Das heißt, obwohl vier Ansteuerelektroden miteinander verbunden sind, ist die untere Ansteuerelektrode mit Erde verbunden. Die Ansteuerelektroden 60 sind jeweils durch eine Kette oder Reihe von Widerständen 60 miteinander verbunden. Als Alternative dazu könnte ein einzelner Widerstandsstreifen eingesetzt werden (in der Figur nicht dargestellt). In Betrieb empfängt jede der gruppierten Ansteuerelektroden ein Ansteuersignal mit einem anderen Wert. Die Ansteuerelektrode, die direkt mit der Ansteuereinheit 12 verbunden ist, empfängt beispielsweise den Wert des angelegten Signals, die Ansteuerelektrode darunter empfängt zwei Drittel des Wertes des angelegten Signals, und die Ansteuerelektrode darunter empfängt ein Drittel des Wertes des angelegten Signals. Bei diesem Beispiel ist die vierte Ansteuerelektrode, die direkt mit einem Ansteuerkanal verbunden ist, mit Erde verbunden. Diese Ansteuerelektrode wird jedoch unter Verwendung des vollständigen Signalwertes angesteuert, wenn die nächste Gruppe von Elektroden angesteuert wird. Es liegt auf der Hand, dass, wenn weniger Ansteuerelektroden vorhanden sind oder keine Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl von Verbindungen zu der Ansteuereinheit vorhanden sind, die Ansteuerelektroden alle unter Verwendung separater Ansteuerkanäle angesteuert werden könnten. Als Alternative dazu kann, wenn mehr Ansteuerelektroden erforderlich sind, dies erreicht werden, ohne mehr Ansteuerkanäle einzusetzen, indem aneinandergrenzende Ansteuerelektroden in Gruppen mit Widerständen miteinander verbunden werden und nur jede zweite, dritte, vierte etc. Ansteuerelektrode direkt adressiert wird.
  • Die Erfassungselektroden werden dann über Verbindungen bzw. Bahnen 76 mit der Erfassungseinheit 14 verbunden, und die Ansteuerelektroden werden über Verbindungen oder Bahnen 62 mit der Ansteuereinheit 12 verbunden. Die Verbindungen mit den Ansteuer- und Erfassungselektroden sind in 12 schematisch dargestellt. Es liegt jedoch auf der Hand, dass andere Verfahren zum Führen der Verbindungen oder Bahnen eingesetzt werden könnten. Alle Bahnen könnten zu einem einzelnen Verbinderblock am Rand des Substrates 40 zur Verbindung mit dem Controller 20 geführt werden.
  • Die x-Position der Berührung oder anderweitigen Betätigung wird durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke benachbarter Erfassungselektroden in der x-Richtung mit dem höchsten Signal ermittelt. In 12 würden vier Elektroden eingesetzt, um eine Berührung in der x-Richtung zu interpolieren. Wenn die vollständige Gruppe von Erfassungssignalen durch Ansteuern der Ansteuerelektroden erfasst ist, werden die zwei aneinandergrenzenden x-Elektroden, die die stärksten Signale abgegeben haben, ausgewählt, und die x-Position wird durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke dieser zwei Signale bestimmt.
  • Die y-Position der Berührung oder anderweitigen Betätigung wird ebenfalls durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke ermittelt. Wenn die vollständige Gruppe von Erfassungssignalen durch Ansteuern der Ansteuerelektroden erfasst worden ist, werden die zwei y-Elektroden, die die stärksten Signale abgegeben haben, ausgewählt, und die y-Position wird durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke dieser zwei Signale bestimmt.
  • Zu alternativen Interpolationsmethoden können Gewichtung von Faktoren, wie beispielsweise die bekannten Algorithmen zur Unterdrückung angrenzender Tasten, bei denen Sig nale von einigen Tasten, beispielsweise auf Basis der Nähe zu einer Taste, die als eine aktuelle Berührungsposition betrachtet wird, unterdrückt werden oder ihnen weniger Gewicht verliehen wird, oder von erwarteten Handabschattungs-Effekten gehören, wie dies in der Technik bekannt ist. Die Interpolation muss nicht reihenweise und spaltenweise durchgeführt werden, wie dies oben beschrieben ist. Interpolation könnte beispielsweise zwischen allen am nächsten benachbarten Tasten oder allen Tasten in einem Teilblock durchgeführt werden, der im Voraus definiert wird. Viele andere Abwandlungen von Interpolationsverfahren sind vorgesehen.
  • 14A zeigt schematisch eine Schaltung, die dazu dienen kann, die von einer angesteuerten der Ansteuerelektroden zu den Erfassungselektroden übertragene Ladung zu messen, wobei die Ansteuerelektrode zu einer bestimmten Zeit angesteuert wird und die Erfassungselektrode eine Eigenkapazität hat. Diese wird primär durch ihre Geometrie bestimmt, insbesondere in den Bereichen, in denen sie sich am nächsten sind. So ist die angesteuerte Ansteuerelektrode schematisch als eine erste Platte 410 eines Kondensators 412 dargestellt, und die Erfassungselektrode ist schematisch als eine zweite Platte 414 des Kondensators 412 dargestellt. Eine Schaltungsanordnung des in 14B gezeigten Typs wird in WO 00/44018 [1] umfassender beschrieben. Die Schaltung basiert teilweise auf den Vorrichtungen und Verfahren zur Ladungsübertragung („QT”), die in US 5,730,165 [3] offenbart werden, deren Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird. Es liegt auf der Hand, dass die in 12 gezeigte Anordnung von Ansteuerelektroden zusammengefasst wird. In diesem Fall wird die Gruppe von Ansteuerelektroden als die angesteuerte Elektrode betrachtet, die schematisch als die erste Platte 410 dargestellt ist. Eine der Ansteuerverbindungen einer Gruppe von Ansteuerelektroden ist, wie oben beschrieben, mit einem Signal verbunden, und die andere Ansteuerverbindung ist mit Erde verbunden.
  • In Funktion werden die Gruppen von Ansteuerelektroden sequentiell angesteuert, während an allen Erfassungselektroden gleichzeitig erfasst wird. Als Alternative dazu könnte an den Erfassungselektroden auch unter Verwendung entweder vieler Erfassungseinheiten oder einer einzelnen Erfassungseinheit, die mit allen Erfassungselektroden verbunden ist, mittels entsprechendem Multiplexen sequentiell erfasst werden.
  • Der Ansteuerkanal, der zu der aktuell angesteuerten Elektrode 410 gehört, der Erfassungskanal, der zu Erfassungselektrode 414 gehört, und Elemente der Sensor-Steuereinheit sind in 14A als kombinierte Verarbeitungsschaltung 400 dargestellt. Die Verarbeitungsschaltung 400 umfasst einen Abtastschalter 401, einen Ladungsintegrator 402 (hier als ein einfa cher Kondensator dargestellt), einen Verstärker 403 und einen Rücksetzschalter 404, und kann des Weiteren eine optionale Ladungslöscheinrichtung 405 umfassen.
  • 14B zeigt schematisch die zeitlichen Beziehungen zwischen dem Ansteuersignal der angesteuerten Elektrode von dem Ansteuerkanal 414 und der Abtast-Zeitsteuerung von Schalter 401. Der Ansteuerkanal 414 und der Abtastschalter 401 sind mit einer geeigneten Synchronisiereinrichtung versehen, bei der es sich um einen Mikroprozessor oder eine andere digitale Steuereinheit 408 handeln kann, um diese Beziehung aufrechtzuerhalten. In der dargestellten Implementierung ist der Rücksetzschalter 404 anfänglich geschlossen, um den Ladungsintegrator 402 auf einen bekannten Ausgangszustand (z. B. 0 V) zurückzusetzen. Der Rücksetzschalter 404 wird dann geöffnet, und eine gewisse Zeit danach wird der Abtastschalter 401 über Anschluss 1 des Schalters über ein Intervall mit dem Ladungs-Integrator 402 verbunden, in dem der Ansteuerkanal 414 ein positives Übergangssignal emittiert, und wird anschließend wieder mit Anschluss 0 verbunden, der eine elektrische Erde oder ein anderes geeignetes Bezugspotential ist. Der Ansteuerkanal 414 kehrt dann an Erde zurück, und der Prozess wiederholt sich über insgesamt „n”-Zyklen, wobei n 1 (d. h. 0 Wiederholungen), 2 (eine Wiederholung), 3 (zwei Wiederholungen) und so weiter sein kann. Es kann hilfreich sein, wenn das Ansteuersignal nicht an Erde zurückkehrt, bevor der Ladungsintegrator von der Erfassungselektrode getrennt wird, da ansonsten bei positiv und negativ gerichteten Flanken eine gleiche und entgegengesetzte Ladung in den Erfassungskanal hinein und aus ihm heraus fließen würde, so dass effektiv keine Übertragung von Ladung in den Ladungs-Detektor auftritt. Nach der gewünschten Anzahl von Zyklen wird der Abtastschalter 401 an einer Position 0 gehalten, während die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 mit einer Messeinrichtung 407 gemessen wird, die einen Verstärker, einen ADC oder eine andere Schaltungsanordnung umfassen kann, wie sie für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet ist. Nachdem die Messung erfolgt ist, wird der Rücksetzschalter 404 wieder geschlossen und der Zyklus wird erneut gestartet, jedoch mit dem nächsten Ansteuerkanal und der nächsten angesteuerten Elektrode in der Reihenfolge anstelle des Ansteuerkanals 414 und der angesteuerten Elektrode 100, die schematisch in 14A dargestellt sind. Der Vorgang des Durchführens einer Messung für eine bestimmte angesteuerte Elektrode wird hier als ein Mess-„Burst” einer Länge 'n' bezeichnet, wobei 'n' von 1 bis hin zu jeder beliebigen endlichen Zahl reichen kann. Die Empfindlichkeit der Schaltung steht im direkten Zusammenhang mit 'n' und dem umgekehrten Verhältnis zu dem Wert des Ladungsintegrators 402.
  • Es versteht sich, dass das mit 402 gekennzeichnete Schaltungselement eine Ladungsintegrationsfunktion erfüllt, die auch mit anderen Mitteln erfüllt werden kann, und dass dieser Typ Schaltung nicht auf den auf Erde bezogenen Kondensator begrenzt ist, wie er mit 402 gekennzeichnet ist. Es sollte sich des Weiteren von selbst verstehen, dass der Ladungsintegrator 402 ein Integrator auf Basis eines Operationsverstärkers sein kann, der die durch die Erfassungsschaltung fließende Ladung integriert. Derartige Integratoren verwenden auch Kondensatoren, um die Ladung zu speichern. Es ist zu bemerken, dass, obwohl die Schaltung durch Integratoren komplex wird, sie eine eher ideale Additionsverbindungslast für die Erfassungsströme und größeren Dynamikbereich ermöglichen. Wenn ein langsamer Integrator eingesetzt wird, kann es notwendig sein, einen separaten Kondensator an der Position von 402 einzusetzen, um die Ladung mit hoher Geschwindigkeit temporär zu speichern, bis der Integrator sie zu gegebener Zeit absorbieren kann, der Wert eines solchen Kondensators jedoch wird, verglichen mit dem Wert des Integrations-Kondensators, der in den Integrator auf Basis des Operationsverstärkers integriert ist, relativ unerheblich.
  • Es kann hilfreich sein, wenn der Abtastschalter 401 die Erfassungselektrode des Sensors mit Erde verbindet, wenn sie während der Wechsel des Ansteuersignals der gewählten Polarität (in diesem Fall in positiver Richtung) nicht mit dem Ladungsintegrator 402 verbunden ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass damit eine künstliche Erdebene erzeugt werden kann, wodurch HF-Emissionen verringert werden, und sich des Weiteren, wie oben erwähnt, die gekoppelte Ladung mit zu der durch den Ladungsintegrator 402 erfassten entgegengesetzter Polarität ordnungsgemäß auflösen und neutralisieren kann. Es ist auch möglich, einen Widerstand an Erde an der Erfassungselektrode einzusetzen, um den gleichen Effekt zwischen Übergängen von Ansteuerkanälen 414 zu erreichen. Als Alternative zu einem einpoligen Umschalter 401 können zwei unabhängige Schalter eingesetzt werden, wenn sie in geeigneter Weise synchronisiert sind.
  • Es gibt, wie in US 5,730,4165 [3] beschrieben, viele Möglichkeiten der Signalverarbeitung für die Manipulation und Bestimmung einer Erfassung oder Messung einer Signalamplitude. US 5,730,165 [3] beschreibt auch die Verstärkungsbeziehung der in 12 dargestellten Anordnung, jedoch bezüglich eines Einzelelektroden-Systems. Die Verstärkungsbeziehung ist im vorliegenden Fall die gleiche. Der Einsatz einer Signallöscheinrichtung 405 wird in US 4,879,461 [4] sowie in US 5,730,165 [3] beschrieben. Die Offenbarung von US 4,879,461 [4] wird hiermit durch Verweis einbezogen. Der Zweck von Signallöschung besteht darin, den Aufbau von Spannung (d. h. Ladung) an dem Ladungsintegrator 402 gleichzeitig zur Erzeugung jedes Burst (positiv gerichteter Übergang des Ansteuerkanals) zu reduzieren, um eine stärkere Kopplung zwischen den angesteuerten Elektroden und den empfangenden Erfassungselektroden zuzulassen. Ein Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass bei relativ niedrigen Kosten ein größerer Erfassungsbereich möglich ist, der empfindlich für geringfügige Abweichungen beim Koppeln zwischen den Elektroden ist. Derartige starke Erfassungskopplungen sind in physisch relativ großen Elektroden vorhanden, wie sie beispielsweise in Touchpads für menschliche Berührung eingesetzt werden können. Ladungslöschung ermöglicht Messung des Maßes an Kopplung mit stärkerer Linearität, da die Linearität von der Möglichkeit abhängt, im Verlauf eines Burst von der angesteuerten Elektrode 100 zu der Erfassungselektrode 104 gekoppelte Ladung zum Ableiten in einen „virtuellen Erd”-knoten abzuleiten. Wenn die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 während des Verlaufs eines Burst erheblich ansteigen dürfte, würde die Spannung invers exponential ansteigen. Diese exponentiale Komponente hat einen nachteiligen Effekt auf die Linearität und damit auf den verfügbaren Dynamikbereich.
  • Der Ansteuerkanal kann ein einfaches CMOS-Logikgatter sein, das von einer herkömmlichen regulierten Quelle gespeist wird und durch den Sensor-Steuereinheit 20 gesteuert wird, um eine periodische Vielzahl von Spannungsimpulsen einer ausgewählten Dauer bereitzustellen (oder in einer einfachen Implementierung einen einzelnen Übergang von niedriger oder von hoher zu niedriger Spannung, d. h. einen aus einem Impuls bestehenden Burst). Als Alternative dazu kann der Ansteuerkanal einen Sinusgenerator oder eine Einrichtung zum Erzeugen einer zyklischen Spannung mit einer anderen geeigneten Wellenform umfassen. Ein sich änderndes elektrisches Feld wird so an der ansteigenden und der abfallenden Flanke der an die angesteuerten Elektrode angelegten Folge von Spannungszyklen erzeugt. Es wird davon ausgegangen, dass die angesteuerte Elektrode und die Erfassungselektrode als einander gegenüberliegende Platten eines Kondensators mit einer Kapazität CE wirken. Da die Erfassungselektrode kapazitiv mit der angesteuerten Elektrode gekoppelt ist, empfängt bzw. verbraucht sie das sich ändernde elektrische Feld, das durch die angesteuerte Spaltenelektrode erzeugt wird. Dies führt zu einem Stromfluss in der Erfassungselektrode, der durch die sich ändernde Spannung an der angesteuerten Elektrode induziert wird, über kapazitive Ableitung der sich ändernden elektrischen Felder. Der Strom fließt zu den Erfassungskanälen in der Erfassungseinheit 14 (oder je nach Polarität von ihnen weg). Der Erfassungskanal kann, wie oben erwähnt, eine Ladungsmessschaltung umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie den Strom von Ladung in/aus (in Abhängigkeit von der Polarität) den/dem Erfassungskanal misst, der durch die in der Erfassungselektrode induzierten Ströme verursacht wird.
  • Die kapazitive Ableitung findet über die Gleichung statt, die Stromfluss durch einen Kondensator bestimmt, d. h.:
    Figure 00400001
    wobei IE der momentane Strom ist, der zu einem Erfassungskanal fließt, und dV/dt die Rate der Änderung der Spannung ist, die an eine angesteuerte Elektrode angelegt wird. Die in die Erfassungselektrode (und damit in/aus dem Erfassungskanal) gekoppelte Ladungsmenge während eines Flankenüberganges ist das Integral der obenstehenden Gleichung über die Zeit, d. h. QE = CE × V
  • Die bei jedem Übergang gekoppelte Ladung QE ist unabhängig von der Anstiegszeit von V (d. h. dV/dt) und hängt nur von der Spannungsaussteuerung an der angesteuerten Elektrode (die einfach fixiert werden kann) und dem Wert der Kopplungskapazität CE zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode ab. So ist eine Bestimmung der Ladung, die in/aus den/dem Ladungsdetektor, der den Erfassungskanal umfasst, in Reaktion auf Änderungen des an die angesteuerte Elektrode angelegten Ansteuerungssignals gekoppelt wird, ein Maß der Kopplungskapazität CE zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode.
  • Die Kapazität eines herkömmlichen Parallelplattenkondensators ist nahezu unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Bereiches außerhalb des Zwischenraums zwischen den Platten (zumindest bei Platten, die verglichen mit ihrem Abstand große Ausdehnung haben). Bei einem Kondensator, der benachbarte Elektroden in einer Ebene umfasst, ist dies jedoch nicht der Fall. Das ist darauf zurückzuführen, dass wenigstens einige der elektrischen Felder, die sich zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode befinden, von dem Substrat „überlaufen”. Dies bedeutet, dass die kapazitive Kopplung (d. h. der Wert von CE) zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode in gewissem Maß abhängig von den elektrischen Eigenschaften der Zone in der Nähe der Elektroden ist, in die sich das „übergelaufene” elektrische Feld hineinerstreckt.
  • Beim Nichtvorhandensein angrenzender Objekte wird der Wert von CE primär durch die Geometrie der Elektroden und die Dicke sowie die Dielektrizitätskonstante des Sensor-Substrats bestimmt. Wenn jedoch ein Objekt in dem Bereich vorhanden ist, in dem das elektrische Feld außerhalb des Substrats überläuft, kann das elektrische Feld in dieser Zone durch die elektrischen Eigenschaften des Objektes modifiziert werden. Dies bewirkt, dass sich die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden ändert, und damit ändert sich die gemessene Ladung, die in/aus den/dem Ladungsdetektor gekoppelt wird, der die Erfassungskanäle umfasst. Wenn beispielsweise ein Benutzer einen Finger in die Zone eines Raums hält, der durch einige der übergelaufenen elektrischen Felder eingenommen wird, wird die kapazitive Kopplung von Ladung zwischen den Elektroden verringert, da der Benutzer erhebliche Kapazität an Erde hat (oder an andere nahe gelegene Strukturen, deren Weg sich zu dem Erd-Bezugspotential der Schaltung schließt, die die Erfassungselemente steuert). Diese reduzierte Kopplung tritt auf, da das übergelaufene elektrische Feld, das normalerweise zwischen die angesteuerte Elektrode und die Erfassungselektrode gekoppelt wird, teilweise von der Elektrode zu Erde abgelenkt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das an den Sensor angrenzende Objekt bewirkt, dass elektrische Felder von der direkten Kopplung zwischen den Elektroden weg überbrückt werden.
  • So können, indem die Ladungsmenge überwacht wird, die zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode gekoppelt wird, Änderungen der zwischen ihnen gekoppelten Ladungsmenge identifiziert und verwendet werden, um festzustellen, ob sich ein Objekt an den Sensor angrenzend befindet (d. h. ob sich die elektrischen Eigenschaften des Bereiches, in dem sich das übergelaufene elektrische Feld hinein erstreckt, geändert haben).
  • 15A, 16 und 17 zeigen weitere Elektrodenstrukturen, die die Erfindung verkörpern und die auf einem Substrat eingesetzt werden können, das in einem kapazitiven Positionssensor enthalten ist. Die Elektrodenstrukturen dieser weiteren Ausführungsformen sind Erweiterungen des mit der Struktur in 12 gewählten Vorgehens der y-Interpolation, bei dem mehrere Verzweigungen jeder Erfassungselektrode für jede Erfassungselektrode vorhanden sind. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, um, wenn zutreffend, entsprechende Strukturen zu kennzeichnen.
  • 15A ist eine Ansicht einer Vorderseite eines Positionssensors 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der in 15A gezeigte Positionssensor gleicht dem in 12 gezeigten Sensor hinsichtlich des Layouts und der Funktion bis auf die Anzahl von Verzweigungen 66, die sich von dem Erfassungselektroden-Hauptstrang 64 erstrecken, die anders ist. Beim dem in der Figur gezeigten Sensor sind zwei Verzweigungen vorhanden, die sich von dem Hauptstrang 64 an jeder Position einer Ansteuerelektrode 60 erstrecken. Die Länge der zwei Verzweigungen ist verschieden, und der gleiche Verlauf ist an der Position jeder Ansteuerelektrode 60 ebenfalls versetzt zur anderen. Dies dient dazu, die Anzahl freiliegender Ränder der Verzweigungen der Erfassungselektroden zu ändern. Die zwei einzelnen Verzweigungen jeder der zwei Gruppen von Verzweigungen erstrecken sich um 3/8 und 7/8 des Weges von ihrem eigenen Hauptstrang zu dem benachbarten Erfassungselektroden-Hauptstrang 64, so dass eine Überlappung von 7/8 + 3/8 – 1 = 1/8 = 1/4 des Hauptstrang-Trennabstandes erzeugt wird. Es sind, wie in der Figur zu sehen ist, vier Erfassungselektroden-Hauptstränge 64 und daher vier Erfassungskanäle 66 (der gleiche wie in 12) vorhanden, jedoch beträgt die Anzahl separater Erfassungselemente bzw. -bereiche 68 dreizehn (vgl. mit 7 in 12).
  • 15B zeigt einen Bereich 92 des in 15A gezeigten Positionssensors als vergrößerte Ansicht. Die vergrößerte Ansicht in 15B zeigt zwei benachbarte Hauptstränge 1502, 1504. Von den Hauptsträngen erstrecken sich vier Verzweigungen 1506, d. h. zwei von jedem Hauptstrang 1502, 1504. Die freiliegenden Ränder sind die Ränder der Verzweigungen, die an keine andere Verzweigungselektrode angrenzen. Beispielsweise befinden sich an dem in der Figur gezeigten linken Hauptstrang vier freiliegende Ränder 1508, 1510, 1512, 1514. Die Anzahl freiliegender Verzweigungsränder für den in der Figur gezeigten linken Elektroden-Hauptstrang 1502 beträgt vier an der linken Seite und verringert sich um eins für jedes separate Erfassungselement bzw. jede Zone, die durch ein gestricheltes Quadrat in der Figur definiert wird. An dem rechts angrenzenden Hauptstrang 1504 liegen keine Ränder von dem linken Hauptstrang 1502 her frei. Die Anzahl freiliegender Ränder des linken Hauptstrangs 1502 in jeder Zone ist in 15B an dem oberen Rand des vergrößerten Bereiches gekennzeichnet. Desgleichen ist die Anzahl freiliegender Verzweigungsränder des rechten Hauptstrangs 1504 in jeder Zone in 15B am unteren Rand des vergrößerten Bereiches gekennzeichnet. Die Ausdehnung bzw. die Begrenzung der flächendeckenden X-Elektrode in der y-Richtung ist in der Figur mit zwei horizontalen Strichlinien 1516 dargestellt.
  • 16 ist eine Vorderansicht eines Positionssensors 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der in 15 gezeigte Positionssensor gleicht dem in 12 gezeigten Positionssensor hinsichtlich Layout und Funktion, wobei jedoch die Anzahl von Ver zweigungen 66, die sich von dem Erfassungselektroden-Hauptstrang 64 erstrecken, größer ist. Bei dem in der Figur gezeigten Sensor sind drei Verzweigungen vorhanden, die sich von dem Hauptstrang 64 an jeder Position einer Ansteuerelektrode 60 erstrecken. Die Länge der drei Verzweigungen ist verschieden, und auch die Zone gleichen Verlaufs ist an jeder Position einer Ansteuerelektrode 60 versetzt. Dies dient dazu, die Anzahl freiliegender Ränder der Verzweigungen zu ändern. Die drei Verzweigungen in der Figur, die sich in der Richtung x bzw. rechts von den Sensor-Hauptsträngen aus erstrecken, erstrecken sich um 7/12, 9/12 bzw. 11/12 des Abstandes zwischen aneinandergrenzenden Erfassungselektroden-Hauptsträngen 64. Die drei Verzweigungen, die sich in der x-Richtung oder links von den Sensor-Hauptsträngen erstrecken, erstrecken sich um 11/12, 9/12 bzw. 7/12 des Abstandes zwischen aneinandergrenzenden Erfassungselektroden-Hauptsträngen 64. Wie aus der Figur deutlich zu sehen ist, sind nach wie vor nur vier Erfassungselektroden-Hauptstränge 64 und damit vier Erfassungskanäle 76 vorhanden, jedoch hat sich die Anzahl separater Erfassungselemente 68 von 7 in 12 auf 20 erhöht. Die Anzahl freiliegender Verzweigungsränder von dem am weitesten links liegenden Elektroden-Hauptstrang 64 ausgehend beträgt, wie unter Bezugnahme auf 16 zu sehen ist, 6 und nimmt für jedes separate Erfassungselement 68 um 1 bis auf Null an dem angrenzenden Sensorelektroden-Hauptstrang ab.
  • 17 ist eine Ansicht einer Vorderseite eines Positionssensors 10 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Der in 18 gezeigte Positionssensor gleicht dem in 12 gezeigten Sensor hinsichtlich Layout und Funktion. Der in der Figur gezeigte Positionssensor weist jedoch eine alternative Anordnung von Elektroden auf. Die Ansteuer- und die Erfassungselektroden, die in der Figur dargestellt sind, bestehen aus dünnen Drähten oder einem Drahtnetz anstelle der durchgehenden Schicht aus Elektrodenmaterial, wie sie in 12 dargestellt ist. Die Ansteuerelektroden 60 werden durch einen rechteckigen Rand aus Draht gebildet, der die Form der Ansteuerelektrode mit einer Reihe diagonaler Drahtleitungen definiert, die über den rechteckigen Rand verlaufen. Die diagonalen Leitungen haben normalerweise einen Winkel von 45 Grad zu einer Achse, die in der x-Richtung verläuft. Die diagonalen Leitungen und der rechteckige Rand jeder Ansteuerelektrode sind elektrisch verbunden und über die Ansteuerkanäle 72 mit der Ansteuereinheit 12 verbunden. Die Drähte bzw. das Netz sind aus Metalldrähten, beispielsweise Kupfer, hergestellt und könnten auch aus Gold oder Silber bestehen. Desgleichen werden die Erfassungselektroden ebenfalls unter Verwendung einer dünnen Metallbahn hergestellt, die dem in 12 gezeigten Rand der Erfassungselektrodenstruktur folgt. Die Erfassungselektroden 62 sind, verglichen mit den Ansteuerelektroden 60 relativ schmal, so dass es nicht notwendig ist, Ausfüllen mit diagonalen Leitungen anzuwenden. Einige zusätzliche Drähte werden jedoch, wie in 17 mit kurzen Leitungen 78 dargestellt, im Inneren der Erfassungselektroden-Netzstruktur hinzugefügt. Dies dient dazu, der Struktur Redundanz zu verleihen, so dass, wenn ein Defekt an dem Elektrodendraht an einer Position auftritt, der Strom einen alternativen Weg hat. Derartige Fehler können auftreten, wenn ein Fehler in der optischen Maske vorliegt, die verwendet wird, um die Drähte zu strukturieren, oder sich während der Verarbeitung Rückstände auf der Oberfläche der Drähte befinden. Es liegt auf der Hand, dass sich die in 16 und 17 gezeigten Elektrodenanordnungen auch aus den oben beschriebenen Elektrodendrähten oder Netz herstellen lassen.
  • Es versteht sich, dass das Ausbilden jeder Elektrode aus einer Vielzahl miteinander verbundener dünner Leitungen aus stark leitendem Draht oder Bahnen in dem „Netz”- oder „Filigran”-Verfahren entweder für Schicht 1 (X, Ansteuerung) oder Schicht 2 (Y, Erfassung) oder beide eingesetzt werden kann. In der Ausführungsform in 17 werden Netze für beide Schichten eingesetzt. Eine besonders bevorzugte Kombination für Display-Einsatzzwecke oder andere Einsatzzwecke, bei denen Unsichtbarkeit wichtig ist, ergibt sich, wenn Schicht 1 nicht aus Netz bestehendem, d. h. „massiven” Elektroden mit den kleinen unsichtbaren Zwischenräumen, beispielsweise aus ITO, besteht und Schicht 2 aus Netz-Elektroden, beispielsweise aus Kupfer, besteht, die Leitungsbreiten haben, die so klein sind, dass sie ebenfalls unsichtbar sind.
  • Es liegt auf der Hand, dass die in 12, 15, 16 und 17 gezeigten Strukturen sowohl in der x- als auch der y-Richtung wiederholt oder ausgedehnt werden können.
  • Die in 12, 15, 16 und 17 gezeigten Sensoren ermöglichen es, die Breite (x-Richtung) eines zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensors zu vergrößern, ohne die Anzahl von Erfassungskanälen zu vergrößern, wobei gleichzeitig die Auflösung beibehalten wird und eine Methode linearer Interpolation eingesetzt wird. Dies ist deutlich in 12, 15 und 16 dargestellt, die, obwohl sie schematisch ausgeführt sind und in absolutem Sinne nicht maßstabsgetreu sind, im gleichen Maßstab gezeichnet sind, um darzustellen, wie die Gesamtbreite des zweidimensionalen kapazitiven Wandlersensors vergrößert werden kann, indem die Anzahl von y-Interpolation-Verzweigungen pro Ansteuer-„Zelle” erhöht wird, ohne die Anzahl von Erfassungskanälen zu ändern, die in allen dargestellten Beispielen 4 beträgt.
  • Die Anzahl der Erfassungskanäle kann variieren. Des Weiteren kann die Anzahl von Erfassungskanal-Verzweigungen pro Ansteuer-Zelle größer als oben dargestellt sein. Die oben beschriebenen Ausführungsformen zeigen 1, 2 und 3 Verzweigungen pro Zelle, die Anzahl könnte jedoch im Prinzip 4, 5, 6 oder mehr betragen, obwohl es wahrscheinlich ist, dass es eine praktische Begrenzung gibt, die sich aus üblichen Gestaltungskompromissen zwischen der Anzahl von Kanälen, der Auslesezeit und der Komplexität der Elektrodenstrukturen ergibt.
  • Die Rolle der Verzweigungen besteht daher darin, den Übergang von einem Erfassungskanal zum nächsten zu linearisieren.
  • Im Allgemeinen ist die Anzahl von „Tasten” 'K' eine Funktion der Anzahl von Erfassungskanälen n und der Anzahl von Erfassungs-Verzweigungen pro Elektrodenzelle 'm', die mit der Gleichung K = 2m(n – 1) + 1 gegeben ist. In Tabellenform für Werte von 'm' bis zu 4 und 'n' bis zu 5 ergibt sich die folgende Anzahl von Tasten:
    n = 2 n = 3 n = 4 n = 5
    m = 1 3 5 7 9
    m = 2 5 9 13 17
    m = 3 7 13 19 25
    m = 4 9 17 25 33
  • Es versteht sich auch, dass der Abstand der Ansteuerelektroden vorzugsweise vergleichbare Dimensionen zur Berührungsgröße des berührenden Objektes hat, für das der Sensor bestimmt ist. Jedoch kann beim Einsatz der y-Interpolation der Erfassungselektroden-Verzweigungen der Abstand der Erfassungselektrode größer sein. Bei nur einer Gruppe von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode (12) beträgt der Abstand der Erfassungselektroden im Allgemeinen das Doppelte des Abstandes der Ansteuerelektroden, wenn davon ausgegangen wird, dass die Tastenabmessungen in x- und y-Richtung die gleichen sind. Bei zwei Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode (15) beträgt der Abstand der Erfassungselektroden im Allgemeinen das Vierfache des Abstandes der Ansteuerelektroden. Bei drei Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode (16) beträgt der Abstand der Erfassungselektroden im Allgemeinen das Sechsfache des Abstandes der Ansteuerelektroden. Das heißt, der Abstand der Erfassungselektroden beträgt im Allgemeinen das „2m”-fache des Abstandes der Ansteuerelektrode, wenn davon ausgegangen wird, dass die Tastenabmessungen in x- und y-Richtungen die gleichen sind. Normalerweise sind die Tastenabmessungen in x- und y-Richtung, wenn nicht gleich, so doch ähnlich, so dass der Abstand der Erfassungselektroden im Allgemeinen innerhalb des „2m ± 1”-fachen des Abstandes der Ansteuerelektroden liegt. Des Weiteren hat, wenn das berührende Objekt, für das der Sensor bestimmt ist, ein menschlicher Finger ist, jede Tast normalerweise eine x- und y-Abmessung im Bereich 5–10 mm.
  • Aus dem Obenstehenden wird verständlich, dass sich der Verweis auf „pro Ansteuerelektrode” auf einzelne Ansteuerelektroden unabhängig davon bezieht, ob die Ansteuerelektroden direkt adressiert werden oder nicht. Beispielsweise sind in der Ausführungsform in 12 10 Ansteuerelektroden vorhanden, aufgrund des Einsatzes von Überbrückungswiderständen 74 jedoch nur 4 Ansteuerkanäle.
  • Es liegt auf der Hand, dass der Sensor der Erfindung bei vielen Typen von Vorrichtungen/Geräten eingesetzt werden kann. Sensoren können beispielsweise bei Herden, Grills, Waschmaschinen, Wäschetrocknern, Geschirrspülmaschinen, Mikrowellenherden, Küchenmaschinen, Brotbackmaschinen, Getränkezubereitungsmaschinen, Computern, audiovisuellen Heimgeräten, Personalcomputern, tragbaren Media-Abspielgeräten, PDA, Mobiltelefonen, Computern, Spielkonsolen usw. eingesetzt werden.
  • 18 zeigt ein Beispiel eines tragbaren Personalcomputers (PC) 120. Ein Berührungssensor gemäß der vorliegenden Technik könnte eingesetzt werden, um einen Teil oder die Gesamtheit eines Eingabe-Steuerfeldes des Notebook-PC 120 zu bilden. In der Figur ist der PC 120 dargestellt, der eine Anzeigevorrichtung 122 enthält, die an einem Unterteil 124 angebracht ist, das einen Prozessor und andere Komponenten aufnimmt, die normalerweise zu einem PC gehören. Ein Eingabe-Steuerfeld 126 enthält eine Tastatur 128. Das Eingabe-Bedienfeld 126 enthält des Weiteren ein berührungsempfindliches Mauspad 130. Das Mauspad kann unter Verwendung eines Berührungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert werden. Des Weiteren kann die Anzeigevorrichtung 122 auch mit einem Berührungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert werden, der darüber angeordnet ist, so dass ein Touchscreen entsteht. Dies kann besonders für einen Tablet-PC sinnvoll sein.
  • 19 zeigt schematisch eine Waschmaschine 91, die ein Bedienfeld enthält, das einen Sensor gemäß der Erfindung enthält.
  • 20 zeigt schematisch ein Mobiltelefon 95, das einen oder mehrere Sensoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Ein zweidimensionaler Sensor 98 gemäß der Erfindung kann eingesetzt werden, um das Tastenfeld mit Tasten 99 zu versehen, oder er kann ein separater Sensor sein, der die gleichen Abmessungen hat wie das Tastenfeld. Beispielsweise kann das Tastenfeld als eine mechanische Baugruppe beibehalten werden, und der Sensor kann vorhanden sein, um Zeichnen, Schreiben oder Befehlsgesten zu ermöglichen, die von dem Benutzer auf dem Tastenfeldbereich ausgeführt werden, um beispielsweise Textnachrichten in chinesischen oder anderen asiatischen Schriftzeichen zu schreiben. Auf dem Bildschirm 97 kann ein Sensor gemäß der Erfindung angeordnet werden.
  • Allgemein gesprochen kann die Erfindung in Verbindung mit jedem beliebigen Gerät eingesetzt werden, das eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweist. Es ist auch möglich, einen Sensor zu schaffen, der dem oben beschriebenen ähnelt und der separat von einer Vorrichtung oder einem Gerät vorhanden ist, das/die mit ihm gesteuert werden kann, um beispielsweise ein vorhandenes Gerät aufzurüsten. Es ist auch möglich, einen allgemeinen Sensor zu schaffen, der so konfiguriert sein kann, dass er ein Spektrum verschiedener Geräte bedient. Beispielsweise kann ein Sensor geschaffen werden, der programmierbare Tasten aufweist, die ein Hersteller von Vorrichtungen und Geräten durch entsprechende Konfigurierung, beispielsweise Umprogrammierung, mit gewünschten Funktionen verknüpfen kann.
  • Bezugsbeispiele
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (18)

  1. Kapazitiver Positionssensor, der umfasst: eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die sich in einer ersten Richtung auf einer ersten Ebene erstrecken; eine Vielzahl von Erfassungselektroden, die sich in einer zweiten Richtung auf einer zweiten Ebene erstrecken, die zu der ersten Ebene so versetzt ist, dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden an einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die zusammen eine Positionserfassungsanordnung bilden; wobei die Erfassungselektroden Verzweigungen aufweisen, die sich über einen Teil des Weges in der ersten Richtung so auf jede angrenzende Erfassungselektrode zu erstrecken, dass Endabschnitte der Verzweigungen aneinandergrenzender Erfassungselektroden gleichen Verlauf in der ersten Richtung aufweisen und um einen Abstand getrennt sind, der so gering ist, dass kapazitive Kopplung zu der Ansteuerelektrode, die an den gleich verlaufenden Abschnitt angrenzt, reduziert wird.
  2. Sensor nach Anspruch 1, wobei für jede Ansteuerelektrode eine Gruppe von Erfassungselektroden-Verzweigungen vorhanden ist, so dass gleich verlaufende Abschnitte entstehen, die eine Zone zwischen benachbarten Erfassungselektroden in der ersten Richtung einnehmen.
  3. Sensor nach Anspruch 1, wobei für jede Ansteuerelektrode mehrere Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen vorhanden sind, die zueinander in der zweiten Richtung versetzt sind, wobei durch die mehreren Gruppen jeweilige gleich verlaufende Abschnitte entstehen, die sich jeweils über verschiedene Zonen in der ersten Richtung erstrecken.
  4. Sensor nach Anspruch 3, wobei die Erfassungselektroden voneinander in der ersten Richtung um einen ersten Abstand Psense getrennt sind und die Ansteuerelektroden voneinander in der zweiten Richtung um einen Abstand Pdrive getrennt sind, wobei: Psense/Pdrive = 2m ± 1wobei 'm' die Anzahl von Gruppen von Erfassungselektroden-Verzweigungen pro Ansteuerelektrode ist.
  5. Sensor nach Anspruch 4, wobei das Maß von Pdrive eine mit der Berührungsgröße des berührenden Objektes, für das der Sensor bestimmt ist, vergleichbare Dimension ist.
  6. Sensor nach Anspruch 1, wobei jede Elektrode in Draufsicht einen Bereich abdeckt, der ihre dazugehörigen Erfassungselektroden-Verzweigungen vollständig einschließt.
  7. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Zwischenräume zwischen einzelnen der Ansteuerelektroden klein sind.
  8. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 7, wobei die Zwischenräume so dimensioniert sind, dass sie ausreichend klein sind, um unsichtbar oder nahezu unsichtbar zu sein.
  9. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 7, wobei die Zwischenräume kleiner als ungefähr 100 μm sind.
  10. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, der des Weiteren ein Anzeigemodul umfasst, das unter den Ansteuerelektroden angeordnet ist.
  11. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 10, wobei das Anzeigemodul ein LCD ist.
  12. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, wobei jede Ansteuer- und/oder Erfassungselektrode aus einer kontinuierlichen Schicht aus elektrisch leitendem Material besteht.
  13. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, wobei jede Ansteuer- und/oder Erfassungselektrode aus einer Netz- oder Filigranstruktur aus miteinander verbundenen Leitungen aus stark leitendem Material besteht, die zusammen jede Elektrode bilden.
  14. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 13, wobei die Breite der miteinander verbundenen Leitungen klein genug ist, um unsichtbar oder nahezu unsichtbar zu sein.
  15. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, wobei sich die Ansteuerelektroden in einer ersten linearen Richtung erstrecken und sich die Erfassungselektroden in einer zweiten linearen Richtung quer zu der ersten linearen Richtung erstrecken, so dass die Vielzahl von Schnittpunkten eine Gitterstruktur bilden.
  16. Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, wobei sich die Ansteuerelektroden bogenförmig erstrecken und sich die Erfassungselektroden radial erstrecken, so dass die Vielzahl von Schnittpunkten auf einem oder mehreren bogenförmigen Weg/en liegen.
  17. Berührungsempfindliches Feld für einen kapazitiven Berührungssensor, wobei das berührungsempfindliche Feld eine Vielzahl von Ansteuerelektroden, die an einer Seite eines Substrats in einer ersten Schicht angeordnet sind, und eine Vielzahl von Erfassungselektroden aufweist, die an der anderen Seite des Substrats in einer zweiten Schicht so angeordnet sind, dass die Erfassungselektroden die Ansteuerelektroden in einer Vielzahl von Schnittpunkten schneiden, die um die Dicke des Substrats zueinander versetzt sind, wobei die Erfassungselektroden Verzweigungen aufweisen, die sich in einer ersten Richtung über einen Teil des Weges so auf jede angrenzende Erfassungselektrode zu erstrecken, dass Endabschnitte der Verzweigungen aneinandergrenzender Erfassungselektroden gleichen Verlauf in der ersten Richtung aufweisen und um einen Abstand getrennt sind, der so gering ist, so dass kapazitive Kopplung zu der Ansteuerelektrode, die an den gleich verlaufenden Abschnitt angrenzt, reduziert wird.
  18. Verfahren zum Erfassen der Position einer Betätigung an einem zweidimensionalen Positionssensor nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen von Ansteuersignalen an jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden; Messen von Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden empfangen werden und einen Grad kapazitiver Kopplung der Ansteuersignale zwischen den Ansteuerelektroden und jeder Gruppe der Erfassungselektroden darstellen; Bestimmen der Position in der ersten Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die von jeder der Vielzahl von Erfassungselektroden gewonnen werden; und Bestimmen der Position in der zweiten Richtung durch eine Interpolation zwischen Erfassungssignalen, die gewonnen werden, indem sequenziell jede der Vielzahl von Ansteuerelektroden mit jeweiligen Ansteuersignalen angesteuert wird.
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