DE102009030495A1

DE102009030495A1 - System zur Näherungs- und Gestendetektion

Info

Publication number: DE102009030495A1
Application number: DE102009030495A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kandziora; Peter Fasshauer
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Bereitgestellt wird ein System bzw. eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer Position, einer Geste und/oder einer Annäherung eines Objektes, z. B. an eine Anzeigeeinrichtung, mit zumindest einem kapazitiven Sensor, umfassend eine Sensorelektrode, einen mit der Sensorelektrode gekoppelten Resonanzkreis und einen Generator zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildeten System mit einer elektrischen Spannung, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber einer elektrischen Spannung des Generators indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an die Sensorelektrode ist, wobei zumindest eine Schirmelektrode in einem vorbestimmten Abstand zur Sensorelektrode anordenbar ist, wobei zumindest eine Koppelelektrode zwischen der Sensorelektrode und der Schirmelektrode anordenbar ist und mit der Schirmelektrode vorzugsweise kapazitiv koppelbar ist und wobei der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors über eine Verstärkerschaltung auf die Koppelelektrode schaltbar ist, um die Koppelelektrode und die Schirmelektrode im Wesentlichee zu bringen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein System zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Folie, auf welcher Bestandteile des System, insbesondere Elektroden angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung unter Verwendung eines berührungssensitiven Bildschirms der Anzeigeeinrichtung und unter Verwendung der erfindungsgemäßen Folie.
Stand der Technik
Bei Bildschirmen bzw. Displays, insbesondere bei Computerbildschirmen, mobilen Kommunikationsgeräten oder Navigationsgeräten besteht der Wunsch, die Funktionalität der Bildschirme durch eine Erkennung der Annäherung an den Bildschirm oder eine Erkennung von Gesten in der Nähe des Bildschirms zu erweitern, um hierdurch beispielsweise Bildbewegungen wie das Blättern und/oder Drehen von auf dem Bildschirm dargestellten elektronischen Dokumenten von Hand zu steuern ohne dabei den Bildschirm zu berühren.
Hierfür sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt. Ein Lösungsansatz beruht auf optischen Verfahren mit Kameras und anschließender Bildverarbeitung, was jedoch aufwändig und rechenintensiv ist sowie häufig zu Problemen bei unterschiedlichen bzw. schlechten Beleuchtungsverhältnissen führt.
Einen weiteren, weniger aufwändigen Lösungsansatz bieten sogenannte kapazitive Verfahren, bei denen eine Annäherung der Hand oder eines Fingers an den Bildschirm durch mehrere Elektroden eines kapazitiven Sensorsystems erfasst und die hierdurch entstehenden Kapazitätsänderungen an den Elektroden mittels eines geeigneten Verfahrens ausgewertet werden.
Besonderes nachteilig des auf einem kapazitiven Verfahren basierenden Lösungsansatzes ist, dass der Bildschirm auf Massepotential liegt. Damit wird die Empfindlichkeit der Elektroden, welche zur Gestenerfassung im Bildschirmbereich angeordnet sind, erheblich eingeschränkt, weil ein von den Elektroden emittiertes elektrisches Feld stark auf den geerdeten Bildschirm koppelt. Diese Koppelung ist insbesondere im Fall größerer Bildschirme von Nachteil. Besonders im Bereich der Bildschirmmitte hat die Annäherung eines Fingers oder einer Hand nur einen sehr geringen Einfluss auf eine Veränderung des von den Elektroden emittierten elektrischen Feldes und führt daher nur zu sehr schwachen Änderungen eines abgeleiteten Sensorsignals. Dies ist ein grundlegender Nachteil aller kapazitiven Sensoren zur Gestenerkennung bzw. zur Näherungsdetektion.
Des Weiteren besteht der Wunsch, berührungssensitive Bildschirme um die Funktionalität einer Annäherungs- bzw. Gestenerkennung zu erweitern, um so auch bei berührungssensitiven Bildschirmen Anwendungen berührungslos von Hand zu steuern bzw. zu bedienen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine System zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes, insbesondere einer Hand oder eines Fingers, bereitzustellen, welche die genannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet und eine verbesserte Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems sowie eine nachträgliche Erweiterung berührungsempfindlicher Anzeigeeinrichtungen um annäherungssensitive Funktionalität ermöglicht.
Erfindungsgemäße Lösung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System bzw. einer elektrischen Schaltungsanordnung und einer Vorrichtung zum Erfassen von Gesten, der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung gelöst.
Danach wird ein System bzw. eine Schaltungsanordnung bereitgestellt zum Erfassen einer Position, einer Geste und/oder der Annäherung eines Objektes, mit zumindest einem kapazitiven Sensor, umfassend eine Sensorelektrode, einen mit der Sensorelektrode gekoppelten Resonanzkreis und einen Generator zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildeten Systems mit einer elektrischen Spannung, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber einer elektrischen Spannung des Generators indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an die Sensorelektrode ist, wobei zumindest eine Schirmelektrode in einem vorbestimmten Abstand zur Sensorelektrode anordenbar ist, zur Abschirmung eines Elektrodenfeldes der Sensorelektrode gegen Masse, wobei zumindest eine Koppelelektrode zwischen der Sensorelektrode und der Schirmelektrode anordenbar ist und mit der Schirmelektrode koppelbar ist, und wobei der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors über eine Verstärkerschaltung auf die Koppelelektrode schaltbar ist, um die Koppelelektrode und die Schirmelektrode im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
Dieses System bzw. diese Schaltungsanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine verbesserte Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems gegenüber herkömmlichen kapazitiven Sensorsystems gewährleistet wird. Durch das Bereitstellen einer Koppelelektrode können in besonders vorteilhafter Weise auch Bildschirme mit resistiven berührungsempfindlichen Displays auf gerüstet werden zu Bildschirmen mit Gesten- und Annäherungsdetektion.
Die Verstärkerschaltung kann als Treiberschaltung ausgestaltet sein, wobei die Treiberschaltung ausgestaltet ist, den Strom an der Koppelelektrode zu treiben und die Koppelelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen. Damit kann ein nahezu feldfreier Raum zwischen den Sensorelektroden und der Schirmelektrode erzeugt werden, was sich wiederum positiv auf die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems auswirkt.
Die beaufschlagte elektrische Spannung kann dabei betragsmäßig kleiner sein als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode.
Vorteilhaft ist es, wenn die Schirmelektrode und die Koppelelektrode kapazitiv koppelbar sind. Damit ist ein nachträgliches Aufrüsten eines Bildschirms, welcher bereits leitfähige Strukturen, z. B. zur Berührungsdetektion aufweist, mechanisch besonders einfach machbar.
Der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors kann über einen Multiplexer mit der Treiberschaltung gekoppelt sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die induktive Komponente des Resonanzkreises durch einen Gyrator gebildet wird, wobei der Gyrator einen über einen Kondensator rückgekoppelten Operationsverstärker umfasst, welcher am Eingang des kapazitiven Sensors als virtuelle Induktivität wirkt, wobei die virtuelle Induktivität zusammen mit der am Eingang des kapazitiven Sensors angeschlossenen Sensorelektrode und deren Lastkapazität gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers kann mit der Treiberschaltung gekoppelt werden und am Ausgang des Operationsverstärkers kann ein Dämpfungsglied, vorzugsweise ein ohmscher Spannungsteiler, angeordnet sein.
Bereit gestellt wird auch eine Vorrichtung zum Erfassen von Gesten, der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei die Schirmelektrode in ein transparentes Schutzmaterial eingebettet ist, welches an der Anzeigeeinrichtung anordenbar ist, und wobei die Schirmelektrode der Abschirmung des Elektrodenfelds der Sensorelektrode gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient.
Die Schirmelektrode und die zumindest eine Sensorelektrode kann jeweils in ein Trägermaterial eingebettet sein und die Träger können an der der Anzeigeeinrichtung abgewandten Oberfläche des transparenten Schutzmaterials angeordnet sein. Das Trägermaterial kann ein transparentes Trägermaterial sein.
Die Anzeigeeinrichtung kann ein berührungssensitiver Bildschirm sein und die Schirmelektrode und/oder die zumindest eine Sensorelektrode können durch die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms gebildet werden, wobei die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms im Zeitmultiplexverfahren mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion und mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion gekoppelt sind.
Dabei kann die Schirmelektrode die Koppelelektrode umfassen.
Bereitgestellt wird auch eine Folie, aufweisend eine Sensorelektroden oder eine Mehrzahl von Sensorelektroden und zumindest eine Koppelelektrode, wobei die Sensorelektroden auf einer Seite der zumindest einen Koppelelektrode und in einem vorbestimmten Abstand zur zumindest einen Koppelelektrode angeordnet sind und wobei die Folie Anschlüsse aufweist zum Anschließen der Sensorelektroden an eine Auswerteeinheit und zum Anschließen der Sensorelektroden und der zumindest einen Koppelelektrode an eine Treiberschaltung zur Herstellung eines im Wesentlichen feldfreien Raumes zwischen den Sensorelektroden und der zumindest einen Koppelelektrode.
Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung mit einem berührungssensitiven Bildschirm, wobei der berührungssensitive Bildschirm leitfähige Strukturen zur Detektion einer Berührung aufweist, umfassend einen Schritt zum Aufbringen einer erfindungsgemäßen Folie auf den berührungssensitiven Bildschirm, wobei die zumindest eine Koppelelektrode dem Bildschirm zugewandt wird und wobei die zumindest eine Koppelelektrode mit den leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms in eine kapazitive Koppelung bringbar sind.
Die Folienanschlüsse und die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms werden mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion gekoppelt, wobei die leitfähigen Strukturen im Zeitmultiplexverfahren mit der Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion und mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion gekoppelt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Kurzbeschreibung der Figuren
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen Systems bzw. einer Schaltungsanordnung mit mehreren kapazitiven Sensoren;
2 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor aus 1;
3 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit einem sich dem kapazitiven Sensor annähernden Finger;
4 eine als Gyrator ausgestaltete induktive Komponente des Resonanzkreises eines kapazitiven Sensors;
5a eine rahmenförmige Anordnung der Elektroden des erfindungsgemäßen Systems;
5b einen Schichtenaufbau der im 5a gezeigten rahmenförmigen Anordnung der Elektroden des erfindungsgemäßen Systems;
6 den Grundaufbau eines resistiven berührungssensitiven Bildschirms;
7 eine Verschaltung eines berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetekion;
8 eine erfindungsgemäße Verschaltung eines berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetekion und einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion;
9 die Verwendung leitfähiger Strukturen eines berührungssensitiven Bildschirms als Schirmelektroden für das erfindungsgemäße System, wobei die Sensorelektroden rahmenförmig angeordnet sind; und
10 die Verwendung leitfähiger Strukturen eines berührungssensitiven Bildschirms als Schirmelektroden für das erfindungsgemäße System, wobei die Sensorelektrode als leitfähige Folie ausgestaltet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Prinzipanordnung eine erfindungsgemäßen Systems bzw. Schaltungsanordnung.
Die Anordnung umfasst Sensorelektroden E1 bis En, welche jeweils mit einem zugehörigen kapazitiven Sensor S1 bis Sn gekoppelt sind. Über dem Bildschirm bzw. Display D ist ein transparentes Schutzmaterial SM angeordnet. Das Schutzmaterial SM kann entweder aus Glas oder aus einer Folie aus Kunststoff gefertigt sein. Andere hierfür geeignete Materialien können ebenfalls verwendet werden.
An der Unterseite oder der Oberseite (oder nahe unterhalb einer Oberfläche) des Glases bzw. der Folie ist eine schwach leitende Schicht aufgebracht, die als Schirmelektrode SE der Abschirmung des von den Sensorelektroden S1 bis Sn emittierten elektrischen Feldes gegenüber dem geerdeten Bildschirm D dient. Diese leitende Schicht wirkt gegenüber dem geerdeten Bildschirm D jeweils dann als Abschirmung bzw. als Schirmelektrode SE, wenn die an den Sensorelektroden E1 bis En anliegende Elektrodenspannung annähernd gleich der an der Schirmelektrode SE anliegenden Spannung ist. Die Schirmelektrode SE und Sensorelektroden E1 bis En liegen dann auf annähernd gleichem Potential, sodass der Raum zwischen der Schirmelektrode SE und den Sensorelektroden E1 bis En nahezu feldfrei wird.
Die Schirmelektrode SE kann dabei Bestandteil der Anzeigeinrichtung bzw. des Bildschirms D sein, während die Sensorelektroden E1 bis En unabhängig von der Schirmelektrode SE auf dem Bildschirm D angebracht werden können bzw. nachträglich angebracht werden können.
Um auch bei einem von der Schirmelektrode SE unabhängigen Anbringen der Sensorelektroden E1 bis En zu gewährleisten, dass diese auf im Wesentlichen dem gleichen Potential liegen bzw. dass zwischen diesen ein im Wesentlicher feldfreier Raum gebildet wird, wird jeweils einer der Sensorausgänge der kapazitiven Sensoren S1 bis Sn über einen Multiplexer MUX und einer Treiberschaltung T auf eine Koppelelektrode SE_K geschaltet.
Die Koppelelektrode SE_K wird dabei derart angeordnet, dass sie zwischen den Sensorelektroden E1 bis En und der Schirmelektrode SE liegt und vorzugsweise mit der Schirmelektrode SE in kapazitive Koppelung bringbar ist. In einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Schirmelektrode SE galvanisch mit der Koppelelektrode SE_K gekoppelt sein.
Die Treiberschaltung T ist dabei ausgestaltet, den Strom der Koppelelektrode SE_K zu treiben und die Koppelelektrode SE_K mit einer Spannung zu beaufschlagen, welche phasengleich zur an den Sensorelektroden E1 bis En anliegenden Elektrodenspannung ist. Das so an der Koppelelektrode SE_K erzeugte Signal wird kapazitiv über das Glas oder die Folie auf die elektrisch leitende Schicht bzw. auf die Schirmelektrode SE gekoppelt. Damit wird gewährleistet, dass sich in jedem Fall ein im Wesentlichen feldfreier Raum zwischen den Sensorelektroden E1 bis En und der Schirmelektrode SE ausbildet.
Die kapazitive Ankopplung von der Oberseite des Glases bzw. der Folie ist aus Sicht einer kostengünstigen Produktion besonders vorteilhaft, da die gesamte Konfiguration aus Sensorelektroden E1 bis En und Koppelelektrode SE_K zur Ankoppelung an die Schirmelektrode SE von oben einfach auf den Bildschirm D aufgesetzt werden kann. Dies spielt vor allem auch unter dem Aspekt der Nachrüstung von Bildschirmen mit einer Annäherungsfunktionalität eine wichtige Rolle.
Die Wirkungsweise der in 1 gezeigten elektrischen Schaltung wird mit Bezug auf 2 näher erläutert.
2 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten Schaltung für einen kapazitiven Sensor S.
Zwischen einer Sensorelektrode E und der Koppelelektrode SE_K wirkt eine Kapazität C₁. Eine weitere Kapazität C₂ wird zwischen der Koppelelektrode SE_K und der zur Abschirmung dienenden leitfähigen Schicht bzw. Schirmelektrode SE im Glas bzw. in der Folie SM gebildet. Die Schirmelektrode SE wiederum weist eine Kapazität C₃ gegenüber dem geerdeten Bildschirm D auf.
Für die Abschirmwirkung der Schirmelektrode SE ist die an der Schirmelektrode SE anliegende Spannung u_S maßgeblich. Bei einer Ausgangsspannung u_T am Treiber T ergibt sich die Spannung u_S dann aus u_S = U_T/(1 + C₃/C₂)
Da die Ausgangsspannung u_T des Treibers T näherungsweise der Elektrodenspannung u_E an der Sensorelektrode E entspricht, ergibt sich eine umso bessere Abschirmwirkung, je kleiner das Verhältnis C₃/C₂ ist. Dies lässt sich durch konstruktive Maßnahmen, etwa durch Wahl geeigneter Abstände zwischen den Sensorelektroden E und der Schirmelektrode SE erreichen. Es hat sich herausgestellt, dass man bereits bei einem Verhältnis von 1 für C₃/C₂ eine hohe Abschirmwirkung erzielt.
Aus 2 ist auch ersichtlich, dass über die Koppelkapazität C₁ zwischen Sensorelektrode E und Koppelelektrode SE_K eine Rückkopplung im Sensorkreis auftritt, da über die Treiberschaltung T zum Sensor S eine Schleife gebildet wird. Dieser Effekt kann vorteilhaft für eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit ausgenutzt werden.
Die Verwendung einer leitfähigen Schicht bzw. einer Schirmelektrode SE im Glas bzw. auf einer Folie SM bietet zudem die Möglichkeit, mit dem erfindungsgemäßen System nach 1 außer einer Annäherungsdetektion auch eine Berührungsdetektion zu realisieren, die entweder unabhängig vom Ort der Berührung etwa eine Schaltfunktion ermöglicht oder abhängig vom Ort der Berührung auf dem Bildschirm für eine Koordinatenberechnung der Fingerposition verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft lässt sich mit in 1 gezeigten System eine Gestendetektion verwirklichen. Die Berührungsdetektion wird mit Bezug auf 3 näher erläutert.
3 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit einem sich dem kapazitiven Sensor annähernden Finger bzw. mit einem das Display berührenden Finger.
Die Berührung des Glases oder der Folie SM bewirkt stets eine sprunghafte oder sehr schnelle Verringerung der Spannung u_S an der Schirmelektrode SE, da die Schirmelektrode SE über eine vom Finger ausgehende Kopplungskapazität C_S und über die Körperkapazität C_K gegen Erde zusätzlich kapazitiv belastet wird. Diese Verringerung der Spannung u_S ist gleichbedeutend einer Erhöhung der an einer Sensorelektrode E wirksamen Lastkapazität. Dementsprechend ändert sich auch die Signalspannung des Sensors S sprunghaft oder sehr schnell. Gleichzeitig bewirkt eine Berührung des Bildschirms auch eine kapazitive Kopplung zur Sensorelektrode E, die in 3 mit einer weiteren Koppelkapazität C_E dargestellt ist. Nähert man sich bei gleichzeitigem Berühren des Displays der Sensorelektrode E, ergibt dies eine zusätzliche Änderung der Signalspannung des Sensors S, wodurch auch die Distanz des Fingers zur Sensorelektrode E ermittelt werden kann.
In Verbindung mit den übrigen Sensorelektroden kann damit die Koordinate des Fingers auf dem Bildschirm bestimmt werden. Dies ist jedoch mit hinreichender Genauigkeit nur dann möglich, wenn die Kopplung C_S des Fingers gegenüber der Schirmelektrode SE im Vergleich zur Kopplung C_E des Fingers auf die Sensorelektrode E nicht zu stark überwiegt.
Dies lässt sich durch eine entsprechende Gestaltung der Elektrodenkonfiguration erreichen, indem die Schirmelektrode SE näher oder weiter entfernt von der dem Bildschirm abgewandten Oberfläche des Glases oder der Folie SM angeordnet wird. Wir die Schirmelektrode SE weiter entfernt von der zu berührenden Oberfläche des Glases oder der Folie SM angeordnet, erhält man erfindungsgemäß die Möglichkeit einer unterscheidbaren Berührung auf dem Bildschirm. Die genaue Elektrodenkonfiguration hängt jeweils von der Größe des Bildschirms ab.
Die in 1 dargestellten kapazitiven Sensoren S1 bis Sn können nach einem Phasenverfahren arbeiten, bei dem für die Annäherung die Phasenverschiebung eines Resonanzkreises eines kapazitiven Sensors gegenüber einem Referenzsignal eines Generators des kapazitiven Sensors indikativ ist. Bei Annäherung eines Fingers an eine Sensorelektrode E eines kapazitiven Sensors S wird der Resonanzkreis des kapazitiven Sensors infolge der Kapazitätsänderung aus der ursprünglich eingestellten Resonanz verstimmt. Dabei kommt es zu einer Amplituden- und Phasenänderung des Signals des Resonanzkreises bezüglich des Generatorsignals, mit welchem der Resonanzkreis beaufschlagt wird.
Amplituden- und Phasenänderung können zur Detektion einer Annäherung an den kapazitiven Sensor S bzw. an dessen Sensorelektrode E verwendet werden. Am vorteilhaftesten wird jedoch die Phasenlage ausgenutzt, da man damit weitgehend unabhängig von möglichen Amplitudenänderungen des Generatorsignals bleibt und zudem eine noch größere Empfindlichkeit hinsichtlich Kapazitätsänderungen der Sensorelektrode E erreicht. Ferner kann bei Anwendung des Phasenverfahrens die Spannung am Resonanzkreis niedrig gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Feldemission an der Sensorelektrode E auswirkt und damit auch die EMV-Problematik bezüglich der Strahlungsemission vermindert. Des Weiteren ist ein Phasenverfahren auch unempfindlicher gegen von außen einwirkende Störungen auf der Empfangsseite.
Die für einen Resonanzkreis eines kapazitiven Sensors S erforderliche induktive Komponente kann mittels eines Gyrators realisiert werden. Die Grundstruktur eines Gyrators für einen kapazitiven Sensors in einem erfindungsgemäßen System ist mit Bezug auf 4 dargestellt.
Ein über einen Kondensator C_F rückgekoppelter Operationsverstärker OP wirkt am Eingang als virtuelle Induktivität L = R²·C_F, die zusammen mit der dort angeschlossenen Sensorelektrode E und deren Lastkapazität C_L gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet und dadurch als sensitives Element hinsichtlich der beschriebenen Phasenverschiebung wirkt. Gleichzeitig dient der Ausgang des Operationsverstärkers OP dazu, die über den Multiplexer MUX von 1 angeschlossene Koppelelektrode SE_K bzw. die Schirmelektrode SE, welche ja kapazitiv mit der Koppelelektrode SE_K gekoppelt ist, zu treiben.
Da über die Kapazität C₁ zwischen der Sensorelektrode E und der Koppelelektrode SE_K von 2 eine Rückkopplungsschleife entsteht und dadurch die Anordnung zur Oszillation neigen würde, wird mittels eines Dämpfungsgliedes, das vorzugsweise als ohmscher Spannungsteiler ausgebildet ist, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP heruntergeteilt, sodass das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP und der Spannung u_T an der Koppelelektrode SE_K betragsmäßig kleiner eins ist. Damit wird ein stabiler Betrieb gewährleistet. Zusätzlich kann der Ausgang des Operationsverstärkers OP mit der Treiberschaltung T gekoppelt werden, um optional die Spannung, mit welcher die Koppelelektrode SE_K beaufschlagt wird, wieder zu erhöhen und um die Koppelelektrode SE_K frei von einer kapazitiven Last zu bekommen.
Bei Verwendung des in 4 gezeigten Gyrators als induktive Komponente des Resonanzkreises eines kapazitiven Sensors S kann in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems nach 1 bzw. 2 dieses auch ohne Treiberschaltung T realisiert werden, da der ohmscher Spannungsteiler selbst als Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 wirkt und die Koppelelektrode SE_K treibt.
Diese Anordnung hat zudem den Vorteil, über diese Rückkopplung den Schwingkreis zu entdämpfen und somit eine hohe Kreisgüte zu erreichen, was wiederum eine hohe Annäherungsempfindlichkeit gewährleistet. Diese einfache und kostengünstige elektronische Realisierung eines Parallelschwingkreises ermöglicht auch eine Integration des gesamten Systems in einem ASIC.
Entsprechend der in 1 gezeigten Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen Systems mit mehreren kapazitiven Sensoren können erfindungsgemäß beliebige Elektrodenkonfigurationen bestehend aus Sensorelektroden, Koppelelektroden und Schirmelektroden realisiert werden, um eine Annäherung oder eine Bewegung (z. B. eine Gestik) im Bereich der Sensorelektroden zu erfassen.
Ein Beispiel für eine Anordnung bestehend aus vier linienförmigen Elektroden EX₁, EX₂, EY₁, EY₂ in einem Mehrlagenaufbau ist in 5a gezeigt. 5a zeigt eine rahmenförmige Anordnung R, welche zur Nachrüstung für eine Annäherungsfunktionalität (oder Gestik-Funktion) von oben auf ein Display D aufgesetzt werden kann. Die streifenförmigen Elektroden EX₁, EX₂, EY₁, EY₂ sind hier entlang der vier äußeren Kanten des Rahmens R angeordnet.
Der Schichtenaufbau der in 5a gezeigten rahmenförmigen Anordnung, welcher z. B. mit mehreren übereinander angeordneten Folien realisiert werden kann, ist in 5b schematisch dargestellt.
Die Sensorelektrode E und mehrere Koppelelektroden SE_K sind in einem Trägermaterial B eingebettet. Das Trägermaterial kann beispielsweise eine Folie, welche durchsichtig sein kann, sein. Die Koppelelektroden SE_K sind galvanisch miteinander verbunden und werden von derselben Treiberschaltung T getrieben.
Die an der Oberseite des Trägermaterials randseitig angeordnete Koppelelektrode ermöglicht hierbei eine Abschirmwirkung nach außen zum Randbereich des Displays D. Die an der Unterseite des Trägermaterials angeordnet Koppelelektrode dient zusammen mit der in das Glas oder die Folie SM eingelassene Schirmelektrode SE dazu die Sensorelektrode SE gegen das Display abzuschirmen.
Die streifenförmige Anordnung hat den Vorteil, dass die Koordinaten der Position eines Fingers mit einem einfachen Algorithmus für ein X/Y-Koordinatensystem auf der Display-Oberfläche berechnet werden können, da z. B. die Signale, welche an den X-Elektroden EX₁ und EX₂ entstehen, unabhängig von den Signalen an den Y-Elektroden EY₁ und EY₂ sind.
Eine Koordinatenberechnung mit vier streifenförmigen Sensorelektroden kann beispielsweise anhand einer Auswertung der Phasenlage Φ_X bzw. Φ_Y der X-Elektroden bzw. der Y-Elektroden erfolgen. Dazu wird vorteilhaft die Phasendifferenz und die Phasensumme der X- bzw. der Y-Elektrodenpaare ermittelt, also AΦ_X = Φ_X1 – Φ_X2 und ΣΦ_X = Φ_X1 + Φ_X2 bzw. ΔΦ_Y = Φ_Y1 – Φ_Y2 und ΣΦ_Y = Φ_Y1 + Φ_Y2.
Damit ist auch eine Linearisierung der Koordinatenbestimmung möglich, da sich bei der Differenzbildung im Allgemeinen ein nichtlinearer Verlauf der Phasendifferenz ergibt. Für die Linearisierung kann zunächst (für jedes Elektrodenpaar) eine Funktion Ψ_X = ΣΦ_X – Φ_X0 Ψ_Y = ΣΦ_Y – Φ_Y0 definiert werden. Daraus kann ΔΦ_X/Ψ_X = (Φ_X1 – Φ_X2)/(Φ_X1 + Φ_X2 – Φ_X0) ΔΦ_Y/Ψ_Y = (Φ_Y1 – Φ_Y2)/(Φ_Y1 + Φ_Y2 – Φ_Y0) mit einer geeignet gewählten Konstante Ψ_X0 bzw. Φ_Y0 gewählt werden, um die Linearisierung für jeweils in X-Richtung und Y-Richtung zu erhalten. Durch die sich daraus ergebende annähernde Proportionalität kann sehr einfach die Position eines Fingers bestimmt werden.
Mit der in 5a und 5b gezeigten rahmenförmigen Struktur, welche aus der Schicht SM mit der Schirmelektrode SE und der Schicht B mit den Sensorelektroden S und den Koppelelektroden SE_K besteht, kann auf sehr einfache Weise ein bestehendes Display um die Funktionalität einer Annäherungsbestimmung oder Gestenbestimmung erweitert werden.
Ebenso lässt sich erfindungsgemäß das System in ein bestehendes Display integrieren, indem bereits im Display vorhandene elektrisch leitfähige Strukturen auch für das erfindungsgemäße System verwendet werden.
Damit können beispielsweise resistive berührungsempfindliche Displays einfach um die genannte Funktionalität erweitert werden, indem die bereits vorhandenen leitfähigen Strukturen des berührungsempfindlichen Displays genutzt werden.
6 zeigt den Aufbau eines resistiven berührungsempfindlichen Displays (Touchscreen). Das resistive berührungsempfindliche Display besteht im Wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden leitfähigen Schichten 20, 30 (Folie – Folie oder ITO-Glas – Folie), welche durch kleine Abstandsdots 10 voneinander getrennt sind. Das berührungsempfindliche Display wird oberhalb der Anzeigeeinrichtung angeordnet. Das berührungsempfindliche Display verfügt über Messleitungen, welche bei einer Berührung mit dem Finger oder Stift über den Berührungspunkt eine Spannung leiten.
7 zeigt die Koppelung des in 6 gezeigten resistiven berührungsempfindlichen Displays über Displayanschlusskabel 70 und einem Stecker 60 mit einer Auswerteeinheit μC zur Detektion von Berührungen.
Erfindungsgemäß können diese beiden leitfähigen Schichten 20, 30 (unabhängig von der konkreten Touchscreenausführung) als Elektrodenstrukturen für das erfindungsgemäße System verwendet werden. Um die vorhandene Funktion der Berührungsdetektion des Touchscreen beizubehalten, wird vorhandene Funktion der Berührungsdetektion im Zeitmultiplexverfahren mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit GestIC zur Näherungsdetektion gekoppelt. Eine derartige Koppelung ist in 8 gezeigt.
Erfindungsgemäß bestehen mehrere Möglichkeiten der Realisierung, wobei immer mindestens eine leitfähige Schicht des berührungsempfindlichen Displays entweder als Sensorelektrode E oder als Schirmelektrode SE genutzt wird.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die untere, dem Bildschirm D zugewandte Schicht 20 als Schirmelektrode SE zu nutzen und die obere Schicht 30 als Sensorelektrode E. Damit kann ohne zusätzliche Elektroden ein resistives berührungsempfindliches Display nachgerüstet werden. Die Schirmelektrode SE bildet hierbei gleichzeitig auch die Koppelelektrode SE_K.
Eine weitere, in 9 gezeigte Möglichkeit besteht darin, beide leitfähigen Schichten des resistiven berührungsempfindlichen Displays zusammen als eine gemeinsame Schirmelektrode SE zu nutzen. Alternativ kann auch nur eine der beiden leitfähigen Schichten als Schirmelektrode SE genutzt werden. Die für das erfindungsgemäße System notwendigen Sensorelektroden EX₁, EX₂, EY₁, EY₂ können als separates Teil am Bildschirm angeordnet werden. Auch hierbei kann eine Ausführung als Rahmenstruktur zu Anwendung kommen, wobei auf der Rahmenstruktur lediglich die Sensorelektroden angeordnet werden. Auf der Rahmenstruktur kann auch eine einzelne umlaufende Sensorelektrode angeordnet werden, womit eine einfache Annäherung an das Display ohne Positionsbestimmung detektierbar ist. Die Rahmenstruktur kann beispielsweise mittels Press- oder Clipkontaktierung galvanisch mit der Auswerteeinheit gekoppelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mindestens eine leitfähige Schicht des resistiven berührungsempfindlichen Displays als Schirmelektrode SE zu verwenden und die Sensorelektrode E in Form einer zusätzlichen leitfähigen Folie 100 (z. B. ITO-Folie) auszugestalten und auf den bestehenden Touchscreen aufzubringen, wie in 10 dargestellt. In der in 10 gezeigten Ausführungsform wird eine einzige Sensorelektrode E als durchgängig leitfähige Folie auf den Touchscreen aufgebracht. Damit lässt sich in einfacher Weise einfache Annäherung an das Display ohne Positionsbestimmung realisieren.
Alternativ kann auch eine Folie mit mehreren voneinander unabhängigen Sensorelektroden E bzw. eine Folie mit segmentierten Sensorelektroden E auf den Touchscreen aufgebracht werden, beispielsweise mit 4 oder 16 quadratisch oder rechteckig ausgestalteten Sensorelektroden. Möglich sind auch mehrere parallel verlaufende streifenförmig ausgestaltete Sensorelektroden, sodass vorteilhaft etwa die X-Position des sich annähernden Fingers detektierbar ist. Mit steigender Anzahl der Sensorelektroden lässt sich die Auflösung der Detektion, etwa einer Geste weiter erhöhen.
Dies hat den Vorteil, dass mindestens eine Elektrodenfläche des erfindungsgemäßen Systems eingespart werden kann, die volle Funktionalität der Annäherungs- bzw. Gestenerkennung durch Verwenden der leitfähigen Strukturen des Touchscreens dennoch mit einer besseren Empfindlichkeit als bei Systemen aus dem Stand der Technik bereitgestellt werden kann. Dadurch ergibt sich auch eine erheblich einfachere mechanische Integration, was gleichbedeutend mit einer erheblichen Kostenreduktion im Herstellungsprozess sowie bei den Materialkosten ist.
Das erfindungsgemäße System zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität, insbesondere bei der Anpassung an verschiedene Displaygrößen aus, ohne dass die Empfindlichkeit bei größeren Displays abnimmt. Es können vielfältige anwendungsspezifische Elektrodenkonfigurationen zur Erfassung auch komplizierter Gesten realisiert werden. Die Erfassung der Annäherung erfolgt mittels eines Phasenverfahrens, wobei die hierzu notwendige Funktion eines Parallelschwingkreises mit einem einzigen Operationsverstärker zur Erzeugung einer virtuellen Induktivität erzeugt wird. Diese rein elektronische Lösung ermöglicht daher auch eine Platz sparende und kostengünstige Integration in einem ASIC für ein Vielfach-Elektrodensystem.

Claims

Schaltungsanordnung zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes, mit zumindest einem kapazitiven Sensor (S), umfassend eine Sensorelektrode (E), einen mit der Sensorelektrode (E) gekoppelten Resonanzkreis und einen Generator zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Sensorelektrode (E) und des Resonanzkreises gebildeten Systems mit einer elektrischen Spannung, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber einer elektrischen Spannung des Generators indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an die Sensorelektrode (E) ist, wobei – zumindest eine Schirmelektrode (SE) in einem vorbestimmten Abstand zur Sensorelektrode (E) anordenbar ist, zur Abschirmung eines Elektrodenfeldes der Sensorelektrode (E) gegen Masse; – zumindest eine Koppelelektrode (SE_K) zwischen der Sensorelektrode (E) und der Schirmelektrode (SE) anordenbar ist und mit der Schirmelektrode (SE) koppelbar ist; und – der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors (S) über eine Verstärkerschaltung auf die Koppelelektrode (SE_K) schaltbar ist, um die Koppelelektrode (SE_K) und die Schirmelektrode (SE) im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode (E) zu bringen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkerschaltung eine Treiberschaltung (T) ist und wobei die Treiberschaltung (T) ausgestaltet ist, den Strom an der Koppelelektrode (SE_K) zu treiben und die Koppelelektrode (SE_K) mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E) phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E).
Schaltungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Schirmelektrode (SE) und die Koppelelektrode (SE_K) kapazitiv koppelbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors (S) über einen Multiplexer (MUX) mit der Treiberschaltung (T) koppelbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die induktive Komponente des Resonanzkreises durch einen Gyrator gebildet wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei der Gyrator einen über einen Kondensator (C_F) rückgekoppelten Operationsverstärker (OP) umfasst, welcher am Eingang des kapazitiven Sensors (S) als virtuelle Induktivität wirkt, wobei die virtuelle Induktivität zusammen mit der am Eingang des kapazitiven Sensors (S) angeschlossenen Sensorelektrode (E) und deren Lastkapazität (C_L) gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) mit der Treiberschaltung (T) koppelbar ist und wobei am Ausgang des Operationsverstärkers (OP) ein Dämpfungsglied, vorzugsweise ein ohmscher Spannungsteiler, angeordnet ist.
Vorrichtung zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung (D), aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schirmelektrode (SE) in ein transparentes Schutzmaterial (SM) eingebettet ist, welches an der Anzeigeeinrichtung anordenbar ist, und wobei die Schirmelektrode (SE) der Abschirmung des Elektrodenfelds der Sensorelektrode (E) gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Schirmelektrode (SE) und die zumindest eine Sensorelektrode (E) jeweils in ein Trägermaterial eingebettet sind und wobei die Träger (B) an der der Anzeigeeinrichtung (D) abgewandten Oberfläche des transparenten Schutzmaterials (SM) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Trägermaterial ein transparentes Trägermaterial ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Anzeigeeinrichtung (D) ein berührungssensitiver Bildschirm ist und wobei die Schirmelektrode (SE) und/oder die zumindest eine Sensorelektrode (E) durch die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms gebildet werden, wobei die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms im Zeitmultiplexverfahren mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion (μC) und mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schirmelektrode (SE) die Koppelelektrode (SE_K) umfasst.
Folie, aufweisend eine Mehrzahl von Sensorelektroden (E) und zumindest eine Koppelelektrode (SE_K), wobei die Sensorelektroden (E) auf einer Seite der zumindest einen Koppelelektrode (SE_K) und in einem vorbestimmten Abstand zur zumindest einen Koppelelektrode (SE_K) angeordnet sind und wobei die Folie Anschlüsse aufweist zum Anschließen der Sensorelektroden (E) an eine Auswerteeinheit (GestIC) und zum Anschließen der Sensorelektroden (E) und der zumindest einen Koppelelektrode (SE_K) an eine Treiberschaltung (T) zur Herstellung eines im Wesentlichen feldfreien Raumes zwischen den Sensorelektroden (E) und der zumindest einen Koppelelektrode (SE_K).
Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung mit einem berührungssensitiven Bildschirm, wobei der berührungssensitive Bildschirm leitfähige Strukturen zur Detektion einer Berührung aufweist, umfassend einen Schritt zum Aufbringen einer Folie gemäß Anspruch 14 auf den berührungssensitiven Bildschirm, wobei die zumindest eine Koppelelektrode (SE_K) dem Bildschirm zugewandt wird und wobei die zumindest eine Koppelelektrode (SE_K) mit den leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms in eine kapazitive Koppelung bringbar sind.
Verfahren nach Anspruch 15, weitern aufweisend: einen Schritt zum Koppeln der Folienanschlüsse und der leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC), wobei die leitfähigen Strukturen im Zeitmultiplexverfahren mit der Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC) und mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion (μC) gekoppelt werden.