DE102009051409A1

DE102009051409A1 - Elektrodenanordnung zur Gestendetektion

Info

Publication number: DE102009051409A1
Application number: DE102009051409A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kandziora
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Bereitgestellt wird eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, mit einer Sensorelektrode, einer ersten Schirmelektrode und einer zweiten Schirmelektrode, wobei
- die Sensorelektrode und die erste Schirmelektrode auf einer ersten Seite eines Trägermaterials angeordnet sind,
- die Sensorelektrode mittels einer Leiterbahn mit einer Auswerteelektronik koppelbar ist,
- die erste Schirmelektrode zwischen der Sensorelektrode und der Leiterbahn und beabstandet zur Sensorelektrode und zur Leiterbahn angeordnet ist und zur Abschirmung eines von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen die Leiterbahn dient,
- die zweite Schirmelektrode auf der zweiten Seite des Trägermaterials angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient.
Die Sensorelektrode, die erste Schirmelektrode und die Leiterbahn sind jeweils streifenförmig ausgestaltet. Die erste Schirmelektrode ist breiter als die Leiterbahn.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung.
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 sog. kapazitive Verfahren bzw. Systeme. Diese haben alle den Nachteil, dass die Masse des Bildschirms die Sensitivität des Systems beeinflusst. Hinzu kommt, dass bei größeren Bildschirmen, wie sie z. B. in Büroarbeitsplätzen eingesetzt werden, eine Gestenerkennung auf kapazitiver Basis im Bereich der Bildschirmmitte nur mit zusätzlichen, im Bereich der Bildschirmmitte angeordneten Sensoren möglich ist, was den Aufwand der Auswertung zusätzlich erhöht.
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 steuern bzw. zu bedienen zu können.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, insbesondere einer Hand oder eines Fingers, für eine kapazitive Sensoreinrichtung bereitzustellen, welche die genannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet und eine verbesserte Empfindlichkeit der kapazitiven Sensoreinrichtung sowie eine nachträgliche Erweiterung von Anzeigeeinrichtungen, insbesondere von berührungsempfindlichen Anzeigeeinrichtungen um annäherungssensitive bzw. Gestenfunktionalität ermöglicht.
Erfindungsgemäß Lösung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Elektrodenanordnung bzw. einer Elektrodenkonfiguration nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrodenanordnung bzw. der Elektrodenkonfiguration sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, aufweisend eine Sensorelektrode, eine erste Schirmelektrode und eine zweite Schirmelektrode, bereitgestellt, wobei die Sensorelektrode und die erste Schirmelektrode auf einer ersten Seite eines im Wesentlichen flächig ausgestalteten Trägermaterials mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite angeordnet sind, wobei die Sensorelektrode mittels einer Leiterbahn, welche auf der ersten Seite des Trägermaterials angeordnet ist, mit einer Auswerteelektronik koppelbar ist, wobei die erste Schirmelektrode zwischen der Sensorelektrode und der Leiterbahn und beabstandet zur Sensorelektrode und zur Leiterbahn angeordnet ist und zur Abschirmung eines von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen die Leiterbahn dient, wobei die zweite Schirmelektrode auf der zweiten Seite des Trägermaterials angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient, und wobei die erste Schirmelektrode breiter ist als die Leiterbahn.
Die Sensorelektrode kann breiter sein als die Leiterbahn.
Die Sensorelektrode kann breiter sein als die erste Schirmelektrode.
Diese Elektrodenanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine verbesserte Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems gegenüber herkömmlichen kapazitiven Sensorsystemen gewährleistet wird. Mit der zweiten Schirmelektrode kann das elektrische Feld der Sensorelektrode gegen das Massepotential des Bildschirms abgeschirmt werden, was die Sensivität deutlich erhöht. Weil die erste Schirmelektrode breit im Verhältnis zur Leiterbahn ist, wird der Einfluss der Leiterbahn auf die Sensorelektrode minimiert bzw. besonders gering gehalten. Zusätzliche Mittel zum Abschirmen der Leiterbahn sind nicht notwendig, was die Herstellung der Elektrodenanordnung und die Integration der Elektrodenanordnung in ein Zielsystem vereinfacht. Weil die Sensorelektrode breit im Verhältnis zur Leiterbahn ist, wird eine hohe Empfindlichkeit der Sensorelektrode erreicht.
Die Elektrodenanordnung kann eine dritte Schirmelektrode aufweisen, wobei die dritte Schirmelektrode auf der ersten Seite des Trägermaterials beabstandet zur Leiterbahn angeordnet ist, wobei die Leiterbahn zwischen der ersten Schirmelektrode und der dritten Schirmelektrode angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird so der seitliche Einfluss auf die Sensorelektrode weiter verringert bzw. eliminiert.
Die Sensorelektrode, die erste Schirmelektrode und die Leiterbahn können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Dadurch verändert sich der Einfluss der Leitbahn auf die Sensorelektrode entlang der Leiterbahn nicht, was eine einfachere Konfiguration der zwischen der Sensorelektrode und der Leitbahn angeordneten ersten Schirmelektrode ermöglicht.
Die zweite Schirmelektrode kann durch ein leitfähiges und weitgehend transparentes Material gebildet werden. Die zweite Schirmelektrode kann dabei wesentlich breiter ausgestaltet sein als die Gesamtbreite von Sensorelektrode, erster Schirmelektrode, dritter Schirmelektrode und Leiterbahn, sodass auch für Anzeigeeinrichtungen ohne elektrisch leitfähige Beschichtungen eine besonders sensitive Detektion möglich ist.
Die zweite Schirmelektrode kann mit einer leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht galvanisch oder kapazitiv koppelbar sein. Damit können herkömmliche berührungsempfindliche Bildschirme mit einer Gesten- bzw. Annäherungsdetektion ausgerüstet werden, wobei die elektrische leitfähige Beschichtung des berührungsempfindlichen Bildschirmes genutzt wird, um die Elektrodenkonfiguration gegen die Masse des Bildschirms abzuschirmen.
Die Sensorelektrode kann mit einem Resonanzkreis gekoppelt sein, wobei das unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildete System mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber der beaufschlagten elektrischen Spannung indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an der Sensorelektrode ist.
Ein Ausgang des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildete System kann über eine Treiberschaltung auf zumindest eine der drei Schirmelektroden schaltbar sein, um zumindest eine der drei Schirmelektroden im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
In einer Ausführungsform ist ein Ausgang des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildeten Systems über eine Treiberschaltung auf alle drei Schirmelektroden schaltbar, um alle drei Schirmelektroden im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
Die Treiberschaltung kann ausgestaltet sein, den Strom an der zumindest einen Schirmelektroden zu treiben und die zumindest eine Schirmelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung vorzugweise betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode.
Damit kann ein nahezu feldfreier Raum zwischen der Sensorelektrode und den Schirmelektroden erzeugt werden, was sich wiederum positiv auf die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems auswirkt.
Mehrere Sensorelektroden können über einen Multiplexer mit der Treiberschaltung gekoppelt sein.
Bereitgestellt wird auch eine Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung so an der Anzeigeeinrichtung anordenbar ist, dass die zweite Seite des Trägermaterials der Anzeigeeinrichtung zugewandt ist und wobei die zweite Schirmelektrode der Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient.
Die zweite Schirmelektrode kann mit einer vor der Anzeigeeinrichtung angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht galvanisch oder kapazitiv koppelbar sein.
Die zweite Schirmelektrode kann durch eine vor der Anzeigeeinrichtung angeordnete leitfähige und weitgehend transparente Schicht gebildet werden.
Die Elektrodenanordnung kann randseitig um die Anzeigeeinrichtung umlaufend angeordnet sein, wobei die Sensorelektrode aus zumindest vier voneinander getrennten Sensorelektrodensegmenten gebildet wird, welche jeweils mit einer Auswerteelektronik koppelbar sind, und wobei jeweils ein Sensorelektrodensegment entlang jeweils einer Kante der Anzeigeeinrichtung angeordnet ist. Damit lassen sich X- und Y-Koordinate eines sich annähernden Fingers bestimmen.
Die Anzeigeeinrichtung kann ein berührungssensitiver Bildschirm sein, wobei die zweite Schirmelektrode durch die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms gebildet wird, wobei die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms im Zeitmultiplexverfahren mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion und mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion gekoppelt sind. Es kann so ein Bildschirm bereit gestellt werden, welcher sowohl die Berührung als auch die Annäherung bzw. eine Geste, welche vor dem Bildschirm ausgeführt wird, detektieren kann.
Bereitgestellt wird auch eine Folie mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei auf der ersten Seite der Folie eine Sensorelektrode oder eine Mehrzahl von Sensorelektroden angeordnet sind, auf der ersten Seite zumindest eine erste Schirmelektrode angeordnet ist, und auf der ersten Seite eine Leiterbahn zum Verbinden der Sensorelektrode mit einer Auswerteelektronik angeordnet ist, wobei die erste Schirmelektrode zwischen der Leiterbahn und der Sensorelektrode angeordnet ist. Auf der zweiten Seite der Folie ist zumindest eine zweite Schirmelektrode angeordnet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung und Bezeichnung entnehmbar.
Kurzbeschreibung der Figuren
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch vereinfacht dargestellt und werde in nachfolgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, mit zwei Elektrodenschichten, wobei eine Elektrodenschicht an eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung galvanisch gekoppelt ist;
2 einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit zwei Schichten, wobei eine Elektrode kapazitiv an eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung gekoppelt ist;
3 eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung in der Draufsicht;
4 einen Ausschnitt der in 3 gezeigten Elektrodenkonfiguration;
5 eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration für kleine Anzeigeeinrichtungen, welche keine leitfähige Schicht aufweisen;
6 eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Elektrodenanordnung, wobei eine Elektrode durch eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung gebildet wird;
7 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit einer Sensorelektrode und einer Schirmelektrode;
8 eine erfindungsgemäße Verschaltung eines berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinrichtung zur Berührungsdetektion und einer Auswerteelektronik zur Annäherungsdetektion; und
9 die Verwendung leitfähiger Strukturen eines berührungssensitiven Bildschirms als Schirmelektroden für eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration, wobei die Elektroden rahmenförmig angeordnet sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtenaufbau einer Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, etwa einer Hand oder eines Fingers.
An der Oberseite eines Trägermaterials TM ist eine Sensorelektrode E und eine erste Schirmelektrode SE1 angeordnet. Auf der zweiten Seite des Trägermaterials TM, d. h. auf der Unterseite des Trägermaterials ist eine zweite Schirmelektrode SE2 angeordnet. Eine Leiterbahn L, welche die Sensorelektrode E mit einer Auswerteelektronik A koppelt (vgl. 3), ist ebenfalls auf der ersten Seite, d. h. auf der Oberseite des Trägermaterials TM angeordnet. An der Oberseite des Trägermaterials TM ist ebenfalls eine dritte Schirmelektrode SE3 angeordnet. Die Anordnung der an der Oberseite des Trägermaterials TM angeordneten Elektroden E, SE1 und SE3 sowie der Leiterbahn L ist so gewählt, dass die erste Schirmelektrode SE1 zwischen der Sensorelektrode E und der Leiterbahn L verläuft und die Leiterbahn L zwischen der ersten Schirmelektrode SE1 und der dritten Schirmelektrode SE3 verläuft.
Als Trägermaterial TM kann ein beliebiges, nicht elektrisch leitfähiges Material verwendet werden. Vorzugsweise wird als Trägermaterial TM eine Folie verwendet. Damit wird also in vorteilhafter Weise eine Elektrodenanordnung bereitgestellt, welche aus nur zwei Elektrodenschichten besteht, welche letztlich nur durch das Trägermaterial TM voneinander getrennt sind. Die Herstellung einer solchen zweilagigen Elektrodenstruktur kann besonders kostengünstig erfolgen. Zudem wird erreicht, dass das gesamte Elektrodendesign inklusive dem Trägermaterial TM besonders flach ausgestaltet werden kann, was eine besonders einfache mechanische Integration in das Zielsystem, etwa einem Bildschirm, ermöglicht.
Die an der Unterseite des Trägermaterials TM angeordnete zweite Schirmelektrode SE2 ist galvanisch mit einer leitfähigen Schicht ITOS gekoppelt. Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung an einem berührungssensitiven Bildschirm kann die elektrisch leitfähige Schicht ITOS etwa die leitfähige Beschichtung vor dem sichtbaren Bereich des Bildschirms sein. Die Koppelung der leitfähigen Schicht bzw. die Kontaktierung der leitfähigen Schicht mit der Schirmelektrode SE2 kann beispielsweise mittels Durchkontaktierung 10 hergestellt werden.
Die Elektrodenanordnung kann beispielsweise mit einem Klebstoff K auf einen Bildschirm D befestigt werden. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise derart, dass die Sensorelektrode E den sichtbaren Bereich des Bildschirms zugeordnet ist bzw. den zu überwachenden Bereich zugeordnet ist. An der dem Bildschirm D gegenüberliegenden Seite kann beispielsweise eine Glasplatte G angeordnet werden, wobei die Glasplatte beispielsweise mittels eines Klebers K an die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur aufgebracht wird. Zwischen der Glasplatte G und der leitfähigen Schicht des berührungsempfindlichen Bildschirms kann eine Folie F zum Auffüllen vorgesehen sein, um einen Paralaxenfehler zu vermeiden. Die leitfähigen Schicht ITOS kann auf eine Folie, etwa eine ITO-Folie aufgebracht sein.
Zum Zwecke der Detektion wird an der Sensorelektrode E ein elektrisches Wechselfeld abgestrahlt, wobei eine Veränderung des abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes indikativ für eine Annäherung bzw. eine Position eines Objektes an dem Bildschirm bzw. am Bildschirm ist. Mit Hilfe der ersten Schirmelektrode SE1 wird die Sensorelektrode E gegen die Leiterbahn L abgeschirmt, so dass der Einfluss der Leiterbahn L auf ein Messsignal der Sensorelektrode E minimiert wird. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn L besonders schmal im Vergleich zur ersten Schirmelektrode SE1 ausgestaltet, wie in 4 näher erläutert wird.
Die dritte Schirmelektrode SE3 ist dazu vorgesehen, Einflüsse von außen zu eliminieren bzw. zu minimieren.
Die an der Unterseite des Trägermaterials TM angeordnete zweite Schirmelektrode SE2 dient dazu, die Sensorelektrode E gegen den Bildschirm abzuschirmen, d. h. um das von der Sensorelektrode E emittierte elektrische Wechselfeld gegen Masse (des Bildschirms) abzuschirmen. Durch die Koppelung der zweiten Schirmelektrode SE2 mit der leitfähigen Schicht ITOS des berührungsempfindlichen Bildschirms wird zudem der gesamte sichtbare Bereich des Bildschirms gegen Masse abgeschirmt, so dass eine Annäherung bzw. eine Gestendetektion auch in der Mitte des Bildschirms von den Sensorelektroden E noch gut detektierbar ist, was insbesondere bei großflächigen Anzeigeeinrichtungen von Vorteil ist.
Die elektrisch leitfähige Schicht ITOS des Bildschirms wird also auch dazu verwendet, um eine Abschirmung des von der Sensorelektrode E emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse des Bildschirms zu erreichen. Damit kann in einfacher Art und Weise ein berührungsempfindlicher Bildschirm um die Funktionalität einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion erweitert werden, wobei insbesondere eine Annäherungs- bzw. Gestendetektion auch in der Mitte des sichtbaren Bereiches des Bildschirms möglich ist, ohne hierfür zusätzliche Maßnahmen, etwa zusätzliche Elektroden vorsehen zu müssen.
2 zeigt einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, wie ja bereits mit Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben worden ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 1 ist dieser Ausführungsform nach 2 die leitfähige Schicht ITOS des Bildschirms nicht galvanisch an die zweite Schirmelektrode SE2 gekoppelt, sondern kapazitiv. Dies hat den Vorteil, dass die Integration der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einen bestehenden Bildschirm besonders einfach bewerkstelligt werden kann. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Elektrodenanordnung, d. h. das Trägermaterial TM und die auf dem Trägermaterial an der Oberseite und an der Unterseite angeordneten Elektroden bzw. Leiterbahn im sichtbaren Randbereich eines berührungsempfindlichen Displays mit Hilfe eines Klebers K aufgeklebt werden kann. Dies ist insbesondere dann in vorteilhafter Weise möglich, wenn das Trägermaterial TM und die auf dem Trägermaterial angeordneten Elektroden und die Leiterbahn aus im Wesentlichen transparentem Material bestehen.
3 zeigt in einer Draufsicht die Elektrodenkonfiguration für einen berührungssensitiven Bildschirm.
In dieser Ausführungsform kann die Sensorelektrode E aus vier Elektrodensegmenten EX1, EX2, EY1 und EY2 bestehen. Dabei ist jedes Elektrodensegment mittels einer Leiterbahn L mit einer Auswerteelektronik A verbunden. Die Elektrodensegmente sind jeweils randseitig an der Anzeigeeinrichtung angeordnet, d. h. die Elektrodensegmente EY1 und EY2 sind am linken Rand bzw. am rechten Rand des Bildschirms angeordnet und die Elektrodensegmente EX1 und EX2 sind am oberen Rand bzw. am unteren Rand des Bildschirms angeordnet. Damit lässt sich in vorteilhafter Weise nicht nur die Annäherung eines Fingers bzw. einer Hand an eine Anzeigeeinrichtung detektieren, sondern auch die Position des Fingers bzw. der Hand relativ zur Anzeigeeinrichtung.
Wie aus 3 deutlich erkennbar ist, sind zwischen den Leiterbahnen L und den Elektrodensegmenten jeweils eine Schirmelektrode SE1 angeordnet, welche das von den jeweiligen Elektrodensegmenten emittierte elektrische Wechselfeld gegen die Leiterbahnen L abschirmt. In der in 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen berührungsempfindlichen Bildschirm, bei welchem vor dem sichtbaren Bereich des Bildschirms eine leitfähige Beschichtung vorhanden ist, mit welcher die Berührung des Bildschirms detektiert werden kann.
Beispielsweise kann es sich hierbei um einen resistiven Touchscreen handeln. Wie mit Bezug auf 1 bereits erläutert, ist hier die leitfähige Beschichtung des Bildschirms mit der zweiten Schirmelektrode SE2 galvanisch oder kapazitiv gekoppelt. Wie aus 6 ersichtlich, kann die leitfähige Beschichtung des berührungsempfindlichen Bildschirms gleichzeitig auch die zweite Schirmelektrode SE2 bilden, so dass ein insgesamt noch flacherer Aufbau einer Elektrodenanordnung möglich wird, um ein berührungsempfindliches Display mit der Funktionalität einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion zu erweitern.
In 4 ist ein Ausschnitt der in 3 gezeigten Elektrodenkonfiguration dargestellt. Mit Bezug auf 4 wird nachfolgend beispielhaft die Dimensionierung der Elektroden bzw. der Leiterbahn erläutert.
Ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Ausführung der Leiterbahnen L zum Anbinden der Elektroden an die Auswerteelektronik. Dabei ist insbesondere auf eine schmale Leiterbahnbreite zu achten, um die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung bestmöglich räumlich auf die Elektrodenflächen zu begrenzen.
Die erste Schirmelektrode SE1 ist breit im Verhältnis zur Breite der Leiterbahn L ausgestaltet. Damit wird die Sensorelektrode bestmöglich gegen die Leiterbahn L abgeschirmt.
Messungen haben ergeben, dass die Abschirmung der Sensorelektrode gegen die Leiterbahn L besonders günstig ist, wenn die Leiterbahn L im Vergleich zur ersten Schirmelektrode SE1 besonders schmal ausgestaltet ist.
Um eine höchstmögliche Empfindlichkeit des gesamten Sensorsystems zu bekommen, wird auch die Breite A der Sensorelektrode möglichst groß gewählt. Der Einfluss der Leiterbahn L auf die Sensorelektrode kann noch weiter verringert werden, indem der Abstand B der Leiterbahn L zur Sensorelektrode möglichst groß gewählt wird. Eine vorteilhafte Konfiguration der Elektroden und der Leiterbahn wird dadurch erreicht, wenn die Leiterbahn L, wie in 4 ersichtlich, im Verhältnis zur Schirmelektrode SE1 und zur Sensorelektrode EX1 besonders schmal ausgestaltet ist. Die Breiten der Sensorelektrode EX1 bzw. der Schirmelektrode SE1 können variieren, wobei allerdings darauf zu achten ist, dass die Breite der Schirmelektrode SE1 größer ist als die Breite der Leiterbahn L.
Eine besonders vorteilhafte Konfiguration wird erreicht, wenn die Breiten der ersten Schirmelektrode und der Sensorelektrode besonders groß gewählt werden im Verhältnis zur Breite der Leiterbahn und gleichzeitig die Breite der Sensorelektrode gleich groß oder größer ist als die Breite der ersten Schirmelektrode. Damit wird einerseits eine gute Abschirmung der Sensorelektrode gegen die Leiterbahn und andererseits eine gute Empfindlichkeit der Sensorelektrode erreicht.
Abhängig von dem die Elektroden umgebenden Material ist es auch möglich, die erste Schirmelektrode geringfügig breiter als die Sensorelektrode auszugestalten, wobei auch hier die Leiterbahn besonders schmal auszugestalten ist.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung. Die in 5 gezeigte Elektrodenkonfiguration ist insbesondere bei kleinen Anzeigeeinrichtungen einsetzbar, da die Breite der vier Elektrodensegmente EX1, EX2, EY1 und EY2 bzw. die Flächen der vier Elektrodensegmente so gewählt werden können, dass auch in der Mitte des Bildschirms eine Annäherung bzw. eine Geste sicher detektierbar ist. Eine leitfähige Beschichtung des Bildschirms ist dabei nicht notwendig. Damit lässt sich beispielsweise ein elektronischer Bilderrahmen mit einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion erweitern. Eine weitere Anwendung der in 5 gezeigten Elektrodenkonfiguration ist etwa die Anordnung der Elektrodenkonfiguration an einen Display eines Navigationsgerätes. In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Elektrodensegmente so breit wie möglich auszuführen, um auch in der Mitte des Bildschirms eine gute Detektion zu ermöglichen.
6 zeigt den Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, wie sie beispielsweise bei Anzeigeeinrichtungen eingesetzt werden kann, welche über keine leitfähige Beschichtung verfügen. Mit dieser Anordnung bzw. mit dieser Konfiguration lässt sich auch die Sensivität bei kleineren Bildschirmen, wie mit Bezug auf 5 beschrieben, noch weiter erhöhen. Insbesondere können mit dieser Konfiguration auch großflächige Anzeigeeinrichtungen mit einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion erweitert werden, wobei auch mit großflächigen Anzeigeeinrichtungen eine Detektion im Bereich der Mitte der Anzeigeeinrichtung sicher gewährleistet ist.
An der Oberseite des Trägermaterials TM ist, wie bereits mit Bezug auf 1 und 2 gezeigt, eine Sensorelektrode E, eine erste Schirmelektrode SE1, die Leiterbahn L und eine dritte Schirmelektrode SE3 angeordnet. An der Unterseite des Trägermaterials TM ist eine leitfähige Schicht ITOS angeordnet, welche auf einer Seite des Trägermaterials über das Trägermaterial hinausgeführt ist, also in den sichtbaren Bereich einer Anzeigeeinrichtung hineinragt bzw. den sichtbaren Bereich der Anzeigeeinrichtung vollständig abdeckt.
Die leitfähige Schicht ITOS ist vorzugsweise als transparente Schicht, wie sie beispielsweise bei berührungsempfindlichen Displays eingesetzt werden, ausgestaltet. Die leitfähige Schicht ITOS übernimmt hier die Funktion der mit Bezug auf die 1 und 2 gezeigten zweiten Schirmelektrode SE2. Damit ist eine Folie realisierbar, welche beispielsweise auf eine Anzeigeeinrichtung aufgeklebt werden kann, wobei die Elektroden E, SE1, SE3 und die Leiterbahn L randseitig an der Folie angeordnet sind, wie beispielsweise mit Bezug auf 3 gezeigt. Somit ist auch bei Anzeigeeinrichtungen, welche über keine leitfähige Beschichtung verfügen, das an der Sensorelektrode E emittierte elektrische Wechselfeld gegen die Masse der Anzeigeeinrichtung abschirmbar.
7 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit einer Sensorelektrode und einer zweiten Schirmelektrode.
Zwischen einer Sensorelektrode E und der zweiten Schirmelektrode SE2 wirkt eine Kapazität C1. Die zweite Schirmelektrode SE2 wiederum weist eine Kapazität C2 gegenüber dem geerdeten Bildschirm D auf.
Für die Abschirmwirkung der zweiten Schirmelektrode SE wird erreicht, indem der Treiber T auf die zweite Schirmelektrode SE geschaltet wird. Wenn die Ausgangsspannung uT des Treibers T näherungsweise der Elektrodenspannung uE an der Sensorelektrode E entspricht, ergibt sich eine besondere gute Abschirmwirkung.
Der dargestellte kapazitive Sensor S (es können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein) kann nach einem Phasenverfahren arbeiten, bei dem für die Annäherung die Phasenverschiebung eines Resonanzkreises des 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.
Erfindungsgemäß können diese leitfähigen Schichten eines Touchscreens (unabhängig von der konkreten Touchscreenausführung) als Elektrodenstrukturen, insbesondere als zweite Schirmelektrode SE2 für die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung verwendet werden. Um die vorhandene Funktion der Berührungsdetektion des Touchscreen beizubehalten, wird die vorhandene Funktion der Berührungsdetektion im Zeitmultiplexverfahren mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit GestIC zur Näherungsdetektion gekoppelt. Eine derartige Koppelung ist in 8 gezeigt.
Eine weitere, in 9 gezeigte Möglichkeit besteht darin, zwei leitfähige Schichten eines resistiven berührungsempfindlichen Displays zusammen als eine gemeinsame zweite Schirmelektrode SE2 zu nutzen. Alternativ kann auch nur eine der beiden leitfähigen Schichten als Schirmelektrode SE genutzt werden. Die für den Aufbau notwendigen Sensorelektroden EX1, EX2, EY1, EY2 können als separates Teil am Bildschirm angeordnet werden. Hierbei kann eine Ausführung als Rahmenstruktur zu Anwendung kommen, wobei auf der Rahmenstruktur lediglich die Sensorelektroden, die ersten Schirmelektroden und die Leiterbahnen angeordnet sind. Es 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.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität, insbesondere bei der Anpassung an verschiedene Bildschirmgrößen aus, ohne dass die Empfindlichkeit bei größeren Displays abnimmt. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsformen können auch mehrere Elektrodensegmente vorgesehen werden, um auch kompliziertere Gesten zu detektieren. Dadurch, dass die Elektrodenanordnung aus nur zwei Elektrodenschichten, d. h. den Elektroden bzw. der Leiterbahn an der Oberseite des Trägermaterials und der Elektrode an der Unterseite des Trägermaterials, besteht, ist eine besonders einfache mechanische Integration in das Zielsystem möglich, da die gesamte Elektrodenanordnung besonders flach ausgeführt werden kann. Zudem ist die Herstellung einer zweilagigen Elektrodenkonfiguration auf einem Trägermaterial, wie durch die Erfindung vorgeschlagen, besonders einfach und kostengünstig realisierbar. Durch Bereitstellung einer leitfähigen Folie, auf welche das Trägermaterial TM und die Sensorelektrode E, die erste Schirmelektrode SE1, die Leiterbahn L und die dritte Schirmelektrode SE3 aufgebracht sind, können zudem verschiedenste Anzeigeeinrichtungen um eine Gesten- bzw. Annäherungsfunktionalität erweitert werden.

Claims

Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, aufweisend eine Sensorelektrode (E), eine erste Schirmelektrode (SE1) und eine zweite Schirmelektrode (SE2), wobei – die Sensorelektrode (E) und die erste Schirmelektrode (SE1) auf einer ersten Seite eines im Wesentlichen flächig ausgestalteten Trägermaterials (TM) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite angeordnet sind, – die Sensorelektrode (E) mittels einer Leiterbahn (L), welche auf der ersten Seite des Trägermaterials (TM) angeordnet ist, mit einer Auswerteelektronik (A) koppelbar ist, – die erste Schirmelektrode (SE1) zwischen der Sensorelektrode (E) und der Leiterbahn (L) und beabstandet zur Sensorelektrode (E) und zur Leiterbahn (L) angeordnet ist und zur Abschirmung eines von der Sensorelektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen die Leiterbahn (L) dient, – die zweite Schirmelektrode (SE2) auf der zweiten Seite des Trägermaterials (TM) angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient, – die Sensorelektrode (E), die erste Schirmelektrode (SE1) und die Leiterbahn (L) jeweils streifenförmig ausgestaltet sind, wobei die erste Schirmelektrode (SE1) breiter ist als die Leiterbahn (L).
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Sensorelektrode (E) breiter ist als die Leiterbahn (L).
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorelektrode (E) breiter ist als die erste Schirmelektrode (SE1).
Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter aufweisend eine dritte Schirmelektrode (SE3), wobei die dritte Schirmelektrode (SE3) auf der ersten Seite des Trägermaterials (TM) beabstandet zur Leiterbahn (L) angeordnet ist, wobei die Leiterbahn (L) zwischen der ersten Schirmelektrode (SE1) und der dritten Schirmelektrode (SE3) angeordnet ist.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorelektrode (E), die erste Schirmelektrode (SE1) und die Leiterbahn (L) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schirmelektrode (SE2) durch ein leitfähiges und weitgehend transparentes Material (ITOS) gebildet wird.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorelektrode (E) mit einem Resonanzkreis gekoppelt ist, wobei das unter Einschluss der Sensorelektrode (E) und des Resonanzkreises gebildete System mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber der beaufschlagten elektrischen Spannung indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an der Sensorelektrode (E) ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 7, wobei ein Ausgang des unter Einschluss der Sensorelektrode (E) und des Resonanzkreises gebildete System über eine Treiberschaltung auf zumindest eine der drei Schirmelektroden (SE1, SE2, SE3) schaltbar ist, um zumindest eine der drei Schirmelektroden (SE1, SE2, SE3) im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode (E) zu bringen.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Treiberschaltung ausgestaltet ist, den Strom an der zumindest einen Schirmelektroden (SE1, SE2, SE3) zu treiben und die zumindest eine Schirmelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E) phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E).
Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung (D) zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung (D), umfassend zumindest eine Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung so an der Anzeigeeinrichtung (D) anordenbar ist, dass die zweite Seite des Trägermaterials (TM) der Anzeigeeinrichtung (D) zugewandt ist und wobei die zweite Schirmelektrode (SE2) der Abschirmung des von der Sensorelektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung (D) dient.
Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 10, wobei die zweite Schirmelektrode (SE2) mit einer vor der Anzeigeeinrichtung (D) angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht (ITOS) galvanisch oder kapazitiv koppelbar ist.
Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 12, wobei die zweite Schirmelektrode (SE2) durch eine vor der Anzeigeeinrichtung (D) angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht (ITOS) gebildet wird.