DE102010003575A1 - Kapazitiver Touchscreen oder Touchpad für Finger und beweglichen Taststift - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die einen wechselseitig Kapazität erfassenden Touchscreen oder Touchpad aufweist, das eine kombinierte Fingernavigation und Navigation mit einem beweglichen Taststift und Zeicheneingabefähigkeit aufweist. Gemäß einer solchen Ausführungsform sind erste und zweite Mehrzahlen an Erkennungs- und Ansteuerelektroden in oder auf zumindest einem Substrat angeordnet um einen Array zu bilden, der konfiguriert ist, um damit die Detektion einer ersten Position, die einem Finger entspricht, oder einer zweiten Position, die einem beweglichen Taststift entspricht, zu ermöglichen. Die Ansteuerelektroden in dem Array sind konfiguriert, um als Erkennungselektroden zu operieren, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in einem ersten Modus der Fingerberührung betrieben wird, und um als zusätzliche Erkennungselektroden zu operieren, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in einem zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift betrieben wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Verschiedene Ausführungsformen der hierin offenbarten Erfindung betreffen das Gebiet der Eingabevorrichtungen im Allgemeinen, und im Speziellen Mess- oder Erkennungssysteme mit kombinierter wechselseitiger Kapazität und Radiofrequenz (RF), Vorrichtungen, Komponenten und Verfahren, die insbesondere eine effiziente Anwendung in Touchscreen- oder Touchpad-Vorrichtungen für portable elektronische Vorrichtungen. Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung umfassen diejenigen, die für eine Verwendung mit einem Finger und einem beweglichen Taststift in portablen oder tragbaren Vorrichtungen zugänglich sind, wie zum Beispiel Mobiltelefone, MP3 Player, Personalcomputer, Spielkonsolen, Laptop Computer, PDAs und dergleichen. Einige der hierin offenbarten Ausführungsformen können für eine Verwendung in stationären Anwendungen, wie zum Beispiel industrielle Kontrollgeräte, Waschmaschinen, Heimtrainer und dergleichen, konfiguriert oder angepasst werden.
  • HINTERGRUND
  • Resistive Touchscreens oder Touchpads sind im Stand der Technik bekannt und finden häufig Anwendung in Touchscreens oder Touchpads, die in Verbindung mit einem Taststift arbeiten. Wenn der Taststift nach unten gegen den Touchscreen oder das Touchpad gedrückt wird, werden die oberen und unteren Widerstandselektroden miteinander in Kontakt gebracht, und die Position des Taststifts wird durch Berechnung der Position bestimmt, an der die beiden Arrays kurzgeschlossen wurden. Resistive Touchscreens vermindern typischerweise das durch sie durchgehende Licht im Wesentlichen aufgrund der relativ großen Mengen an Indiumzinnoxid (ITO; indium tin oxide), die erforderlich sind, um die Widerstandselektroden zu bilden.
  • Kapazitive Touchscreen, wie sie zum Beispiel in IPHONEsTM gefunden werden, weisen gegenüber resistiven Touchscreens zwei Vorteile auf. Erstens funktionieren sie mit kaum Druck, der von einem Finger ausgeübt wird, sodass sie keine mit Haftreibung assoziierten Probleme aufweisen und komfortable zu verwenden sind. Dies ist insbesondere wichtig für Schlag- und Drück-Handbewegungen, bei denen die Finger über eine Berührungsoberfläche gleiten müssen. Zweitens unterstützen einige kapazitive Touchscreens gleichzeitig die Messung multipler Fingerpositionen (üblicherweise bekannt als ”Multi-Touch” Vermögen).
  • Der wesentliche technische Nachteil herkömmlicher kapazitiver Touchscreens oder Touchpads liegt im Fehlen der Unterstützung für einen Taststift (zusätzlich zu einem Finger). Ein Bewegungsstift stellt ein präziseres Zeigegerät dar, erlaubt die Eingabe komplizierter Texte und Zeichen und verdunkelt den Zielbereich weniger als ein Finger. Obwohl kapazitive Touchscreens mit einem Taststift zum Funktionieren gebracht wurden, wird geglaubt, dass dies nur mit einem elektronisch leitenden Taststift bewerkstelligt wurde, dessen Spitze eine Größe aufweist, die mit der eines menschlichen Fingers vergleichbar ist. Dies kann natürlich die Vorteile, die durch die Verwendung eines Taststifts entstehen, zunichte machen.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt von Touchscreens oder Touchpads hat mit der speziellen Art der Technologie zu tun, die für die Erkennung und Messung von Änderungen der Kapazität verwendet wird. Zwei prinzipielle Technologien zur Erkennung und Messung der Kapazität finden gegenwärtig in den meisten Touchscreen- oder Touchpad-Vorrichtungen Verwendung. Zum Beispiel verwenden zahlreiche Vorrichtungen, die von SYNAPTICSTM hergestellt werden, Methoden zur Messung der Selbstkapazität, so wie es auch Vorrichtungen mit integrierter Schaltung (IC; integrated ciurcuit) machen, wie zum Beispiel das CYPRESS PSOCTM. Selbstkapazität beinhaltet die Messung der Selbstkapazität einer Reihe von Elektrodenpads unter Verwendung eines Verfahrens wie zum Beispiel das, das im U.S. Patent Nr. 5,543,588 von Bisset et al. mit dem Titel ”Touch Pad Driven Handheld Computing Device” vom 6. August 1996 beschriebene.
  • Selbstkapazität ist ein Maß, wie viel Ladung an einem Objekt, das bei einer gegebenen Spannung gehalten wird, akkumuliert (Q = CV). Selbstkapazität wird typischerweise durch Anlegen einer bekannten Spannung an eine Elektrode und im Anschluss Verwenden eines Stromkreises zur Messung, wie viel Ladung zu dieser selben Elektrode fließt, gemessen. Wenn extern geerdete Objekte nahe an die Elektrode gebracht werden, wird zusätzliche Ladung an die Elektrode gezogen. Als Ergebnis nimmt die Selbstkapazität der Elektrode zu. Zahlreiche Berührungssensoren werden so konfiguriert, dass das extern geerdete Objekt ein Finger ist. Der menschliche Körper ist im Wesentlichen ein Kondensator mit der Erde, typischerweise mit einer Kapazität von etwa 100 pF.
  • Elektroden in Touchpads mit Selbstkapazität sind üblicherweise in Reihen und Spalten angeordnet. Durch Abfragen der ersten Reihen und dann Spalten können die Positionen einzelner Störungen, die zum Beispiel durch die Gegenwart eines Fingers induziert werden, bestimmt werden. Um in einem Touchpad jedoch genaue Multi-Touch Messungen zu bewerkstelligen, kann es erforderlich sein, mehrere Fingerberührungen simultan zu messen. In so einem Fall können Reihen- und Spalten-Verfahren zur Messung der Selbstkapazität zu nicht schlüssigen Ergebnissen führen. Als Ergebnis leiden einige Touchpad-Erkennungssysteme aus dem Stand der Technik an einer grundlegenden Mehrdeutigkeit in Bezug auf die tatsächlichen Positionen multipler Objekte, die gleichzeitig auf oder nahe dem Touchscreen platziert werden.
  • Ein Weg zur Überwindung der vorhergehenden Probleme in Systemen mit Selbstkapazität ist die Bereitstellung eines Systems, das kein Reihen und Spalten Tastschema verwendet, und das stattdessen konfiguriert ist, um jede Touchpad-Elektrode einzeln zu messen. Solch ein System ist in der U.S. Patentpublikation Nr. 2006/097991 von Hotelling et al. mit dem Titel ”Multipoint Touchscreen” vom 11. Mai 2006 beschrieben. In dem in der vorangehenden Patentpublikation von Hotelling offenbarten Touchpad-Erkennungssystem ist jede Elektrode mit einem Pin (Anschlussstift) einer integrierten Schaltung (IC) verbunden, entweder direkt mit einer Erkennungs-IC oder über einen Multiplexer. Wie für Fchleute jedoch ersichtlich, kann das individuelle verdrahten der Elektroden in solch einem System beträchtliche Kosten zu einem Selbstkapazitäts-System hinzufügen. Zum Beispiel ist in einem n × n Elektrodengitter die erforderliche Anzahl an IC-Pins n2. (Der APPLETM IPODTM verwendet ein ähnliches Kapazitäts-Messsystem.)
  • Die Anzahl an Elektroden in einem Selbstkapazitäts-System kann durch verschachtelte Elektroden reduziert werden. Eine Verschachtelung kann einen größeren Bereich erzeugen, in dem ein Finger von zwei benachbarten Elektroden erkannt wird, was eine bessere Interpolation ermöglicht, und dadurch weniger Elektroden. Derartige Muster können insbesondere in eindimensionalen Sensoren effektiv sein, wie zum Beispiel den in den IPOD ”Click-Wheels” verwendeten. Siehe zum Beispiel U.S. Patent Nr. 6,879,930 von Sinclair et al. mit dem Titel ”Capacitance touch slider” vom 12. April 2005.
  • Die zweite grundlegende Technologie kapazitiver Erkennung und Messung, die in Touchscreen- und Touchpad-Vorrichtungen verwendet wird, ist die der wechselseitigen Kapazität, wobei Messungen unter Verwendung eines gekreuzten Elektrodengitters durchgeführt werden. Siehe zum Beispiel U.S. Patent Nr. 5,861,875 von Gerpheide mit dem Titel ”Methods and Apparatus for Data Input” vom 19. Januar 1999 und die oben zitierte U.S. Patentpublikation Nr. 2006/097991 von Hotelling et al. Bei der Messung der wechselseitigen Kapazität wird die Kapazität zwischen zwei Leitern gemessen, im Gegensatz zu einer Messung der Selbstkapazität, bei der die Kapazität eines einzelnen Leiters gemessen wird, und die von anderen Objekten in der Nähe beeinflusst werden kann.
  • In einigen Systemen mit Messung wechselseitiger Kapazität ist ein Array aus Erkennungselektroden auf einer ersten Seite eines Substrats angeordnet und ein Array aus Ansteuerelektroden ist auf eines zweiten Seite des Substrats angeordnet, welche der ersten Seite gegenüberliegt, eine Spalte oder Reihe von Elektroden in dem Ansteuerelektrodenarray wird zu einer bestimmten Spannung angesteuert, die wechselseitige Kapazität einer einzelnen Reihe (oder Spalte) des Erkennungselektrodenarrays wird gemessen, und die Kapazität an einem einzelnen Reihe-Spalte-Schnittpunkt wird bestimmt. Durch Abfragen aller Reihen und Spalten kann eine Karte für Kapazitätsmessungen für alle Knoten in dem Gitter erzeugt werden. Wenn sich der Finger eines Anwenders einem bestimmten Gitterpunkt nähert, werden einige der elektrischen Feldlinien abgelenkt, die von oder nahe dem Gitterpunkt ausgehen, wodurch typischerweise die wechselseitige Kapazität der beiden Elektroden an dem Gitterpunkt abnimmt. Da jede Messung nur einen einzelnen Gitterschnittpunkt überprüft, entstehen bei multiplen Berührungen keine Messunklarheiten, wie im Falle einiger Systeme mit Selbstkapazität. Um ferner ein Muster von n × n Schnittstellen zu messen, werden in einem derartigen System nur 2n Pins auf einem IC benötigt.
  • Einige Lösungen für die oben dargelegten Probleme werden von den Vorrichtungen und Verfahren bereitgestellt, die in der U.S. Patentanmeldung Nr. 12/183,456 von Harley mit dem Titel ”Capacitive Touchscreen or Touchpad for Finger or Stylus”, eingereicht am 31. July 2008 (nachfolgend als ”die '456 Patentanmeldung” bezeichnet) offenbart werden. Die in der '456 Patentanmeldung offenbarten Vorrichtungen und Verfahren erfordern allerdings ein Panel oder ein Schicht, die von einem Taststift nach unten in eine unmittelbarere Nähe zu einem darunter liegenden Elektrodenarray abgelenkt werden kann. Unglücklicherweise können ablenkbare Panele, die für diesen Zweck geeignet sind, zu einem erhöhten Mangel an Zuverlässigkeit führen, da die in solchen Vorrichtungen verwendeten Spuren an Indiumzinnoxid (ITO) dünn und spröde sind, und folglich durch wiederholtes Biegen anfällig sind zu brechen.
  • Es besteht Bedarf an einem kapazitiven Touchscreen für Fingerberührung und Taststift, der die Vorteile der Technologie der wechselseitigen Kapazität aufweist, aber die Nachteile der Technologie der Selbstkapazität und ablenkbarer Panele vermeiden. Benötigt wird ferner ein kapazitiver Touchscreen oder ein Touchpad, das die Fähigkeit zur kraftfreien (zero-force) Multi-Touch Fingernavigation eines herkömmlichen kapazitiven Touchscreeens in Kombination mit einer Zeichen- und Texteingabe mittels Taststift und einem Navigationsvermögen ähnlich dem resistiver Touchscreen aufweist. Benötigt wird ferner ein kapazitiver Touchscreen oder ein Touchpad für Finger und Taststift, das die Transmission des Lichts nicht absorbiert oder auf andere Weise übermäßig beeinträchtigt, und das eine kleinere Grundfläche, Volumen oder Dicke aufweist.
  • Weitere Details betreffend verschiedene Aspekte einiger Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik werden dargelegt in: (1) U.S. Patent Nr. 4,550,221 an Mabusth mit dem Titel ”Touch Sensitive Control Device” vom 29. Oktober 1985; (2) U.S. Patent Nr. 4,686,332 von Greanias mit dem Titel ”Combined Finger Touch and Stylus Detection System for Use an the Viewing Surface of a Visual Display Device” vom 11. August 1987; (3) U.S. Patent Nr. 5,305,017 von Gerpheide mit dem Titel ”Methods and Apparatus for Data Input” vom 19. April 1994; (4) U.S. Patent Nr. 5,670,755 von Kwon mit dem Titel ”Information Input Apparatus Having Functions of Both Touch Panel and Digitizer, and Driving Method Therefor” vom 23. September 1997; (5) U.S. Patent Nr. 5,844,506 von Binstead mit dem Titel ”Multiple Input Proximity Detector and Touchpad System” vom 1. Dezember 1998; (6) U.S. Patent Nr. 6,002,389 von Kasser mit dem Titel ”Touch and Pressure Sensing Method and Apparatus” vom 14. Dezember 1999; (7) U.S. Patent Nr. 6,097,991 von Hamel et al. mit dem Titel ”Automatic Identification of Audio Bezel” vom 1. August 2000; (8) U.S. Patent Nr. 6,879,930 von Sinclair et al. mit dem Titel ”Capacitance Touch Sensor” vom 12. April 2005; (9) U.S. Patent Nr. 7,202,859 von Speck et al. mit dem Titel ”Capacitive Sensing Pattern” vom 10. April 2007; (10) U.S. Patent Nr. 7,436,393 von Hong et al. mit dem Titel ”Touch Panel for Display Device” vom 14. Oktober 2008; (11) U.S. Patentpublikation Nr. 2006/0097991 A1 von Hotelling et al. mit dem Titel ”Multipoint Touchscreen” vom 11. Mai 2006; (12) U.S. Patentpublikation Nr. 2008/0042985 von Katsuhito et al. mit dem Titel ”Information Processing Apparatus, Operation Input Method, and Sensing Device” vom 21. Februar 2008; (13) U.S. Patentpublikation Nr. 2008/0055256 von Kwong et al. mit dem Titel ”Touch Screen Controller with Embedded Overlay” vom 6. März 2008; und (14) U.S. Patentpublikation Nr. 2008/0246496 von Hristov et al. mit dem Titel ”Two-Dimensional Position Sensor” vom 9. Oktober 2008. Jede der oben beschriebenen Patente und Patentanmeldungen wird hiermit jeweils in Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die aufweist: einen wechselseitig Kapazität erfassenden Touchscreen oder Touchpad zur kombinierten Erkennung von Finger und beweglichem Taststift (a mutual capacitance combined finger and active stylus sensing touchscreen or touchpad), wobei der Touchscreen oder Touchpad aufweist: eine äußere Berührungsoberfläche, zumindest ein unterhalb der Berührungsoberfläche angeordnetes Substrat, eine erste Mehrzahl von wechselseitig kapazitiven Ansteuerelektroden, die in ersten Reihen oder Spalten auf dem zumindest einen Substrat angeordnet sind, und eine zweite Mehrzahl von wechselseitig kapazitiven Erkennungselektroden, die in zweiten Reihen oder Spalten auf dem zumindest einen Substrat angeordnet sind, wobei die ersten Reihen oder Spalten nicht mit den zweiten Reihen oder Spalten parallel sind; eine die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung, die operativ mit den Ansteuer- und Erkennungselektroden verbunden ist, und die konfiguriert ist, um zumindest einige der Ansteuerelektroden dadurch schaltbar für eine Funktion entweder als Ansteuerelektroden in einem ersten Modus der Fingerberührung oder als zusätzliche Erkennungselektroden in einem zweiten Modus der Berührung mit einem beweglichen Taststift zu konfigurieren; und einen beweglichen Taststift, der eine den Taststift ansteuernde Schaltung aufweist, die konfiguriert ist, um ein Bewegungssignal von dem Taststift auszugeben, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in dem zweiten Modus betrieben wird, wobei die äußere Berührungsoberfläche für einen Anwender konfiguriert ist, um den Finger oder den Taststift darauf und quer darüber zu platzieren und zu bewegen, die ersten und zweiten Mehrzahlen an Elektroden einen Elektrodenarray bilden, und die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung und der Elektrodenarray zusammen konfiguriert sind, um dadurch eine erste Fingerposition auf der äußeren Berührungsoberfläche kapazitiv detektieren zu können, wenn der erste Modus betrieben wird, und um dadurch eine zweite Position eines Bewegungssignals auf der äußeren Berührungsoberfläche kapazitiv detektieren zu können, wenn der zweite Modus betrieben wird.
  • In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Erkennung einer Position eines Fingers oder eines beweglichen Taststifts auf einem Touchscreen oder Touchpad bereitgestellt, das Verfahren aufweisend: Detektieren einer ersten Position des Fingers auf dem Touchscreen oder Touchpad, wenn sich eine wechselseitige Kapazität zwischen einer ersten Mehrzahl an Elektroden und einer zweiten Mehrzahl von Elektroden nahe der ersten Position ändert, wobei die ersten und zweiten Mehrzahlen an Elektroden in dem Touchscreen oder Touchpad einen Elektrodenarray bilden; und Detektieren einer zweiten Position des beweglichen Taststifts auf dem Touchscreen oder Touchpad, wenn ein vom beweglichen Taststift ausgegebenes Bewegungssignal von der ersten Mehrzahl an Elektroden und der zweiten Mehrzahl von Elektroden nahe der zweiten Position detektiert wird
  • Weitere Ausführungsformen werden hierin offenbart oder werden für Fachleute ersichtlich, nachdem sie die Beschreibung und die Zeichnungen gelesen und verstanden haben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Verschiedene Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindungen werden aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und Ansprüchen ersichtlich.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Ausführungsform eines kapazitiven Touchscreen- oder Touchpad-Systems 10 und eines korrespondierenden Elektrodenarrays 62.
  • 2 zeigt eine zweidimensionale Aufsicht auf das kapazitive Touchscreen- oder Touchpad-System 10 und den korrespondierenden Elektrodenarray 62 aus 1.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines kapazitiven Touchscreen- oder Touchpad-Systems 10 mit einem beweglichen Taststift 64.
  • 4 zeigt eine die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung 72 und einen Elektrodenarray 62 gemäß einer Ausführungsform bei Betrieb in einem ersten Modus der Fingerberührung.
  • 5 zeigt eine die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung 72 und einen Elektrodenarray 62 gemäß einer Ausführungsform bei Betrieb in einem zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift.
  • 6 zeigt eine die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung 72 gemäß einer Ausführungsform.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform einer elektronischen Vorrichtung 100, Touchscreen 10 und beweglichem Taststift 64.
  • 8 veranschaulicht eines Ausführungsform eines Verfahrens, das einen ersten Fingermodus und einen zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift aufweist.
  • Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile oder Schritte.
  • GENAUE BESCHREIBUNG EINIGER BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFOMEN
  • Durch Bezugnahme werden hierin jeweils in ihrer Gesamtheit aufgenommen: (1) U.S. Patentanmeldung Nr. 12/024,057 von Harley et al. mit dem Titel ”Single Layer Mutual Capacitance Sensing Systems, Devices, Components, and Methods”, eingereicht am 31. Januar 2008; und (2) U.S. Patentanmeldung Nr. 12/183,456 von Harley mit dem Titel ”Capacitive Touchscreen or Touchpad for Finger and Stylus”, eingereicht am 31. Juli 2008.
  • Bezug Nehmend auf die 1 und 2 wird in einigen Ausführungsformen eine elektronische Vorrichtung 100 (siehe zum Beispiel 7) bereitgestellt, die einen wechselseitig Kapazität erfassenden Touchscreen oder Touchpad 10 (mutual capacitance touchscreen or touchpad) aufweist, der/das eine kombinierte Fingernavigation und Navigation mit einem beweglichen Taststift und Zeicheneingabefähigkeit. Gemäß einer solchen Ausführungsform sind die ersten bzw. zweiten Mehrzahlen von Erkennungs- bzw. Ansteuerelektroden 65 bzw. 63 in oder auf zumindest einem Substrat 16 und 18 angeordnet und bilden einen Array 62, der konfiguriert ist, um dadurch die Detektion einer ersten Position, die einem Finger entspricht, oder einer zweiten Position, die einem beweglichen Taststift entspricht, zu ermöglichen. Die Ansteuerelektroden in dem Array sind konfiguriert, um als Ansteuerelektroden zu operieren, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in einem ersten Modus der Fingerberührung betrieben wird, und um als zusätzliche Erkennungselektroden zu operieren, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in einem zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift betrieben wird. Anzumerken ist, dass andere Konfigurationen der Erkennungs- und Ansteuerelektroden verwendet werden können, wie zum Beispiel Anordnen der Erkennungs- und Ansteuerelektroden im Wesentlichen in einer einzigen Ebene.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf die 1 und 2 wird ein wechselseitig Kapazität erfassender Touchscreen oder Touchpad 10 offenbart, das Erkennungs- und Ansteuerelektroden aufweist, die in gegenüberliegenden ersten und zweiten, im Wesentlichen parallelen Ebenen auf oberen und unteren oder unteren und oberen Substraten angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen bedeckt der Elektrodenarray 62 das Display im Wesentlichen gleichmäßig und verursacht dadurch kein Gittermuster, das auf einem Display oder Bildschirm sichtbar ist. Da die Erkennungsmessungen jedoch auf wechselseitiger Kapazität basieren, kann eine Erkennungskonfiguration mit Reihen und Spalten verwendet werden, die eingesetzt werden kann, um die Pin-Zahl für ein n × n Elektrodengitter auf nur 2n zu reduzieren. Weiterhin ist solch eine Elektrodenarraykonfiguration einer Anordnung als verschachtelte Finger zuträglich, was die Möglichkeit der Verwendung von Interpolationstechniken zur Bestimmung der Position eines Taststifts oder eines Fingers des Anwenders erhöht, und die Erfordernisse an die Pin-Zahl in Bezug auf Erkennungs- oder Messsysteme mit wechselseitiger Kapazität gemäß dem Stand der Technik weiter vermindert.
  • 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines wechselseitig Kapazität erfassenden Erkennungstouchscreens oder -touchpads 10, wobei ein Elektrodenarry 62 auf einem oberen Substrat 16 als eine erste Mehrzahl an Elektroden und auf einem unteren Substrat 18 als eine zweite Mehrzahl an Elektroden konfiguriert ist. Die Substrate 16 und 18 weisen typischerweise Glas, Kunststoff, Acryl oder jedes andere geeignete optisch transparente Material auf. Die Abstände zwischen den Reihen oder Spalten der ersten Mehrzahl an Elektroden und der zweiten Mehrzahl an Elektroden liegt am meisten bevorzugt zwischen etwa 1 mm und etwa 10 mm. Die Ausführungsforen des in den 1 bis 3 dargestellten Touchscreens oder Touchpads 10 operieren am meisten bevorzugt entsprechend den Prinzipien der wechselseitigen Kapazität. Kapazitäten werden zwischen den einzelnen Erkennungs- und Ansteuerelektroden etabliert, zum Beispiel zwischen den Elektroden 2125 und 4146 oder zwischen den Elektroden 4146 und 2125, je nach den Umständen, mit Hilfe einer Ansteuerspannungseingabe, um die Elektroden 2125 oder 4146 anzusteuern. In einem ersten Modus der Fingerberührung drückt ein Finger eines Anwenders die Berührungsoberfläche 14 der Berührungsschicht 104 ein (siehe die 1 und 3), welche auf dem Array 62 aufliegt.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Abdeckschicht 104 auf dem oberen Substrat 16 und zwischen dem Array 62 und dem Finger des Anwenders oder dem Taststift 64 angeordnet (siehe zum Beispiel 3). In anderen Ausführungsformen (in den Zeichnungen nicht dargestellt) ist das obere Substrat 16 alleine für den Finger des Anwenders oder den Taststift konfiguriert, um die Oberfläche davon einzudrücken, und die Abdeckschicht 104 wird gänzlich weggelassen.
  • Wenn der Finger des Anwenders in Kontakt mit oder in unmittelbarere Nähe der Berührungsoberfläche 14 ist, und wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in dem ersten Modus der Fingerberührung betrieben wird, koppelt er das von einer Ansteuerelektrode in unmittelbarster Nähe davon bereitgestellte Ansteuersignal und reduziert im Allgemeinen proportional die Menge an Kapazität zwischen solch einer Ansteuerelektrode und ihrer korrespondierenden nahen Erkennungselektrode. Das heißt, wenn sich der Finger des Anwenders quer über die Berührungsoberfläche 14 bewegt, wird der Anteil des in Bezug auf die einzelnen Erkennungselektroden 41 bis 46 durch den Finger gekoppelten Ansteuersignals reduziert und variiert, wodurch eine zweidimensionale Messung einer Position des Fingers des Anwenders oberhalb des eletrodenarrays 62 bereitgestellt wird.
  • Zu beachten ist jedoch, dass sich abhängig von der Dicke der Berührungsschicht 104 und anderer Faktoren die Kapazität zwischen Ansteuer- und Erkennungselektroden tatsächlich erhöhen kann, wenn ein Finger eines Anwenders das Ansteuersignal koppelt, indem er in die Nähe davon gebracht wird. Folglich ist es im Allgemeinen genauer zu sagen dass sich solch eine Kapazität ändert, wenn der Finger des Anwenders in die Nähe des Ansteuersignals gebracht wird.
  • Auf diese Weise wird im Anschluss die Kapazität an einem einzelnen Reihe-Spalte-Schnittpunkt, der der Position des Fingers des Anwenders entspricht, bestimmt, wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in einem ersten Modus der Fingerberührung betrieben wird. Indem alle Reihen und Spalten des Arrays 62 abgefragt werden, kann eine Karte der Kapazitätsmessungen für alle Knoten in dem Gitter erzeugt werden. Da jede Messung nur einen einzelnen Gitterschnittpunkt überprüft, entstehen bei multiplen Berührungen keine Messunklarheiten, wie im Falle einiger Systeme mit Selbstkapazität. Um ferner ein Muster von n × n Schnittstellen zu messen, werden in dem in den 1 bis 3 dargestellten Systems 10 nur 2n Pins auf einem IC benötigt. Folglich kann der Touchscreen oder das Touchpad 10 konfiguriert werden, um die Reihen 4145 und 2125 abzufragen, und dadurch zumindest eine Position des Fingers des Anwenders zu detektieren. Der Touchscreen oder das Touchpad 10 kann auch konfiguriert werden, um die von den Reihen und/oder Spalten bereitgestellten Signale an einen Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 zu multiplexen (siehe zum Beispiel 4).
  • Zu beachten ist, dass die ersten oder zweiten Mehrzahlen an Elektroden als Ansteuer- oder Erkennungselektroden konfiguriert sein können, und dass solche Mehrzahlen an Elektroden als verschachtelte Reihen (wie in den 1 und 2 gezeigt) konfiguriert sein können, als Reihen und Spalten, die sich einander senkrecht schneiden, oder eine beliebige aus einer Reihe anderer, Fachleuten bekannten oder in den oben zitierten Patenten und Patentanmeldungen offenbarten Elektrodenkonfigurationen annehmen können.
  • Der Touchscreen oder das Touchpad 10 können ferner konfiguriert werden, um multiple Berührungspositionen auf dem Elektrodenarray 62 gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig zu erkennen. In einer Ausführungsform wird ein Hauptrechner wird bei einer Frequenz von zum Beispiel 60 Hz auf den neuesten Stand gebracht. Alle Reihen und Spalten des Arrays 62 werden sequentiell abgefragt, um die Positionen beliebiger Fingerpositionen zu bestimmen. Zu beachten ist, dass während des Betriebs in einem ersten Modus der Touchscreen oder das Touchpad 10 konfiguriert sein kann, um multiple Positionen der Fingerberührung gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig über dem Elektrodenarray 62 zu erkennen, dass aber nur eine Position des beweglichen Taststifts zu einer Zeit über dem Elektrodenarray 62 erkannt werden kann, wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in einem zweite Modus mit beweglichem Taststift betrieben wird.
  • In der in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform sind die Erkennungselektroden 4146 in Spalten angeordnet, und die Ansteuerelektroden 2125 sind in Reihen angeordnet, obwohl die Elektroden 4146 auch als Ansteuerelektroden konfiguriert sein können, und die Elektroden 2125 als Erkennungselektroden konfiguriert sein können. Zum Beispiel wird während der Erkennung Elektrode 21 angesteuert, und Erkennungsmessungen werden an allen Elektroden 4146 vorgenommen. Anschließend wird die Ansteuerelektrode 22 angesteuert, gefolgt von einer weiteren Serie of Erkennungsmessungen an den Erkennungselektroden 4146.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf die 1 und 2 zeigt der Elektrodenarray 62 eine gute Ansteuer- und Erkennungselektrodeninteraktion sowie Sensitivität, da die elektrostatischen Feldlinien an den Grenzen zwischen nebeneinander liegender einzelner Ansteuer- und Erkennungselektroden konzentriert sind. Das vom Elektrodenarray 62 erzeugte Gesamtsignal wird durch verschachtelte Teile der einzelnen Ansteuer- und Erkennungselektroden 2125 und 4146 erhöht. Für Fachleute wird jetzt ersichtlich, dass zahlreiche verschiedene Elektrodenverschachtelungs- und Elektrodenarraykonfigurationen verwendet werden können, die sich von den gezeigten oder explizit in den Zeichnungen oder der Beschreibung beschriebenen unterscheiden, und doch in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
  • In einer Ausführungsform, in der die oben in Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Prinzipien verwendet werden, werden die Werte für die einzelnen Kapazitäten, die mit den auf den Substraten 16 bzw. 18 befestigten Erkennungselektroden 41 bis 46 bzw. Ansteuerelektroden 21 bis 25 assoziiert sind, durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 (siehe zum Beispiel 6) überwacht oder gemessen, wie auch die Betriebszustände jeglicher zusätzlicher Schalter, die in Verbindung damit bereitgestellt werden könnten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein 125 kHz Rechteckansteuersignal durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 (siehe zum Beispiel 6) an die Ansteuerelektroden 21 bis 25 angelegt, so dass das Ansteuersignal kontinuierlich an die Elektroden 21 bis 25 angelegt wird, obwohl Fachleute verstehen, dass auch andere Arten von Ansteuersignalen erfolgreich verwendet werden können. In der Tat braucht das Ansteuersignal nicht durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 zugeführt werden und wird in einigen Ausführungsformen durch einen separaten Ansteuersignalschaltkreis bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch der Ansteuersignalschaltkreis und der Kapazitätserkennungsschaltkreis in einem einzigen Schaltkreis oder integrierten Schaltkreis enthalten.
  • Der Elektrodenarray 62 kann eine oder mehr Erdungsverfolgungen (ground traces) aufweisen, die zum Beispiel zwischen der einzelnen Ansteuerelektrode 21 und der einzelnen Erkennungselektrode 41 in einer singulären Erkennungszelle angeordnet sind. Die direkte Kopplung eines elektrischen Feldes zwischen der Ansteuerelektrode 21 und der Erkennungselektrode 41 wird dabei vermindert, so dass die Mehrheit der Kopplungsfeldlinien in dem elektrischen Feld von einem Finger oder Taststift unterbrochen werden können anstatt direkt zwischen den Elektroden 21 und 41 gezogen zu werden, ein Effekt, der in der Gegenwart von Feuchtigkeit oder Wasserdampf besonders ausgeprägt werden kann. Eine derartige Ausführungsform blockiert ferner kurze starke elektrische Felder für eine Projektion durch eine darüberliegende Glas- oder Kunststoffschicht, wodurch im System 10 ungewollte Kapazität reduziert wird. In anderen Ausführungsformen ist im Elektrodenarray 62 keine derartige Erdungsverfolgung eingeschlossen. Weitere Details betreffend die Verwendung eines Erdleiters können in der U.S. Patentanmeldung Nr. 11/945,832 von Harley mit dem Titel ”Capacitive Sensing Input Device with Reduced Sensitivity to Humidity and Condensation”, eingereicht am 27. November 2007, gefunden werden, die in ihrer Gänze durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird.
  • In einer Ausführungsform, und wie in 3 gezeigt, ist die Berührungsschicht, das Deckglas oder die Kunststoffschicht 104 über dem Elektrodenarray 62 angeordnet und etwa 0.15 mm dick, und in bevorzugten Ausführungsformen zwischen etwa 0.05 mm und etwa 0.5 mm dick. Der Elektrodenarray 62 stellt eine Kapazitätsänderung von annähernd 0.25 pF bereit, nachdem ein Finger eines Anwenders in seine Nähe gebracht wurde, wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in einem ersten Modus der Fingerberührung betrieben wird.
  • 3 zeigt ferner einen beweglichen Taststift 64, der einen an seinem distalen Ende angeordneten Schaltknopf (barrel button) 67 aufweist. In einer Ausführungsform des beweglichen Taststifts 64 ist der Schaltknopf oder Schalter 67 am distalen Ende davon angeordnet und konfiguriert, um in die Oberfläche 14 des Touchscreens oder Touchpads 10 einzugreifen, wenn ein Anwender den Taststift 64 verwendet, um zu schreiben oder um Zeichen oder Symbole auszuwählen, die auf dem Touchscreen oder Touchpad 10 angezeigt oder dargestellt werden. Der Schaltknopf oder Schalter 67 kann auch konfiguriert werden, um den Betrieb des Touchscreens oder Touchpads 10 in einem zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift einzuschalten oder anzusteuern, wenn er gedrückt ist oder auf oder nahe der Oberfläche 14 platziert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der bewegliche Taststift 64 einen Taststiftansteuerschaltkreis auf, der konfiguriert ist, um ein von diesem ausgegebenes Bewegungssignal 69 zu generieren, wobei das Bewegungssignal 69 ein Radiofrequenz- oder RF-Signal ist. Ein derartiger Taststiftansteuerschaltkreis kann in einen integrierten Schaltkreis eingebaut sein, der in dem beweglichen Taststift 64 angeordnet ist, und kann durch verschiedene Mittel angetrieben werden, wie zum Beispiel eine oder mehr primäre oder wieder aufladbare Batterien, die in dem beweglichen Taststift 64 enthalten sind, oder einen oder mehr Kondensatoren, die von einem Kondensatorladeschaltkreis geladen werden können, wenn der bewegliche Taststift 64 in einen Taststifthalter oder in eine in der Vorrichtung 100 gebildete Aufnahme platziert wird. Falls die eine oder mehr Batterien, die in dem beweglichen Taststift 64 verwendet werden, wieder aufladbar sind, können sie von einem Batterieladeschaltkreis geladen werden, wenn der bewegliche Taststift 64 in einen Taststifthalter oder in eine in der Vorrichtung 100 gebildete Aufnahme platziert wird. Repräsentative RF Frequenzen des von dem Taststiftansteuerschaltkreis generierten Bewegungssignals 69 können im Bereich zwischen etwa 120 kHz und etwa 130 kHz liegen. Zu beachten ist, dass in einer bevorzugten Ausführungsform das von dem beweglichen Taststift 64 ausgegebene Bewegungssignal 69 die Amplitude, Phase und Frequenz eines bevorzugten Rechteckausgangssignal von den Ansteuerelektroden 63 imitiert, wenn solche Ansteuerelektroden in dem ersten Modus der Fingerberührung betrieben werden.
  • Der bewegliche Taststift 64 ist betriebsbereit, wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in dem zweiten Modus mit dem beweglichen Taststift betrieben wird, wobei alle ersten Reihen oder Spalten der Ansteuerelektroden 63 (die in dem zweiten Modus als Erkennungselektroden operieren) und alle zweiten Reihen oder Spalten der Erkennungselektroden 65 im Wesentlichen simultan vom Elektrodenerkennungsschaltkreis 72 abgefragt werden (siehe die 4 und 5). Das heißt, die Ansteuerelektroden 63 werden vom Betrieb als Ansteuerelektroden in einem ersten Modus der Fingerberührung in einen Betrieb als Erkennungselektroden in einem zweiten Modus mit einem Taststift umgewandelt, in dem sämtliche Elektroden 63 und 65 als Erkennungselektroden operieren. Ein Operieren auf diese Weise erfordert, dass A/D Wandler für jede der Signalleitungen, die zu den Ansteuerelektroden weitergeleitet werden, in ähnlicher Weise bereitgestellt werden, in der A/D Wandler derzeit in dem AVAGOTM AMRI-2000 integrierten Schaltkreis bereitgestellt werden. IN einer Ausführungsform, und wie oben erwähnt, ist das von dem beweglichen Taststift 64 ausgegebene Bewegungssignal 69 ein Radiofrequenz(RF)-Signal. Die Position des Bewegungssignals 69 auf dem Touchscreen oder Touchpad 10 wird von den Ansteuerelektroden 65 (umgewandelt für einen Betrieb als zusätzliche Erkennungselektroden, wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 in dem zweiten Modus mit dem beweglichen Taststift betrieben wird) und der Erkennungselektroden 63 erkannt. Die genaue Position des Schaltknopfs oder Schalters 67 auf dem Touchscreen oder Touchpad 10 wird vorzugsweise zwischen nebeneinander liegenden Elektroden entsprechend Fachleuten bekannten Verfahren zur Positionsinterpolation interpoliert.
  • Der zweite Modus des Touchscreens oder Touchpads 10 mit einem beweglichen Taststifts kann auf eine Reihe unterschiedlicher Arten aktiviert werden, wie zum Beispiel durch Entfernen des beweglichen Taststifts 64 aus einem Taststifthalter, die in die transportable elektronische Vorrichtung 100 integriert ist, durch Einschalten des Schaltknopfes oder Schalters 67, der an oder nahe der Spitze des beweglichen Taststifts 64 angeordnet ist, oder durch Ausschalten des Schaltknopfes oder Schalters 67, der an oder nahe der Spitze des beweglichen Taststifts 64 angeordnet ist. Alternative kann der bewegliche Taststift 64 von einem Anwender eingeschaltet werden, indem ein Schalter an der Spitze oder Seite des beweglichen Taststifts 64 in ähnlicher Weise gedrückt oder anderweitig eingeschaltet wird, wie sie zum Beispiel beim Einschalten für den Gebrauch eines Kugelschreibers verwendet wird. Fachleute werden jetzt erkennen, dass unzählige andere Verfahren verwendet werden können, um ein Umschalten des Betriebs des Touchscreens oder Touchpads 10 vom ersten Modus in den zweiten Modus, oder umgekehrt, zu veranlassen.
  • Der bewegliche Taststift 64 kann für einen kabellosen Betrieb konfiguriert sein oder für einen Betrieb mit einem Kabel, das den Taststift 64 mit der Vorrichtung 100 verbindet. In einigen Ausführungsformen ist de bewegliche Taststift batterielos und kann zum Beispiel konfiguriert sein, um elektromagnetische Energie von einem bereichsgemäßen Lesegerät (in-range reader) des Typs zu erhalten, der in einigen RFID Systemen verwendet wird. Der bewegliche Taststift 64 kann ferner konfiguriert werden, um eine darin angeordnete integrierte Schaltung zu versorgen, welche die erhaltene elektromagnetische Energie als Versorgungsquelle verwendet. Verschiedene induktive Mittel und Verfahren, die Fachleuten bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden, um den beweglichen Taststift 64 zu versorgen. In einer anderen Ausführungsform werden RF oder andere kontoll-kodierte Signale, die von geeigneten, in der Vorrichtung 100 angeordneten Schaltungen generiert werden, an den beweglichen Taststift 64 übertragen, wo sie dekodiert und in ein Bewegungssignal 69 zur Emission vom beweglichen Taststift 64 umgewandelt werden. Die zur Versorgung der Taststiftansteuerschaltung notwendige elektrische Energie kann von dem kodierten Signal erhalten werden, das von der Vorrichtung 100 übertragen und vom beweglichen Taststift 64 empfangen wurde. Das vom beweglichen Taststift 64 ausgegebene Bewegungssignal 69 kann ferner konfiguriert werden, um eine kodierte Frequenz- oder Phaseninformation zu enthalten, die vom Elektrodenansteuer- und -erkennungsschaltkreis 72 verwendet werden kann, um Synchronie zwischen dem beweglichen Taststift 64 und dem Touchscreen oder Touchpad 10 aufrechtzuerhalten.
  • Bezug nehmend auf 4 wird ein Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 gezeigt, wenn der Elektrodenarray 62 und der Schaltkreis 72 in einem ersten Modus der Fingerberührung betrieben werden. In einem derartigen ersten Modus weisen die Ansteuerelektroden 63 diesen in sequentieller Weise bereitgestellte Ansteuersignale auf, wobei die Ansteuersignale mit den Erkennungselektroden 65 interagieren und von diesen erkannt werden. In einer Ausführungsform werden die Werte für die einzelnen Kapazitäten, die mit den Erkennungselektroden 65 bzw. Ansteuerelektroden 63 assoziiert sind, durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 (siehe zum Beispiel 6) überwacht oder gemessen, wie auch die Betriebszustände jeglicher zusätzlicher Schalter, die in Verbindung damit bereitgestellt werden könnten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein 125 kHz Rechteckansteuersignal durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 (siehe zum Beispiel 6) an die Ansteuerelektroden 63 angelegt, so dass das Ansteuersignal kontinuierlich an die Ansteuerelektroden Ansteuer_1 bis Ansteuer_8 angelegt wird, obwohl Fachleute verstehen, dass auch andere Arten von Ansteuersignalen erfolgreich verwendet werden können. In der Tat braucht das Ansteuersignal nicht durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 zugeführt werden und wird in einigen Ausführungsformen durch einen separaten Ansteuersignalschaltkreis bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch der Ansteuersignalschaltkreis und der Kapazitätserkennungsschaltkreis in einem einzigen Schaltkreis oder integrierten Schaltkreis 72 enthalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die genaue Position des Fingers eines Anwenders auf dem Touchscreen oder Touchpad 10 in Bezug auf den Elektrodenarray 62 zwischen den Elektroden interpoliert.
  • Bezug nehmend auf 5 wird ein Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 gezeigt, wenn der Elektrodenarray 62 und der Schaltkreis 72 in einem zweiten Modus mit einem beweglichen Taststift betrieben werden. In einem derartigen zweiten Modus weisen die Ansteuerelektroden 63 keine an diese bereitgestellten Ansteuersignale auf und operieren stattdessen als Erkennungselektroden Erkennung_13 bis Erkennung_20 zusätzlich zu den Erkennungselektroden Erkennung_1 bis Erkennung_12. In einer Ausführungsform werden die Werte für die einzelnen Kapazitäten, die mit den Erkennungselektroden 65 bzw. den als Erkennungselektroden operierenden Ansteuerelektroden 63 assoziiert sind, durch den Kapazitätserkennungsschaltkreis 72 (siehe zum Beispiel 6) überwacht oder gemessen, wie auch die Betriebszustände jeglicher zusätzlicher Schalter, die in Verbindung damit bereitgestellt werden könnten. Wenn der Touchscreen oder das Touchpad 10 und der Schaltkreis 72 in dem zweiten Betriebsmodus mit beweglichem Taststift operieren, werden alle Elektroden Erkennung_1 bis Erkennung_20 aktiviert, um nur als Erkennungselektroden zu operieren, und konfiguriert, um die Position des Bewegungssignals 69 auf dem Touchscreen oder Touchpad zu detektieren. Das heißt, alle ersten Reihen oder Spalten der Ansteuerelektroden, die als Erkennungselektroden operieren, und alle zweiten reihen oder Spalten der Erkennungselektroden werden von der Elektrodenansteuer- und -erkennungsschaltung 72 gleichzeitig abgefragt, wenn der Touchscreen oder das Touchpad im zweiten Modus betrieben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Erkennungselektroden Erkennung_1 bis Erkennung_20 und der Schaltkreis 72 konfiguriert, um die Position des stärksten Bewegungssignals 69, das vom beweglichen Taststift 64 auf oder nahe dem Touchscreen oder Touchpad ausgegeben wird, zu detektieren und zu interpolieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Ansteuersignalschaltkreis und der Kapazitätserkennungsschaltkreis in einen einzigen Schaltkreis oder eine integrierte Schaltung 72 eingebaut. Zu beachten ist auch, dass die Elektrodenansteuer- und -erkennungsschaltung 72 in den 4 und 5 ferner A/D Wandler für jeder der ersten reihen oder Spalten der Ansteuerelektroden 63 aufweist, wobei die A/D Wandler konfiguriert sind, um ein Betreiben der ersten Reihen oder Spalten der Ansteuerelektroden 63 als Erkennungselektroden zu ermöglichen, wenn der Touchscreen oder das Touchpad im zweiten Modus betrieben wird.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltkreises zur Ansteuerung und Erkennung des Touchscreens oder Touchpads 10. Zum Beispiel kann eine modifizierte AVAGOTM AMRI-2000 integrierte Schaltung verwendet werden, um die Funktionen des Kapazitätserkennungsschaltkreises 72 auszuüben, wobei eine derartige integrierte Schaltung im Einklang mit den oben in Bezug auf die Konfiguration der Ansteuerelektroden 63 dargelegten Lehren modifiziert wird, so dass diese als Ansteuerelektroden operieren können, wenn der Topuchscreen oder das Touchpad 10 in dem ersten Modus betrieben wird, sowie als zusätzliche Erkennungselektroden, wenn der Topuchscreen oder das Touchpad 10 in dem zweiten Modus betrieben wird.
  • Während des Betriebs in dem ersten Modus der Fingerberührung wird vom Signalgenerator 74 eine AC Spannungsform mit niedriger Impedanz (zum Beispiel ein 100 kHz Rechtecksignal) an die Ansteuerelektrode 21 (nicht gezeigt in 6, aber in den 1 und 2) bereitgestellt. Ein Operationsverstärker 76 mit einem Feedback-Kondensator 78 ist mit einer Erkennungselektrode verbunden und hält die Erkennungsleitung in der virtuellen Masse (virtual ground). Der Verstärker 76 fungiert als Aufladung für den Spannungswandler und stellt eine Spannungsmessung der durch den Kondensator 78 induzierten Ladung bereit. Durch den Demodulator 82 wird eine synchrone Demodulation bewirkt und mit nachfolgender Filterung verwendet, um Niedrigfrequenz-Amplitudenänderungen, die durch Änderungen in der erkannten Kapazität verursacht werden, zu entnehmen. Ein variabler Kondensator 84 zeigt die wechselseitige Kapazität zwischen den Ansteuer- und Erkennungselektroden an, wenn er durch die Gegenwart eines Fingers moduliert wird. Der Feedback-Kondensator 78 bestimmt die Verstärkung des Touchscreens oder Touchpads 10. Fachleute werden erkennen, dass zahlreiche andere Schaltungen als die in 6 gezeigte verwendet werden können, um den Elektrodenarray 62 der Erfindung anzusteuern und zu erkennen.
  • Die vom Elektrodenarray 62 und der Schaltung 72 bereitgestellten Ausgangssignale werden vorzugsweise zum Beispiel über einen serielle I2C-kompatible oder Serial Pheripheral Interface (SPI) Datenbus an einen Hautprozessor geleitet. Zum Beispiel kann eine modifizierte AVAGOTM AMRI-2000 integrierte Schaltung programmiert werden, um über derartige Datenbusse Ausgangssignale an einen Hauptprozessor bereitzustellen. Der Hauptprozessor kann die von der AMRI-2000 integrierten Schaltung bereitgestellte Information verwenden, um ein Display zu regeln.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform einer portablen handgeführten elektronischen Vorrichtung 100, die einen Touchscreen oder ein Touchpad 10 aufweist, eine Tastatur 110 und einen beweglichen Taststift 64, der einen Schaltknopf oder Schalter 67 aufweist. Der bewegliche Taststift kann in einem Taststifthalter oder einer Aufnahme, die in der Vorrichtung 100 angeordnet ist, untergebracht sein, wenn er nicht in Gebrauch ist. Beispiele für portable handgeführte elektronische Vorrichtungen, in die ein Touchscreen oder Touchpad 10 integriert sein kann, umfassen LCDs, Computerdisplays, Laptop-Coputer, Personal Data Assistants (PDAs), Mobiltelefone, Radios, MP3 Player, tragbare Musikanlagen und andere Vorrichtungen.
  • 8 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Touchscreens oder Touchpads, welches die Schritte 200 bis 270 aufweist. In Schritt 200 wird bestimmt, ob der bewegliche Taststift 64 in dem Taststifthalter oder der Aufnahme ist. Falls der bewegliche Taststift 64 in dem Taststifthalter oder der Aufnahme ist, oder falls der zweite Betriebsmodus mit dem beweglichen Taststift anderweitig nicht aufgenommen wird, wird die Vorrichtung 100 weiter in dem ersten Modus der Fingerberührung betrieben, wie in den Schritten 210 bis 230 dargestellt, wobei die Position oder der Ort des Fingers eines Anwenders auf dem Touchpad oder Touchscreen 10 bestimmt wird. Falls der bewegliche Taststift 64 nicht in dem Taststifthalter oder der Aufnahme ist, oder falls der zweite Betriebsmodus mit dem beweglichen Taststift anderweitig aufgenommen wird, wird die Vorrichtung 100 weiter in dem zweiten Modus mit dem beweglichen Taststift betrieben, wie in den Schritten 240 bis 270 dargestellt, wobei die Position oder der Ort des beweglichen Taststifts auf dem Touchpad oder Touchscreen 10 bestimmt wird.
  • Während angenommen wird, dass die primäre Verwendung des Touchscreens oder Touchpads 10 wahrscheinlich im Kontext relativ kleiner portabler Vorrichtungen sowie den Touchpads und Touchscreens davon liegt, können sie ebenfalls in Kontext von größeren Vorrichtungen wertvoll sein, wie zum Beispiel Tastaturen von Desktop-Computern oder andere wenig tragbare Vorrichtungen, wie zum Beispiel Heimtrainer, industrielle Kontrollgeräte, Waschmaschinen, und dergleichen. Während in ähnlicher Weise angenommen wird, dass viele Ausführungsformen der Erfindung am wahrscheinlichsten für die Bedienung mit einem Finger eines Anwenders konfiguriert sind, können einige Ausführungsformen auch für die Bedienung mit anderen Vorrichtungen oder Körperteilen konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Erfindung auf oder in der Handauflage einer Tastatur angeordnet sein und vom Ballen der Hand des Anwenders eingeschaltet werden. Weiterhin ist die Erfindung in ihrem Umfang nicht darauf beschränkt, in Spalten angeordnete Elektroden anzusteuern und in Reihen angeordnete Elektroden zu erkennen. Stattdessen sind Reihen und Spalten in Bezug auf Erkennungs- und Ansteuerelektroden austauschbar.
  • Zu beachten ist ferner, dass im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Herstellung und Produktion der hierin beschriebenen verschiedenen Komponenten, Vorrichtungen und Systeme eingeschlossen sind.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollten vielmehr als Beispiele betrachtet werden, und nicht als einschränkend für den Schutzbereich der Erfindung. Zusätzlich zu den vorigen Ausführungsformen zeigt eine Durchsicht der genauen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, dass es weitere Ausführungsformen gibt. Demzufolge fallen viele Kombinationen, Permutationen, Abwandlungen und Modifikationen, die hierin nicht explizit dargestellt sind, nichtsdestotrotz in den Schutzbereich der Erfindung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5543588 [0005]
    • - US 2006/097991 [0008, 0010]
    • - US 6879930 [0009, 0014]
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    • - US 6002389 [0014]
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    • - US 2006/0097991 A1 [0014]
    • - US 2008/0042985 [0014]
    • - US 2008/0055256 [0014]
    • - US 2008/0246496 [0014]

Claims (27)

  1. Elektronische Vorrichtung, die aufweist: einen wechselseitig Kapazität erfassenden Touchscreen oder Touchpad zur kombinierten Erkennung von Finger und beweglichem Taststift, wobei der Touchscreen oder Touchpad aufweist: eine äußere Berührungsoberfläche, zumindest ein unterhalb der Berührungsoberfläche angeordnetes Substrat, eine erste Mehrzahl von wechselseitig kapazitiven Ansteuerelektroden, die in ersten Reihen oder Spalten auf dem zumindest einen Substrat angeordnet sind, und eine zweite Mehrzahl von wechselseitig kapazitiven Erkennungselektroden, die in zweiten Reihen oder Spalten auf dem zumindest einen Substrat angeordnet sind, wobei die ersten Reihen oder Spalten nicht mit den zweiten Reihen oder Spalten parallel sind; eine die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung, die operativ mit den Ansteuer- und Erkennungselektroden verbunden ist, und die konfiguriert ist, um zumindest einige der Ansteuerelektroden dadurch schaltbar für eine Funktion entweder als Ansteuerelektroden in einem ersten Modus der Fingerberührung oder als zusätzliche Erkennungselektroden in einem zweiten Modus der Berührung mit einem beweglichen Taststift zu konfigurieren; und einen beweglichen Taststift, der eine den Taststift ansteuernde Schaltung aufweist, die konfiguriert ist, um ein Bewegungssignal von dem Taststift auszugeben, wenn der Touchscreen oder das Touchpad in dem zweiten Modus betrieben wird; wobei die äußere Berührungsoberfläche für einen Anwender konfiguriert ist, um den Finger oder den Taststift darauf zu platzieren und quer darüber zu bewegen, die ersten und zweiten Mehrzahlen von Elektroden einen Elektrodenarray bilden, und die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung und der Elektrodenarray zusammen konfiguriert sind, um dadurch eine erste Fingerposition auf der äußeren Berührungsoberfläche kapazitiv detektieren zu können, wenn in dem ersten Modus betrieben wird, und um dadurch eine zweite Position eines Bewegungssignals auf der äußeren Berührungsoberfläche kapazitiv detektieren zu können, wenn in dem zweiten Modus betrieben wird.
  2. Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zweiten Reihen oder Spalten der Erkennungselektroden von der die Elektroden ansteuernden und erkennenden Schaltung sequentiell abgefragt werden, wenn der Touchscreen oder das Touchpad im ersten Modus betrieben wird.
  3. Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei alle ersten Reihen oder Spalten der Ansteuerelektroden und alle zweiten Reihen oder Spalten der Erkennungselektroden von der die Elektroden ansteuernden und erkennenden Schaltung im Wesentlichen gleichzeitig abgefragt werden, wenn der Touchscreen oder das Touchpad im zweiten Modus betrieben wird.
  4. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Position des Fingers in Bezug auf den Elektrodenarray zwischen den Elektroden interpoliert wird.
  5. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Position des beweglichen Taststifts in Bezug auf den Elektrodenarray zwischen den Elektroden interpoliert wird.
  6. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweiten Reihen oder Spalten der Elektroden im Wesentlichen senkrecht zu den ersten Reihen oder Spalten der Elektroden sind.
  7. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Mehrzahl von Ansteuerelektroden auf einer ersten Oberfläche des zumindest einen Substrats angeordnet sind, und die zweite Mehrzahl von Erkennungselektroden auf einer zweiten Oberfläche des zumindest einen Substrats angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Oberflächen einander gegenüberliegen.
  8. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten und zweiten Mehrzahlen von Elektroden im Wesentlichen in einer einzigen Ebene angeordnet sind.
  9. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Abstand zwischen den Reihen oder Spalten zumindest der ersten Mehrzahl von Elektroden oder der zweiten Mehrzahl von Elektroden zwischen etwa 1 mm und etwa 10 mm beträgt.
  10. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest die erste oder die zweite Mehrzahl von Elektroden Indiumzinnoxid (ITO; indium tin oxide) aufweist.
  11. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest das zumindest eine Substrat oder die Berührungsoberfläche zumindest Glas oder Kunststoff oder Acryl aufweist.
  12. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zumindest das zumindest eine Substrat oder die Berührungsoberfläche im Wesentlichen optisch transparent ist.
  13. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Touchscreen oder das Touchpad konfiguriert ist, um multiple Berührungspositionen auf dem Array im Wesentlichen gleichzeitig zu erkennen.
  14. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung ferner eine Elektrodenansteuersignalschaltung aufweist, die operativ mit der ersten Mehrzahl von Elektroden verbunden ist, und die konfiguriert ist, um elektrische Ansteuersignale bereitzustellen.
  15. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei zumindest Teile der die Elektroden ansteuernden und erkennenden Schaltung in eine integrierte Schaltung eingebaut sind.
  16. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die die Elektroden ansteuernde und erkennende Schaltung ferner für jede der ersten Reihen oder Spalten von Ansteuerelektroden A/D Wandler aufweist, wobei die A/D Wandler konfiguriert sind, um ein Betreiben der ersten Reihen oder Spalten von Ansteuerelektroden als Erkennungselektroden zu ermöglichen, wenn der Touchscreen oder das Touchpad im zweiten Modus in Betrieb ist.
  17. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Bewegungssignal ein Radiofrequenz(RF)-Signal ist.
  18. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der zweite Modus aktiviert wird, wenn der bewegliche Taststift aus einem Taststifthalter entfernt wird.
  19. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der zweite Modus aktiviert wird, wenn ein an oder nahe einer Spitze des beweglichen Taststifts angeordneter Schaltknopf eingeschaltet wird.
  20. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der zweite Modus aktiviert wird, wenn ein an oder nahe einer Spitze des beweglichen Taststifts angeordneter Schaltknopf ausgeschaltet wird.
  21. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der erste Modus aktiviert wird, wenn der bewegliche Taststift in einen Taststifthalter platziert wird.
  22. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der bewegliche Taststift kabellos oder batterielos ist.
  23. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der bewegliche Taststift konfiguriert ist, um elektromagnetische Energie von einem bereichsgemäßen Lesegerät zu erhalten, das operativ mit der elektronischen Vorrichtung verbunden ist.
  24. Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei der bewegliche Taststift konfiguriert ist, um unter Verwendung der erhaltenen elektromagnetischen Energie eine darin angeordnete integrierte Schaltung zu versorgen.
  25. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das vom beweglichen Taststift ausgegebene Bewegungssignal eine kodierte Frequenz oder Phaseninformation aufweist, die von der die Elektroden ansteuernden und erkennenden Schaltung verwendet werden kann, um ein Synchronisierungssignal für den Empfang durch den beweglichen Taststift auszugeben, um Synchronie zwischen dem beweglichen Taststift und dem Touchscreen oder Touchpad aufrechtzuerhalten.
  26. Elektronische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die elektronische Vorrichtung ein LCD, ein Computerdisplay, ein Laptop-Computer, ein Personal Data Assistant (PDA), ein Mobiltelefon, ein Radio, ein MP3 Player, eine tragbare Musikanlage, eine stationäre Vorrichtung, ein Fernseher, eine Stereoanlage, ein Heimtrainer, ein industrielles Kontrollgerät, ein Bedienkonsole, ein Außenkontrollgerät oder eine Waschmaschine ist.
  27. Verfahren zur Erkennung einer Position eines Fingers oder eines beweglichen Taststifts auf einem Touchscreen oder Touchpad, das Verfahren aufweisend: Detektieren einer ersten Position des Fingers auf dem Touchscreen oder Touchpad, wenn sich eine wechselseitige Kapazität zwischen einer ersten Mehrzahl von Elektroden und einer zweiten Mehrzahl von Elektroden nahe der ersten Position ändert, wobei die ersten und zweiten Mehrzahlen von Elektroden in dem Touchscreen oder Touchpad einen Elektrodenarray bilden; und Detektieren einer zweiten Position des beweglichen Taststifts auf dem Touchscreen oder Touchpad, wenn ein vom beweglichen Taststift ausgegebenes Bewegungssignal von der ersten Mehrzahl von Elektroden und der zweiten Mehrzahl von Elektroden nahe der zweiten Position detektiert wird.
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