DE102011010919A1

DE102011010919A1 - System und Verfahren zur Generierung eines mit einer manuellen Eingabeoperation korrelierenden Signales

Info

Publication number: DE102011010919A1
Application number: DE102011010919A
Authority: DE
Inventors: Artem Dr.-Ing. 82205 Ivanov
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: WO2011098281A2; WO2011098281A3; EP2542954A2; US9189093B2; CN103189824A; DE102011010919B4; ES2655729T3; US20130176236A1; JP2013519930A; JP5882232B2; CN103189824B; KR101769889B1; EP2542954B1; KR20130001724A

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein System, sowie auf ein Verfahren zur Generierung eines mit einer manuellen, insbesondere gestenartigen und seitens eines Anwenders durch dessen Hände oder Finger gegenüber einem körperlichen Gerät vollführten Eingabeoperation, korrelierenden Signales. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche es möglich wird, Eingabesignale für Signalverarbeitungsprozesse, insbesondere als Steuersignale für Anwenderprogramminteraktionen, zu generieren, die besonders zuverlässig und treffend mit anwenderseitig vollführten, insbesondere gestenartigen manuellen Eingabeoperationen korrelieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zur Generierung von Eingabesignalen die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren, mit einer in eine Gerätekomponente eingebundenen Elektrodengruppe die mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden umfasst, und einer Schaltungsanordnung die mit den Elektroden der Elektrodengruppe gekoppelt ist, wobei die Elektrodengruppe und die Schaltungsanordnung eine Erfassungsschaltung bilden die sowohl eine Erfassung eines als physische Kontaktierung der Gerätekomponente zu bewertenden Zustands, als auch eine Positionserfassung der Hand oder eines Fingers eines Anwenders in einem der Gerätekomponente räumlich vorgelagerten Bereich ermöglicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf ein System, sowie auf ein Verfahren zur Generierung eines mit einer manuellen, insbesondere gestenartigen und seitens eines Anwenders durch dessen Hände oder Finger gegenüber einem körperlichen Gerät vollführten Eingabeoperation, korrelierenden Signales, wobei dieses Signal zur Steuerung eines elektronischen Gerätes, insbesondere eines zur Nutzung eines Anwenderprogramms vorgesehenen Rechnersystems herangezogen wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche es möglich wird, Eingabesignale für Signalverarbeitungsprozesse, insbesondere als Steuersignale für Anwenderprogramminteraktionen, zu generieren, die besonders zuverlässig und treffend mit anwenderseitig vollführten, insbesondere gestenartigen manuellen Eingabeoperationen korrelieren.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zur Generierung von Eingabesignalen die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren, mit:

– einer in eine Gerätekomponente eingebundenen Elektrodengruppe die mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden umfasst, und
– einer Schaltungsanordnung die mit den Elektroden der Elektrodengruppe gekoppelt ist,
– wobei die Elektrodengruppe und die Schaltungsanordnung eine Erfassungsschaltung bilden die sowohl eine Erfassung eines als physische Kontaktierung der Gerätekomponente zu bewertenden Zustands, als auch eine Positionserfassung der Hand oder eines Fingers eines Anwenders in einem der Gerätekomponente räumlich vorgelagerten Bereich ermöglicht.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Eingabeschnittstelle für anwenderseitig koordinierte manuelle Eingabeoperationen zu schaffen die es erlaubt zuverlässig zwischen einer freien räumlichen Bewegung eines Fingers und der physischen Berührung einer die Elektrodenanordnung beherbergenden Struktur zu unterscheiden. In besonders vorteilhafter Weise wird es hierdurch möglich, Gesten, sowie Cursorsteuerungs- und Selektionsprozesse abzuwickeln die mit einem Berührungsvorgang abgeschlossen, oder validiert werden, oder einen oder mehrere kurze Berührungsphasen beinhalten. Die Erfindung eignet sich in besonderem Maße für die Realisierung eines „hidden interfaces” durch welches bei elektronischen Geräten mit üblichen Designattributen eine intuitiv gut beherrschbare Zusatzfunktion geboten werden kann. Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz bei ausgeprägt flächig gestalteten Gerätekomponenten, insbesondere Displays, Gehäusen, Bedienpanels und insbesondere auch Computertastaturen.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Positionserfassung primär über eine in der Elektrodengruppe enthaltene Elektrodenuntergruppe bewerkstelligt, die mehrere voneinander beabstandete Unterelektroden umfasst.
Die einzelnen Elektroden sind vorzugsweise so konturiert dass die Gesamtheit der Elektroden eine weitgehend geschlossene Fläche darstellt. Die elektrische Anbindung der dieser Elektroden an die Schaltungsanordnung kann so bewerkstelligt sein, dass die Berührungserfassung durch elektrische Effekte bewerkstelligt wird die primär auf eine Elektrode der Elektrodengruppe wirken und dabei über diese Elektrode erfasst werden. Diese Elektrode kann so ausgestaltet sein, dass diese flächenmäßig betrachtet die größte Elektrode darstellt. Diese Elektrode kann so ausgebildet sein, dass diese im wesentlichen auf der gleichen Fläche verläuft wie die Positionserfassungselektroden. Diese zur Detektion der Berührung vorgesehene Elektrode kann auch vor, oder vorzugsweise hinter den Positionserfassungselektroden angeordnet sein.
Die Detektion der Berührung kann erfolgen indem beispielsweise über die Elektrode festgestellt wird, dass eine signifikante kapazitive Koppelung der Elektrode mit dem Anwender vorliegt. Die Elektrode ist vorzugsweise von einem Isolator bedeckt, so dass keine galvanische Kontaktierung der Elektrode erfolgt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei welchen diese der Berührungserfassung dienende Elektrode vom Anwender galvanisch kontaktiert werden kann.
Neben der Detektion eines Berührungszustandes anhand signifikanter Signalpegel ist es auch möglich, die Berührungsdetektion anhand dynamischer Merkmale der auf die Elektrode wirkenden Einflüsse festzustellen. So kann beispielsweise eine Ausgepärgte Stagnation eines an der Elektrode anliegenden Spannungspegels, oder eine Stagnation der Kapazität eines unter Einschluss jener Elektrode gebildeten kapazitiven Systems auf einem bestimmten Niveau als Indiz dafür herangezogen werden, dass ein als Berührung zu klassifizierenden Zustand vorliegt. Die Bewertung eines Annäherungszustandes des Fingers oder der Hand eines Anwenders an das erfindungsgemäße System als Zustand der Berührung kann auch durch kombinierte Verarbeitung mehrer Kriterien, insbesondere des absoluten Signalpegels, der Ableitung des zeitlichen Verlaufs des Signalpegels, sowie ggf. auch Triangulationsergebnissen erfolgen. Als Triangulationsergebnis das indikativ ist für eine Berührung kann beispielsweise ein Triangulationsergebnis gelten dessen errechnete Einzelabstände zu den Positionserfassungselektroden erkennen lassen, dass das detektierte Objekt sich zumindest relativ nahe der durchdie Positionserfassungselektroden definierten Ebene befindet.
Die erfindungsgemäße Elektrodengruppe kann hinsichtlich der Form der einzelnen Elektroden sowie der Lage derselben zueinander weitgehend symmetrisch gestaltet sein. Derartige Konzeptionen eignen sich insbesondere für Einhand-Eingabesysteme. Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Elektrodengruppe so zu gestalten, dass über diese eine zweihändige Eingabe bewerkstelligt werden kann. Für derartige Applikationen kann die Elektrodengruppe so gestaltet sein, dass eine Zone derselben auf eine besonders präzise Positionserfassung in einem hierfür vorteilhaften Bereich des entsprechenden Gerätes, und der restliche Bereich im wesentlichen auf die Berührungserfassung ausgelegt ist. Bei Einbindung des erfindungsgemäßen Systems in eine Computertatstatur können dabei z. B. im Bereich des Nummernblocks besonders präzise X, Y, und vorzugsweise auch Z-Achsinformationen erhoben werden, wogegen in dem der linken Hand zugeordneten Tastaturbereich jene Berührungserfassung im wesentlichen auf die Detektion einer Berührung einer physischen Komponente der Tastatur durch die zweite Hand ausgelegt ist.
Es ist möglich, das System fortlaufend zu kalibrieren, indem beispielsweise bei Berührung ermittelte Ortsinformationen mit den vorab im Rahmen der Annäherung, d. h. noch vor der Berührung ermittelten Signalen entsprechend verarbeitet werden.
Es ist weiterhin möglich, die Schaltungsanordnung und die Elektroden so zu gestalten und zu verknüpfen, dass die Funktion der Elektroden als primär Positionserfassungselektroden oder Berührungserfassungselektroden speicherbasiert festgelegt werden kann. Es ist auch möglich, die Funktion der Elektroden dynamisch einzustellen. So kann für jeden Annäherungszustand für die Positionserfassung eine Elektrodengruppe herangezogen werden die eine besonders zuverlässige Triangulation erlaubt.
Vorzugsweise ist die Elektrodengruppe derart gestaltet, dass diese eine Hauptelektrode und jene Unterelektroden umfasst. Die Unterelektroden sind dabei vorzugsweise so gestaltet, dass diese jeweils eine kleinere Elektrodenfläche aufweisen als die Hauptelektrode. Die Unterelektroden können insbesondere derart kleinflächig gestaltet sein, dass die Gesamtfläche der Unterelektroden kleiner ist als die Gesamtfläche der Hauptelektrode.
Insbesondere bei einer Gestaltung der Elektrodengruppe als im wesentlichen rechteckflächiges Elektrodensystem ist es möglich, die Unterelektroden im Randbereich der Detektionszone anzuordnen. Die Unterelektroden können dabei so angeordnet werden, dass diese jeweils ein Elektrodenpaar bilden das sich hinsichtlich des Zentrums der Rechteckfläche gegenüberliegt. So wird es möglich, über eine linke und eine rechte Unterelektrode relativ präzise x-Achsinformationen und über die untere und die obere Unterelektrode relativ präzise Y-Informationen zu erhalten. Aus der Gesamtheit dieser Informationen können dann die z-Achsinformationen mit einer gewissen Überbestimmung und weiteren Approximationsansätzen ermittelt werden.
Alternativ zu der Ausführung der Unterelektroden als relativ lang gestreckte und entlang des Randbereichs der Detektionszone verlaufenden Elektroden ist es auch möglich, die Unterelektroden als relativ kleine, gedrungene Elektroden in den entsprechenden Eckbereichen der Detektionszone zu platzieren.
Die vorangehend beschriebenen Anordnung der Unterelektroden als randnah, oder im Eckbereich angeordnete Elektroden eignet sich insbesondere bei Einsatz der erfindungsgemäßen Technik in Verbindung mit Touchpad-Displaysystemen.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Lösungsgedanken ist es auch möglich, die Unterelektroden in einem von der Hauptelektrode umgriffenen Bereich anzuordnen. Die Unterelektroden können hierbei als im wesentlichen zentrumsnahe Elektrodengruppe ausgebildet sein, oder alternativ hierzu auch so angeordnet sein, dass deren Flächenschwerpunkt sich relativ nahe bei einem Flächenschwerpunkt eines zugeordneten Quadranten oder Segments der Berührungsdetektionszone befindet.
Die Elektrodenanordnung ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Detektionszone eine im wesentlichen rechteckige Fläche darstellt. Die Elektrodenuntergruppe ist hierbei vorzugsweise im wesentlichen achs- oder gar punktsymmetrisch in der Detektionszone ausgebildet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Unterelektrodengruppe so gestaltet, dass diese vier Unterelektroden umfasst, und dass die Position der Unterelektroden derart festgelegt ist, dass die Flächenschwerpunkte der Unterelektroden die Ecken eines Rechtecks, einer Raute, oder eines Quadrats darstellen.
Es ist möglich das erfindungsgemäße System mit einer Trägerelektrode auszustatten, die sich auf einer der Detektionszone abgewandten Elektrodenunterseite unter der Elektrodengruppe erstreckt. Über diese Trägerelektrode kann eine rückwärtige Abschirmung erreicht werden. Die Trägerelektrode kann dabei derart an die Schaltungsanordnung oder eine weitere Treiberschaltung angebunden werden, dass diese Trägerelektrode als Shieldelektrode betrieben wird, zur weitgehenden Abschirmung der Unterseite der Elektrodengruppe. Die Trägerelektrode kann auch selbst zur Berührungserfassung genutzt werden (vgl. 15, 16).
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, eine elektronische Vorrichtung zu schaffen, die in ein Gerät integriert werden kann, um die Position und Bewegung von Gliedmaßen, insbesondere der Finger des Benutzers in einem räumlichen Bereich vor dem Gerät zu erfassen und dabei gleichzeitig feststellen zu können, dass der Benutzer die Oberfläche des Gerätes berührt. Die Erfindung schafft einen neuartigen Kommunikationsweg zwischen dem Nutzer und dem von diesem bedienten Gerät, der die Freiheit der Gestensteuerung sowie auch die Eindeutigkeit der berührungsbasierten Bedienung kombiniert. Das erfindungsgemäße Konzept kann mit kostengünstig herstellbarer und äußerst kompakter Hardware realisiert werden. Die Schaltungsanordnung kann ggf. durch einen einzigen ASIC realisiert werden. Alternativ hierzu kann die erfindungsgemäße Schaltung auch mit bereits handelsüblichen Komponenten immer noch relativ platzsparend diskret realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Brücke zwischen berührungsbasierten und berührungslos gestenbasierten Steuerungskonzepten und ermöglicht es die Technologie in verbreitete Computeranwendungen (und ähnliche) zu integrieren. Die Erfindung ebnet zudem den Weg und unterstützt die Akzeptanz für, bzw. von gestenbasierten Steuerungen.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst neben dem hier angegebenen, aus der besonderen Elektrodenanordnung und der zugeordneten Schaltungsanordnung bestehenden System auch ein Verfahren zur Bereitstellung von Signalen die sowohl im Rahmen von Näherungsvorgängen extrahierte Ortsinformationen als auch bei Berührung einer Gerätekomponente generierte Touchinformationen beinhalten.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt/zeigen:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus der einer Elektrodengruppe bei einem erfindungsgemäßen System zur kombinierten Gesten- und Berührungserfassung;
2 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der schaltungstechnischen Anbindung der Elektrodengruppe nach 1 an eine als ASIC ausgeführte Schaltungsanordnung;
3 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung zweier weiterer Varianten der Gestaltung der Elektrodenanordnung;
4 eine Diagrammgruppe zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs von Signalpegeln für Bewegungs- und Berührungsvorgänge;
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung;
6 bis 9 weitere Schemadarstellungen zur Veranschaulichung des Aufbaus einer weiteren Variante erfindungsgemäßer Elektrodengruppen bei einem erfindungsgemäßen System zur kombinierten Gesten- und Berührungserfassung;
10 bis 12 und 15, 16 Skizzen zur vertieften Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzeptes der kombinierten Berührungsdetektion;
13 und 14 Skizzen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzeptes für den Einsatz in Verbindung mit Displayeinrichtungen:
17, 18 und 19 Skizzen zur Veranschaulichung des Einsatzes des erfindungsgemäßen Systems in Verbindung mit Datenverarbeitungsgeräten – Hier Notebbok bzw. Desktop-Rechner und Projektionsgerät.
1 veranschaulicht den Aufbau der Elektrodengruppe für ein erfindungsgemäßes System zur Generierung von Eingabesignalen die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren. Die Elektrodengruppe umfasst mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5. Diese Elektroden EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5 sind wie nachfolgend in Verbindung mit 2 noch näher erläutert werden wird an eine Schaltungsanordnung angekoppelt.
Die Elektrodengruppe definiert in ihrer Gesamtheit eine Detektionszone die sowohl eine räumliche Erfassung von Gliedmaßen, insbesondere des Fingers eines Anwenders, sowie eine Erfassung eines als Berührung zu bewertenden Annäherungszustands ermöglicht. Die an die Elektroden EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5 angekoppelte Schaltungsanordnung ist derart konfiguriert, dass über die Elektrodengruppe EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5 sowohl eine Berührungsdetektion als auch eine Positionserfassung bewerkstelligt wird, wobei die Positionserfassung primär über eine in der Elektrodengruppe EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5 enthaltene Elektrodenuntergruppe bewerkstelligt wird, die mehrere voneinander beabstandete Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4 umfasst.
Das System kann so konfiguriert werden, dass für sich bewegende Objekte (Finger, Hände ...), die sich relativ weit über den Elektroden befinden primär eine Präsenzerfassung, oder eine etwas gröbere Positionserfassung erfolgt, die ein eingeschränktes Spektrum an Interaktionsoptionen bietet. So kann beispielsweise nach längerem Ausbleiben von Tastatureingaben ein Screensaver-Modus unterbunden werden wenn in einem relativ weit beabstandeten Bereich, vor einer Tastatur noch die Präsenz der Hände des Anwenders erkannt wird. Bei Erkennung der Präsenz von Gliedmaßen, insbesondere der Hände des Anwenders in einem weiter beabstandeten Bereich können auch bestimmte Nutzungs- und Gesteninterpretationsmodi aktiviert werden. So kann beispielsweise bei Entfernen der Hände von einer Tastatur oder einem Bildschirm um etwa 30 cm ein entsprechender Rechner in einen „Vollbildmodus” gelangen in welchem keine Symbolleisten oder umfangreiche Bedienfelder visualisiert werden. In diesem Vollbildmodus können wenige, tendenziell grobmotorische Gesten, z. B. Wink mit der flachen Hand als „Vorblättergeste” oder „Zurückblättergeste” erkannt werden und eine entsprechende Bildwiedergabe veranlasst werden.
Bei einem Einsatz der Erfindung bei einer Tastatur und gleichzeitig bei einem Bildschirm kann beispielsweise ein Via-Screen-Inputmodus unterbunden werden, wenn eine ausreichende Annäherung an die Tastatur erfolgt. Das erfindungsgemäße System kann bei einem derartigen Rechner auch so eingesetzt werden, dass beispielsweise durch Annäherung an einen Bildschirm mit dem Finger der rechten Hand auf diesem Bildschirm ein Cursor navigiert werden kann. Durch räumliche Gesten oder Fingerbewegungen der linken Hand gegenüber der Tastatur können dann bestimmte Funktionen wie z. B. Selektionen und Skalierungen koordiniert werden. Konkret kann z. B. mit dem Finger der rechten Hand aus einer Bildvorschau mit zahlreichen in Zeilen und Spalten angeordneten Bildern ein Bild selektiert werden. Durch Vergrößern des Abstands zwischen Daumen und Zeigefinder der linken Hand in der nähe des linken Randes einer erfindungsgemäßen Tastatur kann das selektierte Bild vergrößert „gezoomt” und wieder verkleinert werden. Auch Drag and Drop Aktionen sind mit diesem Kombisystem in intuitiv besonders gut beherrschbarer Weise koordinierbar.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrodengruppe EL1, EL2, EL3, EL4 und EL5 eine Hauptelektrode GEN und jene Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4, EL5. Die Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4, EL5 weisen jeweils eine kleinere Elektrodenfläche auf als die Hauptelektrode GEN. Die Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4 können insbesondere so gestaltet sein, dass deren Gesamtfläche kleiner ist als die effektive Gesamtfläche der Hauptelektrode GEN.
Die Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4 sind wie erkennbar im Randbereich der Detektionszone angeordnet. Die Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4 erstrecken sich als schmale Rechteckstreifen entlang des Randbereichs der Detektionszone.
Auf der Unterseite, d. h. der dem Eingabebereich abgewandten Rückseite der Elektrodengruppe befindet sich eine mit dem Generatorsignal spannungsbeaufschlagte Generatorelektrode GEN.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung umfasst diese wie bereits angesprochen vier streifenförmige als Positionserfassungselektroden fungierende Unterelektroden EL1, EL2, EL3, EL4 und eine zentral angeordnete Berührungserfassungselektrode EL5. (Die Anzahl der Elektroden kann je nach Anwendungsfall auch kleiner oder größer sein). Die Generatorelektrode GEN ist bei diesem Ausführungsbeispiel unter allen Messelektroden platziert. Die Elektroden sind in einer zweischichtigen Struktur mit einer Isolationsschicht dazwischen angeordnet.
Die Elektrodenanordnung kann hierbei z. B. auf einer zweilagigen Leiterplatte realisiert sein (Lagenaufbau vgl. 1 unterste Darstellung).
Ein besonderes Merkmal der unteren Anordnung, das die Berührungsdetektion ermöglicht, ist die Ausführung der großen Elektrode EL5 derart, dass diese die von Elektroden EL1 bis EL4 nicht belegte Fläche ausfüllt. Der berührungsempfindliche Bereich erstreckt sich damit über die Elektroden EL1 bis EL5.
In den Figuren 2, 11, 12, und 14 sind die elektronischen Schaltungen für die zugeordneten Elektrodenanordnungen schematisch dargestellt.
Wie aus 2 ersichtlich, werden die Elektroden an die Eingänge des Gestik IC/der Gestik Schaltung angeschlossen. Dabei sind CH1 bis CH5 die (gleichen) Kanäle der Schaltung.
Die Messschaltung weist hochohmige Eingänge auf. Daher stört die Elektrode EL5 die Funktion von Positionserfassungselektroden EL1 bis EL4 nicht. Die Elektrode EL5 weist auf eine starke kapazitive Kopplung zur Generatorelektrode GEN und hat ein ähnliches elektrisches Potential. Deswegen wird die Reichweite der Messvorrichtung durch die Einführung der Elektrode EL5 nicht beeinträchtigt dies gilt auch für die Elektrodenanordnungen nach den 7 und 8. Hier wird durch die Wirkung der Elektrode EL5 die Reichweite sogar erhöht).
Die beiden in 3 gezeigten Ausführungsbeispiele veranschaulichen zwei der Möglichkeiten zu Anordnung der Berührungserfassungselektrode EL5. Das Ausführungsbeispiel nach 3a entspricht dem Ausführungsbeispiel nach 1b. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3b erstreckt sich die Berührungserfassungselektrode EL5 in einer Ebene die zu der durch die Elektroden EL1, EL2, EL3 und EL4 definierten Elektrodenebene versetzt ist. Die Berührungserfassungselektrode EL5 kann sich dabei unmittelbar unter einer Gehäusestruktur oder einer Displaydecklage befinden. Insbesondere die Berührungserfassungselektrode EL5 kann als weitgehend transparente Elektrode ausgeführt sein. Dieser Transparenzeffekt kann erreicht werden, indem die Berührungserfassungselektrode EL5 entweder hinreichend dünn, beispielsweise als aufgedampfte oder chemisch abgeschiedene Metallschicht oder z. B. eine ITO-Schicht, als Schicht aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial, oder als feinstegige Gitterstruktur ausgeführt ist.
Bei einer vollflächigen Abdeckung der als Positionserfassungselektroden fungierenden Elektroden EL1, EL2, EL3, EL4 ist es möglich, in der Berührungserfassungselektrode Aussparungen vorzusehen, oder Untersegmente auszubilden die über die Schaltungsanordnung phasenweise abgekoppelt werden können um die Feldgenerierung nicht zu beeinträchtigen.
In 3 sind Beispiele der Integration dieser Elektrodenanordnung in das Gehäuse G des Gerätes dargestellt. Das Teilbild (a) zeigt eine Variante, bei welcher sich alle Elektroden innerhalb eines Gehäuses befinden. Im Teilbild (b) ist die Elektrode EL5 auf der Oberfläche des Gehäuses platziert. In diesem Fall ist die Signaländerung bei der Berührung am größten und damit signifikant dominant.
In 4 sind die Pegelverläufe der über das erfindungsgemäße System von den Elektroden abgegriffenen Eingangssignalen dargestellt. Die Elektroden sind mit einem Kunststoffabstandshalter (hier Dicke d = 6 mm) abgedeckt, so dass der Finger eines Anwenders die entsprechenden Elektroden nicht direkt kontaktieren kann. Die Gestaltung der dieser Messung zugrunde liegenden Elektrodenanordnung entspricht der Anordnung nach 3a. Bei dem hier veranschaulichten Signal handelt es sich um das von einer einzigen Elektrode abgegriffene Signal. Die dargestellte Zeitspanne beträgt durchgängig 1 Sekunde. Die einzelnen Teilbilder stellen dar:

(a) eine besonders schnelle Handbewegung in der Nähe der Elektrodenanordnung ohne Berührung (im weiteren als „Gesture” bezeichnet);
(b) Annäherung eines Fingers an eine Elektrode bis zum Abstandshalter und weiteres Verweilen darauf („Touch & Rest”);
(c) Eine Berührung des Abstandhalters mit dem Finger mit nachfolgendem Abheben des Fingers, äquivalent zu einem Tastendruck („Click Event”);
(d) Eine Doppelberührung des Abstandhalters mit dem Finger („Double Click Event”).

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, Gesten und Berührungen des Nutzers mit hoher Eindeutigkeit zu erfassen und insoweit zwischen der Gesten und Berührungen des Nutzers zuverlässig zu unterscheiden. Wie aus 4 ersichtlich, ist es möglich eine Differenzierung zwischen Bewegungen des Typs „Gesture” und der Typen „Touch & Rest”, „Click Event” und „Double Click Event” selbst bei Verwendung eines elektrisch isolierenden Abstandshalters, d. h. eines Gehäuses, oder einer Abdeckung (z. B. Displayscheibe) sicher zu diskriminieren. (Wenn sich die Elektrode EL5 auf der Oberfläche des Gerätes befindet, ist die Unterscheidung allerdings noch schärfer.) Die Differenzierung findet anhand der Merkmale Signalamplitude (entspricht der Nähe zum Gerät) und Signalableitung also der Signaldynamik (entspricht der Geschwindigkeit der Bewegung) statt.
Es ist für die „Touch” und „Click” Bewegungen charakteristisch, dass die zeitliche Ableitung des Signals beim Eintreffen des Fingers auf die Oberfläche des Gehäuses eine starke Änderung erfährt, und zwar von einem hohen Wert auf einen Wert von zumindest nahzu Null (die Oberfläche ist erreicht, keine weitere Bewegung möglich, der Finger kommt zu Ruhe). Bei den „Click” und „Double Click Events” folgt eine schnelle, ggf. in enger zeitlicher Folge doppelte signifikante Änderung der Signalamplitude, die durch einen großen negativen Wert der Signalableitung gekennzeichnet ist.
In 5 ist ein möglicher Algorithmus der Differenzierung veranschaulicht. Dieser verarbeitet als Eingangsgröße die Amplitude des Signals S, die zeitliche Ableitung des Signals dS/dt und die zeitliche Differenz Δ zwischen den festgestellten Ereignissen.
Die Signale der Gestik Elektronik haben eine starke Nichtlinearität (etwa quadratische bis kubische Abhängigkeit vom Abstand): Je näher sich ein Finger, oder anderweitiges aktionsrelevantes Objekt bei einer Elektrode befindet, desto größer die absolute Änderung des Signals bei gleicher Abstandsänderung. Dieses Verhalten erhöht die Sicherheit der Feststellung der Berührung, weil auch eine langsamere Annäherung an das Gehäuse des Gerätes einen großen Wert der Signalableitung bedeutet.
Experimentell konnte nachgewiesen werden, dass es für einen Menschen nicht möglich ist, den Finger sehr nahe an der Oberfläche des Gehäuses (große Signalamplitude und hohe Empfindlichkeit zu kleinsten Bewegungen) derart ruhig zu halten, dass dieser außerordentliche und gebrauchsuntypische Zustand mit dem Kontaktieren und Verweilen auf der Oberfläche verwechselt werden könnte.
Im Gegensatz zu schnellen Bewegungen aus 4(a) hat das Signal für die Bewegung des Fingers im Normaltempo deutlich langsamere Anstiegs- und Abfallzeiten und ist einem „Click Event” noch weniger ähnlich.
In 6 ist eine weitere Elektrodengestaltung veranschaulicht, bei welcher die Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 zwar ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel nach 1a im Außenrandbereich der Berührungserfassungszone angeordnet sind, jedoch nicht als schmale Streifen, sondern als kompakte, gedrungene Eckelektroden ausgeführt sind. Diese speziellen Eckelektroden haben kleinere Abmessungen und liegen in den Ecken des Erfassungsbereich. Die Berührungserfassungselektrode EL5 füllt die Fläche zwischen den Elektroden EL1, EL2, EL3, EL4.
7 zeigt eine Variante bei welcher die Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 im Erfassungsbereich liegen, und dabei von der Berührungserfassungselektrode EL5 umgeben sind. Die Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 sind als münzgroße, Kreisscheiben ausgebildet. Zwischen diese Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 und der Berührungserfassungselektrode EL5 sind relativ breite ringartige Freizonen ausgebildet.
8 zeigt eine Variante bei welcher die Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 äußerst kompakt ausgeführt und in der Mitte des Erfassungsbereiches platziert sind. Die Berührungserfassungselektrode EL5 definiert den Erfassungsbereich für die Berührung. Der Erfassungsbereich für die Positionsbestimmung ist größer.
Bei den oben beschriebenen Geometrien der Elektroden handelt es sich um Beispielausführungen. Auch andere Geometrien sind möglich, die sich insbesondere in der Form und ihren relativen Positionen der Elektroden von diesen abweichen können. Es ist auch möglich, statt der EL5 die Generatorelektrode einzusetzen, wie unten beschrieben ist.
Die Anzahl der Elektroden kann entsprechend dem Applikationsfall variiert werden. Die Anzahl der Positionserfassungselektroden kann sich von 1 (reine Annäherungserfassung) bis z. B. 8 oder in Sonderfällen auch darüber variieren. Auch die Anzahl der Berührungserfassungselektroden kann variieren. So kann z. B. mit drei Berührungserfassungselektroden der Erfassungsbereich in drei Unterzonen aufgeteilt werden.
Der Anschluss der Elektroden an die nachfolgend als Gestik-Elektronik bezeichnete Auswertungsschaltung erfolgt vorzugsweise durch hier nicht näher dargestellte, vorzugsweise abgeschirmten Leiterbahnen. Solche Anschlüsse können in einem zusätzlichen Leiterplatten Layer ausgeführt sein oder bei der zwei-lagigen Leiterplatte wie beispielhaft in 9 (für die Elektrodenkonfiguration aus 8) dargestellt. Die Berührungserfassungselektrode und die Generatorelektrode können dafür mit Ausschnitten versehen sein, eine besonders hohe Signalgüte wird erreicht, wenn diese Ausschnitte sowie die Anschlussleiterbahnen der Elektroden einen möglichst kleinen relativen Anteil an der Elektrodenfläche haben.
In 9 ist eine Variante dargestellt bei welcher neben den Elektroden auch die Anschlussleiterbahnen und deren mögliche Kontaktierung K erkennbar ist. Es ist möglich, diese Elektrodenstruktur als weitgehend transparente Struktur auszuführen die zumindest nahezu unsichtbar unmittelbar auf einem Display angeordnet werden kann. Die Berührungserfassungselektrode kann hierzu als extrem dünne Metallschicht, oder ITO-Schicht, oder auch als Netz/Gitter ausgeführt werden.
In der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass die Berührungserfassungselektrode an einen der Eingänge der Gestik Elektronik angeschlossen wird. Dieser Eingang muss nicht speziell für diesen Zweck ausgelegt sein. Auf Grundlage des erfindungsgemäßen Konzeptes ist es auch möglich, durch entsprechende Modifikation der Elektronik die kapazitive Last der Generatorelektrode zu erfassen und hierauf basierend ein für einen Berührungszustand indikatives Signal herzuleiten.
Dieser Ansatz ist in den 10 und 11 veranschaulicht. Wie aus 10 ersichtlich fungiert die Generatorelektrode GEN als Berührungserfassungselektrode (vgl. auch 1). Die Erfassung der Berührung erfolgt indem die kapazitive Last C der Generatorelektrode GEN gemessen wird. Diese Last C kann z. B. durch Messung den Spannungsabfall an einer Anschlussimpedanz Z erfolgen, die zwischen den Generator G und der Generatorelektrode GEN angeschlossen ist (schematisch als Signal S in 11 dargestellt). Diese Methode der Erfassung der Berührung kann dadurch vorteilhaft sein, da diese in bestimmten Anwendungen mit einem geringeren Aufwand an Elektroden umsetzbar ist. Es ist auch möglich auch eine dezidierte Messelektrode für die Lastkapazität C zu verwenden (die z. B. als GEN' in 10 bezeichnet ist). Dann wird eine derartige Elektrode GEN' an den Generator G z. B. wie in 12 skizziert, angeschlossen.
Wenn die Berührungserfassungselektrode (bzw. auch die Generatorelektrode) wie in 10 dargestellt in der Mitte des Erfassungsbereichs platziert ist und durchsichtig ausgeführt ist (als Beschichtung oder Netz) kann eine solche Elektrodenkonfiguration ein Display hinter sich beherbergen. Dann ist sowohl die Gesten- als auch Berührungssteuerung am Display möglich.
Eine für den Aufbau um ein Display besonders vorteilhafte Elektrodenkonfiguration ist in 13 gezeigt. In dieser Konfiguration ist die Generatorelektrode GEN als Rahmen unter der Positionserfassungselektroden EL1, EL2, EL3, EL4 ausgeführt und muss nicht durchsichtig sein, um den darunterliegenden Display D nicht zu verdecken. Die Abschirmung der EL1 bis EL4 von dem Display und die Berührungserfassung wird durch die durchsichtige Elektrode SE bewerkstelligt, die in einer Schicht zwischen der Generatorelektrode GEN und dem Display D liegt.
Wenn die Generatorelektrode GEN für die Kapazitätsänderung empfindlich ist, muss die Schirmelektrode SE nicht galvanisch angeschlossen werden, da ihre kapazitive Kopplung CK zur Generatorelektrode GEN für die Funktion ausreicht (14).
Es ist möglich auch die Elektrode SE anstelle der Berührungserfassungselektrode EL5 anzuschließen (vgl. 2). Dabei wird sie auch die nötige Abschirmung der Elektroden vom Display gewährleisten.
Es ist auch möglich, die gleichen Elektrodenanordnungen wie in den 6, 7 und 8 gezeigt für das System mit kapazitätsempfindlicher Generatorelektrode zuwenden. Dafür muss nur die Bezeichnung EL5 auf GEN/GEN' getauscht werden.
Wie aus den 15 und 16 ersichtlich ist es möglich, das erfindungsgemäße System mit einer Trägerelektrode auszustatten, die sich auf einer der Detektionszone abgewandten Elektrodenunterseite unter der Elektrodengruppe erstreckt.
Über diese Trägerelektrode kann eine rückwärtige Abschirmung erreicht werden. Die Trägerelektrode kann dabei derart an die Schaltungsanordnung oder eine weitere Treiberschaltung angebunden werden, dass diese Trägerelektrode als Shieldelektrode betrieben wird, zur weitgehenden Abschirmung der Unterseite der Elektrodengruppe. Die Trägerelektrode kann auch selbst zur Berührungserfassung genutzt werden
In 17 ist portabler Computer dargestellt der eine Tastatur T sowie ein erfindungsgemäßes Eingabesystem S umfasst. Dieses Eingabesystem ist derart gestaltet, dass dieses die Generierung von Eingabesignalen ermöglicht, die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren. Das Eingabesystem umfasst eine in den tatstaturnahen, Touchpadbereich eingebundene Elektrodengruppe die mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden umfasst. Weiterhin umfasst das Eingabesystem eine Schaltungsanordnung die mit den Elektroden der Elektrodengruppe gekoppelt ist. Die Elektrodengruppe und die Schaltungsanordnung bilden eine Erfassungsschaltung die sowohl eine Erfassung eines als physische Kontaktierung der Gerätekomponente zu bewertenden Zustands, als auch eine Positionserfassung der Hand oder eines Fingers eines Anwenders in einem der Gerätekomponente räumlich vorgelagerten Bereich ermöglicht. Bei physischer Kontaktierung erfolgt eine zweidimensionale Auflösung der Fingerposition. Solange sich der Finger wie angedeutet in einem über dem Eingabesystem liegenden Observationsbereich befindet erfolgt eine räumliche Auflösung der Fingerspitzenposition.
In 18 ist eine Variante eines erfindungsgemäßen Systems dargestellt die als flache Struktur ausgeführt ist und signaltechnisch mit einem Rechnersystem R koppelbar ist. In dieser flachen Gehäussestruktur befindet sich eine Elektrodenanordnung die eine sowohl eine räumliche Positionsauflösung der Fingerspitzenposition als auch eine zweidimensionale Positionsauflösung im Falle der physischen Kontaktierung, oder – je nach Konfiguration – ab hinreichend enger Annäherung ermöglicht. Die Positionserfassung erfolgt auf Grundlage kapazitiver Wechselwirkungseffekte deren Ausmaß letztlich mit der Position der Hand des Anwenders korreliert.
In 19 ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in Verbindung mit einem Projektionsgerät B dargestellt. Auf dem hier erkennbaren Rednerpult befindet sich ein erfindungsgemäßes System S das eine Erfassung der räumlichen Position eines Fingers des Redners und eine hierauf basierende Gestenerkennung und Cursorsteuerung ermöglicht. Das System S ist derart ausgebildet, dass dieses bei physischer Kontaktierung aus dem 3D-Modus in einen Touchpadmosdus mit 2D Fingerpositionserfassung überwechselt.

Claims

System zur Generierung von Eingabesignalen die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren, mit: – einer in eine Gerätekomponente eingebundenen Elektrodengruppe die mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden umfasst, und – einer Schaltungsanordnung die mit den Elektroden der Elektrodengruppe gekoppelt ist, – wobei die Elektrodengruppe und die Schaltungsanordnung eine Erfassungsschaltung bilden die sowohl eine Erfassung eines als physische Kontaktierung der Gerätekomponente zu bewertenden Zustands, als auch eine Positionserfassung der Hand oder eines Fingers eines Anwenders in einem der Gerätekomponente räumlich vorgelagerten Bereich ermöglicht.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassung primär über eine in der Elektrodengruppe enthaltene Elektrodenuntergruppe bewerkstelligt wird, die mehrere voneinander beabstandete Unterelektroden umfasst.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengruppe derart gestaltet ist, dass diese in ihrer Gesamtheit einen als Berührungserfassungszone fungierenden Flächenbereich im wesentlichen vollflächig abdeckt.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengruppe eine Hauptelektrode und jene Unterelektroden umfasst.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Unterelektroden kleiner ist als die Gesamtfläche der Hauptelektrode oder dass die Unterelektroden jeweils eine kleinere Elektrodenfläche aufweisen als die Hauptelektrode, oder dass die Unterelektroden im Randbereich der Detektionszone angeordnet sind, und/oder dass sich die Unterelektroden als streifenartige Elektrodenstrukturen entlang des Randbereichs der Detektionszone erstrecken
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionszone Eckbereiche aufweist, und dass die Unterelektroden in diesen Eckbereichen angeordnet sind.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterelektroden in einem von der Hauptelektrode umgriffenen Bereich angeordnet sind, und/oder, dass die Detektionszone eine im wesentlichen rechteckige Fläche darstellt, und/oder dass die Elektrodenuntergruppe im wesentlichen achssymmetrisch in der Detektionszone ausgebildet ist.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterelektrodengruppe vier Unterelektroden umfasst, und dass die Position der Unterelektroden derart festgelegt ist, dass die Flächenschwerpunkte der Unterelektroden die Ecken eines Rechtecks, einer Raute, oder eines Quadrats darstellen.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerelektrode vorgesehen ist, die sich auf einer der Detektionszone abgewandten Elektrodenunterseite unter der Elektrodengruppe erstreckt.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese Trägerelektrode an die Schaltungsanordnung angebunden ist, und dass diese Trägerelektrode als Shieldelektrode betrieben wird, zur weitgehenden Abschirmung der Unterseite der Elektrodengruppe.
System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine der Elektroden transparent, insbesondere als ITO-Schichtelektrode ausgeführt ist.
Verfahren zur Generierung von Eingabesignalen die als solche mit anwenderseitig vollführten manuellen Eingabeoperationen korrelieren, bei welchem mittels einer in eine Gerätekomponente eingebundenen Elektrodengruppe die mehrere flächig ausgebildete und zueinander benachbarte Elektroden umfasst, sowohl eine Erfassung eines als physische Kontaktierung der Gerätekomponente zu bewertenden Zustands, als auch eine Positionserfassung in einem der Gerätekomponente räumlich vorgelagerten Bereich erfolgt, wobei die Berührungserfassung unter Zugrundelegung eines Detektionskriteriums erfolgt, das auf die Signale, oder hiervon abgeleitete Werte angewendet wird die im Rahmen der Positionserfassung erhobenen oder generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionskriterium ein Dynamikkriterium ist das das Auftreten von Merkmalen im zeitlichen Verlauf des hinsichtlich der Z-Achsenposition indikativen Signalbeitrags betrifft.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Detektionskriterium eine Betrachtung einer detektierten Z-Achsenposition beinhaltet, und dass eine Berührung festgestellt wird, wenn ein bestimmter Abstand zur Gerätekomponente als unterschritten erscheint.
Zeigegerät mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei durch dieses im Falle der Berührung eine zweidimensionale Erfassung der Bewegung eines Fingers und als auch eine räumliche Erfassung eines Fingers oder einer Hand eines Anwenders möglich ist, wobei die Funktion eines mit dem Zeigegerät verbundenen Computersystems durch gestenartige Eingaben koordinierbar ist, die gegenüber dem Zeigegerät vollführt werden.
Bildschirmgerät das ein Display und eine Tastatureinrichtung umfasst, wobei sowohl in das Display, als auch in die Tastatureinrichtung eine Detektionseinrichtung eingebunden ist, die auf feldelektrischem Wege eine räumliche Erfassung eines Fingers oder einer Hand eines Anwenders ermöglicht, wobei die Gerätefunktion durch gestenartige Eingaben koordinierbar ist die gegenüber dem Display und gegenüber der Tastatureinrichtung vollführt werden.