DE102015015062A1

DE102015015062A1 - Touchbedienelement

Info

Publication number: DE102015015062A1
Application number: DE102015015062.6A
Authority: DE
Inventors: Alfred Brühn
Original assignee: Sciknowtec GmbH
Current assignee: Sciknowtec GmbH
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Eine parallel zeitgleich ablaufende Laufzeitmessung auf mehreren parallelen Leitungszweigen mit einer Auflösung im Sub-ps-Bereich (10–12 s) durch eine digitale Schwebungsbildung stellt das primäre Messprinzip dar. Durch diese hohe Auflösung können beeinflussbare Laufzeiteigenschaften von Leitungen genutzt werden, um z. B. einen externen Bedieneinfluss z. B. durch einen Finger zu erfassen. Derartige Leitungen die z. B. auf Platinen oder auch durch diskrete Bauelemente realisiert werden können, bieten einfache und kostengünstige Konstruktionsmöglichkeiten, weisen aber auch eine sehr hohe Störempfindlichkeit auf. Die mit der hohen Sensitivität des Verfahrens verbundene Störempfindlichkeit wird durch die spezielle Eigenart des Verfahrens, Gleichtaktstörungen unterdrücken zu können, kompensiert. Dazu wird ein einzeln liegendes Touchpad mit zusätzlichen Touchpads derart umgebenden, dass diese zusätzlichen Touchpads eine Referenz bereitstellen. Zudem wird eine Basisreferenz zur Störpegeleinschätzung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf berührungs- und/oder annäherungssensitive Bedienungselemente an Geräten zur Bedienung dieser Geräte, im Besonderen auf Anordnungen mit berührungs- bzw. bewegungssensitiven Eingabeelementen, z. B. für ON/OFF-Funktionen.
Unter „Bedienung”, „Eingabe” und/oder „Betätigung” sollen alle Formen von Eingaben zur Bedienung von technischen Einheiten verstanden werden. Hierzu gehören alle Eingabeformen, die durch Bewegung und/oder manuelle Berührung, z. B. durch Finger- oder Handberührung, durch Hand- oder Beinbewegung, als Geste, in direkter oder indirekter Form (d. h. auch z. B. unter Einsatz von Hilfsmitteln) eingebracht werden können.
In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung allgemein auf ein Verfahren zur Erfassung geringster Änderungen von Größen und Parametern bei Sensorelementen.
Eine im Erfassungsbereich einer Sensoranordnung an oder über einer Sensorposition mögliche Interaktion, wie z. B. die Annäherung oder Berührung dieser Sensorposition durch einen Finger oder auch eine Geste kann als Bedienwunsch des Nutzers interpretiert werden.
Das primäre Verfahren ist die Bestimmung von Signallaufzeiten digitaler Signale auf Leitungen oder Leitungsstrukturen und kann u. a. bei der Auslegung von einzelnen Sensorelementen genutzt werden. Indem geeignete Sensorsignale aus solchen Signallaufzeiten, z. B. eines digitalen Signals, gewonnen werden, sind vielfältige Anwendungen möglich. Derartige Sensorelemente sollen im Folgenden als Touch-Elemente oder Touch-Pads/Touchpads bezeichnet und beschrieben werden.
Auch bei einem einzelnen Touchsensor oder Touchelement kann dieses Verfahren einer Signal-Gewinnung über Laufzeitmessungen für sensorische Anwendungen eingesetzt werden, ist aber auf dem Stand der Technik mit einer sehr hohen Störeinwirkung aus dem Umfeld verbunden.
Weil Parameter-Änderungen auf Leitungen oder Leitungsstrukturen Einfluss auf Signallaufzeiten auf einer Leitung nehmen, kann aus Laufzeitänderungen auf eine Annäherung, eine Geste oder die Bewegung eines Nutzers geschlossen werden. Geeignet interpretiert, kann daraus auf den Bedienwunsch eines Nutzers für das Gerät geschlossen werden.
Vor allem sogenannte Touch-Eingabemöglichkeiten stehen hier im Vordergrund des Interesses. Realisationen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind sehr einfach, z. B. als das Layout einer einfachen Platine möglich.
Im Folgenden werden Laufzeiten von einem digitalen Signal (1) (vgl. ), das von einem im Wesentlichen (i. W.) gemeinsamen Einspeisungspunkt (2) und i. W. zeitgleich auf vorgegebenen, i. W. parallel verlaufenden, mit i. W. gleichen Leitungsstukturen mit i. W. gleichen Längen, über eine vorgegebene räumliche Distanz, die u. U. auch sehr kurz (wenige mm oder cm) sein kann, betrachtet.
Allerdings müssen solche Messungen i. a. vor einem sehr ausgeprägten Störungshintergrund durchgeführt werden, der sich aus der Interaktion der Sensoranordnung mit der jeweiligen Umgebung ergibt, z. B. durch eine in weitem Bereich veränderbare (parasitäre) Kapazität, die in der Größenordnung von nF liegen kann.
Die in einer solchen Anordnung z. B. durch die Annäherung eines Fingers ins Spiel gebrachte variable Leitungs-Kapazität liegt aber nur im Bereich weniger pF und sogar darunter. Die damit verursachten Laufzeitveränderungen sind entsprechend klein und können vor einem so stark ausgeprägten Störungshintergrund schlichtweg verschwinden.
Sensoranordnungen, die Laufzeiten von Signalen nutzen, sind aber aus der Literatur bekannt:
Aus der DE 19856408 A1 ist z. B. eine „Laufzeitmessung” für eine Bedienungserfassung bekannt, bei der laufzeitbestimmende Elemente (die durch Annäherung oder Berührung beeinflussbar sind) hintereinander liegend angeordnet sind. Allerdings müssen die Leitungsstrukturen auf kleinstem Raum aufgewickelt werden, um die fürs Auswertungsverfahren benötigten, sehr großen Zeiten, die im ns- oder sogar im μs-Bereich liegen müssen, zu erreichen. Um die dafür benötigte Leitungslänge in der Größenordnung von Metern zu erreichen, sind konstruktive Maßnahmen wie Mäander- bzw. Spiral-Leitungsführungs-Konstruktionen bzw. Schaltkreisketten nötig.
Der US 2013/0082951 A1 ist die Beschreibung einer Verarbeitung mit parallel arbeitenden Strukturen zu entnehmen, die aber von einer „echten Laufzeitmessung” zu unterscheidende Effekte nutzen. Das hierin vorgestellte Verfahren ist aber weder vergleichbar (mittels XOR-Gatter-Funktionen werden Flankenzeiten ausgeblendet; die sich ergebenden Pulse werden mit RC-Tiefpass in ein analoges Signal zurückgewandelt) noch kann es mit einer vergleichbaren Genauigkeit arbeiten (die zu erwartende Frequenzabhängigkeit des gebildeten Mittelwerts und ein Rippel wird die Auswertung sehr langsam und/oder die anschließende ADC-Wandlung sehr ungenau machen).
Obwohl im erfindungsgemäßen Verfahren für „Signallaufzeit” die zeitliche Verzögerung eines Signals beim Durchlauf einer räumlich gegebenen Distanz anzugeben ist, kommen naturgemäß Laufzeitänderungen durch resistive und/oder induktive und/oder kapazitive Effekte, Parameter oder Komponenten oder Bauteile in einer gegebenen Leitungsführung hinzu. Diese zusätzlichen Faktoren bzw. Parameter sind ausreichend bekannt und können zudem alternativ oder zusätzlich genutzt werden, wenn und weil sich diese Parameter durch eine Bedientätigkeit beeinflussen lassen. Der im erfindungsgemäßen Zusammenhang genutzte Begriff „Laufzeit” für ein digitales Signal umfasst daher sowohl reine Laufzeiten über eine räumliche Distanz, als auch Zeitverzögerungen, die durch den Einfluss anderer Komponenten wie Kapazitäten, Induktivitäten Widerstände, in diskreter oder allgemeiner Form, hinzukommen.
Alle Effekte, die Einfluss auf eine beliebige Komponente oder einen Parameter nehmen und die so auch Einfluss auf die Laufzeit eines Signals in einer beliebigen Anordnung nehmen, können für eine erfindungsgemäße Bedieneingabe zusätzlich oder allein genutzt werden.
Die zu beschreibende Sensoranordnung hat – insgesamt gesehen – eine eher räumlich-flächige Ausdehnung; sie ist weniger eine punktuelle, einzelne Sensorstelle, obwohl sie u. U. primär nur eine einzelne Funktion (z. B. eine ON/OFF-Schaltfunktion) bereitstellen soll. Eine einzelne Stelle und/oder eine von mehreren sensorischen Stellen (jede dieser Stelle als Touchpad gesehen) einer solchen flächigen Anordnung, die sich z. B. an bzw. auf einer zu bedienenden Geräteeinheit befindet, soll jeweils einer einzelnen Schaltfunktionalität zugeordnet werden können.
„Umgebung” der zu beschreibenden, sensorisch aktiven Anordnung wird definiert durch i. W. eine „räumliche Umgebung”, aber auch andere Umgebungsparameter (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit) und/oder Bewegung in der Nähe des Sensors (z. B. durch Regentropfen) usw., zudem durch mechanische Größen wie Vibration, Stöße, usw. Im gegebenen Zusammenhang werden unter „räumlicher Umgebung” die Summe aller Objekte (Heizung, Wasserleitungen, Tisch, usw.) zusammengefasst, die sich in einer – verglichen mit der gesamten Sensorausdehnung – größeren Distanz zur sensorisch aktiven Anordnung befinden. Das kann in der Größenordnung von einigen Zentimetern liegen, kann aber auch in der Größenordnung von Metern liegen.
Im gegebenen Zusammenhang wird „Nähe” zur sensorisch aktiven Anordnung definiert durch eine im Vergleich zur „räumlichen Umgebung des Bedienelements” kleine Distanz. Während z. B. bei einer 3 cm × 3 cm großen Tastaturanordnung mit 9 Tastpositionen eine „räumliche Umgebung” durch einen Fernbereich mit mehr als 3 cm Distanz definiert sein kann, beschreibt „Nähe” oder eine „Annäherung” eine Distanz, die darunter liegt, z. B. in der Größenordnung von weniger als 1 cm (mm) bis zur Berührung der Oberfläche.
Bezüglich der so definierten Distanzbereiche zu einer gegebenen Sensor-Oberfläche sind die z. B. durch eine Fingerbetätigung erreichbaren Einflüsse adäquat unterscheidbar: Der z. B. kapazitive Einfluss eines sich der Sensoroberfläche nähernden Fingers ist als ein eher punktueller Einfluss auf ein kleines, punktuelles Stück der räumlich ausgedehnten Sensoranordnung zu sehen und zu beschreiben. Die gleiche Finger-Handanordnung in größerer Distanz wirkt mit immer größerer Distanz aber auf alle Sensorpunkte der Sensoranordnung ununterscheidbar gleichmäßig; ein Einfluss auf ein punktuelles Sensorelement ist dann nicht mehr getrennt darstellbar.
In diesem Zusammenhang ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem die punktuell-sensorische Erfassung einer Annäherung und/oder Berührung oder Bewegung auch über einem einzelnen Sensorelement möglichst sensitiv und zugleich robust ausgelegt werden kann. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine Ausführung unter Nutzung dieses Verfahrens in Form einer einzelnen (ON/OFF-)Tastenfunktion anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Anordnung zur Nutzung des Verfahrens ist mit den Merkmalen des Anspruchs 8 für eine einzelne Tasterfunktion gegeben.
Danach werden auf i. W. parallelen Leitungsstrukturen (deren Laufzeiteigenschaften sich durch einen Bedienungseinfluss direkt oder indirekt verändern können) mit einem digitalen Signal Laufzeitmessungen durchgeführt, wobei – insbesondere auch bei einer einzelnen Tastenfunktion – das Touchelement in einer aus zusätzlichen, nur der Störelimination dienenden Touch-Umgebung eingebettet ist.
Dabei werden möglichst mindestens zwei Signalwege parallel für Laufzeitmessungen genutzt, wobei alle Laufzeitmessungen durch Phasenmessungen realisiert werden. Zur Realisation wird ein Aufbau empfohlen, in dem Referenz-Zweige und Mess-Zweige (gegenseitig) referenzierend ausgelegt werden. Die Nutzung einer digitalen Schwebung erlaubt die Erfassung auch sehr kleiner Parameteränderungen, was im Folgenden zwar nur am Beispiel von kapazitiven Effekten dargestellt wird, was aber auch anhand jeder anderen Größe (induktiv, resistiv) beschrieben werden kann.
Definition „gegenseitige Referenzierung: Wie erläutert, ist eine direkte Messung der Kapazität eines Touchpads, die durch eine Fingerberührung oder -annäherung in ihrem Wert verändert und als Eingabegröße oder Eingabeereignis genutzt werden kann, durch die zusätzlich parasitäre Einwirkung der aus der Umgebung von außen auf das System wirkenden Kapazitäten mit einer hohen Unsicherheit belastet.
Die direkte Messung der Kapazität so wie das auf dem Stand der Technik als Methode bekannt ist, kann daher nur dann einigermaßen sinnvoll durchgeführt werden, wenn zumindest während der Zeit einer Messung der Signalhintergrund der Umgebung stabil bleibt.
Im Besonderen also dann, wenn eine direkte Messung von Kapazitäten auch noch in ihrem zeitlichen Verlauf zu erfassen ist, müssen diese Störungen aus der Umgebung über einen sehr langen Zeitraum konstant sein, was aber im Allgemeinen nicht der Fall ist.
Stellt man sich nun aber zwei Signalwege vor, die beide identisch aufgebaut und relativ dicht zueinander angeordnet sind, so dass für beide Signalwege die Einflüsse aus der Umgebung als praktisch gleich angenommen werden können, dann werden die – wieder nur beispielhaft betrachteten – Kapazitäten zum Hintergrund bzw. zur Umgebung für beide Touchpads bzw. für beide Signalwege sich i. a. gleich auswirken. Damit werden aus der Umgebung heraus beide Signalwege in gleicher Weise gestört werden.
Sofern während einer direkten Messung beider Kapazitäten der jeweilige Signalhintergrund für beide Signalwege konstant bliebe und man wüsste von einem der beiden Signalwege, dass er nicht (oder nur in exakt gleicher Weise) gestört ist, dann könnte auch bei einer direkten Messung der Kapazitäten die Messung an diesem ungestörten Signalweg referenziert werden. Dieser Fall liegt in der Regel aber nicht vor.
Zum einen ist i. a. nicht bekannt, welcher Messzweig gestört und welcher ungestört ist; man braucht also, um eine solche direkte Messung einer Kapazität abschließend interpretieren zu können, weitere Informationen (dazu kann natürlich die Kenntnis gehören, welcher Zweig (zum Beispiel durch Isolation oder Abschirmung) der jeweils ungestörte Zweig ist).
Wenn nun aber mehrere, parallel laufende, i. W. identische Signalzweige verwendet werden, zudem bekannt ist, dass eine Bedienbetätigung zielgerichtet ist und i. a. (auch in einer Anordnung mit mehreren Touchpads) nur die Berührung einer einzelnen Touchposition zu einem bestimmten Zeitpunkt vorgesehen ist und erfolgen soll, dann kann man annehmen, dass der Signalzweig (von allen parallel laufenden Signalzweigen) der sich aktuell gerade (messbar) als der am stärksten beeinflusste zeigt, eben auch der ist, der gerade von einem einzelnen, Finger berührt wird.
Der Signalzweig also, der die größte Messwertabweichung im Vergleich zu den (gleichgroßen) Messwerten der anderen Signalzweige aufweist, ist mit einiger Sicherheit auch der, auf dem ein Finger aktuell einwirkt.
Wenn kein Messwert zu einem Messzweig deutlich von den Messwerten der anderen Zweige abweicht, oder wenn die anderen Messwerte (der anderen Zweige) stark streuen und so nicht eindeutig ein einzelner Messwert sich aus den anderen Messwerten hervorhebt, dann kann dies als eine eindeutige Fehlersituationen angesehen und als eine solche behandelt werden.
Als eine unmittelbare Folge dieser Überlegungen ergibt sich, dass in einer erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren, gleichen, relativ nahe beieinander angeordneten Touchpads, die jeweils einer von mehreren vergleichbar elektrisch parallel verlaufenden, i. W. gleich langen Signalleitung zugeordnet sind, die Messung eines Parameters in der gerade beschriebenen Art und Weise eine besonders hohe Störresistenz aufweisen kann, weil Messungen in dieser Weise gegenseitig referenziert ausgewertet werden können.
Als eine weitere erfindungsgemäße, unmittelbare Folge dieser Überlegungen ergibt sich, dass selbst dann, wenn nur ein einzelnes Touchpad als Bedienelement (z. B. als On/Off-Schalter) für eine Bedienung benötigt wird und als Bedienelement vorgesehen ist, in seiner unmittelbaren Nähe weitere Touchpads (von in etwa gleicher Größe und Wirkung) angeordnet und in gleicher Weise in eine Auswertung einbezogen werden können, um so vermittels einer gegenseitigen Referenzierung eine effektive Störelimination zu erreichen.
Sonst übliche Abschirmmaßnahmen können von dieser Maßnahme unabhängig zusätzlich verwendet werden.
Obwohl die zusätzlichen Touchpad-Anordnungen einen zusätzlichen Aufwand bedeuten, zudem redundant sind und an sich lediglich nicht genutzte Funktionen bereitstellen, ist eine solche erfindungsgemäß Anordnung auch für eine einzelne Touchpad-Funktion für eine Störelimination durchaus sinnvoll.
Es ist zudem möglich, aus der redundanten Anordnung – zusätzlich zu und unabhängig von der damit möglichen Störelimination – weitere sehr nützliche Funktionen (auch ohne den zusätzlicher Bedienungsnutzen) abzuleiten, z. B. kann eine solche Redundanz auch für eine Störeinschätzung genutzt werden.
Eine (so mindestens) zweimal auszuführende direkte oder indirekte Messung von Kapazitäten oder Signallaufzeiten verlängert i. a. aber auch die Messzeiten, so dass der Signalhintergrund während einer sehr viel längeren Zeit als die Zeitdauer einer Einzelmessung stabil sein müsste.
Wenn z. B. der zeitliche Verlauf einer Messgröße (egal ob direkt oder indirekt gemessen) benötigt wird, um bestimmte Ereignisse an den Touch-Elementen in ihrer Bedeutung genauer einordnen zu können, ist das u. U. aber „anwendungsvernichtend”. Um z. B. zwischen dem Ereignis einer Fingerberührung und einem Wasserspritzer unterscheiden zu können, kann der zeitliche Verlauf der (kapazitiven) Änderung mittels einer geeigneten Signalverarbeitung für eine Unterscheidung genutzt werden. Hier versagt eine direkte Kapazitätsmessung oftmals schon deshalb, weil der Störungshintergrund für eine solche Einschätzung nicht ausreichend lange stabil ist.
An eine Lösung der zugewiesenen Aufgabe ist daher zudem die Forderung zu stellen, dass alle Messungen in sehr kurzer Zeit erfolgen sollten, am besten sogar zeitgleich ablaufen sollten, was aber nicht nur den notwendigen technischen Aufwand erheblich vergrößern würde, sondern u. U. auch – bei der Erfassung eines zeitlichen Verlaufs – sogar ganz versagen würde.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden beide, sich aus den gerade beschriebenen Überlegungen heraus ergebenden, Forderungen, nämlich die gegenseitige Referenzierung der Messwerte, die auf mehreren parallelen Messzweigen gewonnen werden und eine möglichst kurze und zeitgleich ablaufende Messung in vorteilhafter Weise verbunden und realisiert. Selbst die Erfassung eines zeitlichen Verlaufs ist weitaus störfreier möglich, als das auf dem Stand der Technik und insbesondere bei einer direkten Messung der Kapazitäten bisher möglich ist.
Die erfindungsgemäße sensorische Nutzung von Laufzeiten gelingt, weil alle Phasenlagen eines digitalen Signals nach Durchlauf sowohl der Referenz-, als auch Messzweige parallel bestimmt werden. Das heißt vor allem, dass die Bestimmung der Laufzeiten im Wesentlichen zeitgleich erfolgt. Dadurch können umgebungsbedingte Störungen, sogar im zeitlichen Verlauf einer Messwerterfassung, weitgehend eliminiert werden.
Indem sowohl über den mindestens einen Mess-Zweig, als auch über den mindestens einen Referenzzweig ein digitales Signal eines ersten Taktgenerators (mit einer ersten Frequenz f₁) geleitet wird und dieses Signal, abhängig von den (umgebungs- und bedienungsbedingt) variierenden Parameter, z. B. Kapazitäten, in jedem Zweig dadurch unterschiedlich zeit- bzw. phasenverschoben wird, werden Laufzeiten bei dieser Messmethode zugleich parallel und (fast) zeitgleich bestimmt.
Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der sensorische Primärwert sehr klein ausfallen kann, wird mittels einer digitalen Schwebung eine hochgenaue Phasenmessung bereitgestellt. Dabei werden unter Nutzung von D-FlipFlops und des (digitalen) Signals eines zweiten Taktgenerators (mit einer zweiten Frequenz f₂) alle, in ihrer Phasenlage unterschiedlich liegenden, hochfrequenten (z. B. 10 MHz) digitalen Signale auf eine relativ kleine Signalfrequenz (z. B. 100 Hz) transformiert. In diesen niederfrequenten Signalen ist dann die Phasenlage leicht bestimmbar.
Dazu ist aus der DE 10233604 A1 eine dort so genannte „digitale Schwebung” für die „Erfassung eines physikalischen Parameters durch hochempfindliche Phasenmessung” bekannt, mit der bei derartigen sensorischen Aufgaben sehr hochauflösende Phasenmessungen möglich sind. Die in dieser Schrift verwendete Bezeichnung „digitale Schwebung” soll hier übernommen und auch beibehalten werden.
Bei Nutzung von zwei digitalen Signalen mit den Frequenzen f₁ und f₂ (f₁ < f₂) in einer digitalen Schwebung beträgt die zeitliche Auflösung ΔT = 1/f₁ – 1/f₂. Bei Verwendung von z. B. zwei 10 MHz-Takten, die sich um 100 Hz unterscheiden, liegt die so erreichbare Auflösung in der Größenordnung von einer Picosekunde. Eine weitaus größere Genauigkeit kann mit höheren Frequenzen, z. B. unter Nutzung von ECL-Technik, und/oder kleineren Frequenzdifferenzen erreicht werden. (Eine Nutzung von z. B. 100 MHz-Signalen würde – wieder unter der Bedingung einer Frequenzdifferenz von 100 Hz – eine theoretische Auflösung von 10 fs (10·10^–15 s (!)) ermöglichen). Kleine Frequenzdifferenzen (wenige Hz) zwischen zwei Signalen mit auch sehr hoher Frequenz können auf dem Stand der Technik als gegeben angesehen werden.
Da die gewählte oder gegebene Differenzfrequenz die Abtastrate eines zeitlichen Signalverlaufs bestimmt, ist die Wahl dieser Differenzfrequenz nicht ganz frei; das Shannonsche Abtasttheorem ist zu beachten.
Eine solche digitale Schwebung wird im erfindungsgemäßen Zusammenhang aber nicht nur genutzt, um eine sehr hohe Signalauflösung zu erreichen, sondern dient – auf die Aufgabe adaptiert – im Besonderen zur parallelen und (fast) zeitgleichen Gewinnung von (digitalen) Schwebungssignalen aus einer Mehrzahl von über parallel angeordnete Signalwege laufenden Signalen, jedes mit einer durch die jeweiligen Parameter (z. B. einer Kapazität) bedingten und sich (u. U. kurzfristig) verändernden Phasenlage.
Die Parallelität und die praktisch zeitliche Gleichheit der Signalgewinnung (alle Signale werden zugleich unter gleichen bzw. vergleichbaren Bedingungen, über vergleichbare Wege mit gleichen Leitungslängen geleitet und am Leitungsende auch zeitgleich verarbeitet) bewirkt eine wirksame „Gleichtakt”-Störunterdrückung durch gegenseitige Referenzierung der Phasenlagen im jeweils gegebenen Kontext zwischen allen Signalen.
Die in diesem Zusammenhang zu fordernde „zeitliche Gleichheit” der Messungen bezieht sich nicht nur auf Zeiträume, in denen eine einzelne Messung abläuft; dies läge unter den genannten Bedingungen (100 Hz Differenzfrequenz) z. B. bei ca. 10 ms.
Um auch den zeitlichen Verlauf einer Signallaufzeit auf einem Messzweig erfassen zu können, muss diese Zeit als Abtastperiode eines analogen Signals betrachtet werden. Um zum Beispiel den Unterschied in einem zeitlichen Verlauf eines Signals bei einer Finger Berührung und einem Wassertropfenaufschlag erfassen zu können, ist eine Abtastrate in der Größenordnung von 100 Hz (Periode 10 ms) schon ein Minimalwert, sofern man die Möglichkeit nutzt, nicht nur die jeweils aufsteigenden Flanken sondern auch die absteigenden Flanken auszuwerten. Man erhält so eine Abtastrate von etwa 200 Hz. Alle im Zeitraum eines zur Auswertung benötigten Zeitverlaufs vorkommenden Störungen aus der räumlichen Umgebung können mit der erfindungsgemäßen Technik aber (fast) vollständig eliminiert werden.
Die Störempfindlichkeit wird durch die konzeptionell parallel und zeitgleich laufende Messung des erfindungsgemäßen Verfahrens also deutlich gesenkt; Gleichtaktstörungen fallen weg und eine gegenseitige Referenzierung ist möglich.
Weil eine digitale Schwebung mittels digitaler Standard-Busbausteine leicht realisierbar ist und die niederfrequenten Schwebungssignale normalen I/O-Eingängen eines Microkontrollers zugeführt werden können, ist das Verfahren darüber hinaus sehr kostengünstig. In den sich ergebenden Schwebungssignalen mit einer Periodendauer von z. B. 10 ms (100 Hz) liegen die Zeitwerte der Flanken bzw. Phasenlagen, aufgelöst in 100 ns-Takten (10 MHz) bereits mit einer Auflösung von mehr als 16 Bit digital vor. Wertvolle ADC-Funktionen eines Kontrollers müssen nicht eingesetzt werden oder anders herum, es können auch Kontroller ohne ADC-Funktionen genutzt werden.
Die Integration der benötigten Bauteile als zusätzliche Peripherie in einen Kontroller oder FPGA (pro Kanal nur eine Schmitt-Trigger- und eine D-FlipFlop-Funktion) ist evtl. mit den Bauteilen schon vorhanden oder ist sehr einfach zu erreichen. Ein solcher Aufbau bietet ein sehr sensitives und hoch auflösendes Touch-Interface.
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nunmehr anhand der bis detailliert beschrieben werden:
zeigt eine Darstellung zur Beschreibung der Methode und zur Definition der Begriffe „Umgebung” „Annäherung” und „Laufzeit” und zeigt die Elimination von Störungen durch parallel-zeitgleich ablaufende Messung und durch gegenseitige Referenzierung.
dient der schaltungstechnischen Darstellung des Verfahrens und Ausbildung von digitalen Schwebungen in einer generellen Mess-Anordnung bei einer Messung.
zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung für eine Einzel-Tasten-Anordnung für eine (ON/OFF)-Einzelfunktion
zeigt ein mögliches Auswertungsbeispiel.
zeigt eine Darstellung zur Beschreibung der Messmethode. Sie dient auch zur Darstellung der Elimination von Störungen bei in mehreren Signalzweigen parallel-zeitgleich ablaufenden Messungen durch gegenseitige Referenzierung.
Dargestellt sind vier Touchpads (3) (4) (5) (6) (die als einzelne Elemente an einer definierten Touchpad-Position zu sehen sind oder auch als lediglich hervorgehobene Elemente an einer definierten Sensorposition innerhalb einer flächig größeren Einheit oder als beliebig gestalteter Zusatz einer Leitung), die in einem gegebenen, räumlichen Abstand zueinander angeordnet vorliegen. Diese vier Touchpads bilden zusammen eine „räumlich-flächige” Sensoranordnung (man denke sich dafür einfach eine diese Touchpads umlaufende Umrandung (100)).
Jedes Touch-Element (3) (4) (5) (6) liegt jeweils auf einer (eigenen) Signalleitung (2''''), (2'''), (2'') (2') bzw. ist mit dieser einen Signalleitung verbunden. Diese Leitungen, die von einem gemeinsamen Zuleitungspunkt (2) ausgehen, übertragen das (gleiche) digitale Signal mit einer ersten Frequenz f₁, das von einem ersten Generator (1) erzeugt wird und an diesem gemeinsamen Zuleitungspunkt (2) auf die Leitungen (2'''') (2''') (2'') (2') bzw. Leitungsstrukturen gegeben wird.
Jedes Touch-Element bestimmt (z. B. über eine von diesem Touchelement in den Leitungszweig eingebrachte zusätzliche Kapazität) die Signallaufzeit auf der jeweiligen Leitung in irgendeiner Weise mit. Als „Signallaufzeit” wird die Zeit definiert, die das (digitale) Signal von diesem Einspeisungspunkt (2) aus benötigt, um ein beliebiges Ende (18) (19) (17) (16) eines jeden so definierten bzw. gegebenen Leitungsweges zu erreichen.
Damit liegt das Prinzip eines ganz allgemeinen Verfahrens zur Ausbildung eines näherungs-, berührungs- und/oder bewegungssensitiven Sensors als Bedien- oder Eingabeelement zur Bedienung eines Gerätes vor:
Wesentlich ist, dass ein primär als einzelnes Bedienelement – hier als einzelne leitende Struktur, also als Fläche, Touchpad– angelegtes Element von funktionell gleichartig wirkenden Elementen, also von gleichartig leitenden Strukturen (Fläche, Touchpad) umrahmt oder umrandet wird.
Da jedes Touchpad (3) (4) (5) (6) jeweils einer (eigenen) Signalleitung (2''''), (2'''), (2'') (2') zugeordnet bzw. mit dieser (jeweils einen) Signalleitung verbunden ist, also mit Leitungen, die untereinander

– i. W. parallel (i. W. elektrisch funktionell parallel) verlaufen, d. h.
– i. W. gleiche Leitungsstukturen mit
– i. W. gleichen Längen, aufweisen, wird ein digitales Signal, das an diesem gemeinsamen Einspeisungspunkt (2) eingespeist wird,
– über die mindestens zwei signalleitenden Strecken,
– i. W. zeitgleich

^–12

Indem diese Leitungen – als gleichartig signalleitende Strecken – für eine Laufzeitbestimmung für ein digitales Signal genutzt werden, das am gemeinsamen Einspeisungspunkt eingespeist wird und über jede der i. W. elektrisch parallel verlaufenden signalleitenden Strecken läuft, kann aus diesen Laufzeiten, die durch Einfluss auf die mit diesen Leitungen verbundenen Touch-Elemente spezifisch verändert werden, auf eine

– Annäherung an das Bedienelement,
– Berührung des Sensors und/oder
– Bewegung über dem Sensor

Gemessen werden kann die Signallaufzeit z. B. über eine (zeitgleiche) Darstellung des Signals am Einspeisungspunkt (2) und an zumindest einem der Leitungsendpunkte (16) (17) (18) (19). Die Messung der Zeitverschiebung zwischen den Flanken der beiden digitalen Signale ergibt die Signallaufzeit. An sich kann als Endpunkt jeder beliebige Punkt auf einer Leitung definiert werden, was in durch eine Grenzlinie (101) angedeutet ist. Diese Grenzlinie soll die Eigenschaft darstellen, dass das digital Signal bis hierhin auf allen Leitungen die gleiche Laufzeit haben würde, wenn kein weiterer Einfluss auf die jeweilige Anordnung einwirken würde.
Werden die Signalflanken dieses Signals, direkt am Zuführungspunkt (2) und am Ende jeder einzelnen Strecke bzw. direkt am Eingang einer beliebig ausgelegten Folgeschaltung gemessen, dann sind diese Signalflanken um einen zwar geringen, aber doch messbaren Betrag zeitlich gegeneinander verschoben. Grund ist eine zwar sehr hohe, aber auch endliche Geschwindigkeit der Signalausbreitung auf jeder Leitungsstruktur, z. B. auf einer Platine. Zur Überbrückung einer Leitungslänge von z. B. ca. 10 cm benötigt ein digitales Signal eine „Laufzeit” von ca. 1 ns: (λ·1/3.000.000.000 = λ·0,33 ns ≈ 1 ns, (3 > λ > 1) mit λ als ein Faktor, der den Unterschied zwischen der Vakuumlichtgeschwindigkeit und der Leitungsgeschwindigkeit beschreibt.).
Die Signalleitungen (2'''') (2''') (2'') (2') leiten dieses über den gemeinsamen Zuleitungspunkt (2) auf alle Leitungen zugleich gelegte digitale Signal weiter, das dem Leitungsverlauf so folgt, dass das Signal parallel und zeitgleich über die (hier vier) Leitungen läuft.
Jedes der Touchpads bildet nun zu allen Elementen der nahen und fernen Umgebung jeweils eine Kapazität aus.
Ein Touchelement (3) der bildet z. B. mit einem sich in der Nähe befindenden bzw. sich annähernden Finger (12) eine (sehr kleine) Kapazität (15) aus (zwischen dem Touchpad und dem Finger besteht einfach ein elektrisches Feld) und zur „räumlichen Umgebung” (11) (z. B. zu dem Körper eines Menschen oder einem in der Nähe stehenden Heizkörper) mindestens eine weitere, zweite Kapazität (7).
Die von den Touchpads und den Elementen der Umgebung (11) gebildeten Kapazitäten werden auf Grund einer z. B. gleichen Fläche A und eines sich i. W. nicht unterscheidenden Abstands d für alle Touchpads in etwa gleich groß ausfallen (wegen C = εA/d, d = Abstand, fällt ein evtl, vorhandener Touchpad-Abstands-Unterschied praktisch nicht mehr ins Gewicht: ∂C/∂d = –εA/d² = –C/d).
Wenn sich die Umgebung (11) schnell ändern sollte (Umstellen eines Geräts, Herantreten eines Menschen an das Gerät, sich ändernde Umgebungstemperaturen, Änderung des Luftdrucks und der Luftfeuchtigkeit, Entladung einer statischen elektrischen Ladung eines Objekts, usw.), dann werden sich die zwischen dieser Umgebung und den einzelnen Touchpads gebildeten Kapazitäten ebenfalls stark aber in doch gleicher Weise ändern. Vorher gleiche Laufzeiten werden durch die Umgebungsänderung u. U. alle drastisch größer oder kleiner, bleiben aber doch i. a. für alle Touchpads gleich groß.
Die in gleicher Weise ausbildeten Kapazitäten (13) (14) (15) zwischen den Touchpads (3) (5) (6) und einem Finger (12) in der „Nähe” werden diese auf Grund eines deutlich unterschiedlichen Abstands des Fingers zu den verschiedenen Touchpads unterschiedlich groß ausfallen. Wegen C = εA/d kann die Kapazität (13) zu dem einen Touchpad (6) in der doppelt so groß werden, wie zu einem anderen Touchpad (3), einfach weil sich der Finger (12) bei kleiner eigenen Fläche etwa im halben Abstand befindet.
Unter „räumlicher Umgebung” (11) aber auch nur „Umgebung” der flächigen Sensoranordnung werden nun alle Elemente (Heizkörper, menschlicher Körper, usw.) zusammengefasst angesehen, die in einer Distanz liegen, die groß gegenüber der Sensorausdehnung ist.
„Nähe” zur Sensoranordnung ist definiert durch eine Distanz, z. B. zwischen Finger und einem Touch-Element der Sensoranordnung, die kleiner ist, als die Distanz zwischen zwei benachbart liegenden Touchpads bzw. Touch-Elementen. Ein sich der Sensoranordnung „annähender Finger” ist der Sensoranordnung „nahe”, wenn er sich in einem Abstand befindet, die kleiner ist, als der Abstand der Touchpads zueinander.
Die Anordnung aller Elemente zueinander, die parasitären Kapazitäten zur Umgebung, die Länge der Leitungsstrukturen, andere Elemente an oder auf der Leitung, usw. bestimmen die Laufzeit des einen, parallel über die Leitungswege der Anordnung laufenden digitalen Signals.
Die Umgebung (11) kann und wird die Laufzeit dieser Signale auf den Signalleitungen dabei wesentlich mitbestimmen; das wirkt sich aber auf alle Signalleitungen (2'''') (2''') (2'') (2') in gleicher Größe aus.
Ein sich (punktuell) einem einzelnen Tochpad nähernder Finger bewirkt eine Laufzeitänderung, die zwar insgesamt sehr klein ausfallen kann. Aber auf Grund der Nähe zu einem definierten Touchpad wird sich die Signallaufzeit auf dem dazu gehörenden Leitungszweig stärker ändern, als auf den anderen Leitungszweigen.
In sind auf der rechten Seite die in dieser Anordnung im Betrieb anfallenden (digitalen) Signale angedeutet (nur die positive Signalflanke wird hier zur Beschreibung betrachtet, die Darstellung gibt die Lagen nur prinzipiell wieder):
Das am gemeinsamen Zuleitungspunkt (2) zugeführte digitale Signal ist im oberen Diagramm (20) dargestellt; die positive Flanke des Signals erscheint zum Zeitpunkt (25) und definiert damit einen (für alle Signalzweige gleichermaßen gültigen) Startzeitpunkt. Zu diesem Zeitpunkt wird diese Signalflanke gleichzeitig auf die funktionell parallel liegenden Leitungswege (2'''') (2''') (2'') (2') geschickt.
Diese Signalflanke läuft über die gleich lang (z. B. 10 cm) ausgelegten und weitgehend gleich aufgebauten Leitungsstrukturen und erscheint an Endpunkten (16) (17) (18) (19) der jeweiligen Leitungsstruktur. Die der Anordnung zugehörigen Signale sind in auf der rechten Seite dargestellt: Im Signal-Koordinatensystem (21) ist das Signal vom Endpunkt (18), in (22) das Signal vom Endpunkt (16), in (23) das Signal vom Endpunkt (17) und in (24) das Signal vom Endpunkt (19) angedeutet. Die gezeigte Verrundung dieser Signale (29) soll lediglich andeuten, dass auch andere zeitbestimmende Effekte und Komponenten als eine reine Distanzüberwindung (wie zum Beispiel, aber nicht nur Kapazitäten) im Spiel sein können.
An sich sollte die (kaum messbar kurze) Laufzeit auf allen vier Zweigen der gleich sein, wird aber doch auf unterschiedliche Art und Weise verändert:
Wäre der Finger (12) nicht vorhanden, dann wäre die Signallage der Signale (21) (22) (23) (24) an den vier Endpunkten (16) (17) (18) (19) gegenüber dem eingekoppelten Signal (20) i. W. gleich. Die pos. Signalflanke aller vier Signale läge etwa am Zeitpunkt (26); die Flankenlage wäre gegenüber dem eingespeisten Signal nur durch die vom Signal durchlaufene räumliche Distanz und die Signalleitungsgeschwindigkeit auf den gegebenen Leitungsstrukturen bestimmt.
Diese Lage ändert sich durch die von den Touchpads (3) (4) (5) (6) mit der räumlichen Umgebung (11) ausgebildeten und in die Laufzweige eingebrachten Kapazitäten (7) (8) (9) (10), würde aber durch den in jedem Signalzweig eingebrachten gleichen Beitrag alle Signale in gleicher Weise verzögern. Denkt man sich den Finger (12) in der weg und bezieht nur die Umgebung (11) ein, dann würden die Signallagen der Signale (21) (22) (23) (24) an den vier Endpunkten (16) (17) (18) (19) – bezogen auf das eingekoppelte Signal (20) – zeitlich u. U. stark schwanken, lägen aber an allen Endpunkten an der i. W. gleichen zeitlichen Stelle.
Kommt nun der Finger (12) in der oben beschriebenen Art und Weise zusätzlich ins Spiel, dann verändern sich die Signallagen der Signale: Der Finger (12) bildet mit den Touchpads (3) und (4) jeweils eine sehr kleine Kapazität aus, etwas größere Kapazitäten werden zwischen dem Finger (12) und den beiden Touchpads (5) und (6) entstehen, was eine geringfügig größere zusätzliche Zeitverzögerung der Signale (22) (23) mit anderer Lage (27) (28) der Signale an den Endpunkten (16) und (17) bewirkt.
Unter Umständen ergeben sich Laufzeiteffekte durch die zusätzlichen Kapazitäten oder andere Komponenten nur durch eine „Verrundung” (29) der Signale, jeweils in Verbindung mit den Schwellen einer nachfolgenden Verarbeitung. Aber auch solche Effekte sind als „Laufzeiten” für eine Auswertung geeignet.
Die hier erfindungsgemäß genutzte Laufzeitdifferenzmessung wird durch eine extrem genaue Phasen-Differenzmessung unter bevorzugter Verwendung von digitalen Signalen realisiert. Die über die Flanken der digitalen Signale definierbare zeitliche Signalverschiebung wird an der positiven und an der negativen Flanke der Signale (auf Grund unterschiedlicher Schwellen) i. a. unterschiedlich ausfallen, was in Anwendungen zu beachten sein wird. In den folgenden Darstellungen werden jeweils nur beispielhaft die positiven Signalflanken dargestellt.
Zu den Prinzipien und zur Beschreibung der Messmethodik, sowie zur Realisation einer digitalen Schwebung auf der Basis des Stands der Technik wird auf die schon angeführte DE 10233604 A1 verwiesen. Die Folgeschaltungen sollen hier D-FlipFlops oder (nicht weiter dargestellt) einfache Gatterfunktionen mit definierter Schaltschwelle und Hysterese (Schmitt-Trigger) sein.
zeigt die Schaltung einer Anordnung, deren Funktion aus der Darstellung zur direkt zu entnehmen ist. Sie dient zudem der Darstellung des Messverfahrens unter Ausbildung von digitalen Schwebungen.
Als Folgeschaltungen sind hier nur D-FlipFlops (41) (42) (43) (44) dargestellt, da nur deren Funktionalität für das Verfahren wichtig ist. Andere Gatterfunktionen mit definierter Schaltschwelle und Hysterese (Schmitt-Trigger) sind i. a. nützlich; das hat aber für die Darstellung der Funktionalität kein Bedeutung und wird daher hier nicht weiter betrachtet.
Das in an die D-Eingänge der jeweiligen Folgeschaltung (41) (42) (43) (44) über die Leitungsstrukturen geführte digitale Signal (z. B. 10 MHz) ist vom Taktsignal eines ersten Taktgenerators (30) abgeleitet. Es wird über den gemeinsamen Einspeisungspunkt (hier wird vereinfacht der Taktgeneratorausgang (30) dafür angenommen) auf (vier) verschiedenen Wegen mit i. W. gleichen Eigenschaften und mit den darin liegenden Touchpads (33) (34) (35) (36) geleitet und auf die Eingänge der D-FlipFlops (41) (44) (43) (42) geführt.
Das Signal des Taktgenerators (30) lauft damit also parallel und i. W. zeitgleich auf (hier vier) Leitungen, die mit Touchpads (33) (34) (35) (36) elektrisch verbunden sind, erfährt in diesen Signalzweigen eine, von den Eigenschaften des Signalzweigs abhängige Zeitverschiebung und gelangt – so, wie zur bereits dargestellt – mit einer geringfügigen zeitlichen Verzögerung, d. h. unterschiedlichen Phasenlage und d. h. hier Flankenlage, an die D-Eingänge der jeweiligen Folgeschaltung.
Das Taktsignal eines zweiten Taktgenerators (40) mit einer fast gleichen Frequenz (z. B. 10 MHz), die sich aber um z. B. 100 Hz (durch fertigungsbedingte Streuung bedingt und/oder ausgesucht) unterscheidet, wird als Takteingang für die D-FlipFlops (z. B. D-FlipFlop (43)) genutzt. Die D-FlipFlops bilden so jeweils eine digitale Schwebung aus, was zu digitalen Schwebungssignalen (z. B. D-FlipFlop (43) mit Diagramm (64)) mit einer Frequenz von z. B. 100 Hz unter Beibehaltung der Phasenlagen führt.
Zur Darstellung der digitalen Schwebungssignale kann man die Signaldarstellung aus der beibehalten; man braucht lediglich die an die Eingängen der FlipFlops (41) (42) (43) (44) gelegten Signale (also die Signale mit einer Periodendauer von ca. 100 ns aus der ) an den Ausgängen der D-FlipFlops mit einer Dauer von ca. 10 ms darzustellen (aber ohne Verrundung). Das zuvor zu den Signallagen der dargestellte gilt auch hier.
Anhand der soll das Konstrukt der gegenseitigen Referenzierung, hier zur Störelimination auch für ein einzelnes Touchpad, z. B. als On/Off-Schalter, genauer dargestellt werden.
Die Verwendung einzelner Touchpads als Bedienelemente für Geräte ist auf dem gegebenen Stand der Technik bekannt. Wie beschrieben, bieten in einer erfindungsgemäßen Anordnung aber mehrere, dicht beieinander angeordnete, i. W. gleich große Touchpads, die in zu einem „Ziel-Touchpad” von vergleichbarer Art angeordnet und in mehreren Signalzweigen eingebunden sind, die Möglichkeit einer gegenseitigen Referenzierung.
In ist ein zentral liegendes Touchelement (70) für eine Gerätebedienung vorgesehen, bei dem dieses einzelne Touchelement eine ON/OFF-Funktionen realisieren soll. Dieses einzelne Touchelement kann genauso realisiert werden, wie das auf den Stand der Technik bekannt ist (z. B. als etwa fingerspitzengroße, kreisförmige Fläche auf einer Platine).
Üblicherweise würde auf dem Stand der Technik zur Verminderung von Störungen dieses einzelne Touchelement z. B. von einer Massefläche oder Masseumrandung umgeben sein; das kann hier ebenso gehandhabt werden, ist aber für die Erfindung und deren Einsatz ohne Relevanz.
Üblicherweise würde eine technische Einheit, zum Beispiel ein Mikrokontroller mit geeigneter Peripherie, die Kapazität dieser Sensorfläche (70) erfassen und aus den gemessenen Werten folgern, ob eine Bedienung (z. B. durch einen Finger) vorliegt oder gewollt ist. Wie oben ausgeführt, wäre diese Messung mit einer hohen Unsicherheit belastet.
Hier in der umgeben das Zentral-Element (70) erfindungsgemäß drei ringförmig zusätzlich angeordnete, in ihrer Funktionalität mit dem Zentralelement (70) vergleichbare Touch-Elemente (71) (72) (73). Auf der rechten Seite der ist wieder die schon beschriebene Anordnung zur Ausbildung digitaler Schwebungen unter Nutzung von D-FlipFlops (84) (85) (86) (87) dargestellt.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist deutlich zu erkennen: Das Bedienelement ist als eine einzelne leitende Struktur (Fläche, Touchpad) von funktionell gleichartig wirkenden leitenden Strukturen (Fläche, Touchpad) umrahmt oder umrandet.
Leitungen mit einem gemeinsamen Einspeisungspunkt liegen als signalleitende Strecken vor, von denen eine Leitung mit dem Bedienelement und jeweils eine andere mit einer der funktionell gleichartig wirkenden leitenden Strukturen, die dieses Bedienelement umrahmen, elektrisch verbunden ist.
Diese signalleitenden Strecken werden zur Laufzeitbestimmung für ein digitales Signal genutzt, das in den gemeinsamen Einspeisungspunkt eingespeist wird und über jede der im Wesentlichen parallel verlaufenden signalleitenden Strecken gleichzeitig läuft.
Aus den Laufzeitdifferenzen des digitalen Signals am Ende der signalleitenden Strecken kann auf eine

Wie bereits beschrieben wird ein erstes digitales Signal mit einer ersten Frequenz f₁ von einem ersten Generator (80) erzeugt und über einen zentralen Zuführungspunkt (90) der Anordnung zugeführt. Auf (hier fünf) verschiedenen Wegen wird dieses Signal dann den D-Eingängen der D-FlipFlops (83) (84) (85) (86) (87) zur Ausbildung einer digitalen Schwebung zugeführt.
Für die hier einzeln dargestellten D-FlipFlops existieren geeignete Mehrfachanordnungen mit jeweils 2/4/5/8 D-FlipFlops in einer integrierten Schaltung z. B. in Standart-TTL-Technik.
Eine Leitung (82) wird in dieser Anordnung direkt und ohne jeden weiteren Leitungszusatz an den D-Eingang eines zugeordneten D-FlipFlops (83) geführt; von den anderen vier Leitungen (74) (75) (76) (77), die an die D-Eingänge des zugeordneten D-FlipFlops (83) (84) (85) (86) geführt sind, ist jede mit einem der Touchelemente (70) (71) (72) (73) direkt oder über eine Leitung bzw. Kontaktstelle (z. B. Platinen-Durchkontaktierungen (79) und (78)) verbunden. (Die reale Ausgestaltung kann in weiten Grenzen variieren). Die damit in die Signalleitungen eingebrachten Kapazitäten der Touchelemente (70) (71) (72) (73) (die wiederum durch die Umgebung und/oder eine Fingerannäherung beeinflusst werden können) beeinflussen die effektiven Signallaufzeiten des digitalen Signals vom gemeinsamen Zuführungspunkt (90) zu den D-Eingängen der D-FlipFlops (84) (86) (86) (87).
Damit die Längen aller Signalleitungen in dieser Anordnung und/oder die Signallaufzeiten auf allen Signalleitungen vom Zuführungspunkt (90) bis zu den D-FlipFlops möglichst alle gleich sind, können evtl. geeignet ausgelegte, z. B. mäanderförmige Signalwegverlängerungen (75) (76) in Leitungen mit kürzeren Leitungslängen zusätzlich eingefügt sein.
Damit sich die Signalwege auch bezüglich eines von außen kommenden Einflusses auf die Pads (genauer auf deren Kapazitäten) gleich verhalten, sind die ringförmig um das Zentralelement (70) angeordneten Pads (71) (72) (73) von gleicher Flächengröße wie auch das Zentralelement (70).
Der Abstand der ringförmig angeordneten Flächen zum zentralen Element ist hier so gewählt, dass eine Fingerannäherung von einem Benutzer für eine Bedienung einfach ist, also nicht unbedingt ganz exakt, aber von einem Nutzer des zu bedienenden Geräts doch einigermaßen zielgenau auf das zentrale Element gerichtet werden kann und eine Berührung i. W. dieses zentrale Element treffen kann.
Die Abstände der ringförmig angeordneten Flächen zum zentralen Element und untereinander bestimmen aber eben auch – wie beschrieben – welcher Abstand bereits eine „Annährung” ist und auch was noch zur „räumlichen Umgebung” zu zählen sein wird. Diese Abstände müssen also in Abhängigkeit von der jeweiligen Zielvorstellung der Erfassung (Touch als direkte Berührung, Touch als bloße Annäherung, Geste in der „Nähe” des zentralen Sensorelements und/oder aber Gesten in einiger Distanz, usw.) geeignet gewählt werden. Sind die Abstände eher klein, dann wird u. U. bereits eine „Annäherung” ausgeblendet und nur die unmittelbare Berührung des Touchpads als Signal erfasst, ist der Abstand eher groß, dann können sogar Gesten über dem zentralen Touchelement noch gut detektiert werden.
Die zu dieser bisher dargestellte Funktionalität, entspricht i. W. den bisherigen Ausführungen zu den bis . Eine Besonderheit in der Anordnung dieser ist aber das oberste D-FlipFlop (83). Wie schon ausgeführt, geht die Leitung (82) in dieser Anordnung direkt und ohne einen weiteren Zusatz an den D-Eingang des zugeordneten D-FlipFlops (83).
Obwohl in dieser Abbildung die Zuleitung (82) sehr lang, allerdings auch ohne zusätzlich eingefügte Kapazität, dargestellt ist, wird und soll auf dieser Strecke die kleinste Signallaufzeit vom Zuführungspunkt (90) bis zum D-Eingang des zugeordneten D-FlipFlops (83) vorliegen; das ist konstruktiv i. a. problemlos zu realisieren. Mit diesem D-FlipFlop (83) wird eine zusätzliche erste Referenz erzeugt, indem ein Schwebungssignal mit seinen Flanken eine Startreferenz (im Folgenden auch Basisreferenz genannt) ausgebildet. Mit dieser Referenz kann z. B. mit einem Oszilloskop die Störvariabilität durch die Umgebung ermittelt werden.
Auch mit diesem D-FlipFlop (83) wird also eine digitale Schwebung ausgebildet. Dies erfolgt, wie schon beschrieben, mittels eines zweiten digitalen Signals fast gleicher Frequenz, das von einem zweiten Generator (81) erzeugt und mittels einer gemeinsamen Leitung (88) an alle Takt-Eingänge der zugeordneten D-FlipFlops (83) gelegt wird.
(In einer realen Konstruktion muss beachtet werden, dass auch die Laufzeiten bzw. die Laufzeitdifferenzen der digitalen Taktsignale auf dieser Leitung (88) als Zeitfaktor in die Ausbildung der Schwebungssignale mit eingehen; das ändert am erfindungsgemäßen Prinzip aber nichts und wird daher zur Vermeidung von Komplikationen in der Darstellung hier nicht weiter ausgeführt).
Das von diesem D-Flipflop (83) zusätzlich ausgebildete digitale Schwebungssignal (89) unterliegt nicht einem von außen kommenden Einfluss. Dieses zusätzliche D-Flipflop (83) wird in einer realen Anwendung an sich auch nicht wirklich gebraucht. Die Flanken dieses Signals werden aber stets zu einem früheren Zeitpunkt auftreten als die Signalflanken der anderen digitalen Schwebungssignale. Bezüglich dieser Flanke (die z. B. als Triggersignal verwendet werden kann) können also die anderen Flanken mit einem Oszilloskop dargestellt, bzw. die Auswirkung der Umgebung auf die Anordnung insgesamt erfasst werden. (Das Signal wird deshalb als Basisreferenz gesehen) Eine solche Messung würde zeigen, dass die Zeitdauer (97) zwischen dieser Flanke (89) und jedem anderen Schwebungssignal (91) (93) (92), auch (94), von hoher Variabilität ist. Grund dafür ist ein schon beschriebener (nicht nur kapazitiver) Einfluss der Umgebung auf die Touchpads.
Auch der Einfluss anderer Umgebungsfaktoren in einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie z. B. Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, die Wirkung eines sich nähernden Menschen, eine elektrostatische Entladung, usw. kann so ermittelt werden.
Ohne eine Touchbetätigung durch einen Finger wird die Flanke (94) des Schwebungssignals des D-Flipflops (86), dem das zentrale Touchelement (70) zugeordnet ist, diese Variabilität ebenfalls zeigen. Diese Flanke (94) wird mit den Flanken (91) (93) (92) zeitlich in etwa zusammenfallen, wenn kein betätigender Finger in der Nähe ist.
Wenn aber nun ein Finger direkt über dem zentralen Touchelement (70) in Stellung gebracht wird und/oder dieses Touchelement (70) berührt, dann wird sich die Signalgeschwindigkeit auf der diesem Touchelement (70) zugeordneten Leitung (76) ändern und damit auch der Zeitpunkt der Flanke (94) gegenüber den anderen Signalflanken. Die Signalflanke (94) wird zusätzlich um einen zeitlichen Betrag (96) verschoben und an einer anderen Stelle (95) liegen.
Eine Signalverarbeitung und Signalauswertung, z. B. mittels eines Mikrokontrollers, kann hieraus sowohl einen Fehlerstatus feststellen, als auch relativ einfach und sicher auf eine tatsächlich vorliegende Betätigung schließen, kann zudem den störbefreiten Verlauf eines Signals bei einer Berührung oder Annäherung aufnehmen und als Zeitreihe speichern und verarbeiten.
Diese hier nur prinzipiell und beispielhaft dargestellten Anordnungen können weitgehend modifiziert werden und auch sonst übliche Abschirmmaßnahmen können von den hier beschriebenen Maßnahmen unabhängig und zusätzlich verwendet werden.
Es kann z. B. vorteilhaft sein, die Touchpads direkt in den jeweiligen Signalweg einzubringen: Z. B. könnte die Leistungsführung der Leitung (76) zunächst bis zum äußersten linken Rand des zentral liegenden Touchelements (70) führen, dort das Touchpad kontaktieren, und die Fortführung der Leitung zum D-FlipFlop am äußersten rechten Rand des zentral liegenden Touchelements (70) fortgesetzt werden.
Die das zentrale Touchelement umgebenden, zusätzlichen Touchpads können als Ringe (evtl. auch als ein einzelner Ring) um das zentrale Element gelegt sein oder können als Kreissegmente in unterschiedlicher Anzahl vorliegen.
Üblicherweise würden z. B. zur Verminderung von Störungen einzelne Touchelemente von einer Massenfläche oder -umrandung umgeben sein. Auch die hier beschriebenen und verwendeten Touchelemente (70) (71) (72) (73) könnten auf einer Platine in einer Masse-Fläche eingebettet und/oder umrandet werden
Andere Modifikationen sind zudem denkbar, ändern aber am Prinzip der Darstellung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens nichts Wesentliches.
zeigt beispielhaft eine (von vielen anderen) mögliche(n) Signalauswertung(en) einer Anordnung gemäß , durch die auch noch einmal die Bedeutung der gegenseitig sich referenzierenden Signale im erfindungsgemäßen Konzept erkennbar werden kann:
Auf der linken Seite dieser sind die schon zur (dort rechts liegend) gezeigten digitalen Schwebungssignale (insgesamt mit (102) bezeichnet) dargestellt.
Die Diagramme werden zur Unterscheidung mit einem gemeinsamen Bezeichner (103) und einer zusätzlichen Buchstabenbezeichnung (a)–(f) versehen. Oben (103) (a) ist hier wieder das Signal der Basisreferenz zu sehen, also das Signal, das aufgrund einer unbeeinflussten Leitungsführung keine oder nur eine feste bzw. konstante Verzögerung aufweisen wird und zu einem früheren Zeitpunkt auftreten wird, als alle anderen Signale (103) (b–e).
Unterhalb dieser Darstellung dieser Signale (103a–e) werden die positiven Flanken dieser Signale (103a–e) in einem gemeinsamen Diagramm (insgesamt mit (104) oder einzeln mit (103f) bezeichnet) zusammengefasst: Der Flanke der Basisreferenz aus oberen Diagramm (103a) entspricht – durch Pfeil (115) angedeutet – der Flanke (105) im unteren Diagramm (103f). Diese Flanke (105) kann Teil einer Signalauswertung sein, wird aber letztendlich für eine Auswertung nicht essentiell gebraucht. Die Flanke zum Signal (103d) liegt, angedeutet durch Pfeil (116) in diesem Beispiel an der letzten Position (107) der auf die Basisreferenz folgenden bzw. vorkommenden positiven Flanken.
Die aus den Laufzeitmessungen – wie oben dargestellt, nach Ausbildung einer digitalen Schwebung – hervorgegangenen Signale (103a–e) bzw. deren Flanken werden, bezogen auf den Zeitpunkt der zeitlichen Lage der Flanke (105) der Basisreferenz, eine große und u. U. stark schwankende Variabilität aufweisen; d. h. die erste nach der Basisreferenz auftretende Signalflanke kann einen sehr großen oder einen sehr kleinen zeitlichen und zudem stark schwankenden Abstand zu dieser Basisreferenzflanke haben. Unbeeinflusst von einem berührenden Finger werden aber alle anderen Signalflanken einen i. W. gleichen zeitlichen Abstand zur Flanke der Basisreferenz haben und ungefähr an der gleichen zeitlichen Position (106) liegen. Das Signal (103d) bzw. dessen Flanke, das/die in diesem Beispiel das zentrale Touch-Element (vgl. ) repräsentiert, wird ohne Fingerberührung ebenfalls dieser Lage (106) zuzuordnen sein.
Wenn das zentrale Touch-Element allerdings von einem Finger berührt wird, bedeutet der dadurch zusätzlich eingebrachte Einfluss eine zusätzliche Zeitverzögerung, so dass dieses Signal (103d) eine andere Flankenlage (107) haben wird; es setzt sich von der Ansammlung der anderen Flanken (106) deutlich ab und das kann gut detektiert werden. Die Detektion, d. h. die Auswertung der Signale kann mittel Hardware (Mikrokontroller, diskrete Elektronik, FPGA, usw) erfolgen und/oder mittels Software erfolgen.
Eine hier nur beispielhaft angedeutete einfache Logik (108) deren Eingangs-Signalverbindung (118) zum Signaldiagramm (102) nur angedeutet ist, deren Ausgang (112) das Signalschema (109) ergeben würde, zeigt aber wie einfach eine mögliche Auswertung sein kann, in der sich die gegenseitige Referenzierung bereits durch die Hardware ergibt:
In der oben rechts (110) ist das zugehöriges Eingangs-Signalschema angedeutet. Ganz oben (a) ist wieder das Signal der Basisreferenz zu sehen. Das erste und das letzte der auf diese Basisreferenz folgenden Signale (bzw. deren Signalflanken) und die mit der Logik (108) verarbeitet werden, entstammen den Signalen (103b, c oder e) aus dem Signaldiagramms (102). Vom Signal (103d) weiß man vorab, dass es dem Zentralelement zugeordnet ist; dies Signal wird in diesem Beispiel deshalb nicht von der Logik (108) mit verarbeitet (könnte aber natürlich mit hinzugezogen werden).
Der Ausgang (112) der dargestellten Logik (108) erzeugt aus diesen drei Signalen (103b, c oder e) ein Impulssignal (117) mit einer zeitlichen Dauer, die vom frühesten Zeitpunkt einer Flanke bis zur zuletzt vorkommenden Flanke reichen wird. Aus den Signallagen (hier die Flanken (106) in der Darstellung (110f')) erzeugt die Logik (108) also einen kurzen Impuls (117), während alle anderen Signale und Signalflanken unverändert bleiben
Dieser Signalimpuls (117) zeigt bezogen auf das Signal der Basisreferenz eine große Lage-Variabilität. Die zeitliche Verschiebung (113) kann sehr klein sein, kann groß sein, kann sich schnell oder langsam ändern, ist in seiner Variabilität und zeitlichen Dauer nicht wirklich einzuschätzen und erscheint vor allem für eine zeitliche Signalabtastung völlig ungeeignet. Der von der Logik (108) erzeugte Impuls (117) wird aufgrund der dicht beieinander liegenden Flanken (106) nur von sehr kurzer Zeitdauer sein, kann theoretisch sogar zu Null werden, was es u. U. sinnvoll macht, in eine logische Auswertung (hier (108)) auch das Signal des zentral liegenden Touch-Elements mit einzubeziehen.
Solange nun keine Fingerberührung oder eine Annäherung auf das zentral liegende Touchpad erfolgt und damit auf die Laufzeit des Signals (103d) Einfluss nimmt, wird die zugehörige Flanke (119) (vgl. im Diagramm (104) die Flanke (107)) sich in unmittelbarer Nähe dieses Impulses (117) befinden. Der zeitliche Abstand (114) wir klein oder sogar Null sein.
Berührt nun aber ein Finger das zentrale Touchpad, dann wird diese Flanke (119) mit einem deutlichen Abstand (114) zum Impuls (117) auftreten.
Damit liegt das grundsätzliche Auswertungsschema mit gegenseitiger Referenzierung vor: Aufgrund eines nicht einschätzbar großen Einflusses aus der räumlichen Umgebung auf alle Touchpads einer Anordnung wird das Signalschema (109) eine große zeitliche Variabilität (113) der Signallagen aufweisen. Bezogen auf die Basisreferenz wird sich ein zeitlicher Abstand (113) einstellen, der sehr groß sein wird, wenn der Einfluss von außen gerade mal sehr groß wird, der u. U. stark schwanken kann und klein ist, wenn gerade mal ein kleiner Einfluss da ist. Eventuell kann aus dieser zeitlichen Abstandsgröße aber auch eine von Fall zu Fall unterschiedliche Bewertung der anderen Signale abgeleitet werden; i. U. kann z. B. eine Auswertung ausgesetzt oder abgebrochen werden, wenn dieser Zeitraum (113) zu groß sein sollte oder einen vorgegebenen Rahmen sprengt.
Wie man aber daran auch erkennen kann, wird die Kenntnis dieses Zeitrahmens (113) in den allermeisten Anwendungsfällen nicht wirklich gebraucht. Gebraucht wird nur die zeitliche Dauer (111) des Impulses (117) (evtl. nicht einmal diese wirklich) und der zeitliche Abstand (114) von diesem Impuls (117) zur Flanke des Signals (119) des zentralen Touchpads.
Ist die Dauer (111) des Impulses (117) zu groß, so deutet das auf eine aktuell sehr große Variabilität zwischen den Parametern der Touchpads hin. Unter Umständen kann das bedeuten, dass aktuell sehr große Störungen vorliegen und die Auswertung aus diesem Grund besser unterbleibt, auch wenn aktuell der zeitliche Abstand (114) gerade für eine eindeutige Fingerberührung sprechen sollte. Solange der zeitliche Abstand (114) vom Impuls (117) klein ist oder sogar zeitlich im Impuls (117) verschwindet, dann liegt kein Einfluss durch eine Fingerbetätigung auf das zentrale Touchpad vor.
Mit großer Sicherheit kann aber der Einfluss einer Fingerbetätigung angenommen werden, wenn die Impulsdauer (111) des Impulses (117) kurz und der zeitliche Abstand (114) – evtl. zusätzlich bezogen auf diese Impuls-Zeitdauer (111) – relativ groß ist.
Die gegenseitige Referenzierung ist implizit in dieser Auswertung enthalten: Ein großer zeitlicher Abstand (113) zeigt die Größe einer aktuell starken Störung aus der räumlichen Umgebung; das ist aber irrelevant, wenn die Impulsdauer (111) klein bleibt.
Detektionskriterium ist der zeitliche Abstand der Signalflanke (119), die das zentral liegende Touchpad repräsentiert, von den anderen Signalflanken, die sich im Impuls (117) und in der Impulsdauer (111) äußern.
Abschließend sei noch darauf aufmerksam gemacht, dass die hier dargestellte Einflussnahme auf eine „eine kapazitive Fläche darstellende leitende Struktur” das Verfahren hier nur beispielhaft wiedergibt. zeigt eine zur äquivalente Darstellung, in der Leiterschleifen eine eher induktive Kopplung ermöglichen. Die Signalleitungsführung ist durch Pfeile (121) (125) (126) (127) (128) gekennzeichnet. Wie man erkennen kann, wird jede der Leiterschleifen in gleichem Sinne vom Signalstrom umlaufen; ein z. B. von außen auf jede Leitungsschleife einwirkendes B-Feld wird in jeder Signalleitung in etwa die gleiche Wirkung haben, wenn die von jeweils einer Leitungsschleife umrandete Fläche in etwa gleich ausgelegt und alle Signalwege auf eine in etwa gleiche Länge gebracht werden.
Die in dargestellten Elemente sind durch Vergleich mit der leicht identifizierbar. Das erste Signal mit einer ersten hohen Frequenz wird von einem ersten Generator (120) erzeugt, am gemeinsamen Zuführungspunkt (124) eingespeist. Die zur Signallaufzeitmessung genutzten Leitungen werden, mit dem Umweg über die Leitungsschleifen, den D-FlipFlops zugeleitet, die die digitalen Schwebungssignale ausbilden. Das Signal mit der zweiten Frequenz vom Generator (130) wird zur Ausbildung dieser digitalen Schwebungen ebenfalls den D-FlipFlops zugeführt.
Auf einer Leitung läuft gewissermaßen außer Konkurrenz zusätzlich ein Signal (121), das ohne Umweg dem zugehörigen D-FlipFlop (122) zugeführt wird. Das damit ausgebildete digitale Schwebungssignal bildet die Basisreferenz.
Durch die umwegbedingten Verlängerungen der Leitungsführung wird jede Flanke der anderen digitalen Schwebungssignale, z. B. das am Ausgang (129) vom D-FlipFlop (123) liegende, der oberen Leiterschleife (125) zugeordnete digitale Schwebungssignal, später auftreten. Ohne einen von außen kommenden Einfluss werden die Flanken dieser Schwebungssignale von der Flanke der Basisreferenz einen in etwa gleichen Abstand aufweisen. Die Auswertung der digitalen Schwebungssignale erfolgt dann in gleicher Weise, wie das bereits für kapazitiv orientierte Touch-Elemente beschrieben worden ist.
Abschließend sei noch angemerkt, dass die Zuordnung der Signale zu den jeweiligen D- oder T-Eingängen der D-FlipFlops jederzeit ausgetauscht werden kann. Es ist also nicht unbedingt notwendig, die Leitungen, auf denen die Laufzeitmessung erfolgt, den D-Eingängen der D-FlipFlops zuzuweisen; sie könnten auch den T-Eingängen der D-FlipFlops zugewiesen werden.
Ebenfalls abschließend sei noch angemerkt, dass natürlich die Eigenschaften der Eingänge der Folgeschaltungen dabei zu beachten sind, ist ohne weitere Erläuterung klar.
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

DE 19856408 A1 [0012]
US 2013/0082951 A1 [0013]
DE 10233604 A1 [0045]
DE 10233604 A [0087]

Claims

Verfahren zur Auslegung von näherungs-, berührungs- und/oder bewegungssensitiven Sensoren als Bedien- oder Eingabeelemente zur Bedienung eines Gerätes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bedienelement als einzelne leitende Struktur (Fläche, Touchpad, Spule) (70) von funktionell gleichartig ausgelegten und gleichartig wirkenden, leitenden Strukturen (Fläche, Touchpad, Spule) (71) (72) (73) umrahmt oder umrandet wird und mindestens zwei Leitungen (74) (75) (76) (77) mit einem gemeinsamen Einspeisungspunkt (90) als signalleitende Strecken genutzt werden, wobei diese Leitungen jeweils einzeln – mit dem Bedienelement (70) und – mit je einer der funktionell gleichartig ausgelegten und gleichartig wirkenden, leitenden Strukturen, die das Bedienelement umrahmen, elektrisch verbunden werden (78) (79) oder Teil der signalleitenden Strecken (128) (125) (126) (127) sind und diese signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) zur Laufzeitbestimmung für ein digitales Signal genutzt werden, – das am gemeinsamen Einspeisungspunkt (90) eingespeist, – über jede der im Wesentlichen (i. W.) parallel verlaufenden signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) – parallel und i. W. zeitgleich läuft, um aus Laufzeitdifferenzen des digitalen Signals am Ende der signalleitenden Strecken auf eine – Annäherung an das Bedienelement, – Berührung des Sensors und/oder – Bewegung über dem Sensor zu schließen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit eines ersten digitalen Signals (80) mit einer ersten hohen Frequenz, das die signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) durchläuft und einflussbedingt zeitlich unterschiedliche Verzögerungen an den Ausgängen der signalleitenden Strecken ausweist, gemessen wird, indem ein zweites digitales Signal (81) mit einer zweiten, von der ersten hohen Frequenz geringfügig abweichenden Frequenz genutzt wird, um jeweils digitale Schwebungssignale (131) auszubilden, die unter Beibehaltung der Phasenbeziehungen eine Frequenz aufweisen, die der Differenz zwischen der ersten und der zweiten hohen Frequenz entspricht, und aus den Phasenbeziehungen, d. h. aus den Zeitdifferenzen (96) der Flanken (94) (95) dieser Schwebungssignale (131) die laufzeitbedingten Phasendifferenzen ermittelt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitmessung mittels eines digitalen Signals (80) erfolgt, das die Signalleitungszweige (74) (75) (76) (77) (82) parallel durchläuft, wobei während einer Messung die Laufzeit auf einer Referenzstrecke (82) jeweils als Basis-Referenz genutzt wird und/oder während einer Messung die Laufzeiten auf den Strecken (74) (75) (77), die den das Touch-Element (70) umrahmenden Touch-Elementen zugeordnet sind, als Referenzen genutzt werden, um mittels dieser Referenzen die Laufzeitmessung auf der Leitung (76), die dem eigentlichen Touchelement (70) zugeordnet ist, zu referenzieren, was wechselweise erfolgen kann und/oder eine gegenseitige Referenzbildung einschließen kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die zur Laufzeitbestimmung eingesetzten signalleitenden Strecken derart gestaltet werden, dass sich die Leitungseigenschaften dieser Leitungen (74) (75) (76) (77) insbesondere für ein digitales Signal durch Annäherung, Berührung und/oder Bewegung eines Fingers oder der Hand an die elektrisch verbundenen leitenden Strukturen (Touchpads) (71) (72) (73) (70) in gleicher Weise verändern können, was mittels elektrischer Felder und/oder magnetischer Felder und/oder elektromagnetischer Größen wie z. B. Licht, Trägerfrequenzen und/oder mechanischer Größen wie z. B. Schall, Vibration, Druck möglich ist, wodurch eine Messung von Signallaufzeiten zur Gewinnung von sensorischen Messsignalen eingesetzt werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung von digitalen Schwebungen (131) mittels D-FlipFlops (83)–(87) erfolgt, indem ein erstes digitales Signal (80) mit der ersten hohen Frequenz, das parallel und zeitgleich über die zur Laufzeitmessung eingesetzten parallel liegenden Leitungsstrukturen läuft, jeweils dem D-Eingang eines D-FlipFlops (83)–(87) zugeführt wird, und ein digitales Signal mit der zweiten hohen Frequenz, unter Beachtung auch der Laufzeiten dieses Signals, allen Takt-Eingängen zugleich zugeführt wird, oder alternativ, indem das erste digitale Signal mit der ersten hohen Frequenz, das parallel und zeitgleich über die zur Laufzeitmessung eingesetzten parallel liegenden Leitungsstrukturen läuft, jeweils dem Takt-Eingang eines D-FlipFlops zugeführt wird und das digitale Signal mit der fast gleichen zweiten hohen Frequenz – unter Beachtung auch der Laufzeit dieses Signals – allen D-Eingängen zugleich zugeführt wird.
Näherungs-, berührungs- und/oder bewegungssensitiver Sensor als Bedien- oder Eingabeelement zur Bedienung eines Gerätes, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement als einzelne leitende Struktur (Fläche, Touchpad, Spule) (70) von funktionell gleichartig ausgelegten und gleichartig wirkenden, leitenden Strukturen (Fläche, Touchpad, Spule) (71) (72) (73) umrahmt oder umrandet wird und mindestens zwei Leitungen (74) (75) (76) (77) mit einem gemeinsamen Einspeisungspunkt (90) als signalleitende Strecken genutzt werden, wobei diese Leitungen jeweils einzeln – mit dem Bedienelement (70) und – mit je einer der funktionell gleichartig ausgelegten und gleichartig wirkenden, leitenden Strukturen, die das Bedienelement umrahmen, elektrisch verbunden werden (78) (79) oder Teil der signalleitenden Strecken (128) (125) (126) (127) sind und diese signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) zur Laufzeitbestimmung für ein digitales Signal genutzt werden, – das am gemeinsamen Einspeisungspunkt (90) eingespeist, – über jede der im Wesentlichen (i. W.) parallel verlaufenden signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) – parallel und i. W. zeitgleich läuft, um aus Laufzeitdifferenzen des digitalen Signals am Ende der signalleitenden Strecken auf eine – Annäherung an das Bedienelement, – Berührung des Sensors und/oder – Bewegung über dem Sensor zu schließen.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit eines ersten digitalen Signals (80) mit einer ersten hohen Frequenz, das die signalleitenden Strecken (74) (75) (76) (77) durchläuft und einflussbedingt zeitlich unterschiedliche Verzögerungen an den Ausgängen der signalleitenden Strecken ausweist, gemessen wird, indem ein zweites digitales Signal (81) mit einer zweiten, von der ersten hohen Frequenz geringfügig abweichenden Frequenz genutzt wird, um jeweils digitale Schwebungssignale (131) auszubilden, die unter Beibehaltung der Phasenbeziehungen eine Frequenz aufweisen, die der Differenz zwischen der ersten und der zweiten hohen Frequenz entspricht, und aus den Phasenbeziehungen, d. h. aus den Zeitdifferenzen (96) der Flanken (94) (95) dieser Schwebungssignale (131) die laufzeitbedingten Phasendifferenzen ermittelt werden.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitmessung mittels eines digitalen Signals (80) erfolgt, das die Signalleitungszweige (74) (75) (76) (77) (82) parallel durchläuft, wobei während einer Messung die Laufzeit auf einer Referenzstrecke (82) jeweils als Basis-Referenz genutzt wird und/oder während einer Messung die Laufzeiten auf den Strecken (74) (75) (77), die den das Touch-Element (70) umrahmenden Touch-Elementen zugeordnet sind, als Referenzen genutzt werden, um mittels dieser Referenzen die Laufzeitmessung auf der Leitung (76), die dem eigentlichen Touchelement (70) zugeordnet ist, zu referenzieren, was wechselweise erfolgen kann und/oder eine gegenseitige Referenzbildung einschließen kann.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die zur Laufzeitbestimmung eingesetzten signalleitenden Strecken derart gestaltet werden, dass sich die Leitungseigenschaften dieser Leitungen (74) (75) (76) (77) insbesondere für ein digitales Signal durch Annäherung, Berührung und/oder Bewegung eines Fingers oder der Hand an die elektrisch verbundenen leitenden Strukturen (Touchpads) (71) (72) (73) (70) in gleicher Weise verändern können, was mittels elektrischer Felder und/oder magnetischer Felder und/oder elektromagnetischer Größen wie z. B. Licht, Trägerfrequenzen und/oder mechanischer Größen wie z. B. Schall, Vibration, Druck möglich ist, wodurch eine Messung von Signallaufzeiten zur Gewinnung von sensorischen Messsignalen eingesetzt werden kann.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung von digitalen Schwebungen (131) mittels D-FlipFlops (83)–(87) erfolgt, indem ein erstes digitales Signal (80) mit der ersten hohen Frequenz, das parallel und zeitgleich über die zur Laufzeitmessung eingesetzten parallel liegenden Leitungsstrukturen läuft, jeweils dem D-Eingang eines D-FlipFlops (83)–(87) zugeführt wird, und ein digitales Signal mit der zweiten hohen Frequenz, unter Beachtung auch der Laufzeiten dieses Signals, allen Takt-Eingängen zugleich zugeführt wird, oder alternativ, indem das erste digitale Signal mit der ersten hohen Frequenz, das parallel und zeitgleich über die zur Laufzeitmessung eingesetzten parallel liegenden Leitungsstrukturen läuft, jeweils dem Takt-Eingang eines D-FlipFlops zugeführt wird und das digitale Signal mit der fast gleichen zweiten hohen Frequenz – unter Beachtung auch der Laufzeit dieses Signals – allen D-Eingängen zugleich zugeführt wird.