DE102017201042A1 - Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Eingabeelement (1) für einen berührungsempfindlichen Bildschirm (20), umfassend- eine erste Kommunikationseinheit (4) zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (30);- mindestens zwei Berührungsflächen (5), die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind; und- einen Beschleunigungssensor (10) zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1). Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie ein Computerprogramm zum Erkennen eines Eingabeelements (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm gemäß dem Nebenanspruch.
  • Heutzutage kommen in verschiedenen Bereichen berührungsempfindliche Bildschirme (Touchscreens) zum Einsatz. Berührungsempfindliche Bildschirme werden beispielsweise in Smartphones, Tablet-PCs und in verschiedensten Automaten eingesetzt. Ein Vorteil dieser berührungsempfindlichen Bildschirme ist, dass sowohl eine Eingabe als auch eine Ausgabe über den Bildschirm erfolgen. Berührungsempfindliche Bildschirme sind in der Lage, zu detektieren, an welcher Stelle der Bildschirm mit einem Finger berührt wird.
  • In vielen berührungsempfindlichen Bildschirmen kommen kapazitive Touchscreens zum Einsatz. Hierbei liegen in einem Glas zwei quer zueinander ausgerichtete Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Das obere der beiden Leitungsgitter sendet stetig elektrische Signale zum unteren Gitter. Wird der Bildschirm mit einem Finger berührt, verändert sich eine elektrische Kapazität der dazwischenliegenden isolierenden Schicht, und ein Signal wird an dieser Stelle schwächer. Ein Prozessor errechnet dann eine Position, an der das Signal abgefallen ist, und gibt Ort und Dauer der Berührung an eine Software des Geräts weiter. Diese wiederum führt dann eine entsprechende Aktion auf die Berührung hin aus.
  • Derartige kapazitive berührungsempfindliche Bildschirme, die oft außerdem eine Vielzahl von Berührungen gleichzeitig detektieren können (Multitouch-Displays) sind üblicherweise nicht dazu ausgelegt, passive Objekte, die auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt werden, zu detektieren. Im Gegenteil umfassen derartige Systeme typischerweise Filter, um Berührungsdaten, die durch passive Objekte ausgelöst werden, aktiv herauszufiltern.
  • In der Literatur wurden verschiedene passive Eingabeelemente vorgeschlagen, die durch einen berührungsempfindlichen Bildschirm detektierbar sind. Hierbei ist z.B. bei kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirmen jedoch eine Beschränkung, dass ein Benutzer diese Eingabeelemente selbst berühren muss, damit der berührungsempfindliche Bildschirm diese Eingabeelemente zu detektieren vermag. Dies führt zu verschiedenen Problemen. Zum einen kann das System nicht zuverlässig unterscheiden, ob ein Objekt von dem Bildschirm entfernt worden ist oder ob ein Benutzer aufgehört hat, das Objekt zu berühren. Außerdem ist eine Bewegung eines Eingabeelements durch das System nicht detektierbar, wenn das Eingabeelement bewegt, aber dabei nicht angefasst wird.
  • In den nachfolgenden Veröffentlichungen werden Beispiele derartiger Eingabeelemente beschrieben: „PUCs: Detecting Transparent, Passive Untouched Capacitive Widgets on Unmodified Multi-touch Displays, Simon Voelker, Kosuke Nakajima, Christian Thoresen, Yuichi Itoh, Kjell Ivar Øvergård, und Jan Borchers, ITS '13: Proceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces, Seiten 101-104, New York, NY, USA, 2013“ und „PERCs: Persistently Trackable Tangibles on Capacitive Multi-Touch Displays, Simon Voelker, Christian Cherek, Jan Thar, Thorsten Karrer, Christian Thoresen, Kjell Ivar Øvergård, und Jan Borchers, UIST'15: Proceedings ofthe 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, UIST'15, Seiten 351-356, New York, NY, USA, November 2015“.
  • Für eine reibungslose Bedienung sollten Eingabeelemente für einen berührungsempfindlichen Bildschirm mindestens eine oder zwei oder mehr der folgenden Bedingungen erfüllen:
    1. 1. Das System sollte jederzeit in der Lage sein, zu bestimmen, ob die Eingabeelemente sich im Moment auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befinden oder nicht, und zwar unabhängig davon, ob sie durch einen Benutzer angefasst werden oder nicht.
    2. 2. Jedes Eingabeelement sollte eindeutig identifizierbar sein.
    3. 3. Das System sollte in der Lage sein, eine genaue Position und Orientierung des oder der Eingabeelemente zu erfassen.
    4. 4. Eine Veränderung der Position und Orientierung sich schnell bewegender Eingabeelemente sollte ohne spürbare Verzögerung detektierbar sein.
  • Es hat sich herausgestellt, dass viele im Stand der Technik angegebene Eingabeelemente zumindest eine oder mehr als eine bzw. alle dieser vier Bedingungen nicht oder nicht zufriedenstellend zu erfüllen vermögen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm vorzuschlagen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden vermag.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Eingabeelement gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch. Weiterbildungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfasst eine erste Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit. Weiter umfasst das Eingabeelement mindestens zwei Berührungsflächen, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm detektierbar sind. Das Eingabeelement weist außerdem einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements auf.
  • Mit dem vorgeschlagenen Eingabeelement können mindestens eine bzw. zwei oder mehr der oben genannten vier Bedingungen erfüllt werden.
  • Mithilfe des Beschleunigungssensors kann eine Geschwindigkeitszunahme und/oder eine Geschwindigkeitsabnahme des Eingabeelements in verschiedene Richtungen erkannt werden. Die Richtung, in die das Eingabeelement beschleunigt wird, kann beispielsweise durch den Beschleunigungssensor erfasst werden, indem der Beschleunigungssensor feststellt, von wo die Schwerkraft auf das Eingabeelement wirkt. Eine Messung der Beschleunigung erfolgt hierbei in der Regel in drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen.
  • In einer Weiterbildung ist der Beschleunigungssensor ausgestaltet zum Erfassen eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm. Durch das Absetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm erhält das Eingabeelement typischerweise eine charakteristische Beschleunigung. Durch Detektion dieser charakteristischen Beschleunigung kann daher erkannt werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm platziert wurde.
  • Der Beschleunigungssensor kann außerdem ausgestaltet sein zum Erfassen eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm. Auch beim Abheben des Eingabeelements bekommt das Eingabeelement eine charakteristische Beschleunigung, die durch den Beschleunigungssensor detektierbar ist. Durch Messen dieser charakteristischen Beschleunigung kann somit festgestellt werden, dass das Eingabeelement von dem berührungsempfindlichen Bildschirm entfernt wurde.
  • Außerdem kann der Beschleunigungssensor ausgestaltet sein zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm. Wenn das Eingabeelement nach dem Absetzen auf den berührungsempfindlichen Bildschirm auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm bewegt wird, ist dies somit durch den Beschleunigungssensor detektierbar. Wenn sich beispielsweise zwei oder mehr als zwei Eingabeelemente auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befinden und eines oder mehrere davon bewegt oder gedreht werden, kann festgestellt werden, welches der Eingabeelemente gerade bewegt wurde, da der Beschleunigungssensor Beschleunigungen sehr genau zu detektieren vermag. Die vom Beschleunigungssensor gemessenen Signale können also auch zur Identifikation des Eingabeelements verwendet werden.
  • Eine Genauigkeit des Beschleunigungssensor kann mindestens ±2,5% von 8 g, 4 g oder 2 g oder kleiner, also ±0,2 g, ±0,1 g oder ±0,05 g oder kleiner, betragen, wobei g die ortsabhängige Erdbeschleunigung ist und z.B. ca. 9,81m/s2 beträgt.
  • Falls lediglich zwei Berührungsflächen vorgesehen sind oder z.B. temporär nur zwei Berührungsflächen durch den berührungsempfindlichen Bildschirm detektiert werden, kann dies unter Umständen zu einer Zweideutigkeit in Bezug auf eine Rotation oder einen Drehwinkel des Eingabeelements führen. Bei einer Drehung des Eingabeelements um 180° lösen zwei gleichartige Berührungsflächen nämlich ein gleiches Signal in dem berührungsempfindlichen Bildschirm aus. Wird das Eingabeelement nun bewegt, so kann mittels der gemessenen, richtungsabhängigen Beschleunigung sowie der Bewegung der Berührungsflächen auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm die Rotation bzw. der Drehwinkel (Orientierung) des Eingabeelements eindeutig aufgelöst werden.
  • Durch eine zeitliche Auflösung der Beschleunigung kann außerdem festgestellt werden, wann welches Eingabeelement auf den berührungsempfindlichen Bildschirm aufgesetzt wurde. Dies ist bei einem quasi gleichzeitigen Aufsetzen von verschiedenen Eingabeelementen von Vorteil, da so eindeutig festgestellt werden kann, welches Eingabeelement wann und wo aufgesetzt wurde. Hierzu kann der Beschleunigungssensor ausgebildet sein zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer zeitlichen Genauigkeit von mindestens 100 Millisekunden, vorzugsweise mindestens 50 Millisekunden, besonders bevorzugt mindestens 20 Millisekunden, insbesondere mindestens 10 Millisekunden. Eine Datenübertragungsrate des Beschleunigungssensors kann zwischen 1,6 Hz und 800 Hz betragen, d.h. Werte können alle 641 ms bzw. alle 1,25 ms übertragen werden. In ähnlicher Weise kann der berührungsempfindliche Bildschirm für eine Detektion einer Berührung eine zeitliche Auflösung von mindestens 100 Millisekunden, vorzugsweise mindestens 50 Millisekunden, besonders bevorzugt mindestens 20 Millisekunden, insbesondere mindestens 10 Millisekunden haben. Vorzugsweise sind Zeitmessungen im Eingabeelement und im berührungsempfindlichen Bildschirm synchronisiert, damit zeitliche Abläufe miteinander verglichen werden können.
  • Die erste Kommunikationseinheit ist vorzugsweise als drahtlose Kommunikationseinheit ausgestaltet. Bei einer drahtlosen Ausgestaltung umfasst die erste Kommunikationseinheit zumindest eine Sendeeinheit zum Senden von Funksignalen. Optional kann zusätzlich eine Empfangseinheit zum Empfangen von Funksignalen vorgesehen sein. Weiter umfasst die erste Kommunikationseinheit z.B. eine Antenne zum Versenden und/oder Empfangen von Funksignalen. Die erste Kommunikationseinheit kann einen Teil eines Netzwerks bilden. Mögliche drahtlose Verbindungen schließen beispielsweise WLAN oder WPAN, insbesondere Bluetooth, oder andere Nahfeldverbindungen ein. Die erste Kommunikationseinheit übermittelt die Daten und/oder Signale der Sensoren typischerweise in Abständen von 10 ms bis 20 ms an eine zweite Kommunikationseinheit (s. unten).
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Eingabeelement ausgebildet ist zum Herstellen einer Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit mittels der ersten Kommunikationseinheit, wenn durch den Beschleunigungssensor eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung und/oder eine Änderung der Beschleunigung erfasst wird. Dadurch, dass die Verbindung der ersten Kommunikationseinheit mit der zweiten Kommunikationseinheit nur dann hergestellt und/oder aufrecht gehalten wird, wenn eine von der Erdbeschleunigung verschieden Beschleunigung und/oder eine Änderung der Beschleunigung festgestellt wird, kann Strom gespart werden (Energiesparmodus).
  • Für die Messung von Berührungen auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm kann der berührungsempfindliche Bildschirm optische, kapazitive, induktive oder resistive Sensoren oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Sensoren aufweisen. Diese sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Der berührungsempfindliche Bildschirm ist insbesondere dazu ausgestaltet, eine Vielzahl von Berührungsflächen gleichzeitig zu detektieren (Multitouch-Display).
  • Wie weiter oben beschrieben, umfasst ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm üblicherweise zwei quer zueinander ausgerichtete Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Wird der Bildschirm durch eine bestimmte Berührungsfläche eines Eingabeelements oder einen Finger eines Benutzers berührt, verändert sich die gegenseitige elektrische Kapazität der sich kreuzenden elektrischen Leitungen des berührungsempfindlichen Bildschirms an der Stelle der Berührung, und das Signal wird an dieser Stelle schwächer. Dies setzt allerdings eine Kopplung der Berührungsfläche mit Masse voraus. Die Kopplung kann hierbei z. B. über den Körper eines Benutzers erfolgen. Da allerdings bis auf eine horizontale und eine vertikale Detektionsleiterbahn des genannten Gitters z.B. benachbarte Detektionsleiterbahnen auf Masse liegen, ist eine Ableitung auch möglich, wenn eine zweite Berührungsfläche vorgesehen ist und diese sich auf einer Detektionsleiterbahn befindet, die auf Masse liegt. Um die oben beschriebene Kopplung bzw. die Ableitung der elektrischen Kapazität zu ermöglichen, sind die Berührungsflächen des Eingabeelements daher in der Regel elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch das Vorsehen mindestens zweier Berührungsflächen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist es für eine zuverlässige Detektion durch den berührungsempfindlichen Bildschirm nicht mehr notwendig, dass das Eingabeelement durch einen Benutzer angefasst wird. Beim Aufliegen des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm ist die leitende Verbindung zwischen den Berührungsflächen typischerweise von dem berührungsempfindlichen Bildschirm beabstandet. Die leitende Verbindung zwischen den Berührungsflächen ist dabei in der Regel derart angeordnet, dass die leitende Verbindung einen Abstand von mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm zum berührungsempfindlichen Bildschirm aufweist. Die genannte leitende Verbindung kann durch einen oder mehrere Metallstreifen oder Metalldrähte, z.B. -aus Kupfer und/oder Aluminium, realisiert werden, der oder die die Berührungsflächen mit einander verbinden. Für weitere Details wird auf folgende Veröffentlichung verwiesen, welche mittels Referenzieren vollumfänglich zum Teil dieser Offenbarung gemacht wird:
    • „PUCs: Detecting Transparent, Passive Untouched Capacitive Widgets on Unmodified Multi-touch Displays, Simon Voelker, Kosuke Nakajima, Christian Thoresen, Yuichi Itoh, Kjell Ivar Øvergård, and Jan Borchers, ITS '13: Proceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces, pages 101-104, New York, NY, USA, 2013“.
  • Unter Umständen kann es passieren, dass beide Berührungsflächen derart auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm angeordnet sind, dass eine Kopplung mit Masse nicht möglich ist. Beispielsweise befinden sich beide Berührungsflächen auf derselben Detektionsleiterbahn. Deshalb kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens drei oder mindestens vier oder mindestens fünf oder sogar mehr Berührungsflächen vorgesehen sind; hierdurch wird nämlich die Wahrscheinlichkeit der Kopplung der Berührungsflächen mit einer Detektionsleiterbahn, die auf Masse liegt, immer größer.
  • Eine Anordnung der Berührungsflächen auf dem Eingabeelement kann als Berührungsmuster bezeichnet werden. Entsprechend einer zweidimensionalen Oberfläche eines berührungsempfindlichen Bildschirms ist das Berührungsmuster dabei üblicherweise auch zweidimensional. Somit liegen die Berührungsflächen des Berührungsmusters in der Regel in einer Ebene. Falls drei oder mehr Berührungsflächen vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, wenn diese derart angeordnet sind, dass das entsprechende Berührungsmuster höchstens eine CS-Symmetrie oder eine C1-Symmetrie aufweist. Mit anderen Worten kann das Berührungsmuster keine Drehsymmetrie aufweisen. In diesem Fall kann eine Mehrdeutigkeit des detektierten Berührungsmusters verringert werden. Wie oben beschrieben weist der berührungsempfindliche Bildschirm in der Regel zwei Gitter aus durchsichtigen Leiterbahnen auf. Die Leiterbahnen der Gitter kreuzen sich hierbei unter einem Kreuzungswinkel. Die Wahrscheinlichkeit der Kopplung über eine auf Masse liegende Leiterbahn ist größer, wenn der Kreuzungswinkel der Leiterbahnen des Berührungsempfindlichen Bildschirms in dem Berührungsmuster vermieden wird. Beispielsweise werden drei der Berührungsflächen als A, B und C bezeichnet. Zwei Geraden werden durch die Verbindungsstrecken A-B und B-C gebildet. Ein durch die Verbindungsstrecken A-B und B-C eingeschlossener Winkel α ist vorzugsweise 0°< α<90° oder 90°< α<180°, wenn der Kreuzungswinkel der Leiterbahnen des berührungsempfindlichen Bildschirms 90° beträgt. Insbesondere ist α also ungleich 0°, 90° und 180°. Bei einem Kreuzungswinkel β der Leiterbahnen ist der durch die Verbindungsstrecken eingeschlossener Winkel α vorzugsweise ungleich β und/oder ungleich 180° - β und/oder es gilt 0°< α<β oder β< α<180°- β oder 180°- β< α<180°. Weiterhin können die Verbindungsstrecken A-B, B-C und A-C jeweils eine Länge aufweisen, die sich von den Längen der anderen beiden Verbindungsstrecken unterscheidet. Die genannten Bedingungen für den Winkel und die Längen der Verbindungsstrecken können für willkürliche Kombinationen A, B und C sämtlicher Berührungsflächen erfüllt sein. Eine Länge einer Verbindungsstrecke zwischen den Schwerpunkten zweier Berührungsflächen kann z.B. mindestens 20 mm, mindestens 22 mm, mindestens 24 mm oder mindestens 26 mm betragen.
  • Die Berührungsflächen können beispielsweise ein Material umfassen, das ein elektrisches Feld auf ähnliche Art wie ein Finger eines Menschen verändert. Ein geeignetes Material für die Berührungsflächen wäre z. B. leitendes Gummi. Gummi kann hierbei weiter verhindern, dass Kratzer auf einer Oberfläche des berührungsempfindlichen Bildschirms entstehen. Die Berührungsflächen, insbesondere Reibungseigenschaften eines verwendeten Material der Berührungsflächen, sollte dazu ausgestaltet sein, dass eine durch eine Hand eines Benutzers veranlasste Drehung des Eingabeobjekts auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm möglich ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Berührungsflächen eine Form aufweisen, die einer Form einer Fingerspitze beim Berühren des berührungsempfindlichen Bildschirms ähnelt, da die berührungsempfindlichen Bildschirme in der Regel dazu ausgelegt sind, Berührungen einer Fingerspitze zu detektieren. Typischerweise sind die Berührungsflächen rund oder elliptisch oder oval. Die Berührungsflächen können außerdem einen Durchmesser von mindestens 11 mm, vorzugsweise mindestens 12 mm oder mindestens 13 mm, aufweisen, damit sie durch den berührungsempfindlichen Bildschirm zuverlässig detektiert werden können. Die Berührungsflächen können weiter einen Durchmesser von höchstens 15 mm, vorzugsweise höchstens 14 mm oder höchstens 13 mm aufweisen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Eingabeelement ein Gyroskop zum Erfassen einer Drehbewegung des Eingabeelements. Das Gyroskop misst z.B. eine rotatorische Geschwindigkeit und somit Drehbewegung des Eingabeelements. Für eine Bestimmung der Orientierung nutzt das Gyroskop typischerweise eine Corioliskraft und das sogenannte Stimmgabel-Prinzip. Im Gyroskop, das typischerweise eine Größe von 4 × 4 mm aufweist, werden z.B. Metallelemente durch Strom zum Schwingen gebracht. Wird das Eingabeelement bewegt, so verändert sich die Schwingung der Metallelemente, und darum herum angeordnete Kondensatoren registrieren eine Veränderung, die dann als Drehbewegung detektiert wird. Andere dem Stand der Technik entsprechende Sensoren für Drehgeschwindigkeiten sind denkbar. Das Gyroskop kann vorzugsweise Drehgeschwindigkeiten bis zu 2000°/s mit einer Genauigkeit von 0,0625°/s und mit z.B. einer Datenrate von 12,5 Hz bis 800 Hz erfassen.
  • In einer Weiterbildung umfasst das Eingabeelement einen Feldsensor zum Erfassen einer elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms und/oder zum Messen einer Änderung der elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms. Mittels des Feldsensors kann also auch detektiert werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm aufliegt. Der Feldsensor kann dazu ausgebildet sein, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen zu erfassen. Wenn der Feldsensor ausgebildet ist, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen zu erfassen, dient diese jeweilige Berührungsfläche dem Feldsensor als Antenne. Der Feldsensor kann die Feldstärke z. B. mit einer Messfrequenz von mindestens 50 kHz, mindestens 100 kHz, mindestens 200 kHz oder mindestens 300 kHz erfassen. Beispielsweise erfasst der Feldsensor die Feldstärke mit einer Frequenz von 400 kHz.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Eingabeelement einen Farbsensor oder mehrere Farbsensoren zum Erfassen einer durch den berührungsempfindlichen Bildschirm angezeigten Farbe in zumindest einem Bereich des berührungsempfindlichen Bildschirms. Insbesondere ist der Farbsensor als Lichtsensor ausgestaltet, der zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums (also etwa von 380 nm bis etwa 780 nm) erfasst. Der Farbsensor kann auch als Kamera ausgebildet sein. Durch eine Detektion einer bestimmten Farbe auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und Vergleich dieser Farbe mit einem Farbverlauf oder Farbmuster, der oder das durch den berührungsempfindlichen Bildschirm wiedergegeben wird, kann beispielsweise eine Positionsveränderung des Eingabeelements detektiert werden. Ein zweiter Farbsensor kann, falls temporär nur eine oder keine Berührungsfläche durch den berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt wird, eingesetzt werden, um eine Anfangsposition und -drehwinkel des Eingabeelements festzustellen. Dazu zeigt der berührungsempfindliche Bildschirm ein Farbmuster oder einen Farbverlauf an. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit (s. unten) kann dann mithilfe der durch den Farbsensor erkannten Farbe ermitteln, welche der Berührungsflächen vom berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt wurde und wo sich die Farbsensoren auf dem Bildschirm befinden. Aus den Positionen der zwei Farbsensoren und der Berührungsfläche lassen sich dann die aktuelle Position und Orientierung des Eingabeelements bestimmen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Eingabeelement einen Näherungssensor zum Erfassen eines Abstands zwischen dem berührungsempfindlichen Bildschirm und dem Eingabeelement. Je nach Ausführung kann eine Reichweite des Näherungssensors bis zu 10 cm betragen. Üblicherweise nutzt der Näherungssensor einen Infrarotstrahl, um zu überprüfen, ob sich der Bildschirm dem Eingabeelement nähert. Wird beispielsweise das Eingabeelement auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt, registriert der Näherungssensor eine Reflexion der Infrarotstrahlen durch den Bildschirm, wodurch detektiert wird, dass das Eingabeelement sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befindet.
  • Weiter kann das Eingabeelement einen Speicher, wie z.B. random access memory (RAM), read only memory (ROM), eine Festplatte, ein magnetisches Speichermedium und/oder ein optisches Laufwerk aufweisen. In dem Speicher kann ein Identifizierungscode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert sein, z.B. ein UUID, der oder die dem Eingabeelement zugeordnet ist. Der Identifizierungscode oder die Identifizierungsnummer kann bei einer Vielzahl von Eingabeelementen für jedes dieser Eingabeelemente einzigartig sein, d.h. verschiedene Eingabeelemente haben verschiedene Identifizierungscodes oder Identifizierungsnummern. Nach dem Aufbau der Verbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit kann der Identifizierungscode oder die Identifizierungsnummer an die Steuer- und Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Sensordaten und/oder Sensorsignale können mit dem Identifizierungscode und/oder der Identifizierungsnummer des jeweiligen Eingabeelements verknüpft sein.
  • Im Speicher kann ferner ein Programm gespeichert sein, z.B. eine Software zur Verarbeitung oder Bearbeitung der Daten und/oder der Signale eines Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren.
  • Das Eingabeelement kann einen Prozessor, einen Microcontroller, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen, der dazu ausgebildet ist,
    • - Signale der oben beschriebenen Sensoren (Beschleunigungssensor und/oder Gyroskop und/oder Farbsensor und/oder Näherungssensor) zu bearbeiten, zu verarbeiten und/oder auszuwerten; und/oder
    • - einen oder mehrere oder sämtliche der beschriebenen Sensoren anzusteuern.
  • Üblicherweise umfasst das Eingabeelement ein Gehäuse, in dem die erste Kommunikationseinheit und der Beschleunigungssensor und, falls vorgesehen, zusätzliche oben beschriebene Sensoren, angeordnet sind. Das Gehäuse kann z.B. im Wesentlichen rotationssymmetrisch, ringförmig, quaderförmig, würfelförmig, scheibenförmig, zylinderförmig oder als Platte ausgebildet sein. Ein Durchmesser des Gehäuses kann mindestens 5 cm, mindestens 6 cm oder mindestens 7 cm sein. Weiter kann eine Höhe des Gehäuses mindestens 0,5 cm oder mindestens 2 cm oder mindestens 5 cm und/oder höchstens 10 cm oder höchstens 8 cm oder höchstens 6 cm betragen. In dem Gehäuse kann weiterhin eine Batterie oder ein Akku zur Stromversorgung der Sensoren und der ersten Kommunikationseinheit vorgesehen sein. Das Gehäuse kann aus einem gegossenen Gummi gefertigt sein, wobei das Gummi vorzugsweise eine Shore-Härte von A80 aufweist. Weiter kann das Gehäuse auch eine Außenhaut aus dem genannten gegossenen Gummi mit der Shore-Härte von A80 aufweisen.
  • Die Berührungsflächen sind beispielsweise an einer Unterseite des Gehäuses angeordnet. Die Unterseite des Gehäuses ist hierbei üblicherweise dazu ausgelegt, dass sie auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt werden kann. Die Unterseite des Gehäuses kann durch eine höchstens 0,05 mm, vorzugsweise höchstens 0,1 mm, insbesondere höchstens 0,2 mm dicke nicht leitende Schutzfolie geschützt werden, die auch die Gleiteigenschaften des Eingabeelements zu verbessern vermag. Je nach Ausführung kann eine Grundfläche der Unterseite des Eingabeelements zum Beispiel mindestens 5 cm2, mindestens 10 cm2, mindestens 15 cm2, mindestens 20 cm2 oder mindestens 25 cm2 sein. Je nach Abmessungen der Grundfläche können mehr oder weniger Berührungsflächen vorgesehen sein. Wenn eine Kopplung mit dem Körper eines Benutzers (s. oben) zumindest beim Aufsetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Elements möglich ist, kann z.B. ein relativ kleines Berührungsmuster aus drei Berührungsflächen auf einer Grundfläche von etwa 25 cm2 vorgesehen sein. Wenn eine Kopplung mit dem Körper des Benutzers beim Aufsetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm nicht möglich ist, kann ein größeres Berührungsmuster aus mindestens vier Berührungsflächen auf einer Grundfläche von etwa 50 cm2 oder größer vorgesehen sein.
  • Die Berührungsflächen können stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sein. Die Berührungsflächen können auch als Aufkleber ausgestaltet sein und an dem Gehäuse des Eingabeelements geklebt sein. Die Berührungsflächen können auch auf einer Hülle oder Hülse angeordnet sein, die an dem Eingabeelement befestigt ist oder mit dem Eingabeelement lösbar verbunden ist. Die Hülle oder Hülse können z.B. Gummi, wie Silikonkautschuk, Polybutadien-Kautschuk oder vulkanisierten Naturkautschuk, enthalten oder aus einem der genannten Materialien bestehen.
  • Um die elektrische Kopplung zu Masse über den Körper des Benutzers zu verbessern, kann ein elektrisch leitfähiges Kopplungselement an dem Gehäuse vorgesehen sein, wobei das Kopplungselement elektrisch mit den Berührungsflächen verbunden ist, beispielsweise über Metalldrähte oder Metallstreifen. Das Kopplungselement ist vorzugsweise derart auf dem Gehäuse des Eingabeelements angeordnet, dass ein Benutzer beim Absetzen des Gehäuses auf den berührungsempfindlichen Bildschirm das Kopplungselement anfasst. Beispielsweise ist das Kopplungselement an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet. Das Kopplungselement kann z.B. ein Metall enthalten oder aus einem Metall gebildet sein und/oder als Streifen oder Ring ausgebildet sein. Das Kopplungselement hat vorzugsweise einen Abstand von mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, mindestens 3 mm oder mehr zur Unterseite des Gehäuses. Hierdurch können durch das elektrisch leitfähige Kopplungselement bedingte Störungen in dem berührungsempfindlichen Bildschirm vermieden werden. Das Kopplungselement kann mit einer dünnen isolierenden Schicht von mindestens 0,05 mm versehen sein, damit das Material sich nicht „kalt“ anfühlt und/oder zur optischen Aufwertung. Die isolierende Schicht sollte hierbei nicht dicker sein als 2 mm, um eine Kopplung zu Masse durch die isolierende Schicht hinreichend zu gewährleisten. Die isolierende Schicht kann z.B. eine Lackierung oder ein Film sein.
  • Insbesondere kann das Eingabeelement als Smartphone oder sogar als Tablet-PC ausgebildet sein. Die Berührungsflächen können dann als Aufkleber oder über die Hülle oder Hülse mit dem Smartphone oder Tablet-PC verbunden werden. Viele Smartphones oder Tablet-PCs umfassen heutzutage bereits einen Beschleunigungssensor und/oder eine Kamera und/oder ein Gyroskop und/oder einen Näherungssensor und/oder eine Kommunikationseinheit und/oder einen Identifizierungscode/Identifizierungsnummer und/oder einen Speicher und/oder einem Prozessor, sodass ein vorhandenes System nachträglich mit Berührungsflächen und einer entsprechenden Software versehen werden kann und zu einem zuvor beschriebenen Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm aufgerüstet werden kann.
  • Des Weiteren kann eine Vielzahl von Eingabeelementen vorgesehen sein. Die Berührungsflächen jedes Eingabeelements bilden typischerweise ein Berührungsmuster, wobei jedes Eingabeelement typischerweise ein gleiches Berührungsmuster aufweist. Weiter kann jedes Eingabeelement jeweils einen Speicher aufweisen, in dem ein Identifizierungscode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert ist, der dem jeweiligen Eingabeelement zugeordnet ist. Hierdurch wird eine zweifelsfreie Identifikation jedes einzelnen Eingabeelements ermöglicht.
  • Die oben genannten Sensoren können eine Datenübertragungsrate zwischen 1,6 Hz und 800 Hz haben, d.h. gemessene Signale der Sensoren können alle 641 ms bzw. alle 1,25 ms an die erste Kommunikationseinheit übertragen werden.
  • Außerdem wird mit der Erfindung eine Steuer- und Verarbeitungseinheit bereitgestellt.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann ausgelegt sein, Signale oder Daten eines oben genannten Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren zu verarbeiten oder zu bearbeiten. Für die Verarbeitung und/oder Bearbeitung der Signale und/oder der Daten der oben genannten Sensoren kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit einen Microcontroller, einen Prozessor, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen. Hierbei kann ein digitaler Signalprozessor (DSP) zu einer kontinuierlichen Bearbeitung von digitalen Signalen ausgestaltet sein, beispielsweise digitalen Signalen der oben genannten Sensoren. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgestaltet ist, einen oder mehrere der genannten Sensoren anzusteuern.
  • Weiterhin kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit einen oder mehrere Speicher aufweisen, wie z.B. random access memory (RAM), read only memory (ROM), eine Festplatte, ein magnetisches Speichermedium und/oder ein optisches Laufwerk. Im Speicher kann ein Programm gespeichert sein, z.B. eine Software zur Verarbeitung oder Bearbeitung der Daten und/oder der Signale eines Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit umfasst eine zweite Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit dem oben genannten Eingabeelement oder mit einer Vielzahl von Eingabeelementen. Die zweite Kommunikationseinheit ist vorzugsweise als drahtlose Kommunikationseinheit ausgestaltet. Bei einer drahtlosen Ausgestaltung umfasst die zweite Kommunikationseinheit zumindest eine Empfangseinheit zum Empfangen von Funksignalen. Optional kann zusätzlich eine Sendeeinheit zum Senden von Funksignalen vorgesehen sein. Weiter umfasst die zweite Kommunikationseinheit z.B. eine Antenne zum Versenden und/oder Empfangen von Funksignalen. Die zweite Kommunikationseinheit kann ein Teil eines Netzwerks bilden oder mit einem Netzwerk verbunden sein. Mögliche drahtlose Verbindungen schließen beispielsweise WLAN oder WPAN, insbesondere Bluetooth, oder andere Nahfeldverbindungen ein.
  • Die erste Kommunikationseinheit des Eingabeelements und die zweite Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit können insbesondere drahtlos miteinander verbunden sein, beispielsweise über WLAN oder WPAN, insbesondere über eine Bluetooth-Verbindung oder eine andere Nahfeldverbindung. Andersartige drahtlose Verbindungen zwischen der ersten Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit, wie EnOcean, Z-Wave, ZigBee, WiMAX, UMTS / HSDPA, LTE (long term evolution), NanoNetm, UWB (Ultra Wideband) sind ebenfalls möglich und sind dem Fachmann bekannt.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann ausgestaltet sein zum Empfangen und/oder Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor des Eingabeelements erfassten Signals. Weiter kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgestaltet sein zum Erkennen, anhand der Signale des Beschleunigungssensors, eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm. Alternativ oder zusätzlich können die Auswertung der durch den Beschleunigungssensor erfassten Signale und/oder die Erkennung anhand der Signale des Beschleunigungssensors auch in dem Eingabeelement erfolgen.
  • In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit mit dem berührungsempfindlichen Bildschirm verbunden. Weiterhin kann sie ausgebildet sein zum Empfangen und/oder Auswerten von durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen (Berührungssignalen). Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann dazu ausgestaltet sein, die Berührungssignale mit den Sensordaten/Sensorsignalen zu vergleichen, und anhand des Vergleichs eine Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm zu bestimmen.
  • Beispielsweise kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet sein zum Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm anhand der Signale des Beschleunigungssensors und der durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signale.
  • Die Verbindung der Steuer- und Verarbeitungseinheit mit dem berührungsempfindlichen Bildschirm kann ebenfalls drahtlos sein; es kann aber auch eine Verbindung mittels eines Kabels vorgesehen sein, beispielsweise eines USB-Kabels.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit und der berührungsempfindliche Bildschirm in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch kann ein besonders kompaktes System zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise können der berührungsempfindliche Bildschirm und die Steuer- und Verarbeitungseinheit als Tablet-Computer oder Smartphone ausgebildet sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln einer Varianz der durch den Feldsensor des Eingabeelements zeitlich gemessenen elektrischen Feldstärke. Die Varianz des Signals kann z. B. über eine Vielzahl von verschiedenen Werten berechnet werden. Denkbar sind hier insbesondere mehr als 100 Werte, mehr als 1000 Werte oder mehr als 2000 Werte, insbesondere 4000 Werte.
  • Typischerweise wird die ermittelte Varianz des elektrischen Feldes mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Wenn die ermittelte Varianz größer als der vorbestimmte Wert ist, kann detektiert werden, dass das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm angeordnet ist. Die ermittelte Varianz der elektrischen Feldstärke ist auf kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirmen mehr als das Tausendfache einer gemessenen Varianz ohne Bildschirm und bei einem Abstand von 5 mm zwischen dem Eingabeelement und dem berührungsempfindlichen Bildschirm etwa das Hundertfache. Hierdurch kann ohne Kalibrierung auf einen speziellen berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm aufliegt.
  • In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Auswerten der Signale des Gyroskops des Eingabeelements. Weiter ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, anhand der gemessenen Signale des Gyroskops einen Drehwinkel des Eingabeelements zu bestimmen.
  • In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Auswerten und/oder Empfangen von durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen; Bestimmen einer Orientierung der Berührungsflächen auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm anhand der durch die Berührungsflächen des Eingabeelements im berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signale; und Kalibrieren des Gyroskops zur Ermittlung eines absoluten Drehwinkels des Eingabeelements bezogen auf ein festes Koordinatensystem des berührungsempfindlichen Bildschirms. Somit kann eine anfängliche Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm über die Berührungsflächen detektiert werden, und anhand dieser erfassten Orientierung und der vom Gyroskop gemessenen Signale kann anschließend mit einer hohen Genauigkeit die Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm bestimmt werden.
  • In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Empfangen und/oder Auswerten eines durch den oder die Farbsensoren des Eingabeelements gemessenen Signals; zum Vergleichen des Signals mit einem Farbsignal des berührungsempfindlichen Bildschirms; und zum Bestimmen einer Position und/oder eines Drehwinkels des Eingabeelements anhand des Vergleichs. Beispielsweise werden bestimmte Farben oder ein bestimmtes Farbmuster auf dem Bildschirm angezeigt, wobei die angezeigten Farben durch den Farbsensor gemessen werden und wieder an die Steuer- und Verarbeitungseinheit weitergeleitet werden. Durch Vergleich der durch den Farbsensor gemessenen Farben und der durch den berührungsempfindlichen Bildschirm ausgegebenen Farbsignale kann somit festgestellt werden, wo sich das Eingabeelement gerade auf dem Bildschirm befindet und/oder wie der Drehwinkel des Eingabeelements momentan ist.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann außerdem ausgebildet sein, abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeelements den berührungsempfindlichen Bildschirm oder andere Geräte anzusteuern oder eine bestimmte Aktion auszuführen.
  • Außerdem wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm bereitgestellt, wobei das Eingabeelement mindestens zwei Berührungsflächen aufweist, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm detektierbar sind.
  • Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements mittels eines Beschleunigungssensors; Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor erfassten Signals; und Erkennen, anhand der gemessenen Beschleunigung, eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
  • Weiter kann das Verfahren die folgenden Schritte aufweisen:
    • - Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit;
    • - Feststellen einer Identität des Eingabeelements durch Übermittlung des im Speicher des Eingabeelements gespeicherten Identifizierungscodes oder Identifizierungsnummer an die Steuer- und Verarbeitungseinheit.
  • Das Verfahren kann den folgenden Schritt aufweisen:
    • - Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, wenn gleichzeitig sowohl durch den berührungsempfindlichen Bildschirm als auch durch die weiteren Sensoren detektiert wird, dass das Eingabeelement auf den berührungsempfindlichen Bildschirm abgesetzt wird und/oder das Eingabeelement sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befindet.
  • Die gleichzeitige Detektion schließt hierbei eine zeitliche Differenz von höchstens 50 ms oder höchstens 30 ms oder höchstens 20 ms zwischen den Detektionen ein.
  • Das Verfahren kann insbesondere einen oder mehrere Schritte aufweisen, die oben bei der Erläuterung des Eingabeelements und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit beschrieben wurden. Das Verfahren kann z.B. als Code implementiert sein, beispielsweise in der Form eines Computerprogramms auf einem Computer-lesbaren Medium, wie einem volatilen Speicher oder einem nicht-volatilen Speicher.
  • Weiter betrifft die Erfindung einen nicht-volatilen Speicher, der durch einen Computer lesbar ist. Der nicht-volatile Speicher umfasst ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zum, wenn es auf einer programmierbaren Hardware-Komponente läuft:
    • - Auswerten eines durch einen oben beschriebenen Beschleunigungssensor eines zuvor beschriebenen Eingabeelements erfassten Signals;
    • - Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
  • Das Computerprogramm kann in dem Speicher des Eingabeelements und/oder in dem Speicher der Steuer- und Verarbeitungseinheit gespeichert sein. Das Computerprogramm kann durch eine programmierbare Hardware-Komponente ausgeführt werden, wie z.B. einen Prozessor, eine CPU, GPU oder ein Multi-Prozessor-System. Hierbei kann die programmierbare Hardware-Komponente in dem Eingabeelement und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit vorgesehen sein.
  • Es sei an dieser Stelle betont, dass Merkmale, die nur in Bezug auf das Eingabeelement oder die Steuer- und Verarbeitungseinheit genannt wurden, auch für das genannte Verfahren und/oder den genannten nicht-volatilen Speicher beansprucht werden können und anders herum.
  • Außerdem sei an dieser Stelle betont, dass Merkmale, z.B. bezüglich einer Auswertung von Daten und/oder Signalen der oben genannten Sensoren, die nur in Bezug auf die Steuer- und Verarbeitungseinheit genannt wurden, auch für das Eingabeelement beansprucht werden können und anders herum.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigt
    • 1 eine perspektivische Ansicht eines Eingabeelements;
    • 2 vier Ansichten einer Unterseite eines Eingabeelements;
    • 3 eine perspektivische Ansicht eines Systems, das ein Eingabeelement, einen berührungsempfindlichen Bildschirm sowie eine Steuer- und Verarbeitungseinheit umfasst;
    • 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 5 eine Unteransicht einer Hülle eines Eingabeelements; und
    • 6 eine Ansicht einer Unterseite eines ringförmigen Eingabeelements; und
    • 7 schematische Anordnung von elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte.
  • In den Figuren sind wiederkehrende Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Eingabeelements 1. Das Eingabeelement 1 ist als ein Eingabeelement 1 für einen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgestaltet. Das Eingabeelement 1 umfasst ein Gehäuse 8, das einen zylinderförmigen Ansatz 6 sowie einen konischen Teil 7, der sich nach oben hin verjüngt und im Wesentlichen aus einem nicht-leitenden Gummi besteht, umfasst. Das Gehäuse 8 hat eine Unterseite 2 und eine Oberseite 3. Zur Stromversorgung hat das Eingabeelement 1 eine Batterie. Der Ansatz 6 ist als Aluminium-Ring ausgestaltet und weist einen Abstand zur Unterseite 2 des Gehäuses 8 von mindestens 2 mm auf. Der Ansatz 6 kann mit einer isolierenden Lackierung von etwa 0,1 mm versehen sein.
  • Das Eingabeelement 1 umfasst ferner eine Kommunikationseinheit mit einer Antenne 4 zum Kommunizieren mit einer weiter unten beschriebenen Steuer- und Verarbeitungseinheit 30. An der Unterseite 2 umfasst das Eingabeelement 1 eine Vielzahl von Berührungsflächen 5, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 detektierbar sind.
  • In 2 sind vier exemplarische Ausführungsformen von Unterseiten 2 des in der 1 dargestellten Eingabeelements 1 gezeigt. Die vier verschiedenen Ausführungsformen der Unterseite 2 des Eingabeelements 1 unterscheiden sich lediglich in der Anzahl und der Anordnung der Berührungsflächen 5. In 2 sind Eingabeelemente 1 mit zwei Berührungsflächen 5, mit drei Berührungsflächen 5, mit vier Berührungsflächen 5 und mit fünf Berührungsflächen 5 gezeigt. Die Berührungsflächen 5 jedes Eingabeelements 1 bilden jeweils ein Berührungsmuster auf der Unterseite 2 des Eingabeelements 1, wobei das Berührungsmuster in den Ausführungsformen des Eingabeelements 1 mit drei, vier oder fünf Berührungsflächen 5 keine Symmetrie oder eine CS-Symmetrie aufweist, d.h. das zweidimensionale Berührungsmuster besitzt keine Drehsymmetrie.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Berührungsflächen 5 kreisförmig ausgebildet; alternativ können die Berührungsflächen 5 auch oval oder elliptisch ausgestaltet sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Berührungsflächen 5 jedes einzelnen Eingabeelements sich in der Form unterscheiden. Das Eingabeelement 1 kann also eine runde Berührungsfläche, eine ovale Berührungsfläche und eine elliptische Berührungsfläche 5 aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Berührungsflächen 5 einen Durchmesser von etwa 12 mm. Die Schwerpunkte der Berührungsflächen 5 weisen untereinander jeweils einen minimalen Abstand von 24 mm auf. Weiter sind die Berührungsflächen 5 aus einem elektrisch leitfähigen Gummi hergestellt. Die Berührungsflächen 5 sind untereinander mittels nicht-dargestellter Kupferstreifen oder -drähte elektrisch leitend verbunden. Beim Aufliegen des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sind die Kupferstreifen oder -drähte von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 beabstandet, die Kupferstreifen oder -drähte berühren den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 also nicht. Weiter sind die Berührungsflächen 5 mittels nicht-dargestellter Kupferdrähte mit dem zylinderförmigen Ansatz 6 elektrisch leitend verbunden.
  • Weiterhin weist das Eingabeelement 1 einen (volatilen und/oder nicht-volatilen) Speicher 15 auf. In dem Speicher 15 ist ein Identifizierungscode gespeichert, der dem spezifischen Eingabeelement 1 zugeordnet ist. Der Identifizierungscode kann z. B. ein UUID sein. Mittels des Identifizierungscodes kann bei Aufliegen einer Vielzahl von Eingabeelementen 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 jedes Eingabeelement 1 eindeutig durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 identifiziert werden. Optional kann das Eingabeelement 1 einen nicht-dargestellten Prozessor oder einen Microcontroller aufweisen, der die Signale oder Daten der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 auswertet.
  • Falls mehrere Eingabeelemente 1 gleichzeitig benutzt werden, sind die Berührungsflächen 5 vorzugsweise in gleicher Weise ausgeführt. Insbesondere weisen die Eingabeelemente 1 in diesem Fall ein gleiches Berührungsmuster auf. Zur Unterscheidung der einzelnen Eingabeelemente 1 können dann die Identifizierungscodes oder Identifizierungsnummern der jeweiligen Eingabeelemente 1 herangezogen werden.
  • Das Eingabeelement der 1 umfasst eine Vielzahl verschiedener Sensoren 10 bis 14. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind ein Beschleunigungssensor 10, ein Gyroskop 11, ein Feldsensor 12, ein Farbsensor 13 und ein Näherungssensor 14 gezeigt. Es können auch mehrere Farbsensoren 13 vorgesehen sein, z.B. zwei Farbsensoren. Obwohl nur ein Eingabeelement 1 der 2 mit Sensoren 12, 13, und 14 dargestellt ist, können die jeweils anderen Eingabeelemente 1 der 2 ebenfalls mit diesen Sensoren 12, 13, 14 ausgestattet sein. Der Feldsensor 12, der oder die Farbsensoren 13 und der Näherungssensor sind an der Unterseite 2 des Gehäuses 8 des Eingabeelements 1 angeordnet, vgl. 2. Um eine Messung der Sensoren 12, 13, und 14 zu vereinfachen, kann an der Unterseite 2 des Gehäuses 8 eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Wie in der 1 angedeutet, können der Beschleunigungssensor 10 und das Gyroskop 11 weiter oben in dem Gehäuse 8 angeordnet sein.
  • Die Wirkungsweise der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 wird weiter unten beschrieben.
  • Die 5 zeigt eine Unteransicht einer Hülle 16 eines nicht dargestellten Eingabeelements. Das Eingabeelement umfasst in dieser Ausführung außerdem ein Smartphone, das einen Beschleunigungssensor, eine Kamera, ein Gyroskop, einen Näherungssensor, eine Kommunikationseinheit, einen Identifizierungscode/Identifizierungsnummer, einen Prozessor zur Auswertung der genannten Sensoren und einen Speicher, in dem eine Auswertungs- und Verarbeitungssoftware gespeichert ist, aufweist.
  • Die in der 5 dargestellt Hülle 16 ist im Wesentlichen aus einem weichen, elastischen Material gefertigt und kann formschlüssig oder kraftschlüssig an das Smartphone befestigt werden. Im zusammengebauten Zustand bildet die Hülle 16 die Unterseite des Eingabeelements. Die Hülle 16 weist eine Ausnehmung 17 auf, damit die Kamera und/oder der Näherungssensor des Smartphones nicht durch die Hülle 16 versperrt werden. Falls die Hülle 16 ein durchsichtiges Material enthält, kann auf die Ausnehmung 17 verzichtet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Hülle 16 vier Berührungsflächen 5, die elektrisch miteinander verbunden sind. Für die Eigenschaften der Berührungsflächen 5 wird auf die in der 2 gezeigten Berührungsflächen 5 verwiesen. Für eine optisch hochwertigeres Erscheinungsbild kann die Hülle eine dünne isolierende Deckschicht von höchstens 0,5 mm aufweisen, die einerseits die Berührungsflächen 5 verdeckt, andererseits eine Detektion der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gewährleistet.
  • Die 6 zeigt eine Unteransicht eines Eingabeelements 19 mit einem ringförmigen Gehäuse 18. Das Eingabeelement 1 der 6 unterscheidet sich von den in den 1 und 2 gezeigten Eingabeelementen lediglich dadurch, dass das Gehäuse 18 des Eingabeelements 19 ringförmig ist. Ein Außendurchmesser des ringförmigen Gehäuses 18 kann z.B. mindestens 90 mm, mindestens 110 mm, insbesondere mindestens 130 mm, besonders bevorzugt mindestens 150 mm sein. Obwohl das gezeigte Eingabeelement 19 drei Berührungsflächen 5 aufweist, können, wie in der 2 dargestellt, auch zwei, vier, fünf oder mehr Berührungsflächen 5 vorgesehen sein. Die Berührungsflächen 5 weisen vorzugsweise Innenwinkel von etwa 63°, 73° und 44° auf. Das Gehäuse 18 kann an einer Oberseite ein leitfähiges Material, wie der ringförmige Ansatz in der 1, aufweisen, das mit den Berührungsflächen 5 elektrisch leitend verbunden ist und das einen minimalen Abstand von 2 mm zu einer Unterseite 2 des Gehäuses 19 aufweist. Zwischen der Unterseite 2 und dem leitfähigen Material ist das Gehäuse aus einem nicht-leitenden Gummi mit einer Shore-Härte von A80 gefertigt.
  • In weiteren Ausführungsformen kann das Gehäuse des Eingabeelements 1 oder des Eingabeelements 19 z.B. auch quaderförmig, als Scheibe oder als Platte, beispielsweise mit einer Höhe von 1 cm, ausgebildet sein.
  • 3 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines Systems 100, wobei das System das in den 1 und 2 beschriebene Eingabeelement 1 umfasst und weiterhin einen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sowie eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 aufweist. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 ist mittels eines Kabels 31 mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 verbunden, wobei das Kabel vorzugsweise als USB-Kabel ausgestaltet ist. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 wird auch als Touchscreen bezeichnet und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm. In anderen Ausführungsbeispielen ist es aber auch möglich, den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 als optischen, induktiven oder resistiven berührungsempfindlichen Bildschirm auszugestalten. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 kann z. B. auch als Tischplatte fungieren; in diesem Fall können Tischbeine an dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 montiert werden.
  • Weiter ist der berührungsempfindliche Bildschirm 20 ausgestaltet, eine Vielzahl von Berührungen gleichzeitig zu detektieren (Multitouch-Display). Die Berührung kann hierbei sowohl durch einen menschlichen Finger als auch durch die Berührungsflächen 5 des oben gezeigten Eingabeelements 1 erfolgen. Weiter können Berührungsflächen 5 einer Vielzahl von Eingabeelementen 1 gleichzeitig durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 detektiert werden.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 umfasst eine zweite Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit der ersten Kommunikationseinheit 4 des Eingabeelements 1. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ist insbesondere ausgestaltet zum Empfangen und Auswerten der durch die Sensoren 10 bis 14 des Eingabeelements 1 erfassten Signale oder Daten. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Eingabeelement 1 dazu ausgestaltet sein, die Daten oder die Signale der Sensoren 10 bis 14 mittels des oben genannten Prozessors auszuwerten. In diesem Fall ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ausgestaltet, die durch den Prozessor des Eingabeelements 1 ausgewerteten Daten der Sensoren 10 bis 14 zu empfangen.
  • Für die Verarbeitung und/oder Bearbeitung und/oder Auswertung der Signale und/oder der Daten der oben genannten Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 weist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 z.B. einen Microcontroller, einen Prozessor, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor auf.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ist zudem ausgestaltet zum Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen). Weiter ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgestaltet, durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gemessene Berührungssignale mit den Signalen oder Daten der Sensoren 10 bis 14 zu vergleichen und durch den Vergleich eine Position, eine Positionsänderung, einen Drehwinkel und eine Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zu bestimmen.
  • Abhängig von der Position und/oder dem Drehwinkel und/oder der Positionsveränderung und/oder der Drehwinkelveränderung des Eingabeelements 1 kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 oder ein anderes nicht gezeigtes Gerät ansteuern oder eine bestimmte Aktion ausführen.
  • Nachfolgend soll die Wirkung der einzelnen Sensoren 10 bis 14 beschrieben werden.
  • Der Beschleunigungssensor 10 ist ausgestaltet zum Erfassen eines Absetzens des Eingabeelements 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20. Die Absetzbewegung des Eingabeelements 1 ist in 3 mittels des Pfeils 21 angedeutet. Beim Aufsetzen tritt eine charakteristische kurzzeitige Beschleunigung in Richtung der Oberseite 3 des Eingabeelements 1 auf. Durch Auswerten der Beschleunigung kann diese charakteristische Beschleunigung beim Aufsetzen erkannt werden, und es kann festgestellt werden, dass das Eingabeelement 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gestellt wurde. Daraufhin detektiert der berührungsempfindliche Bildschirm 20, dass die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 auf dem Bildschirm 20 platziert wurden.
  • Der für das jeweilige Eingabeelement spezifische Identifizierungscode UUID wird über die erste Kommunikationseinheit 4 zu der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 übermittelt. Die Signale des Beschleunigungssensors 10 und ein etwa zeitgleiches Erscheinen der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sowie der über Funkverbindung übertragene Identifizierungscode des Eingabeelements 1 erlauben eine eindeutige Identifikation des Eingabeelements 1.
  • Außerdem kann anhand der Signale des Beschleunigungssensors 10 und der durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signale so zweifelsfrei eine Position und/oder Orientierung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 erkannt werden.
  • Der Beschleunigungssensor 10 ist des Weiteren ausgestaltet, eine Beschleunigung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zu erfassen. Wie weiter oben beschrieben, kann es vorkommen, dass der berührungsempfindliche Bildschirm 20 eine oder mehrere Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 herausfiltert, weil sie als Fehler erkannt werden. Durch die Erfassung der Beschleunigung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 kann ein Richtungswechsel des Eingabeelements 1 gemessen und/oder vorausgesagt werden, und durch die Verknüpfung der Daten des Beschleunigungssensors 10 mit den durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen können die Berührungsflächen 5 wieder dem jeweiligen Eingabeelement 1 zugeordnet werden.
  • Weiter kann der Beschleunigungssensor 10 ausgestaltet sein zum Erfassen eines Abhebens des Eingabeelements 1 von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20. Auch beim Abheben tritt nämlich eine charakteristische kurzzeitige Beschleunigung in Richtung der Oberseite 2 des Eingabeelements 1 auf. Durch Auswerten dieses Signals kann somit erkannt werden, dass sich das Eingabeelement 1 nicht mehr auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet.
  • In einer Ausführungsform ist das Eingabeelement 1 dazu ausgebildet, eine Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 herzustellen, wenn vom Beschleunigungssensor eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung festgestellt wird.
  • Typischerweise ist der Beschleunigungssensor 10 ausgebildet zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer zeitlichen Genauigkeit von mindestens 10 Millisekunden. Es soll also Beschleunigungen voneinander unterschieden werden können, wenn sie in einem zeitlichen Abstand von 10 Millisekunden oder mehr erfolgen. In diesem Fall kann zuverlässig erkannt werden, wenn zwei Eingabeelemente 1 quasi gleichzeitig auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 abgesetzt werden. „Quasi gleichzeitig“ heißt hierbei also, dass das Absetzen der beiden Eingabeelemente eine zeitliche Differenz von höchstens 10 ms oder höchstens 20 ms oder höchstens 50 ms aufweist.
  • Mithilfe des Beschleunigungssensors 10 kann somit eine Geschwindigkeitsabnahme bzw. eine Geschwindigkeitszunahme des Eingabeelements 1 in verschiedene Richtungen detektiert werden. Auch die Richtung, in die das Eingabeelement 1 beschleunigt wird, erfasst der Beschleunigungssensor 10, indem er feststellt, von wo die Schwerkraft auf das Eingabeelement 1 wirkt. Hierbei wird eine Verschiebung der Kräfte in der Regel entlang dreier Achsen gemessen, der x-Achse (links/rechts), der y-Achse (oben/unten) und der z-Achse (vorne/hinten). Dazu nutzt der Beschleunigungssensor 10 ein mikroelektromechanisches System (MEMS). In der Mitte des üblicherweise etwa 3 × 3 mm großen Beschleunigungssensors 10 befinden sich drei wenige Mikrometer breite Siliziumstäbe als Federn. Wird das Eingabeelement 1 bewegt oder gedreht, bewegen sich die drei Stäbe durch die Trägheit der eigenen Masse, und eine Position gegenüber am Rand festsitzenden Elektroden verändert sich. Eine Software errechnet dann eine Stärke der Beschleunigung aus der sich verändernden elektrischen Kapazität. Andere dem Fachmann bekannte Ausführungsformen des Beschleunigungssensors sind auch möglich.
  • Das Gyroskop 11 misst eine rotatorische Geschwindigkeit und somit Drehbewegungen des Eingabeelements 1. Mit dem Beschleunigungssensor 10 zusammen kann so die Bewegungsänderung des Eingabeelements 1 erkannt werden. Das Gyroskop 11 kann nach dem Platzieren des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 kalibriert werden. Wie schon oben angedeutet, ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgebildet, Signale auszuwerten und/oder zu empfangen, die durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelöst werden. Durch diese Auswertung kann eine Orientierung der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 bestimmt werden. Mithilfe dieser Bestimmung der Orientierung der Berührungsflächen 5 und somit des Eingabeelements 1 kann das Gyroskop 11 kalibriert werden. Insbesondere kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgebildet sein, Signale des Gyroskops 11 des Eingabeelements 1 auszuwerten und einen Drehwinkel des Eingabeelements 1 anhand der gemessenen Signale des Gyroskops 11 zu bestimmen.
  • Der Feldsensor 12 misst eine elektrische Feldstärke in jeder der Berührungsflächen 5. Der Feldsensor 12 umfasst eine Antenne, einen Signalverstärker und einen Analog-Digital-Wandler, der die elektrische Feldstärke in digitale Werte wandelt. Die Berührungsflächen 5 dienen hierbei als Antennen für den Feldsensor 12. Der Feldsensor 12 erfasst die Feldstärke beispielsweise mit einer Messfrequenz von ca. 400 kHz. Danach wird eine Varianz des Signals über ca. 4000 Werte berechnet. Hiervon abweichende Werte sind ebenfalls möglich.
  • Im Folgenden seien n die Anzahl der Werte und fn der n-te Wert der Feldstärke. Dann werden Mittelwert µ und Varianz v nach den üblichen Formeln berechnet: μ = 1 n ∑ i = 1 n f n
    Figure DE102017201042A1_0001
     ν = 1 n ∑ i = 1 n ( x − μ ) 2
    Figure DE102017201042A1_0002
  • Konkret ist z.B. für die Bestimmung eines Varianzwerts n = 4096. Hierbei kann die Varianz alle 4096 Punkte bestimmt werden. Die Feldstärke wird mit einer Frequenz von 400kHz (alle 0,0025ms) gemessen. Damit werden Werte der Varianz mit einer Frequenz von 100Hz (alle 10ms) erhalten. Alternativ beträgt ein Running Window für die Bestimmung der Varianz beispielsweise 4096 Punkte.
  • Mit dem Feldsensor 12 wird eine elektrische Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms 20 und/oder eine Änderung der elektrischen Feldstärke gemessen. Beispielsweise werden folgende relative Werte für die Varianz der elektrischen Feldstärke gemessen: über 1000 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20; etwa 100 bei einem Abstand von 1 mm bis etwa 5 mm zwischen dem Eingabeelement 1 und dem Bildschirm 20; und 0 bei einem Abstand von 10 mm oder mehr zwischen dem Eingabeelement 1 und dem Bildschirm 20.
  • Durch die Messung der Varianz der elektrischen Feldstärke kann ohne Kalibrierung auf einen speziellen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 erkannt werden, ob das Eingabeelement 1 sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet oder nicht.
  • Der Farbsensor 13 ist an der Unterseite 2 des Eingabeelements 1 angeordnet. Der Farbsensor 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kamera ausgestaltet. Mithilfe des Farbsensors 13 kann detektiert werden, welche Farbe gerade unterhalb des Farbsensors 13 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 angezeigt wird. Es kann beispielsweise ein bestimmtes Farbmuster auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zumindest kurzzeitig angezeigt werden. Durch Vergleich der durch den Farbsensor 13 gewonnenen Daten mit einem durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgegebenen Farbsignal kann festgestellt werden, wo sich das Eingabeelement 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet. Außerdem kann hierdurch ein Drehwinkel oder Orientierung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 bestimmt werden. Falls mehrere Eingabeelemente 1 gleichzeitig auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 platziert werden, kann anhand des Farb- und/oder Helligkeitsvergleichs eine Identität der Eingabeelemente 1 eindeutig festgestellt werden. Weiter kann mithilfe des Farbsensors 13 eine Positionsänderung des Eingabeelements 1 gemessen werden.
  • Der Näherungssensor 14 ist ebenfalls an der Unterseite 2 des Eingabeelements 1 angeordnet. Mit dem Näherungssensor 14 kann ebenfalls erkannt werden, ob und wann das Eingabeelement 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gestellt wurde. Dazu nutzt der Näherungssensor 14 einen Infrarotstrahl, um zu überprüfen, ob sich das Eingabeelement 1 dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 nähert.
  • Falls ein Sensor 10, 11, 12, 13, 14 eine unzureichende Information über eine aktuelle Position und/oder einen aktuellen Drehwinkel des Eingabeelements 1 liefert oder nicht alle Berührungsflächen vom berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt werden, kann diese Information durch Heranziehen der Daten der anderen Sensoren vervollständigt werden.
  • Für den Fachmann ist es klar, dass Signale oder Daten jedes der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 ausgewertet werden können, indem z.B. gemessene Signale oder Daten mit vorbestimmten Referenzwerten oder vorbestimmten Schwellenwerten verglichen werden. Auch können die Signale der jeweiligen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 mit zuvor gemessenen Signalen verglichen werden. Die vorbestimmten Referenzwerte oder die vorbestimmten Schwellenwerte können unter Umständen auch adaptiv angepasst werden.
  • Mit der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Erkennen des zuvor beschriebenen Eingabeelements 1 auf dem zuvor beschriebenen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 vorgeschlagen. Einzelne Schritte des Verfahrens sind in der 4 angedeutet.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements 1 und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 2 (S100);
    • - Feststellen einer Identität des Eingabeelements 1 durch Übermittlung des im Speicher 15 des Eingabeelements 1 gespeicherten Identifizierungscodes an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
    • - Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements 1 mittels eines Beschleunigungssensors 10 (S200);
    • - Übermitteln der Sensorsignale des Beschleunigungssensors 10 an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 2 (S300);
    • - Auswerten der durch den Beschleunigungssensor 10 erfassten Signale (S400);
    • - Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30 (S500);
    • - Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10 (S600);
    • - Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10 (S700).
  • Abhängig von der Geschwindigkeit der Funkverbindung in Relation zur Geschwindigkeit der Erkennung des berührungsempfindlichen Bildschirms 20 kann Schritt S500 auch vor Schritt S200 erfolgen.
  • Alternativ oder zusätzlich zum oben beschriebenen Verfahren können auch folgende Schritte durchgeführt werden:
    • - Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements 1 mittels eines Beschleunigungssensors 10;
    • - Auswerten des Signals des Beschleunigungssensors 10 durch einen Prozessor des Eingabeelements 1;
    • - Erkennen einer von der Erdbeschleunigung verschiedenen Beschleunigung des Eingabeelements 1;
    • - Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements 1 und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
    • - Feststellen einer Identität des Eingabeelements 1 durch Übermittlung des im Speicher 15 des Eingabeelements 1 gespeicherten Identifizierungscodes an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
    • - Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30;
    • - Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10;
    • - Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10.
  • Die beiden genannten Verfahren können folgende weitere Schritte umfassen:
    • - Erfassen von Sensorsignalen durch das Gyroskop 11, den Feldsensor 12, den Farbsensor 13 oder die Farbsensoren und des Näherungssensor 14;
    • - Übermitteln der Sensorsignale des Gyroskops 11, des Feldsensors 12, des Farbsensors 13 oder der Farbsensoren und des Näherungssensors 14 an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
    • - Auswerten der durch die Sensoren 11-14 erfassten Sensorsignale durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
    • - Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30;
    • - Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Sensorsignalen der Sensoren 11-14;
    • - Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Sensorsignalen der Sensoren 11-14.
  • Die genannten Verfahren können weiter folgende Schritte umfassen:
    • - Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung und/oder der gemessenen Feldstärke und/oder eines durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 angezeigten und durch den Farbsensor gemessenen Farbmusters und/oder des Abstands zwischen dem Eingabeelement 1 und dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 eines Absetzens des Eingabeelements 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20;
    • - eines Abhebens des Eingabeelements 1 von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20.
  • Das Verfahren kann weiter den folgenden Schritt aufweisen:
    • - Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, wenn gleichzeitig sowohl durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 als auch durch den Beschleunigungssensor 10 und/oder die weiteren Sensoren 11-14 detektiert wird, dass das Eingabeelement 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 absetzt und/oder das Eingabeelement 1 sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet.
  • Die gleichzeitige Detektion schließt hierbei eine zeitliche Differenz von höchstens 50 ms oder höchstens 30 ms oder höchstens 20 ms zwischen den Detektionen ein.
  • Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 steuert anschließend abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeelements 1 den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 oder ein anderes Gerät an oder führt eine bestimmte Aktion aus.
  • Weiter umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zur Durchführung des oben genannten Verfahrens. Das Computerprogramm kann in dem Speicher des Eingabeelements 1 oder in dem Speicher der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 gespeichert sein.
  • Merkmale die nur im Zusammenhang mit dem Verfahren genannt wurden können mit Merkmalen die nur im Zusammenhang mit dem Eingabeelement 1 und/oder dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 kombiniert werden und andersherum.
  • Anhand der 7 soll eine mögliche Anordnung von elektronischen Schaltelementen des Eingabeelements erläutert werden. Auf einer als „printedcircuit-board“ (PCB) ausgebildeten Platine 800 sind auf der dargestellten Vorderseite eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angeordnet.
  • Auf der Vorderseite ist eine CPU 802 angeordnet, welche eine die Auswertung der Sensoren realisiert. Die Sensoren umfassen hierbei ein (oder mehrere) Gyroskope 804, einen Beschleunigungssensor 806, einen Feldsensor mit entsprechender Elektronik 808 sowie Farbsensoren, welche auf der nicht dargestellten Rückseite der Platine angeordnet sind.
  • Ferner umfasst die Platine eine Stromversorgung und Akku-Ladeelektronik 810, welche unter anderem die Stromversorgung der einzelnen elektronischen Bauteile mittels des Akkumulators 812 sicherstellt.
  • Um die vorverarbeiten Signale an eine Auswerteinheit weiterzuleiten, ist ferner eine Bluetooth-Antenne 814 mit entsprechender Signalanpassungselektronik vorgesehen, welche über die CPU 802 angesprochen wird. Weiterhin ist ein Adapter 816 vorhanden, über welchen die Schaltanordnung mit aktualisierter Firmware bespielt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Eingabeelement (1) für einen berührungsempfindlichen Bildschirm (20), umfassend - eine erste Kommunikationseinheit (4) zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (30); - mindestens zwei Berührungsflächen (5), die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind; und - einen Beschleunigungssensor (10) zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1).
  2. Eingabeelement (1) nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungssensor (10) ausgestaltet ist zum Erfassen - eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder - einer Beschleunigung des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder - eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
  3. Eingabeelement (1) nach Anspruch 2, ausgebildet zum, wenn eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung des Eingabeelements (1) durch den Beschleunigungssensor (10) erfasst wurde, - Herstellen einer Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) mittels der ersten Kommunikationseinheit (4).
  4. Eingabeelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (10) ausgebildet ist zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer Genauigkeit von mindestens 0,2 g, vorzugsweise mindestens 0,1 g, besonders bevorzugt mindestens 0,05 g und/oder einer Übertragungsrate von mindestens 10 Hz, vorzugsweise mindestens 20 Hz, besonders bevorzugt mindestens 50 Hz, insbesondere mindestens 100 Hz.
  5. Eingabeelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - ein Gyroskop (11) zum Erfassen einer Drehbewegung des Eingabeelements (1); und/oder - einen Feldsensor (12) zum Erfassen einer elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms (20) und/oder zum Messen einer Änderung der elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); und/oder - einen Farbsensor (13) oder mehrere Farbsensoren (13) zum Erfassen einer durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) angezeigten Farbe in zumindest einem Bereich des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); und/oder - einen Näherungssensor (14) zum Erfassen eines Abstands zwischen dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und dem Eingabeelement (1).
  6. Eingabeelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldsensor (12) ausgebildet ist, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen (5) zu erfassen.
  7. Eine Vielzahl von Eingabeelementen (1) nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsflächen (5) jedes Eingabeelements (1) ein Muster bilden und jedes Eingabeelement (1) ein gleiches Muster aufweist, wobei jedes Eingabeelement (1) einen Speicher (15) aufweist, in dem ein Identifizierungcode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert ist, der oder die dem jeweiligen Eingabeelement (1) zugeordnet ist.
  8. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30), umfassend - eine zweite Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einem Eingabeelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Vielzahl von Eingabeelementen nach Anspruch 7, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) verbunden ist und vorzugsweise ausgestaltet ist, zum Empfangen und/oder Auswerten von durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signalen.
  9. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach Anspruch 8, ausgestaltet zum - Auswerten und/oder Empfangen eines durch den Beschleunigungssensor (10) des Eingabeelements (1) erfassten Signals; und - Erkennen anhand der Signale des Beschleunigungssensors (10) ○ eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
  10. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ausgebildet zum Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anhand der Signale des Beschleunigungssensors (10) und der durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signale.
  11. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum - Ermitteln einer Varianz der durch den Feldsensor (12) des Eingabeelements (1) gemäß Anspruch 3 zeitlich gemessenen elektrischen Feldstärke, - Vergleichen der ermittelten Varianz des elektrischen Feldes mit einem vorbestimmten Wert, und - wenn die ermittelte Varianz größer als der vorbestimmte Wert ist, Detektieren, dass das Eingabeelement (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) angeordnet ist.
  12. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist, Signale des Gyroskops (11) des Eingabeelements (1) gemäß Anspruch 3 auszuwerten und einen Drehwinkel des Eingabeelements (1) anhand der gemessenen Gyroskopsignale zu bestimmen.
  13. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum - Auswerten und/oder Empfangen von durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signalen; - Bestimmen einer Orientierung der Berührungsflächen (5) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anhand der durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) im berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signale; und - Kalibrieren des Gyroskops (11) zur Ermittlung eines absoluten Drehwinkels des Eingabeelements (1) bezogen auf ein festes Koordinatensystem des berührungsempfindlichen Bildschirms (20).
  14. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum - Empfangen und/oder Auswerten der durch den oder die Farbsensoren (13) gemäß Anspruch 5 gemessenen Signale; - Vergleichen des Signals mit einem Farbsignal des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); - Bestimmen einer Position und/oder eines Drehwinkels des Eingabeelements (1) anhand des Vergleichs.
  15. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist, abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeelements (1) den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anzusteuern oder eine bestimmte Aktion auszuführen.
  16. Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm, wobei das Eingabeelement (1) mindestens zwei Berührungsflächen (5) aufweist, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind, umfassend die Schritte: - Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1) mittels eines Beschleunigungssensors (10); - Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor (10) erfassten Signals; - Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung ○ eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
  17. Nicht-volatiler Speicher, der durch einen Computer lesbar ist, umfassend ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zum, wenn es auf einer programmierbaren Hardware-Komponente läuft, - Auswerten eines durch einen Beschleunigungssensor (10) eines Eingabeelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1-6 erfassten Signals; - Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung ○ eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder ○ eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
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