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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wechseln eines Status eines ein- oder zweidimensionalen, berührungsempfindlichen Arrays kapazitiver Sensorelemente zwischen „berührt“ und „nicht-berührt“, wobei Kapazitätswerte der Sensorelemente fortlaufend gemessen und zu digitalen Sensorsignalwerten verarbeitet werden.
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Verfahren der hier angesprochenen Art werden verwendet, um kapazitive Berührungs- bzw. Annäherungssensoren auszuwerten. Ein solcher Sensor kann die Gegenwart und den Ort einer Berührung oder der Annäherung durch ein Objekt, wie zum Beispiel einen Finger des Benutzers oder einen Stift, innerhalb eines empfindlichen Bereichs detektieren. Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei beispielsweise einen Anzeigebildschirm überlagern. In einer Anzeigeanwendung kann es der Berührungs- bzw. Annäherungssensor dem Benutzer ermöglichen, direkt mit dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird, zu interagieren, und nicht nur indirekt mittels einer Maus oder einem ähnlichen Eingabegerät.
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Es gibt eine Anzahl verschiedener Arten von Berührungssensoren, wie zum Beispiel resistive Berührungssensoren, Berührungssensoren mit akustischen Oberflächenwellen und kapazitive Berührungssensoren, wobei letztgenannte, mit denen eben insbesondere auch schon eine bloße Annäherung erfasst werden kann, inzwischen die größte Verbreitung erfahren haben.
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Wenn ein Objekt die Oberfläche eines kapazitiven Berührungssensors berührt oder in dessen Nähe kommt, tritt eine Änderung des Kapazitätswertes des Sensorelements auf. Aufgabe eines zugeordneten Sensorsteuergerätes bzw. des durch dieses verwendeten Messverfahrens ist es, diese Kapazitätsänderung zu verarbeiten, um die auslösende Berührung oder Annäherung zu erfassen. Die besondere Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass die Kapazitätswerte der Sensorelemente und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind. Aus diesem Grunde bedient man sich zu ihrer Messung gerne sogenannter Integrationsverfahren, bei denen in mehreren aufeinander folgenden Zyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement, dessen Kapazitätswert relativ klein und veränderlich ist, auf einen Integrationskondensator mit einem bekannten festen und deutlich größeren Kapazitätswert übertragen werden. Die an dem Integrationskondensator nach einer vorgegebenen Anzahl solcher Integrationszyklen anliegende Spannung wird dann mittels eines A/D-Wandlers gemessen oder einer Komparator-Schaltung ausgewertet und zu einem digitalen Sensorsignal verarbeitet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Kapazitätsänderung auch über andere Verfahren bestimmt werden kann.
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Durch die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2010 041 464 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen einer Berührung eines kapazitiven Sensorelements bekannt geworden, bei dem ein digitales Sensorsignal, wie zuvor beschrieben, fortlaufend erfasst und mit einem vorgegebenen Signalschwellwert verglichen wird. Solange sich kein Finger bzw. anderes zu erfassendes Objekt dem Sensorelement nähert, verharrt das Sensorsignal auf einem im Wesentlichen konstanten Basiswert. Bei der Annäherung eines Fingers an das Sensorelement steigt das Sensorsignal dagegen deutlich an. Das tatsächliche Erkennen einer Berührung des kapazitiven Sensorelements erfolgt, wenn das Sensorsignal einen zuvor festgelegten Signalschwellwert überschritten hat.
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Tatsächlich ist das Sensorsignal von vielen Parametern abhängig. So haben nicht nur die Form bzw. die Abmessungen des bedienenden Körperteils des Bedieners, also z.B. dünnere oder dickere Finger Einfluss auf dieses Sensorsignal, es spielt etwa auch die Positionierung dieses Körperteils über dem Sensor eine wichtige Rolle. So ist die höchste Empfindlichkeit typischer Weise direkt über dem Schwerpunkt des Sensorelements gegeben und nimmt zum Rand desselben hin ab. Diese Einflüsse können nur in geringem Maße durch die Elastizität der Hautoberfläche bzw. des Fingers ausgeglichen werden.
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Bei ein- oder zweidimensionalen Arrays kapazitiver Sensorelemente werden die Kapazitätswerte aller Sensorelemente des Arrays fortlaufend gemessen und zu einem entsprechenden Array digitaler Sensorsignalwerte verarbeitet. Aus diesem Signalwertarray kann dann z.B. der Ort einer Berührung bestimmt werden. Ein wichtiger Anwendungsfall solcher Arrays besteht aber auch in der Erkennung sogenannter Gesten, wie z.B. Wischbewegungen eines Fingers über das Array, indem der jeweilige Ort einer Berührung des Arrays in seinem zeitlichen Verlauf verfolgt wird.
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Bei der zuletzt genannten Anwendung ist es wichtig, einen grundsätzlichen Status des Sensorarrays als „berührt“ oder „nicht-berührt“ zu definieren, um die beschriebene Gestenerkennung möglichst unterbrechungsfrei ausführen zu können. Der Rückgriff auf die bei einzelnen Sensorelementen etablierten Verfahren zur Berührungserkennung, verbunden mit der einfachen Logik, den Status des Sensorarray als „berührt“ zu definieren, wenn zumindest eines der Sensorelemente ein „berührt“ Signal liefert und als „nicht-berührt“ wenn keines der Sensorelemente ein solches Signal liefert, führt zu einer zu starken Fluktuation des Statusverlaufs, die die angesprochene Gestenerkennung erschwert oder sogar ganz unmöglich macht.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem zuvor beschriebenen den Vorteil, ein Wechseln zwischen einem „berührt“ oder „nichtberührt“ Status des Sensorarrays zuverlässig zu ermöglichen, und dabei trotz hoher Empfindlichkeit fehlerhafte Unterbrechungen eines validen Status „berührt“ oder „nicht-berührt“ zu vermeiden.
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Dies gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Tatsache zu Nutze, dass neben dem einer Berührungsstelle nächstgelegenen Sensorelement auch Sensorelemente in dessen Umgebung zum Zwecke der Statusbewertung auswertbare Sensorsignalwerte liefern. Das Verfahren ermittelt dazu die N aktuell größten Sensorsignalwerte des gesamten Arrays, um aus diesen Werten eine Aussage über den „berührt“ oder „nicht-berührt“ Status des Sensorarrays abzuleiten.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Arrays kapazitiver Sensorelemente
- 2: ein Flussdiagramm des zeitlichen Ablaufs
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Wie in der Zeichnung in 1 gezeigt, sind die kapazitiven Sensorelemente einer berührungssensitiven Oberfläche in einem zweidimensionalen Raster mit m Zeilen und n Spalten angeordnet. Im Falle eines eindimensionalen Sensorarrays wäre dann nur entweder eine Zeile oder eine Spalte vorhanden, d.h. entweder m oder n wären gleich „Eins“. Der entsprechende Index i oder j wäre in diesem Falle bedeutungslos und könnte weggelassen werden. Die einzelnen Kapazitätswerte der m*n Sensorelemente werden fortlaufend gemessen und zu digitalen Sensorsignalwerten S(i,j) verarbeitet, die in weiteren Verfahrensschritten ausgewertet werden, um daraus einen „berührt“ oder „nicht-berührt“ Status des Sensorarrays abzuleiten.
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Dabei werden zunächst aus allen m*n Sensorsignalwerten S(i,j) durch Vergleich die N höchsten Sensorsignalwerte S(i,j) ermittelt, wobei die Anzahl N>=3 ist. Diese ermittelten N höchsten Sensorsignalwerte S(i,j) werden dann zu einem Summensignalwert Smax aufsummiert. Weiterhin werden alle N*(N-1)/2 Differenzwerte d zwischen jeweils zwei der ermittelten N höchsten Sensorsignalwerte S(i,j) ermittelt und die Beträge dieser Differenzwerte zu einem Summendifferenzwert D aufsummiert. Als weitere Basisgrößen werden dann noch zeitliche Ableitungen S' des Summensignalwerts Smax und D' des Summendifferenzwerts D gebildet. Im praktischen Ablauf erfolgt die Bildung dieser zeitlichen Ableitungen S' und D' durch Bestimmung der Differenzen zwischen den zuletzt bestimmten Summensignalwerten Smax und Summendifferenzwerten D und den im vorangegangenen Messzyklus bestimmten entsprechenden Werten.
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Zum Festlegen von Kriterien für die Wechsel vom Status „nicht-berührt“ zum Status „berührt“ bzw. umgekehrt werden jeweils erste bis vierte Summenschwellwerte S1, S2, S3, S4 sowie erste bis vierte Steigungsschwellwerte S'1, S'2, S'3, S'4 festgelegt, mit denen jeweils einerseits der Summensignalwert Smax und andererseits der Wert der zeitlichen Ableitung S' des Summensignalwerts Smax verglichen werden. Weiterhin wird ein Stabilitätsschwellwert DS zum Vergleich mit der Ableitung D' des Summendifferenzwerts D festgelegt.
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Zu Beginn des Verfahrens, dessen Ablauf auch in 2 dargestellt ist, ist der Status standardmäßig auf „nicht-berührt“ gesetzt. Ein Wechseln vom Status „nicht-berührt“ zum Status „berührt“ erfolgt dann, wenn die Ableitung S' zunächst einen ersten Steigungsschwellwert S'1 überschreitet und anschließend einen zweiten Steigungsschwellwert S'2 unterschreitet und währenddessen der Summensignalwert Smax über einem ersten Summenschwellwert S1 liegt. Dabei ist es zweckmäßig einen Zwischenstatus „Annäherung“ zu definieren, wobei dann zunächst in den Zwischenstatus „Annäherung“ gewechselt wird, wenn die Ableitung S' den ersten Steigungsschwellwert S'1 überschreitet und währenddessen der Summensignalwert Smax über dem ersten Summenschwellwert S1 liegt. In diesem Zwischenstatus „Annäherung“ wird dann der Wert der Ableitung S' verfolgt und dessen Maximalwert S'max bestimmt. Der zweite Steigungsschwellwert S'2 wird dann als Funktion des Maximalwerts S'max festgelegt, indem etwa der Maximalwert S'max mit einem festen Faktor kmax multipliziert wird, wobei kmax sinnvollerweise zwischen 0 und 1 liegt. Ein Wechsel vom Zwischenstatus „Annäherung“ in den Status „berührt“ erfolgt dann, wenn der aktuelle Wert der Ableitung S' den so bestimmten zweiten Steigungsschwellwert S'2 unterschreitet.
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Falls in dem Zwischenstatus „Annäherung“ der Summensignalwert Smax den ersten Summenschwellwert S1 wieder unterschreiten sollte, wird wieder in den Status „nicht-berührt“ zurück gewechselt.
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Ein Wechseln vom Status „berührt“ zum Status „nicht-berührt“ erfolgt dann, wenn die Ableitung S' zunächst einen dritten Steigungsschwellwert S'3 unterschreitet und anschließend einen vierten Steigungsschwellwert S'4 überschreitet und währenddessen der Summensignalwert Smax unter einem zweiten Summenschwellwert S2 liegt.
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Analog zu dem Fall der „Annäherung“ ist es sinnvoll, hier ebenfalls einen Zwischenstatus „Loslassen“ zu definieren. Hier wird vom Status „berührt“ zunächst in den Zwischenstatus „Loslassen“ gewechselt, wenn die Ableitung S' den dritten Steigungsschwellwert S'3 unterschreitet und währenddessen der Summensignalwert Smax unter dem zweiten Summenschwellwert S2 liegt.
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In dem Zwischenstatus „Loslassen“ wird dann der Wert der Ableitung S' verfolgt und dessen Minimalwert S'min bestimmt. Der vierte Steigungsschwellwert S'4 wird dann als Funktion des Minimalwerts S'min festgelegt, indem etwa auch hier der Minimalwert S'min mit einem festen Faktor kmin multipliziert wird. Ein Wechsel vom Zwischenstatus „Loslassen“ in den Status „nicht-berührt“ erfolgt dann, wenn der aktuelle Wert der Ableitung S' den so bestimmten vierten Steigungsschwellwert S'4 überschreitet.
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Im Fall einer sehr schnellen Annäherung an die berührungsempfindliche Fläche kann es zu einem schnellen Anstieg des Summensignalwerts Smax kommen. Um in diesem Fall schnell reagieren zu können, wird ein dritter Summenschwellwert S3 definiert, der über dem ersten Summenschwellwert S1 liegt. Wenn der Summensignalwert Smax diesen dritten Summenschwellwert S3 überschreitet, kann sofort vom Status „nicht-berührt“ zum Status „berührt“ gewechselt werden. Um hierbei jedoch Fehler durch einzelne überhöhte Sensorsignale zu vermeiden, wird dabei ein zusätzliches Stabilitätskriterium geprüft, und der Wechsel erfolgt nur dann, wenn dieses Stabilitätskriterium erfüllt ist. Zur Erfüllung des Stabilitätskriteriums ist es erforderlich, dass beim oben dargestellten Feststellen des schnellen Anstiegs des Summensignalwerts Smax die zeitliche Ableitung D' des Summendifferenzwerts D unter dem festgelegten Stabilitätsschwellwert DS liegt.
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Analog zum Fall der sehr schnellen Annäherung an die berührungsempfindliche Fläche kann es bei einem schnellen Loslassen auch zu einem schnellen Abfall des Summensignalwerts Smax kommen. Um auch in diesem Fall schnell reagieren zu können, wird ein vierter Summenschwellwert S4 definiert, der unter dem zweiten Summenschwellwert S2 liegt. Wenn der Summensignalwert Smax diesen vierten Summenschwellwert S4 unterschreitet, kann sofort vom Status „berührt“ zum Status „nicht-berührt“ gewechselt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041464 A1 [0005]
