DE112007001486T5

DE112007001486T5 - Kapazitiver Positionssensor

Info

Publication number: DE112007001486T5
Application number: DE112007001486T
Authority: DE
Inventors: Harald Philipp
Original assignee: QRG Ltd
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: KR20090057360A; DE112007001486B4; WO2008001220A3; WO2008001220A2

Abstract

Ein kapazitiver Positionssensor zum Nachweis einer Position eines Objektes, umfassend:
(a) ein Erfassungselement, umfassend einen Erfassungspfad, wobei der Erfassungspfad eine oder mehrere ausgewiesene Erfassungsflächen entlang seiner Länge aufweist;
(b) eine Vielzahl von Anschlüssen, welche mit dem Erfassungselement an verschiedenen Orten entlang dem Erfassungspfad verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen;
(c) eine Vielzahl von Erfassungskanälen, welche mit entsprechenden der Anschlüsse verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal betreibbar ist, ein für die Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems bezeichnendes Signal zu erzeugen; und
(d) eine Verarbeitungseinheit, die betreibbar ist, zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, indem sie die Signale von den Erfassungskanälen vergleicht, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts zu bestimmen, indem sie zumindest die Signale von den diesen Abschnitt überspannenden Anschlüssen vergleicht, wobei die Verarbeitungseinheit betreibbar ist, zwischen einer Tastenberührung an einer absoluten Position auf...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf kapazitive Positionssensoren, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf kapazitive Positionssensoren zum Nachweis der Position eines Objektes entlang eines gekrümmten Pfades.
Kapazitive Positionssensoren können bei Schnittstellen für Menschen genauso wie bei der Erfassung von Materialverschiebungen in Verbindung mit Steuerungen und Bediengeräten, Mechanismen und Maschinen, und EDV eingesetzt werden.
Kapazitive Positionssensoren sind in letzter Zeit im Allgemeinen in zunehmendem Maße gebräuchlich geworden und haben sich in Schnittstellen für Menschen und zur Maschinensteuerung durchgesetzt. Auf dem Gebiet der Heimanwendungen beispielsweise ist es nunmehr recht üblich, kapazitive Berührbedienelemente vorzufinden, welche durch Glas- oder Kunststofffelder zu bedienen sind. Diese Sensoren sind in zunehmendem Maße durch die Druckschrift US 6,452,514 versinnbildlicht, welche einen Matrixsensoransatz beschreibt, der Prinzipien der Ladungsübertragung verwendet.
Aufgrund von zunehmender Marktnachfrage nach kapazitiven Berührbedienelementen besteht ein erhöhter Bedarf sowohl an geringen Kosten je Funktionselement als auch an größerer Anpassungsfähigkeit in Gebrauch und Ausgestaltung. In gleicher Weise besteht ein erheblicher Bedarf an kapazitiven Materialverschiebungssensoren (z. B. Flüssigkeitsstandsensoren, mechanischen Bewegungssensoren, Drucksensoren etc.) in einem geringeren Preisbereich, was mit derzeitigen Generationen nicht-mechanischer Signalwandler nicht leicht erreicht werden kann. In vielen Anwendungen besteht ein Bedarf an einer Schnittstelle für Menschen mit vielen Tasten oder Erfassungspositionen, welcher nahezu (aber nicht ganz) ähnlich der Anpassungsfähigkeit ist, die durch zweidimensionale Berührbildschirme oder Berührfelder gestattet wird.
Kürzlich sind „Scrollwheels" (Blätterräder) als Eingabegeräte aufgetaucht, wie durch den iPod MP3-Spieler von Apple Computer verkörpert (siehe US D472,245 ). Diese Geräte haben entweder ein mechanisches Blättereingabegerät oder ein kapazitives Gerät. Es besteht ein wesentlicher Bedarf an neuen Technologien für Schnittstellen für Menschen, welche zu einem angemessenen Preis die technischen Mängel elektromechanischer Bedienelemente auf der einen Seite und die Kosten von Berührbildschirmen und anderen Exoten auf der anderen Seite beseitigen können.
Die frühere internationale Patentanmeldung WO 2005/019766 A2 des Anmelders beschreibt einen kapazitiven Positionssensor zum Nachweis der Position eines Objektes, üblicherweise des Fingers eines Anwenders, relativ zu einem widerstandsbehafteten Erfassungselement, wobei das Erfassungselement einen Erfassungspfad umfasst, entlang dessen Verlaufs Anschlüsse verbunden sind, die den Erfassungspfad in mehrere Abschnitte unterteilen. Jeder Anschluss ist mit seinem eigenen Erfassungskanal verbunden, von denen jeder ein Signal erzeugt, das empfindlich gegenüber der Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems ist. Die Signale werden an eine Verarbeitungseinheit zur Auswertung übergeben. Die Verarbeitungseinheit bestimmt, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, indem sie die Signale der Erfassungskanäle vergleicht, und bestimmt die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts, indem sie die Signale von den Anschlüssen vergleicht, welche sich über diesem Abschnitt erstrecken. Dadurch kann der Erfassungspfad in einer geschlossenen Schleife ausgebildet sein, wie etwa ein Kreis für ein Blätterscheibe, in der die Position des Fingers eines An wenders und seine Bewegung in einer unkomplizierten Weise ermittelt werden kann.
Andere Raddetektoren sind in GB 2050621 A , US 4,158,216 , WO 03/088176 A1 beschrieben. Ein linearer Detektor ist in US 5,977,956 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Anmelder hat nun Verbesserungen gegenüber dem kapazitiven Positionsblättersensor entwickelt, welcher in WO 2005/019766 A2 beschrieben ist. Gemäß dem Offenbarungsgehalt von WO 2005/019766 A2 ist ein kapazitiver Positionssensor zum Nachweis der Position eines Objektes beschrieben, umfassend:

(a) ein Erfassungselement, welches einen Erfassungspfad umfasst;
(b) eine Vielzahl von zumindest drei Anschlüssen, die mit dem Erfassungselement an unterschiedlichen Orten entlang des Erfassungspfades verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen;
(c) eine Vielzahl von Erfassungskanälen, welche jeweils mit jeweiligen der Anschlüsse verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal zur Erzeugung eines Signals, welches für die Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems bezeichnend ist, betreibbar ist; und
(d) eine Verarbeitungseinheit, welche durch Vergleich der Signale von den Erfassungskanälen zur Bestimmung, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und durch Vergleich zumindest der Signale von den sich über diesen Abschnitt erstreckenden Anschlüssen zur Bestimmung der Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts betreibbar ist.

In der vorliegenden Erfindung wird ein verbesserter kapazitiver Positionssensor bereitgestellt, welcher dazu in der Lage ist, kapazitive Kopplung mit einem Objekt nachzuweisen, in welchem die kapazitive Kopplung durch Bewegungsversatz des Objektes entlang dem Erfassungselement des Sensors oder durch kapazitive Kopplung des Objektes in zumindest einer vorbestimmten absoluten Position auf dem Erfassungselement hervorgerufen worden sein kann. Der kapazitive Positionssensor der Erfindung ist in der Lage, zwischen Berührung von einer absoluten Position und Berührung von einem Bewegungsversatz auf einem Erfassungselement zu unterscheiden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Positionssensor zum Nachweis einer Position eines Objektes bereitgestellt, umfassend:

(a) ein Erfassungselement, welches einen Erfassungspfad und eine Vielzahl von Erfassungsflächen entlang des Erfassungselements umfasst;
(b) eine Vielzahl von zumindest drei Anschlüssen, welche mit dem Erfassungselement an unterschiedlichen Orten entlang dem Erfassungspfad verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen;
(c) eine Vielzahl von Erfassungskanälen, welche jeweils mit jeweiligen der Anschlüsse verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal zur Erzeugung eines Signals, welches für die Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems bezeichnend ist, betreibbar ist; und
(d) eine Verarbeitungseinheit, welche (i) durch Vergleich der Signale von den Erfassungskanälen zur Bestimmung, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und durch Vergleich zumindest der Signale von den sich über diesen Abschnitt erstreckenden Anschlüssen zur Bestimmung der Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts oder (ii) zur Bestimmung, über welcher Erfassungsfläche das Objekt positioniert ist, betreibbar ist.

Der kapazitive Positionssensor der Erfindung ist in der Lage zwischen Berührung in einer absoluten Position und Berührung, welche durch einen Bewegungsversatz hervorgerufen wird, über Schlüsselparameter, welche auf der Dauer der Berührung und der Entfernung des Versatzes beruhen, zu unterscheiden, was in der Form eines Algorithmus in eine Verarbeitungseinheit einprogrammiert sein kann.
Um als ein Blättern bestimmt zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von Nachweisen existiert, die sich über zumindest eine Schwellwertentfernung erstrecken, beispielsweise eine Winkelentfernung in einem kreisrunden Sensor oder eine lineare Entfernung in einem linearen Sensor. Um als eine Berührung bestimmt zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von Nachweisen existiert, welche innerhalb einer der vorab zugewiesenen virtuellen Tastenpositionen liegen, d. h. die Nachweise liegen alle innerhalb eines bestimmten Bereiches gemeldeter Positionen, der die virtuelle Taste definiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Erfassungselement eine Vielzahl von diskreten Erfassungsflächen, welche in einer Abstandsbeziehung zueinander entlang dem Element platziert sind. Es ist von Vorteil, wenn es vier diskrete Erfassungsflächen gibt, obwohl es mehr sein können, je nach Anwendung des Positionssensors. Falls ein Objekt kapazitiv mit irgendeiner der diskreten Fläche gekoppelt ist, kann der Erfassungskanal das Signal nachweisen. Der Positionssensor der Erfindung kann in unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden, in denen es wichtig ist, Berührung in einer diskreten Erfassungsfläche und durch Bewegungsversatz hervorgerufene Berührung entlang einem Erfassungspfad nachzuweisen, beispielsweise in einem Mobiltelefon. Kapazitive Kopplung eines Fingers eines Nutzers mit zumindest einer der diskreten Erfassungsflächen kann verwendet werden, um eine gewünschte Funktion auf einem Mobiltelefon auszuwählen. Eine Verarbeitungseinheit kann derart programmiert sein, dass ein Antippen oder eine Berührung auf einer der diskreten Erfassungsflächen über einen minimalen Zeitraum hinweg ausreicht, um kapazitive Kopplung hervorzurufen und ein Signal zur Auswahl einer vorbestimmten Funktion zu erzeugen. Zwischen jeder der diskreten Erfassungsflächen können sich „tote" Bereiche befinden, sodass kein Ausgabesignal in diesen Bereichen erzeugt wird.
Der Positionssensor der Erfindung ist vorteilhafterweise in der Lage zwischen Berührung in einer absoluten Position und durch Bewegung auf dem Erfassungselement hervorgerufene Berührung zu unterscheiden. Der Sensor kann programmiert sein, eine minimale Schwelle an durch ein Objekt hervorgerufene Bewegung auf dem Erfassungselement nachzuweisen, und falls die minimale Schwelle erreicht ist, kann der Sensor erkennen, dass durch Versschiebung des Objektes entlang dem Erfassungselement hervorgerufene kapazitive Kopplung nachgewiesen werden soll. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Erfassungselement von bogenförmiger Ausgestaltung. Es ist besonders bevorzugt, dass das Erfassungselement in der Form eines geschlossenen Rings zur Anwendung in einem kreisförmigen kapazitiven Positionssensor ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der kapazitive Positionssensor derart angeordnet sein, dass ein minimaler Schwellwert auswählbar ist und dieser Schwellwert erreicht werden muss, damit der kapazitive Sensor beginnt, ein Signal zu erzeugen, welches eine durch Bewegung eines Objektes entlang dem Erfassungselement hervorgerufene Berührung bezeichnet. Falls das Erfassungselement in der Form eines geschlossenen Rings ist, kann der kreisförmige kapazitive Positionssensor derart angeordnet sein, dass er einen aus einem Bereich ausgewählten Winkelschwellwert hat. Der Bereich kann von 5° bis 360° reichen, obwohl ein geeigneterer Bereich von 20° bis 180° reichen würde. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Winkelschwellwert zwischen 40° und 50°, bevorzugt 45°, ausgewählt. Falls der kapazitive Positionssensor der Erfindung auf einen Winkelschwellwert von 45° eingestellt ist, wird der Sensor eine Bewegungsberührung auf dem Erfassungselement unterhalb des 45°-Winkels nachweisen, und wenn der Schwellwert erreicht ist, kann das Erfassungselement „freigeschaltet" werden, um dann ein Signal zu erzeugen, welches für die kapazitive Kopplung mit einem Objekt bezeichnend ist. Der Betrag des Ausgabesignals kann auf der Distanz des Versatzes des Objektes auf dem Erfassungselement beruhen. Beispielsweise kann in der Ausführungsform mit dem kreisförmigen kapazitiven Positionssensor ein Objekt entlang dem Erfassungselement des Sensors für zumindest eine Umdrehung und für eine Vielzahl von Umdrehungen bewegt werden, und die Distanz, welche das Objekt zurückgelegt hat, kann das Ausgabesignal bestimmen, welches von den Erfassungskanälen verarbeitet wird. Dieser Aspekt der Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für die Anwendung in einem Mobiltelefon oder einem MP3-Spieler, wo es häufig erforderlich ist, Listen von Informationen, welche beispielsweise Kontaktnamen, Telefonnummern oder Musikstücke betreffen, hinauf und hinunter zu blättern.
Wenn der Positionssensor der Erfindung einen freigeschalteten Zustand erreicht, d. h. wenn der Winkelschwellwert durch Versschiebung eines Fingers eines Nutzers auf dem Erfassungselement über eine vorgegebene Distanz hinweg erreicht worden ist, wird das Erfassungselement frei blätterbar, was es einem Nutzer erlaubt, Listen von Daten „hinauf" oder „hinunter" zu blättern, indem er seinen Finger im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn entlang dem Erfassungselement bewegt. Kapazitive Kopplung wird während der Verschiebung des Fingers des Nutzers entlang dem Erfassungselement erfasst und das Ausgabesignal kann erzeugt werden, wenn der Finger des Nutzers von dem Erfassungselement entfernt wird, basierend auf dem Fund eines Eintrages gewünschter Daten. Bevor der Winkelschwellwert erreicht ist, kann kapazitive Kopplung eines Objekts mit dem Erfassungselement nachgewiesen werden, aber kein Ausgabesignal kann in einem oder mehreren der Erfassungskanäle erzeugt werden, solange bis das Signal den Winkelschwellwert überschritten hat. Falls der Finger eines Nutzers das Blättern für eine vorbestimmte Zeitdauer einstellt, könnte die Blätterbewegung wieder aufgenommen werden müssen.
Der Winkelschwellwert kann vorzugsweise durch einen Algorithmus, welcher in eine Verarbeitungseinheit programmiert ist, zurückgesetzt werden. Durch ein Rücksetzen des Schwellwertes des kapazitiven Positionssensors der Erfindung kann die zur Erzeugung eines Signalausgangs notwendige Verschiebung variiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der kapazitive Positionssensor weiterhin eine oder mehrere diskrete Erfassungsflächen in dem Zentralbereich eines Rotations-Erfassungselements umfassen. Wenn die Erfassungsflächen in dem Zentralbereich des Erfassungselements kapazitive Kopplung mit einem Objekt erfassen, wird vorzugsweise jedes Signal, welches durch das Erfassungselement erzeugt wird, vermindert oder „ausgeschlossen", indem die Adjacent Key Suppression^TM Technologie (Unterdrückung benachbarter Tasten) verwendet wird, die in den früheren Schriften US 6,993,607 und US 11/279,402 des Anmelders beschrieben ist. Jedes Ausgabesignal von dem Erfassungselement, welches durch kapazitive Kopplung hervorgerufen wird, kann auch ein Signal von den zentralen Erfassungsflächen ausschließen.
Das widerstandsbehaftete Erfassungselement kann durch einen einzelnen Widerstand ausgestaltet sein, beispielsweise kann es ein widerstandsbehaftetes Material umfassen, welches auf einem Substrat unter Bildung eines durchgängigen Musters abgeschieden ist. Dies sorgt für ein leicht herzustellendes widerstandsbehaftetes Erfassungselement, welche auf dem Substrat in jedem eines Bereichs von Mustern abgeschieden werden kann. Alternativ kann das widerstandsbehaftete Erfassungselement aus einer Vielzahl von diskreten Widerständen hergestellt sein. Die diskreten Widerstände können abwechselnd in Reihe mit einer Vielzahl von leitenden Erfassungsplatten geschaltet sein, wobei die Erfassungsplatten für erhöhte kapazitive Kopplung zwischen dem Objekt und dem widerstandsbehafteten Erfassungselement sorgen. Dies stellt ein widerstandsbehaftetes Erfassungselement bereit, welches aus weithin verfügbaren, serienmäßig produzierten Teilen hergestellt werden kann.
Die diskreten Erfassungsflächen können ein widerstandsbehaftetes Material umfassen und einen Teil des Erfassungselements bilden.
Das widerstandsbehaftete Erfassungselement kann einen im Wesentlichen konstanten Widerstand pro Einheitslänge aufweisen. Dies stellt einen kapazitiven Positionssensor bereit, der ein einfaches gleichförmiges Ansprechverhalten zeigt.
Wo höhere örtliche Auflösung erforderlich ist und/oder wenn ein relativ langes widerstandsbehaftetes Erfassungselement verwendet wird, kann das widerstandsbehaftete Erfassungselement mehr als drei Anschlüsse umfassen.
Die Erfassungskanäle können jeweils einen Probekondensator beinhalten, welcher in Reihe mit jeweils einer entsprechenden der Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und dem Bezugspotential des Systems geschaltet ist, sodass beim Verbinden mit einer Versorgungsspannung jeder der Probekondensatoren mit einem Ladungsbetrag versorgt wird, der von der Kapazität zwischen dem jeweiligen entsprechenden der Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems abhängt. Dies stellt gewissermaßen jedem Erfassungskanal einen kapazitiven Spannungsteiler bereit, welcher die Kapazität des Probekondensators und die effektive Kapazität gegenüber dem Bezugspotential, welche von der kapazitiven Kopplung des Objekts mit dem widerstandsbehafteten Erfassungselement hervorgerufen wird, umfasst. Dies ermöglicht es, die Kapazitäten zwischen jedem der Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems aus der an entsprechenden der Probekondensatoren gemessenen Spannung zu bestimmen.
Ladungstransfertechniken können verwendet werden, wobei beispielsweise jeder der Erfassungskanäle eine Vielzahl von Schaltelementen umfasst und wobei der kapazitive Positionssensor eine Schaltsteuerung umfasst, die konfiguriert ist, die Ausführung einer Schaltsequenz der Schaltelemente zu ermöglichen, sodass die Schaltsequenz es veranlasst, dass jeder der Probekondensatoren mit der Versorgungsspannung verbunden und dann von ihr getrennt wird und die Anschlüsse daraufhin mit dem Bezugspotential des Systems verbunden werden. Dies stellt eine einfache Art und Weise bereit, einen Ladungsbetrag auf jeden der Probekondensatoren zu übertragen, der von den Kapazitäten zwischen jedem der entsprechenden Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems abhängt.
Die Schaltsequenz kann mehrere Male durchgeführt werden, wobei die Anschlüsse von dem Bezugspotential des Systems vor jeder Ausführung der Schaltsequenz getrennt werden, sodass die Probekondensatoren schrittweise zunehmend während jeder Sequenzdurchführung geladen werden. Dies kann eine variable Anzahl von Malen durchgeführt werden, wobei die Anzahl der Sequenzdurchführungen, die notwendig ist, um jeden der Probekondensatoren auf ein vorbestimmtes Ladungsniveau zu heben, die Signale bereitstellt, welche bezeichnend für die Kapazitäten zwischen jedem der Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems sind, oder es kann eine feste Anzahl von Malen durchgeführt werden, wobei die Ladung auf jedem der Probekondensatoren nach einer festen Anzahl von Sequenzdurchführungen die Signale bereitstellt, welche bezeichnend für die Kapazitäten zwischen jedem der Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems sind.
Falls es einen erheblichen Pegel an kapazitiver Hintergrundkopplung zwischen jedem der Anschlüsse und dem Bezugspotential des Systems gibt (d. h. nicht bewirkt durch die Präsenz des Objektes), kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, entsprechende Hintergrundsignale von jedem der Signale vor dem Vergleichsschritt abzuziehen. Die Hintergrundsignale können den Signalen entsprechen, welche erhalten werden, wenn ein Objekt, dessen Position nachgewiesen werden soll, sich distal des kapazitiven Positionssensors befindet. Dies bedeutet, dass Auswirkungen aufgrund der Position des Objektes auf die Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und dem Bezugspotential des Systems von denen isoliert werden können, welche auftreten, wenn das Objekt nicht vorhanden ist. Die Hintergrundsignale können regelmäßig während der Verwendung berechnet werden, um sich ändernde Bedingungen zu berücksichtigen.
Um zu bestimmen, ob ein Objekt vorhanden ist, und um Verwirrung zu vermeiden, die vorkommen könnte, wenn versucht wird, einen Parameter zu erzeugen, welcher die Position eines Objektes anzeigt, wenn ein solches gar nicht vorhanden ist, kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, die entsprechenden Signale von den Erfassungskanälen zu addieren und nur dann einen Parameter zu erzeugen, welcher für die Position eines Objektes bezeichnend ist, falls der Betrag der Summe eine Nachweisschwelle überschreitet. Die Schwelle kann demgemäß gesetzt werden, wie empfindlich ein Designer den kapazitiven Positionssensor wünscht. Wenn es beispielsweise eine Anzahl eng benachbarter kapazitiver Positionssensoren auf einem Steuerfeld gibt, kann der Designer eine hohe Nachweisschwelle erforderlich machen, um vermeintliche Positionsnachweise in einem kapazitiven Positionssensor zu vermeiden, wenn ein benachbarter kapazitiver Positionssensor berührt wird. In einem anderem Fall kann eine geringere Nachweisschwelle bevorzugt sein, um die Empfindlichkeit des kapazitiven Positionssensors zu erhöhen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgelegt sein, ein Statussignal auszugeben, welches anzeigt, ob der Betrag der Summe der Signale die Nachweisschwelle überschreitet. Dies kann zur Unterstützung geeigneter Reaktionen angeschlossener Geräte dienen, beispielsweise funktionale Gerätschaften, welche durch ein Steuerfeld gesteuert wird.
Sobald ein erster Parameter, welcher für die Position eines Objektes bezeichnend ist, erzeugt worden ist, kann der kapazitive Positionssensor dann einen zweiten Parameter erzeugen, welcher für die Position des Objektes zu einem späteren Zeitpunkt bezeichnend ist, und ein Signal ausgeben, welches für die Bewegung des Objektes zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt bezeichnend ist.
Das nachzuweisende Objekt kann ein Zeiger sein, beispielsweise ein Finger oder ein Stift, der von einem Nutzer frei positioniert werden kann. Alternativ kann das Objekt ein Nocken sein, welcher in der Nähe des widerstandsbehafteten Erfassungselements gehalten wird, wobei die Position des Nockens entlang dem widerstandsbehafteten Erfassungselement von dem kapazitiven Positionssensor nachgewiesen wird. Die Position des Nockens kann durch einen Nutzer angepasst werden, beispielsweise durch das Drehen eines Drehknopfes, oder mit einer durch angeschlossene Gerätschaften getriebenen Achse gekoppelt sein, sodass der kapazitive Positionssensor als ein Wertgeber wirken kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das kreisförmige Element eine Vielzahl von diskreten, elektrisch in Reihe geschalteten Widerständen, wobei Elektrodenverbindungen an drei Stellen hergestellt sind, und wobei die Kreuzungen von Widerstandspaaren mit diskreten leitfähigen Elektroden verbunden sind, um individuelle Erfassungsorte zu bilden. Ein minimal-nutzbarer Sensor würde sechs Widerstände entlang des Kreises und damit sechs Erfassungsflächen aufweisen.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen „Fingerblätterrad"-Effekt durch eine Kunststoffoberfläche bereitzustellen.
Weitere Aufgaben einiger Ausführungsformen der Erfindung sind es, einen Sensor mit hoher Zuverlässigkeit, einer versiegelten Oberfläche, geringem Leistungsverbrauch, einfachem Design, einfacher Herstellung und der Fähigkeit, unter Verwendung serienmäßig produzierter Logik oder Mikrocontroller betrieben zu werden, bereitzustellen.
In US 6,466,036 lehrt der Anmelder einen kapazitiven Feldsensor, welcher eine einzelne Kopplungsplatte verwendet, um eine Änderung der Kapazität gegenüber einem Bezugspotential nach zuweisen. Dieses Gerät umfasst eine Schaltung, welche Wiederholungszyklen von Laden-dann-Transfer oder Laden-mit-Transfer unter Verwendung gewöhnlicher integrierter CMOS Gegentakttreiberschaltungen (push-pull driver circuitry) benutzt. Diese Technologie bildet die Basis einiger Ausführungsformen der Erfindung und wird durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen.
Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Erfassungselement, eine Vielzahl von diskreten Erfassungsflächen innerhalb des Erfassungselements und eine Steuerschaltung, welche dazu ausgelegt ist, eine kreisrunde Oberfläche bereitzustellen, auf der der Ort eines kapazitiv mit dem Erfassungselement oder einer der Erfassungsflächen gekoppelten Fingers abzulesen ist, wobei die Steuerschaltung drei Erfassungskanäle zum simultanen Messen der Kapazität an drei Elektrodenpunkten entlang des Kreises aufweist, und ein Berechnungsgerät, wie beispielsweise eine Verarbeitungseinheit, welche Verarbeitungslogikschaltungen umfasst, berechnet das Verhältnis der relativen Änderungen im Betrag der an den drei Punkten gemessenen Kapazität. Das Ergebnis dieser Berechnung ist ein eindimensionaler Winkelkoordinatenwert sowie ein Nachweisstatusindikator, welche beide einer weiteren Funktion übergeben werden können, beispielsweise einer Anwendungssteuerung, welche die Koordinate und den Nachweisstatus als Befehl oder Messung interpretiert. Der Offenbarungsgehalt von WO 2005/019766 A2 wird durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Erfassungselement ein kreisförmiges Element mit drei separaten Elektroden darauf. Verbindungen werden zwischen jeder Elektrode und einer Schaltung hergestellt, welche aus kapazitiven Signalerfassungs- und Signalverarbeitungsmitteln besteht. Das Element ist normalerweise auf einem isolierenden Substrat angeordnet und ist groß genug, um die gewünschten Ziele zu Nachweiszwecken aufzunehmen. Das Erfassungsfeld verläuft durch das Sub strat; die andere Seite des Substrats bildet die aktive Erfassungsfläche für menschliche Berührung oder einen mechanischen Nocken. Direkte Berührung auf dem Element ist ebenso möglich, wobei in diesem Fall das Substrat nur als mechanischer Träger dient. Während angenommen wird, dass ein Element fest genug sein könnte, dass kein Substrat benötigt wird, wird das Element normalerweise eine dünne Schicht sein, die mechanische Stützung benötigt.
Einige Definitionen werden nun festgelegt. Die Begriffe „Verbindung(en)" oder „verbunden" beziehen sich auf entweder galvanischen Kontakt oder kapazitive Kopplung. „Element" bezieht sich auf das physikalische elektrische Erfassungselement aus leitfähigen Substanzen. „Elektrode" bezieht sich auf einen der galvanischen Verbindungspunkte, welche mit dem Element hergestellt werden, um es mit geeigneter Treiber-/Sensorelektronik zu verbinden. Die Begriffe „Objekt" und „Finger" werden synonym in Bezug auf entweder ein lebloses Objekt wie einen Nocken oder einen Zeiger oder eine Stift verwendet, oder alternativ einen menschlichen Finger oder ein anderes Gliedmaß, deren Anwesenheit nahe dem Element eine lokalisierte kapazitive Kopplung von einem Bereich des Elements zurück zu einem Schaltungsbezug über irgendeinen schalttechnischen Pfad hervorrufen werden, ob galvanisch oder nicht-galvanisch. Der Begriff „Berührung" beinhaltet entweder physischen Kontakt zwischen einem Objekt und dem Element oder Nähe im freien Raum zwischen Objekt und Element oder physischen Kontakt zwischen Objekt und einem Dielektrikum (wie etwa Glas), welches sich zwischen Objekt und Element befindet, oder Nähe im freien Raum unter Einbeziehung einer zwischen Objekt und Element liegenden Schicht aus Dielektrikum. Hinfort beziehen sich die Begriff „Kreis" oder „kreisförmig" auf jedes Ellipsoid, Trapezoid oder andere geschlossene Schleife von beliebiger Größe und Umriss mit einem offenen mittleren Bereich. Die Erwähnung spezieller Schaltungsparameter oder Ausrichtung soll nicht als beschränkend für die Erfindung verstanden werden, da ein weiter Bereich von Parametern unter Anwendung geringer oder keiner Änderungen an den Schaltungen oder Algorithmen möglich ist; spezielle Parameter und Ausrichtungen werden ausschließlich zu erläuternden Zwecken verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung und zeigt ein Mobiltelefon;
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht des leitfähigen Erfassungselements von 1, welches an eine Seite einer dielektrischen Oberfläche angebracht ist;
3 zeigt das Elektrodenmuster des Erfassungselements von 2 zusammen mit der Verdrahtung des Steuerschaltkreises, welcher als ein Mikrocontroller ausgestaltet ist;
4A zeigt Signale für eine ideale Kanalantwort der Radelektroden von 3;
4B zeigt Signale für eine reale Kanalantwort von den Radelektroden von 3; und
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verarbeitungsalgorithmus für den Sensor von 3.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, welche ein Mobiltelefon zeigt.
Im Bezug auf 1 wird eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, welche ein Mobiltelefon 100 mit einem Multifunktionssensor 5 zeigt, der ein ringförmiges Erfassungselement 60, welches ein sogenanntes Rad bildet, diskrete Erfassungstasten 10, 20, 30, 40, welche innerhalb der Fläche des Erfassungselements 60 gebildet sind, und eine zentrale Erfassungstaste 50 umfasst. Eine Anzeige 70 wird ebenfalls als über der Sensorfläche platziert gezeigt. Die Anzeige 70 und der Multifunktionssensor 5 sind in einer Frontfläche 80 des Gerätes ausgebildet, welche aus einem geeigneten Kunststoffmaterial oder einem anderen frei wählbaren Material wie Glas, einem Keramikmaterial, einem Kompositmaterial, oder einem natürlichen Material wie Holz oder Holzfurnier hergestellt sein kann. Sie kann auch lackiert sein.
Es sollte verständlich sein, dass in anderen Ausführungsformen das Gerät ein Musikabspielgerät, ein Radio, eine Spielkonsole, eine Fernbedienung oder ein Gerät, das mehrere der oben genannten Funktionen eines Telefons, Musikabspielgeräts, Videoabspielgeräts, Fotospeichers und/oder -anzeigegeräts, Radios, Spielkonsole, während des Fliegens verwendete Multimediasteuereinheit und so weiter in sich vereinen kann, sein kann.
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht des Bereichs, der den Multifunktionssensor 5 beherbergt. Der Multifunktionssensor 5 ist in einem Bereich der Frontfläche 80 ausgebildet, wobei die Frontfläche 80 ein Substrat für den Multifunktionssensor 5 bildet. Das Substrat hat eine obere Oberfläche 85, d. h. die externe Oberfläche des Gerätes, welche sowohl eine ringförmige Aussparung 65, die darin als Teil des ringförmigen Erfassungselements 60 ausgebildet ist, als auch eine kreisförmige Aussparung 55 besitzt, die im Zentrum der ringförmigen Aussparung 65 als Teil der zentralen Erfassungstaste 50 ausgebildet ist. Die Aussparungen 55 und 85 sind so dimensioniert, dass sie eine Tastplatzierung eines menschlichen Fingers zulassen. Die Aussparungen 55 und 85 werden durch Fräsen, Ausformen oder einen anderen geeigneten Prozess hergestellt. Vier weitere kreisförmige Aussparungen 75 werden in der Basis der kreisförmigen Aussparung 65 als Teil der diskreten Erfassungstasten 10, 20, 30, 40 ausgebildet. Diese weiteren Aussparungen 75 sind relativ flach, sodass ein Fin ger um die ringförmige Aussparung ohne übermäßige Behinderung abrollen kann, aber sie es nichtsdestotrotz zulassen, dass ein Nutzer ihre Anwesenheit spürt. Als eine Alternative zu weiteren Aussparungen 75 könnte ein Überstand verwendet werden, um es dem Nutzer zu ermöglichen, die Orte der Tasten 10, 20, 30 und 40 zu finden, oder eine andere taktile Rückkopplung, wie beispielsweise eine Änderung der Oberflächenrauigkeit über der Tastenfläche.
Die Frontfläche hat auch eine untere Oberfläche 95, auf der leitfähige Erfassungselektroden 104, 105, 106 und 108 platziert sind. Elektrode 108 ist unter der zentralen kreisförmigen Aussparung 55 für die zentrale Taste 50 platziert. Elektroden 104, 105 und 106 sind außerhalb der Elektrode 108 angeordnet und haben gemeinsam eine ringförmige Form. Ein radial gesehen äußerer Bereich der Elektroden 104, 105 und 106 ist unter der ringförmiger Aussparung 65 (und den radialen Tastenaussparungen 75) angeordnet.
Die leitfähigen Elektroden sind auf der unteren Oberfläche 95 angebracht. Dies kann durch direktes Bonden, z. B. durch Aufdampfung, oder durch Bonden oder Anbringen eines Film von Stützmaterial (nicht gezeigt), z. B. eines dünnen Films aus flexiblem dielektrischen Kunststoffmaterial, an eine Seite einer dielektrischen Oberfläche geschehen, wobei die Elektroden auf dem Stützmaterial geformt werden.
Die leitfähigen Elektroden können in ganz unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, beispielsweise unter Verwendung von PCB, FPCB, Silber oder Kohlenstoff auf Film, ITO (Indiumzinnoxid) auf Film, oder Orgacon^TM-Tinte auf Film. Die Dicke des Feldes 80 kann gemäß dem verwendeten Material und der Elektrodengröße variiert werden, indem das für die Sensoren ausgewählte Schwellwertniveau angepasst wird. Üblicherweise wird das Feld eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm haben, gebräuchlicherweise zwischen 2 mm und 6 mm. Für Glas ist die maximal mögliche Dicke üblicherweise etwa 10 mm, für Kunststoffmaterial etwa 5 mm.
Die Tastenflächen 10, 20, 30, 40 können zusätzlich ein druckerfassendes Element aufweisen, welches unter den Elektroden 104, 105 und 106 angeordnet ist. Das druckerfassende Element umfasst einen druckerfassenden Signalwandler, der entweder einen diskreten oder analogen Ausgang haben kann und der ohne Einschränkung aus jedem kompressiblen Material in jeder Form hergestellt werden kann, welche in einer vorhersagbaren Weise auf einen angelegten Druck reagieren kann.
Die Tastenflächen 10, 20, 30 und 40 können zusätzlich ein haptisches Element unter den Elektroden 104, 105 und 106 angeordnet aufweisen, um akustische oder in Bewegung umgesetzte Reaktionen unter der Steuerung durch entweder die Verarbeitungseinheit oder unter unabhängiger Steuerung durch das Gerät bereitzustellen. Das haptische Element kann ohne Einschränkung einen Solenoid, Lautsprecher, Piezoelement, Motor, oder andere Signalumsetzer mit beweglicher Masse, welche auf eine angelegte Energiequelle reagieren können, umfassen.
3 zeigt in ihrem oberen rechten Bereich das Elektrodenmuster der leitfähigen Elektroden 104, 105, 106 und 108 zusammen mit der Verdrahtung der Steuerschaltung, die hauptsächlich durch einen Verarbeitungseinheit-Chip 125 implementiert ist, welcher ein einzelnes logisches Gerät wie beispielsweise ein Mikrocontroller sein kann. Der Mikrocontroller kann vorzugsweise eine gegentaktartige CMOS-Pinstruktur aufweisen und einen Eingang, welcher eingerichtet werden kann, als Spannungsvergleicher zu wirken. Die meisten üblichen Eingabe-/Ausgabeanschlüsse von Mikrocontrollern sind in der Lage dies zu tun, weil sie sowohl eine relativ gesehen feste Eingangsschwellspannung als auch nahezu ideale MOSFET-Schalter aufweisen. Die notwendigen Funktionen können durch einen einzelnen programmierbaren Allzweckmikroprozessor, Mikrocontroller oder einen anderen integrierten Chip, bei spielsweise ein feldprogrammierbares Gatearray (FPGA) oder einen anwendungsspezifischen integrierten Chip (ASIC), bereitgestellt werden.
Die zentrale Elektrode 108 hat wie veranschaulicht eine kreisförmige Form. Jede der drei Elektroden 104, 105 und 106 für das ringförmige Erfassungselement 60 besitzt die gleiche Form, wobei die Elektroden um 120° jeweils winkelversetzt zueinander stehen, um ein komplettes ringförmiges Muster auszubilden. Jede Elektrode erstreckt sich über zwei Drittel der Winkelausdehnung des Erfassungselements 60, d. h. über 240°. Über einen radial gesehen äußeren Bereich ihrer gemeinsamen Erstreckung, die in etwa mit der ringförmigen Aussparung 65 übereinstimmt, stehen bei jedem spezifischen Winkel zwei der drei Elektroden in einer sich verjüngenden Beziehung zueinander, wobei die andere Elektrode nicht vorhanden ist. Die Winkelposition einer Berührung eines Fingers an einer gegebenen Stelle in der ringförmigen Aussparung kann damit aus der Abwesenheit des Signals einer Elektrode und dem Verhältnis der Signale der anderen beiden Elektroden bestimmt werden.
Andere geometrische Formen leitfähiger Elektroden können verwendet werden, um für denselben Effekt zu sorgen. Weitere Einzelheiten dieser Arten von Anordnung werden in meinem früheren Patent US 6,288,707 (siehe z. B. 4, 5 & 6 und dazugehörige Beschreibung) und auch meiner früheren Anmeldung WO 2005/019766 A2 (siehe 15 und dazugehörige Beschreibung) gegeben. Was wichtig ist, ist dass die sich komplementär erstreckenden Paare von Elektroden eine Gradierung (Abstufung) in der empfindlichen Fläche mit dem Winkel bereitstellen.
Die Elektroden 104, 105, 106 und 108 haben entsprechende Anschlüsse 101, 102, 103 und 107, wo entsprechende Verbindungsleitungen elektrisch für entsprechende Erfassungskanäle CH0, CH1, CH2 und CH3 wie dargestellt verbunden sind.
Die Verbindungsleitungen für die Erfassungskanäle CH0, CH1, CH2 und CH3 führen durch entsprechende Widerstände R0, R1, R2 und R3 und zweiteilen sich dann, wobei eine Verbindung jedes Paares direkt mit einem Pin des Mikrocontrollerchips 125 verbunden ist und die andere Verbindung über einen entsprechenden Kondensator C0, C1, C2 und C3, welche die Erfassungskondensatoren zur Ladungssammlung und -anhäufung während Bursts sind, verbunden ist.
Die anderen dargestellten Pins verbinden zwei Ausgabeleitungen 122 und 124. Die Ausgabeleitung 122 dient zur Ausgabe von Winkelwerten, welche die Bewegungswinkel δΘ um das Rad, d. h. den ringförmigen Sensor, herum repräsentieren. Die Ausgabeleitung 124 dient zur Ausgabe von Berührungssignalen, die von der zentralen Berührtaste 50 oder jeder der Tasten 10, 20, 30, 40, die auf dem ringförmigen Erfassungselement angeordnet sind, stammen können. Die Ausgaben können entweder ein pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM), welches in analoge Form gefiltert werden kann, oder eine serielle Ausgabe wie beispielsweise die wohl bekannten UART-, SPI- oder I2C-Formate (oder jeder andere Typ) sein.
Weitere Pins des Mikrocontrollers 125 sind nicht dargestellt, wie beispielsweise Pins für ein Bezugspotential und einen positiven Strom, Rücksetzen, Taktgeber, Adressauswahl und so weiter, da diese keinen direkten Einfluss auf die Erfindung haben und leicht von einem Fachmann verstanden werden können.
Zurückkommend auf den Multifunktionssensor 5, zeigt die Figur mit gestrichelten Linien vier Winkelabschnitte entlang dem ringförmigen Erfassungspfad, die um 90° zueinander versetzt sind und von denen jeder einen Winkel von 30° überspannt. Nämlich erstreckt sich ein erster Abschnitt 110 von Winkel Θ₁ bis Θ₂, ein zweiter Abschnitt 111 erstreckt sich von Winkel Θ₃ bis Θ₄, ein dritter Abschnitt 112 erstreckt sich von Winkel Θ₅ bis Θ₆ und ein vierter Abschnitt 113 erstreckt sich von Winkel Θ₇ bis Θ₈. Diese vier Abschnitte zeigen Erfas sungsflächen für vier virtuelle Tasten in dem ringförmigen Erfassungspfad und entsprechen Tasten 10 bis 40 in 1, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass sie in 3 um 45° gedreht im Vergleich zur Darstellung von 1 dargestellt sind.
Die Tasten 10 bis 40 werden als virtuelle Tasten bezeichnet, da sie keine fest zugewiesenen Elektroden aufweisen, sondern durch Verarbeitung der Signale von den Elektroden 104, 105 und 106 identifiziert werden.
Der Betrieb der Schaltung wird nun beschrieben. Die Signale von den drei ringförmigen Elektroden werden gemeinsam in der Verarbeitungseinheit 125 verarbeitet, um einen Berührungswinkel auf dem ringförmigen Erfassungspfad zu bestimmen.
Der volle Winkelbereich von 360° ist in einer beispielhaften Ausgestaltung in ein Maximum von 255 unterteilt, welche ein einzelnes Byteregister für den Winkel verwendet und damit eine Winkelschrittweite von grob gesagt 1,4° bereitstellt. Gröbere Winkelauflösungen können dadurch gesetzt werden, dass der Mikrocontroller geeignet programmiert wird. Üblicherweise wird für ein durch einen Finger betätigtes Rad die Winkelauflösung derart eingestellt, dass jede Winkelschrittweite irgendwo zwischen 10° und 20° und 40° und 50° liegt. Winkelschrittweiten die sich an 180° oder größere Werte annähern sollten nicht verwendet werden, da es unmöglich wird, eine Blätterrichtung zu bestimmen, d. h. zwischen Bewegung in und gegen den Uhrzeigersinn zu unterscheiden.
4A wird nun verwendet, um den Algorithmus zu beschreiben, welcher in der Schaltungslogik zur Berechnung des Radwinkels verkörpert ist. Die Figur ist ein Graph, welcher Signale für ein ideales Kanalansprechverhalten von den Radelektroden 104, 105 und 106 als Funktion des Winkels zeigt, wobei der Nullwinkel bei 12 Uhr oder nördlicher Richtung angenommen wird. Das Signal von der Elektrode 104 ist durch die strich punktierte Linie gezeigt, das von der Elektrode 105 durch die gestrichelte Linie und das von Elektrode 106 durch die zweifach strichpunktierte Linie gezeigt. Wie dargestellt gibt es in dem Winkelbereich zwischen 0° und 120° kein Signal von der Elektrode 106, da sie über diesen Bereich keine Winkelerstreckung aufweist, und das Signal ist ein linear variierender Verhältniswert von den Elektroden 104 und 105, welches von der Elektrode 104 bei 0° und von der Elektrode 105 bei 120° dominiert wird, wobei die beiden Elektroden 104 und 105 gleiche Signalstärken bei 60° bereitstellen. Weiterhin, gibt es in dem Winkelbereich zwischen 120° und 240° kein Signal von der Elektrode 104, und das Signal ist ein Verhältniswert von den Elektroden 105 und 106, welches von der Elektrode 105 bei 120° und von der Elektrode 106 bei 240° dominiert wird, wobei die beiden Elektroden 105 und 106 gleiche Signalstärken bei 180° bereitstellen. Schließlich gibt es in dem Winkelbereich zwischen 240° und 360° kein Signal von der Elektrode 105, und das Signal ist ein Verhältniswert von den Elektroden 106 und 104, welches von der Elektrode 106 bei 240° und von der Elektrode 104 bei 360° dominiert wird, wobei die beiden Elektroden 106 und 104 gleiche Signalstärken bei 300° bereitstellen. Zum Vergleich sind die Winkelbereiche der Winkelabschnitte, welche den virtuellen Tasten zugeordnet sind, ebenfalls in dem Graph dargestellt.
4B ist ähnlich der 4A, veranschaulicht aber schematisch, was in Wirklichkeit für die Signale des Kanalansprechverhaltens von den Radelektroden erwartet werden könnte. Es ist ersichtlich, dass die Spitzen der drei Elektroden nicht denselben Signalbetrag aufweisen, und auch, dass jedes Elektrodensignal unterschiedlichen Nullachsversatz aufweist. Der Verlauf der Paare verhältnisgestützter Signale ist ebenfalls nicht exakt linear. Diese Abweichungen vom Ideal können zumindest teilweise durch geeignete Signalverarbeitung berücksichtigt werden.
Der Berührwinkel, welcher von den Signalen von den Elektroden 104, 105 und 106 abgeleitet wird, berechnet sich wie folgt.
Zuerst wird jedes der Signale S0, S1 und S2 von Kanälen CH0, CH1, bzw. CH2 im Verhältnis zur Burstdauer des Kanals skaliert, welche bei der Kalibrierung gefunden wurde, um normalisierte Signale S0', S1' und S2' bereitzustellen. Die Burstdauer ist die Anzahl der Zyklen der Ladungsansammlung in dem Erfassungskondensator, die benötigt wird, um eine durch einen Vergleicher gesetzte Schwellspannung zu erreichen. Dies verbessert die Linearität.
Als zweites wird das kleinste der normalisierten Signale S0', S1' und S2' identifiziert. Dieses wird von den anderen zwei Signalen abgezogen, um Signale A und B bereitzustellen. Das kleinste Signal identifiziert auch, in welchem der drei Hauptwinkelabschnitte des Rades die Berührung gelegen ist, beispielsweise wenn S1' das kleinste Signal ist, liegt die Berührung zwischen 240° und 360°.
Als drittes wird der Winkel zu [120·A/(A – B)] + s·120 berechnet, wobei s die Abschnitts- oder Kanalnummer ist, d. h. 0, 1 oder 2 in diesem Beispiel.
Die Verarbeitungseinheit ist daher betreibbar, um die Position des Objektes innerhalb des bestimmten Abschnitts durch eine verhältnisgestützte Auswertung der Signale, die von den sich über den bestimmten Abschnitt erstreckenden Anschlüssen genommen werden, zu bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass dies eine reichlich oberflächliche Beschreibung ist. Für eine tiefergehende, detaillierte Beschreibung, welche zeigt, wie die Ladung angesammelt wird und in Signaleingänge des Mikrocontrollers übertragen wird, verweisen wir auf WO 2005/019766 A2 , insbesondere die detailierte Beschreibung von 5 bis 8 und 10 darin, die durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen wird. Wei ter Einzelheiten können in US 7,148,704 gefunden werden, welche durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen wird.
Zusätzlich wird der Mikrocontroller 125 ein Signal S3 von CH3 bestimmen. Dies stammt von der einzelnen fest zugewiesenen Berührelektrode 108. Die Erfassung des Signals S3 ist eine gewöhnliche Einzeltastenerfassung wie im Stand der Technik beschrieben, wie beispielsweise mein Patent US 6,466,036 .
Nachdem nun beschrieben worden ist, wie ein Winkelwert erhalten wird, wird die Signalverarbeitung nun auf höherer Ebene beschrieben.
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verarbeitungsalgorithmus für den Multifunktionssensor.
In Schritt S1 bestimmt die Verarbeitungseinheit, ob die zentrale Taste (CH3) „im Nachweis steht". Im einfachsten Falle bedeutet „im Nachweis zu stehen", dass das Signal über dem Schwellwert für einen einzelnen Nachweiszyklus liegt. Jedoch wird vorzugsweise ein Nachweisintegrator verwendet, wobei ein Nachweis nur dann ausgegeben wird, falls mehr als eine gesetzte Anzahl von aufeinander folgenden Nachweisen gemeldet worden ist. Sobald ein Nachweis unter den Schwellwert fällt, wird die Integration abgebrochen und von Null neu begonnen. Die benötigte Anzahl von aufeinander folgenden Nachweisen ist in dem Mikrocontroller programmierbar und kann zwischen 1 und 256 (d. h. ein Byteregister) gesetzt werden. Typische Werte liegen zwischen 3 und 5. Falls CH3 im Nachweis steht, wird ein Bit-Marker für ein gültiges Ergebnis gesetzt und der Fluss geht über zu Schritt S4, der in Anbetracht des gesetzten Bit-Markers für ein gültiges Ergebnis übersprungen wird, und ein Berührsignal wird in Schritt S5 auf Leitung 124 (Pin 10 des Mikrocontrollers) ausgegeben. Falls CH3 nicht im Nachweis steht, geht der Prozessfluss über zu Schritt S2 und es wird überprüft, ob das Rad im Nachweis steht. Wiederum wird Nachweisintegration bevorzugt verwendet, um Unanfälligkeit gegenüber Rauschen zu gewährleisten. Falls das Rad nicht im Nachweis steht, springt der Prozess zurück vor Schritt S1. Falls das Rad im Nachweis steht, geht der Prozess über zu Schritt S3, um die Art des Radnachweises zu bestimmen.
Der Radnachweis kann entweder als ein Blättern, d. h. eine Winkeleingabe, oder als eine Berührung, d. h. ein Tastendruck auf eine der virtuellen Tasten bestimmt werden.
Um als eine Berührung bestimmt zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von zumindest m Nachweisen von Winkeln Θ_i vorliegt, die innerhalb eines der vorab zugewiesenen Winkelbereiche für die virtuellen Berührtasten liegen, d. h.
Θ₁ < Θ_i < Θ₂ für zumindest m Nachweise,
Θ₃ < Θ_i < Θ₄ für zumindest m Nachweise,
Θ₅ < Θ_i < Θ₆ für zumindest m Nachweise, oder
Θ₇ < Θ_i < Θ₈ für zumindest m Nachweise.
Die minimal erforderliche Anzahl von Nachweisen ist vorzugsweise zumindest 3, noch bevorzugter zwischen 3 und inklusive 10.
Um als ein Blättern bestimmt zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von zumindest k Nachweisen von sukzessive ansteigendem oder sukzessive abfallendem Winkel Θ_i vorliegt, die sich über zumindest einen Schwellwinkel erstrecken. Der Schwellwinkel ist daher ein Winkel, um den herum geblättert werden muss, bevor ein Blättern nachgewiesen wird. Für einen durch einen Finger ausgelösten Sensor wird dies vorzugsweise auf irgendwas zwischen 10° und 90° gesetzt, noch bevorzugter zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50°. Die Ausgabe ist der gesamte Winkelbereich, über den sich die Sequenz sukzessive ansteigender oder sukzessive abfallender gemeldeter Winkel erstreckt. Die minimale Anzahl von Nachweisen k für Blättern kann in geeigneter Weise gleich der minimalen Anzahl an Nachweisen m für eine virtuelle Berührung sein. Die Anzahl k wird auch vorzugsweise mit Blick auf die Winkelauflösung des Erfassungspfads gesetzt, sodass sie einen minimalen Winkelversatz impliziert.
Falls eine Berührung einer virtuellen Taste oder ein Blättern bestimmt wird, dann wird der Bit-Merker für ein gültiges Ergebnis gesetzt.
In Schritt S4, falls ein gültiges Ergebnis in der zentralen Taste oder dem Rad aufgetreten ist, schreitet der Prozess dann voran zu Schritt S5 und ein Signal wird an einem der Pins 9 und 10 des Mikrocontrollers, d. h. an eine der Leitungen 122 und 124, ausgegeben. Falls ein Blättern nachgewiesen worden ist, dann wird der Winkelbereich δΘ des Blätterns auf Leitung 122 ausgegeben. Falls eine Berührung nachgewiesen worden ist, dann wird dies auf Leitung 124 mit einer Angabe ausgegeben, ob die Berührung auf der „realen" zentralen Taste 108 oder auf einer der „virtuellen" Tasten 110 bis 113 liegt. In einer alternativen Ausgestaltung werden die Ausgabe auf einem einzelnen Pin ausgegeben. Der Prozessfluss springt dann zurück vor Schritt S1 und wiederholt sich endlos, bis er durch einen geeigneten Befehl unterbrochen wird.
Es sollte klar sein, dass der beispielhafte Prozessfluss von 5 einer von vielen möglichen Optionen ist. Zum Beispiel können die Signale von Rad und zentraler Taste parallel verarbeitet werden. Zudem kann Tastenunterdrückung benachbarter Tasten zwischen der zentralen Taste und den Radsignalen verwendet werde, beispielsweise wie in meinem früheren Patent US 6,993,607 und Anmeldung US 11/279,402 . Weiterhin sollte es klar sein, dass in einer alternativen Ausführungsform auf die zentrale Taste verzichtet werden kann.
Es sollte ebenso klar sein, dass obwohl sich die oben gegebene Beschreibung auf ein Rad mit virtuellen Tasten bezieht, der leitfähige Erfassungspfad nicht kreisförmig sein muss. Zum Beispiel kann ein linearer Pfad benutzt werden, d. h. ein sogenannter Schieber. Die Betriebsweise würde analog zu einem Gerät mit ringförmigem Pfad ablaufen, wobei es klar ist, dass Bezüge auf Winkelverschiebungen und so weiter in dem obigen Beispiel durch lineare Verschiebungen ersetzt würden. Ein Gerät mit linearem Pfad kann vorteilhaft zur Steuerung häuslicher Anwendungen wie beispielsweise Mikrowellenöfen und Herdbedienelemente (d. h. Einsenkstempel) sein. Andere Formen eines Erfassungspfads sind ebenso möglich, wie beispielsweise beschrieben in WO 2005/019766 A2 , speziell in deren 14A und 14C. Ein linearer Erfassungspfad kann auch für einige computerbezogene Anwendungen zum Blättern durch Officeanwendungen bevorzugt sein, beispielsweise ein sich vertikal erstreckender Schieber entlang einer Seite einer Anzeigefläche oder zusammenhängend mit der Anzeigefläche.
Weiterhin ist Betätigung durch einen Finger nicht die einzige mögliche Ausgestaltung. Eine Drehknopfbetätigung, wobei der Drehknopf einen kapazitiven Aktuator wie einen Nocken hat, kann verwendet werden, wie in WO 2005/019766 A2 beschrieben, speziell mit Bezug auf deren 11A und 11B oder 12. Dies kann für eine höhere Auflösung entlang dem Erfassungspfad sorgen.
Weiterhin sollte es klar sein, dass ein widerstandsbehafteter Erfassungspfad statt eines leitfähigen Erfassungspfads verwendet werden kann, wie in WO 2005/019766 A2 , speziell in Bezug auf deren 3 bis 8, beschrieben ist. Ein widerstandsbehafteter Erfassungspfad kann aus jedem beliebigen widerstandsbehafteten Material inklusive Kohlenstofffilm, Metallfilmen, ITO oder SnO, leitfähigen Kunststoffen, auf Bildschirmen aufgebrachten Leitern, gesputterten Leitern etc. ohne Einschränkung im Hinblick auf Material oder Art der Aufbringung hergestellt sein.
Das obige Beispiel zeigt vier virtuelle Tasten, welche in gleichen Winkelabständen entlang dem Erfassungspfad verteilt sind. Es sollte klar sein, dass die Platzierung der virtuel len Tasten entlang dem Erfassungspfad willkürlich ist, und dynamisch in einem einzelnen Gerät verändert werden kann, falls gewünscht. Zudem kann die Anzahl von virtuellen Tasten willkürlich aus jedweder Anzahl von 1 bis zu der gemäß der Auflösungsbeschränkungen maximal möglichen Anzahl ausgewählt werden. Dies trifft zu, egal, welche Form der Erfassungspfad aufweist, d. h. ringförmig, linear etc.
Das obige Beispiel zeigt drei Elektroden, die den Erfassungspfad bilden. Die Anzahl der Elektroden kann wie gewünscht verändert werden. Drei ist die minimale Anzahl für einen geschlossenen Ring. Zwei ist das Minimum für einen nicht geschlossenen Pfad. Typische Zahlen solcher Elektroden werden sich im Bereich zwischen 3 und 5 bewegen.
Es sollte weiterhin klar sein, dass das oben erwähnte Burst-Häufen bis zu einer Schwelle, die durch einen Vergleicher definiert ist, nur einen Modus zur Signalsammlung darstellt. Andere Ladungstransfersequenzen können ebenfalls verwendet werden. Beispielsweise kann in anderen Schemata eine ähnliche Schaltsequenz zu der oben beschriebenen eine bestimmte Anzahl von Malen ausgeführt werden (statt einer variablen Anzahl von Malen basierend darauf, ob eine Bezugsschwellspannung überschritten wird). Nach der festen Anzahl von Malen kann die Spannung auf jedem Probekondensator unter Verwendung eines Analog-zu-Digital-Wandlers gemessen werden, und besagte Spannungen können verwendet werden, um die Position einer Berührung in einer zu der oben beschriebenen analogen Art und Weise zu bestimmen (wobei jedoch erinnert wird, dass besagte Spannungen direkt im Verhältnis zur Menge der während jedes Transferzyklus transferierten Ladung stehen würden und nicht im umgekehrten Verhältnis wie beim Burstmodus). Burstmodusbetrieb hat jedoch den Vorteil, dass er mit Vergleichern und Zählern statt mit komplizierteren Analog-zu-Digital-Wandlern ausgestaltet werden kann.
Es sollte auch klar sein, dass die Methode des Schaltens, die hierin beschrieben ist, auf jede der Schaltsequenzen und Topologien wie in meinem Patent US 6,466,036 beschrieben angepasst werden kann, und diese werden durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen.
Weiterhin sollte es klar sein, dass das Berührfeld vorzugsweise einen Schlafmodus zum Energiesparen hat, in welchem die Berühroberfläche über längere Zeitintervalle abgefragt wird. Der Schlafmodus wird automatisch nach einer bestimmten Zeitdauer ohne Eingaben aktiviert.
Es gibt viele mögliche Variationen, wie einem Fachmann offensichtlich sein wird, welche verschiedene Kombinationen von Nachweisverfahren oder Schaltsequenzen beinhalten, die speziell hierin umrissen werden. Das Verfahren kann mit Verfahren kombiniert werden, die in jedweder beliebigen Anzahl der früheren Patente des Erfinders gelehrt werden, inklusive Verfahren zum Driftausgleich, Kalibrierung, Feuchtigkeitsunterdrückung mit kurzen Schalterschlusszeiten, Rauschunanfälligkeit über variable Zeitpulsmodulation (Spreizspektrum) und dergleichen.
Obwohl davon auszugehen ist, dass die vorangegangene eher weit gefasste zusammenfassende Beschreibung einem Fachmann auf dem Gebiet, der lernen möchte, wie die Erfindung in die Praxis umzusetzen ist, von Nutzen sein könnte, sollte es klar sein, dass der vorangegangene Vortrag nicht dazu dient, alle der Merkmale und Vorteile aufzuzählen.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, können unzählige Modifikationen und Abänderungen vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist es beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen und Abänderungen als innerhalb des Umfangs und Bereichs der Erfindung liegend angesehen werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein kapazitiver Positionssensor, umfassend einen vorzugsweise ringförmigen Erfassungspfad, wobei der Erfassungspfad eine oder mehrere virtuelle Tasten entlang seiner Erstreckung aufweist. Der Erfassungspfad hat eine Vielzahl von Anschlüssen, welche mit ihm verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen, wobei jeder Anschluss einen Erfassungskanal für ein eine Kapazität bezeichnendes Signal bereitstellt. Die Erfassungskanäle stellen die Signale für einen Prozessor, vorzugsweise einen Mikroprozessor, bereit, welcher betreibbar ist, zwischen einer Berührung eines Nutzers zur Betätigung einer der virtuellen Tasten und einer Berührung zur Durchführung einer Blätterfunktion zu unterscheiden. Um als ein Blättern identifiziert zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von Nachweisen vorliegt, welche zumindest eine Schwellentfernung überspannen, zum Beispiel eine Winkelentfernung oder eine lineare Entfernung. Um als eine Berührung nachgewiesen zu werden, ist es notwendig, dass eine Folge von Nachweisen vorliegt, welche alle innerhalb einer der vorher zugewiesenen Positionen virtueller Tasten liegen.
REFERENZEN

US 6,452,514
WO 2005/019766 A2
US D472,245
GB 2050621 A
US 4,158,216
WO 03/088176 A1
US 5,977,956
US 6,993,607
US 11/279,402
US 6,466,036
US 6,288,707
US 7,148,704

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6452514 [0003, 0093]
- US 472245 [0005, 0093]
- WO 2005/019766 A2 [0006, 0008, 0008, 0034, 0054, 0070, 0082, 0083, 0084, 0093]
- GB 2050621 A [0007, 0093]
- US 4158216 [0007, 0093]
- WO 03/088176 A1 [0007, 0093]
- US 5977956 [0007, 0093]
- US 6993607 [0018, 0081, 0093]
- US 11/279402 [0018, 0081, 0093]
- US 6466036 [0033, 0071, 0088, 0093]
- US 6288707 [0054, 0093]
- US 7148704 [0070, 0093]

Claims

Ein kapazitiver Positionssensor zum Nachweis einer Position eines Objektes, umfassend: (a) ein Erfassungselement, umfassend einen Erfassungspfad, wobei der Erfassungspfad eine oder mehrere ausgewiesene Erfassungsflächen entlang seiner Länge aufweist; (b) eine Vielzahl von Anschlüssen, welche mit dem Erfassungselement an verschiedenen Orten entlang dem Erfassungspfad verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen; (c) eine Vielzahl von Erfassungskanälen, welche mit entsprechenden der Anschlüsse verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal betreibbar ist, ein für die Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems bezeichnendes Signal zu erzeugen; und (d) eine Verarbeitungseinheit, die betreibbar ist, zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, indem sie die Signale von den Erfassungskanälen vergleicht, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts zu bestimmen, indem sie zumindest die Signale von den diesen Abschnitt überspannenden Anschlüssen vergleicht, wobei die Verarbeitungseinheit betreibbar ist, zwischen einer Tastenberührung an einer absoluten Position auf einer der Vielzahl von Erfassungsflächen und einer durch einen Bewegungsversatz entlang des Erfassungspfads hervorgerufenen Blätterberührung jeweils basierend auf der Dauer der Berührung und der Entfernung des Versatzes entlang dem Erfassungspfad zu unterscheiden.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei der Erfassungspfad eine geschlossene Schleife bildet.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß Anspruch 2, wobei die geschlossene Schleife kreisförmig ist, wodurch sie einen ringförmigen Erfassungspfad bildet.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß Anspruch 3, weiterhin umfassend ein weiteres kapazitives Erfassungselement, welches innerhalb des ringförmigen Erfassungspfads angeordnet ist.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei der Erfassungspfad linear ist.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erfassungspfad eine Vielzahl von zumindest drei sich verjüngenden und sich benachbart zueinander erstreckenden Elektroden aus leitfähigem Material mit einem Abstand zwischen ihnen umfasst, wobei die Elektroden mit entsprechenden der Anschlüsse verbunden sind.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit betreibbar ist, wiederholt die Position des Objektes zu bestimmen, um eine Folge von Positionssignalen zu sammeln, und: (i) eine Blätterberührung zu bestimmen, falls die Folge der Positionssignale Positionen spezifiziert, die sich über zumindest eine Schwellentfernung erstrecken, und als Reaktion darauf ein Bewegungsausgabesignal bereitzustellen, welches für die Entfernung, über welche sich das Objekt entlang dem Erfassungspfad bewegt hat, bezeichnend ist; und (ii) eine Tastenberührung zu bestimmen, falls die Folge von Positionssignalen Positionen spezifiziert, die in einer der Vielzahl von Erfassungsflächen liegt, und in Reaktion darauf ein Positionsausgabesignal bereitzustellen, welches für die Erfassungsfläche, die betätigt wurde, bezeichnend ist.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es zumindest drei Anschlüsse gibt, die mit dem Erfassungselement an unterschiedlichen Orten entlang des Erfassungspfads verbunden sind, um ihn in zumindest drei Abschnitte zu unterteilen.
Ein kapazitiver Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es eine Vielzahl von ausgewiesenen Erfassungsflächen gibt, die entlang dem Erfassungselement verteilt sind.
Eine Vorrichtung, welches einen kapazitiven Positionssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Ein Verfahren zum Nachweisen der Position eines Objektes, umfassend: (a) Bereitstellen eines kapazitiven Positionssensors, welcher ein Erfassungselement, welches einen Erfassungspfad umfasst, eine Vielzahl von Anschlüssen, welche mit dem Erfassungselement an verschiedenen Orten entlang dem Erfassungspfad verbunden sind, um ihn in eine Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen, und eine Vielzahl von Erfassungskanälen, welche mit entsprechenden der Anschlüsse verbunden sind, umfasst; (b) Ausweisen zumindest einer Erfassungsfläche auf dem Erfassungspfad; (c) Bringen des Objektes in die Nähe des Sensors; (d) Erzeugen eines Signals mit jedem Erfassungskanal, welches für die Kapazität zwischen seinem Anschluss und einem Bezugspotential des Systems bezeichnend ist; (e) Verarbeiten des Signals, um zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, indem die Signale von den Erfassungskanälen verglichen werden, und um die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts zu bestimmen, indem zumindest die Signale von den diesen Abschnitt überspannenden Anschlüssen verglichen werden, wobei eine Tastenberührung an einer absoluten Position auf einer der Vielzahl von Erfassungsflächen und eine durch einen Bewegungsversatz entlang dem Erfassungspfad hervorgerufene Blätterberührung jeweils basierend auf der Dauer der Berührung und der Entfernung des Versatzes entlang dem Erfassungspfad bestimmt werden; und (f) jeweiliges Ausgeben eines Positionsausgabesignals oder eines Bewegungsausgabesignals, wenn eine Tastenberührung oder eine Blätterberührung bestimmt worden ist.