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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf zweidimensionale Positionssensoren. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf zweidimensionale Positionssensoren
nach der Art, die auf der kapazitiven Annäherungssensortechnik
basieren. Derartige Sensoren können als zweidimensionale
kapazitive Wandler (2DCT)-Sensoren bezeichnet werden. 2DCT-Sensoren
basieren auf der Erfassung einer Störung in einer kapazitiven
Kopplung von Sensorelektroden, entweder nach Masse oder zu einer
anderen Elektrode, die durch die Nähe eines Zeigeobjekts
verursacht wird. Eine gemessene Position für die Störung
entspricht einer gemessenen Position für das Zeigeobjekt.
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2DCT-Sensoren
werden typischerweise durch menschliche Finger oder einen Stift
betätigt. Beispielvorrichtungen beinhalten berührungsempfindliche
Bildschirme (Touchscreens) und berührungsempfindliche Tastaturen/Tastenblöcke,
wie sie z. B. zur Steuerung von Geräten der Unterhaltungselektronik,
Hausgeräten und möglicherweise in Verbindung mit
einer darunter liegenden Anzeige, wie einer Flüssigkristallanzeige
(LCD) oder einer Elektronenstrahlröhre (CRT) verwendet
werden. Andere Geräte, in denen 2DCT-Sensoren enthalten
sein können, beinhalten Stifteingabetabletts und Encoder,
die z. B. in Vorrichtungen für Rückkopplungssteuerungszwecke
verwendet werden. 2DCT-Sensoren sind in der Lage, zumindest eine
zweidimensionale Koordinate in einem kartesischen oder einem anderen
Koordinatensystem zu übermitteln, die sich auf die Position
eines Objekts oder menschlichen Körperteils bezieht, unter
Verwendung einer kapazitiven Sensortechnik.
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Geräte,
die 2DCT-Sensoren verwenden, sind zunehmend populär und
verbreitet geworden, nicht nur in Verbindung mit Personalcomputern,
sondern in allen Arten anderer Geräte, wie z. B. in persönlichen
digitalen Assistenten (PDA), Kassenterminals (point of sale, POS),
elektronischen Informations- und Ticketkiosks, Küchengeräten
und dergleichen. 2DCT-Sensoren werden mechanischen Schaltern aus
einer Reihe von Gründen vorgezogen. Zum Beispiel benötigen
2DCT-Sensoren keine beweglichen Teile und sind daher weniger empfindlich
gegenüber Abnutzung als ihre mechanischen Gegenstücke.
2DCT-Sensoren können auch relativ klein gemacht werden,
so dass entsprechend kleine und eng gepackte Tastenblöcke
zur Verfügung gestellt werden können. Darüber
hinaus können 2DCT-Sensoren unterhalb einer gegenüber
der Umgebung abgedichteten äußeren Oberfläche/Abdeckplatte
zur Verfügung gestellt werden. Dies macht ihren Einsatz
in feuchten Um gebungen, oder wo die Gefahr besteht, dass Schmutz
oder Flüssigkeiten in das gesteuerte Gerät eindringen,
attraktiv. Darüber hinaus bevorzugen Hersteller häufig
die Verwendung von Schnittstellen auf Basis von 2DCT-Sensoren in
ihren Produkten, da derartige Schnittstellen durch die Verbraucher
häufig als ästhetisch ansprechender als herkömmliche
mechanische Eingabemechanismen (z. B. Drucktasten) betrachtet werden.
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US 5,730,165 beschreibt
eine kapazitive Sensorvorrichtung, die auf der Messung der Kapazität
einer Sensorelektrode gegenüber einem Referenzpotenzial
(Erde) des Systems beruht. Das in
US 5,730,165 beschriebene
Prinzip verwendet eine passive Kapazitätssensortechnik.
Der Inhalt der
US 5,730,165 wird
hiermit durch Verweis als Hintergrundmaterial der Erfindung in seiner
Gesamtheit aufgenommen. In einer groben Zusammenfassung verwenden
passive Kapazitätssensoren Sensorelektroden, die an eine
Kapazitätsmessschaltung gekoppelt sind. Jede Kapazitätsmessschaltung
misst die Kapazität (kapazitive Kopplung) der ihr zugeordneten Sensorelektrode
bezüglich der Masse des Systems. Wenn kein Zeigeobjekt
in der Nähe der Sensorelektrode ist, hat die gemessene
Kapazität einen Hintergrund/Ruhewert. Dieser Wert hängt
von der Geometrie und dem Layout der Sensorelektrode und der zu ihr
führenden Verbindungen ab, als auch von der Art und der
Position von benachbarten Objekten, z. B. der Nähe der
Sensorelektrode zu nahe gelegenen Masseplatten. Wenn ein Zeigeobjekt,
z. B. ein Finger des Benutzers, der Sensorelektrode angenähert wird,
erscheint das Zeigeobjekt als eine virtuelle Masse. Dies führt
zur Erhöhung der gemessenen Kapazität der Sensorelektrode
gegenüber Masse. Eine Erhöhung der gemessenen
Kapazität wird daher als Anzeichen der Gegenwart eines
Zeigeobjekts angesehen.
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US 5,730,165 bezieht sich
in erster Linie auf diskrete (Einzeltasten-)Messungen und nicht
auf 2D-Positionssensoranwendungen. Die in
US 5,730,165 beschriebenen Prinzipien
können jedoch leicht auf 2DCT-Sensoren angewendet werden,
z. B. durch Zuverfügungstellen von Elektroden zur Definition
von entweder einem 2D-Array aus diskreten Sensorflächen
oder Zeilen und Spalten von Elektroden in einer Matrixkonfiguration.
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Die
US-Provisional Patentanmeldung 60/803,510, die anschließend
als reguläre US-Patentanmeldung 11/752,615 eingereicht
und als
US 2006/0279395 am
6. Dezember 2007 veröffentlicht wurde, beschreibt einen
2DCT-Sensor, der ein Substrat mit einer sensitiven Fläche
umfasst, die durch ein Muster aus Elektroden definiert wird, in
der die Elektroden durch eine passive Sensortechnik ausgewertet
werden. Eine kapazitive Messschaltung von der in
US 6,288,707 beschriebenen Art, wie
sie in
5 der US-Anmeldung 60/805,510 dargestellt ist, ist
mit den Sensorelektroden gekoppelt, um eine Änderung der
Kapazität, die durch die Annäherung eines Fingers
des Benutzers oder eines anderen Objekts an die Sensorelektrode
zu erfassen. Weitere Details der Sensorschaltung und des Verfahrens
zur Ansteuerung der Sensorschaltung stehen in
US 5,730,165 und
US 7,148,704 zur Verfügung.
Es wurde festgestellt, dass 2DCT-Sensoren, die auf Basis einer passiven
Sensortechnik arbeiten, mit einigen Beschränkungen verbunden
sind. Zum Beispiel sind passive 2DCT-Sensoren sehr empfindlich gegenüber externen
Masselasten. Das heißt, die Empfindlichkeit derartiger
Sensoren kann durch die Gegenwart nahe gelegener Masseverbindungen
mit niedriger Impedanz deutlich reduziert werden, wodurch ihre Anwendbarkeit
eingeschränkt werden kann. Zum Beispiel stellen manche
Arten von Anzeigetechniken eine Massekopplung mit niedriger Impedanz über den
sichtbaren Bildschirm zur Verfügung. Das bedeutet, dass
ein passives 2DCT, das dem Bildschirm überlagert ist, nicht
die volle Leistungsfähigkeit entwickeln wird, da die relativ
starke Kopplung nach Masse durch den Bildschirm selbst die Empfindlichkeit des
2DCT auf irgendwelche zusätzlichen Kopplungen nach Masse,
die durch Annäherung eines Zeigerobjekts verursacht werden,
reduziert. Ein ähnlicher Effekt bedeutet, dass 2DCT-Sensoren
relativ empfindlich gegenüber Änderungen in ihrer
Umgebung sein können, z. B. kann ein 2DCT-Sensor aufgrund
von Unterschieden in der kapazitiven Kopplung (Masselast) zu externen
Objekten sich je nach seiner Lage unterschiedlich verhalten. 2DCT-Sensoren
sind ebenfalls relativ empfindlich auf Umgebungsbedingungen, wie
z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, angesammelten Schmutz und verschüttete
Flüssigkeiten, etc. All dies beeinflusst die Zuverlässigkeit und
Empfindlichkeit des Sensors. Darüber hinaus ist die mit
passiven 2DCT-Sensoren verbundene Messschaltung üblicherweise
von hoher Eingangsimpedanz. Dadurch werden passive Sensoren empfindlich
gegenüber aufgefangenem elektrischen Rauschen, z. B. Radiofrequenz(RF)-Rauschen.
Dies kann die Zuverlässigkeit/Empfindlichkeit des Sensors
reduzieren und darüber hinaus Randbedingungen für
das Design des Sensors setzen (z. B. kann eine begrenzte Freiheit
zur Verwendung relativ langer Verbindungsleitungen/Leiterbahnen
zwischen den Sensorelektroden und der zugehörigen Schaltung
bestehen). Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines verbesserten
2DCT-Sensors, der die oben genannten Probleme bestimmter bekannter 2DCT-Sensoren,
insbesondere diejenigen 2DCT-Sensoren, die auf der in US-Anmeldung 60/803,510
beschriebenen passiven Kapazitätssensortechnik beruhen,
adressiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein zweidimensionaler Positionssensor
zur Verfügung gestellt, der umfasst: ein Substrat mit einer sensitiven
Fläche, die durch ein Muster von Elektroden definiert wird,
wobei das Muster von Elektroden Ansteuerelektroden und Ausleseelektroden
enthält, die sich im Wesentlichen in einer ersten Richtung
(im Folgenden die x-Richtung) erstrecken und in einer zweiten Richtung
(im Folgenden die y-Richtung, wobei die x- und die y-Richtung entlang
irgendeiner Betätigungsachse ausgerichtet sein können,
aber im Allgemeinen senkrecht aufeinanderstehen) miteinander verwoben
sind (oder sich abwechseln), wobei die Ausleseelektroden erste,
zweite und dritte Gruppen von Elementen umfassen, die derartig geformt
sind, dass benachbarte Elemente der ersten und der zweiten Gruppe
sich gemeinsam in der x-Richtung über einen Abschnitt der
sensitiven Fläche erstrecken und benachbarte Elemente der
zweiten und der dritten Gruppe sich gemeinsam in der x-Richtung über
einen anderen Abschnitt erstrecken, und wobei die Ansteuerelektroden
so angeordnet sind, dass sie mit den Ausleseelektroden kapazitiv
gekoppelt sind.
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Die
erfindungsgemäßen 2DCT-Sensoren verwenden eine
aktive kapazitive Sensortechnik. Aktive 2DCT-Sensoren haben sich
als weniger anfällig für die oben erwähnten,
mit passiven 2DCT-Sensoren verbundenen Effekte erwiesen. Der aktive 2DCT-Sensor
der Erfindung basiert auf einer Messung der kapazitiven Kopplung
zwischen zwei Elektroden anstatt zwischen einer einzelnen Sensorelektrode
und einer Systemmasse. Die der aktiven kapazitiven Sensortechnik
unterliegenden Prinzipien sind in
US
6,452,514 beschrieben, deren Inhalt hiermit mittels Verweis
mit aufgenommen wird. In einem Sensor des aktiven Typs wird eine
Elektrode, die sogenannte Ansteuerelektrode, mit einem oszillierenden
Ansteuersignal versorgt. Der Grad der kapazitiven Kopplung des Ansteuersignals
auf die Ausleseelektrode(n) (Sensorelektroden) wird durch eine Messung
der Ladungsmenge, die durch das oszillierende Ansteuersignal auf
die Ausleseelektrode übertragen wird, bestimmt. Die übertragene
Ladungsmenge, d. h. die Stärke des Signals an der Ausleseelektrode,
ist ein Maß für die kapazitive Kopplung zwischen
den Elektroden. Wenn kein Zeigeobjekt in der Nähe der Elektroden
ist, hat das gemessene Signal an der Ausleseelektrode einen Hintergrund/Ruhewert. Wenn
jedoch ein zeigendes Objekt, z. B. ein Finger des Benutzers, sich
den Elektroden annähert (oder, genauer gesagt, sich dem
Bereich zwischen den Elektroden annähert), wirkt das zeigende
Objekt als virtuelle Masse, die einen Teil des Ansteuersignals (Ladung)
von der Ansteuerelektrode aufnimmt. Dies führt zu einer
Reduktion der Stärke des Anteils des Ansteuersignals, das
auf die Ausleseelektrode gekoppelt wird. Somit wird eine Abnahme
des gemessenen Signals auf der Ausleseelektrode als Anzeichen für
die Gegenwart eines zeigenden Objekts genommen.
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Ein
in
US 6,452,514 beschriebener
aktiver Sensor umfasst Ansteuerelektroden, die sich zeilenweise
auf einer Seite eines Substrats erstrecken, und Ausleseelektroden,
die sich spaltenweise auf der anderen Seite des Substrats erstrecken,
um so ein Array von N mal M Berührungstasten zu definieren.
Jeder Taste entspricht eine Überschneidung zwischen einer
Ansteuerelektrode und einer Ausleseelektrode. Das in
US 6,452,514 beschriebene Tastenarray
kann daher als Matrixarray mit einer einzelnen Ansteuerelektrode,
die mit den Tasten in einer bestimmten Reihe verbunden ist, und
einer einzelnen Ausleseelektrode, die mit den Tasten in einer bestimmten
Spalte verbunden ist, bezeichnet werden. Dies reduziert die Anzahl
der erforderlichen Ansteuer- und Auslesekanäle, da ein
einzelner Ansteuerkanal gleichzeitig alle Tasten in einer bestimmten
Reihe ansteuert und ein einzelner Auslesekanal alle Tasten in einer
bestimmten Spalte ausliest. Die kapazitive Kopplung zwischen den
Elektroden an den Stellen der einzelnen Tasten kann bestimmt werden,
indem die richtige Zeile angesteuert wird und die richtige Spalte
ausgelesen wird. Um z. B. die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden
zu bestimmen, die mit einer Taste an dem Schnittpunkt von Zeile
2 und Spalte 3 verbunden ist, wird das Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode
von Zeile 2 angelegt, während der mit der Ausleseelektrode
von Spalte 3 verbundene Auslesekanal aktiv ist. Die Ausgabe des
aktiven Auslesekanals spiegelt die kapazitive Kopplung zwischen
den mit der fraglichen Taste verbundenen Elektroden wieder. Unterschiedliche
Tasten können der Reihe nach abgefragt werden, indem verschiedene
Kombinationen von Ansteuer- und Auslesekanälen der Reihe
nach verwendet werden. In einem Modus können die Ansteuerelektroden
sequenziell angesteuert werden, während die Ausleseelektroden
alle kontinuierlich überwacht werden. Eine Signaländerung
auf einem (oder mehreren) der Ausleseelektroden zeigt die Gegenwart
eines zeigenden Objekts an. Die Ausleseelektrode, an der die Änderung
beobachtet wird, definiert die Position in einer Dimension, während
die Ansteuerelektrode, die aktiv war, als die Änderung
beobachtet wurde, die Position in der anderen Dimension bestimmt.
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Bei
einer Implementierung der in
US 6,452,514 beschriebenen
Ansteuer- und Auslesekanalschaltung in einem Chipgehäuse
für integrierte Schaltungen (IC) benötigt jeder
Ansteuerkanal einen Ausgangspin, wohingegen jeder Auslesekanal zwei Ausgangspins
benötigt. Für einen erfindungsgemäßen
2DCT-Sensor mit einem Array aus n × m Sensorflächen, benötigt
ein Matrixarray N + 2M Ausgangspins (oder M + 2N Ausgangspins, abhängig
davon, ob die Zeilen oder die Spalten Ansteuer- bzw. Ausleseelektroden
sind). Ein diskretes (Nichtmatrix) Array benötigt jedoch
3NM Ausgangspins. Schaltungsverbindungen, und insbesondere Ausgangspins
in IC-Chipimplementierungen, sind jedoch kostspielig, sowohl, was
die finanziellen Kosten betrifft, als auch hinsichtlich des physikalischen
Platzes und der zur Implementierung erforderlichen Komplexität.
Vorteilhafterweise benötigt der erfindungsgemäße 2DCT-Sensor
nur einen Ausgangspin für jeden Ansteuerkanal und zwei
Ausgangspins für jeden Auslesekanal.
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Vorzugsweise
umfasst der Sensor des Weiteren eine Steuereinheit mit einer Ansteuereinheit zum
Anlegen eines Ansteuersignals an die Ansteuerelektroden (D) und
eine Ausleseeinheit zum Messen der von den Ausleseelektroden empfangenen
Auslesesignale, die einen Grad der Kopplung des Ansteuersignals
zwischen den Ansteuerelektroden und den Ausleseelektroden darstellen.
Da Auslesekanäle üblicherweise kostenspieliger
in der Implementierungen sind als Ansteuerkanäle, kann
erfindungsgemäß ein billigerer Sensor zur Verfügung
gestellt werden, der eine Steuereinheit verwendet, die in einem
integrierten Chip integriert ist, der weniger Ausgangspins benötigt,
als bekannte passive Kapazitätspositionssensoren auf Matrixbasis.
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Die
Steuereinheit umfasst vorzugsweise des Weiteren eine Verarbeitungseinheit
zur Berechnung einer Position eines wechselwirkenden Objekts aus einer
Analyse der Auslesesignale, die durch Anlegen der Steuersignale
an die Ansteuerelektroden erhalten werden. Die Positionsermittlung
in jeder Achse kann eine Interpolation beinhalten, so dass die Position
bestimmt werden kann. Die Verarbeitungseinheit ist nämlich
vorzugsweise dazu eingerichtet, die Position in der x-Richtung durch
eine Interpolation zwischen Auslesesignalen zu ermitteln, die von
sich gemeinsam erstreckenden Paaren von Gruppen von Ausleseelektroden
erhalten wurden, und die Position in der y-Richtung durch eine Interpolation
zwischen Auslesesignalen zu bestimmen, die von verschiedenen Sequenzen
von Ansteuersignalen, die an den Ansteuerelektroden angelegt werden,
erhalten werden.
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Die
Elektroden können aus einem transparenten Material, wie
z. B. Indiumzinnoxid (ITO), OrgaconTM oder
einem anderen geeigneten Material hergestellt werden. Das Substrat
kann ebenfalls aus einem transparenten Material bestehen, wie z.
B. Glas oder einem transparenten Plastikmaterial, wie z. B. Polymethylmethacrylat
(PMMA), wie z. B. Perspex, Polyethylenterephthalat (PET), ein Polykarbonat (PC),
wie z. B. LezanTM, oder einem Cycloolefin-Co polymer
(COP), wie z. B. ZeonorTM oder TopasTM. In manchen Anwendungen kann es jedoch
der Fall sein, dass die Elektroden und/oder das Substrat undurchsichtig
sind, z. B. Metallelektroden auf einem undurchsichtigen Plastik,
um so z. B. ein Mauspad oder Trackpad zu schaffen.
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Die
Gruppe von Ausleseelektroden, die sich gemeinsam erstrecken, können
komplementäre Abschrägungen entlang der Richtung,
in der sie sich gemeinsam erstrecken, aufweisen, um ratiometrische kapazitive
Signale zu liefern. Alternativ können die Elemente der
jeweiligen Gruppen von Ausleseelektroden, die sich gemeinsam erstrecken,
aneinander angrenzende Blöcke variabler Fläche
entlang der Richtung der gemeinsamen Erstreckung aufweisen, um ratiometrische
kapazitive Signale zu liefern. Die Ausleseelektroden können
in einer Vielzahl verschiedener topografischer Formen strukturiert
sein, um die gemeinsame Erstreckung zu liefern. Zum Beispiel können
die Ansteuer- und Ausleseelektroden ineinander eingreifen, um die
besagte kapazitive Kopplung zu liefern. Auf der sensitiven Fläche
sind die Ansteuer- und Ausleseelektroden vorteilhafterweise aus leitfähigem
Material ausgebildet, das eine Merkmalbreite nicht überschreitet,
die wesentlich kleiner ist als ein charakteristischer Abstand in
der y-Richtung zwischen benachbarten Zeilen von Ansteuerelektroden,
wie z. B. 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-mal kleiner. Dadurch
wird die Menge an leitfähigem Material gering gehalten,
während ein großer Betrag an kapazitiver Kopplung
zur Verfügung gestellt wird, wodurch Vorteile im Hinblick
auf Rauschreduktion und Signalstärke erzielt werden.
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In
bevorzugten Ausführungsformen bilden die Elemente von zumindest
der ersten oder der dritten Gruppe von Ausleseelektroden zwei Abschnitte, die
in der y-Richtung durch einen Kanal getrennt sind, und wobei die
Elemente der zweiten Gruppe der Ausleseelektroden extern mit der
Ausleseeinheit über leitfähige Bahnen verbunden
sind, die durch die Kanäle auf die andere Seite der sensitiven
Fläche führen. Diese Art der Anordnung, die auch
auf andere Gruppen von Ausleseelektroden, sofern vorhanden, angewendet
werden kann, stellt sicher, dass die leitfähigen Bahnen,
die zu den inneren Ausleseelektrodengruppen führen, nicht
zwischen gepaarten Ansteuer- und Ausleseelektroden der äußeren
Ausleseelektrodengruppen verlaufen. Die ansonsten auftretende Reduktion
in ihrer kapazitiven Kopplung wird auf diese Weise vermieden.
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Wenn
es zumindest drei Gruppen von Ausleseelektroden gibt, die extern
auf einer Seite der sensitiven Fläche mit der Ausleseeinheit
verbunden sind, und die als periphere, intermediäre und
innere Ausleseelektroden bezeichnet werden, so ist es vorteilhaft, wenn
die Elemen te der inneren Ausleseelektroden extern mit der Ausleseeinheit
durch leitfähige Bahnen verbunden sind, die in y-Richtung
von der besagten einen Seite in Richtung der Elemente der inneren Ausleseelektroden
zunehmend breiter werden. Dies vermindert den Widerstand der Bahn
zu der inneren Ausleseelektrodengruppe und vermeidet eine Empfindlichkeitsreduktion
derartiger Gruppen. Die Elemente der peripheren und der intermediären
Ausleseelektroden können z. B. zwei Abschnitte bilden,
die in der y-Richtung getrennt sind, wobei die beiden Abschnitte
von jedem Element der intermediären Ausleseelektroden extern
mit der Ausleseeinheit über jeweilige leitfähige
Bahnen verbunden sind, die zwischen den beiden Abschnitten der peripheren
Ausleseelektroden zu einer Seite der sensitiven Fläche durchlaufen
und dazwischen einen Kanal lassen, und wobei die Elemente der inneren
Ausleseelektroden extern mit der Ausleseeinheit gegenüber
leitfähige Bahnen verbunden sind, die durch den Kanal verlaufen,
der zwischen den Abschnitten der peripheren und der intermediären
Ausleseelektroden gebildet wird.
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Es
kann außerdem von Vorteil sein, wenn die Elemente von zumindest
einer der Gruppen von Ausleseelektroden in der Ebene der sensitiven
Fläche hohl sind. Dies ist eine Weise zur Reduktion leitfähigen
Materials, das nicht signifikant zur kapazitiven Kopplung mit den
Ansteuerelektroden beiträgt. Andere Maßnahmen
sind ebenfalls möglich, wie z. B. das Ineinandereingreifen
unter Verwendung von linienbasierten Elektrodenformen, die, wie
oben erwähnt, eine geringe Merkmalsbreite haben.
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Es
versteht sich, dass die Position eines Objekts durch ein geeignetes
Koordinatensystem definiert wird, üblicherweise durch ein
kartesisches System XY, in dem sie orthogonal sind, obwohl sie auch einen
nicht orthogonalen Winkel haben dürfen. Darüber
hinaus wird im Folgenden auf die x- oder horizontale Achse und die
y- oder vertikale Achse Bezug genommen, obwohl damit keine bestimmte
Ausrichtung im realen Raum, wie z. B. bezüglich der Gravitationsrichtung
gemeint ist.
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Gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Steuerpaneel zur Verfügung
gestellt, das einen zweidimensionalen Positionssensor gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung beinhaltet.
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Gemäß dem
dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung
gestellt, die ein Steuerpaneel hat, das einen zweidimensionalen
Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
beinhaltet.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auslesen der
Position einer Betätigung auf einer sensitiven Fläche
eines zweidimensionalen Positionssensors angegeben, wobei die sensitive
Fläche durch ein Muster von Elektroden definiert wird,
die Ansteuerelektroden und Ausleseelektroden beinhalten, die sich
beide im Allgemeinen in einer ersten Richtung erstrecken, die im
Folgenden als x-Richtung bezeichnet wird, und in einer zweiten Richtung
miteinander verwoben sind, die im Folgenden als y-Richtung bezeichnet
wird, wobei die Ausleseelektroden erste, zweite und dritte Gruppen
von Elementen umfassen, die derartig geformt sind, dass aneinander
grenzende Elemente der ersten und zweiten Gruppe sich gemeinsam
in der x-Richtung über einen Abschnitt der sensitiven Fläche
erstrecken und aneinander angrenzende Elemente der zweiten und der
dritten Gruppe sich gemeinsam in der x-Richtung über einen
anderen Abschnitt erstrecken, und wobei die Ansteuerelektroden angeordnet sind,
um mit den Ausleseelektroden kapazitiv gekoppelt zu sein, wobei
das Verfahren umfasst: Anlegen eines Ansteuersignals an die Ansteuerelektroden; Messen
von Auslesesignalen, die von jeder Gruppe der Ausleseelektroden
empfangen werden und einen Grad an kapazitiver Kopplung des Ansteuersignals zwischen
den Ansteuerelektroden und jeder Gruppe der Ausleseelektroden repräsentiert;
Bestimmen einer Position in der x-Richtung durch Interpolation zwischen
Auslesesignalen, die von sich gemeinsam erstreckenden Paaren von
Gruppen von Ausleseelektroden erhalten werden; und Bestimmen einer
Position in der y-Richtung durch eine Interpolation zwischen Auslesesignalen,
die von verschiedenen Sequenzen von Ansteuersignalen erhalten werden,
die an die Ansteuerelektroden angelegt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie
selbige ausgeführt werden kann, wird nun als Beispiel auf
die begleitenden Zeichnungen verwiesen.
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1 ist
eine Ansicht einer Vorderseite eines Positionssensors gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
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1A zeigt,
wie die Ansteuerelektroden aus 1 über
Ansteuerkanäle mit Ansteuereinheiten innerhalb der Hauptansteuereinheit
der Steuereinheit des Sensors gekoppelt sind.
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1B ist
eine schematische Explosionsansicht eines Teils des Elektrodenmusters
aus 1.
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1C zeigt
schematisch eine Schaltung, die verwendet werden kann, um den Ladungstransfer zwischen
einer angesteuerten Ansteuerelektrode auf die Ausleseelektroden
zu messen.
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1D zeigt
schematisch die zeitlichen Zusammenhänge im Betrieb der
Schaltung aus 1C.
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1E zeigt
schematisch die zeitliche Abstimmung des Ansteuersignals, das geeignet
ist zur Verwendung mit dem Positionssensor aus 1.
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2 bis 12 zeigen
weitere Elektrodenmuster für Positionssensoren gemäß Ausführungsformen
der Erfindung.
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13 zeigt
einen weiteren Sensor als Ausführungsform der Erfindung.
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14, 14A und 14B zeigen
weitere Ausführungsformen eines Sensorgeräts,
wobei
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14 das
gesamte Elektrodenmuster zeigt, 14A nur
eine Zeile der Ausleseelektroden und 14B nur
die Ansteuerelektroden.
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15 und 15A zeigen eine weitere Ausführungsform
eines Sensorgeräts.
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16 und 16A zeigen eine weitere Ausführungsform
eines Sensorgeräts.
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15–18 zeigen
weitere Sensoren als Ausführungsformen der Erfindung.
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17 zeigt
einen weiteren Sensor als Ausführungsform der Erfindung.
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18 zeigt
einen weiteren Sensor gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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19 zeigt
schematisch einen tragbaren Personalcomputer, der einen Sensor gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet.
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20 zeigt
schematisch eine Waschmaschine, die einen Sensor gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung beinhaltet.
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21 zeigt
schematisch ein Mobiltelefon, das einen Sensor gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung beinhaltet.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist
eine Ansicht einer Vorderseite eines Positionssensors 10 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Die Vorderseite des Positionssensors
ist typischerweise die Seite, die dem Benutzer während
der normalen Verwendung des Sensors oder einer Vorrichtung, die
den Sensor beinhaltet, zugewandt ist. Der Sensor 10 umfasst
ein Substrat 40, das ein Elektrodenmuster 30 trägt,
das eine sensitive Fläche des Sensors definiert, und eine
Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 20 ist mit
den Elektroden innerhalb des Elektrodenmusters durch eine Verbindung 24 gekoppelt.
Das Elektrodenmuster liegt auf einer Seite des Substrats, typischerweise
auf der Seite, die der Seite, die dem Benutzer während
der normalen Verwendung zugewandt ist, gegenüberliegt.
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Das
Elektrodenmuster 30 auf dem Substrat 40 kann unter
Verwendung herkömmlicher Techniken (z. B. Lithografie,
Ablagerungs-, Ätz- oder Deaktivierungstechniken) zur Verfügung
gestellt werden. Das Substrat ist aus einem dielektrischen Material,
wie z. B. einem Plastikfilm, in diesem Fall Polyethylenterephthalat
(PET). Die Elektroden, die das Elektrodenmuster umfassen, sind aus
einem durchsichtigen leitfähigen Material, in diesem Fall
aus Indiumzinnoxid (ITO). Alternativ könnten die Elektroden
aus einem undurchsichtigen leitfähigen Material, wie z.
B. Metall, z. B. Kupfer, gebildet werden. Das Substrat kann an ein
darüber liegendes Paneel (nicht gezeigt) unter Verwendung
eines geeigneten druckabhängigen Klebers (pressure sensitive
adhesive, PSA) gebunden sein, der klar sein kann, um Licht durchzulassen.
Die sensitive Fläche des Sensor als Ganzes ist somit transparent.
Falls sie transparent ist, kann die Sensorschicht über
einer darunter liegenden Anzeige verwendet werden, ohne diese zu
verdecken. In anderen Ausführungsformen, wenn die Sensorschicht undurchsichtig
ist, kann diese eine herkömmliche gedruckte Leiterplatte
oder ein anderes Substrat mit einem Kupferelektrodenmuster, z. B.
zur Verwendung in der Tastatur eines tragbaren Telefons, umfassen.
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Die
Steuereinheit 20 umfasst die Funktionalität einer
Steuereinheit 12 zur Zurverfügungstellung von
Ansteuersignalen für Teile des Elektrodenmusters 30,
eine Ausleseeinheit 14 zum Auslesen von Signalen von anderen
Teilen des Elektrodenmusters 30 und eine Verarbeitungseinheit 60 zur
Berechnung einer Position auf Basis der verschiedenen ausgelesenen
Signale, die für Ansteuersignale erhalten werden, die an
verschiedene Teile des Elektrodenmusters angelegt werden. Die Steuereinheit 20 steuert somit
den Betrieb der Ansteuer- und Ausleseeinheit und die Verarbeitung
der Antworten von der Ausleseeinheit 14 in der Verarbeitungseinheit 16,
um die Position eines Objekts zu bestimmen, z. B. einen Finger oder
Stift, in der Nähe des Sensors 10. Die Ansteuereinheit 12,
die Ausleseeinheit 14 und die Verarbeitungseinheit 16 sind
in 1 schematisch als separate Elemente innerhalb
der Steuereinheit dargestellt. Im Allgemeine wird die Funktionalität
all dieser Elemente jedoch durch einen einzelnen integrierten Schaltungschip
zur Verfügung gestellt, z. B. durch einen geeignet programmierten
Mehrzweckmikroprozessor, ein Field Programmable Gatearray oder eine anwendungsspezifische,
integrierte Schaltung.
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In 1 sind
die Elektroden 52 Ansteuerelektroden (D), die durch longitudinale
Balken dargestellt werden, die sich in der x-Richtung erstrecken. Benachbarte
Ansteuerelektroden 52 werden durch drei Gruppen 62, 64, 66 von
Ausleseelektroden (S) getrennt.
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1A zeigt,
wie die Ansteuerelektroden 52 über Ansteuerkanäle
D1, D2, D3, D4, D5,
D6, D7, D8 mit jeweiligen Ansteuereinheiten DD1, DD2, DD3, DD4, DD5, DD6, DD7, DD8 mit der Hauptansteuereinheit
der Steuereinheit 20 des Sensors gekoppelt sind. In diesem
Beispiel ist eine separate Ansteuereinheit für jeden Ansteuerkanal
vorgesehen, obwohl eine einzelne Ansteuereinheit mit geeignetem
Multiplexen ebenfalls verwendet werden kann. Jeder Ansteuerkanal
liefert Ansteuersignale an eine Gruppe von drei Ansteuerelektroden 52,
mit Ausnahme von D1 und D8,
die nur eine Ansteuerelektrode versorgen. Die Ansteuerelektroden 52 sind
jeweils miteinander über eine Kette oder Reihe von Widerständen 70 verbunden.
Alternativ können einzelne Widerstandsstreifen verwendet
werden. Die Ansteuerkanäle werden durch die Steuereinheit 20 gesteuert,
um Steuersignale an die jeweiligen Elekt roden anzulegen. Die drei Gruppen
von Ausleseelektroden 62, 64, 66 sind
jeweils über einen Auslese- oder Empfangskanal S1, S2 bzw. S3 mit der Ausleseeinheit 14 der
Steuereinheit 20 verbunden, wie in 1A dargestellt.
Die Auslesekanäle werden ebenfalls durch die Steuereinheit 20 gesteuert,
um Signale von jeweiligen Ausleseelektroden zu empfangen.
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1B ist
eine schematische Explosionszeichnung eines Teils des Elektrodenmusters
aus 1. Es ist zu beachten, dass jede zentrale Ausleseelektrode 64 mit
der externen Schaltungsverbindung S2 über
eine leitfähige Bahn oder Durchführung 65 verbunden
ist, die die angrenzenden seitlichen Ausleseelektroden 66 in
zwei Abschnitte 66A und 66B aufteilt, die durch
einen Kanal getrennt sind. Diese Anordnung ist vorteilhaft im Vergleich
zu der unten in 18 gezeigten alternativen Anordnung,
die der 11 der ebenfalls anhängigen
US-Patentanmeldung 60/803,510 entspricht, da sie verhindert, dass die
Durchführung zu den zentralen Elektroden zwischen den seitlichen
Ausleseelektroden und einer der angrenzenden Ansteuerelektroden
verläuft, was nach der Art des in 11 gezeigten
Entwurfs zu einer Reduktion der Wechselwirkung zwischen Ansteuerelektrode
und der betroffenen Aus leseelektrode führt. Durchführungsverbindungen
zu einer oder mehrerer Gruppen von Ausleseelektroden werden daher
so angeordnet, dass sie eine andere Gruppe von Ausleseelektroden
unterteilen, um zu verhindern, dass die Durchführungsverbindung
direkt angrenzend an eine der Ansteuerelektroden zu liegen kommt.
Dieser Ansatz kann in Verbindung mit einer Vielzahl von verschiedenen
Elektrodenmustern verwendet werden, so dass Durchführungsverbindungen
zu einer Gruppe von Ausleseelektroden nicht zwischen Ansteuerelektroden
und einer anderen Gruppe von Ausleseelektroden, mit denen die Ansteuerelektrode
gepaart ist, verlaufen.
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Wie
in den 1, 1A und 1B dargestellt
ist, werden die Ausleseelektroden in drei Gruppen eingeteilt. Eine
erste Gruppe von abgeschrägten Elektroden 62 ist
auf der linken Seite der sensitiven Fläche des Elektrodenmusters
angeordnet. Die abgeschrägten Elektroden 62 sind
in zwei Abschnitte 62A und 62B geteilt, wodurch
ein Kanal zwischen ihnen definiert wird. Eine zweite Gruppe von
dreieckigen Elektroden 64 mit doppelter Abschrägung
ist so angeordnet, dass die Elektroden sich jeweils von der linken
und rechten Seite der sensitiven Fläche zur Mitte hin erstrecken.
Eine dritte Gruppe von abgeschrägten Elektroden 66 ist
an der rechten Seite der sensitiven Fläche des Elektrodenmusters
angeordnet. Die abgeschrägten Elektroden 66 sind
in zwei Abschnitte 66A und 66B geteilt, wodurch
ein Kanal zwischen ihnen definiert wird. Die erste und zweite Gruppe
von Elektroden erstreckt sich über einen Abschnitt der
Ausdehnung in der x-Richtung, die in 1B als
Region I gekennzeichnet ist, und die zweite und die dritte Gruppe
erstrecken sich gemeinsam über die Region II. Die verschiedenen
Regionen liefern ratiometrische kapazitive Signale, die eine kapazitive
Kopplung des Fingers eines Benutzers auf einem Teil des Sensors,
an dem Elektroden angeordnet sind, angeben. Vorteilhafterweise wird
der Finger des Benutzers, der sich dem Sensor annähert,
durch zwei verschiedene Elektrodengruppen detektiert, um eine vorteilhafte
Mischung von Signalen und somit eine Bestimmung der x-Position des
Fingers oder eines anderen Objekts auf dem Sensor zu liefern. Wie
zuvor erwähnt, sind die erste und die dritte Gruppe von
Ausleseelektroden jeweils in zwei Abschnitte geteilt, um einen Kanal
zwischen ihnen zu definieren. Der Kanal zwischen der linken Elektrode 62A und 62B hat
eine leitfähige Bahn 63 von der zweiten Gruppenelektrode 64,
die dort hindurchfährt und in der Nähe des linken
seitlichen Randes der sensitiven Fläche endet. Die leitfähigen
Bahnen 63 haben keine andere Funktion als für
eine Symmetrie mit den leitfähigen Bahnen 65 zu
sorgen, die als Durchführungen zu den Auslesekanälen
dienen. Jeder Kanal zwischen den rechten Elektroden 66A und 66B erlaubt
nämlich, dass dort eine leitfähige Bahn 65 von
der zweiten Gruppe 64 hindurchfährt und an den
Auslesekanal S2 ankoppelt.
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Wie
in 16 dargestellt, ist jede ansteuerbare Elektrode 62 mit
ihrem vertikal angrenzenden Balken oder ihren vertikal angrenzenden
Balken durch eine elektrisch leitfähige Leitung mit einem
diskreten Widerstand 70 in Reihe verbunden. Die Ansteuerelektroden
sind extern über leitfähige Bahnen mit Ansteuerkanälen
D1–D8 von
den jeweiligen Steuereinheiten in der Steuereinheit verbunden. In
den 1, 1A, 1B sind
die Ansteuerkanäle D1–D8 mit jeder dritten Ansteuerelektrode verbunden dargestellt,
d. h. jeder Ansteuerkanal steuert eine Gruppe aus drei Elektroden 52 an.
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Der
Sensor
10 der Erfindung umfasst deshalb eine Vielzahl von
Steuerelektroden und eine Vielzahl von Ausleseelektroden, die ein
Netzwerk aus miteinander verbundenen Elektroden über die sensitive
Fläche des Sensors umfassen. Jede benachbarte Paarung eines
Ansteuerelements und eines Ausleseelements kann als Entsprechung
einer diskreten Sensorfläche aufgefasst werden, die gemäß den
in
US 6,452,514 offenbarten
Techniken betrieben werden kann. Im Betrieb wird die Position eines
Objekts in einem Messzyklus erfasst, in dem die Balkenelektroden
52 der
Reihe nach durch jeweilige Ansteuerkanäle angesteuert werden
und die Menge der auf die Ausleseelektroden von den Balkenelektroden übertragenen
Ladung durch die Auslesekanäle bestimmt wird.
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1C zeigt
schematisch eine Schaltung, die verwendet werden kann, um den Ladungstransfer von
einer angesteuerten Ansteuerelektrode auf die Ausleseelektroden
zu messen, wobei die Ansteuerelektrode zu einer bestimmten Zeit
angesteuert wird und die Ausleseelektrode eine Eigenkapazität
hat. Diese wird in erster Linie durch ihre Geometrie bestimmt, insbesondere
in den Bereichen, in denen sie sich am nächsten kommen.
Die angesteuerte Ansteuerelektrode ist daher schematisch als eine
erste Platte
100 eines Kondensators
105 dargestellt,
und die Ausleseelektrode ist schematisch als zweite Platte
104 des
Kondensators
105 dargestellt. Schaltungen von der in
1C gezeigten
Art werden in
US 6,452,514 genauer
beschrieben. Die Schaltung basiert zum Teil auf der Ladungstransfervorrichtung („QT”)
und dem Verfahren, das in
US
5,730,165 offenbart wird, deren Inhalt, wie oben bereits
festgestellt wurde, mittels Verweis hier aufgenommen wird.
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Der
Ansteuerkanal, der mit der gegenwärtig angesteuerten Elektrode 100 verbunden
ist, der Auslesekanal, der mit der Ausleseelektrode 104 verbunden
ist, und die Elemente der Sensorsteuereinheit sind in 10 als
kombinierte Verarbeitungsschaltung 400 dargestellt. Die
Verarbeitungsschaltung 400 umfasst einen Probenahmeschalter 401 (Sample-Schalter),
einen Ladungsintegrator 402 (hier als einfacher Kondensator
dargestellt), einen Verstärker 403 und einen Zurücksetzschalter 404 (Reset-Schalter),
der auch eine optionale Ladungslöscheinrichtung 405 umfassen
kann.
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10 zeigt
schematisch die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Ansteuersignal
der angesteuerten Elektrode von dem Ansteuerkanal 101 und
der zeitlichen Abstimmung der Probennahme durch den Schalter 401.
Der Ansteuerkanal 101 und der Probennahmeschalter 401 sind
mit einer geeigneten Synchronisierungseinrichtung versehen, die ein
Mikroprozessor oder eine andere digitale Steuereinheit 408 sein
kann, um dieses Verhältnis aufrechtzuerhalten. In der gezeigten
Implementierung ist der Rücksetzschalter 404 anfänglich
geschlossen, um den Ladungsintegrator 402 auf einen bekannten
anfänglichen Zustand zurückzusetzen (z. B. 0 Volt).
Der Rücksetzschalter 404 wird dann geöffnet
und zu einer gewissen Zeit danach der Probennahmeschalter 401 mit
dem Ladungsintegrator 402 über den Anschluss 1
des Schalters für ein Intervall verbunden, in dem der Ansteuerkanal 101 einen
positiven Übergang ausgibt, und verbindet danach wieder
zum Anschluss 0, welches eine elektrische Masse oder ein anderes
geeignetes Referenzpotenzial ist. Der Ansteuerkanal 101 kehrt
dann zu Masse zurück und der Prozess wiederholt sich. Für
insgesamt „n” Zyklen (wobei n = 1 (d. h. 0 Wiederholungen),
2 (1 Wiederholung), 3 (2 Wiederholungen) usw. sein kann). Es kann
hilfreich sein, wenn das Ansteuersignal nicht auf Masse zurückkehrt,
bevor der Ladungsintegrator von der Ausleseelektrode getrennt wird,
da sonst eine gleiche und entgegengesetzte Ladung in/aus dem Auslesekanal
während positiver und negativer Flanken fließen
würde, und somit zu keinem Nettotransfer oder Ladung in
den Ladungsdetektor führen würde. Nach der gewünschten
Zahl von Zyklen wird der Probennahmeschalter 401 in der
Position 0 gehalten, während die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 durch
eine Messvorrichtung 407 gemessen wird, die einen Verstärker,
ADC, oder eine andere für die Anwendung geeignete Schaltung
umfassen kann. Nachdem die Messung vorgenommen wurde, wird der Rücksetzschalter 404 wieder
geschlossen und der Zyklus erneut gestartet, durch den der nächste
Ansteuerkanal und die nächste angesteuerte Elektrode der
Reihe nach den angesteuerten Kanal 101 und die angesteuerte
Elektrode 100, die in 1C schematisch
dargestellt sind, ersetzen. Der Prozess zur Durchführung
einer Messung für eine gegebene angesteuerte Elektrode
wird hier als eine „Messungsimpulsfolge” („Mess-Burst”)
der Länge n bezeichnet, wobei n von 1 bis zu jeder beliebigen endlichen
Zahl reichen kann. Die Empfindlichkeit der Schaltung steht in direktem
Zusammenhang mit n und in umgekehrtem Zusammenhang mit dem Wert des
Ladungsintegrators 402.
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Es
versteht sich, dass die als 402 bezeichneten Schaltungselemente
eine Ladungsintegrationsfunktion zur Verfügung stellen,
die auch durch andere Mittel erreicht werden kann, und dass diese
Art von Schaltung nicht auf die Verwendung eines massereferenzierten
Kondensators begrenzt ist, wie dies durch 402 gezeigt wird.
Es sollte ebenfalls selbstverständlich sein, dass der Ladungsintegrator 402 ein auf
einem Operationsverstärker basierender Integrator sein
kann, zur Integration der Ladung, die durch die Ausleseschaltung
fließt. Derartige Integratoren verwenden ebenfalls Kondensatoren
zur Speicherung der Ladung. Es darf festgestellt werden, dass, obwohl
Integratoren zur Schaltungskomplexität beitragen, sie eine
idealere Summierungsverbindungslast für den Auslesestrom
darstellen und einen größeren dynamischen Bereich
zur Verfügung stellen. Wenn eine niedrige Integratorgeschwindigkeit
verwendet wird, kann es erforderlich sein, einen separaten Kondensator
an der Stelle von 402 zu verwenden, um die Ladung vorübergehend
mit hoher Geschwindigkeit zu speichern, bis der Integrator sie aufgenommen
hat, aber der Wert eines derartigen Kondensators ist vergleichsweise
unkritisch im Vergleich zu dem Wert des Integrationskondensators,
der in dem operationsverstärkerbasierten Integrator enthalten
ist.
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Es
kann für den Probenahmeschalter 401 hilfreich
sein, die Ausleseelektrode des Sensors mit Masse zu verbinden, wenn
sie nicht mit dem Ladungsintegrator 402 während
des Wechsel des Ansteuersignals der gewählten Polarität
(in diesem Fall positiv) verbunden ist. Dies ist der Fall, da dadurch eine
künstliche Masseebene geschaffen werden kann, wodurch RF-Emissionen
reduziert werden, und, wie oben erwähnt, ermöglicht
wird, dass die gekoppelte Ladung der entgegengesetzten Polarität
zu der durch den Ladungsintegrator 402 ausgelesenen Ladung
ordnungsgemäß dissipiert und neutralisiert wird.
Es ist außerdem möglich, einen Widerstand zu verwenden,
um die Ausleseelektrode zu erden, um so den gleichen Effekt zwischen Übergängen
der Ansteuerkanäle 101 zu erzielen. Als Alternative
zu einem einpoligen Umschalter 401 können auch
zwei unabhängige Schalter verwendet werden, wenn sie in
geeigneter Weise zeitlich angesteuert werden.
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Wie
in
US 6,730,165 beschrieben,
bestehen viele Signalverarbeitungsoptionen für die Manipulation
und Bestimmung einer Detektion oder Messung der Signalamplitude.
US 5,730,165 beschreibt
außerdem die Gewinnbeziehung der in
1C dargestellten
Anordnung, wenn auch in Bezug auf ein Einzelelektrodensystem. Die
Gewinnbeziehung im vorliegenden Fall ist die gleiche. Die Nützlichkeit
einer Signalauslöscheinrichtung
405 wird in
US 4,879,461 und in
US 5,730,165 beschrieben.
Die Offenbarung der
US 4,879,461 wird
hiermit durch Verweis aufgenommen. Der Zweck der Signalaufhebung
besteht darin, die Spannung (d. h. Ladung) zu reduzieren, die sich
an dem Ladungsintegrator
402 gleichzeitig mit der Erzeugung
eines jeden Bursts (positiver Übergang des Ansteuerkanals)
aufbaut, um so eine höhere Kopplung zwischen den Ansteuerelektroden
und den empfangenen Ausleseelektroden zu erlauben. Ein Vorteil dieses
Ansatzes besteht darin, eine größere Auslesefläche
zu ermöglichen, die empfindlich ist gegenüber
kleinen Abweichungen in der Kopplung zwischen den Elektroden bei
vergleichsweise geringen Kosten. Derartig große Auslesekopplungen
bestehen in physikalisch relativ großen Elektroden, wie sie
z. B. in menschlichen Berührungsausleseflächen verwendet
werden. Ladungsaufhebung erlaubt die Messung des Betrags der Kopplung
mit größerer Linearität, da die Linearität
von dem Vermögen der von der Ansteuerelektrode
100 auf
die Ausleseelektrode
104 gekoppelten Ladung abhängt,
im Verlauf eines Bursts in einen virtuellen Masseknoten abzufließen. Wenn
zugelassen würde, dass die Spannung auf dem Spannungsintegrator
402 während
des Verlaufs eines Bursts merklich anstiege, würde die
Spannung in umgekehrt exponentieller Weise steigen. Diese exponentielle
Komponente hat einen nachteiligen Effekt auf die Linearität
und somit auf den verfügbaren dynamischen Bereich.
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Der
Ansteuerkanal kann ein einfaches CMOS-Logikgatter sein, das von
einer herkömmlich regulierten Spannungsversorgung gespeist
wird und durch die Sensorsteuereinheit 20 gesteuert wird,
um eine periodische Vielzahl von Spannungspulsen einer gewählten
Dauer (oder in einer einfachen Implementierung einen einzelnen Übergang
von low nach high oder high nach low, d. h. einen Burst mit einem Impuls)
zu liefern. Alternativ kann der Ansteuerkanal einen Sinusgenerator
oder einen Generator für eine zyklische Spannung mit einer
anderen geeigneten Wellenform umfassen. Ein sich änderndes
elektrisches Feld wird somit an den steigenden und fallenden Flanken
des Zugs aus Spannungszyklen, die an die Ansteuerelektrode angelegt
werden, erzeugt. Es wird davon ausgegangen, dass die Ansteuerelektrode
und die Ausleseelektrode sich als gegenüberliegende Platten
eines Kondensators mit einer Kapazität CE verhalten.
Da die Ausleseelektrode kapazitiv mit der Ansteuerelektrode gekoppelt
ist, empfängt sie das sich ändernde elektrische
Feld, das durch die angesteuerte Spaltenelektrode erzeugt wird.
Dies führt zu einem Stromfluss in der Ausleseelektrode,
der durch die sich ändernde Spannung auf der angesteuerten
Elektrode durch kapazitive Differenziation des sich ändernden
elektrischen Felds induziert wird. Der Strom fließt in
Richtung (oder, abhängig von der Polarität, in
der umgekehrten Richtung) des Auslesekanals in der Ausleseeinheit 14.
Wie oben bereits bemerkt wurde, kann der Auslesekanal eine Ladungsmessschaltung
umfassen, die dazu eingerichtet ist, den La dungsfluss in/aus (abhängig
von der Polarität) den/dem Auslesekanal zu messen, der
durch den in der Ausleseelektrode induzierten Strom verursacht wird.
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Die
kapazitive Differenziation erfolgt durch die Gleichung, die den
Stromfluss durch einen Kondensator beschreibt, nämlich:
wobei I
E der
momentane Stromfluss durch den Auslesekanal S und dV/dt die Änderungsrate
der an der Ansteuerelektrode D
1 angelegten
Spannung ist. Der Betrag der Ladung, die auf die Ausleseelektrode
gekoppelt ist (und somit in/aus den/dem Auslesekanal S) während
eines Flankenübergangs ist das Integral der obigen Gleichung über
die Zeit, d. h.
QE =
CE × V. -
Die
bei jedem Übergang gekoppelte Ladung QE ist
unabhängig von der Anstiegszeit von V (d. h. dV/dt) und
hängt nur von der Spannungsänderung an der Ansteuerelektrode
(die leicht konstant gehalten werden kann) und der Größe
des Kopplungskondensators CC zwischen der
Ansteuerelektrode und der Ausleseelektrode ab. Eine Bestimmung der
Ladung, die in/aus dem Ladungsdetektor und dem Auslesekanal als
Reaktion auf eine Änderung in dem an die angesteuerte Elektrode
angelegten Ansteuersignal herein/herausgekoppelt wird, ist somit
ein Maß der Kopplungskapazität CE zwischen
der Ansteuerelektrode und der Ausleseelektrode.
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Die
Kapazität eines herkömmlichen parallelen Plattenkondensators
ist fast unabhängig von den elektrischen Eigenschaften
der Region außerhalb des Raums zwischen den Platten (zumindest
für Platten, die groß gegenüber ihrem
Abstand). Für einen Kondensator, der benachbarte Elektroden
in einer Ebene umfasst, ist dies jedoch nicht der Fall. Das ist so,
weil zumindest einige der elektrischen Felder, die die Ansteuerelektrode
und die Ausleseelektrode verbinden, aus dem Substrat „herauslecken”.
Das bedeutet, dass die kapazitive Kopplung (d. h. die Größe von
CE) zwischen der Ansteuerelektrode und der Ausleseelektrode
in einem gewissen Grad sensitiv ist auf die elektrischen Eigenschaften
des Bereichs in der Nähe der Elektroden, in den die elektrischen
Felder „herauslecken”.
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In
der Abwesenheit irgendwelcher angrenzender Objekte bestimmt sich
die Größe von CE im Wesentlichen
durch die Geometrie der Elektroden und die Dicke und die dielektrische Konstante
des Sensorsubstrats. Wenn jedoch ein Objekt in dem Bereich vorhanden
ist, in dem das elektrische Feld aus dem Substrat herausleckt, kann
das elektrische Feld in diesem Bereich durch die elektrischen Eigenschaften
des Objekts verändert werden. Dies bewirkt eine Änderung
der kapazitiven Kopplung zwischen den Elektroden und somit ändert
sich die gemessene Ladung, die in/aus dem Ladungsdetektor mit dem
Auslesekanal (den Auslesekanälen) herein/herausgekoppelt
wird. Wenn z. B. ein Benutzer einen Finger in dem Bereich des Raums
hält, in dem sich ein Teil des herausgeleckten elektrischen
Felds befindet, wird die kapazitive Kopplung der Ladung zwischen
den Elektroden verringert, da der Benutzer eine deutliche Kapazität
gegenüber Masse (oder andere nahegelegene Strukturen, deren
Pfad sich zu dem Massereferenzpotenzial der Schaltung, die die Sensorelemente steuert,
schließt) aufweist. Diese reduzierte Kopplung tritt auf,
da das herausgeleckte elektrische Feld, das normalerweise zwischen
die Ansteuerelektrode und die Ausleseelektrode gekoppelt ist, zum
Teil von den Elektroden weg zur Erde hin abgelenkt wird. Das ist
so, weil das Objekt in der Nähe des Sensors eine Ableitung
für elektrische Felder weg von der direkten Kopplung zwischen
den Elektroden bildet.
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Durch Überwachung
der Ladungsmenge, die zwischen den Ansteuerelektroden und den Ausleseelektroden
gekoppelt wird, können Änderungen in der Ladungsmenge,
die zwischen ihnen gekoppelt wird, erkannt werden und verwendet
werden, um zu bestimmen, ob ein Objekt in der Nähe des
Sensors ist (d. h. ob die elektrischen Eigenschaften des Bereichs,
in den die elektrischen Felder lecken, sich geändert haben).
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Der
zweidimensionale Positionssensor oder Berührungsbildschirmsensor
der Erfindung beruht daher auf einer aktiven kapazitiven Sensortechnik, im
Gegensatz zur passiven kapazitiven Sensortechnik, die eine optimalere
Bestimme der Position eines Objekts, eine größere
Linearität des Ausgangssignals bei einer Bewegung des Objekts
für den Sensor und eine größere Empfindlichkeit
des Sensors auf kapazitive Änderungen aufgrund eines sich
annähernden Objekts zur Verfügung stellt. Zusätzlich
ist, wie obenstehend beschrieben wurde, der erfindungsgemäße
Sensor vielfältiger einsetzbar und weniger empfindlich
gegenüber Masselasten, als wie bekannte Sensoren.
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Wie
zuvor beschrieben, arbeitet der erfindungsgemäße
Sensor auf dem Matrixsensorprinzip, das in
US 6,452,514 beschrieben wird. Derartige
Matrixsensoren verwenden kapazitive Feldänderungen zwischen
zwei Elektroden, einer Ansteuerelektrode und einer Ausleseelektrode,
anstelle einer Bestimmung einer Änderung in der Kapazität
einer Ausleseelektrode gegenüber einem Referenzpotenzial
(z. B. Masse). Derartige Matrixsensoren in dem erfindungsgemäßen
Bildschirmberührungssensor beinhalten kapazitive e-Felder,
die „geschlossene” sind, als kapazitive e-Felder
in passiven Sensoren, die typischerweise „offener” sind.
Dies verbessert die kapazitive Empfindlichkeit des Sensors.
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1E zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals, das für
die Verwendung mit den Geräten der in den 1, 1A und 1B gezeigten
Art geeignet ist. In den beispielhaften Ansteuersignalen wird davon
ausgegangen, dass das Gerät sechs Ansteuerkanäle
D1–D6 hat,
wobei jeder Ansteuerkanal mit jeder vierten Ansteuerelektrode 52 verbunden
ist, wodurch zwei Ansteuerelektroden zwischen angrenzenden Ansteuerkanalverbindungen
zu liegen kommen, und wobei die Ansteuerelektroden durch eine Widerstandsleiter,
wie zuvor beschrieben, verbunden sind. Die gesamte sensitive Fläche
des Geräts wird durch eine Sequenz von sechs Ansteuersignalen
abgetastet, eine für jeden Ansteuerkanal. In der Abbildung
wird davon ausgegangen, dass zum Zeitpunkt t1 eine Ansteuerspannung
V am Kanal D1 angelegt wird, wobei die anderen
Kanäle auf Masse gehalten werden. Zu den Zeiten t2, t3,
t4, t5 und t6 werden jeweils die Kanäle D2 bis
D6 mit der gleichen Ansteuerspannung V angesteuert,
während die anderen Kanäle auf Masse gehalten
werden. Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Ansteuerung nicht
wesentlich ist, sondern dass lediglich ein ganzes Set von Signaldaten
durch Ansteuerung jedes Ansteuerkanals gesammelt wird. Darüber
hinaus sind die Ansteuerspannung der Einfachheit halber die gleichen,
aber auch dies ist nicht wesentlich. Der gleiche Effekt könnte
erzielt werden, indem die dargestellten Spannungen invertiert werden.
Durch die Kette von Widerständen zwischen benachbarten
Ansteuerelektroden, die z. B. durch diskrete Widerstände
oder einen Dünnfilmwiderstandsstreifen gebildet wird, fällt
eine Spannung V von der Ansteuerelektrode, die mit dem angesteuerten
Kanal verbunden ist, bis zu dem nächsten geerdeten Ansteuerkanal
oder Ansteuerkanälen auf 0 ab, wenn ein bestimmter Kanal
mit einem Spannungspuls der Magnitude V angesteuert wird und die
anderen Kanäle geerdet sind. In dem dargestellten Beispiel
fällt die Spannung drittelweise ab, da es zwei intermediäre Ansteuerelektroden
gibt. Wenn es drei intermediäre Ansteuerelektroden gäbe,
würde die Spannung viertelweise abfallen usw.
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Die
x-Position der Berührung oder anderweitigen Betätigung
wird durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke
der beiden Gruppen aus den drei Gruppen von Ausleseelektroden S1, S2, S3 erhalten,
die die zwei stärksten Signale haben.
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Die
y-Position der Berührung oder der anderweitigen Betätigung
wird ebenfalls durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke
erhalten, aber in leicht unterschiedlicher Weise.
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Sobald
das vollständige Set von sechs Signalen von den sechs Ansteuerereignissen
bei t1–t6 gesammelt ist, werden die beiden angrenzenden
Ereignisse, die die stärksten Signale liefern, ausgewählt,
und die y-Position durch ratiometrische Interpolation der Signalstärke
dieser beiden Signale bestimmt. Wenn z. B. das stärkste
Paar von angrenzenden Signalen von der Ansteuerung der Kanäle
D2 und D3 erhalten
wurde, und das Signal, das erhalten wurde, während D2 angesteuert wurde, zweimal größer ist
als das Signal, das erhalten wurde, während D3 angesteuert
wurde, dann wird festgestellt, dass die Berührung auf einem
Drittel der Strecke von der Ansteuerelektrode D2 zur
Ansteuerelektrode D3 stattgefunden hat.
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Die 2, 3, 4 und 5 zeigen weitere
Elektrodenmuster, die der Ausführung der Erfindung dienen,
und die auf ein Substrat angewendet werden können, das
in einem kapazitiven Positionssensor enthalten ist. Die Elektrodenmuster
sind ähnlich zu den Muster aus 1 und identische
Bezugszeichen werden verwendet, um die gleichen Merkmale zu bezeichnen.
Die Balkenelektroden 52 sind Ansteuerelektroden (D) und
die Ausleseelektroden (S) 62, 64, 66 sind
in drei Gruppen angeordnet. In 2 ist anzumerken,
dass das Elektrodenmuster erste und zweite Gruppen von Ausleseelektroden 62, 64 umfasst,
die abgeschrägt sind und sich gemeinsam in der x-Richtung
in einem Abschnitt der Erstreckung in der x-Richtung erstrecken,
und die zweite und dritte Gruppe der Ausleseelektroden 64, 66 abgeschrägt
sind und sich gemeinsam in einem anderen Abschnitt der Erstreckung
in der x-Richtung erstrecken. Die in den 1 bis 5 dargestellten Elektrodenmuster
haben Originalgröße. Die Anordnung der Ausleseelektroden
ist wichtig, um die Wechselwirkung von E-Feldern zwischen verschiedenen
Gruppen von Ausleseelektroden und damit die Genauigkeit der Bestimmung
der Objektposition zu optimieren. Die Anordnung der Gruppen von
Ausleseelektroden ermöglicht es dem erfindungsgemäßen Sensor,
die Position von mehr als einem Objekt, das sich zu einer gegebenen
Zeit dem Sensor annähert, zu interpretieren und zu bestimmen.
Es ist für den Sensor möglich, gleichzeitige Berührungen
an zwei verschiedenen Stellen der Ausleseelektroden auf separaten
Teilen des Sensors zu erkennen, vorausgesetzt, dass die beiden Stellen
sich in der y-Richtung durch zumindest einen, vorzugsweise zwei,
Ansteuerkanäle unterscheidet. Ansonsten würde
die in der Verarbeitungseinheit ausgebildete Interpolation zu dem
Schluss kommen, dass eine einzige Berührung an einer Stelle
zwischen den beiden gleichzeitigen Berührungen stattgefunden
hat.
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Die 6 bis 12 illustrieren
weitere Elektrodenmuster, die der Ausführung der Erfindung dienen
können. Jeder Sensor hat zwei Ansteuerkanäle D1, D2 und drei Auslesekanäle
S1, S2, S3. Jeder Ansteuerkanal liefert Ansteuersignale
für zwei Ansteuerelektroden 52. Die in den 6 bis 12 dargestellten
Muster entsprechen der tatsächlichen Größe.
Alle Sensoren umfassen drei Gruppen von Ausleseelektroden, mit Ausnahme
des Sensors aus 6, der vier Gruppen von Ausleseelektroden
umfasst.
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Die
Sensoren der Erfindung können mehr als drei oder vier Gruppen
von Ausleseelektroden umfassen, abhängig von dem Design
des Sensors. Fünf oder mehr Gruppen von Ausleseelektroden
können z. B. vorhanden sein, wenn die Breite des Elektrodenmusters
in der x-Richtung vergrößert wird, um einen größeren
kapazitiven Sensor unterzubringen. Zum Beispiel haben die unten
beschriebenen und in den 14, 15 und 16 dargestellten
Sensoren sechs Gruppen von Ausleseelektroden und der in 13 dargestellte
Sensor hat sieben.
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13 zeigt
ein Elektrodenmuster gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Das in 13 dargestellte Substrat, das
das Elektrodenmuster trägt, umfasst ein Elektrodenmuster
mit einer Größe, die vergleichbar ist mit den
vorherigen Ausführungsformen. Das Elektrodenmuster aus 13 hat ähnliche Muster
und arbeitet nach ähnlichen Prinzipien, wie sie im Zusammenhang
mit den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden.
Die Ansteuerelektroden 52 und die Ausleseelektroden 62, 64, 66 umfassen
jedoch Vorsprünge oder Zähne, die miteinander
verzahnt sind oder ineinander eingreifen, um ein kompliziertes Muster
zu bilden. Die Ansteuerelektroden 52 umfassen Zähne,
Balken oder Zinken von zunehmender Länge, die in den Zwischenraum
zwischen angrenzenden Zähnen der ersten, zweiten und dritten
Gruppe von Ausleseelektroden hineinragen. In der Elektrodenanordnung
aus 13 sind die ersten und dritten Gruppen von Ausleseelektroden 62, 63 auf
einer Seite der Ansteuerelektroden (d. h. unterhalb der jeweiligen
Ansteuerelektrode angeordnet, und die zweite Gruppe von Ausleseelektroden
ist auf der gegenüberliegenden Seite der Ansteuerelektroden
(d. h. über der jeweiligen Ansteuerelektrode) angeordnet.
Daher ist jede der Ansteuerelektroden 52 zwischen zwei
Ausleselektroden „eingeklemmt” und umfasst Zähne,
die von gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Elektrode
herausragen, um in die Zwischenräume zwischen entsprechende
Zähne der Ausleseelektrode einzugreifen. Die Ansteuerelektroden 52 können
dadurch beschrieben werden, dass sie einen Hauptast („back
bone”) haben, der in einer geeigneten Konfiguration angeordnet
ist, z. B. in der gezeigten V-Konfiguration. Jeder Arm der V-förmigen
Elektrode ist mit Zähnen von abgestufter Länge
auf jeder Seite, wie zuvor beschrieben, ausgebildet. Die Zähne
der Ausleseelekt roden haben ebenfalls eine abgestufte Länge,
um optimal in die Ansteuerelektroden eingreifen zu können.
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14 zeigt
eine weitere Ausführungsform auf Basis ähnlicher
Prinzipien wie die Ausführungsform aus 13.
Um die Details der 14 herauszustreichen, zeigt 14A schematisch eine Zeile der Ausleseelektroden
S1–S6,
nämlich die oberste und 14B zeigt
schematisch die sechs Ansteuerelektrodenreihen Da bis
Df, die sich in der x-Richtung erstrecken,
wobei jede Zeile durch einen sinusartigen Hauptast oder ein sinusartiges
Rückgrat gebildet wird, das von parallelen Zähnen,
Balken oder Zinken gekreuzt wird, die sich vertikal, d. h. in der
y-Richtung, mit der jeweils gleichen vertikalen Ausdehnung erstrecken.
Mit Ausnahme der Berge und Täler des Sinus erstreckt sich
jeder Zinken durch das Rückgrat und hat einen Abschnitt
oberhalb des Rückgrats und einen Abschnitt unterhalb des
Rückgrats. Die Abschnitte oberhalb des Rückgrats
sind mit den Ausleseelektroden S1, S3 und S5, die unterhalb
des Rückgrats angeordnet sind, verschränkt. Die
Zeilen der Ansteuerelektroden sind mittels fünf Widerständen R1 bis R5 zu einer
Spannungsleiter angeordnet, wobei die Widerstände auf der
linken Seite der dargestellten Vorrichtung zwischen den relevanten
Pads angeordnet sind, wie es in 14B schematisch
dargestellt ist. Es versteht sich, dass diese Vorrichtung in ähnlicher
Weise wie die Ausführungsform aus 1 angesteuert
werden kann, wobei D1 oder D2 mit
einer Ansteuerspannung angesteuert wird, während die jeweils
andere geerdet ist, und die y-Koordinate der Betätigung
durch Interpolation zwischen den Auslesesignalen bestimmt wird,
die von diesen beiden Ansteuerereignissen erhalten werden. Auf der
rechten Seite der Vorrichtung sind benachbarte Zeilen der Ansteuerelektroden
ohne einen Widerstand miteinander verbunden, obwohl einer zwischen
die jeweils relevanten Pads auf der rechten Seite der 14B verbunden sein könnte, falls gewünscht.
Wie bereits in 14B gezeigt, gibt es wieder
zwei Ansteuerkanäle D1 und D2, die mit der obersten und der untersten
Zeile der Ansteuerelektroden verbunden sind. Die Ausleseelektroden
werden in sechs Gruppen S1–S6 gebildet, wobei die Gruppen S1,
S2 und S3 von der
linken Seite angeschlossen werden und die Gruppen S4,
S5 und S6 an der
rechten Seite. Die Gruppen überlappen sich gegenseitig,
um fünf Sensorbereiche in der x-Richtung zur Verfügung
zu stellen, die durch ratiometrische Analyse zwischen den beiden
stärksten Signalen bestimmt werden, wie oben im Zusammenhang
mit der Ausführungsform aus 1 beschrieben
wurde. Es versteht sich, dass dieses Design abgewandelt werden kann,
um eine unterschiedliche Anzahl von Gruppen von Ausleseelektroden,
eine unterschiedliche Anzahl von Reihen von Ansteuerelektroden,
eine unterschiedliche Anzahl von Ansteuerkanälen pro Ansteuerelektrode
(inklusive eine) usw. zu realisieren.
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15 zeigt
einen Sensor mit zugehörigen Elektrodenmustern gemäß einer
weiteren Ausführungsform. Es gibt sechs Ausleseelektrodengruppen S1–S6, die
sich in ähnlicher Weise überlappen wie in den
vorherigen Ausführungsformen, um eine ratiometrische Bestimmung
der x-Position einer Betätigung zu ermöglichen.
Jede Zeile von Ausleseelektroden wird von oben und von unten durch
eine Ansteuerelektrode 52 flankiert. Das besondere Merkmal
dieser Ausführungsform, das keine der früheren
Ausführungsformen aufweist, ist die stufenweise Verbreiterung
der Durchführungsverbindungen, die zu den innersten Ausleseelektrodengruppen
S3 und S4 führen.
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15A illustriert dieses Merkmal schematisch. Die
Durchführung für jede Ausleseelektrode 64 der
Gruppe S3, hat drei Abschnitte von zunehmender Breite
(vertikale Dimension). Der schmalste Abschnitt 643 führt
von der linken Seite der sensitiven Fläche und wird durch
Durchführungen für die Ausleseelektrode 66 der
Gruppe S2 flankiert. Weiter in der positiven
x-Richtung, nach dem Ende des kürzeren oberen Elements 68B der
Ausleseelektrode S1 verbreitert sich die
Durchführung für die Ausleseelektrode 64 in
einem Abschnitt 642, und nach dem Ende des längeren
unteren Elements 68A der Ausleseelektrode S1 verbreitert
sich die Durchführung erneut in einen Abschnitt 643.
Der Vorteil dieser zunehmenden Verbreiterung besteht darin, dass
der Widerstand zwischen den innersten Ausleseelektroden und der
Ausleseschaltung des zugehörigen Auslesekanals vermindert
ist, wodurch der Effekt reduziert ist, demzufolge die innersten
Ausleseelektroden eine geringere Empfindlichkeit haben, als die äußeren.
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16 zeigt
einen Sensor mit zugehörigem Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform, die die gleiche ist wie die Ausführungsform
aus 15, mit Ausnahme, dass das leitfähige Material
der innersten Ausleseelektroden ausgehöhlt ist.
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16A illustriert dieses Merkmal schematisch. Die
illustrierte Ausleseelektrode 64 der Ausleseelektrodengruppe
S3 ist ausgehöhlt dargestellt. Alle
Ausleseelektroden der Ausleseelektrodengruppen S3 und
S4 sind in ähnlicher Weise ausgehöhlt, wie
sich aus 16 ergibt. Der Vorteil dieses
Ansatzes resultiert aus der Erkenntnis, dass in der Art der aktiven
Messung, die Ansteuer- und Ausleseelektroden verwendet, auf die
sich die Erfindung bezieht, das Signal in erster Linie nur durch
unmittelbar naheliegende Bereiche von gepaarten Ansteuer- und Ausleseelektroden
beeinflusst wird. Das leitfähige Material in den Ausleseelektroden,
das sich in einem größeren Abstand von der zugehörigen
Ansteuerelektrode befindet, trägt nicht merklich zu dem
Signal bei und ist daher im Wesentlichen überflüssig.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dieses zusätzliche leitfähige
Material merklich zur Aufnahme von Umgebungsrauschen beiträgt.
Verbesserte Signal-zu-Rausch-Verhältnisse werden daher
mit der Elektrodenanordnung aus 16 im
Vergleich zu der aus 15 erzielt, indem die großen
zentralen Ausleseelektroden ausgehöhlt werden. Strikt gesprochen
besteht der zu verfolgende Ansatz darin, sicherzustellen, dass sich
die Ausleseelektroden nicht weiter als eine gegebene Distanz weg
von ihrer zugehörigen Ansteuerelektrode erstrecken, wobei
die gegebene Distanz eine charakteristische Distanz ist, die eine
Auslesetiefe angibt, über die der Großteil des
Signals gesammelt wird, z. B. zumindest 50, 60, 70, 80, 90 oder
99% des Signals.
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17 zeigt
einen Sensor mit zugehörigem Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform, die mit Bezug auf die Ausführungsformen aus
15 verstanden
werden kann. Das Elektrodenmuster ist im Vergleich zu der Ausführungsform aus
15 dahingehend
abgewandelt, dass ein zusätzliches zentrales Rückgrat
eingefügt ist, um eine zusätzliche Ausleseelektrodenkuppel
der Ausleseelektroden
69 zur Verfügung zu stellen,
die vertikal miteinander verbunden sind und mit dem zugehörigen Auslesekanal über
die Oberseite der Vorrichtung anstelle der Seiten verbunden ist.
In dem dargestellten Beispiel verbinden diskrete Brückungskomponentenverbindungen
71 die
linke und die rechte Seite der Ansteuerelektroden, um den leitfähigen
Pfad zwischen vertikal angrenzenden Ausleseelektroden
69 zu überbrücken.
Dieser allgemeine Ansatz kann aus der ebenfalls anhängigen
Anwendung 60/803,510 und ihrer nachfolgenden regulären
Anmeldung US 11/752,615, die als
US
2006/0279395 am 6. Dezember 2007 veröffentlich
wurde, verstanden werden.
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Das
in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung 60/803,510
und ihren nachfolgenden regulären Anmeldung US 11/752,615,
die als
US 2006/0279395 veröffentlicht
wurde, beschrieben werden, werden hiermit durch Verweis aufgenommen.
Di Elektrodenmuster aus US-Patentanmeldung 60/803,510 sind ähnlich
zu den Elektrodenmuster, die oben beschrieben wurden, und derartige
Muster können verwendet werden, um Kapazitäten,
basierend auf aktiven kapazitiven Sensortechniken gemäß der
hier beschriebenen Erfindung zu messen, obwohl sie nicht dafür
optimiert sind.
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18 illustriert
ein Muster von Elektroden, das identisch ist zu
11 aus
US-Anmeldung 60/803,510. Das Elektrodenmuster aus
18 kann auf
ein Substrat angewendet werden, das in einem kapazitiven Positionssensor
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
enthalten ist. Die longitudinalen (Balken-)Elektroden
52 sind
Ansteuerelektroden (D) und die Elektroden, die in einer verwobenen Anordnung
zwischen angrenzenden Ansteuerelektroden angeordnet sind, sind die
Ausleseelektroden (S). Diese Ausführungsform umfasst vier Gruppen von
Ausleseelektroden
62,
64,
66 und
68.
Die Ausleseelektroden
62,
64,
66 können
durch leitfähige Bahnen verbunden sein, um Kanäle
S
1, S
2, S
3 zu empfangen. In ähnlicher Weise
kann die Ausleseelektrode
88 mit einem Empfangskanal S
4 verbunden sein. Die Empfangskanäle
S
1, S
2, S
3, S
4 übertragen
Signale von den Ausleseelektroden an eine Ausleseeinheit in einer
Steuereinheit. Ansteuerkanäle D
x (nicht
gezeigt) senden Ansteuersignale an Gruppen von Ansteuerelektroden
52.
Eine Ansteuereinheit in einer Steuereinheit liefert die Ansteuersignale
an die jeweiligen Ansteuerelektroden oder Gruppen von Ansteuerelektroden.
Wie oben detaillierter beschrieben wurde, kann eine Position eines
Objekts auf dem Sensor durch die Unterbrechung oder Reduktion einer
kapazitiven Kopplung zwischen einer Ansteuerelektrode und einer
oder mehrerer Ausleseelektroden und einer Verarbeitung der Signale
von den Ausleseelektroden bestimmt werden, um die Fingerposition
zu berechnen. Die in
2,
3,
4 und
6 bis
15 der
US-Anmeldung 60/803,510 illustrierten Elektrodenmuster werden hiermit
durch Verweis aufgenommen und bilden einen Teil der Offenbarung dieser
Erfindung. Die Ausführungsformen der
2,
3,
4 und
6 bis
15 aus
US-Anmeldung 60/803,510 werden angesteuert und ausgelesen unter
Verwendung einer aktiven(oder matrix-)kapazitiven Sensortechnik,
wie sie in
US 6,452,514 beschrieben
wird, und liefert die hier beschriebenen Vorteile.
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Es
versteht sich, dass der Sensor der Erfindung auf viele Arten von
Geräten/Vorrichtungen anwendbar ist. Zum Beispiel kann
der Sensor mit Ofen, Grills, Waschmaschinen, Trocknern, Geschirrspülern,
Mikrowellen, Mixern, Brotmaschinen, Getränkemaschinen,
Computern, audio-visuellen Geräten, Personalcomputern,
tragbaren Medienabspielgeräten, PDAs, mobilen Telefonen,
Computern, Spielekonsolen usw. verwendet werden.
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19 zeigt
ein Beispiel eines mobilen Personalcomputers (PC) 120.
Ein Berührungssensor gemäß der vorliegenden
Technik könnte verwendet werden, um einen Teil oder die
Gesamtheit eines Eingabesteuerpaneels des Notebook-PCs 120 zu
bilden. In der Abbildung ist der PC 120 dargestellt, der eine
Anzeigevorrichtung 122 enthält, die mit einer Basis 124 verbunden
ist, die einen Prozessor und andere Komponenten, die typischerweise
mit einem PC verbunden sind, beherbergt. Ein Eingabesteuerpaneel 126 enthält
eine Tastatur 128. Das Eingabesteuerpaneel 126 enthält
des Weiteren ein berührungsempfindliches Mauspad 130.
Das Mauspad kann unter Verwendung eines Berührungssensors
gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert
sein. Darüber hinaus kann die Anzeigevorrichtung 122 ebenfalls
mit einem Berührungssensor gemäß der
vorliegenden Erfindung implementiert werden, wobei der Sensor der
Anzeigevorrichtung überlagert ist, um ein Touchscreen zur
Verfügung zu stellen. Dies kann insbesondere für
einen Tablett-PC nützlich sein.
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20 zeigt
schematisch eine Waschmaschine 91, die ein Steuerpaneel 93 beinhaltet,
welches einen Sensor gemäß der Erfindung beinhaltet.
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21 zeigt
schematisch ein Mobiltelefon 95, das einen oder mehrere
Sensoren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung beinhalten kann. Ein zweidimensionaler Sensor 98 gemäß der
Erfindung kann verwendet werden, um das Tastenpaneel mit Tasten 99 zur
Verfügung zu stellen, oder kann ein separater Sensor mit
im Wesentlichen den gleichen Abmessungen wie das Tastenpaneel sein.
Zum Beispiel kann das Tastenpaneel als mechanische Komponente beibehalten
werden und der Sensor vorgesehen werden, um Zeichnen, Schreiben
oder Befehlsgesten zu ermöglichen, die durch den Benutzer über
den Bereich des Tastenpaneels ausgeführt werden, z. B.
um eine Textnachricht auf Chinesisch oder mit anderen asiatischen
Zeichen zu erstellen. Der Bildschirm 97 kann ebenfalls
mit einem Sensor gemäß der Erfindung überlagert
sein.
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Allgemeiner
kann die Erfindung in Verbindung jedem Gerät verwendet
werden, das eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweist. Es ist ebenfalls
möglich, einen Sensor ähnlich zu den oben beschriebenen
vorzusehen, der separat von einem Gerät/einer Vorrichtung
zur Verfügung gestellt wird, das/die durch ihn gesteuert
werden kann, z. B. um eine bereits bestehende Vorrichtung aufzurüsten.
Es ist ebenfalls möglich, einen generischen Sensor zur Verfügung
zu stellen, der konfiguriert werden kann, um mit verschiedenen Geräten
zu funktionieren. Zum Beispiel kann ein Sensor zur Verfügung
gestellt werden, der programmierbare Tasten aufweist, die ein Hersteller
einer Vorrichtung oder eines Geräts mit gewünschten
Funktionen durch eine geeignete Konfiguration, z. B. durch Neuprogrammierung,
verknüpfen kann.
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Zusammenfassung
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Zweidimensionaler Positionssensor
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Ein
zweidimensionaler Positionssensor wird durch Ansteuerelektroden
(52) und Ausleseelektroden (62, 64, 66)
gebildet, die sich beide in der x-Richtung erstrecken und in der
y-Richtung verbunden sind. Die Ausleseelektroden umfassen mehrere Gruppen,
von denen zwei sich in der x-Richtung gemeinsam über unterschiedliche
Abschnitte der Erstreckung in x-Richtung erstrecken. Die Ansteuer- und
Ausleseelektroden sind zusätzlich so angeordnet, dass sie
miteinander kapazitiv gekoppelt sind. Im Betrieb werden Ansteuersignale
an die Ansteuerelektroden angelegt und dann die resultierenden Auslesesignale,
die von den Ausleseelektroden empfangen werden, gemessen. Die Position
einer Berührung oder einer Stiftbetätigung auf
den Sensor wird in der x- und y-Richtung wie folgt bestimmt. In
der x-Richtung wird die Position durch eine Interpolation zwischen
Auslesesignalen bestimmt, die von sich gemeinsam erstreckenden Paaren
von Ausleseelektroden erhalten werden und in der y-Richtung durch
Interpolation zwischen Auslesesignalen, die von verschiedenen Sequenzen
von Ansteuersignalen, die an die Ansteuerelektrode angelegt werden,
erhalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5730165 [0004, 0004, 0004, 0005, 0005, 0006, 0050, 0055, 0055]
- - US 2006/0279395 [0006, 0077, 0078]
- - US 6288707 [0006]
- - US 7148704 [0006]
- - US 6452514 [0008, 0009, 0009, 0010, 0049, 0050, 0063, 0079]
- - US 6730165 [0055]
- - US 4879461 [0055, 0055]
