DE19512150A1 - Eingabegerät sowie Berührungsbildschirmsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Berührungsbildschirm­ system gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Eingabegerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

Es wurde bereits eine Vielzahl von Techniken zur Realisierung sog. Berührungsbildschirme bzw. sog. "touch-screens" vorge­ schlagen.

Derartige Berührungsbildschirme gestatten, vorzugsweise durch Berührung einer Hand oder eines Fingers an die Bildschirmober­ fläche die Position eines auf dem Bildschirm dargestellten Cursers zu steuern. Vorzugsweise erfolgt diese Steuerung in mauskompatibler Weise, d. h. alle Curserbewegungen, die übli­ cherweise mittels einer Maus oder einem anderen Zeigergerät vorgenommen werden, können unmittelbar durch Führen, beispiels­ weise eines Fingers über die Bildschirmoberfläche, ausgeführt werden.

Die Techniken zur Verwirklichung derartiger Berührungsbild­ schirme können generell in zwei Gruppen aufgeteilt werden:

Bei der einen Gruppe wird die Bildschirmoberfläche in eine Ma­ trix aus Unterbereichen aufgeteilt, wobei jedem dieser Unterbe­ reiche ein Berührungssensor zugeordnet wird, durch den die An­ näherung beispielsweise eines Fingers an diesen Bereich detek­ tiert werden kann. Die Genauigkeit, mit der eine Fingerbewegung nachverfolgt werden kann, hängt somit von der Feinheit der ver­ wendeten Matrix ab. Bei dem verwendeten Sensoren handelt es sich üblicherweise um resestive oder kapazitive Sensoren.

Ein Problem bei dieser Art von "touch-screens" besteht in der Schwierigkeit, eine zufriedenstellende Auflösung zu erreichen, d. h. in der Schwierigkeit, die einzelnen Unterbereiche genügend klein ausführen zu können. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die verwendeten Sensoren sowie die dazugehörige Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie notwendige Leiterbahnen im wesent­ lichen transparent ausgeführt sein müssen, um die Sicht auf den Bildschirm nicht zu behindern.

Die andere Gruppe sieht das Aufbringen einer leitenden Schicht vor dem Bildschirm und das Aufzwingen einer bestimmten Strom­ verteilung über diese leitende Schicht vor. Vorzugsweise wird die aufgebrachte leitende Schicht sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung mit Wechselstrom beaufschlagt. Durch Annäherung an die Bildschirmoberfläche bzw. Berühren der Bild­ schirmoberfläche mittels eines Fingers der Bedienperson wird die elektrische Stromverteilung gegenüber der Verteilung in be­ rührungslosen Zustand verändert. Die entsprechende Veränderung wird von vorzugsweise an den Ecken des Bildschirms angeordneten Meßelementen detektiert, wobei aus den detektierten Signalen über eine Auswerteelektronik die Position des Fingers ermittelt werden kann. Die durch die Berührung der Bildschirmoberfläche bewirkte Beeinflussung der Stromverteilung ist dabei üblicher­ weise resestiver Art, d. h. ein Teil des Stromes wird über den Kontakt zwischen der leitenden Oberfläche und dem Finger der Bedienperson zur Erde hin abgeleitet. Die Beeinflussung kann jedoch auch kapazitiver Art sein, falls vor der leitenden Ober­ fläche nochmals eine isolierende Schicht aufgetragen wird, so daß durch den berührten Teil der leitenden Oberfläche und den Finger der Bedienperson eine Kapazität gebildet wird, durch de­ ren kapazitive Wirkung die Stromverteilung ebenfalls verändert wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Eingabegerät bzw. einen Berührungs­ bildschirm anzugeben, bei denen eine verfeinerte Detektion der Annäherung durch den Benutzer an das Eingabegerät bzw. an den Berührungsbildschirm möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 15 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen­ den Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer Elektrodenverteilung, wie sie für ein Eingabegerät vorteilhaft sein kann;

Fig. 2 zeigt ein Rückansicht zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, wie sie zur Verwirklichung eines Berührungsbildschirmsystems vorteilhaft sein kann;

Fig. 4 zeigt eine Prinzipschaltbild eines Teils einer Auswerte­ schaltung, die für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform geeignet ist;

Fig. 5 zeigt einen Teil einer Auswerteschaltung, die für eine Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet werden kann;

Fig. 6A zeigt ein Feldverteilungsdiagramm zur Verdeutlichung des prinzipiellen Feldverlaufes um eine Nutzelektrode sowie um eine diese umgebende Schirmelektrode;

Fig. 6B zeigt ein Feldverteilungsdiagramm zur Verdeutlichung der durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Ablenkelektrode bewirkten Beeinflussung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich zum einen allgemein auf ein Eingabegerät und zum anderen auf einen Berührungsbildschirm bzw. auf ein Berührungsbildschirmsystem.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Eingabegerätes han­ delt es sich um eine berührungssensitive oder annährungssensi­ tive Fläche, die beispielsweise in Form eines Posters auf der Innenseite eines Schaufensters aufgeklebt sein kann und in Ver­ bindung mit einem Bildschirmsystem steht. Das Eingabegerät de­ tektiert die Annäherung oder Berührung beispielsweise eines Fingers einer Bedienperson und setzt dieses detektierte Signal in ein Eingabesignal für das angeschlossene Bildschirmsystem bzw. Computersystem um. In einer bevorzugten Ausführungsform wird somit ermöglicht, daß eine Bedienperson von der Außenseite des Schaufensters die Position eines Cursers durch entsprechen­ de Annäherung sowie Bewegung, beispielsweise eines Fingers, be­ rührungslos steuert.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Berührungsbild­ schirmsystem. Bei einem derartigen Berührungsbildschirmsystem erfolgt eine berührungslose Steuerung wie bei herkömmlichen Be­ rührungsbildschirmen durch Annäherung an den Bildschirm selbst.

Der vorliegenden Erfindung liegt in bezug auf die beiden er­ wähnten prinzipiellen Anwendungsgebiete die Idee zugrunde, über der jeweiligen Detektions- bzw. Sensorfläche ein elektrisches Feld aufzubauen, welches durch die Annäherung beispielsweise eines Körperteils einer Bedienperson aufgrund kapazitiver Be­ einflussungen verändert wird, wobei diese Veränderung der räum­ lichen Feldverteilung zur Bestimmung des Ortes, an dem die An­ näherung stattgefunden hat, verwendet wird.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein räumliches elektrisches Feld aufgebaut wird, ist nicht nur eine zweidimensionale Posi­ tionsdetektierung, sondern gemäß bevorzugter Ausführungsformen auch eine dreidimensionale Positionsdetektierung möglich. Somit kann wie bei herkömmlichen "touch-screens" eine zweidimensiona­ le Positionsbestimmung der Annäherungsbewegung vorgenommen wer­ den und, daraus abgeleitet, beispielsweise die Position eines Cursers auf einem Bildschirm nachgeführt werden. Darüber hinaus kann jedoch auch die dritte Dimension, wie z. B. der Abstand der Hand zum Bildschirm oder zum Eingabegerät, für weitere Steue­ rungszwecke, beispielsweise zur Steuerung der Geschwindigkeit, mit der der Curser bewegt wird, verwendet werden. Diese dritte Dimension kann jedoch auch dazu verwendet werden, eine Funktion auszulösen, ähnlich wie dies bei einer Mauseingabeeinrichtung durch einen Klick oder Doppelklick erreicht werden kann. Dabei können auch verschiedene geschaltete Felder vorhanden sein und das Eindringen in ein tieferes elektrisches Feld als Auslös­ grund entsprechend einem Mausklick interpretiert werden.

Das elektrische Feld wird über zumindest eine Elektrode, die im folgenden als Nutzelektrode bezeichnet werden soll, bereitge­ stellt. Vorzugsweise wird die entsprechende Nutzelektrode von einer Schirmelektrode umgeben, die vorzugsweise auf dem glei­ chen Potential wie die Nutzelektrode liegt. Damit wird verhin­ dert, daß das elektrische Feld der Nutzelektrode durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch die Felder weiterer benachbar­ ter Elektroden, beeinflußt wird oder daß das entsprechende elektrische Feld Einfluß auf beispielsweise andere Felder nimmt. Die Schirmelektrode umrandet dabei die Nutzelektrode vorzugsweise zumindest in einer Ebene vollständig. Darüber hin­ aus ist vorzugsweise auch eine Abschirmung auf der Rückseite der Nutzelektrode vorgesehen. Für den Fachmann ist klar, daß es für eine ausreichende Abschirmung nicht unbedingt erforderlich ist, daß die Abschirmung durchgehend ist, sondern daß die Ab­ schirmung örtlich unterbrochen sein kann.

Um das von der Nutzelektrode bereitgestellte elektrische Feld darüber hinaus in seiner Richtung entsprechend dem Anwendungs­ zweck auszurichten und/oder zu bündeln, ist außerdem eine wei­ tere Elektrode vorgesehen, die vorzugsweise die Nutzelektrode oder, falls eine Schirmelektrode vorgesehen ist, die Schirm­ elektrode umgibt. Diese weitere Elektrode soll im folgenden als Ablenkelektrode bezeichnet werden und liegt vorzugsweise auf einem Potential, das das Potential der Nutzelektrode bzw. der Schirmelektrode um ein Vielfaches übersteigt, um einen ausrei­ chenden Bündeleffekt bzw. Ablenkungseffekt zu erreichen.

Die Ablenkelektrode kann auch mehrgeteilt sein, und die einzel­ nen Teile können auf unterschiedliches Potential gelegt sein. Auch können mehrere Schichten von Ablenkelektroden vorgesehen sein, um auch komplizierte räumliche Ablenkungen verwirklichen zu können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, ein von einer Nutzelektrode bereitgestelltes elektrisches Feld entspre­ chend dem vorliegenden Anwendungsfall optimal auszurichten und somit einen "Feldkorridor" bzw. "Eingabekorridor" zu schaffen, der genau das Gebiet abdeckt, welches annäherungs- bzw. berüh­ rungssensitiv sein soll.

Fig. 1 zeigt eine spezielle Ausführungsform für die Elektroden­ verteilung, wie sie für ein Eingabegerät, d. h. beispielsweise für ein als Folie ausgeführtes Eingabegerät zum Aufbringen auf einer Schaufensterscheibe geeignet ist. Selbstverständlich kann die im folgenden diskutierte Ausführungsform auch zur Anwendung direkt auf einem Bildschirm verwendet werden, falls die ent­ sprechenden Elektrodenfelder sowie die übrigen elektrischen Komponenten ausreichend transparent ausgeführt werden, um die Sicht auf den Bildschirm nicht zu beeinträchtigen.

In Fig. 1 sind vier Nutzelektroden 1 mit vorzugsweise dreieck­ förmiger Gestalt vorgesehen. Jede dieser Nutzelektroden wird mit einer Spannung, vorzugsweise einer Wechselspannung, beauf­ schlagt, um ein räumliches elektrisches Feld aufzubauen. Jede Nutzelektrode ist von einer Schirmelektrode 2 umgeben, die wie­ derum durch jeweils eine Ablenkelektrode 3 umgeben ist. Wie oben erwähnt, liegen die Schirmelektroden vorzugsweise etwa auf dem Potential der Nutzelektroden und verhindern eine gegensei­ tige Beeinflussung der einzelnen Nutzelektroden. Die Ablenk­ elektroden 3 liegend dagegen vorzugsweise auf einem höheren Po­ tential und dienen zur Bündelung des von der jeweiligen Nutz­ elektrode aufgebauten räumlichen elektrischen Feldes. Vorzugs­ weise wird von jeder der vier Nutzelektroden 1 ein elektrischer Feldkorridor unter dem Einfluß der Bündelungswirkung der zuge­ ordneten Ablenkelektrode bereitgestellt, wobei sich der Korri­ dor im wesentlichen zunächst senkrecht nach oben von der Nutz­ elektrode ausbreitet.

Streicht nun eine Bedienperson mit ihrer Hand oder ihrem Finger durch die aufgebauten elektrischen Felder, so werden diejenigen elektrischen Felder stärker beeinflußt, die sich näher zu dem entsprechenden Körperteil befinden bzw. in deren Einflußberei­ chen sich das Körperteil befindet. Mit den vier Nutzelektroden kann somit beispielsweise eine Cursersteuerung in alle vier Richtungen auf einem Bildschirm erfolgen. Dabei sind auch Quer­ bewegungen möglich, wenn sich der Finger der Bedienperson annä­ hernd zwischen den Feldern zweier Nutzelektroden befindet.

Darüber hinaus kann jedoch nicht nur die relative rage der Hand bzw. des Fingers der Bedienperson zur Ebene der Nutzelektroden ausgewertet werden, sondern es kann auch der relative Abstand der Hand oder des Fingers von den Nutzelektroden mit ausgewer­ tet werden. Die kapazitive Wirkung, die die Hand des Benutzers verursacht, nimmt mit sich verringerndem Abstand zur jeweiligen Nutzelektrode zu. Somit kann, wie bereits oben erwähnt, die Nä­ he zu den Nutzelektroden als weiteres Steuerkriterium umgesetzt werden, beispielsweise zur Steuerung der Geschwindigkeit, mit der ein Curser bewegt wird. Die Unterschreitung eines bestimm­ ten Abstands zu den Nutzelektroden kann jedoch auch als ein Einfachklick oder Doppelklick, wie er bei herkömmlichen Maus­ steuergeräten vorgesehen ist, interpretiert werden. Vorzugswei­ se arbeitet eine derartige Ausführungsform daher völlig maus­ kompatibel und wird vorzugsweise auch über die Mausschnittstel­ le mit dem entsprechenden Computersystem bzw. Bildschirmsystem verbunden.

Darüber hinaus können durch zusätzliche Nutzelektroden 4 weite­ re Sensorfelder gebildet werden, die beispielsweise wie Tasten wirken können, derart, daß durch sie lediglich die Annäherung des Körperteils unter einen bestimmten Schwellabstand detek­ tiert wird und diese Unterschreitung eine bestimmte Funktion auslöst, so daß hierdurch eine Tasteneingabe simuliert wird. Die zusätzlichen Nutzelektroden 4 können jeweils wiederum Schirmelektroden 5 sowie Ablenkelektroden 6 aufweisen, um ei­ nerseits die gegenseitige Beeinflussungen gering zu halten und andererseits eine ausreichende Bündelungswirkung zu erzielen.

Fig. 2 zeigt eine Rückansicht der Struktur nach Fig. 1, wobei zu erkennen ist, daß die Schirmelektroden 5 auch auf der Rück­ seite vorhanden sind, um eine Abstrahlung von der Rückseite der Nutzelektrode zu verhindern. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet elektrische Schaltungen, die zur Auswertung bzw. Umsetzung der detektierten Signale dienen.

Die Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 kann vorzugsweise auf einer Folie bzw. einem Poster aufgetragen sein, welches von in­ nen auf eine transparente Scheibe aufklebbar ist, so daß ein Steuervorgang von der entsprechend anderen Seite der Scheibe ohne Berührung der Folie bzw. des Posters erfolgen kann. Anwen­ dungsgebiete für eine derartige Ausführungsform liegen insbe­ sondere bei öffentlichen, vandalismussicheren Bedien- und In­ formationssystemen, bei elektronischen Katalogen für Schaufen­ ster sowie bei der Realisierung einfacher Maschinensteuerungen in stark verschmutzter Umgebung. Die Anordnung kann z. B. auch auf eine Platine aufgebracht sein.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden eine Ausführungs­ form beschrieben, die sich insbesondere für ein Berührungsbild­ schirmsystem eignet. Bei dieser Ausführungsform sind an den Rändern um eine Bildschirmfläche 8 mehrere Elektrodenanordnun­ gen, vorzugsweise jeweils entlang der Ränder oder in den vier Eckbereichen des Bildschirms, vorgesehen. Dargestellt sind ent­ lang dem linken und rechten Rand des Bildschirms Nutzelektroden 9 sowie entlang des oberen und unteren Randes des Bildschirms Nutzelektroden 10.

Jede Nutzelektrode 9 bzw. 10 ist wiederum vorzugsweise durch eine Schirmelektrode 11 umgeben. Weiterhin ist vorzugsweise je­ weils eine Ablenkelektrode 12 vorgesehen, die wiederum die ent­ sprechende Schirmelektrode bzw. Nutzelektrode umgibt. Die Ab­ lenkelektroden sind vorzugsweise mehrteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Teile auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Vorzugsweise gliedert sich jede Ablenkelektrode in einen Be­ reich, der näher zur Bildschirmfläche angeordnet ist und einen, der weiter von der Bildschirmfläche beabstandet ist. Vorzugs­ weise erhält der weiter beabstandete Teil der Ablenkelektrode ein höheres Potential als der näher am Bildschirm liegende Teil, so daß die von der Nutzelektrode ausgehende elektrische Feldverteilung in Richtung zum Bildschirm abgelenkt wird.

Vorzugsweise werden die gegenüberliegenden Nutzelektroden, d. h. zum einen die Elektroden auf den vertikalen Seiten und zum an­ deren die Elektroden auf den horizontalen Seiten des Bild­ schirms mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt, so daß sich eine Feldausbreitung zwischen der linken und rechten Nutzelektrode und zwischen der oberen und unteren Nutzelektrode einstellt.

Durch das Eindringen beispielsweise der Hand einer Bedienperson in das aufgebaute elektrische Feld wird die von jeweils zwei gegenüberliegenden Nutzelektroden gebildete Kapazität verän­ dert, und diese Veränderung kann zur Detektion des Ortes der Annäherung verwendet werden.

Im Gegensatz zu den oben erläuterten Ausführungsformen wird bei dieser Ausführungsform somit nicht die Kapazität zwischen einer Nutzelektrode und einem Körperteil einer Bedienperson entspre­ chend der Annährung der Bedienperson variiert, sondern es wird eine zwischen zwei Nutzelektroden herrschende Kapazität durch die Annäherung der Bedienperson beeinflußt und/oder es werden die Kapazitäten zwischen der einen Nutzelektrode und dem als geerdet betrachteten Körperteil sowie zwischen der anderen Nutzelektrode und dem Körperteil beeinflußt.

Dieses hieraus deutlich werdende Prinzip, die durch zwei zuge­ ordnete Nutzelektroden bereitgestellte Kapazität durch das Ein­ dringen in das zwischen ihnen herrschende Feld zu beeinflussen, ist jedoch nicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 3 be­ schränkt, sondern kann mit beiliebig vielen Elektroden verwirk­ licht sein und auch bei einem externen Eingabegerät, wie bei­ spielsweise dem oben erwähnten Sensorposter, ausgenutzt werden. Das Prinzip kann auch für eine Ausführungsform verwendet wer­ den, bei der der Bildschirm entsprechend einer Matrix in Unter­ abschnitte geteilt ist und somit mehrere über dem Bildschirm verteilte Sensorflächen vorliegen.

Anhand der Fig. 4 und 5 werden Prinzipschaltbilder erläutert, wie sie einer möglichen Auswerteelektronik zugrunde liegen kön­ nen.

Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Schaltung, die ge­ eignet ist, als Teil der Auswerteelektronik für ein erfindungs­ gemäßes Eingabegerät bzw. Berührungsbildschirmsystem zu dienen, wobei die Schaltung gemäß Fig. 4 vorzugsweise für Ausführungs­ formen eingesetzt werden kann, bei denen nicht mit Nutzelektro­ de/Gegennutzelektrode gearbeitet wird. In Fig. 4 bezeichnet Be­ zugsziffer 13 eine Nutzelektrode und Bezugsziffer 14 das sich dem aufgebauten elektrischen Feld nähernde menschliche Körper­ teil, also beispielsweise die Hand des Benutzers. Zwischen Nutzelektrode und Benutzerhand wirkt eine Kapazität CX, die mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet. Die Nutzelektrode 13 ist über einen als Impedanzwandler verschalteten Operationsverstärker 16 mit einer Schirmelektrode 17 verbunden. Dies bedeutet, daß die Schirmelektrode 17 stets auf dem gleichen Potential wie die Nutzelektrode liegt. Eine Ablenkelektrode 18 ist über den Ope­ rationsverstärker 19 ebenfalls mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers 16 verbunden, wobei aufgrund der durch die Wider­ stände 20 und 21 bewirkten Spannungsteilung das Potential der Ablenkelektrode 18 entsprechend dem Verhältnis (R₂₀ + R₂₁)/R₂₁ erhöht ist. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers 16 mit dem invertierenden Eingang des als Schmitt-Trigger wir­ kenden Operationsverstärkers 22 verbunden. Der nicht-inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 22 ist mit dem Mit­ tenabgriff des durch die Widerstände 23 und 24 gebildeten Span­ nungsteilers verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 22 ist darüber hinaus über den Widerstand 25 mit dem nicht­ invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 bzw. mit der Nutzelektrode 13 verbunden.

Die Schaltung arbeitet wie folgt: die Kapazität 15 wird durch den Ausgang des Operationsverstärkers 22 über den Widerstand 25 aufgeladen. Der entsprechende Ladezustand wird über den Opera­ tionsverstärker 16 an die Schirmelektrode 17 weitergegeben und entsprechend heraufgesetzt an die Ablenkelektrode 18 weiterge­ geben. Wenn die Aufladung der Kapazität 15 und somit das Ein­ gangssignal zum Operationsverstärker 22 einen bestimmten Wert überschritten hat, schaltet der als Schmitt-Trigger wirkende Operationsverstärke 22, wodurch eine Entladung der Nutzelektro­ de über den Widerstand 25 bewirkt wird. Durch die gezeigte Schaltung wird somit eine ständige Ladung und Entladung der Nutzelektrode, der Schirmelektrode und der Ablenkelektrode be­ wirkt, wobei die Frequenz, mit der die Umladung erfolgt, durch die durch den Widerstand 25 und die Kapazität 15 bestimmte Zeitkonstante festgelegt wird. Somit kann über die sich ein­ stellende Frequenz beispielsweise am Ausgang U_A auf die Größe der momentan wirkenden Kapazität 15 und somit auf den Abstand der Hand zur Nutzelektrode rückgeschlossen werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Prinzipschaltbild einer Schaltung, die vorzugsweise einen Teil einer Auswertelektronik darstellt, wie sie vorzugsweise für Ausführungsformen mit Nutzelektroden/ Gegennutzelektrodenpaaren Verwendung finden kann. Die gezeigte Differenzanordnung enthält eine Wechselspannungsquelle, vor­ zugsweise Rechteckspannungsquelle 26, die in Zusammenwirkung mit dem Widerstand 27 als Stromquelle angesehen werden kann. Die beiden Ausgänge der somit gebildeten Stromquelle sind je­ weils über Impedanzwandler 28 bzw. 29 mit Widerständen 30 bzw. 31 verbunden. Aufgrund der symmetrischen Beschaltung (insbesondere dem gleichen Widerstandswert der Widerstände 30 und 31) liegt der Verbindungspunkt zwischen den beiden Wider­ ständen 30 und 31 in bezug auf den eingeprägten Strom auf einem Nullpotential. Die Kapazität 32 symbolisiert die zwischen der Nutzelektrode und der Hand der Bedienperson wirkende Kapazität. Entsprechend ist angedeutet, daß eine Seite der Kapazität 32 auf Erdpotential liegt, wodurch verdeutlicht werden soll, daß für genügend hohe Frequenzen der Finger der Bedienperson als geerdet angesehen werden kann. Wenn die Hand oder der Finger des Benutzers sich nicht in dem aufgebauten Feld befindet, wird sich zwischen den Kapazitäten 32 und 33 ein Potential einstel­ len, das gleich dem zwischen den Widerständen 30 und 31 herr­ schenden Potential ist. Durch das Eindringen in das zwischen den Nutzelektroden herrschende Feld werden sich die Kapazitäten 32 und 33 jedoch gegengerichtet verändern, was dazu führt, daß sich eine Potentialdifferenz zwischen dem zwischen den Wider­ ständen 30 und 31 herrschenden Potential und dem zwischen den Kapazitäten 32 und 33 herrschenden Potential einstellt. Die Größe und das Vorzeichen dieser Potentialdifferenz repräsen­ tiert die Lage des Fingers oder der Hand des Benutzers bezüg­ lich der beiden Nutzelektroden. Durch die Einheit 34 wird diese Potentialdifferenz detektiert, wobei die Einheit 34 beispiels­ weise, wie eingezeichnet, aus einem einfachen Operationsver­ stärker 35 bestehen kann, der mit seinem nicht-invertierenden Eingang an das Potential zwischen den beiden Widerständen 30 und 31 gelegt ist und mit seinem invertierendem Eingang auf Er­ de liegt und somit mit dem nicht-invertierendem Eingang auf dem gleichen Bezugspotential liegt, wie es zwischen den Kapazitäten 32 und 33 aufgrund des Fingers bzw. der Hand des Benutzers herrscht.

Anhand der Fig. 6A und 6B wird im folgenden nochmals detail­ liert der durch die Ablenkelektroden bewirkte Effekt erläutert.

Fig. 6A zeigt das von einer Nutzelektrode 1 ausgehende elektri­ sche Feld, wobei dieses Feld durch die durchgezogenen Linien illustriert ist. Bezugziffer 2 bezeichnet die die Nutzelektrode l umgebende Schirmelektrode, wobei das durch die Schirmelektro­ de bewirkte elektrische Feld durch die gestrichelten Linien an­ gedeutet ist.

Fig. 6B zeigt neben der Nutzelektrode 1 und der Schirmelektrode 2 zusätzlich eine Ablenkelektrode 3, die die Schirmelektrode 2 umgibt. Deutlich zu erkennen ist, daß sich aufgrund des zwi­ schen der Schirmelektrode und der Nutzelektrode einstellenden elektrischen Feldes ein Bündelungseffekt hinsichtlich des von der Nutzelektrode 1 ausgehenden elektrischen Feldes einstellt. Das von der Nutzelektrode ausgehende und für den Meßeffekt ver­ wendete elektrische Feld ist durch die dickeren Linien verdeut­ licht.

Sowohl in der Fig. 6A als auch in der Fig. 6B sind außerdem die orthogonal zu den Feldlinien verlaufenden Äquipotentiallinien eingezeichnet. Anzumerken ist, daß es sich bei den Feldverläu­ fen lediglich um Handskizzen und nicht um Meßergebnisse han­ delt, so daß die Fig. 6A und 6B nur zur Erläuterung des Prin­ zips, wie die Bündelung erreicht wird, dienen sollen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde vorgeschla­ gen, die Beeinflussung eines durch eine Nutzelektrode aufgebau­ ten dreidimensionalen elektrischen Feldes aufgrund einer Annä­ herung einer Bedienperson an dieses Feld zu Steuerungszwecken auszunutzen. Neben den beispielhaft angegebenen Ausführungsfor­ men eignet sich die vorliegende Erfindung daher insbesondere für sog. Cyber-Space-Geräte, da es hier nicht nur erforderlich ist, eine zweidimensionale Positionsbestimmung durch eine Kör­ perbewegung vorzugeben, sondern es häufig auch notwendig ist, eine Positionsbestimmung bezüglich einer dritten Dimension vor­ zugeben.

Wie erwähnt, können insbesondere für derartige Anwendungen, aber auch bei den obengenannten Anwendungen, beliebig kompli­ zierte räumliche elektrische Felder aufgebaut werden, indem ei­ ne Vielzahl von Ablenkelektroden eingesetzt werden, die zumin­ dest teilweise auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden. Auch das Vorsehen mehrerer Abschirmelektroden pro Nutzelektrode kann vorteilhaft sein.

Bei Anwendungsformen mit Nutzelektroden/Gegennutzelektroden­ paaren muß nicht unbedingt eine Ablenkelektrode vorgesehen sein, da sich hier ohnehin eine vordefinierte Feldverteilung zwischen den beiden Nutzelektroden einstellt. Jedoch kann das Vorhandensein von Ablenkelektroden dann erforderlich werden, wenn die durch die Nutzelektrodenform und Anordnung vorgegebene Feldverteilung weiter beeinflußt werden soll.

Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung insbesondere bei einer Ausführungsform als Berührungsbildschirmsystem ähnlich der Ausführungsform, wie sie in Zusammenhang mit Fig. 3 erläu­ tert wurde, geeignet, von einem Bildschirm bzw. Monitor ausge­ hende Strahlung abzuschirmen.

Claims (27)

1. Berührungsbildschirmsystem mit zumindest einem kapazitiven Sensor zur Detektion einer Annäherung eines Benutzers an den Bildschirm und einer Einrichtung zur Umsetzung der Detektion in ein Steuersignal für das Bildschirmsystem, dadurch gekennzeich­ net, daß der zumindest eine kapazitive Sensor eine Nutzelektro­ de, eine die Nutzelektrode schirmende Schirmelektrode sowie ei­ ne Ablenkelektrode aufweist, wobei die Ablenkelektrode über ein von ihr erzeugtes elektrisches Feld die räumliche Verteilung eines von der Nutzelektrode abgegebenen elektrischen Feldes be­ einflußt und das Steuersignal entsprechend der durch die Annä­ herung des Benutzers an das elektrische Feld der Nutzelektrode verursachten kapazitiven Feldbeeinflussung erzeugt wird.

2. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schirmelektrode im wesentlichen die Nutzelek­ trode umgibt und die Ablenkelektrode wiederum im wesentlichen die Schirmelektrode umgibt.

3. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode etwa auf ein gleiches Potential wie die Nutzelektrode gebracht wird und die Ablenk­ elektrode auf ein deutlich höheres Potential als die Nutzelek­ trode bzw. Schirmelektrode gelegt wird.

4. Berührungsbildschirmsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Elektro­ dengruppen, jeweils bestehend aus Nutzelektrode, Schirmelektro­ de und Ablenkelektrode vorhanden sind.

5. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vielzahl von Elektrodengruppen matrixförmig über den Bildschirm verteilt aufgebracht sind.

6. Berührungsbildschirmsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vier Elektrodengruppen vorgesehen sind, wobei jede Elektrodengruppe aus einer Nutz­ elektrode, vorzugsweise einer Schirmelektrode sowie vorzugswei­ se mindestens einer Ablenkelektrode besteht und jede Gruppe an einer Seite oder in einer Ecke des Bildschirms angeordnet ist.

7. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Elektrodengruppe länglich ausgeführt ist und sich entlang des jeweiligen Bildschirmrandes erstreckt.

8. Berührungsbildschirmsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer Nutzelektrode eine andere Nutzelektrode als Gegennutzelektrode zugeordnet ist und die zu­ geordneten Nutzelektroden gegenphasig betrieben werden, so daß sich ein elektrisches Feld zwischen diesen zugeordneten Nutz­ elektroden einstellt und das Steuersignal entsprechend der durch die Annäherung des Benutzers an dieses Feld verursachten kapazitiven Feldbeeinflussung erzeugt wird.

9. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Nutzelektroden, die an gegenüberliegenden Seiten des Bildschirms angeordnet sind, jeweils ein Nutzelektroden/ Gegennutzelektrodenpaar bilden.

10. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Nutzelektroden/Gegennutzelektrodenpaar mit einer Differenzschaltung verbunden ist, durch die das Verhält­ nis des Abstandes jeder Nutzelektrode zur Annäherung ausgewer­ tet wird.

11. Berührungsbildschirmsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, durch die die relative Lage der Annäherung ge­ genüber der Bildschirmoberfläche detektiert wird und daraus ein Steuersignal zum entsprechenden Steuern einer Curserposition auf dem Bildschirm erzeugt wird.

12. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertelektronik zusätzlich den Abstand der Annäherung zur Bildschirmoberfläche auswertet und ein wei­ teres Steuersignal zur Verfügung stellt, durch das vorzugsweise die Geschwindigkeit des Cursers gesteuert wird.

13. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertelektronik den Abstand der Annähe­ rung zur Bildschirmoberfläche auswertet und mit einem vorgege­ benen Referenzwert vergleicht und bei Unterschreiten der Annä­ herung eines durch den Referenzwert festgelegten Mindestabstan­ des ein Auslösesteuerssignal erzeugt.

14. Berührungsbildschirmsystem nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch das Auslösesteuersignal eine Funktion ausgelöst wird, die durch die detektierte Lage der Annäherung relativ zur Bildschirmoberfläche vorausgewählt wurde.

15. Eingabeeinrichtung zur Verbindung mit einem Bildschirmsy­ stem, wobei die Eingabeeinrichtung separat zu einem Bildschirm des Bildschirmsystems angeordnet ist und zumindest einen kapa­ zitiven Sensor zur Detektion einer Annäherung eines Benutzers an die Eingabeeinrichtung sowie eine Einrichtung zur Umsetzung der Detektion in ein Steuersignal für das Bildschirmsystem auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine kapaziti­ ve Sensor eine Nutzelektrode, eine die Nutzelektrode schirmende Schirmelektrode sowie eine Ablenkelektrode aufweist, wobei die Ablenkelektrode über ein von ihr erzeugtes elektrisches Feld die räumliche Verteilung eines von der Nutzelektrode abgegebe­ nen elektrischen Feldes beeinflußt und das Steuersignal ent­ sprechend der durch die Annäherung des Benutzers an das elek­ trische Feld der Nutzelektrode verursachten kapazitiven Feldbe­ einflussung erzeugt wird.

16. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schirmelektrode im wesentlichen die Nutzelektrode umgibt und die Ablenkelektrode wiederum im wesentlichen die Schirmelektrode umgibt.

17. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 15 oder 16 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schirmelektrode etwa auf ein gleiches Poten­ tial wie die Nutzelektrode gebracht wird und die Ablenk­ elektrode auf ein deutlich höheres Potential als die Nutzelek­ trode bzw. Schirmelektrode gelegt wird.

18. Eingabeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Elek­ trodengruppen, jeweils bestehend aus Nutzelektrode, Schirmelek­ trode und Ablenkelektrode vorhanden sind.

19. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest vier Elektrodengruppen vorgesehen sind, wo­ bei jede Elektrodengruppe wiederum aus einer Nutzelektrode, ei­ ner Schirmelektrode sowie mindestens einer Ablenkelektrode be­ steht und diese vier Elektrodengruppen vorzugsweise räumlich so um ein Zentrum angeordnet sind, das ausgehend von diesem Zen­ trum das Überstreichen einer Elektrodengruppe ein Steuersignal für das Aufwärtsbewegen eines Cursers, das Überstreichen einer anderen Elektrode eine Abwärtsbewegung des Cursers und das Überstreichen der beiden restlichen Elektrodengruppen jeweils eine Links- bzw. Rechtsbewegung für den Curser bedeutet.

20. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eingabeeinrichtung Folienform aufweist und vor­ zugsweise dazu geeignet ist, auf die Innenseite einer transpa­ renten Scheibe geklebt zu werden, um von der Außenseite der Scheibe eine berührungslose Steuerung vornehmen zu können.

21. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Eingabeeinrichtung weitere Elektroden­ gruppen aufweist, die vorzugsweise um die ersten vier Elektro­ dengruppen herum angeordnet sind und durch diese weiteren Elek­ trodengruppen berührungslose Tasten simuliert werden.

22. Eingabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß einer Nutzelektrode eine andere Nut­ zelektrode als Gegennutzelektrode zugeordnet ist und die zuge­ ordneten Nutzelektroden gegenphasig betrieben werden, so daß sich ein elektrisches Feld zwischen diesen zugeordneten Nutz­ elektroden einstellt und das Steuersignal entsprechend der durch die Annäherung des Benutzers an dieses Feld verursachten kapazitiven Feldbeeinflussung erzeugt wird.

23. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Nutzelektroden/Gegennutzelektrodenpaar mit einer Differenzschaltung verbunden ist, durch die das Verhältnis des Abstandes jeder Nutzelektrode zur Annäherung ausgewertet wird.

24. Eingabeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, durch die die relative Lage der Annäherung ge­ genüber der Eingabegeräteebene detektiert wird und daraus ein Steuersignal zum entsprechenden Steuern einer Curserposition auf dem Bildschirm erzeugt wird.

25. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswertelektronik zusätzlich den Abstand der Annä­ herung zum Eingabegerät auswertet und ein weiteres Steuersignal zur Verfügung stellt, durch das vorzugsweise die Geschwindig­ keit des Cursers gesteuert wird.

26. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswertelektronik den Abstand der Annäherung zum Eingabegerät auswertet und mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleicht und bei Unterschreiten der Annäherung eines durch den Referenzwert festgelegten Mindestabstandes ein Auslösesteu­ erssignal erzeugt.

27. Eingabeeinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß durch das Auslösesteuersignal eine Funktion ausgelöst wird, die durch die detektierte Lage der Annäherung relativ zur Eingabegeräteebene vorausgewählt wurde.