DE19939159A1

DE19939159A1 - Berührungsempfindliches kapazitives Sensormatrixfeld

Info

Publication number: DE19939159A1
Application number: DE19939159A
Authority: DE
Inventors: Axel Schnell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2000-03-02

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine Positionskoordinatenbestimmung einer Berührung durchführen kann. Die Vorrichtung umfaßt eine Anzahl an einzelnen passiven Sensorelementen, die in Form einer Matrix beliebig angeordnet werden können und auf einem rein kapazitiven Basismesseffekt beruhen sowie eine Auswerteelektronik. An zwei orthogonalen Seiten der Matrix aus Sensorelementen erfolgt über Koppelwiderstände eine geeignete Signaleinspeisung, an den beiden anderen Seiten erfolgt der Abgriff der Messsignale für die X-Position und die Y-Position. Es gibt also nur drei Leitungsverbindungen zwischen passiver Sensormatrix und der Auswerteelektronik. DOLLAR A In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel übernimmt innerhalb der Auswerteelektronik ein Microcontroller u. a. die Kommunikation mit möglichen Peripheriegeräten wie z. B. PC, die von der Vorrichtung gesteuert werden sollen. DOLLAR A Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß sie kostengünstig aufgrund ihres extrem einfachen, vorzugsweise einlagigen Aufbaus und ihres flexiblen Designs sowie wegen des geringen Aufwandes an elektronischen Komponenten ein Eingabegerät realisiert, welches aufgrund des verwendeten Messverfahrens auch in verschmutzungs- und vandalismusgefährdeten Bereichen gut eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive, berührungsempfind liche Vorrichtung, die durch elektrisch nicht leitende Mate rialien hindurch arbeiten oder bedient werden kann und in der Lage ist, die Koordinaten des durch den Bedienerfinger oder eines anderen Gegenstandes entstehenden Berührungspunktes zu lokalisieren. Derartige Systeme sind dazu geeignet z. B. den Dialog des Bedieners mit einem Computersystem zu realisieren.

[Stand der Technik]

Berührungssensitive, matriziell angeordnete, zum Teil auch kapazitiv arbeitende Eingabesysteme sind z. B. aus den US- Patentschriften 4,550,310 und 5 463 388 sowie aus der Offen legungsschrift DE 197 44 791 A1 bekannt. Allen bestehenden Systemen gemeinsam ist der relativ komplexe, konstruktive Aufbau zur Lösung des Problems der Berührungspunktlokalisie rung. Die beschriebenen Geräte besitzen immer einen mehr schichtigen Aufbau des Senorflächenlayers und/oder einen Aufwand an Auswerteelektronik, der proportional mit der Anzahl an Zeilen und Spalten der verwendeten Matrixanordnung und damit der maximalen Auflösung des Systems anwächst. Zum Teil arbeiten die Geräte trotz einer solchen Bezeichnung gar nicht mit einem kapazitiven Basismesseffekt. Durch den ange sprochenen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau gestaltet sich die Verwendung solcher Geräte als transparente Eingabe systeme vor Displays oder Bildschirmen (Touchscreen) als äußerst schwierig. Angesichts der oben erörterten Problematik besteht das Bedürfnis nach einer einfach zu implementieren den, einlagig realisierten, kapazitiven, berührungsempfindli chen Vorrichtung, welche nur so viele Elektronikkomponenten bzw. Aufwand an Auswerteelektronik enthält, wie für eine befriedigende Positionsbestimmung absolut notwendig ist.

[Aufgabe der Erfindung]

Ausgehend vom Stand der Technik ist die Aufgabe der Erfin dung, mit geringem Aufwand, kostengünstig, vandalismussicher und verschleißfrei ein aus matriziell angeordneten, berüh rungssensitiven, kapazitiven Sensorelementen aufgebautes Eingabegerät zu realisieren, welches erfindungsgemäß aus einem vorzugsweise einlagigen, speziellen Basissensoraufbau besteht und unabhängig von der Anzahl der Einzelsensorelemen te mit nur einer einzelnen Auswerteelektronik auskommt.

[Beispiele]

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1a zeigt eine erfindungsgemäß berührungsempfindliche, geometrische Struktur und Anordnung eines einzelnen kapaziti ven Sensorelementes (1). Dieses besteht aus in geeigneter Weise angeordneten vier Einzelflächen (2), welche jeweils elektrisch leitend mit einem Zuleitungselement (3) verbunden sind.

Durch die Lage der Einzelflächen (2) zueinander ergibt sich ein elektrischer Vierpol mit den einzelnen Vierpolkapazitäten C_vp (4) wie in Fig. 1b angegeben.

Fig. 2 zeigt mehrere miteinander über Zuleitungselemente (3) verbundene einzelne kapazitive Sensorelemente (1), flächig angeordnet hinter einem dielektrischen, elektrisch nichtlei tenden Material (6) im Schnitt.

Dieses Material sorgt dafür, daß ein Bedienerfinger oder Gegenstand (5), welcher zumindest parasitär kapazitiv geerdet ist, die einzelnen kapazitiven Sensorelemente (1) nicht direkt elektrisch kontaktieren kann, so daß sich in jedem Fall Kapazitäten zwischen den Einzelflächen (2) untereinander und dem Bedienerfinger oder Gegenstand (5), welcher zumindest parasitär kapazitiv geerdet ist, und den Einzelflächen (2) ausbilden können.

Fig. 3a zeigt in der Draufsicht wie ein Bedienerfinger oder Gegenstand (5), welcher zumindest parasitär kapazitiv geerdet ist, sich oberhalb eines durch das elektrisch nichtleitende Material (6) abgedeckten einzelnen kapazitiven Sensorelemen tes (1) befindet und das elektrisch nichtleitenden Material (6) auf der dem kapazitiven Sensorelement (1) gegenüberlie genden Seite berührt.

Fig. 3b zeigt den durch diese Situation entstehenden neuen elektrischer Vierpol mit den einzelnen Vierpolkapazitäten C_vp (4) und den nun neu hinzukommenden Kapazitäten gegen Erdpo tential Cp (7).

Werden nun die einzelnen kapazitiven Sensorelemente (1) matriziell flächig angeordnet und zwar in der Weise, daß der Anschluß mit der Bezeichnung C_o mit dem Anschluß C_i des jeweils unteren Elementes, und der Anschluß mit der Bezeich nung R_o mit dem Anschluß R_i des jeweils rechts liegenden Elementes verbunden werden, ergibt sich eine homogene, matri zielle Anordnung von Teilvierpolen wie in Fig. 4 dargestellt. Kommt es auf der gegenüberliegenden Seite eines kapazitiven Sensorelementes (1), also auf der den Sensorelementen abgewandten Seite der Oberfläche des elek trisch nichtleitenden Materials (6), zu einer Berührung durch einen Bedienerfinger oder Gegenstand (5), welcher zumindest parasitär kapazitiv geerdet ist, so muß in der Gesamtanord nung von Fig. 4 der entsprechende Sensorvierpol durch den Vierpol von Fig. 3b ersetzt werden und die elektrische Homo genität der matriziell flächigen Gesamtanordnung verschwin det.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von berüh rungsempfindlichen, matriziell flächig angeordneten, einzel nen, kapazitiven Sensorelementen (1). Die vierseitige, ortho gonale Gesamtfläche der Anordnung wird an zwei zueinander orthogonalen Seiten jeweils über Koppelwiderstände (8) von einer gemeinsamen Signalquelle (9) in geeigneter Weise ge speist. An den beiden verbleibenden Seiten wird wird jeweils wieder über Koppelwiderstände (8) ein gemeinsamer Messignal knotenpunkt für die X-Position (10) und ein gemeinsamer Messignalknotenpunkt für die Y-Position (11) herausgeführt. Die gesamte Anordnung ist also nur über drei Signalleitungen mit der Auswerteelektronik (12) wie in

Fig. 6 gezeigt verbunden. Dieser Sachverhalt bleibt, eben falls in Fig. 6 schematisch dargestellt, unberührt von der Anzahl der verwendeten einzelnen kapazitiven Sensorelemente (1) und damit der möglichen Auflösung der Berührungskoordina tenbestimmung. Die Auswerteelektronik (12) selbst besteht vorzugsweise aus drei Funktionseinheiten. Einer speisenden Quelle (9), einer Eingangsstufe (14) zur Erfassung der Mess größen für die X-Position und zur Erfassung der Messgrößen für die Y-Position sowie einem Microontroller (13). Dieser wird vorzugsweise für die Erledigung mehrerer Aufgabenstel lungen innerhalb der Auswerteelektronik (12) verwendet. Er kontrolliert das Signal der speisenden Quelle (9) in Bezug auf Amplitude und/oder Phasenlage, er verarbeitet in geeigne ter Weise die Daten aus der Eingangsstufe (14), er berechnet nach einem geeigneten Algorithmus die XY-Positionskoordinaten einer Berührung des nicht leitenden Materials und übermittelt die ermittelten Positionskoordinaten an weiterführende Geräte mit denen eine Kommunikation aufgebaut werden soll z. B. PC.

Fig. 7 zeigt das bevorzugteste Ausführungsbeispiel von berüh rungsempfindlichen, matriziell flächig angeordneten, kapazi tiven Sensorelementen (1). Hierbei wird auf die Zuleitungs elemente (3) der einzelnen, kapazitiven Sensorelemente (1) ganz verzichtet und jeweils zwei benachbarte, auf gleichem elektrischen Potential liegende Sensorelektroden- Einzelflächen (2) fügen sich nun nahtlos zusammen. Dadurch entsteht eine extrem einfach zu fertigende Rautenstruktur (15), die sich aber funktionsfähig nach gleichem Prinzip betreiben läßt, wie die Anordnungen welche in Fig. 5 und Fig. 6 beschrieben wurden.

Fig. 8 zeigt eine Matrix aus Messwertepaaren. Jedes dieser Messwertepaare für sich ist der Berührungsposition des ent sprechenden kapazitiven Sensorelementes (1) innerhalb der matriziell flächigen Gesamtsensoranordnung eindeutig zugeord net. Alle Elemente der Matrix enthalten ein Messwertepaar bestehend aus X-Messwert und Y-Messwert z. B. [U_{ik X}, U_{ik Y}]. Im Falle der Nichtberührung ist dieses immer eindeutig größer als im Falle der Berührung eines Sensorelementes (1). Im Falle der Berührung von einzelnen Sensorelementen (1) auf der Hauptdiagonalen der Anordnung sind die Wertepaarelemente der Matrix gleich groß z. B. [U_{ik X} = U_{ik Y}]. Sie unterscheiden sich aber in Abhängigkeit von ihrer Position auf der Haupt diagonalen der Anordnung.

Im Falle der Berührung eines einzelnen Sensorelementes (1) der Anordnung, welches geometrisch an der Hauptdiagonalen der Matrix spiegelbar ist, spiegeln sich dessen Messsignalwerte paare auch z. B. [U_{ik X} = U_{ik Y}] und [U_{ik Y} = U_{ik X}] jeweils X- Wert gegen Y-Wert getauscht.

Bezugszeichenliste

1

kapazitives Sensorelement

2

Einzelfläche

3

Zuleitungselement

4

Vierpolkapazitäten C_vp

5

Bedienerfinger oder Gegenstand, kapazitiv geerdet

6

nichtleitendes Material z. B. Glas

7

Kapazitäten gegen Erdpotential C_E

8

Koppelwiderstände

9

speisende Quelle bzw. Generator

10

gemeinsamer Messignalknotenpunkt X-Achse

11

gemeinsamer Messignalknotenpunkt Y-Achse

12

Auswerteelektronik

13

Microcontroller

14

Eingangsstufe

15

Rautenstruktur

Claims

1. Durch elektrisch nichtleitende Materialien hindurch bedienbare, berührungsempfindliche Vorrichtung mit kapa zitivem Messeffekt zur Ermittlung von Positionskoordina ten der Berührung des nichtleitenden Materials dadurch gekennzeichnet, daß
ein Testsignal auf orthogonale Seitenkanten eines homogen strukturierten Feldes aus einer Vielzahl von einzelnen, gleich großen, elektrisch leitenden Flächenelementen auf geschaltet wird und Messignale an orthogonalen Seitenkan ten ausgekoppelt werden,
wobei die durch eine Bedienung erzeugte, partielle elek trische Inhomogenität über zumindest parasitär kapazitive Kopplungen gegen Erdpotential oder ein konstantes Bezugs potential durch die Messignale detektiert wird.

2. Berührungsempfindliche Vorrichtung zur Ermittlung von Positionskoordinaten, die folgendes umfaßt:
Vorzugsweise einlagige, matrizielle, orthogonale Anord nung von einzelnen, kapazitiven Sensorelementen (1), wel che an zwei orthogonal zueinander liegenden Seiten je weils über Koppelwiderstände (8) funktionsfähig eine ge meinsame elektrische Signaleinspeisung durch eine Quelle bzw. einen Generator (9) erhalten, wobei die einzelnen kapazitiven Sensorelemente (1) aus jeweils vier Einzel flächen eines elektrisch gut leitenden Materials oder ei ner entsprechenden Beschichtung bestehen;
einen jeweils über Koppelwiderstände (8) gemeinsam funk tionsfähig gebildeten Messignalknotenpunkt (10) der Span nung U_x bzw. des Stromes I_x welche/welcher die Messgröße gegen Signalmasse oder Erdpotential zur Ermittlung der X- Position der Berührung bildet;
einen jeweils über Koppelwiderstände (8) gemeinsam funk tionsfähig gebildeten Messignalknotenpunkt (10) der Span nung U_y bzw. des Stromes I_y welche/welcher die Messgröße gegen Signalmasse oder Erdpotential zur Ermittlung der Y- Position der Berührung bildet; und
ein die matrizielle, orthogonale Anordnung von kapaziti ven Sensorelementen (1) gegen direkten Kontakt derartig isolierendes elektrisch nichtleitendes Material (6), daß sich in jedem Fall Kapazitäten zwischen dem zumindest pa rasitär kapazitiv geerdeten Bedienerfinger oder Gegen stand (5) und den Einzelflächen (2) der kapazitiven Sen sorelemente (1) sowie den Einzelflächen (2) untereinander ausbilden können, wobei das nichtleitende Material (6) gleichzeitig als Trägermittel der kapazitiven Sensorele mente (1) dienen kann.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, wobei die über Zulei tungselemente (3) miteinander verbundenen und damit auf elektrisch gleichem Potential liegenden Einzelflächen (2) jeweils zweier benachbarter kapazitiver Sensorelemente (1) untereinander nicht denselben Abstand haben müssen, wodurch sich beliebige, aus einzelnen kapazitiven Senso relementen (1) bestehende Strukturen und damit auch Ta staturen ausbilden lassen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, wobei die auf elek trisch gleichem Potential liegenden Einzelflächen (2) je weils zweier benachbarter kapazitiver Sensorelemente (1) nicht über Zuleitungselemente (3), sondern direkt mitein ander verbundenen bzw. kontaktiert sind und sich damit eine extrem einfache Rautenstruktur (15) ergibt, mittels der sich eine kontinuierliche, lückenlose Positionskoor dinatenbestimmung einer Berührungsstelle über die Mess größen ermitteln läßt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 und 4, wobei auf der dem Bediener zugänglichen Seite in geeigneter Weise darge stellten Symbolen bei einer Berührung durch den Bediener eine mit den Positionskoordinaten des entsprechenden Sym bols softwaremäßig verknüpfte Funktion zugeordnet und ausgeführt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei die Charakteri stik des Signals der speisenden Quelle bzw. des speisen den Generators (9) entweder ein Stromsignal oder ein Spannungssignal ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei die Charakteri stik der Messignale entweder ein Stromsignal oder ein Spannungssignal ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, wobei die kapazitiven Sensorelemente (1) und deren Zuleitungen (3) transparent ausgeführt sind.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, wobei das leitende Material der kapazitiven Sensorelemente (1) und deren Zu leitungen (3) Kupfer ist dessen Strukturen wiederum aus einem mit Kupfer beschichteten Kunststoffmaterial heraus geätzt werden.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 9, wobei die Auswer teelektronik (12) aus Generator (9), Microcontroller (13) und Eingangsstufe (14) besteht, wobei der Microcontroller (13) den Generator (9) über eine Amplituden und/oder Pha senregelung regelt und die Kommunikation mit Peripherie geräten wie PC übernimmt und wobei zwischen vorzugsweise einlagiger, matrizieller, orthogonaler Anordnung von ein zelnen kapazitiven Sensorelementen (1) und Auswerteelek tronik nur drei geschirmte oder ungeschirmte Leitungsver bindungen bestehen.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Charakteristik des Signals der speisenden Quelle bzw. des speisenden Ge nerators (9) ein Spannungssignal ist und die beiden Mes signaleingänge der Eingangsstufe (14) als hochohmige Ope rationsverstärkerstufen ausgeführt sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 und 11, wobei die Messignale zwischen Eingansstufe (14) und Microcontroller (13) noch einer Spannungs-Frequenzwandlung unterzogen werden.

13. Verfahren zur Positionskoordinatenbestimmung einer Berüh rung, das folgenden Schritte und Zuordnungskriterien um faßt:
Einspeisen eines Signals durch den speisenden Generator (9) in die vorzugsweise einlagige, matrizielle, orthogona le Anordnung von einzelnen, kapazitiven Sensorelementen (1) in beschriebener Weise;
Messen der Größen am gemeinsamen Messignalknotenpunkt X- Achse (10) und am gemeinsamen Messignalknotenpunkt Y- Achse (11) durch die Auswerteelektronik (12);
Jedem einzelnen kapazitiven Sensorelement (1) der matri ziellen Anordnung wird ein Wertepaar z. B. [U_{ik X}, U_{ik Y}] zugewiesen;
wobei diese Werte im Falle der Nichtberührung der Anord nung gleich groß sind und größer als in jedem denkbaren Fall einer Berührung der matriziellen, orthogonalen An ordnung von einzelnen, kapazitiven Sensorelementen (1);
wobei im Falle der Berührung von einzelnen Matrixelemen ten auf der Hauptdiagonalen der Anordnung die Wertepaar elemente der Matrix gleich groß sind z. B. [U_{ik X} = U_{ik Y}] sich aber untereinander unterscheiden in Abhängigkeit von ihrer Position auf der Hauptdiagonalen der Anordnung;
wobei im Falle der Berührung eines einzelnen Matrixele mentes der Anordnung welches geometrisch an der Hauptdia gonalen der Matrix spiegelbar ist, dessen Messsignalwerte paare z. B. [U_{ik X} = U_{ik Y}] und [U_{ik Y} = U_{ik X}] ebenfalls, jeweils X-Wert gegen Y-Wert getauscht, auch spiegelbar werden;
Eindeutige Ermittlung der XY-Positionskoordinaten einer Berührung der vorzugsweise einlagigen, matriziellen, or thogonalen Anordnung von einzelnen, kapazitiven Senso relementen (1) durch den Microcontroller und Übermittlung dieser Daten z. B. an den PC.