DE202015105664U1

DE202015105664U1 - Schreibstift mit dünner Spitze für kapazitive Tastfelder

Info

Publication number: DE202015105664U1
Application number: DE202015105664.8U
Authority: DE
Original assignee: Stabilo International GmbH
Current assignee: Stabilo International GmbH
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-01-24
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: WO2017068111A1

Abstract

Elektronisches Zeigegerät (101) zur Durchführung von Eingaben (107) an einem digitalen Eingabegerät (102) mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld (108), wobei das elektronische Zeigegerät elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds (108) gekoppelt ist, dadurch charakterisiert, dass das elektronische Zeigegerät (101) wenigstens eine elektronische Schaltungskomponente (200) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die elektrische Kapazität in der Spitze (104) des elektronische Zeigegerätes (101) zu modulieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein System der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Moderne digitale Eingabegeräte können über eine berührungsempfindliche elektrisch kapazitiv wirkende Eingabeoberfläche, im Weiteren elektrisch kapazitiv wirkendes Tastfeld oder einfach Tastfeld genannt, gesteuert werden. Besonders weit verbreitet sind dabei kapazitiv wirkende Systeme, worin z. B. ein Gitter von Leiterbahnen bzw. ein Raster von Elektroden, welches auf der Unterseite der Deckscheibe der Eingabeoberfläche aufgebracht ist, unter eine Wechselspannung gesetzt wird.
Wenn sich der Finger oder ein Zeigegerät des Anwenders einem Knoten des Gitters nähert, bilden der Finger oder das Zeigegerät und die Leiterbahnen bzw. die Elektroden die beiden Platten eines Kondensators, und die Deckscheibe des Tastfelds dessen Dielektrikum.
Indem die Leiterbahnen bzw. Elektroden Teil eines RC-Gliedes, also Teil eines Schaltkreises mit Widerstand (Resistor) und Kondensator (Capacitor), sind, kann die Änderung der Kapazität durch Annäherung des Fingers oder Zeigegerätes gemessen, und dadurch der Berührungspunkt bestimmt werden.
So beschreibt beispielsweise die US 7 612 767 B1 ein solches herkömmliches Zeigegerät für ein Tastfeld, das mit seiner Spitze die von dem durch Wechselspannung erzeugten projiziert-kapazitiven Sensorfeld der Eingabeoberfläche ausgehenden elektrischen Ladungen aufnehmen kann und mittels Erzeugung einer Gegenspannung eine Erhöhung der Kapazität bzw. der wirksamen Kapazität des Zeigegerätes bewirken kann, so dass das Zeigegerät über die elektrische kapazitive Kopplung an die Eingabeoberfläche eine vorhandene elektrische Ladungsakkumulation auf der Eingabeoberfläche in einer Weise beeinflussen kann, die von der Eingabeoberfläche des digitalen Eingabegerätes als Berührung durch einen Finger interpretiert werden kann.
Nachteilig an derartigen Zeigegeräten bzw. digitalen Eingabesystemen ist jedoch unter anderem, dass nicht zwischen Eingabeoberflächenberührungen durch ein elektronisches Zeigegerät und Eingabeoberflächenberührungen durch Hand oder Finger eines Anwenders unterschieden werden kann.
Zudem weisen bekannte Zeigegeräte eine verhältnismäßig große Kontaktfläche Ihrer Spitze auf, was sich nicht zuletzt auch nachteilig auf die Kompaktheit und Ergonomie des Zeigegerätes auswirken kann.
Darüber hinaus sind herkömmliche elektronische Zeigegeräte nicht universell für alle vorhandenen digitalen Eingabegeräte elektrisch kapazitiv wirkendes Tastfeld einsetzbar, sondern jeweils nur für die Teilmenge von elektrisch kapazitiv wirkenden Tastfeldern, deren Auswerteelektronik in der Lage ist das eingesetzte elektronische Zeigegerät zu erkennen.
Aufgabe
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Zeigegerät für ein digitales Eingabegerät zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Vielseitigkeit der Verwendbarkeit des elektronischen Zeigegerätes, sowie unter anderem auch hinsichtlich der Kompaktheit und Ergonomie des elektronischen Zeigegerätes.
Lösung
Dies wird erfindungsgemäß durch ein elektronisches Zeigegerät nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 10 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes elektronisches Zeigegerät zur Durchführung von Eingaben an einem digitalen Eingabegerät mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld, wobei das elektronische Zeigegerät elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds gekoppelt ist, kann wenigstens eine elektronische Schaltungskomponente aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, die elektrische Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes zu modulieren.
Der Begriff der elektronischen Schaltungskomponente kann dabei einen elektronischen Schaltkreis oder eine Vielzahl von elektronischen Schaltkreisen mit wenigstens einem elektronischen Bauteil umfassen.
Unter dem Begriff eines elektrischen Messsignals soll hier zudem insbesondere ein elektrisches Messsignal verstanden werden, welches eine Folge von elektrischen Messpulsen, insbesondere beispielsweise eine Folge von Wechselstromimpulsen, umfassen kann.
Dabei können die einzelnen Messpulse des Tastfelds des digitalen Eingabegerätes beispielsweise mit einer Frequenz von 90 bis 270 kHz schwingen, und die Folge von Messsignalpulsen mit Pulsdauern von z. B. jeweils 100 bis 400 μs (Mikrosekunden), z. B. eine Frequenz zwischen 40 bis 240 Hz aufweisen. Dies erlaubt es beispielsweise bei 60 Hz bis zu 41 Messelektroden eines Tastfelds nacheinander zu betreiben (41 × 0,4 = 16,4 ms), was z. B. eine räumliche Auflösung eines 200 mm breiten Tastfeldes mit Streifen von 4,8 mm Breite ermöglicht.
Unter dem Begriff der Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, kann insbesondere eine Folge bzw. die Modulation einer Folge von Kapazitätszustandsänderungen der Kapazität bzw. der effektiven oder wirksamen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes verstanden werden.
Der Begriff der Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes kann ferner Kapazitätszustandsänderungen umfassen, bei denen das Vorzeichen der Kapazität und/oder der Betrag des Kapazitätswertes und/oder die Dauer des Kapazitätszustandes geändert werden. Auch kann der Begriff der Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes periodische oder aperiodische Kapazitätszustandsänderungen in bestimmten Zeitintervallen oder mit bestimmten zeitlichen Abständen umfassen.
Die elektronische Schaltungskomponente des elektronischen Zeigegerätes kann dabei dazu konfiguriert sein, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes derart durchzuführen, dass z. B. zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze umgeschaltet werden kann, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annehmen kann, der unterhalb eines vorgegebenen Kapazitätswertes, beispielsweise unterhalb eines Kapazitätserkennungsschwellwertes des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes, liegen kann.
Die elektronische Schaltungskomponente des elektronischen Zeigegerätes kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes derart durchzuführen, dass zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze umgeschaltet werden kann, wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annehmen kann, der gleich oder größer als ein vorgegebener Kapazitätswert, beispielsweise einem Kapazitätserkennungsschwellwert des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes, sein kann.
Die elektronische Schaltungskomponente des elektronischen Zeigegerätes kann ferner auch dazu konfiguriert sein wahlweise und/oder automatisch zwischen den genannten Modulationen umzuschalten.
Mit anderen Worten kann die elektronische Schaltungskomponente konfiguriert sein, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes derart durchzuführen, dass zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze umgeschaltet werden kann, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annehmen kann, der unterhalb eines vorgegebenen Kapazitätswertes, beispielsweise unterhalb eines Kapazitätserkennungsschwellwertes des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes, liegen kann, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annehmen kann, der gleich oder größer als ein vorgegebener Kapazitätswert, beispielsweise einem Kapazitätserkennungsschwellwert des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes, sein kann.
Ein erfindungsgemäßes elektronisches Zeigegerät bietet gegenüber bekannten elektronischen Zeigegeräten zahlreiche Vorteile.
Vorteilhafterweise können insbesondere z. B. durch die erfindungsgemäße Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes Berührungen des Tastfeldes durch das elektronische Zeigegerätes von Berührungen durch Hand oder Finger des Anwenders unterschieden werden, da die Hand oder Finger des Anwenders keine erfindungsgemäße Modulation der elektrischen Kapazität aufweisen.
Umfasst beispielsweise wie erwähnt die Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes durch die elektronische Schaltungskomponente zum Beispiel Kapazitätszustände mit Kapazitätswerten, welche unterhalb eines Kapazitätserkennungsschwellwertes des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes liegen, also Kapazitätszustände mit Kapazitätswerten bei denen das Tastfeld keine Berührung wahrnehmen oder registrieren würde, kann also erreicht werden, dass das Tastfeld abwechselnd bzw. entsprechend der realisierten Modulation, eine Berührung erkennt und nicht erkennt.
Dies kann es vorteilhafterweise erlauben, eine Berührung des Tastfelds durch die Spitze des Zeigegeräts von der Berührung des Tastfeldes durch eine Hand oder durch Finger des Anwenders zu unterscheiden, da eine Berührung durch eine Hand oder durch Finger des Anwenders keine derartige Modulation aufweisen, da Berührungen durch eine Hand oder durch Finger praktisch immer eine Kapazitätsänderung, bzw. eine Kapazitätserhöhung, am Tastfeld auslösen, mit Kapazitätswerten die groß genug bzw. hoch genug sind, um vom Tastfeld bzw. von der Auswerteelektronik des Tastfeldes als Berührung registriert und erkannt zu werden.
Das erfindungsgemäße elektronische Zeigegerät kann hingegen eine von Hand oder Finger des Anwenders verschiedene Modulation der vom Tastfeld, bzw. dem digitalen Eingabegerät, registrierten elektrischen Kapazität auslösen.
Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, das elektronische Zeigegerät der Empfindlichkeit des Tastfelds des digitalen Eingabegerätes, d. h. der Empfindlichkeit des Tastfelds mit der elektrische kapazitive Signale registriert werden können, angepasst werden.
Umfasst beispielsweise wie erwähnt die Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes durch die elektronische Schaltungskomponente zum Beispiel Kapazitätszustände mit Kapazitätswerten, welche gleich oder größer als ein vorgegebener Kapazitätswert, beispielsweise einem Kapazitätserkennungsschwellwert des Tastfeldes eines digitalen Eingabegerätes, sind, kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass Berührungen des elektronischen Zeigegerätes vom Tastfeld des digitalen Eingabegerätes zuverlässig erkannt werden.
Auf diese Weise kann das elektronische Zeigegerätes universal mit jedem elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld eines digitalen Eingabegerätes betrieben werden, unabhängig von der elektrisch kapazitiven Empfindlichkeit des Tastfelds.
Die elektronische Schaltungskomponente des elektronischen Zeigegerätes kann auch dazu konfiguriert sein, eine Modulation einer Folge von Kapazitätszustandsänderungen derart auszuführen, dass Kapazitätszustände einzeln oder gruppenweise geändert werden.
Dies kann es vorteilhafterweise erlauben die Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes präzise zu steuern und in Bezug auf die Eigenschaften des Tastfelds, bzw. die Eigenschaften der Auswerteelektronik des Tastfeldes, zu optimieren.
Die elektronische Schaltungskomponente kann beispielsweise wie folgt ausgeführt sein, bzw. folgenden Betrieb ermöglichen.
Bei Kontakt der Spitze des elektronischen Zeigegerätes mit dem Tastfeld kann zwischen Tastfeld und Spitze ein kleiner kapazitiver Ladungsverschiebestrom fließen. Dieser von der Spitze aufgenommene Verschiebestrom kann beispielsweise zunächst über einen Kondensator zu einem lokalen Massepotenzial eines Spannung-Stromwandlers fließen.
Der Spannung-Stromwandler kann zusätzlich auch einen Impedanzwandler enthalten, sowie über mehrere Ausgänge verfügen, beispielsweise einen Stromausgang und optional einen Spannungsausgang.
Der Strom am Stromausgang des Spannung-Stromwandlers kann dabei ein Abbild des Spannungsabfalls an dem besagten Kondensator sein. Da die Berührungs- bzw. Kontaktkapazität mit dem Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler bilden kann, kann die Spannung am Eingang des Spannung-Stromwandlers und damit der Strom an seinem Stromausgang in Phase zum elektrischen Messsignal, bzw. der Messspannung, des Tastfeldes sein.
Der Strom am Stromausgang des Spannung-Stromwandlers kann anschließend über einen Widerstand in eine Spannung bezogen auf eine Systemmasse umgesetzt werden.
Diese Spannung kann über einen Verstärker verstärkt und in das lokale Massepotenzial des Spannung-Stromwandlers eingespeist werden. Die wirksame Verstärkung und die Polarität der Verstärkung kann beispielsweise über ein Steuersignal einer digitalen Steuereinheit, zum Beispiel einem Mikrocontroller, geeignet eingestellt werden.
Über den optionalen Spannungsausgang des Spannung-Stromwandlers bzw. Impedanzwandlers kann beispielsweise die am Spannungs-Stromwandler/Impedanzwandler anliegende Eingangsspannung, bzw. ein Abbild der Spannung an der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, dem/einem Verstärker zugeführt werden.
Je nachdem ob die von der digitalen Steuereinheit kontrollierte und über den Verstärker eingespeiste Spannung in Gegenphase oder in Phase gegenüber der Spannung an dem besagten Kondensator der Spitze ist, kann die elektrische Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, z. B. bezogen auf eine Referenzkapazität oder Grenzkapazität, erhöht oder vermindert werden.
Insbesondere bei einer von der elektronischen Schaltungskomponente ausführbaren Verringerung der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes über die Regelung der Mitspannung, kann es vorteilhaft sein, beispielsweise direkt, die über einen Spannungsausgang des Spannung-Stromwandlers zur Verfügung gestellte Spannung für die Modulation der elektrischen Kapazität in der Zeigegerätspitze zu verwenden, da dies den Schaltungsaufwand verringern kann und in diesem Fall auf Stabilisierungsmaßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter elektrischer Schwingungen verzichtet werden kann.
Besagte Spannung in Gegenphase zur Spannung an dem besagten Kondensator der Spitze kann auch als Gegenspannung, und besagte Spannung in Phase zur Spannung an dem besagten Kondensator der Spitze, als Mitspannung bezeichnet werden.
Bei einem Betriebsmodus bei dem elektronische Schaltungskomponente durch Erzeugung einer Gegenspannung die elektrische Kapazität bzw. die elektrische wirksame Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes verändert, beispielsweise erhöht, kann die elektronische Schaltungskomponente als ein stromgesteuerter negativer Impedanzkonverter aufgefasst werden.
Eine von der elektronischen Schaltungskomponente erzeugte Gegenspannung, bzw. bezüglich des Tastfelds erzeugte inverse Spannung, kann sich dabei auswirken, also ob eine negative Kapazität in Serie zur Kapazität zwischen Spitze und Tastfeld geschaltet würde, was vom Tastfeld als eine vergrößerte bzw. erhöhte Kapazität registriert werden kann.
Vorteilhafterweise kann die elektronische Schaltungskomponente dazu konfiguriert sein, den Betrag einer für eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze des elektronischen Zeigegerätes erzeugten Gegenspannung auf einen Maximalwert zu begrenzen, zur Vermeidung unerwünschter elektrischer Schwingungen der elektrisch kapazitiven Kopplung zwischen Zeigegerät und Tastfeld.
Die Regelung der Gegenspannung zur Stabilisierung der Funktion und des Betriebs der elektronischen Schaltungskomponente, bzw. des elektronischen Zeigegerätes, kann dabei dynamisch erfolgen. Beispielsweise kann die digitale Steuereinheit, z. B. ein Mikrocontroller, die Amplitude der Gegenspannung fortwährend messen, überwachen und regeln, so dass ggf. die Gegenspannung reduziert werden kann, zur Vermeidung besagter unerwünschter elektrischer Schwingungen, wobei jedoch sichergestellt werden kann, dass eine ausreichend hohe Gegenspannung erzeugt werden kann, welche eine vom Tastfeld feststellbare und erkennbare elektrische Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes erzeugen kann.
Wie bereits erwähnt, kann bei einem Betrieb der elektronischen Schaltungskomponente, bei dem die elektrische Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes über die Regelung der Mitspannung vermindert wird, auf eine derartige stabilisierende Regelung verzichtet werden, wenn z. B. die über einen Spannungsausgang des Spannung-Stromwandlers zur Verfügung stellbare Spannung direkt für die Modulation der elektrischen Kapazität in der Zeigegerätspitze verwenden wird.
Die elektronische Schaltungskomponente kann zudem dazu konfiguriert sein, die Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes zeitlich synchron zu einer Messfrequenz des digitalen Eingabegerätes durchzuführen mit der Kontaktpositionsbestimmungssensoren des Tastfelds, z. B. Elektroden, abgefragt werden.
Eine derartige Synchronisation der Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze mit den Messzyklen des Tastfeldes zur Kontaktpositionsbestimmung kann es vorteilhafterweise erlauben eindeutige Kapazitätsmodulationen festzulegen welche sich besonders einfach und deutlich von der Auswerteelektronik des Tastfeldes erkennen lassen.
Beispielsweise sind Modulationsmuster denkbar, bei denen z. B. über drei Messzyklen des Tastfelds, die Spitze des elektronischen Zeigegerätes einen ersten Kapazitätszustand annimmt, gefolgt von zwei Messzyklen des Tastfelds, bei denen die Spitze des elektronischen Zeigegerätes einen zweiten Kapazitätszustand annimmt.
Die Erkennung eines Messzyklus des Tastfeldes vom elektronischen Zeigegerät, kann dabei z. B. über eine Amplitudenmessung der über den Kontakt mit dem Tastfeld aufgenommenen Spannung erfolgen.
Zudem kann durch die erfindungsgemäße Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, die Spitze des elektronischen Zeigegerätes im Vergleich mit herkömmlichen elektronischen Zeigegeräten kompakter ausgeführt werden, und beispielsweise die Fläche der Spitze mit der ein Kontakt mit dem Tastfeld hergestellt werden kann, mittlere Durchmesser von kleiner als 3 mm aufweisen.
Vorzugsweise kann, z. B. für eine vorteilhafte ergonomische Gestaltung und/oder eine größere Genauigkeit der Eingaben am Tastfeld, die Kontaktfläche der Spitze des elektronischen Zeigegerätes mittlere Durchmesser von 2–3 mm aufweisen.
Die erfindungsgemäße Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Zeigegeräten ermöglicht daher beispielsweise die Verwendung von dünneren Spitzen, bzw. von Spitzen mit kleineren Durchmessern, und verbessert damit auch vorteilhafterweise die Genauigkeit mit der Eingaben an einem Tastfeld eines digitalen Eingabegerätes mittels des elektronischen Zeigegerätes durchgeführt werden können, da eine höhere Auflösung von Kontaktpositionen auf dem Tastfeld unterstützt werden kann.
Ein Verfahren zur Durchführung von Eingaben an einem digitalen Eingabegerät mit elektrisch kapazitiv wirkender berührungsempfindlicher Eingabeoberfläche, d. h. mit Tastfeld, mittels eines elektronischen Zeigegerätes, kann z. B. folgende Schritte umfassen:
Eine Aufnahme eines elektrischen Messsignals des Tastfelds (108) am elektronischen Zeigegerät (101),
Eine Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes (101).
Ein erfindungsgemäßes System zur Durchführung und Erfassung von Eingaben an einem digitalen Eingabegerät mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld kann folgende Komponenten umfassen:
Ein digitales Eingabegerät mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld, ein elektronisches Zeigegerät zur Durchführung von Eingaben an dem besagten digitalen Eingabegerät, wobei das elektronische Zeigegerät elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds gekoppelt ist, wobei das elektronische Zeigegerät dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Messsignal des Tastfelds aufzunehmen, und
wobei das elektronische Zeigegerät wenigstens eine elektronische Schaltungskomponente aufweist, welche dazu konfiguriert sein kann, die elektrische Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes zu modulieren.
Folgende Figuren stellen beispielhaft dar:
1: Beispielhaftes System für digitale Eingaben
2: Beispielhafte elektronische Schaltungskomponente
Die 1 zeigt ein beispielhaftes System 100 zur Durchführung und Erfassung von Eingaben 107 mittels eines beispielhaften elektronischen Zeigegerätes 101 an einem digitalen Eingabegerät 102 mit elektrisch kapazitiv wirkender berührungsempfindlicher Eingabeoberfläche/elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld 108.
Das elektronische Zeigegerät 101 kann zudem über eine elektrisch leitfähige Mine verfügen, dessen Spitze 104 aus dem, ebenfalls elektrisch leitfähig ausführbaren, Endteil 105 austreten kann.
Das elektronische Zeigegerät 101 kann dabei elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds 108 gekoppelt sein und beispielsweise über die Spitze 104 ein elektrisches Messsignal des Tastfelds 108 des digitalen Eingabegerätes 102 aufnehmen.
Die Spitze 104 des elektronischen Zeigegerätes 101 kann dabei Teil einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungskomponente sein, bzw. mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungskomponente (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sein.
Vorteilhafterweise (nicht dargestellt) können dabei, bis auf beispielsweise eine digitale Steuereinheit, Microcontroller, und/oder eine lokale Spannungsversorgung der elektronischen Schaltungskomponente, die Teile der elektronischen Schaltungskomponente möglichst nahe der Zeigegerätspitze angeordnet werden und über eine elektrische Abschirmung verfügen.
Zur vorteilhaften ergonomischen Gewichtsverteilung können hingegen eine digitale Steuereinheit, Microcontroller, und/oder eine lokale Spannungsversorgung weiter entfernt von der Zeigegerätspitze angeordnet werden.
Darüber hinaus kann optional das digitale Eingabegerät 102 ferner dazu konfiguriert sein, ein Steuersignal an das elektronische Zeigegerät 101 zu senden, wobei das Steuersignal Informationen über die Signalstärke eines durch das elektronische Zeigegerät auf des Tastfelds 108 ausgelösten elektrischen Messsignals zur Bestimmung einer Position auf dem Tastfeld 108 umfassen kann.
Hierzu kann das digitale Eingabegerät 102 beispielsweise wenigstens einen Lautsprecher 109 aufweisen, welcher Steuersignale an das elektronische Zeigegerät 101 per Schall, z. B. per Ultraschall, übertragen kann.
Zum Empfang der vom digitalen Eingabegerät 102 ausgesandten Steuersignale kann das elektronische Zeigegerät 101 beispielsweise wenigstens ein Mikrofon 103 aufweisen.
Beispielsweise kann das Mikrofon 103 für den Empfang der Steuersignale unterhalb eines Griffteils 106 in einem Endteil 105 des elektronischen Zeigegerätes 101 untergebracht sein.
Auch ist beispielsweise denkbar, das Mikrofon für den Empfang der Steuersignale an dem der Spitze 104 gegenüberliegenden Ende des elektronischen Zeigegerätes 101 unterzubringen, um vorteilhafterweise vermeiden zu können, dass das Mikrofon von der Schreibhand des Anwenders verdeckt wird.
Optional kann das elektronische Zeigegerät 101 dabei die elektrische Kapazität der Spitze 104 des elektronischen Zeigegerätes 101 in Abhängigkeit des empfangenen Steuersignals modulieren zur Bestimmung der Position eines Kontaktpunktes auf dem Tastfeld 108.
Andere drahtlose Kommunikationsverbindungen zwischen digitalem Eingabegerät 102 und elektronischem Zeigegerät 101 zur Übertragung von Steuersignalen vom digitalem Eingabeberät 102 zum elektronischem Zeigegerät 101, wie. z. B. via Bluetooth, Bluetooth Low Energy/Bluetooth Smart oder WLAN, sind jedoch ebenfalls denkbar.
Somit kann beispielsweise das Kapazitätsverhalten des elektronischen Zeigegerätes 101 noch besser an das Kapazitätsverhalten bzw. die Kapazitätsempfindlichkeit des Tastfeldes 108 angepasst werden.
Die 2 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführung einer elektronischen Schaltungskomponente 200, bzw. eines elektronischen Schaltkreises, zur Verwendung in einem elektronischen Zeigegerät, beispielsweise Zeigegerät 101, der wie folgt ausgeführt sein kann und wie folgt betrieben werden kann.
Das Tastfeld eines digitalen Eingabegerätes (nicht dargestellt) kann, wie erwähnt ein elektrisches Messsignal erzeugen, z. B. eine Folge von Wechselstromimpulsen.
Wenn z. B. die Spitze 201 eines elektronischen Zeigegerätes auf das Tastfeld aufgesetzt ist, kann über eine elektrisch kapazitive Kopplung zwischen Tastfeld und Spitze ein kleiner kapazitiver Verschiebestrom fließen.
Dieser Verschiebestrom kann über einen optionalen (ersten) Kondensator 202, welcher z. B. als Schutz gegen Gleichspannungsanteile bei Berührung der Spitze mit Tastfeld dienen kann, sowie ggf. über einen weiteren Kondensator 203 zu einem lokalen Massepotential einer Eingangskomponente, beispielsweise zu einem lokalen Massepotential 211 eines Spannung-Stromwandlers 204 fließen.
Der Spannung-Stromwandler 204 kann über eine eigenständige lokale Spannungsversorgung bzw. lokale Spannungsquelle verfügen.
Der Spannung-Stromwandler 204 kann zusätzlich auch einen Impedanzwandler enthalten, sowie über mehrere Ausgänge verfügen, beispielsweise einen Stromausgang und optional einen Spannungsausgang.
Der Strom an einem Ausgang, z. B. am Stromausgang, des Spannung-Stromwandlers 204 kann dabei als ein Abbild des Spannungsabfalls am Kondensator 203 aufgefasst werden. Da die bei Berührung zwischen Spitze und Tastfeld vorhandene Kapazität, z. B. als Berührungskapazität bezeichnet, mit dem Kondensator 203 einen kapazitiven Spannungsteiler bilden kann, kann die Spannung am Eingang des Spannung-Stromwandlers 204 und damit der Strom an seinem Stromausgang in Phase zur zum elektrischen Messsignals des Tastfelds, bzw. in Phase zu einer Messspannung des Tastfelds, sein.
Der Strom am Stromausgang des Spannung-Stromwandlers 204 kann über den Widerstand 205 in eine Spannung bezogen auf die Systemmasse 210 umgesetzt werden. Diese Spannung kann über den Verstärker 207 verstärkt werden und in das lokale Massepotential 211 des Spannung-Stromwandlers 204 eingespeist werden. Dabei kann die wirksame Verstärkung und die Polarität der Verstärkung z. B. über ein Steuersignal 213 von einer digitalen Steuereinheit, z. B. Mikrocontroller 208, geeignet eingestellt und reguliert werden.
Diese beispielhafte Auslegung einer elektronischen Schaltungskomponente 200 eines elektronischen Zeigegerätes erlaubt beispielsweise folgende Betriebsmöglichkeiten.
Die Verstärkung des Verstärkers 207 kann vom Mikrocontroller 208 über das Steuersignal 213 so eingestellt werden, dass die Spannung an der lokalen Masse 211 gegenüber der Spannung über dem Kondensator 203 in Gegenphase ist.
Dies hat beispielsweise zur Folge, dass ein Verschiebestrom in die Zeigegerätspitze 201 zu einem Absinken der Spannung an der lokalen Masse 211 führt, was zu einer Verstärkung des Verschiebestroms führt.
Dies führt beispielsweise zu einem Anstieg des Stromes am Ausgang des Spannung-Stromwandlers 204, d. h. die elektronische Schaltungskomponente 200 ist also mitgekoppelt.
Die lokale Masse 211 kann dabei unabhängig von der Systemmasse 210 sein. Der Spannung-Stromwandler 204 kann deshalb über eine eigenständige Spannungsversorgung 209 verfügen.
Der Anstieg des Verschiebestroms wirkt sich für das Tastfeld wie eine erhöhte Kapazität aus.
Die Gegenspannung kann dabei bevorzugt so hoch eingestellt werden, dass das Tastfeld eine ausreichend hohe Kapazität erkennt, damit eine Berührung des Tastfelds durch die Spitze des Zeigegerätes erkannt werden kann.
Der Grad der Mitkopplung kann dabei von der Berührungskapazität zwischen Tastfeld und Spitze 201 abhängig sein.
Dabei kann die Mitkopplung kann so weit ansteigen, dass das elektrische kapazitive gekoppelte System ins Schwingen gerät.
Deshalb kann der Mikrocontroller 208, z. B. über eine Amplitudenmessung 206, z. B. ausgeführt zwischen Diode 215 und Kondensator 216, die Gegenspannung messen und überwachen.
Der Mikrocontroller 208 kann die Verstärkung über ein Steuersignal 213 so einstellen, dass einerseits eine ausreichend hohe Gegenspannung erzeugt werden kann, aber andererseits ein unerwünschtes elektrisches Schwingen vermieden werden kann.
Die Höhe des Verschiebestroms kann von der wirksamen Kapazität, d. h. der Berührungsfläche der Spitze 201, abhängig sein. Eine höhere Kapazität kann zu einem erhöhten Verschiebestrom führen.
Da die Gegenspannung ebenfalls den Verschiebestrom erhöhen kann, kann die Schaltung bei einer zu hohen Verstärkung ins Schwingen geraten.
Auf der anderen Seite sollte jedoch die Gegenspannung möglichst hoch sein, um eine gute Funktion gewährleisten zu können.
Um z. B. einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb zu erlauben ist die Verstärkung vorzugsweise während des Betriebs geeignet einzustellen und zu korrigieren.
Diese Funktionen kann beispielsweise der Mikrocontroller 208 übernehmen. Er kann die Gegenspannung messen und z. B. auf den maximal zulässigen Wert einstellen, bei dem noch kein Schwingen auftritt.
Dazu kann der Mikrocontroller 208 die maximale und die minimale Gegenspannung messen.
Im Betrieb entsteht z. B. bei korrekter Einstellung nur dann eine Gegenspannung, wenn das Tastfeld gerade Spannung führt. In den möglichen Pausen der Messspannung des Tastfelds entsteht keine Gegenspannung. Dies kann der Mikrocontroller 208 auswerten und die Verstärkung so einstellen, dass die maximale Gegenspannung einen Wert erreicht, bei dem noch keine nennenswerten Verzerrungen auftreten. Zudem kann der Mikrocontroller 208 dafür sorgen, dass in den Pausen keine Spannung und damit kein Schwingen auftritt.
Über ein Steuersignal 212 zur Steuerung und Regelung der Modulation der elektrischen Kapazität bzw. der elektrischen wirksamen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, und ggf. beispielsweise mit Verwendung eines Schalters 214, kann der Mikrocontroller die Erzeugung der Gegenspannung modulieren und beispielsweise sperren.
Eine Sperrung kann beispielsweise zu einer Kapazitätsverminderung unterhalb der Erkennungsschwelle des Tastfelds führen.
Es kann so beispielsweise erreicht werden, dass das Tastfeld abwechselnd eine Berührung erkennt und nicht erkennt. Dies kann es vorteilhafterweise erlauben, die Zeigegerätspitze von der Hand des Benutzers zu unterscheiden.
Da der Mikrocontroller 208 z. B. über die Amplitudenmessung 206 die Messzeitpunkte des Tastfelds erfassen kann, ist es hier zudem möglich, die Modulation der Gegenspannung, bzw. die Modulation der elektrischen Kapazität bzw. der elektrischen wirksamen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, synchron zu den Messzyklen des Tastfelds auszuführen.
Dies erlaubt beispielsweise eindeutige Muster, z. B. 3 Messzyklen aktiv, 2 Messzyklen inaktiv, welche sich besonders klar von der Auswertelektronik des digitalen Eingabegerätes erkennen lassen.
In dieser Betriebsart stellt beispielsweise die elektronische Schaltungskomponente 200 einen stromgesteuerten negativen Impedanzkonverter dar, worin ein positiver Strom an der Spitze 201 zu einer negativen Spannung an der Spitze 201 führt und umgekehrt.
Diese Spannungsänderung kann zu einer Erhöhung des in die Spitze 201 fließenden Stroms führen.
Entsprechend der Spannungsverstärkung der Schaltung 200 kann sich somit die wirksame Kapazität zwischen Tastfeld und Spitze erhöhen. Damit kann gewährleistet werden, dass auch sehr dünne Zeigegerätespitzen, z. B. mit mittleren Durchmessern kleiner als 3 mm, vom Tastfeld erkannt werden können.
Ebenfalls ist jedoch auch folgender Betrieb der elektronischen Schaltungskomponente 200 denkbar.
Beispielsweise kann durch ein Anlegen einer Mitspannung die Kapazität der Spitze verringert werden, so dass auch hier eine Modulation der Kapazität möglich ist.
Damit ist beispielsweise auch bei Tastfeldern, welche so empfindlich sind, dass keine Erhöhung der Kapazität der Spitze des Zeigegerätes erforderlich ist, da die intrinsische Ausgangskapazität der Spitze bereits genügt um ein Berührungssignal auszulösen, eine Unterscheidung zwischen Hand und Spitze möglich.
Über den optionalen Spannungsausgang des Spannung-Stromwandlers 204 bzw. Impedanzwandlers kann beispielsweise die am Spannungs-Stromwandler/Impedanzwandler anliegende Eingangsspannung, bzw. ein Abbild der Spannung an der Spitze des elektronischen Zeigegerätes, beispielsweise über eine Verbindung 217, direkt dem Verstärker 207 zugeführt werden.
Dies kann den Schaltungsaufwand verringern und es kann in diesem Fall auf Stabilisierungsmaßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter elektrischer Schwingungen verzichtet werden. Im Unterschied zum oben beschriebenen Verfahren, kann in diesem Fall die Spannung, die der Verstärker 207 einspeist also in Phase zur Spannung über dem Kondensator 203 bzw. in Phase zur Spannung am Spannungsausgang des Spannung-Stromwandlers 204, bzw. beispielsweise in Phase zur Eingangsspannung sein.
Ein Strom, der in die Spitze 201 fließt, kann dann zu einem Anstieg der Spannung an der lokalen Masse 211 führen. Dies kann sich als Verringerung der Kapazität der Zeigegerätspitze auswirken. Mit einer ausreichend hohen Verstärkung kann dann die Kapazität der Spitze die Erkennungsschwelle der Tastfelds unterschreiten.
Beispielsweise kann bereits eine Systemverstärkung von knapp unter 1 eine hinreichende Verringerung der Kapazität der Zeigegerätspitze ermöglichen.
Darüber hinaus ist beispielsweise über die Steuerung 213 der Verstärkung 213 aber auch eine hohe, nicht invertierende Verstärkung wählbar.
Für einen vorteilhaften universalen Einsatz des elektronischen Zeigegerätes, mit praktischer Unabhängigkeit von der kapazitiven Empfindlichkeit mit der ein Tastfeld Berührungen registrieren kann, kann die elektronische Schaltungskomponente zwischen den beschriebenen Betriebsmöglichkeiten umschalten, d. h. kann wahlweise und automatisch zwischen einer Modulation mit gegenüber einem vorgegebenen Kapazitätswert erhöhter Kapazität (Anwendungsfall 1), und einer Modulation mit gegenüber einem vorgegebenen Kapazitätswert verminderter Kapazität (Anwendungsfall 2), wechseln.
Vergleichsweise unempfindliche Tastfelder nach Anwendungsfall 1 können z. B. die durch die Gegenspannung erhöhte Kapazität zuverlässig erkennen. Die durch eine Mitspannung verringerte Kapazität wäre zwar nicht erforderlich würde aber sicher als „nicht berührt” erkannt werden.
Vergleichsweise empfindliche Tastfelder nach Anwendungsfall 2 würden beispielsweise schon die normale Berührung ohne Gegenspannung erkennen, aber die durch die Gegenspannung erhöhte Kapazität stört nicht. Der Fall „nicht berührt” würde hingegen durch die mittels Mitspannung verringerte Kapazität erkannt werden können.
Bezugszeichenliste

100: System zur Durchführung und Erfassung von Eingaben an einem digitalen Eingabegerät mit elektrisch kapazitiv wirkender berührungsempfindlicher Eingabeoberfläche/elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld
101: Elektronisches Zeigegerät
102: Digitales Eingabegerät
103: Mikrofon
104: Spitze des elektronischen Zeigegerätes
105: Endteil des elektronischen Zeigegerätes
106: Griffteil des elektronischen Zeigegerätes
107: Eingabe auf Eingabeoberfläche/Tastfeld
108: Elektrisch kapazitiv wirkendes Tastfeld
109: Lautsprecher
200: Elektronische Schaltungskomponente/Elektronischer Schaltkreis
201: Spitze des elektronischen Zeigegerätes
202: (erster) Kondensator, z. B. als Schutzkondensator gegen Gleichspannungsanteile bei Kontakt der Spitze des elektronischen Zeigegerätes mit dem Tastfeld
203: (zweiter) Kondensator
204: Eingangskomponente, Spannung-Stromwandler, kann optional zusätzlich auch einen Impedanzwandler enthalten
205: (erster) Widerstand
206: Amplitudenmessung
207: Verstärker
208: Digitale Steuereinheit, z. B. Mikrocontroller
209: (lokale) Spannungsquelle
210: Systemmasse
211: lokale Masse
212: Modulation/Verbindung der digitalen Steuereinheit, z. B. Mikrocontroller, zum Verstärker bzw. z. B. Verbindung der digitalen Steuereinheit zu einem Schalter, zur Steuerung und Regelung der Modulation der elektrischen Kapazität bzw. der elektrischen wirksamen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes/Steuersignal zur Steuerung und Regelung der Modulation der elektrischen Kapazität bzw. der elektrischen wirksamen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes
213: Verstärkung/Verbindung der digitalen Steuereinheit, z. B. Mikrocontroller, zum Verstärker, zur Steuerung und Regelung des Verstärkers/Steuersignal zur Steuerung und Regelung des Verstärkers
214: Schalter, z. B. gesteuert von der digitalen Steuereinheit, z. B. Mikrocontroller, zur Steuerung und Regelung der Modulation der elektrischen Kapazität bzw. der elektrischen wirksamen Kapazität in der Spitze des elektronischen Zeigegerätes
215: Diode/Gleichrichter
216: (dritter) Kondensator
217: Verbindung zwischen Komponente 204 und Schalter 214

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7612767 B1 [0005]

Claims

Elektronisches Zeigegerät (101) zur Durchführung von Eingaben (107) an einem digitalen Eingabegerät (102) mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld (108), wobei das elektronische Zeigegerät elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds (108) gekoppelt ist, dadurch charakterisiert, dass das elektronische Zeigegerät (101) wenigstens eine elektronische Schaltungskomponente (200) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die elektrische Kapazität in der Spitze (104) des elektronische Zeigegerätes (101) zu modulieren.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltungskomponente (200) ferner dazu konfiguriert ist, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes (101) durchzuführen, bei der zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze (104) umgeschaltet wird, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annimmt, der unterhalb eines vorgegebenen Kapazitätswertes, beispielsweise unterhalb eines Kapazitätserkennungsschwellwertes des Tastfeldes (108) eines digitalen Eingabegerätes (102), liegt.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltungskomponente (200) ferner dazu konfiguriert ist, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes (101) durchzuführen, bei der zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze (104) umgeschaltet wird, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annimmt, der gleich oder größer als ein vorgegebener Kapazitätswert, beispielsweise einem Kapazitätserkennungsschwellwert des Tastfeldes (108) eines digitalen Eingabegerätes (102), ist.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltungskomponente (200) ferner dazu konfiguriert ist, eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes (101) durchzuführen, bei der zwischen wenigstens zwei Kapazitätszuständen der Spitze (104) umgeschaltet wird, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annimmt, der unterhalb eines vorgegebenen Kapazitätswertes, beispielsweise unterhalb eines Kapazitätserkennungsschwellwertes des Tastfeldes (108) eines digitalen Eingabegerätes (102), liegt, und wobei wenigstens ein Kapazitätszustand einen Kapazitätswert annimmt, der gleich oder größer als ein vorgegebener Kapazitätswert, beispielsweise einem Kapazitätserkennungsschwellwert des Tastfeldes (108) eines digitalen Eingabegerätes (102), ist.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektronische Schaltungskomponente (200) ferner dazu konfiguriert ist, eine Modulation einer Folge von Kapazitätszustandsänderungen derart auszuführen, dass Kapazitätszustände einzeln oder gruppenweise geändert werden.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die elektronische Schaltungskomponente (200) als stromgesteuerter negativer Impedanzkonverter ausgeführt ist.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die elektronische Schaltungskomponente (200) dazu konfiguriert ist, den Betrag einer für eine Modulation der elektrischen Kapazität der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes erzeugten Gegenspannung auf einen Maximalwert zu begrenzen, zur Vermeidung unerwünschter elektrischer Schwingungen der elektrisch kapazitiven Kopplung zwischen Zeigegerät (101) und Tastfeld (108).
Elektronisches Zeigegerät (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektronische Schaltungskomponente (200) ferner dazu konfiguriert ist, die Modulation der elektrischen Kapazität in der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes (101) zeitlich synchron zu einer Messfrequenz des digitalen Eingabegerätes (102) durchzuführen mit der Kontaktpositionsbestimmungssensoren des Tastfelds (108), z. B. Elektroden, abgefragt werden.
Elektronisches Zeigegerät (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fläche der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes mit der ein Kontakt mit dem Tastfeld (108) hergestellt werden kann, mittlere Durchmesser von kleiner als 3 mm aufweist.
System (100) zur Durchführung und Erfassung von Eingaben an einem digitalen Eingabegerät (102) mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld (108), umfassend: ein digitales Eingabegerät (102) mit elektrisch kapazitiv wirkendem Tastfeld (108), ein elektronisches Zeigegerät (101) zur Durchführung von Eingaben (107) an dem besagten digitalen Eingabegerät (102), wobei das elektronische Zeigegerät (101) elektrisch kapazitiv an ein elektrisches Messsignal des Tastfelds (108) gekoppelt ist, sowie das elektronische Zeigegerät (101, 200) dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Messsignal des Tastfelds (108) aufzunehmen, und das elektronische Zeigegerät (101) wenigstens eine elektronische Schaltungs-komponente (200) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die elektrische Kapazität in der Spitze (104) des elektronischen Zeigegerätes (101) zu modulieren.