DE212004000044U1

DE212004000044U1 - Kapazitiver Positionssensor

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Publication number: DE212004000044U1
Application number: DE212004000044U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2014-08-10
Also published as: GB2418493A; US8217915B2; TW200510697A; WO2005019766A2; TWI351512B; WO2005019766A3; GB2418493B; US20050052429A1; US20120313892A1; US8643626B2; GB0524050D0

Abstract

Ein kapazitiver Positionssensor zum Detektieren einer Position eines Objektes, umfassend
(a) ein Erfassungselement, das einen Erfassungsweg aufweist;
(b) eine Mehrzahl von wenigstens drei Anschlüssen, die an unterschiedlichen Orten entlang dem Erfassungsweg mit dem Erfassungselement verbunden sind und ihn in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilen;
(c) eine Mehrzahl von Erfassungskanälen, die mit jeweiligen Anschlüssen verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal ausgelegt ist, im Betrieb ein für eine Kapazität zwischen seinem Anschluss und einer Erde des Systems indikatives Signal zu erzeugen; und
(d) einen Prozessor, der im Betrieb fähig ist, durch Vergleichen der Signale von den Erfassungskanälen zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts durch Vergleichen wenigstens der Signale von den diesen Abschnitt umspannenden Anschlüssen zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft kapazitive Positionssensoren, insbesondere betrifft die Erfindung kapazitive Positionssensoren zum Detektieren der Position eines Objektes um einen gekrümmten Weg herum.
Kapazitive Positionssensoren sind für Mensch-Schnittstellen anwendbar sowie auch für die Erfassung von Materialwegen im Zusammenhang mit Steuerungen und Geräten, Mechanismen und Maschinen sowie EDV.
Kapazitive Positionssensoren sind in jüngster Zeit bei Mensch-Schnittstellen und für Maschinensteuerung zunehmend gebräuchlich und üblich geworden. Beispielsweise ist es in dem Bereich der Haushaltsgeräte mittlerweile recht üblich, kapazitive Berührungssteuerungen vorzufinden, die durch Glas oder Plastikpanele bedienbar sind. Diese Sensoren sind zusehends durch die US 6,452,514 [1] verkörpert, die einen Matrixsensor-Ansatz beschreibt, welcher Ladungstransfer-Prinzipien anwendet.
Aufgrund zunehmender Marktnachfrage nach kapazitiven Berührungssteuerungen besteht ein zunehmendes Bedürfnis nach geringeren Kosten pro Funktion sowie größerer Flexibilität in Gebrauch und Konfiguration. In ähnlicher Weise besteht eine signifikante Nachfrage nach kapazitiven Wegsensoren bzw. Wegaufnehmern für Materialien (beispielsweise Flüssigkeitsniveausensoren, mechanische Bewegungssensoren, Drucksensoren usw.) zu niedrigeren Preisen, was mit den gegenwärtigen Generationen von nichtmechanischen Messwertgebern nicht in einfacher Weise erfüllt werden kann.
In vielen Anwendungen besteht ein Bedürfnis nach einer Mensch-Schnittstelle mit vielen Tasten oder Erfassungsposi tionen, fast (aber nicht ganz) ähnlich der Flexibilität, die 2-D-Berührungsbildschirme oder Berührungsfelder bieten, die in US 4,476,463 [2] und US 5,305,017 [3] verkörpert sind. Beispielsweise ist es bei einem Computer-Monitor wünschenswert, auf der Schirmeinfassung Steuerungen zu haben, die die Einstellung der Helligkeit und des Kontrasts ermöglichen; wie in früheren Zeiten wird idealerweise eine kontinuierlich einstellbare Steuerung (beispielsweise ein Potentiometer) verwendet, um diese Parameter zu steuern. Aufgrund des Preisdruckes und ästhetischer Erfordernisse wurden diese üblicherweise zugunsten nur einiger weniger an der Umfassung angebrachter Menü-Wahlknöpfe, die wesentlich schwerer zu verstehen und einzustellen sind, beseitigt.
In den Gebieten der Elektronik und der medizinischen Testinstrumente werden LCD-Anzeigen häufig in Verbindung mit Zeilen von Knöpfen in der Umfassung verwendet, um Softwaregetriebene Menü-Funktionen zur Verfügung zu stellen. Viele derartige Anwendungen erlauben nicht den Aufwand, den verminderten Kontrast und die Zerbrechlichkeit von Berührungsbildschirmen und leiden derweil sogar an verborgenen oder beschränkten Menü-Optionen und visueller Parallaxe. Ein Beispiel eines solchen Typs einer Menü-Steuerung ist in nahezu allen gegenwärtigen Bankautomaten, wie beispielsweise dem NCR LCD-5305, auffindbar. Hersteller würden Steuerungen mit höherer Auflösung entsprechend oder näher an der Grenze des Bildschirms nutzen, sofern die Wirtschaftlichkeitsaspekte erfüllt werden könnten. Ähnliche Märkte existieren für Haushaltsgeräte, Ausbildungsspiele, Informations/Internet-Portale und dergleichen.
In dem Bereich der Heizbelüftung und Klimatisierung (HVAC: Heating Ventilation and Air Conditioning) wird der Stand der Technik für wandmontierte Thermostatsteuerungen gegenwärtig in beispielhafter Form von dem Honeywell Modell CT8602 gebildet. Auf erweiterte Merkmale in diesen Geräten wird über tiefliegende Menü-Niveaus zugegriffen, die häufig nicht In tuitiv verglichen mit einfachen Steuerungen auf Dreh- oder Schiebebasis sind.
Elektromechanische Mensch-Schnittstellen-Steuerungen (wie beispielsweise Drucktasten, Membranschalter und Potentiometer) weisen die bemerkenswerten Defizite auf, dass sie unzuverlässig und gegenüber Wassereintritt gefährdet sind, sowie dass sie nur marginal kompatibel mit Menü-Systemen auf LCD-Basis sind. Klassische Nutzersteuerungen wie Wählscheiben und Widerstands-Potentiometer erfordern Öffnungen im Panel, welche es erlauben, dass Schmutz und Feuchtigkeit in das Produkt eintritt. Darüber hinaus präsentieren sie kein "sauberes" Erscheinungsbild, werden zunehmend als altmodisch betrachtet und begrenzen ernsthaft die Flexibilität von Industrie-Designern. US 5,920,131 [4] beschreibt eine Lösung für dieses Problem in der Form eines Drehknopfes, der magnetisch an einer nahtlosen Paneloberfläche gehalten wird und der magnetisch mit Positionserfassungsdetektoren unterhalb der Paneloberfläche wechselwirkt. Diese Lösung erfordert jedoch weiterhin einen vorstehenden Knopf und ist in ihrer Herstellung teuer.
Kürzlich kam die Erscheinungsform von "Rollrädern" ("Scroll Wheels") als Eingabegeräte auf, wie sie in dem iPod MP3 Player von Apple Computer verkörpert und in US D472,245 [5] dargestellt sind. Diese Geräte weisen entweder ein mechanisches Roll- bzw. Umblättergerät oder ein kapazitives Gerät basierend auf einem Schaltkreis von Synaptics, Inc. (San Jose, Kalifornien, USA) auf.
Es besteht eine wesentliche Nachfrage nach neuen Mensch-Schnittstellen-Technologien, die bei richtigem Preis einerseits die technischen Defizite der elektromechanischen Steuerungen und andererseits die Kosten von Berührungsbildschirmen oder anderen Exoten überwinden können.
Auf dem Gebiet der mechanischen Wegeerfassung existieren lineare variable differentielle Wandler (LVDT: Linear Variable Differential Transformers), in beispielhafter Weise realisiert durch die Schaevitz Sensoren (Slough, U.K.) MP Serie, die Präzisions-Positionsinformation für das Feedback in Prozess-Steuerungen zur Verfügung stellen. Andere kleinere Geräte, wie beispielsweise die Schaevitz Sensors XS-B Serien, sind in Maschinen und Instrumenten untergebracht. Derartige Geräte sind üblicherweise, ungeachtet ihrer hohen Genauigkeit, hochpreisige Lösungen und beruhen auf Magnetfeld-Abgleichmessungen, die mit teueren Signalverbesserern betrieben werden. Diese Geräte existieren, um ein hoch zuverlässiges, kontaktfreies Erfassen zu ermöglichen, das in rauen Umgebungen mit hoher Genauigkeit arbeiten kann. Sie lösen das Problem der Zuverlässigkeit des Aufnehmers bzw. Arms bei Widerstands-Potentiometerverfahren, indem sie die Verwendung von physikalischen Kontakten vermeiden. Wie exemplarisch durch die RDP Electrosense Inc. (Pottstown, Pennsylvania, USA) Dreh-Kapazitäts-Wegmesswertgeber (RCDT: Rotational Capacitive Displacement Transducer) realisiert, existieren in ähnlicher Weise kapazitive Positionssensoren, die ebenfalls den Betrieb eines bestimmten, teueren Signalverbesserers erforderlich machen. Ein Beispiel einer solchen Technologie ist ausführlicher in US 5,461,319 [6] beschrieben, die eine Schaltung basierend auf einer Brücke beschreibt. Kapazitivbasierte Geräte können sowohl lineare Positionserfassung als auch Drehpositionserfassung beinhalten. Beispielsweise beschreibt US 5,079,500 [7] ein lineares oder Dreh-"Potentiometer" mit einem kapazitiven Aufnehmer, das ein hochzuverlässiges Verfahren der Positionserfassung realisiert, da es keinen galvanischen Aufnehmer verwendet. Es sind Anpassungen erhältlich, um den Druck und, durch Interferenz, ein Flüssigkeitsniveau zu messen. Die vorstehend angegebenen Technologien weisen jedoch die Schwierigkeit auf, dass sie sehr komplex und teuer in der Herstellung sind, was ihre Verwendung für gehobene Produkte oder industrielle Ausrüstungen limitiert. Darüber hinaus verwendet US 5,079,500 [7] einen "aktiven Aufnehmer", d.h., der Aufnehmeranschluss steht mit einer Verstärkerelektronik in Verbindung, was die Erfindung ungeeignet für die menschliche Berührung macht.
Wandler bzw. Messwertgeber des LVDT- und RCDT-Typs arbeiten sehr gut, lassen jedoch einen sehr großen Markt für niederpreisige Geräte, die in Fahrzeug- und Geräteanwendung verwendet werden können, unberührt.
1 zeigt schematisch ein resistives Erfassungselement 2, das in einem linearen kapazitiven Positionssensor verwendbar ist, wie er in der anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 60/422837 [8] des vorliegenden Erfinders, die hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben ist. Das resistive Erfassungselement 2 erstreckt sich zwischen ersten und zweiten Anschlüssen 4, 6. Jeder Anschluss 4, 6 ist mit einem jeweiligen Erfassungskanal 8, 10 verbunden. Jeder einzelne der Erfassungskanäle ist ausgelegt, im Betrieb ein Ausgangssignal zu erzeugen, dass von der Kapazität zwischen dem Anschluss, mit welchem es verbunden ist, und einer Erde 14 abhängt. Das resistive Erfassungselement 2 weist eine inhärente Kapazität Cd gegenüber Erde 14 auf. Diese inhärente Kapazität Cd verteilt sich entlang der Länge des resistiven Erfassungselements 2, wie dies schematisch in 1 gezeigt ist. Wenn der Finger 12 eines Benutzers nahe dem resistiven Erfassungselement 2 positioniert ist, führt der Benutzer eine zusätzliche kapazitive Kopplung zwischen dem resistiven Erfassungselement 2 und Erde 14 herbei. Diese zusätzliche kapazitive Kopplung ist schematisch durch den Kondensator Cx in 1 dargestellt. Das Vorhandensein der zusätzlichen Kapazität Cx modifiziert die Kapazität zwischen jedem der Anschlüsse 4, 6 und der Erde 14. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis der jedem der Anschlüsse zugeordneten Kapazitätsänderungen von der Position des Fingers entlang dem resistiven Erfassungselement abhängt. Wenn beispielsweise das Verhältnis gleich 1 ist, befindet sich der Finger auf der Mitte des We ges entlang dem resistiven Erfassungselement. Bei Verwendung dieses Typs eines Positionssensors kann die Position eines Fingers unabhängig von der Höhe der von dem Finger herbeigeführten kapazitiven Kopplung bestimmt werden. Dies bedeutet, dass der Sensor mit unterschiedlichen Arten von Zeigern, beispielsweise Fingern, und Stiften, verwendet werden kann und dabei konsistente Ergebnisse liefert. Diese Maßnahme schafft eine einfache und effektive Alternative zu den komplexeren LDVT Sensoren.
In vielen Fällen ist ein Drehpositionssensor, d.h. ein Sensor, der in der Lage ist, die Position eines Objektes entlang eines kreisförmigen Wegs zu bestimmen, erwünscht. Beispielsweise um ein Äquivalent zu einem mechanischen Drehknopf zu schaffen, der in berührungssensitiven Steuerpanelen verwendet wird.
2 zeigt schematisch in Draufsicht ein resistives Erfassungselement 16 zur Verwendung in einem kapazitiven Drehpositionssensor derart, wie er in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/422837 vorgeschlagen wird. Die allgemeinen Funktionen dieses Gerätes sind ähnlich dem Gerät in 1. Viele Merkmale der 2 sind ähnlich zu den entsprechend nummerierten Merkmalen der 1 und werden aus diesen verständlich. Das resistive Erfassungselement 16 der 2 unterscheidet sich jedoch von dem der 1 dadurch, dass es in einem gekrümmten Weg, nämlich einem Bogen, angeordnet ist. Der zugrundeliegende Betrieb eines kapazitiven Drehpositionssensors, welcher auf dem resistiven Erfassungselement der 2 basiert, ist so wie oben unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben. Aufgrund der bogenförmigen Anordnung des resistiven Erfassungselements kann jedoch die Position, unter welcher sich ein Finger dem resistiven Erfassungselement nähert, in eine Winkelposition um die Mitte des resistiven Erfassungselements übersetzt werden. Obgleich das resistive Erfassungselement 16 der 2 einen einfachen und dennoch effektiven kapazitiven Drehpositionssensor bereitstellen kann, ist es in Bezug auf den Winkelbereich, über welchen es arbeiten kann, limitiert. Beispielsweise ist in 2 erkennbar, dass die Anschlüsse 4, 6, die die Ausdehnung des empfindlichen Bereichs des Positionssensors definieren, um etwa 30° beabstandet sind. Dies schafft einen Sensor mit einem empfindlichen Winkelumfang von etwa 330° und einer Todzone von etwa 30°. Die Todzone zwischen den Anschlüssen kann nicht beliebig klein gemacht werden. Der Grund besteht darin, dass ein Finger, der nahe einem Anschluss platziert ist, andernfalls eine direkte kapazitive Kopplung gegenüber Erde für den anderen Anschluss aufgrund seiner Nähe zu diesem schaffen würde. Dies kann zu einer Mehrdeutigkeit der berechneten Position führen. Beispielsweise könnten bei einem Finger, der über einem Anschluss platziert ist, der sich zu nahe an einem anderen Anschluss befindet, die jeweiligen Erfassungskanäle 8, 12 grob ähnliche Signale messen. Ähnliche Signale sind auch das, was gesehen wird, wenn ein Finger auf der Mitte des Weges um das resistive Erfassungselement herum platziert ist, und daher kann ein berichteter Wert mehrdeutig sein. Es mag möglich sein, diese Mehrdeutigkeit basierend auf der Gesamtgröße der detektierten Signale zu beseitigen, jedoch erfordert dies eine a priori Kenntnis der typischen Größe einer von dem Finger oder einem anderen Zeiger zu erwartenden kapazitiven Kopplung. Dies kann bedeuten, dass unterschiedliche Größen der kapazitiven Kopplung zu unterschiedlich berechneten Positionen führen können.
Eine ähnliche Mehrdeutigkeit tritt immer dann auf, wenn ein Finger eine direkte kapazitive Kopplung mit mehreren Teilen eines resistiven Erfassungselements verursacht, beispielsweise wenn der gesamte Maßstab bzw. die gesamte Skalierung des resistiven Erfassungselements klein ist. In solchen Fällen kann es möglich sein, dass ein über einem Ort auf dem Erfassungselement platzierter Finger eine direkte kapazitive Kopplung gegenüber Erde für einen anderen Ort schafft, selbst dann, wenn die Todzone zwischen den Anschlüssen ihrerseits ausreichend groß ist. Dies kann wiederum zu einer Mehrdeutig keit führen und ist so beschränkend dafür, wie eng ein resistives Erfassungselement 16 des in 2 gezeigten Typs gekrümmt werden kann. Dies ist ein Problem, wenn Platz von besonderer Bedeutung ist, beispielsweise beim Entwerfen von Steuerschnittstellen für kleine portable Geräte.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Positionssensor zum Detektieren einer Position eines Objektes geschaffen mit:

(a) einem Erfassungselement, das einen Erfassungsweg aufweist;
(b) einer Mehrzahl von wenigstens drei Anschlüssen, die an unterschiedlichen Orten entlang des Erfassungswegs mit dem Erfassungselement verbunden sind und ihn in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilen;
(c) einer Mehrzahl von Erfassungskanälen, die mit jeweiligen einzelnen Anschlüssen verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal ausgelegt ist, im Betrieb ein für eine Kapazität zwischen seinem Anschluss und einer Erde des Systems indikatives Signal zu erzeugen; und
(d) einem Prozessor, der im Betrieb fähig ist, durch Vergleichen der Signale von den Erfassungskanälen zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts durch Vergleichen wenigstens der Signale von den Anschlüssen, die diesen Abschnitt umspannen, zu bestimmen.

Diese Anordnung schafft einen einfachen kapazitiven Sensor, der nicht unter den Mehrdeutigkeiten leidet, die bei den vorstehend beschriebenen kapazitiven Positionssensoren auftreten können, z.B. Mehrdeutigkeiten, die auftreten können, wenn ein Objekt gleichzeitig kapazitiv mit mehr als einem Teil des resistiven Erfassungselements gekoppelt ist.
Die Anordnung ermöglicht auch ein resistives Erfassungselement, das um einen geschlossenen Weg herum angeordnet ist. Dies ermöglicht es z.B., die Position eines Objektes um voll ständige 360° zu detektieren. Indem ermöglicht wird, die Position eines Objektes auf diese Weise zu verfolgen, kann eine wirksame Alternative zu Mehrfach-Umdrehungs-Potentiometern für berührungssensitive Steuerpanele geschaffen werden. Sie kann auch für Sensorformen mit offenen Wegen, wie beispielsweise einer U-Form oder sogar einer linearen Form nützlich sein, da sie einen allgemeinen Weg zum Überwinden von Nicht-Linearitäten oder anderen Problemen, die bei einem einfachen Sensor mit zwei Anschlüssen auftreten können, bereitstellt.
Das resistive Erfassungselement kann durch einen einzelnen Widerstand ausgeführt sein, beispielsweise kann es ein resistives Material umfassen, das auf einem Substrat abgelagert ist, um ein kontinuierliches Muster zu bilden. Dies ermöglicht ein einfach herzustellendes resistives Erfassungselement, das auf dem Substrat in irgendeinem Muster aus einer Auswahl von Mustern abgelagert werden kann. In alternativer Weise kann das resistive Erfassungselement aus einer Mehrzahl von diskreten Widerständen gebildet sein. Die diskreten Widerstände können alternierend in Reihe mit einer Mehrzahl von leitenden Erfassungsplatten verbunden sein, wobei die Erfassungsplatten eine erhöhte kapazitive Kopplung zwischen dem Objekt und dem resistiven Erfassungselement herbeiführen. Dies schafft ein resistives Erfassungselement, das aus weithin verfügbaren Standardteilen hergestellt werden kann.
Das resistive Erfassungselement kann einen im Wesentlichen konstanten Widerstand pro Längeneinheit aufweisen. Dies führt zu einem kapazitiven Positionssensor mit einem einfachen, gleichmäßigen Antwortverhalten.
Wo größere Positionsauflösung erforderlich ist und/oder wenn ein relativ langes resistives Erfassungselement eingesetzt wird, kann das resistive Erfassungselement mehr als drei Anschlüsse enthalten.
Die Erfassungskanäle können jeweils einen Abtastkondensator enthalten, der mit einer entsprechenden Kapazität der Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und der Erde des Systems verbunden ist, sodass bei einer Verbindung mit einer Versorgungsspannung jeder Abtastkondensator mit einer Ladungsmenge versorgt wird, die von der Kapazität zwischen den entsprechenden der Anschlüsse und der Erde des Systems abhängt. Effektiv stattet dies jeden Erfassungskanal mit einem kapazitiven Spannungsteiler aus, der die Kapazität des Abtastkondensators und die effektive Kapazität gegenüber Erde, bewirkt durch die kapazitive Kopplung des Objekts mit dem resistiven Erfassungselement, umfasst. Dies ermöglicht, dass die Kapazitäten zwischen jedem der Anschlüsse und der Erde des Systems aus der auf entsprechenden einzelnen Abtastkondensatoren gemessenen Spannung bestimmt werden.
Es können Ladungstransfer-Techniken verwendet werden, beispielsweise indem jeder Erfassungskanal eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst und der kapazitive Positionssensor eine Schaltsteuereinheit enthält, die ausgelegt ist, es zu ermöglichen, dass eine Schaltsequenz der Schaltelemente derart ausgeführt wird, dass die Schaltsequenz bewirkt, dass jeder Abtastkondensator mit der Versorgungsspannung verbunden und dann von dieser getrennt wird und die Anschlüsse anschließend mit der Erde des Systems verbunden werden. Dies schafft eine einfache Möglichkeit, eine Ladungsmenge zu jedem Abtastkondensator zu übertragen, die von den Kapazitäten zwischen den entsprechenden Anschlüssen und der Erde des Systems abhängt.
Die Schaltsequenz kann mehrmals ausgeführt werden, wobei die Anschlüsse vor jeder Ausführung der Sequenz von der Erde des Systems getrennt werden, sodass die Abtastkondensatoren während jeder Ausführung der Sequenz inkremental geladen werden. Dies kann eine variable Anzahl von Malen ausgeführt werden, wobei die Anzahl der Ausführungen der Sequenz, die benötigt wird, um jeden Abtastkondensator auf ein vorbestimmtes Niveau aufzuladen, die Signale liefert, welche für die Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und einer Erde des Systems indikativ sind, oder es kann eine feste Anzahl von Malen durchgeführt werden, wobei die Ladung auf jedem der Abtastkondensatoren nach einer festen Anzahl von Ausführungen der Sequenz die Signale liefert, die für die Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und einer Erde des Systems indikativ sind.
Der Prozessor kann ausgelegt sein, die zwei größten Signale zu vergleichen, d.h. die zwei Signale, die die größten Kapazitäten der Anschlüsse gegenüber der Erde des Systems angeben. Dies ist ein einfacher Weg, um grob festzustellen, zwischen welchen Anschlüssen das Objekt positioniert ist, bevor die Position des Objektes zwischen diesen Anschlüssen genauer berechnet wird. Obgleich eine höhere Genauigkeit im Allgemeinen erwünscht ist, ist festzustellen, dass es bei einigen Anwendungen ausreichend sein kann, lediglich festzustellen, zwischen welchen Anschlüssen ein Objekt positioniert ist.
Um die Position eines Objektes zwischen den Anschlüssen entsprechend dem gewählten Signalpaar zu bestimmen, kann der Vergleich des Signalpaars die Bildung eines Verhältnisses des gewählten Signalpaars umfassen, wobei der für die Position eines Objektes indikative Parameter aus diesem Verhältnis abgeleitet wird. Beispielsweise kann der Parameter das Verhältnis eines der Signale des gewählten Signalpaars zu der Summe des gewählten Paars von Signalen umfassen. Bevor ein solches Verhältnis gebildet wird, kann ein von einem der anderen Anschlüsse abgegriffenes Signal von dem ausgewählten Paar von Signalen subtrahiert werden.
Falls ein signifikantes Niveau eines Hintergrunds der kapazitiven Kopplung zwischen sämtlichen der Anschlüsse und der Erde des Systems (d.h. nicht auf das Vorhandensein des Objektes zurückzuführend) vorhanden ist, kann der Prozessor konfiguriert werden, vor dem Vergleichen die jeweiligen Hintergrundsignale von jedem der Signale zu subtrahieren. Die Hinter grundsignale können denjenigen Signalen entsprechen, die erhalten werden, wenn ein Objekt, dessen Position zu detektieren ist, fern von dem kapazitiven Positionssensor ist. Dies bedeutet, dass auf die Position des Objektes zurückgehende Effekte auf die Kapazitäten zwischen den Anschlüssen und der Erde des Systems von jenen, die bei nicht vorhandenem Objekt auftreten, getrennt werden können. Die Hintergrundsignale können während des Gebrauchs regelmäßig berechnet werden, um wechselnde Bedingungen zu berücksichtigen.
Um zu bestimmen, ob ein Objekt vorhanden ist und um eine Konfusion zu vermeiden, die beim Versuch, einen für eine Position eines Objektes indikativen Parameter zu berechnen, wenn kein Objekt vorhanden ist, auftreten kann, kann der Prozessor konfiguriert sein, die jeweiligen Signale aus den Erfassungskanälen zu summieren und einen für eine Position eines Objektes indikativen Parameter nur dann zu erzeugen, wenn die Größe der Summe eine Detektionsschwelle überschreitet. Diese Schwelle kann danach eingestellt werden, wie empfindlich ein Konstrukteur den kapazitiven Positionssensor gestalten möchte. Wenn beispielsweise eine Anzahl von eng beabstandeten kapazitiven Positionssensoren auf einem Steuerpanel vorhanden ist, mag der Konstrukteur eine hohe Detektionsschwelle fordern, um wahrgenommene positive Detektionen in einem kapazitiven Positionssensor zu vermeiden, wenn ein benachbarter kapazitiver Positionssensor berührt wird. In einem anderen Fall kann eine niedrigere Detektionsschwelle bevorzugt sein, um die Empfindlichkeit des kapazitiven Positionssensors zu erhöhen. Der Prozessor kann ausgelegt sein, ein Statussignal auszugeben, das angibt, ob die Größe der Summe der Signale die Detektionsschwelle überschreitet. Dies kann geeignete Antwortverhalten von verbundenen Vorrichtungen, wie beispielsweise einer von einem Steuerpanel gesteuerten funktionalen Einrichtung, unterstützen.
Sobald ein erster für die Position eines Objektes indikativer Parameter erzeugt wurde, kann der kapazitive Positionssensor dann zu einem späteren Zeitpunkt einen zweiten für die Position des Objektes indikativen Parameter erzeugen und ein Signal ausgeben, dass die Bewegung des Objektes zwischen den ersten und zweiten Zeitpunkten anzeigt. Dies ermöglicht es, den kapazitiven Positionssensor zur Messung des relativen Bewegungsweges eines Objektes anstatt seiner absoluten Position zu nutzen.
Das zu detektierende Objekt kann ein Zeiger, beispielsweise ein Finger oder ein Stift, sein, der von einem Benutzer frei positioniert werden kann. In alternativer Weise kann das Objekt ein Aufnehmer oder Arm sein, der in der Nähe des resistiven Erfassungselementes gehalten wird, wobei die Position des Arms entlang des resistiven Erfassungselements durch den kapazitiven Positionssensor detektiert wird. Die Position des Arms kann von einem Benutzer, beispielsweise durch Drehen eines Drehknopfes, eingestellt werden, oder kann mit einer von einer verbundenen Einrichtung angetriebenen Welle gekoppelt sein, sodass der kapazitive Positionssensor als ein Codierer (Encoder) wirken kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das kreisförmige Element eine Mehrzahl diskreter, elektrisch in Reihe geschalteter Widerstände, wobei Elektrodenverbindungen an drei Stellen ausgebildet sind und wobei die Verbindungen von Widerstandspaaren mit diskreten leitenden Elektroden verbunden sind, um individuelle Erfassungsorte zu bilden. Ein minimal nutzbarer Sensor würde 6 Widerstände entlang des Kreises und daher 6 Erfassungsbereiche aufweisen.
Bei einer Modifikation dieser zweiten Ausführungsform sind die leitenden Elektroden von ausreichend kleiner Größe, um eine Feldvermischung und infolgedessen eine Positionsglättung auf der "Benutzer"- oder Erfassungsseite des Substrats zu ermöglichen.
Einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eindimensionale Positionsanzeige oder -ausgabe des Ortes eines ein kreisförmiges Element berührenden Objektes zu schaffen.
Einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen die berechnete Berührungsposition angebenden, codierten Ausgang plus einem Signal, das die Detektion von ausreichend Signal zur Validierung des codierten Ausgangs angibt, zu schaffen.
Einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Relativweg-Ausgang bzw. eine Relativweg-Ausgabe zu schaffen, der bzw. die die Bewegung eines Fingers entlang eines kreisförmigen Elements angibt.
Einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, den codierten Ausgang (Ausgabe) als eine oder mehrere diskrete Berührungspositionen, beispielsweise Tasten, zu interpretieren.
Eine weitere Aufgabenstellung besteht darin, durch eine Kunststoffoberfläche hindurch einen "Fingerrollrad"-Effekt zu schaffen.
Einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die zusätzliche Aufgabe zugrunde, eine eindimensionale Ablesung eines Betrags einer Winkelverstellung zurückzuführend auf die Winkelposition einer Welle oder eines Objektes zu schaffen.
Weitere einigen Ausführungsformen der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellungen bestehen darin, einen Sensor mit einer hohen Zuverlässigkeit, einer abgedichteten Oberfläche, einem geringen Leistungsverbrauch, einem einfachen Design, einer einfachen Herstellbarkeit und der Fähigkeit eines Betriebs unter Verwendung von Standard-Logik oder Mikro-Controllern zu schaffen.
Es werden nun einige Definitionen vorgenommen. Sofern im Folgenden nicht anderweitig angegeben, betreffen die Begriffe "Verbindung(en)" oder "verbunden" entweder einen galvanischen Kontakt oder eine kapazitive Kopplung. "Element" betrifft das aus leitenden Substanzen ausgebildete physikalische elektrische Erfassungselement. "Elektrode" betrifft eine der an dem Element ausgebildeten galvanischen Verbindungsstellen, um es mit geeigneter Treiber-Sensor-Elektronik zu verbinden. Die Begriffe "Objekt" und "Finger" werden synonym als Bezugnahme entweder auf ein unbelebtes Objekt, wie beispielsweise einen Arm oder Zeiger oder Stift, oder in alternativer Weise auf einen menschlichen Finger oder einen anderen Fortsatz verwendet, deren bzw. dessen Vorhandensein benachbart des Elements eine lokalisierte kapazitive Kopplung von einem Bereich des Elements zurück zu einer Schaltkreisreferenz über jeglichen Umweg behafteten Weg, ob galvanisch oder nicht galvanisch, bewirkt. Der Begriff "Berührung" umfasst entweder einen physikalischen Kontakt zwischen einem Objekt und dem Element oder eine Nähe im freien Raum zwischen dem Objekt und dem Element, oder einen physikalischen Kontakt zwischen dem Objekt oder einem Dielektrikum (wie beispielsweise Glas), das zwischen dem Objekt und dem Element vorhanden ist, oder eine Nähe im freien Raum enthaltend eine Zwischenschicht eines zwischen dem Objekt und dem Element vorhandenen Dielektrikums. Nachfolgend beziehen sich die Begriffe "Kreis" oder "kreisförmig" auf jedes Ellipsoid, Trapezoid oder jede andere geschlossene Schleife von beliebiger Größe und äußerer Form mit einem offenen Mittelabschnitt. Die Erwähnung spezifischer Schaltkreis-Parameter oder einer Orientierung soll die Erfindung nicht begrenzen, da ein weiter Bereich von Parametern möglich ist, der keine oder nur geringfügige Änderungen des Schaltkreises oder der Algorithmen bewirkt; spezifische Parameter oder eine Orientierung werden lediglich zum Zwecke der Erklärung erwähnt.
In US 6,466,036 [9] lehrt der vorliegende Erfinder einen kapazitiven Feldsensor, der eine einzelne Kopplungsplatte zur Detektion einer Kapazitätsänderung gegenüber Erde einsetzt. Diese Einrichtung umfasst eine Schaltung, die wiederholte Ladung-dann-Übertragungs- oder Ladung-plus-Übertragungs-Zyklen unter Verwendung üblicher integrierter CMOS Gegentakt-Treiber-Schaltkreise (push-pull driver circuitry) einsetzt. Diese Technologie bildet die Basis für einige Ausführungsformen der Erfindung und wird hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Schrift einbezogen.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Erfassungselement und eine Steuerschaltung, die ausgelegt sind, eine kreisförmige Oberfläche zu schaffen, von welcher der Ort eines kapazitiv mit dem Erfassungselement gekoppelten Fingers ausgelesen werden kann, wobei die Steuerschaltung drei Erfassungskanäle zur gleichzeitigen Kapazitätsmessung an drei Elektrodenpunkten entlang des Kreises aufweist und wobei ein Berechnungsgerät wie beispielsweise ein Prozessor, der eine Verarbeitungslogikschaltung umfasst, das Verhältnis der relativen Änderungen des Betrags der an den drei Punkten gemessenen Kapazität berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung ist eine eindimensionale Winkel-Koordinatennummer plus einem Detektions-Zustandsindikator, von denen beide einer anderen Funktion eingespeist werden können, beispielsweise einer Gerätesteuerung, die die Koordinate und den Detektionszustand als einen Befehl oder einen Messwert interpretiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Erfassungselement ein kreisförmiges Element mit drei einzelnen Elektroden darauf. Verbindungen bestehen zwischen jeder Elektrode und einer Schaltung, die kapazitive Signal-Akquisitionsmittel und Signalverarbeitungsmittel aufweist. Das Element ist normalerweise auf einem isolierenden Substrat angeordnet und ist groß genug, um die gewünschten Ziele zu Detektionszwecken unterzubringen. Das Erfassungsfeld breitet sich durch das Substrat aus, wobei die andere Seite des Sub strats die aktive Erfassungsoberfläche für die menschliche Berührung oder einen mechanischen Arm bildet. Eine direkte Berührung auf dem Element ist ebenfalls möglich, wobei in diesem Fall das Substrat lediglich als ein mechanischer Träger wirkt. Wenngleich angenommen wird, dass das Element stark genug sein kann, sodass kein Substrat erforderlich ist, wird das Element normalerweise eine dünne Schicht sein, die mechanische Unterstützung bzw. einen mechanischen Träger benötigt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nachfolgend in beispielhafter Weise auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein resistives Erfassungselement zeigt, das in einem linearen kapaziven Positionssensor der in der US-Patentanmeldung mit Seriennummer 60/422837 vorgeschlagenen Art verwendbar ist;
2 eine schematische Draufsicht auf ein resistives Erfassungselement zeigt, das in einem linearen kapazitiven Dreh-Positionssensor der in der US-Patentanmeldung mit Seriennummer 60/422837 vorgeschlagenen Art verwendbar ist;
3 schematisch eine Schnittansicht eines Teils eines resistiven Erfassungselements zeigt, das in einer Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
4A schematisch eine Draufsicht eines resistiven Erfassungselements zeigt, das in einem kapazitiven Dreh-Positionssensor nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist;
4B schematisch eine Schnittansicht des resistiven Erfassungselements aus 4A, angebracht an einer Seite einer dielektrischen Oberfläche, zeigt;
5 schematisch ein Steuerschaltkreis-Diagramm zur Verwendung mit dem resistiven Erfassungselement der 4A und 4B zeigt;
6 schematisch eine Schaltsequenz zum Schalten von Elementen in der Steuerschaltung der 5 zeigt;
7 schematisch ein Winkelpositions-Koordinatensystem zeigt, das für das resistive Erfassungselement der 4A und 4B definiert ist;
8 schematisch beispielhafte Wandlungsergebnisse für eine Berührung in der Nähe des resistiven Erfassungselements der 4A und 4B als eine Funktion der Position der Berührung in dem in 7 dargestellten Koordinatensystem zeigt;
9A schematisch eine Draufsicht auf ein resistives Erfassungselement zeigt, welches in einem kapazitiven Dreh-Positionssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist;
9B schematisch eine Schnittansicht des resistiven Erfassungselements der 4A, angebracht an einer Seite eines Substrats, zeigt;
10 schematisch eine Implementierung der Steuerschaltung in 5 als einen Mikro-Controller zeigt;
11A und 11B schematisch jeweilige Grundriss- und Schnittansichten eines Dreh-Positions-Codierers, der einen kapazitiven Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einsetzt, zeigt;
12 schematisch eine Schnittansicht eines Dreh-Steuerknopfes zeigt, der einen kapazitiven Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einsetzt;
13 schematisch eine Draufsicht eines resistiven Erfassungselements zeigt, das in einem kapazitiven Positionssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist;
14A–C schematische Draufsichten auf resistive Erfassungselemente zeigen, die in kapazitiven Positionssensoren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendbar sind; und
15 schematisch eine Draufsicht auf ein alternatives Erfassungselement zeigt, das in kapazitiven Positionssensoren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist.
3 zeigt die Konstruktion eines resistiven Erfassungsstreifens 100, auch als Erfassungselement bezeichnet, der möglicherweise an einer Steueroberfläche angebracht ist, die aus einem Schichtwiderstand eines bestimmten spezifischen Widerstands, galvanischen Endanschlüssen 101 und 102, einer verteilten Kapazität Cd 104 und einer lokalen Kapazität 106 aufgrund der Nähe eines Objektes 105 aufgebaut ist. Das resistive Erfassungselement 100 kann aus jedem resistiven Material einschließlich Kohlenstoff-Film, Metallfilmen, ITO oder SnO, leitfähigen Kunststoffen, auf Bildschirmen abgeschiedenen Leitern, gesputterten Leitern, usw. ohne Beschränkung auf das Material oder ein Ablagerungsverfahren hergestellt sein, solange das Resultat ein resistiver Streifen, Stab, Linie, Bogen oder eine andere geeignete Form in 1, 2 oder 3 Dimensionen darstellt. Ein auf diese Weise gebildetes resistives Erfassungselement umfasst effektiv einen durchgängigen einzel nen Widerstand. Es ist nicht erforderlich, dass die Streukapazität Cd linear verteilt ist, da ein bevorzugter Streifen aufgrund des Superpositions-Prinzips genauso gut mit "klumpigen" Kapazitäten arbeitet.
Die 4A und 4B zeigen ein resistives Erfassungselement 207 nach einer Ausführungsform der Erfindung als einen Kreis, wobei daran erinnert wird, dass ein Kreis für den Zweck dieser Beschreibung jede geschlossene Form sein kann. Das das resistive Erfassungselement umfassende resistive Material erstreckt sich zwischen den Elektroden, die auch als Anschlüsse 201, 202 und 203 aufweisende Oberflächen 204, 205 und 206 bekannt sind, und ist mit diesen verbunden. Die Schnittansicht der 4B zeigt dieses Element 207 festhaftend bzw. geklebt an einem Substrat 210; jede Seite des Substrats 210 kann berührungssensitiv gegenüber den von dem Element erzeugten Feldern ausgeführt werden, wenn diese richtig gesteuert und erfasst werden. In einer Mensch-Schnittstelle wird jedoch üblicherweise die obere gezeigte Oberfläche (bei der in 4B gezeigten Orientierung) eingesetzt werden.
5 zeigt ein bevorzugtes Steuerschaltungsdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das mit einem resistiven Erfassungselement 207 der in den 4A und 4B gezeigten Art verwendbar ist. Wie aus der 5 ersichtlich, weist der Steuerschaltkreis 3 Erfassungskanäle auf, wobei einer mit jeder der Elektroden 201, 202, 203 gekoppelt ist. Der jeden individuellen Erfassungskanal umfassende Schaltkreis ist im Wesentlichen der gleiche, der in der anhängigen US-Anmeldung 60/422837 des Erfinders offenbart ist, und arbeitet in derselben grundlegenden Art und Weise. In diesem Beispiel, in welchem drei Elektroden arrayartig um das Element angeordnet sind (in anderen Beispielen können es mehr sein), sind jedoch drei Erfassungskanäle anstelle der zwei Erfassungskanäle in der US-Anmeldung 60/422837 vorhanden. Weitere Einzelheiten betreffend die Arbeitsweise dieser Erfassungsschaltung können der oben genannten Anmeldung entnommen werden und werden spä ter betrachtet. Diese Konfiguration ermöglicht es, den Berührungsort (d.h. in diesem Beispiel den Ort des Fingers 105 des Benutzers, der, wie aus der Figur ersichtlich, eine kapazitive Kopplung Cx zwischen dem resistiven Erfassungselement 207 und einer Erde 107 des Systems erzeugt) durch Analysieren des Ortes der lokalen Kapazität Cx entlang einem der drei Abschnitte 204, 205 oder 206 zu bestimmen. Es können mehr Elektroden zusammen mit mehr Erfassungskanälen verwendet werden, um eine höhere Auflösung zu schaffen oder um einen größeren Kreis als gegenwärtig vorgesehen zu überdecken; das Prinzip bleibt dasselbe.
Es wird darauf hingewiesen, dass jedes Referenzpotential als Erde des Systems verwendet werden kann. Abhängig von der verwendeten Leistungsversorgung kann die Erde des Systems auf dem Erdpotential liegen. Es kann jedoch jedes andere Referenzpotential ebenfalls verwendet werden, beispielsweise ein intern in dem Gerät definiertes Referenzpotential.
Der Steuerschaltkreis in 5 verwendet im Betrieb Ladungstransfer-Techniken. Der Ladungstransfer wird durch ein gesteuertes Schalten einer Anzahl von Schaltelementen in einer Sequenz unter der Steuerung einer Schaltsteuereinheit 307 bestimmt. Dies erfolgt bei einer Rate, die über eine in 5 mit Φ bezeichnete Takteingabeleitung zu der Schaltsteuereinheit vorgegeben wird. Die Anzahl der während eines Messzyklus ausgeführten Schaltsequenzen wird für jeden Erfassungskanal in jeweils einem der drei Zähler 311, 312, 313, die in 5 mit CT1, CT2 und CT3 bezeichnet sind, aufgezeichnet. Wie im Folgenden ersichtlich sind es diese Zähleranzahlen, die als Ausgangssignale Sig1, Sig2 und Sig3 verwendet werden, welche die Basis für die weitere Verarbeitung durch einen Prozessor umfassend einen Verarbeitungsschaltkreis (nicht dargestellt) zur Bestimmung des Ortes der Berührung entlang dem resistiven Erfassungselement 207 bilden. Wie aus 5 ersichtlich sind alle drei Erfassungskanäle der Steuerschaltung ähnlich. Zur Vereinfachung wird hier nur der der Elektrode 203 zugeordnete Erfassungskanal betrachtet. Der Erfassungskanal wird von einer DC Einschienen-Spannungsversorgung versorgt, die zwischen der Erde des Systems und einer Versorgungsspannung +Vr betrieben wird. Der Erfassungskanal enthält erste 302, zweite 303 und dritte 304 Schaltelemente, die jeweils mit A, B und C bezeichnet sind, einen mit Cs1 bezeichneten Abtastkondensator 305 und einen als "Komparator 1" bezeichneten Spannungskomparator 301. Der Spannungskomparator 301 ist ausgelegt, der Schaltsteuereinheit 307 einen Ausgang bereitzustellen, welcher von dem Ergebnis des Vergleichs einer an dem Abtastkondensator 305 gegenüber der Erde des Systems vorhandenen Spannung VCs1 mit einer Referenz-Schwellwertspannung Vt abhängig ist.
Die Schaltelemente A, B und C werden über Steuersignalleitungen von der Schaltsteuereinheit 307 getrieben. (Die drei Erfassungskanäle sind ausgelegt, in zeitsynchroner Weise zu arbeiten, sodass die drei Schaltsätze A, B, C; A', B', C'; und A'', B'', C'' in im Wesentlichen simultaner Art und Weise arbeiten, wie dies durch ihr Teilen gemeinsamer Steuerleitungen von der Schaltsteuereinheit gemäß 5 ersichtlich ist.) Eine geeignete Schaltsequenz ist in 6 dargestellt. Die Sequenz umfasst zehn Schritte. Wie aus 6 ersichtlich ist die Schaltsequenz für jeden Erfassungskanal im Allgemeinen dieselbe.
In einem ersten Schritt S1 werden die den jeweiligen Erfassungskanälen zugeordneten Zähler CT1, CT2, CT3 zurückgesetzt. In einem zweiten Schritt S2 werden die Schaltelemente A, A', A'', C, C' und C'' geschlossen (Schaltelemente B, B' und B'' sind offen). In Schritt S2 werden beide Seiten jedes Abtastkondensators Cs1, Cs2, Cs3 mit der Erde des Systems verbunden, um jegliche möglicherweise gehaltene Restladung zu entfernen. In Schritt S3 sind sämtliche Schaltelemente: geöffnet. In Schritt S4 sind die Schalter B, B' und B'' geschlossen. Das Schwebendhalten sämtlicher Schalter in Schritt S3 zwischen Schritt S2 und Schritt S4 hat zum Zweck, eine Todzeit zwi schen den in Schritt S2 geschlossenen Schaltern A, A' und A'' und den in Schritt S3 geschlossenen Schaltern B, B' und B'' herbeizuführen. Dies vermeidet ein zufälliges Kurzschließen von +Vr mit der Erde des Systems, was andernfalls während jeder Überlappungs-Zeitspanne auftreten kann, wenn der Schritt S4 unverzüglich dem Schritt S2 folgt. In Schritt S4 werden die Abtastkondensatoren Cs1, Cs2, Cs3 aufgrund ihrer jeweiligen Verbindung über die Schalter B, B' und B'' zu +Vr und ihrer kapazitiven Kopplung mit der Erde über die von dem Finger 105 des Benutzers (oder einem Zeiger in anderen Anwendungen) bewirkten Kapazität Cx aufgeladen. Kirchhoff's Stromgesetz und das Prinzip der elektrischen Ladungserhaltung fordern, dass die Summe der elektrischen Ladung auf den Abtastkondensatoren Cs1, Cs2 und Cs3, die aufgrund des Vorhandenseins von Cx auftritt, gleich der elektrischen Ladung auf Cx ist. Es hat sich herausgestellt, dass diese elektrische Ladung in Abhängigkeit von dem Widerstand zwischen jeder Elektrode 201, 202, 203, zu welcher der jeweilige Erfassungskanal gekoppelt ist, und dem Ort des Fingers des Benutzers über dem resistiven Erfassungselement 207 zwischen den drei Abtastkondensatoren aufgeteilt wird. Die Kapazität Cx wird wirksam in drei "virtuelle" Kapazitäten Cx1, Cx2, Cx3 (wobei Cx = Cx1 + Cx2 + Cx3) aufgespalten, die von den Mess-Erfassungskanälen gemessen werden, wobei das Verhältnis der Aufspaltung durch den Ort der kapazitiven Kopplung mit der Erde des Systems bestimmt ist.
In Schritt S5 sind sämtliche Schaltelemente offen. In Schritt S6 sind die Schaltelemente A, A' und A'' geschlossen. Dies löscht die Ladung auf Cx durch Kurzschließen des resistiven Erfassungselements 207 mit der Erde 107 des Systems an jeder der Elektroden 201, 202, 203. In Schritt S7 wird die Spannung auf jedem der Abtastkondensatoren Cs1, Cs2, Cs3 durch die jeweiligen Komparatoren mit der Referenz-Schwellwertspannung Vt verglichen. Für jeden Erfassungskanal, für den sich herausstellt, dass die Abtastkondensatorspannung geringer als die Referenz-Schwellwertspannung Vt ist, wird der jeweils ent sprechende Zähler CT1, CT2, CT3 inkrementiert. Diese Funktion kann durch die Logik in der Schaltsteuereinheit ausgeführt werden. In Schritt S8 bestimmt Logik in der Schaltsteuereinheit 207, ob irgendeine der Spannungen auf den Abtastkondensatoren Cs1, Cs2, Cs3 geringer als die Referenz-Schwellwertspannung Vt ist, und sofern dies der Fall ist, kehrt die Schaltsequenz zu Schritt S4 zurück. Auf diese Weise werden die Schritte S3 bis S8 wiederholt in einer Schleife ausgeführt bis die Spannung auf sämtlichen Abtastkondensatoren Vt überschreitet. Während jeder Schleife über die Schiritte S3 bis S8 wird, wie oben beschrieben, eine Ladungsmenge jedem Abtastkondensator hinzugefügt. Sobald jedoch die Spannung auf irgendeinem gegebenen Abtastkondensator Vt überschreitet, wird das Inkrementieren des dem entsprechenden Erfassungskanal zugeordneten Zählers bei Schritt S7 während darauffolgender Schleifen beendet. Sobald bei Schritt S8 festgestellt wird, dass die Spannung auf allen Abtastkondensatoren Vt überschreitet, bewegt sich die Schaltsequenz zu Schritt S9, wo alle Schalter geöffnet werden. Dies stellt das Ende einer einzelnen Messung dar. An diesem Punkt speichern die den drei Erfassungskanälen zugeordneten Zähler CT1, CT2, CT3 die Zählwerte Sig1, Sig2, Sig3, die angeben, wie viele Ladungstransfer-Zyklen (d.h. Schleifen über die Schritte S3 bis S8) benötigt wurden, um die jeweiligen Abtastkondensatoren so aufzuladen, dass ihre Spannung Vt überschreitet. Dies ist eine inverse Messung der Menge der elektrischen Ladung, die jeder Abtastkondensator während jedes Ladungstransfer-Zyklus empfing – d.h. eine Messung, welcher "Bruchteil" von Cx effektiv mit der entsprechenden Elektrode, der jeder Abtastkondensator zugeordnet ist, verbunden ist. Die Signale Sig1, Sig2, Sig3 können dann von einem Prozessor (nicht dargestellt) verarbeitet werden, um die Position einer Berührung in der im Folgenden beschriebenen Weise zu schätzen. In Schritt S10 kehrt die Schaltsequenz zu dem Schritt S1 zurück, um eine weitere Positionsschätzung (falls gewünscht) vorzunehmen.
In der vorstehend beschriebenen Sequenz von Schaltvorgängen werden die Zeitdauern, die für Schalterschließungen und -öffnungen benötigt werden, üblicherweise in Nanosekunden oder Mikrosekunden gemessen, während die das Zurücksetzen der Abtastkondensatoren beinhaltenden Schritte im Millisekundenbereich liegen können. Die tatsächlichen oder optimalen Zeitabläufe hängen von der Wahl spezifischer Komponentenwerte ab, die den Abtastkondensatorwert, den Schaltelementwiderstand und den Widerstand des Erfassungsstreifens umfassen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, dass ein resistives Erfassungselement mit einem niedrigen Widerstand, wie beispielsweise 10 kOhm zwischen den Anschlüssen, Schalterschließ-Zeitdauern von 100 ns oder weniger verwendet, um einen signifikanten Querabfluss von Ladung zwischen den Abtastkondensatoren über das resistive Erfassungselement selbst zu verhindern.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Ladungstransfer-Sequenzen verwendet werden können. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, das oben beschriebene Komparator- und Zählerschema zu verwenden. Bei anderen Schemata kann eine zu der oben beschriebenen ähnliche Schaltsequenz eine feste Anzahl von Malen (anstelle einer variablen Anzahl von Malen basierend darauf, ob die Referenz-Schwellwertspannung überschritten ist) ausgeführt werden. Nach einer festen Anzahl von Malen kann die Spannung an jedem Abtastkondensator unter Verwendung eines analogen oder digitalen Wandlers gemessen werden und diese Spannungen werden verwendet, um die Position einer Berührung in einer Weise analog zu jener, die weiter unten für Sig1, Sig2 und Sig3 beschrieben wird, zu bestimmen (wobei daran erinnert wird, dass diese Spannungen direkt mit der Ladungsmenge in Beziehung stehen, die während jedes Transferzyklus transferiert wird, und nicht gemäß einer inversen Beziehung wie Sig1, Sig2 und Sig3 nach der obigen Beschreibung). Das in 5 gezeigte Schema beruht jedoch auf relativ einfach zu implementierenden Komparatoren und Zählern anstelle komplexerer Analog-zu-Digital-Wandlern.
Obgleich vorstehend als separate Schaltkreiselemente beschrieben, kann die Funktionalität der Schaltsteuereinheit, der Komparatoren und der Schaltelemente von einem einzelnen universellen programmierbaren Mikroprozessor, Mikro-Controller oder einem anderen integrierten Chip, beispielsweise einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einem anwendungsspezifischen integrierten Chip (ASIC) bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann der (nicht dargestellte) Prozessor, der im Betrieb die Signale Sig1, Sig2, Sig3 von den Zählern CT1, CT2, CT3 empfängt und die nachfolgend beschriebene Verarbeitung durchführt auch in demselben, einzelnen Gehäuse (package) enthalten sein.
Die Verarbeitung kann von einem geeignet konfigurierten Verarbeitungslogik-Schaltkreis in der folgenden Weise durchgeführt werden. Die Funktionalität des Prozessors kann von einem universellen programmierbaren Mikroprozessor, einem Mikro-Controller oder einem anderen integrierten Chip, beispielsweise einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einem anwendungsspezifischen integrierten Chip (ASIC) bereitgestellt werden. In diesem Beispiel besteht ein erster Verarbeitungsschritt in der Subtraktion irgendeines Hintergrundsignals (beispielsweise bei einer Kalibrationsablesung erhalten), das vorhanden sein kann. In anderen Fällen, beispielsweise wenn erwartet werden kann, dass Hintergrundsignale klein sind, braucht dies nicht als erforderlich betrachtet zu werden.
Während einer initialen Betriebsphase, beispielsweise einem Einschalten bzw. Hochfahren, können Kalibrationsablesungen der Grundlinien- oder "Hintergrund"-Signale von den drei Erfassungskanälen aufgenommen werden, um "Referenz"-Ablesungen zu erhalten, bei welchen vorausgesetzt wird, dass kein Objekt in der Nähe der Senderfläche vorhanden ist. Diese Ablesungen entsprechen dem Aufladen der Abtastkondensatoren Cs1, Cs2, Cs3, das aufgrund des Vorhandenseins einer inhärenten Kapazi tät des resistiven Erfassungsstreifens gegenüber der Erde des Systems sowie anderer streukapazitiver Kopplungen, die vorliegen können, auftritt. Die Ablesungen können unter Verwendung derselben oben beschriebenen Schaltsequenz aufgenommen werden. Sobald die Kalibrierung vorgenommen ist, werden nur noch differentielle Ablesungen, sogenannte "Delta-Signale", von jedem Kanal verarbeitet, um die Position zu berechnen. Darüber hinaus können langsame Änderungen im Hintergrund-Niveau der Signale durch die Verwendung von "Drift-Kompensations"-Methoden kompensiert werden, die langsam die "Referenz"-Niveaus in einer Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzten Weise während Nicht-Detektions-Intervallen einstellen. Demgemäß besteht die erste Stufe der Verarbeitung darin, die Differenz zwischen jedem der Signale Sig1, Sig2 und Sig3 und den entsprechenden Hintergrundsignalen Ref1, Ref2 und Ref3 zu erhalten. Dies liefert drei Delta-Signale ΔSig1, ΔSig2 und ΔSig3, die sich auf die Wirkung des Fingers oder eines anderen Objektes, dessen Position bestimmt werden soll, beziehen, und die die kapazitiven Hintergrundkopplungen, die andernfalls abweichende Resultate bewirken könnten, ausschließen. Es wird darauf hingewiesen, dass mit. dem in 5 dargestellten Schema die Delta-Signale ΔSic1, ΔSig2 und ΔSig3 wahrscheinlich negativ sind, falls man die Referenzsignale von den "Echtzeit"-Signalen (d.h. den während dem Echtzeit-Betrieb erhaltenen Signalen) subtrahiert. Dies liegt daran, dass die Zähler bei Zunahme der Kapazitätsmengen auf dem resistiven Erfassungselement wenigere Male zählen. Da, wie nachfolgend ersichtlich, der Ort einer Berührung unter Verwendung geeignet gebildeter Verhältnisse von Paaren der Delta-Signale festgestellt werden kann, beeinflusst das Vorzeichen der Delta-Signale nicht die geschätzte Position. Wenn für die Delta-Signale jedoch nur positive Werte bevorzugt sind, um beispielsweise die Verwendung eines vereinfachten Prozessors ohne die Fähigkeit, mit negativen Anzahlen umzugehen, zu ermöglichen, können die Delta-Signale durch jeweiliges Subtrahieren der Signale Sig1, Sig2 und Sig3 von den Signalen Ref1, Ref2 und Ref3, falls gewünscht, erzeugt werden.
Um die Position eines Objektes bei Verwendung der in 5 gezeigten Schaltung zu berechnen, werden die Sensor-Ablesungen von zwei benachbarten Elektroden gemäß den folgenden Schritten verarbeitet, wobei angenommen wird, dass die in Echtzeit erhaltenen Signale für das benachbarte Paar die Signale SigA und SigB sind (d.h. SigA und SigB sind Signale aus Sig1, Sig2 oder Sig3 entsprechend dem Paar, welches verarbeitet wird), und dass die Basislinie-Referenz-Niveaus RefA und RefB sind (wobei RefA und RefB entsprechende Signale aus Ref1, Ref2 oder Ref3 sind):

1) Berechne die Delta-Signale ΔSigA, ΔSigB (wie oben beschrieben ΔSigA = RefA – SigA ΔSigB = RefB – SigB
2) Berechne das die Position angebende Verhältnis Ps: Ps = ΔSigB/(ΔSigA + ΔSigB)

Es wird angenommen, dass eine positive Detektion aufgetreten ist, wenn die gesamte inkrementale Delta-Signalstärke für (ΔSig1 + ΔSig2 + ΔSig3) über einen minimalen Detektionsschwellwert Tx steigt (d.h. wenn zwischen den Echtzeit-Signalen Sig1, Sig2, Sig3 und den Referenzsignalen Ref1, Ref2, Ref3 ein ausreichender Gesamtabstand ist). Der Prozessor kann in der Weise konfiguriert sein, ein Signal, beispielsweise ein Statussignal, das angibt, ob diese Bedingung gegenwärtig erfüllt ist oder nicht, auszugeben. Abhängig davon, wie empfindlich der Konstrukteur den Positionssensor auszuführen wünscht wird Tx, d.h. das für die Angabe einer positiven Detektion geforderte gesamte inkrementale Delta-Signal, eingestellt. Wenn beispielsweise eine Anzahl von eng beabstandeten Positionssensoren auf einem Steuerpanel vorhan den sind, kann es vorteilhaft sein, einen relativ hohen Wert von Tx zu verwenden, um zu vermeiden, dass ein Positionssensor auf einen Finger anspricht, der über einem benachbarten Positionssensor platziert ist.
Wie oben beschrieben teilen die drei Elektroden 201, 202, 203 das resistive Erfassungselement 207 in drei Abschnitte 204, 205, 206, die durch verschiedene benachbarte Elektrodenpaare 201, 202, 203 begrenzt sind. Sobald eine positive Detektion nachgewiesen ist, wird angenommen, dass der Ort der Berührung innerhalb des Abschnitts auftritt, der durch die zwei Elektroden begrenzt wird, die mit den Empfangskanälen gekoppelt sind, welche die zwei größten Delta-Signale zeigen. Diese zwei Delta-Signale werden dann als die oben angegebenen Delta-Signale ΔSigA und ΔSigB verwendet.
Sobald das geeignete Nachbar-Elektrodenpaar 201, 202, 203 ausgewählt und gemäß der obigen Beschreibung verarbeitet wurde, definiert der Wert Ps die in einem Abschnitt berechnete Position, bezogen auf eine der beiden Elektroden des Abschnitts, und liegt in dem Bereich zwischen 0 bis 1. Es muss nur der Abschnitt mit dem größten gesamten Berührungssignal in dieser Weise verarbeitet werden, um einen Positionsort zu erhalten. Das verbleibende Elektrodensignal kann ignoriert werden. Wenn sich ein Finger direkt auf einer Elektrode befindet, sodass zwei Abschnitte gleiche Signalmengen empfangen, kann die Logik einfach entscheiden, einen Abschnitt über dem anderen herauszugreifen oder eine Ausnahmeentscheidung zu treffen. Beispielsweise zeigt die Tatsache, dass ein Erfassungskanal ein großes Delta-Signal misst und die anderen Erfassungskanäle gleiche kleinere Erfassungskanäle messen anzeigen, dass eine Berührung direkt über der Elektrode vorgenommen wird, die das große Delta-Signal misst.
Sollte eine Berührung in der Nähe aber nicht direkt über einem Anschluss vorgenommen werden, werden die den zwei anderen Anschlüssen zugeordneten Erfassungskanäle ähnliche aber etwas verschiedene Signale feststellen. Wenn die Differenz dieser Signale verglichen mit ihrer Messgenauigkeit gering ist, ist es möglich, dass der Prozessor entscheiden kann, dass die Berührung in einem falschen Abschnitt auftritt. Ein Vorteil des kapazitiven Sensors gemäß der Erfindung besteht darin, dass für den Fall dass dies auftreten sollte, die berechnete Position dennoch in der Nähe des berührten Anschlusses bleiben wird und der Fehler nicht zu einer großen Ungenauigkeit der geschätzten Position führt.
Obgleich nicht einer vollständig analytischen Lösung entsprechend hat sich herausgestellt, dass Ps eine exzellente Näherung der Position ist. Es hat sich auch gezeigt, dass Ps bemerkenswert frei von Effekten durch unterschiedlich dimensionierte Objekte (beispielsweise Finger unterschiedlicher Größe, die für die Positionsangabe verwendet werden) ist und dass bei einem gleichmäßigen spezifischen Widerstand entlang des resistiven Erfassungselements 207 eine exzellente Linearität des Ansprechverhaltens beobachtet wird.
7 ist eine schematische Draufsicht auf das resistive Erfassungselement 207 der 5. 7 zeigt, wie eine Winkelposition um das resistive Erfassungselement herum definiert werden kann. In diesem Beispiel ist willkürlich definiert, dass die Elektrode an der Grenze zwischen den resistiven Elementabschnitten 206 und 204 einer Winkelposition von 0 Grad entspricht. Da in diesem Beispiel die drei Elektroden unter gleichem Winkel beabstandet sind (dies muss nicht immer der Fall sein), befinden sich die verbleibenden zwei Elektroden an entsprechenden Winkelpositionen von 120 Grad und 240 Grad. Wenn die Ausgänge der Erfassungskanäle angeben, dass eine Berührung in dem Abschnitt 204 aufgetreten ist (d.h. die Delta-Signale der Erfassungskanäle, die mit den Elektroden an den Enden dieses Abschnitts gekoppelt sind, die zwei größten sind) und die oben beschriebene Verarbeitung einen Wert Ps von 0,4 liefert, wird demzufolge für die Berührung eine Winkelposition von 0,4 · 120 = 48 Grad bestimmt. Es versteht sich, dass die entschiedene Position von der Elektrode gemessen wird, die dem Erfassungskanal entspricht, der das Delta-Signal ΔSigA liefert. Falls derselbe Wert von Ps bestimmt wurde, wenn sich jedoch ergab, dass die größten Delta-Signale den Erfassungskanälen entsprechen, die mit den den resistiven Erfassungselementabschnitt 205 begrenzenden Elektroden gekoppelt sind, würde eine Position von 120 + 0,4 · 120 = 168 Grad bestimmt werden. Falls ein Wert Ps von 0,63 bestimmt wird, wobei die größten Delta-Signale den den resistiven Erfassungselementabschnitt 206 begrenzenden Elektroden entsprechen, würde eine Position von 240 + 0,63 · 120 = 316 Grad bestimmt werden. Diese Beispiele gelten für ein resistives Erfassungselement 207 mit konstantem spezifischen Widerstand (d.h. einem konstanten Widerstand pro Längeneinheit). Dies muss nicht der Fall sein, in anderen Beispielen kann ein nicht gleichmäßiger spezifischer Widerstand bevorzugt sein, beispielsweise um eine unterschiedliche Winkelauflösung bei unterschiedlichen Winkelpositionen herbeizuführen. In solchen Fällen. kann eine Transformation basierend auf der Variation des spezifischen Widerstands entlang dem resistiven Erfassungselement verwendet werden, um Ps in eine Winkelposition zu transformieren.
8 zeigt das Abschnittsergebnis der Signale, die gemäß der anhängigen US-Anmeldung 60/422837 des Erfinders und gemäß der obigen Beschreibung, angewandt auf die Ergebnisse zwischen irgend zwei benachbarten Elektroden entlang des Elements, verarbeitet werden. Drei Ausgänge können bereitgestellt werden, einer für jeden Abschnitt. Da ein Finger um das Element herumläuft, verarbeitet die Prozessor-Logikschaltung die empfangenen Kapazitätssignale von den Elektroden, um zu einer Bestimmung zu gelangen, in welchem Abschnitt sich der Finger hauptsächlich befindet. Innerhalb dieses Abschnittes nimmt der Prozessor eine Verhältnis-Berechnung der einklammernden Elektrodensignale vor, um einen Ort der Berührung entlang dem Abschnitt bereitzustellen. Signale, die von anderen Abschnitten herrühren, die nicht berührt oder nur in einem geringeren Umfang berührt werden, werden von geringerer Signalstärke sein, und der Prozessor kann daher in der Weise arbeiten, dass er die schwächeren Signale ignoriert. Mehrdeutigkeiten werden auftreten, wenn sich ein Finger direkt auf einer Elektrode befindet, jedoch kann eine solche Mehrdeutigkeit relativ einfach durch Logik behoben werden, die dem Praktiker ohne weiteres zur Verfügung steht.
In einigen Ausführungsformen können Positionsschätzungen durch ein Kombinieren von Signalen von allen drei Erfassungskanälen (oder von mehreren Erfassungskanälen, wenn mehr als drei vorhanden sind) erhalten werden. In der oben angegebenen Definition von Ps definieren die Delta-Signale ΔSigA und ΔSigB, die den zwei größten der Signale ΔSig1, ΔSig2 und ΔSig3 entsprechen, in welchem Abschnitt eine Berührung auftritt. Die Signale ΔSigA und ΔSigB werden dann verwendet, um, wie oben beschrieben, die Position der Berührung innerhalb dieses Sektors zu berechnen. In einem alternativen Beispiel wird die Position eines Objektes berechnet, wobei die Sensor-Ablesungen von allen drei Elektroden in der folgenden Weise verarbeitet werden.

1) Berechne die Delta-Signale ΔSigA, ΔSigB, ΔSigC (wie vorstehend beschrieben) ΔSigA = RefA – SigA ΔSigB = RefB – SigB ΔSigC = RefC – SigC
2) Berechne Qs, das die Position angibt: Qs = (ΔSigA-ΔSigC)/((ΔSigA – ΔSigC) + (ΔSigB – ΔSigC))

Für die Detektion von Objekten mit einer variablen Kopplung zu dem Streifen wird die Signalverarbeitung, die für die Erzeugung von Ps, Qs oder irgendeinem anderen für die Position indikativen Parameter durchgeführt wird, nur dann vorgenommen, wenn die Gesamtgröße der Änderung aller Signalstärken bezüglich eines Referenzwertes über einen minimalen Schwellwert steigt. Dieser Nachweisprozess eine Objektes sollte vorzugsweise Hysterese und Filterung beinhalten, um die Einsatzcharakteristik der Detektion bzw. des Nachweises zu verbessern.
Eine weitere Verarbeitung des Ergebnisses kann enthalten

– das Segmentieren eines Ergebnisses, damit es in einen bestimmten lokalen "bin" hereinfällt, zum Zwecke der Definition von Tastenbereichen
– das Signalfiltern von Ps zur Reduzierung von Positionsrauschen
– eine "Abhebe"-Detektion, wobei die Entfernung des Objektes und ein nachfolgender Signalverlust detektiert wird und so verarbeitet wird, dass die genaue Speicherung der letzten Kontaktposition ermöglicht wird.

Obgleich bei dem oben erwähnten Beispiel ein gleichförmig resistives Erfassungselement beschrieben ist, ist davon auszugehen, dass andere Typen von resistiven Erfassungselementen verwendet werden können.
Die Konstruktion eines resistiven Erfassungselements 600 als ein konzentriertes (klumpiges) Modell ist in den 9a und 9b mit diskreten Widerständen 602 und leitenden diskreten Flächen 601, auch als Erfassungsplatten bekannt, gezeigt. Dies ist bezogen auf den Betrieb identisch mit der Konfiguration der 4A und 4B, mit der Ausnahme, dass die Wegdarstellung einer konzentrierten bzw. klumpigen Version in der Theorie aus offensichtlichen Gründen granularer ist. Durch ein Substrat hindurch verschwindet dies Granularität aufgrund einer Felddurchmischung zwischen benachbarten Flächen weitgehend, wie dies in 9b gezeigt ist und in der US-Patentanmeldung 60/422837 des Erfinders erläutert ist.
10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher das resistive Erfassungselement durch eine einfache Schaltlogik von einem einzelnen logischen Gerät 701 getrieben wird. Die Schaltlogik, die durch Schaltelemente bereitgestellt wird, welche gemäß der Schaltsequenz in 6 arbeiten, und sämtliche Signalverarbeitungsaspekte sind innerhalb des Logikgerätes 701 zusammengefasst, um einen sehr kostengünstigen Positionsdetektor zu schaffen. Das Logikgerät 701 kann beispielsweise ein Einzelchip-Mikro-Controller sein. Die I/O-Ports des Mikro-Controllers können, wie in 6 gezeigt, in der richtigen Sequenz beeinflusst werden. Ein Pin (Anschluss-Stift) eines I/O-Ports eines Mikro-Controllers benötigt typischerweise wenigstens drei Schalter, um die Schaltsequenz des in 6 unter Software-Steuerung gezeigten Beispiels zu implementieren. Die Software kann ohne weiteres sämtliche der Schalter, Steuerlogik und Zähler, die in 5 gezeigt sind, und die in 6 gezeigte Sequenzabarbeitung, implementieren. Der Mikro-Controller hat vorzugsweise eine CMOS-Pin-Struktur des Gegentakt-(Push-Pull-)Typs und einen Eingang, der eingerichtet werden kann, als Spannungskomparator zu wirken. Die meisten üblichen I/O-Ports von Mikro-Controllern sind dazu in der Lage, da sie eine relativ feste Eingabe-Schwellwertspannung sowie auch nahezu ideale MOSFET-Schalter haben. Der Ausgang dieser Steuereinheit (Controller) kann entweder ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal sein, das in analoger Weise gefiltert werden kann, oder ein serieller Ausgang wie beispielsweise die bekannten UART, SPI- oder I2C- Formate (oder jeder andere Typ). Solche Mikro-Controller können darüber hinaus auch eine Nutzfunktion verarbeiten, beispielsweise die Steuerung eines Triacs für das Dimmen von Licht oder die Steuerung eines Motors in Antwort auf eine detektierte Winkelposition, wobei der Ausgang des Mikro-Controllers in diesem Fall einen hohen Verarbeitungsgrad aufweist und anwendungsspezifisch ist.
Die 11A und 11B zeigen schematisch eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht eines Dreh-Codierers gemäß der Erfindung. Ein Arm 802 ist über eine Welle 801 mit einer AC Signalreferenz verbunden. Ein resistives Erfassungselement 207 wird deshalb durch die Winkelverstellung der Welle 801 infolge der durch den Arm 802 induzierten beweglichen Kapazität beeinflusst. Dies ist ein Beispiel, in welchem die Position eines anderen Objektes als einem Finger detektiert wird. Ein solcher Dreh-Codierer kann zum Betrieb bei einer Steuerung durch den Mensch, als Maschinenwellen-Codierer oder dergleichen ausgelegt sein.
12 zeigt in schematischer Weise eine Schnittansicht eines von Menschen bedienbaren Steuerknopfes 901, welcher ein resistives Erfassungselement 207 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet. Der Knopf 901 ist entweder aus einem leitfähigen oder einem isolierenden Material hergestellt. Ein Magnet 801 ist an der Innenseite des Knopfes 901 befestigt (angeklebt) und hält den Knopf 901 durch Anziehung zu einer ferromagnetischen "Welle" 902 an einem Panel. Ein leitfähiger Arm oder Abnehmer 802 bildet einen sich bewegenden Flügel, der eine kapazitive Kopplung mit dem Element 207 bewerkstelligt, wobei der Ort der Kopplung in der oben beschriebenen Weise gemessen werden kann. Ein Abstandsteil 905 hält den Knopf 901 in aufrechter Stellung und bewirkt ein Gleichgewicht (das Abstandsteil kann integral mit dem Knopf ausgebildet sein). Die kapazitive Kopplung durch das Panel hindurch kann verwendet werden, um einen Rück-Signalweg zu bewirken, oder der Knopf kann diesen Pfad über die Körperkapazität ei nes Benutzers (nicht dargestellt) selbst herbeiführen. Ein Leitweg 903 schafft einen Rückweg zu dem Magneten 801, sofern nicht auf einen menschlichen Körper vertraut wird. Es wird darauf hingewiesen, dass in anderen Beispielen der Knopf auf einem sich von dem Panel erstreckenden Sockel angebracht sein kann oder selber einen Sockel haben kann, der ausgelegt ist, in eine Vertiefung oder eine Öffnung in dem Panel einzupassen, anstelle dass er magnetisch angebracht ist.
In den obigen Beispielen wird die absolute Winkelposition eines Objektes, beispielsweise eines Fingers oder eines Armelementes, bestimmt. Es versteht sich jedoch, dass beispielsweise bei einer Fingerspitzen-Rollrad-Anwendung der Winkelpositionsausgang in einfacher Weise weiterverarbeitet werden kann, um die Winkelposition in eine "Änderung der Winkelposition" zu übersetzen und demzufolge einen Ausgang zu schaffen, der die Rollrichtung und das Maß der Rolldistanz und die Rollgeschwindigkeit usw. angibt. Üblicherweise wird bei diesen Anwendungen eine absolute Position nicht benötigt und als Folge davon kann die absolute Genauigkeit gering sein und dennoch eine akzeptable Steuerung aufrechterhalten werden. Ein resistives Erfassungselement der in 5 gezeigten Art ist für diese Art der Anwendung gut geeignet, da ein Nutzer kontinuierlich und gleichmäßig um einen vollständigen Kreis herum und über diesen hinaus rollen (scrollen) kann. Dies wäre beispielsweise bei Verwendung des in 2 gezeigten Schemas nicht möglich.
13 zeigt in schematischer Weise eine Draufsicht auf ein resistives Erfassungselement 920 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher ein resistives Erfassungselement 920 einen offenen Weg bildet, d.h. keinen geschlossen Weg wie in den vorhergehenden Ausführungsformen. Drei Erfassungskanäle 921, 922, 923 sind jeweils mit den drei Elektroden 925, 926, 927 gekoppelt, die, wie in der Figur gezeigt, mit dem resistiven Erfassungselement 901 verbunden sind. Das resistive Erfassungselement 901 ist ähnlich zu demjenigen aus 5, mit der Ausnahme, dass die Elektroden 925, 926, 927 nicht unter gleichen Winkeln beabstandet sind und dass resistive Erfassungselement 901 sich nicht zwischen einem der Elektrodenpaare, nämlich zwischen den Elektroden 926 und 927, erstreckt. Dies bedeutet, dass das resistive Erfassungselement 901 eine Todzone zwischen diesen Elektroden aufweist. Das resistive Erfassungselement der 13 kann jedoch in der oben beschriebenen Weise betrieben werden, um die Position einer Berührung zwischen jeweils beiden Paaren von Elektroden zu detektieren. Dieses Schema kann hilfreich sein, um eine Mehrdeutigkeit zu beseitigen, die bei einem kapazitiven Positionssensor verursacht durch ein Objekt, dass eine direkte kapazitive Koppelung zwischen der Erde des Systems und mehreren unterschiedlichen Teilen eines resistiven Erfassungselements bewirkt, auftreten kann, wo jedoch ein "Vollkreis"-Erfassungselement nicht benötigt wird.
14A–C zeigen schematisch in Draufsicht andere Konfigurationen eines resistiven Erfassungselements, die in kapazitiven Positionssensoren gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können. Es sind viele andere Konfigurationen möglich. Die spezielle Konfiguration eines in einer jeden gegebenen Anwendung verwendeten resistiven Erfassungselements kann danach ausgewählt werden, wie ein Konstrukteur die Betriebsweise oder das Erscheinungsbild einer entsprechenden Steuer-Schnittstelle wünscht.
In 14A ist das resistive Erfassungselement konfiguriert, eine geschlossene Dreieckform zu bilden. In 14B wird ein kreisförmiges resistives Erfassungselement verwendet, das jedoch vier Elektroden mit vier entsprechenden Erfassungskanälen enthält. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um eine bessere Positionsauflösung in einem Sensor mit einem großen Durchmesser zu schaffen. In 14C ist ein resistives Erfassungselement mit derselben Topologie wie in 13, jedoch unterschiedlich konfiguriert, gezeigt.
15 zeigt ein alternatives Erfassungselement 950 mit drei Anschlüssen 201, 202, 203, die mit Erfassungskanälen 952, 954, 956 der oben beschriebenen Art gekoppelt sind. Das Erfassungselement 950 basiert auf drei Paaren von sich verjüngenden Dreieck-Elektroden, die benachbart zueinander verlaufen und sich zwischen jeweiligen Paaren von Elektroden krümmen, wie dies in der Figur gezeigt ist. Das Erfassungselement ist demnach an Stelle des in den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendeten resistiven Körpers aus einem leitenden Material gebildet. Es können andere geometrische Formen der Verjüngung verwendet werden. Weitere Details dieser Anordnungsarten sind in meinem älteren US-Patent US 6,288,707 (siehe beispielsweise 4, 5 und 6 und den darauf bezogenen Text) angegeben.
Obgleich die obigen Beispiele Ladungstransfer-Techniken einsetzen versteht sich, dass andere Arten von Erfassungskanälen oder andere Ladungstransfer-Techniken ebenfalls verwendet werden können. Beispielsweise kann das hier beschriebene Verfahren des Schaltens auf jede der Schaltsequenzen und Topologien übertragen werden, die in meinem US-Patent 6,466,036 beschrieben sind und hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Schrift aufgenommen werden. Das bevorzugte Verfahren ist jedoch das hier in den 5 und 6 offenbarte Verfahren. Diese spezielle Konfiguration und Schaltsequenz ist robust gegen externes Rauschen und Leckströme, da die Signalabtastung vorgenommen wird, während der Streifen seinerseits mit Erde oder einer anderen Form einer Referenz mit niedrigem Z verbunden ist.
Wie für den Fachmann offenkundig sind viele Variationen möglich, einschließlich verschiedener Kombinationen von Detektionsverfahren oder Schaltsequenzen, die speziell hier beschrieben sind. Das Verfahren kann mit Verfahren kombiniert werden, die in jedem früheren Patent des Erfinders gelehrt werden, einschließlich Verfahren für die Drift-Kompensation, Kalibrierung, Feuchtigkeitsunterdrückung durch Verwendung von kurzen Schalterschließzeiten, Rausch-Unanfälligkeit über eine zeitvariable Pulsmodulation (Spreizspektrum) und dergleichen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, können viele Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Demgemäß sollen alle derartigen Modifikationen und Änderungen als innerhalb dem Geist und dem Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung liegend betrachtet werden.
LITERATUR

[1] US 6,452,514
[2] US 4,476,463
[3] US 5,305,017
[4] US 5,920,131
[5] US D472, 245
[6] US 5,461,319
[7] US 5,079,500
[8] US 60/422837
[9] US 4,466,036

WEITERER STAND DER TECHNIK

[10] Hamamatsu one-dimensional PSD product name S1352
[11] US 4,761,546

Claims

Ein kapazitiver Positionssensor zum Detektieren einer Position eines Objektes, umfassend (a) ein Erfassungselement, das einen Erfassungsweg aufweist; (b) eine Mehrzahl von wenigstens drei Anschlüssen, die an unterschiedlichen Orten entlang dem Erfassungsweg mit dem Erfassungselement verbunden sind und ihn in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilen; (c) eine Mehrzahl von Erfassungskanälen, die mit jeweiligen Anschlüssen verbunden sind, wobei jeder Erfassungskanal ausgelegt ist, im Betrieb ein für eine Kapazität zwischen seinem Anschluss und einer Erde des Systems indikatives Signal zu erzeugen; und (d) einen Prozessor, der im Betrieb fähig ist, durch Vergleichen der Signale von den Erfassungskanälen zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts durch Vergleichen wenigstens der Signale von den diesen Abschnitt umspannenden Anschlüssen zu bestimmen.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsweg eine geschlossene Schleife bildet.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleife eine U-Form bildet.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsweg durch einen einzigen Widerstand gebildet wird.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsweg durch eine Mehrzahl von Widerständen gebildet wird.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Widerstände alternierend in Reihe mit einer Mehrzahl von leitenden Erfassungsplatten verbunden ist.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsweg einen im Wesentlichen konstanten spezifischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsweg eine Mehrzahl von wenigstens drei Verjüngungsstreifen eines leitenden Materials umfasst, die sich benachbart zueinander mit einer zwischenliegenden Lücke erstrecken und mit jeweiligen Anschlüssen verbunden sind.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Erfassungskanäle einen Abtastkondensator umfasst, der in Reihe zwischen seinem Anschluss und der Erde des Systems geschaltet ist, derart, dass beim Gebrauch jeder Abtastkondensator mit einer Ladungsmenge versorgt wird, die von der Kapazität zwischen seinem Anschluss und der Erde des Systems abhängt.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb durch Vergleichen der Höhe der Signale zu ermitteln, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb die Position des Objektes innerhalb des bestimmten Abschnittes durch eine Verhältnisberechnung von Signalen, die von den den bestimmten Abschnitt überspannenden Anschlüssen abgegriffen werden, zu bestimmen.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb ein Signal, das von einem weiteren Anschluss abgegriffen ist, von jedem der Signale, die von den Anschlüssen, welche den bestimmten Abschnitt überspannen, abgegriffen sind, vor der Durchführung der Verhältnisberechnung zu subtrahieren.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb ein Positionsausgangssignal bereitzustellen.
Kapazitiver Positionssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsausgangssignal unter der Bedingung bereitgestellt wird, dass die Signale von den Erfassungskanälen einen Schwellwert überschreiten.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb ein Statusausgangssignal bereitzustellen, das angibt, ob die Signale einen Schwellwert überschreiten.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor in der Lage ist, im Betrieb wiederholt die Position des Objektes zu bestimmen und ein Bewegungsausgangssignal bereitzustellen, das angibt, wie sich das Objekt über das Erfassungselement bewegt hat.
Kapazitiver Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ferner einen benachbart dem Erfassungselement angeordneten Arm umfasst, wobei der Arm manuell betätigbar ist und sich dabei relativ zu dem Erfassungsweg bewegt, um das zu detektierende Objekt zu bilden.
Steuer-Panel, das einen kapazitiven Positionssensor gemäß Anspruch 1 enthält.
Vorrichtung mit einem Steuer-Panel gemäß Anspruch 18.