DE60025209T2

DE60025209T2 - Projektiver kapazitiver berührungsempfindlicher bildschirm

Info

Publication number: DE60025209T2
Application number: DE60025209T
Authority: DE
Inventors: Joel Kent; Arie Ravid
Original assignee: Elo Touch Systems Inc
Current assignee: Elo Touch Solutions Inc
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: AU5318800A; EP1192585A1; US6297811B1; WO2000073984A1; CA2375442A1; ATE314696T1; EP1192585B1; DE60025209D1; AU772869B2

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein berührungsempfindliche Bildschirme bzw. Berührungsbildschirme und insbesondere einen kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirm, der sich für den Einsatz im Freien eignet.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Berührungsbildschirme sind bewährte Computereingabegeräte. Anwendungen von Berührungsbildschirmen sind unter anderem Kassenanwendungen wie Registrierkassen in Schnellimbißrestaurants, Informationsstellen-Anwendungen, wie z. B. Informationsstände in Kaufhäusern, und Ticketautomaten, wie z. B. Fluglinien-Ticketautomaten. Mit dem Ausreifen von Berührungsbildschirmtechnologien vergrößert sich der Anwendungsbereich. In dem Umfang, in dem die Berührungsbildschirmtechnologie kostengünstig wetterfest und zerstörungssicher gemacht werden kann, erweitert sich der Markt für Berührungsbildschirme auf Außenraum- und Halbaußenraum-Anwendungen.
Im Handel erhältliche Berührungsbildschirme nutzen eine Vielzahl verschiedener Berührungserkennungsmechanismen. Zu diesen Erkennungsmechanismen gehören die Unterbrechung von Infrarot-(IR-)Lichtstrahlen; elektrischer Kontakt zu einem Spannungsgefälle an einer lichtdurchlässigen Widerstandsschicht mittels Durchbiegen einer flexiblen Deckfolie; Absorption von akustischen Ultraschallwellen, die sich entlang der Berührungsbildschirmoberfläche ausbreiten; kapazitives Überbrücken eines oszillierenden Stroms durch eine entweder sehr dünne oder dicke dielektrische Schicht hindurch zum Finger eines Benutzers und dann durch den Körper des Benutzers zur Erde; und Erkennung der Berührung eines Berührungsbildschirms mittels Kraftsensoren, welche die Ecken des Bildschirms tragen.
Bisher ist der Berührungsbildschirmmarkt durch Widerstands-, akustische und kapazitive Berührungsbildschirme mit dünner dielektrischer Schicht dominiert worden. Aus verschiedenen Gründen ist es jedoch zweifelhaft, daß irgendeiner dieser Berührungsbildschirme die Anforderungen erfüllen kann, die durch eine Außenraumanwendung gestellt werden. Zum Beispiel ist die in einem Widerstands-Berührungsbildschirm verwendete Kunststoffabdeckfolie leicht durch scharfe Gegenstände (zum Beispiel Messer) oder durch Verbrennen (z. B. Zigaretten) zerstörbar. Entsprechend können flache Kratzer auf der Oberfläche eines kapazitiven Berührungsbildschirms mit dünner dielektrischer Schicht zu einer nicht akzeptierbaren Verzerrung der gemessenen Berührungskoordinaten führen und daher den Berührungserkennungsmechanismus auch anfällig gegen mutwillige Zerstörung machen. Akustische Berührungsbildschirme werden durch Wasserverunreinigungsstoffe beeinflußt und werden daher typischerweise nicht für irgendeine Anwendung ausgewählt, bei welcher der Berührungsbildschirm direkt oder auch nur indirekt dem Regen ausgesetzt werden kann (zum Beispiel von nasser Kleidung oder einem Regenschirm abtropfendem Wasser).
Ein Typ eines Berührungserkennungsmechanismus, der für Außenraumanwendungen gut geeignet erscheint, basiert auf einem kapazitiven Berührungsbildschirm mit dicker dielektrischer Schicht. Solche Systeme werden oft als projektive kapazitive Berührungsbildschirme bezeichnet, da der Erkennungsmechanismus die Projektion elektrischer Felder durch eine dicke dielektrische Schicht erfordert. Dieser Berührungsbildschirmtyp ist an der Berührungsfläche grundsätzlich unempfindlich gegen Feuchtigkeit, z. B. Regentropfen. Außerdem spielt das Material, das die äußere Berührungsfläche bildet, keine grundlegende Rolle im Berührungserkennungsmechanismus und bietet daher Flexibilität bei der Konstruktion. Zum Beispiel kann eine austauschbare kostengünstige Schicht als äußere Berührungsfläche verwendet werden.
Bei einem typischen projektiven kapazitiven Sensor werden drei lichtdurchlässige Substrate (z. B. Glas) zusammenlaminiert, wobei jedes Substrat eine strukturierte lichtdurchlässige Widerstandsschicht aufweist. Die strukturierten Widerstandsschichten werden aus einem Material wie z. B. ITO und ATO gefertigt. Typischerweise werden Leiterzüge aus Silberfritte verwendet, um die strukturierten Schichten mit der Erkennungselektronik zu koppeln. In einer Konfiguration weist die Unterseite der obersten Substratschicht horizontale Y-Meßelektroden auf, während die Oberseite des mittleren Substratglases vertikale X-Meßelektroden aufweist. Die oberen Y-Meßelektroden können so strukturiert sein, daß die Abschirmung der darunterliegenden X-Meßelektroden minimiert wird. Die Oberseite der unteren Substratschicht enthält eine rückseitige Schutzelektrode, um die Meßelektroden von der elektronischen Umgebung hinter dem Berührungsbildschirm (d. h. dem Sichtgerät) zu isolieren. Daher sind in dieser Konfiguration die X- und Y-Meßelektroden in getrennten Ebenen enthalten.
Bei diesem projektiven kapazitiven Sensortyp ist die gegenseitige Störung bzw. Kreuzkopplung durch Streukapazität zwischen den X- und Y-Meßelektroden umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den X- und Y-Elektrodenebenen. Daher erhöht eine Verringerung des Zwischenraums zwischen den X- und Y-Meßelektrodenebenen die kapazitive Kreuzkopplung und führt möglicherweise zur Erhöhung der Anforderungen an die dazugehörige Elektronik.
WO 95/27334 und US-A-5844506 offenbaren einen weiteren Typ eines projektiven kapazitiven Berührungsbildschirms, der dünne Drähte mit einer Dicke von 10 bis 25 μm als Elektroden nutzt. Für die elektrische Isolierung der Elektroden werden verschiedene Techniken offenbart. Zum Beispiel werden in einer Konfiguration die zwei Elektrodengruppen, d. h. die X- und Y-Elektroden, auf gegenüberliegende Flächen einer dünnen dielektrischen Schicht aufgebracht. In einer anderen Konfiguration werden die beiden Elektrodengruppen auf die gleiche Seite des dielektrischen Substrats oder der dielektrischen Schicht aufgebracht. Verfahren zur elektrischen Isolierung der Elektrodengruppen sind unter anderem das Aufbringen einer Isolierschicht zwischen den beiden Elektrodengruppen, wobei die Isolierschicht entweder zusammenhängend über der gesamte Berührungsbildschirmfläche oder lokal auf die Schnittpunkte der beiden Elektrodengruppen aufgebracht wird. In mindestens einem der offenbarten Berührungsbildschirmsysteme sind das dielektrische Trägersubstrat oder die Trägerschicht sowie die beiden Elektrodengruppen in einem dielektrischen Laminat gekapselt, wodurch nicht nur der Feuchtigkeitseinfluß beseitigt, sondern auch ein konstantes dielektrisches Milieu in unmittelbarer Nähe der Elektroden bereitgestellt wird.
US-A-4954823 offenbart ein Berührungsbildschirmsteuersystem zur Verwendung bei projektiven kapazitiven Berührungsbildschirmen wie z. B. den in WO 95/27334 offenbarten. In dem offenbarten Steuersystem mißt die Elektronik durch Berührungen verursachte Kapazitätsänderungen der Meßelektroden mittels Frequenzverschiebungen eines durch die RC-Zeitkonstante gesteuerten Oszillators. Ein ähnliches Verfahren, das einen durch die RC-Zeitkonstante gesteuerten Oszillator für die Messung von Kapazitätsänderungen in einem Berührungssensor nutzt, wird in US-A-4103252 offenbart.
US-A-5650597 offenbart einen projektiven kapazitiven Berührungsbildschirm, bei dem sowohl die X- als auch die Y-Elektroden in einer einzigen Ebene ausgebildet sind, wobei die Elektroden als Gruppen horizontaler Sensorstreifen angeordnet sind. Eine Steuerschaltung übermittelt ein Anregungssignal zu den Elektroden und empfängt ein Differenzsignal von den Elektroden, wobei das Differenzabtastsignal die Berührungsposition ergibt. Um die horizontale Position zu bestimmen, wird das Anregungssignal einer Seite der Gruppe zugeführt, und das Meßsignal wird auf der anderen Seite empfangen. Eine ähnliche Gruppe einseitig gerichteter Elektroden und ein Verfahren zur Gewinnung sowohl von X- als auch von Y-Koordinateninformationen wird in US-A-4778951 offenbart. Projektive kapazitive Berührungsbildschirmkonstruktionen wie z. B. die in US-A-4778951 und US-A-5650597 offenbarten sind von Fertigungsprozessen abhängig, in denen lichtdurchlässige leitfähige Schichten mit gleichmäßigem spezifischem Widerstand erzeugt werden, die im wesentlichen frei von Defekten sind, die den elektrischen Durchgang der Schicht unterbrechen können.
WO 96/15464 offenbart eine Steuereinheit zur Verwendung bei einer Vielzahl von Berührungsbildschirm-Sensorgruppentypen. Die Signale von der Gruppe werden sowohl in den analogen als auch in den digitalen Bereichen verarbeitet, wodurch eine zuverlässige Berührungserkennung erreicht wird. Bei einem der offenbarten Signalverarbeitungsverfahren werden die Informationen von mehreren Sensorfeldern interpoliert, um eine hohe Positionsauflösung zu erzielen. Die offenbarten Sensorgruppen sind unter anderem eine einfache Oberflächentastergruppe, die im wesentlichen symmetrisch ist, eine asymmetrische Tastergruppe (z. B. ein "Backgammon-Gitter") und doppelte orthogonale Gruppen, die auf verschiedenen Substratschichten angeordnet sind.
US-A-4087625, die anscheinend die wichtigste bekannte Technik darstellt, beschreibt ein kapazitives Tablett mit einer einzigen Schicht, in der Elektroden eine kapazitive Kopplung zu einem Stift herstellen, um Signale zu erzeugen, die den X- und Y-Dimensionen der Stiftposition auf dem Tablett entsprechen. Die Elektroden in der Einzelschicht haben die Form von Paaren komplementär geformter, eng benachbarter, leitfähiger Taster, die sich in der Y-Richtung des Tabletts erstrecken. Zur Abtastung der Stiftposition in der Y-Richtung wird eine Wechselspannung zwischen den zwei Elementen eines Paars angelegt, und der Stift empfängt ein Signal, das eine Funktion der Stiftposition in der Y-Richtung ist. Das Tablett weist eine Anzahl derartiger Paare mit jeweils unterschiedlicher Position in X-Richtung auf, und zur Abtastung der Stiftposition in der X-Richtung wird an die beiden Elektroden eines Paars eine Wechselspannung angelegt, die sich in X-Richtung des Tabletts schrittweise ändert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen kapazitiven Berührungsbildschirm, wie in Anspruch 1 dargelegt. Sie stellt einen verbesserten Berührungsbildschirm bereit, der zwei in einer einzigen Ebene oder auf einer einzigen Substratoberfläche angeordnete Meßelektrodengruppen nutzt, um die X- und Y-Koordinaten einer Berührung zu bestimmen. Die einzelnen Elektroden jeder Elektrodengruppe sind tasterfreie Elektroden, d. h. sie werden aus zusammenhängenden Stücken aus leitfähigem Material gebildet, wie z. B. aus dünnem Draht oder einer aufgebrachten leitfähigen Beschichtung. Die Gesamtstruktur der Elektroden ist so beschaffen, daß keine Überlappung zwischen Elektroden besteht und daher keine Isolierschichten, Beschichtungen usw. zwischen Elektroden erforderlich sind.
Erfindungsgemäß können viele verschiedene Elektrodenstrukturen verwendet werden. In einer derartigen Elektrodenstruktur besteht jede Elektrode aus einer Schleife aus leitfähigem Material, wobei die Schleife im wesentlichen dreieckförmig ist. Die Geometrie benachbarter Elektroden ist umgekehrt zueinander, d. h. die Basis der ersten dreieckförmigen Elektrode ist angrenzend an den Scheitel der nächsten dreieckförmigen Elektrode angeordnet, usw. Die Elektrodenbreite und der Abstand von Elektrode zu Elektrode bestimmen die Anzahl der Elektroden, die in eine gegebene Fläche eingepaßt werden können. Die Anzahl der Elektroden beeinflußt sowohl die mit der erforderlichen Elektronik verbundenen Komplexitäten und den Positionsbestimmungsalgorithmus als auch die erreichbare Positionsauflösung. Die Positionsauflösung wird außerdem durch die Form der Elektrodenränder beeinflußt, beispielsweise durch gerade Ränder gegenüber gezackten Rändern.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur besteht jede Elektrode aus einer Reihe von Zähnen, wobei Form und Dichte der Zähne durch Faktoren wie leichte Fertigung und gewünschte Positionsauflösung bestimmt werden. Durch Verändern der Höhe der einzelnen Zähne wird die allgemeine Form jeder Elektrode annähernd dreieckig. Die dreieckigen Formen der abwechselnden Elektroden sind komplementär zueinander, so daß die Basis der ersten Elektrode dem Scheitel der nächsten Elektrode benachbart ist.
Ein Berührungsbildschirmsensor mit Verwendung der erfindungsgemäßen Meßelektroden kann eines von einer Vielzahl von Ausgabesystemen nutzen. Zum Beispiel kann ein Frequenzbereichs-Ausgabeverfahren angewandt werden, bei dem die Betriebsfrequenz festgelegt ist. Bei diesem Verfahren wird durch Beobachten einer Impedanzänderung bei der Betriebsfrequenz, typischerweise durch Messen einer entsprechenden Stromänderung, eine Berührungskapazität erfaßt. Alternativ können Änderungen einer RC-Abklingzeit τ gemessen werden, zum Beispiel durch Beobachten von Frequenzverschiebungen in einem Sägezahngenerator. Dieses Verfahren wird typischerweise als Zeitbereichsverfahren bezeichnet. In einer dritten Alternative können Kapazitätsänderungen mittels Frequenzverschiebungen von LC-Oszillatoren erfaßt werden.
Um unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden Informationen über Berührungspositionen zu ermitteln, kann irgendeines von einer Anzahl von Verfahren angewandt werden. Vorzugsweise wird vor der Bestimmung der Berührungsposition eine Teilmenge der Elektroden ermittelt, die rund um die Berührungsposition angeordnet sind. Die Eingrenzung der Elektroden vermindert die Auswirkungen von Hintergrundsignalen, während sie die Leistungsfähigkeit des Positionsbestimmungsalgorithmus erhöht. Sobald eine Gruppe lokalisierter Elektroden ermittelt worden ist, werden die Berührungskoordinaten berechnet, eine Koordinate aus der Verteilung des Berührungssignals innerhalb jeder Elektrodengruppe und die andere Koordinate aus der Verteilung des Berührungssignals zwischen den zwei Elektrodengruppen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts einer Konstruktion der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung;
2 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts einer alternativen Konstruktion der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung;
3 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts einer alternativen Ausführungsform einer Konstruktion der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung;
4 zeigt eine Darstellung einer Elektrodenverbindungskonstruktion;
5 zeigt einen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt einen Schnitt einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine Darstellung einer Ersatzschaltung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungskonstruktion;
8 zeigt eine Darstellung eines Berührungsbildschirms mit Verwendung von 17 dreieckförmigen Elektroden;
9 zeigt eine schematische Darstellung des Signals, das von jeder der in 8 dargestellten Elektroden ausgegeben wird;
10 zeigt eine Darstellung von zwei Elektroden, die den in 1 dargestellten ähnlich sind, mit gezahnten, ineinandergreifenden Elektrodenrändern;
11 zeigt eine Darstellung von zwei Elektroden, die den in 2 dargestellten ähnlich sind, mit einer größeren Zähnezahl; und
12 zeigt eine Darstellung einer Elektrodenkonstruktion, welche die Auflösung erhöht und dabei die Zahl elektronischer Kanäle vermindert.
BESCHREIBUNG DER KONKRETEN AUSFÜHRUNGSFORMEN MESSELEKTRODENKONSTRUKTIONEN
Die 1 und 2 zeigen Abschnitte von zwei verschiedenen Konstruktionen der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung. In 1 sind die Elektroden 101–105 aus einzelnen, kontinuierlichen Schleifen aus einem leitfähigen Material ausgebildet, so daß innerhalb einer Meßfläche 107 des Berührungsbildschirms die Elektroden 101–105 eine Reihe von annähernd dreieckigen Formen in abwechselnder Struktur bilden. Dabei ist gemeint, daß im Unterschied zu einer Elektrode vom Tastertyp die Fläche 106 innerhalb jeder dieser dreieckigförmigen, tasterfreien Elektroden nicht leitfähig ist. Die in 2 dargestellte Elektrodenkonfiguration besteht aus mehreren Elektroden 201–205, die jeweils aus einem zusammenhängenden Stück leitfähigem Material bestehen. Jede Elektrode 201–205 besteht aus einer Vielzahl von Zähnen 206 von unterschiedlicher Höhe, wobei die Einhüllende der Zähne 206 von annähernd dreieckiger Form ist. Dabei versteht es sich, daß die Form der Zähne 206 in 2 nur als Beispiel dargestellt ist; bei der vorliegenden Erfindung können auch andere Zahnformen verwendet werden. Außerdem versteht sich, daß die vorliegende Erfindung sowohl Elektrodenschleifen (z. B. die Elektroden 101–105) als auch nicht schleifenförmige Elektroden (z. B. die Elektroden 201–205) verwenden kann. Ebenso wie in 1 bedecken die Elektroden 201–205 eine Meß- bzw. Abtastfläche 207 eines Berührungsbildschirms.
Die in den 1 und 2 dargestellten Elektroden 101–105 bzw. 201–205 können aus irgendeinem leitfähigen Material gefertigt werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Elektroden aus dünnen Metalldrähten gefertigt, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 10 und 25 μm. Alternativ können die Elektroden aus einer aufgebrachten leitfähigen Beschichtung hergestellt werden, die durch Anwendung eines Siebdruckverfahrens, eines fotografischen oder anderen Verfahrens strukturiert werden. Wenn ausreichend dünne Linien aufgebracht werden, z. B. mit einer Breite von weniger als 25 μm, dann brauchen die leitfähigen Beschichtungen nicht lichtdurchlässig zu sein. Wenn eine lichtdurchlässige leitfähige Beschichtung verwendet wird, wie z. B. ITO, ATO oder fluordotiertes Zinnoxid, dann können relativ große Linienbreiten verwendet werden. Dünne Drahtelektroden werden wegen der Empfindlichkeit von Elektrodenleitungsunterbrechungen bei leitfähigen Beschichtungen bevorzugt. Die Elektroden werden auf einem Substrat 109 in 1 und auf einem Substrat 209 in 2 angebracht. Die Substrate 109 und 209 können aus Glas, einer Polymerfolie, wie z. B. aus PET, oder aus einem anderen geeigneten, dem Fachmann bekannten Material bestehen.
Es versteht sich, daß die in den 1 und 2 dargestellten Elektrodenkonstruktionen lediglich der Erläuterung dienen; den Erfindern ist bewußt, daß es zahllose geringfügige Veränderungen an diesen Konstruktionen gibt, die bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Viele der möglichen Veränderungen sind durch die Anforderungen an das Gesamtsystem gegeben. Um beispielsweise eine höhere Auflösung zu erzielen, können mehr Elektroden in eine gegebene Fläche eingefügt werden. Außerdem können die Neigung der Elektroden, der Abstand zwischen Elektroden, der Abstand zwischen Elektrodensegmenten usw. verändert werden, um die Anforderungen an die Systemkonstruktion zu erfüllen.
Die erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktionen bieten viele Vorteile gegenüber älteren Elektrodenkonstruktionen. Erstens können, da keine Überlappung zwischen einzelnen Elektroden auftritt, alle Elektroden in einer einzigen Ebene ausgebildet werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Berührungsbildschirmsubstrate minimiert und die Fertigungskosten gesenkt werden. Zweitens brauchen die einzelnen Elektroden nicht isoliert zu werden, da sich die Elektroden, wie oben festgestellt, nicht überlappen. Wenn daher dünne Drahtelektroden verwendet werden, ist keine Isolierschicht erforderlich. Durch den Wegfall des Isoliermaterials wird die Sichtbehinderung durch die Elektroden weiter vermindert.
3 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts einer alternativen Ausführungsform einer Elektrodenanordnung, die der in 1 dargestellten ähnlich ist. Bei dieser Konstruktion gibt es einen zentralen Elektrodenbereich 301, in dem Abschnitte von Elektroden 303–306 an Abschnitte von Elektroden 309–312 angrenzen. Daher tritt im zentralen Bereich 301 eine erhöhte X- und Y-Koordinatenauflösung auf, während auf jeder Seite des zentralen Bereichs 301 nur eine begrenzte Y-Koordinateninformation auftritt. Dieser Konstruktionstyp ist ideal für den Gebrauch bei Anwendungen, bei denen die Integration eines voll funktionstüchtigen Berührungsbildschirms (d. h. des zentralen Abschnitts) mit einem seitlichen Drucktasteneingabesystem wünschenswert ist.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die angewandt werden können, um die erfindungsgemäßen Elektroden elektrisch mit der Berührungsbildschirmelektronik zu verbinden. Wenn z. B. dünne Drahtelektroden 401–413 verwendet werden, wie in 4 dargestellt, dann können die dünnen Drähte Verbindungsleitbahnen 415–427 zu einer Anschlußeinheit 429 bilden. Wenn die Elektroden aus einer lichtdurchlässigen leitfähigen Schicht gefertigt werden, wie z. B. ITO, dann können die Zwischenverbindungen 415–427 aus Silberfritte (z. B. auf Glas) oder Leitlack (z. B. auf Glas oder Polymerfolie) gefertigt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie eine viel größere Impedanz der Zwischenverbindung zwischen den Meßelektroden und der Elektronik ermöglicht, als bei anderen Berührungsbildschirmkonstruktionen zulässig ist (z. B. bei Widerstandsberührungsbildschirmen). Bei dem vorliegenden System muß die Impedanz zwischen den Elektroden und der Elektronik kleiner sein als die Impedanz der Streukapazität, die von einer Meßelektrode und einer benachbarten Meß- oder Schutzelektrode herrührt. Zum Beispiel entspricht bei einer Betriebsfrequenz von 30 Kilohertz (kHz) ein typischer Wert der Streukapazität von 50 Picofarad (pF) einer (imaginären) Impedanz von 1/(2πfC) = 106 Kiloohm (kΩ). Daher braucht die Impedanz der Zwischenverbindung im Vergleich zu etwa 100 kΩ nur klein zu sein. Als Ergebnis dieser Bedingung vergrößern sich die Herstellungsoptionen für Zwischenverbindungen.
Bei der vorliegenden Erfindung können verschiedene Querschnitte des Berührungsbildschirms verwendet werden. Zum Beispiel werden, wie in 5 dargestellt, mehrere Elektroden 501 auf einem Substrat 503 angebracht. Die Elektroden 501 werden über Zwischenverbindungen 507 mit einer Anschlußeinheit 505 gekoppelt. Die Anschlußeinheit 505 wird dann ihrerseits über ein flexibles Kabel 511 mit der Berührungsbildschirmelektronik 509 gekoppelt. Eine auswechselbare Berührungsfläche 513 aus Polymer (z. B. Polycarbonat) kann mechanisch mit der Elektrodenanordnung verbunden werden, z. B. mit einer Klebstoffschicht 515, die das Zertrümmern des darunterliegenden Glassubstrats erschwert. Außerdem kann die Berührungsfläche 513 leicht ausgetauscht werden, auch wenn sie beschädigt wird, z. B. durch Rowdies. Wahlweise kann auf die Bodenfläche des Substrats 503 eine Schutzelektrode 517 aufgebracht werden, um die Auswirkungen von Streukapazitäten zwischen den Meßelektroden und beispielsweise einer hinter dem Berührungsbildschirm angebrachten Anzeigevorrichtung zu minimieren. Außerdem kann, wie in 4 dargestellt, eine Randschutzelektrode 431 in der Ebene der Meßelektroden angebracht werden, um die Effekte von Streukapazitäten zu Objekten rund um den äußeren Umfang des Berührungsbildschirms zu minimieren, z. B. von Metall, das mit der Einfassung und ihren Tragkonstruktionen verbunden ist.
In einer in 6 dargestellten alternativen Konfiguration wird ein zweites Substrat 601 durch einen Sicherheitsglasklebstoff 603 mit der Elektrodeneinheit und einem unteren Substrat 503 verklebt. Das Ergebnis dieses Laminierungsverfahrens ist ein Sicherheitsglas.
ANALYSE DER ERSATZSCHALTUNG
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist in 7 eine Ersatzschaltung dargestellt. Gemäß der Darstellung wird eine Elektrode 701 mit benachbarten Meßelektroden 702–705 durch Berührung mit einem Finger (nicht dargestellt) kapazitiv in Nebenschluß zu einer Masse 707 geschaltet bzw. überbrückt, dargestellt durch einen Kondensator 709. In der Praxis stellt ein Finger eine kapazitive Kopplung von unterschiedlicher Stärke zu mehreren benachbarten Meßelektroden her. Die Verteilung von Signalen auf benachbarte Meßelektroden ermöglicht eine Interpolation der Berührungskoordinate senkrecht zu den Längsachsen der Elektroden. Lediglich zu Erläuterungszwecken ist jedoch in 7 nur eine Berührungskapazität enthalten.
Der quantitative Wert des Kondensators 709 liegt in der Größenordnung von einem pF. Der genaue Wert ist von verschiedenen Faktoren abhängig, einschließlich der Größe des Fingers und der Dicke und Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen der Meßelektrode 701 und dem Finger. Wenn zum Beispiel der Finger eine wirksame Fläche A von einem Quadratzentimeter (1 cm²) aufweist und das Material eine Dicke d von 3 Millimeter (3 mm) und eine relative Dielektrizitätskonstante ε/ε₀ = 3 aufweist, dann ist die Kapazität den Kondensators 709 gleich ε₀·(ε/ε₀)·(A/d) = 8,85 pF/m)·3·(10^–4 m²)/(3·10^–3 m) = 0,885 pF. Um die Berührungsrekonstruktionsalgorithmen zu unterstützen, mißt die Elektronik vorzugsweise Kapazitätsänderungen mit einer Genauigkeit, die um etwa 2 Größenordnungen darunter liegt, d. h. von etwa +0,01 pF.
Die Elektroden 701–705 sind mit einer oszillierenden Anregungsspannung, V, 711 verbunden. Die Betriebsfrequenz kann zum Beispiel 30 kHz betragen. Die Strommeßelektronik 713 erfaßt den durch die Elektroden gezogenen Strom bei Anregung durch die oszillierende Spannung 711. Wenn daher 711 eine Spannung von 10 Volt bei 30 kHz erzeugt und die Kapazität des Kondensators 709 etwa 1 pF beträgt, dann ergibt die Berührung eine Stromentnahme von: ΔI = V·2πfC = 10V·2π·30 kHz·1 pFoder etwa 2 Mikroampere (2 μA). Derartige Stromänderungen für jede Meßelektrode können gemessen und digitalisiert werden. Dies sind die Signale, die durch die Berührungsalgorithmen verarbeitet werden.
Eine Fingerberührung ist typischerweise nicht die einzige Kapazität zwischen einer Meßelektrode und Masse. Die parasitäre Streukapazität gegen Masse wird durch einen Kondensator 715 dargestellt. Diese Kapazität führt zu einem Hintergrundstrom, der sich zu dem bei 713 gemessenen Strom I addiert. Im Prinzip kann dieser Hintergrundstrom im Berührungsalgorithmus als Verschiebung bzw. Abweichung subtrahiert werden. In der Praxis wird jedoch die Konstruktion der Elektronik vereinfacht, wenn die Kapazität des Kondensators 715 nicht viel höher ist als die Kapazität 709, die auf eine Berührung zurückzuführen ist, und mit der Zeit nicht schnell driftet.
Nach Wunsch kann die Kapazität 715 durch Einbau von Schutzelektroden in die Konstruktion der Berührungsbildschirmeinheit stark reduziert werden. Zum Beispiel kann eine Schutzelektrode zwischen der Ebene der Meßelektroden und der Anzeigevorrichtung eingefügt werden, wie in den 5 und 6 dargestellt. Schutzelektroden werden mit der gleichen Anregungsspannung angesteuert, die zur Anregung der Meßelektroden benutzt wird. Durch Beseitigung der Spannungsdifferenz zwischen der Meßelektrode und der Schutzelektrode ist der Nebenschlußstrom durch die Streukapazität zur Schutzelektrode (d. h. durch den Kondensator 715 in 7) annähernd gleich 0 (d. h. ΔI = ΔV·2πf C = 0 wegen ΔV = 0). Daher werden die negativen Effekte der Streukapazität beseitigt, wenn ΔV/V < 1% ist, auch wenn die Streukapazität 715 in der Größenordnung von 100 pF bleibt.
In einer alternativen Ausführungsform kann zusätzlich zur Verwendung der wahlfreien rückseitigen Schutzelektrode eine wahlfreie Randschutzelektrode in der gleichen Ebene wie die Meßelektroden verwendet werden. Der in 7 mit 717 bezeichnete Kondensator stellt die Gesamtkapazität von der Meßelektrode zu allen Schutzelektroden dar.
Es existiert auch eine Streukapazität zwischen benachbarten Meßelektroden, die durch den Kondensator 719 angedeutet wird. Der Zahlenwert der Kapazität 719 variiert in Abhängigkeit von einer Anzahl von Parametern, zu denen die Breite des Zwischenraums zwischen benachbarten Elektroden, die Länge des Zwischenraums zwischen benachbarten Elektroden und die Dielektrizitätskonstante des Materials gehören, das die Meßelektroden umgibt. Die Streukapazität zwischen benachbarten Elektroden ist annähernd proportional zum natürlichen Logarithmus des Verhältnisses der Elektrodenbreite zum Elektrodenabstand. Ein angemessener Schätzwert für die Kapazität 719 ist 40 pF, obwohl dieser Wert ohne weiteres um einen Faktor von 2 variieren kann, in Abhängigkeit von den Details der Berührungsbildschirmkonstruktion. Es versteht sich, daß das Vorhandensein einer Kapazität 719, die groß im Vergleich zur Kapazität 709 ist, kein Problem darstellt, da die benachbarten Meßelektroden (d. h. die Elektroden 702–704) durch die Anregungsspannung 711 angesteuert werden und daher auch als Schutzelektroden funktionieren.
Das letzte Element in der oben dargestellten Ersatzschaltung ist die Impedanz 721 der Zwischenverbindung. In bestimmten Ausführungsformen ist die Impedanz 721 annähernd gleich 0. Akzeptierbar ist jedoch jede Impedanz mit einer Größe im Bereich von 0 bis etwa 1/(2πf C₇₁₉). C₇₁₉ ist die Kapazität des Elements 719. Vorteile dieser Auslegungsfreiheit der Elektronik werden weiter unten festgestellt.
Wenn der Wert der Zwischenverbindungsimpedanz 721 zu groß wird, dann besteht eine Tendenz zur Umleitung des Signalstroms der Meßelektrode über die Elektrodenstreukapazität 719 zu benachbarten Meßelektroden. Dies verursacht eine Verbreiterung oder Unschärfe der Berührungssignale in Abhängigkeit von der Anzahl der Meßelektroden. Diese Effekte sind mit SPICE-Simulationen berechnet worden. Bei Annahne einer Betriebsfrequenz von 30 kHz, einer Elektrodenstreukapazität 719 von 40 pF, einer Schutzkapazität 717 von 20 pF und einer Zwischenverbindungsimpedanz 721, die einer Kapazität von 200 pF entspricht, fließen beispielsweise mehr als 75% des Stroms von einer gegebenen Meßelektrode durch die entsprechende Strommeßschaltung 713. Wenn die Elektrodenstreukapazität 719 auf 100 pF erhöht wird, und wenn die Zwischenverbindungskapazität auf 100 pF verringert wird, bleiben etwa 40% des Signalstroms in seinem nominellen Kanal. In diesem Fall können die Signale immer noch die gewünschte Berührungsinformationen enthalten, aber die Qualität der Signaldaten beginnt sich erheblich zu verschlechtern.
Daher erstreckt sich der zulässige Bereich für die Impedanz 721 über den gesamten Bereich bis 1/(2πf C₇₁₉). Für typische Werte von C₇₁₉ und f von 40 pF bzw. 30 kHz ist 1/(2πf C₇₁₉) ≈ 130 kΩ. Als Ergebnis werden die Konstruktions- und Fertigungsoptionen für die Zwischenverbindungen stark erweitert.
Der klaren Darstellung halber wurde in der obigen Analyse der Fall betrachtetet, daß der Berührungsbildschirmsensor mit einer Elektronik ausgelesen wird, die eine feste Betriebsfrequenz verwendet. Dieses Verfahren ist als Frequenzbereichs-Ausgabeverfahren bekannt. Die Berührungskapazität 709 wird durch Beobachtung einer Impedanzänderung bei der Betriebsfrequenz erfaßt, typischerweise durch Messung einer entsprechenden Stromänderung. Ein alternatives Verfahren, das als Zeitbereichsverfahren bezeichnet wird, mißt Änderungen einer RC-Abklingzeit τ, typischerweise durch Beobachtung von Frequenzverschiebungen in einem Sägezahngenerator. Die erfindungsgemäßen Berührungsmeßelektroden können bei jedem der beiden Ausleseelektronik-Typen verwendet werden. Daher bleiben die zugrundeliegenden Sensorkonzepte die gleichen, obwohl in der obigen Analyse der Frequenzbereich hervorgehoben wird.
Ein weiteres Verfahren, das bei den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoren angewandt werden kann, erfaßt Kapazitätsänderungen mittels Frequenzverschiebungen von LC-Oszillatoren. Die Frequenz eines LC-Oszillators ist f = 2π/√(LC). Eine Kapazitätsänderung ΔC führt zu einer Frequenzverschiebung Δf = –1/2(ΔC/C)·f.
ALGORITHMUS
Auf die Signaldaten von den erfindungsgemäßen Meßelektroden können verschiedene Algorithmen angewandt werden, um die X- und Y-Koordinaten einer Berührung zu bestimmen. Einige von diesen Verfahren werden nachstehend kurz diskutiert, wobei sich allerdings versteht, daß die anderen Verfahren gleichermaßen anwendbar sind.
8 zeigt eine Darstellung eines Berührungsbildschirms mit Verwendung von 17 dreieckförmigen Elektroden 801–817, wie z. B. denjenigen, die unter Bezugnahme auf die 1 und 4 diskutiert wurden. Wie in den früheren Darstellungen ist die verlängerte Achse jeder Elektrode parallel zur X-Achse, wobei sich allerdings versteht, daß der Berührungsbildschirm so konstruiert werden könnte, daß die verlängerte Achse parallel zur Y-Achse ist, oder daß eine andere Elektrodenkonstruktionen verwendet wird (siehe z. B. 2). Der Kreis 819 bezeichnet die Kontaktstelle zwischen der Berührungsfläche 800 und der Zeigefingerspitze des Benutzers. Eine Bildschirmberührung an der Stelle 819 bewirkt eine besonders starke Kopplung zur Elektrode 808, löst aber auch Signale von unterschiedlicher Stärke an den Elektroden 809 und 807 und vielleicht den Elektroden 806 und 810 aus. Je geringer die Breite der Elektrode und je größer die Dicke des durchgedrückten Materials (d. h. der äußeren Berührungsfläche), desto größer ist die Anzahl der Elektroden, die auf die Fingerberührung ansprechen.
Die Ellipsen 821 und 832 stellen den Handteller der Hand des Benutzers dar. Es wird angenommen, daß der Handteller oberhalb der Berührungsfläche liegt, aber nicht in Kontakt damit ist. Die Ellipse 821 stellt den Handteller eines rechtshändigen Benutzers dar, während die Ellipse 823 den Handteller eines linkshändigen Benutzers darstellt. Zwischen dem Handteller und den darunterliegenden Elektroden kann eine gewisse parasitäre kapazitive Kopplung bestehen. Wie in 8 dargestellt, können die Elektroden 803–807 Hintergrundsignalen ausgesetzt sein, die auf den Handteller der Hand des Benutzers zurückzuführen sind.
Verfahren zur Gewinnung eines Ausgangssignals von jeder der Elektroden und, wenn dies gewünscht wird, zur Kompensation von Verstärkungsschwankungen zwischen Elektronikkanälen sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht ausführlich diskutiert. Wenn man ein Ausgangssignal von jeder Elektrode annimmt, gibt es zahlreiche Berührungsrekonstruktionsalgorithmen, die auf das erfindungsgemäße Berührungsbildschirmsystem angewandt werden können. Einige repräsentative Beispiele werden weiter unten angegeben, obwohl es sich versteht, daß diese Beispiele nicht erschöpfend sind und daß andere Berührungsrekonstruktionsmechanismen existieren, die ebenso auf die Erfindung anwendbar sind.
Der erste Schritt der meisten Berührungsrekonstruktionsalgorithmen ist die einfache Feststellung, daß eine Berührung aufgetreten ist. Eines der einfachsten Verfahren zum Erkennen einer Berührung basiert auf einem Elektrodenausgangssignal, das einen Signalschwellwert überschreitet. 9 zeigt eine schematische Darstellung des Signals, das von jeder der in 8 dargestellten Elektroden ausgegeben wird. Gemäß der Darstellung übersteigt nur das Signal von der Elektrode 808 den Schwellwert 901.
Ein Problem bei dem in 9 dargestellten einfachen Schwellwertverfahren kann auftreten, wenn die Berührungsfläche klein im Vergleich zu den Elektroden ist und ihr Mittelpunkt zwischen zwei Elektroden liegt. In dieser Situation wird das Signal zwischen den zwei Elektroden aufgeteilt und führt möglicherweise zu einem Signal in jeder der beiden Elektroden, das nicht ausreicht, um den Schwellwert zu überschreiten. Zur Lösung dieses Problems kann der Berührungserkennungsalgorithmus so modifiziert werden, daß jedesmal, wenn die Summe der Signalpegel von zwei benachbarten Elektroden einen gegebenen Schwellwert übersteigt, eine Berührung erkannt wird. Entsprechend kann der Algorithmus so modifiziert werden, daß jedesmal, wenn die Summe der Signale von einer vorgegebenen Anzahl benachbarter Elektroden (d. h. von 3, 4, ..., allen Elektroden) einen Schwellwert übersteigt, eine Berührung erkannt wird. Ein Vorteil des Erkennens einer Berührung bei einer kleinen Anzahl von Elektroden statt einer großen Elektrodenzahl liegt darin, daß der Handteller verworfen wird (d. h. eine falsche Berührungserkennung auf der Basis einer großen Anzahl von Elektroden, die wegen der Nähe eines großen Objekts zum Bildschirm jeweils ein kleines Signal ausgeben, wird minimiert). Dieses Verfahren der Vermeidung von Fehlberührungen ist besonders wirksam, wenn die Längsachsen der Elektroden horizontal statt vertikal liegen, wie in 8 dargestellt.
Nachdem durch Anwendung eines Verfahrens ähnlich dem oben beschriebenen eine Berührung erkannt worden ist, wird vorzugsweise die Berührung lokalisiert bzw. eingegrenzt. In diesem Schritt wird eine Teilmenge aller Meßelektroden identifiziert, wobei die Teilmenge aus den Meßelektroden besteht, die in der Nähe der Berührungsposition liegen. Dieser wahlfreie Schritt hat mehrere Vorteile. Erstens kann durch Begrenzen der Elektrodenzahl der Positionsbestimmungsmechanismus wirksamer und daher schneller arbeiten. Zweitens werden die Effekte von Hintergrundsignalen, die durch den Handteller ausgelöst werden, sowie von statistischem elektronischem Rauschen vermindert.
Zur Lokalisierung der Berührung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, das benachbarte Elektrodenpaar mit dem größten kombinierten Signal zu identifizieren. Vorzugsweise wird auf jeder Seite des ausgewählten Paars eine weitere Elektrode der Elektrodengruppe hinzugefügt, wodurch sich eine Gruppe von 4 Elektroden ergibt, die zur Berechnung der X- und Y-Koordinaten der Berührung verwendet werden kann. Es versteht sich, daß größere Anzahlen von Elektroden in die lokalisierte Elektrodengruppe einbezogen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Unter Bezugnahme auf 8 und unter der Annahme, daß die Anzahl lokalisierter Elektroden auf vier begrenzt ist, kann die lokale Gruppe von Meßelektroden in ein Paar ungeradzahliger oder rechtsgepolter Elektroden und ein Paar geradzahliger oder linksgepolter Elektroden unterteilt werden. Die Unterteilung des Signals zwischen diesen beiden Elektrodenpaaren liefert eine Messung der X-Koordinate. Für die Berührung 819 des Berührungsbildschirms 800 können die Summen der linken und rechten Signale wie folgt definiert werden: L = S808 + S810 R = S809 + S807
Die X-Koordinate X_t der Berührung ist gegeben durch Xt = L/(L + R)
Diese gemessene Koordinate X_t kann nach Bedarf ohne weiteres verschoben und skaliert werden, um sie dem Koordinatensystem der Anzeigevorrichtung anzupassen. Zum Beispiel: XAnzeige = (Vergrößerung)(Xt) + Verschiebung
Die Y-Koordinate der Berührung kann durch eine gewichtete Summe berechnet werden. Wenn z. B. Y_n als Y-Koordinaten der Mittellinien der Meßelektroden definiert werden, kann der Wert der Y-Berührungskoordinate, Y_t, aus dem folgenden Ausdruck abgeschätzt werden: Y = (L·S809·Y809 + R·S808·Y808 + L·S807·Y807 + R·S810·Y810)/(2L·R)
Alternativ kann Y_t durch Kurvenanpassung an die gewichteten Signale L·S₈₀₉, R·S₈₀₈, L·S₈₀₇ und R·S₈₁₀ bestimmt werden. Die linken und rechten Signalsummen R und L werden hier verwendet, um die systematischen Abweichungen in den Elektrodensignalen als Funktion der X-Koordinate zu korrigieren. Weiterentwickelte Gewichtungs- und Kurvenanpassungssysteme können gleichfalls angewandt werden, einschließlich Systeme, bei denen auf der Basis des Y-Werts Korrekturen an den X-Koordinaten vorgenommen werden, und umgekehrt.
Ebenso wie bei einigen anderen Berührungstechnologien (z. B. akustische, Kraft-, kapazitive Technologien) können die erfindungsgemäßen Sensoren einen Wert Z liefern, welcher der Stärke der Berührung entspricht. Zum Beispiel kann Z einfach gleich der Summe der Signale für die lokale Meßelektrodengruppe sein, d. h. gleich S₈₀₇ + S₈₀₈ + S₈₀₉ + S₈₁₀.
Die Z-Koordinate kann durch die Anwendungssoftware benutzt werden, um den Berührungsschwellwert dynamisch zu regulieren. Typischerweise ist die erste Wechselwirkung zwischen einem Terminal mit Berührungsbildschirm und einem neuen Benutzer eine Berührung durch den Benutzer, um ein Menüsystem "aufzuwecken". Oft wird durch das Aufwecken bzw. Aufrufen des Menüsystems außerdem erreicht, daß das Terminal die Anzeige entweder eines Aufmerksamkeit erregenden Bildes oder irgendeiner Form von Werbung unterbricht. Für die erste Berührung kann es für die Anwendung zweckmäßig sein, eine Berührung zu akzeptieren, die auf einem niedrigen Z-Schwellwert basiert, da durch die gelegentliche falsche Berührung wenig Schaden verursacht würde. Während der ersten Berührung erkennt die Anwendungssoftware einen Strom von Z-Werten. Vorzugsweise ermittelt das System den maximalen Z-Wert und legt auf der Basis des Wertes dieses maximalen Z-Wertes einen zweiten Berührungsschwellwert fest. Zum Beispiel könnte der zweite Wert auf einen bestimmten Prozentsatz (z. B. 50%) des maximalen Z-Werts eingestellt werden. Daher kann der Z-Wert für die Anpassung an Differenzen von Fingergrößen, den Unterschied zwischen Fingern mit und ohne Handschuh usw. benutzt werden.
Sobald die X- und Y-Koordinaten und wahlweise die Z-Koordinate berechnet sind, gibt der Algorithmus die Koordinaten an das Betriebssystem aus.
In einer Abwandlung des obigen Algorithmus werden Meßelektroden mit ungeraden und geraden Nummern gepaart, so daß effektiv eine Streifenelektrode von konstanter Breite als Funktion von X (oder von Y, in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Längsachse der Elektroden) bereitgestellt wird. So werden in 8 die Elektroden 801 und 802 gepaart, die Elektroden 803 und 804 werden gepaart usw. Alternativ werden die Elektroden 802 und 803 gepaart, die Elektroden 804 und 805 werden gepaart, usw. Auf der Basis dieser beiden Paarungsschemata können zwei geneigte Y-Koordinaten berechnet werden, wobei jede der berechneten Y-Koordinaten aus dem Mittelwert der Y-Signalwerte bestimmt wird.
So wird in dem obigen Beispiel Y₁ aus den Elektrodenpaar-Signalamplituden (S₈₀₇ + S₈₀₈) und (S₈₀₉ + S₈₁₀) bestimmt, während Y₂ aus den Elektrodenpaar-Signalamplituden (S₈₀₆ + S₈₀₇) und (S₈₀₈ + S₈₀₉) bestimmt wird, woraus sich ergibt: Y1 = ((S807 + S808)·(Y807 + Y808)/2 + (S809 + S810)·(Y809 + Y810)/2)/(S807 + S808 + S809 + S810) Y2 = ((S806 + S807)·(Y806 + Y807)/2 + (S808 + S809)·(Y808 + Y809)/2)/(S806 + S807 + S808 + S809)
Es können entweder gewichtete Mittelwerte oder Kurvenanpassungen verwendet werden. Da die durch die Elektrodenpaare in 8 gebildeten Streifenelektroden nicht absolut horizontal sind, und da die Neigung der Gerade-Ungerade-Paare der Neigung der Ungerade-Gerade-Paare entgegengesetzt ist, weichen Y₁ und Y₂ mit entgegengesetzten Vorzeichen von der Y-Koordinate der Berührung um einen Betrag ab, der proportional zur X-Koordinate ist (wobei angenommen wird, daß X = 0 im Mittelpunkt des Berührungsbereich s liegt). Daher ergibt eine Mittelung von Y₁ und Y₂ die Y-Koordinate der Berührung. (das heißt Y_t = (Y₁ + Y₂)/2).
Ferner kann die orthogonale oder X-Koordinate aus der Differenz dieser Werte berechnet werden. Derartige Algorithmen sind irgendwie analog zur Tiefenwahrnehmung beim beidäugigen Sehen. Vorzugsweise wird die X-Koordinate nach der Gleichung X = A(Y1 + Y2) + Bberechnet, wobei A und B Konstanten sind, die für die gewünschte Skalierung und Verschiebung sorgen. Die Fläche unter der Fingerberührungsspitze im einen wie im anderen Signalpaar liefert einen Z-Wert.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Berührungsalgorithmen nur als Beispiele gemeint sind, die veranschaulichen, wie sowohl die X- als auch die Y-Koordinaten aus den erfindungsgemäßen Meßelektroden bestimmt werden können. Es können auch verschiedene andere Algorithmen bei den erfindungsgemäßen Berührungsbildschirmen angewandt werden.
ELEKTRODENKONSTRUKTION
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Elektrodenparameter, die in Abhängigkeit von den Anforderungen an das Gesamtsystem variiert werden können. Zum Beispiel beeinflußt die Breite der einzelnen Elektroden (siehe die Breite 111 in 1 oder die Breite 211 in 2) direkt die Komplexität des Systems, da ein Berührungsbildschirm mit Verwendung breiterer Elektroden weniger Elektroden und damit weniger Zwischenverbindungen, Elektronikkanäle usw. erfordert. Breitere und daher weniger Elektroden führen jedoch typischerweise zu einem Verlust an Positionsinformationen. In bestimmtem Umfang kann dieses Problem durch Mehrfachausnutzung von Kanälen, d. h. durch Kopplung von mehr als einer Elektrode an jeden Kanal, minimiert werden.
Ein weiterer Parameter, der variiert werden kann, um eine höhere Positionsauflösung bereitzustellen, ist die Form der Elektroden. Zum Beispiel kann anstelle einer glatten Kontur, wie in 1 dargestellt, der Rand der Elektroden aus einer Reihe von ineinandergreifenden "Zähnen" zusammengesetzt werden, wie in 10 dargestellt. Entsprechend kann die Anzahl der Zähne bei den in 2 dargestellten Elektroden vergrößert werden, wie in 11 dargestellt.
12 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts einer Elektrodenkonstruktion, die Elektroden enthält, die so geformt sind, daß mit einer Elektronikauslegung, welche die Anzahl der erforderlichen Elektronikkanäle reduziert, eine hohe Auflösung erzielt wird. Gemäß der Darstellung sind die Elektroden 1201–1204 auf einer Seite des Berührungsbildschirms mit der Berührungsbildschirmelektronik gekoppelt, während die Elektroden 1205–1207 auf der zweiten Seite des Berührungsbildschirms gekoppelt sind. Es versteht sich jedoch, daß alle Elektroden auf einer Seite mit der Systemelektronik gekoppelt werden können, wie in 4 dargestellt.
In dem dargestellten System mit reduzierten Elektronikkanälen ist die Elektrode 1201 über eine Zwischenverbindung mit einer Kapazität C_I mit dem Elektronikkanal 1209 verbunden. Entsprechend ist die Elektrode 1203 über eine Zwischenverbindung mit einer Kapazität C_I mit dem Elektronikkanal 1211 verbunden. Dagegen ist die Elektrode 1202 über Zwischenverbindungskapazitäten C_I/2 mit beiden Elektronikkanälen 1209 und 1211 verbunden. Während sich eine Berührung von der Elektrode 1201 zur Elektrode 1203 bewegt, verschieben sich die Signalamplituden glatt vom Kanal 1209 zum Kanal 1211. Zu beachten ist, daß das Signal von der Elektrode 1202 gleichmäßig zwischen den Elektronikkanälen 1209 und 1211 aufgeteilt wird. In dieser Konfiguration ist die Tatsache, daß die vorliegende Erfindung eine Zwischenverbindungsimpedanz 721 (wie weiter oben beschrieben) toleriert, ein großer Vorteil. Es versteht sich, daß die Elektroden 1205–1207, und für dieses Beispiel die Elektroden 1205 und 1206, eine weitere Glättung einer von der Elektrode 1201 nach 1203 wandernden Berührung bieten.

Claims

Projektiver kapazitiver berührungsempfmdlicher Bildschirm, der aufweist: ein Substrat (109, 209, 503), eine erste Gruppe von Positionssensorelektroden (101, 201, 309, 401, 1201), die auf dem Substrat innerhalb einer Ebene hergestellt werden, eine zweite Gruppe von Positionssensorelektroden (102, 202, 303, 402, 1205), die auf dem Substrat innerhalb der Ebene hergestellt und mit der ersten Elektrodengruppe in einer nichtüberlappenden Struktur verschachtelt werden, erste und zweite Zwischenverbindungsgruppen (415–427, 507), um die ersten und zweiten Elektrodengruppen jeweils mit einer Steuerschaltung (509) zur Verarbeitung der Signaldaten von den Elektroden zu verbinden, um die x- und y-Koordinaten einer Berührung zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Positionssensorelektroden (101–109, 201–205, 303–312, 401–414, 1201–1207) eine Nicht-Blockelektrode ist, die aus einem zusammenhängenden Stück leitfähigen Materials besteht, das so angeordnet wird, daß es einen im wesentlichen dreieckförmigen Sensorabschnitt der Elektrode oder einen durch eine gedachte, im wesentlichen dreieckförmige Einhüllende umgebenen Sensorabschnitt der Elektrode definiert, und daß die Steuerschaltung eine Einrichtung zur Bestimmung einer Teilmenge von Elektroden aufweist, die in der Berührungsposition lokalisiert sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 1, wobei der Sensorabschnitt jeder Elektrode (101–105, 303–312, 401–413, 1201–1207) im wesentlichen dreieckförmig ist und erste und zweite Seiten jedes Sensorabschnitts nichtlinear sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 1, wobei der Sensorabschnitt jeder Elektrode von der gedachten, im wesentlichen dreieckförmigen Einhüllenden umgeben ist und das zusammenhängende Stück leitfähigen Materials mehrere Zähne (206) von unterschiedlicher Höhe bildet.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das leitfähige Material ein dünner Draht ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 4, wobei der dünne Draht einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 25 μm aufweist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das leitfähige Material eine leitfähige Beschichtung ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 6, wobei die leitfähige Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ITO, ATO und fluordotiertem Zinnoxid besteht.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 6 oder 7, wobei die leitfähige Beschichtung eine lichtundurchlässige Beschichtung ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Impedanz (721) der ersten und zweiten Zwischenverbindungsgruppen (415–427, 507) größer als 1 kΩ ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Impedanz (721), die den ersten und zweiten Zwischenverbindungsgruppen (425–427, 507) entspricht, größer als eine erste Impedanz und kleiner als eine zweite Impedanz ist, und wobei die zweite Impedanz (719) der kapazitiven Kreuzkopplung zwischen Elektroden der ersten Elektrodengruppe und benachbarten Elektroden der zweiten Elektrodengruppe entspricht.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 10, wobei die erste Impedanz größer als 1 kΩ ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrodengruppe mit einer ersten Gruppe von elektronischen Kanälen innerhalb der Steuerschaltung (509) gekoppelt ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 12, wobei mindestens einige von der ersten Gruppe elektronischer Kanäle mit mehreren Elektroden der ersten Elektrodengruppe gekoppelt sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 12, wobei mindestens einige Elektroden der ersten Elektrodengruppe mit mehreren elektronischen Kanälen, der ersten Gruppe elektronischer Kanäle gekoppelt sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 12, wobei die zweite Elektrodengruppe mit einer zweiten Gruppe elektronischer Kanäle innerhalb der Steuerschaltung (509) gekoppelt ist.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 15, wobei mindestens einige der ersten Gruppe elektronischer Kanäle mit mehreren Elektroden der ersten Elektrodengruppe gekoppelt sind, und wobei mindestens einige der zweiten Gruppe elektronischer Kanäle mit mehreren Elektroden der zweiten Elektrodengruppe gekoppelt sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach Anspruch 16, wobei mindestens einige Elektroden der ersten Elektrodengruppe mit mehreren elektronischen Kanälen der ersten Gruppe elektronischer Kanäle gekoppelt sind, und wobei mindestens einige Elektroden der zweiten Elektrodengruppe mit mehreren elektronischen Kanälen der zweiten Gruppe elektronischer Kanäle gekoppelt sind.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (509) ein Frequenzbereichsausleseverfahren nutzt.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Steuerschaltung (509) ein Zeitbereichsausleseverfahren nutzt.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Steuerschaltung (509) Frequenzverschiebungen in mehreren LC-Oszillatoren bestimmt.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (509) eine erste Berührungskoordinate aus einer ersten Signalverteilung innerhalb der ersten Elektrodengruppe und einer zweiten Signalverteilung innerhalb der zweiten Elektrodengruppe bestimmt, und wobei die Steuerschaltung eine zweite Berührungskoordinate aus einer dritten Signalverteilung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodengruppe bestimmt.
Berührungsempfindlicher Bildschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Abschnitte der zweiten Elektrodengruppe (303–306) mit Abschnitten der ersten Elektrodengruppe (309–312) in einer nichtüberlappenden Struktur verschachtelt sind, und wobei die verschachtelten Abschnitte Positionssensorabschnitte bilden und nicht verschachtelte Abschnitte mehrere einfache Berührungsschaltflächen bilden.