DE69533529T2

DE69533529T2 - Kapazitiver Berührungssensor

Info

Publication number: DE69533529T2
Application number: DE69533529T
Authority: DE
Inventors: David W. Caldwell
Original assignee: TouchSensor Technologies LLC
Current assignee: TouchSensor Technologies LLC
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2015-10-26
Also published as: CN1220786A; JP3798428B2; EP0795233B1; CN1155154C; EP1204209B1; DK0795233T3; CA2203695C; HK1045224B; NZ296672A; DE69527646D1; ES2227330T3; ES2179890T3; AU4134596A; AU706850B2; ATE276606T1; US5594222A; CA2203695A1; DE69533529D1; ATE221708T1; DK1204209T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Berührungsfeldsystem und insbesondere einen Berührungssensor, der an einer Seite eines Substrats angebracht ist, um einen Benutzerkontakt der gegenüberliegenden Seite des Substrats zu erfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Berührungsfelder werden in verschiedenen Anwendungen benutzt, um herkömmliche mechanische Schalter zu ersetzen, z. B. bei Küchenherden, Mikrowellenofen und dergleichen. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern enthalten Berührungsfelder keine sich bewegenden Teile, die brechen oder sich abnutzen können. Mechanische Schalter, die mit einem Substrat verwendet werden, erfordern irgendeine Art von Öffnung durch das Substrat zum Anbringen des Schalters. Diese Öffnungen, sowie Öffnungen in dem Schalter selbst, ermöglichen, dass Schmutz, Wasser und andere Verunreinigungen durch das Substrat gehen oder innerhalb des Schalters eingefangen werden. Bestimmte Umgebungen enthalten eine große Anzahl von Verunreinigungen, die durch Substratöffnungen gehen können, wobei ein elektrischer Kurzschluss oder eine Beschädigung der Komponenten hinter dem Substrat verursacht wird. Jedoch können Berührungsfelder auf einer kontinuierlichen Substratschicht ohne irgendwelche Öffnungen in dem Substrat gebildet werden. Berührungsfelder können auch als Folge der fehlenden Öffnungen und Hohlräume, die Schmutz and andere Verunreinigungen sammeln, leicht gereinigt werden.
Existierende Berührungsfeld-Entwürfe stellen Berührungsflecken-Elektroden bereit, die an beiden Seiten des Substrats angebracht sind; d. h. sowohl auf der "vorderen" Oberfläche des Substrats als auch auf der "hinteren" Oberfläche des Substrats. Typischerweise ist eine dünne Elektrode aus Antimonoxid (TAO) an der vorderen Oberfläche des Substrats angebracht und zusätzliche Elektroden sind an der hinteren Oberfläche angebracht. Der Berührungsflecken (auch als Berührungskissen bezeichnet) wird aktiviert, wenn ein Benutzer die TAO-Elektrode kontaktiert. Ein derartiger Entwurf setzt die TAO-Elektrode einer Beschädigung durch einer Verkratzung, Reinigungslösungsmittel und abtragenden Reinigungskissen aus. Ferner fügt die TAO-Elektrode Kosten und eine Komplexität zu dem Berührungsfeld hinzu.
Bekannte Berührungsfelder verwenden oft einen Entwurf einer hohen Impedanz, was bewirken kann, dass das Berührungsfeld eine Fehlfunktion ausführt, wenn Wasser oder andere Flüssigkeiten auf dem Substrat vorhanden sind. Dies stellt ein Problem in Gebieten dar, bei denen Flüssigkeiten häufig angetroffen werden, beispielsweise in einer Küche. Da die Flecken eine höhere Impedanz als Wasser aufweisen, wirkt das Wasser als ein Leiter für die elektrischen Felder, die von den Berührungsflecken erzeugt werden. Somit folgen die elektrischen Felder dem Pfad des geringsten Widerstands, d. h. dem Wasser. Als Folge des Hochimpedanz-Entwurfs kann auch eine statische Elektrizität bewirken, dass das Berührungsfeld eine Fehlfunktion ausführt. Wegen der hohen Impedanz des Berührungsfleckens wird verhindert, dass sich die statische Elektrizität schnell verteilt.
Existierende Berührungsfeldentwürfe weisen auch den Nachteil von Problemen im Zusammenhang mit einem Nebensprechen zwischen benachbarten Berührungsflecken auf. Das Nebensprechen tritt auf, wenn das von einem Berührungsflecken erzeugte elektrische Feld sich mit dem von einem benachbarten Berührungsflecken erzeugten Feld stört, was zu einer fehlerhaften Aktivierung führt, beispielsweise einer Aktivierung des falschen Berührungsfleckens oder einer Aktivierung von zwei Flecken gleichzeitig.
Bekannte Berührungsfeldentwürfe stellen einzelne Flecken bereit, die passiv sind. Keine aktiven Komponenten sind in nächster Nähe zu den Berührungsflecken angeordnet. Anstelle davon verbinden Zuleitungen jeden passiven Berührungsflecken mit dem aktiven Erfassungs-Schaltkreis. Die Berührungsflecken-Zuleitungen weisen unterschiedliche Längen in Abhängigkeit von dem Ort des Berührungsfleckens in bezug auf den Erfassungs-Schaltkreis auf. Ferner weisen die Zuleitungen unterschiedliche Formen in Abhängigkeit von dem Verzweigungspfad der Leitung auf. Die Unterschiede in der Zuleitungslänge und Form bewirken, dass der Signalpegel auf jeder Leitung auf ein unterschiedliches Ausmaß gedämpft werden. Zum Beispiel kann eine lange Zuleitung mit vielen Ecken das Erfassungssignal wesentlich stärker als eine kurze Zuleitung mit wenigen Ecken dämpfen. Deshalb verändert sich das Signal, welches von dem Erfassungs-Schaltkreis empfangen wird, beträchtlich zwischen einzelnen Flecken. Demzufolge muss der Erfassungs-Schaltkreis ausgelegt werden, um große Differenzen in dem Signalpegel auszugleichen.
Viele existierende Berührungsfelder verwenden eine Masseverbindungs-Mechanismus, beispielsweise einen Masseverbindungsring, in nächster Nähe zu jedem Berührungsflecken. Diese Masseverbindungs-Mechanismen stellen zusätzliche Elemente dar, die in der Nähe jedes Berührungsfleckens positioniert und dort angebracht werden müssen, wodurch die Komplexität des Berührungsfelds erhöht wird. Ferner erfordern bestimmte Masseverbindungs-Mechanismen eine unterschiedliche Konfiguration für jeden einzelnen Berührungsflecken, um die Differenz in den Signalpegeln zu minimieren, die an dem Erfassungs-Schaltkreis dargeboten werden. Deshalb wird eine zusätzliche Entwurfszeit benötigt, um die verschiedenen Masseverbindungs-Mechanismen zu entwerfen.
Die GB-A-1529862 offenbart einen Näherungsschalter mit Elektroden auf einer Seite einer Platte, die auf einen Kontakt ansprechen, der mit der gegenüberliegenden Seite der Platte gemacht wird.
Die FR-A-2326083 offenbart einen Näherungsschalter mit kapazitiv gekoppelten Elektroden, die auf den Druck eines Körpers empfindlich sind und betreibbar sind, um ein Ausgangsimpulssignal zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Steuern einer gesteuerten Einrichtung vorgesehen, wie im Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung löst die voranstehend erwähnten Probleme im Zusammenhang mit existierenden Berührungsfeld-Konstruktionen durch Bereitstellen eines aktiven Niederimpedanz-Berührungssensors, der an nur einer Seite eines dielektrischen Substrats angebracht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet einen Berührungssensor mit einem ersten leitenden Elektrodenflecken und einer zweiten leitenden Elektrode, die im Wesentlichen die erste Elektrode in einer voneinander beabstandeten Beziehung umgibt. Der erste Elektrodenflecken weist eine geschlossene, kontinuierliche geometrische Form mit einer Fläche auf, die eine wesentliche Kontaktabdeckung durch ein menschliches Gliedmaß bereitstellt. Beide Elektroden sind an der gleichen Oberfläche des Substrats angebracht. Eine aktive elektrische Komponente ist in nächster Nähe zu den Elektroden angeordnet.
Der erfindungsgemäße Berührungsflecken kann anstelle von existierenden Berührungsflecken verwendet werden oder herkömmliche Schalter ersetzen. Der Berührungsflecken wird aktiviert, wenn ein Benutzer das Substrat mit einem menschlichen Gliedmaß kontaktiert, beispielsweise einer Fingerspitze. Die Berührungsflecken können verwendet werden, um eine Einrichtung ein- oder auszuschalten, eine Temperatur einzustellen, eine Uhr oder einen Zeitgeber einzustellen, oder irgendeine andere Funktion, die von einem herkömmlichen Schalter ausgeführt wird. Zusätzlich zu der Lösung der Probleme im Zusammenhang mit existierenden Berührungsfleckenentwürfen ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich bei Anwendungen, die gegenwärtig Schalter des Membrantyps verwenden, wie bei Fotokopierern und Faxmaschinen. Der erfindungsgemäße Berührungsfleckenentwurf arbeitet in geeigneter Weise mit Flüssigkeiten, die auf dem Substrat vorhanden sind, und bei Anwesenheit von statischer Elektrizität. Der Berührungsflecken eignet sich gut zur Verwendung in einer Küche oder einer anderen Umgebung, in der Wasser, Fett und andere Flüssigkeiten üblich sind, beispielsweise als Steuerfelder für Bereiche, Öfen und eingebaute Kochstellen.
In der bevorzugten Ausführungsform sind Berührungsfleckenelektroden an der hinteren Oberfläche eines Substrats angebracht. Die hintere Oberfläche des Substrats ist gegenüberliegend zu der vorderen oder "berührten" Oberfläche, wodurch ein Kontakt der Elektroden durch den Benutzer verhindert wird. Da der Berührungsflecken nicht auf der vorderen Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wird der Flecken durch eine Verkratzung, Reinigungslösungsmittel oder irgendwelchen anderen Verunreinigungen, die die vordere Oberfläche des Substrats kontaktieren, nicht beschädigt. Ferner werden die Kosten und die Komplexität des Berührungsfelds verringert, da ein TAO-Flecken auf der vorderen Oberfläche des Substrats nicht benötigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Strobe-Leitung elektrisch mit der äußeren Elektrode verbunden und liefert ein Strobe-Signal (oder Wähl-Signal) an die äußere Elektrode. Ein Strobe-Signal, welches an die Stobe-Leitung angelegt wird, erzeugt ein elektrisches Feld zwischen der äußeren Elektrode und der Mittenelektrode. Die elektrischen Feldpfade sind entgegengesetzt zueinander, wodurch die Möglichkeit von Nebensprechen zwischen benachbarten Flecken verringert wird. Der elektrische Feldpfad ist bogenförmig und erstreckt sich durch das Substrat und an der vorderen Oberfläche vorbei. Eine Erfassungsleitung ist an dem Substrat in der Nähe des Berührungsfleckens angebracht und führt ein Erfassungssignal von dem Berührungsflecken an eine Spitzendetektorschaltung. Der Erfassungssignalpegel wird verändert, wenn das Substrat von einem Benutzer berührt wird.
In der bevorzugten Ausbildung ist eine aktive elektrische Komponente, beispielsweise ein auf der Oberfläche angebrachter Transistor, an jedem Berührungsflecken angebracht. Vorzugsweise ist der Transistor zwischen die Erfassungsleitung, die Mittenelektrode und die äußere Elektrode jedes Fleckens geschaltet. Der Transistor dient zum Verstärken und Puffern des Erfassungssignals an dem Berührungsflecken, wodurch der Unterschied in dem Signalpegel zwischen einzelnen Berührungsflecken als Folge der unterschiedlichen Zuleitungslängen und Zuleitungs-Verzweigungspfade verringert wird. Deshalb wird der Unterschied in den Spannungspegeln von einem Flecken zu dem nächsten stark verringert, wodurch zwischen sämtlichen Berührungsflecken eine gleichförmigere Erfassungsspannung bereitgestellt wird.
Eine Vielzahl von Berührungsflecken können auf dem Substrat in einer Matrix angeordnet sein. Unter Verwendung einer Matrixkonfiguration wird das Strobe-Signal an eine bestimmte Spalte von Berührungsflecken angelegt, während die Erfassungsleitung für eine bestimmte Zeile von Berührungsflecken überwacht wird. Durch Anlegen des Strobes an eine Spalte von Flecken und durch Überwachen der Erfassungsleitung von einer Zeile von Flecken wird ein bestimmter Flecken gewählt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Berühungsflecken, betrachtet von der hinteren Oberfläche des Substrats, wobei der Transistor und ein Widerstand entfernt ist;
2 eine Seitenquerschnittsansicht des Berührungsfleckens und des Substrats, wobei der Transistor und der Widerstand entfernt sind;
3 die gleiche Ansicht wie diejenige, die in 1 gezeigt ist, wobei aber der Transistor und der Widerstand angebracht sind;
4 die gleiche Ansicht wie diejenige, die in 2 gezeigt ist, wobei aber der Transistor und der Widerstand angebracht sind;
5 eine elektrische schematische Darstellung des in 3 gezeigten Berührungsfleckens;
6 eine Matrix von Berührungsflecken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, betrachtet von der hinteren Oberfläche des Substrats, wobei die Transistoren und Widerstände entfernt sind;
7 eine Seitenquerschnittsansicht von drei benachbarten Berührungsflecken, die an einem Substrat angebracht sind;
8 die Strobe-Signalwellenform;
9 die Wellenform des Erfassungssignals auf der Erfassungsleitung;
10 die Wellenform des Spitzendetektor-Ausgangssignals, wenn der Berührungsflecken gerade nicht berührt wird;
11 die Wellenform des Spitzendetektor-Ausgangssignals, wenn ein Benutzer den Berührungsflecken kontaktiert;
12 ein Blockdiagramm der Steuerschaltung für eine Matrix von Berührungsflecken;
13 eine elektrische schematische Darstellung der in 11 gezeigten Spitzendetektorschaltung; und
14A und 14B ein Flussdiagramm, welches ausführlich den Betrieb des Mikroprozessors darstellt, wenn eine Matrix von Berührungsflecken überwacht wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt einen einzelnen Berührungsflecken, der an einem dielektrischen Substrat 10 angebracht ist. Das Substrat 10 weist eine im wesentlichen gleichförmige Dicke auf und kann aus irgendeinem Typ von dielektrischem Material, beispielsweise Glas, Keramik oder Plastik, hergestellt werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 10 aus Glas hergestellt und weist eine gleichförmige Dicke von ungefähr 3 mm auf. Die Dicke des Substrats 10 ändert sich mit der bestimmten Anwendung, so dass ein dickeres Substrat verwendet wird, wenn eine zusätzliche Stärke benötigt wird. Wenn das Substrat 10 aus Glas hergestellt wird, kann das Substrat so dünn wie ungefähr 1,1 mm und so dicke wie ungefähr 5 mm sein. Wenn das Substrat 10 aus Plastik hergestellt wird, kann das Substrat weniger als 1 mm dick sein, ähnlich wie das Material, das in Plastikmembranschaltern verwendet wird. Ein dünnes Substrat 10 kann ermöglichen, dass der Berührungsflecken durch einen Benutzer betätigt wird, der einen Handschuh oder ein Gewebe trägt.
Das Substrat 10 weist eine vordere Oberfläche 12 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 14 (wie in 2 gezeigt) auf. Ein Benutzer aktiviert den Berührungsflecken durch Berühren der vorderen Oberfläche 12 des Substrats 10. Der Berührungsflecken umfasst einen dünnen leitenden Mittenelektrodenflecken 16 und eine dünne leitende äußere Elektrode 18, die im wesentlichen die Mittenelektrode umgibt. Ein Kanal 20 ist zwischen der Mittelelektrode 16 und der äußeren Elektrode 18 angeordnet. Die Elektroden 16 und 18 sind so positioniert, dass der Kanal 20 eine im wesentlichen gleichförmige Breite aufweist.
Vorzugsweise weist die Mittelelektrode 16 derartige Dimensionen auf, dass die Elektrode im wesentlichen von einer Fingerspitze oder einem anderen Gliedmaß abgedeckt wird, wenn sie berührt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Mittelelektrode 16 quadratisch und die äußere Elektrode 18 weist eine quadratische Form auf, die mit der Form der Mittelelektrode übereinstimmt. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass verschiedene geschlossene kontinuierliche geometrische Formen ebenfalls für die Mittelelektrode verwendet werden können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Rechtecke, Trapezoide, Kreise, Ellipsen, Dreiecke, Sechsecke und Achtecke. Unabhängig von der Form der Mittelelektrode 16 umgibt die äußere Elektrode 18 im wesentlichen die Mittelelektrode linear in einer beabstandeten Beziehung und der Kanal 20 weist eine im allgemeinen gleichförmige Breite auf.
Vorzugsweise ist die Mittelelektrode 16 ein fester Leiter. Jedoch kann die Mittelelektrode 16 auch eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen oder ein Netz- oder Gittermuster aufweisen. Es ist wichtig, dass die Mittelelektrode 16 eine Vielzahl von elektrischen Kontaktpunkten in im wesentlichen der gleichen Ebene und mit dem gleichen elektrischen Potential aufweist.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Strobe-Leitung 22 mit der äußeren Elektrode 18 verbunden. Die Strobe-Leitung 22 stellt ein Strobe-Signal (in 8 gezeigt) an der äußeren Elektrode 18 bereit. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Strobe-Signal eine Rechteckwelle, die zwischen 0 und +5 Volt bei einer Frequenz zwischen 100 kHz und 200 kHz oszilliert. Alternativ kann das Strobe-Signal eine Frequenz von kleiner als 100 kHz oder größer als 200 kHz aufweisen, in Abhängigkeit von dem verwendeten Erfassungs-Schaltkreis. Ferner kann das Strobe-Signal zwischen 0 und +3 Volt, 0 und +12 Volt, 0 und +24 Volt, –5 Volt und +5 Volt oder irgendeinem anderen Spannungsbereich oszillieren, in Abhängigkeit von der Spannung, die direkt von der Einrichtung verfügbar ist, die gerade gesteuert wird.
Das Strobe-Signal weist eine steil ansteigende Flanke (wie in 8 gezeigt) auf, die einen Unterschied in dem elektrischen Potential zwischen der äußeren Elektrode 18 und der inneren Elektrode 16 verursacht. Diese Differenz im Potential zwischen den Elektroden 16 und 18 verursacht ein bogenförmiges elektrisches Feld zwischen den Elektroden, wie mit den gestrichelten Linien in 2 gezeigt. Das elektrische Feld erstreckt sich durch das Substrat 10 und an der vorderen Oberfläche 12 vorbei.
Obwohl in 2 nicht gezeigt, folgt das elektrische Feld zwischen den Elektroden 16 und 18 einem ähnlichen bogenförmigen Pfad von dem Substrat 10 weg anstelle durch das Substrat. Dieser Pfad ist ein Spiegelbild der in 2 gezeigten gestrichelten Linien, die sich nach unten anstelle nach oben erstrecken.
Wie in 2 gezeigt, werden die elektrischen Felder entgegengesetzt zueinander erzeugt. Zum Beispiel ergeben sich die zwei Feldpfade, die in 2 gezeigt sind, von der Elektrode 18, an gegenüberliegenden Seiten des Fleckens. Da die Feldpfade jeweils an der Mittelelektrode 16 enden, bewegen sich die Pfade aufeinander zu. Somit gehen sämtliche Feldpfade von der äußeren Elektrode 18 aus und bewegen sich nach innen in Richtung auf die Mittelelektrode 16 hin.
Wieder bezugnehmend auf 1 ist eine Erfassungsleitung 24 an einem Substrat 10 benachbart zu einer äußeren Elektrode 18 angebracht. Die Erfassungsleitung 24 führt ein Erfassungssignal von dem Berührungsflecken an den Rest des Erfassungs-Schaltkreises, der nachstehend erläutert wird.
Wie in 3 gezeigt, sind ein an der Oberfläche angebrachter Transistor 26 und ein an der Oberfläche angebrachter Widerstand 28 elektrisch mit dem Berührungsflecken verbunden. Der Widerstand 28 ist zwischen die Mittelelektrode 16 und die äußere Elektrode 18 geschaltet. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Widerstand 28 einen Wert von 10 K Ohm auf, wodurch eine relativ niedrige Entladungseingangsimpedanz für den Berührungsflecken bereitgestellt wird.
Der Transistor 26 ist zwischen die Mittelelektrode 16, die äußere Elektrode 18 und die Erfassungsleitung 24 geschaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Transistor 26 ein PNP-Transistor, beispielsweise ein 2N3086. Die Basis des Transistors 26 ist mit der inneren Elektrode 16 verbunden, der Transistoremitter ist mit der äußeren Elektrode 18 verbunden und der Transistorkollektor ist mit der Erfassungsleitung 24 verbunden. Der Transistor 26 stellt eine Verstärkung und Pufferung des Erfassungssignals direkt an den Berührungsflecken bereit. Alternativ kann ein NPN-Transistor, ein MOSFET oder eine andere aktive elektrische Komponente, die triggerbar ist, anstelle eines PNP-Transistors verwendet werden.
5 zeigt schematisch ein Modell der Verbindung des Transistors 26 und des Widerstands 28 mit dem Berührungsflecken. Die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 16 und 18 ist in 5 als ein Kondensator dargestellt, wobei ein Widerstand 28 parallel zu dem Kondensator geschaltet ist. Der Widerstand 28 dient zum Entladen des Kondensators, der durch die Elektroden 16 und 18 gebildet wird. Der Kondensator 27 stellt die parasitäre Kapazität und die Ergebnisse eines Kontakts von einem Benutzer dar. Der Kondensator 21 stellt die parasitäre Kapazität auf der Strobe-Leitung 22 dar. Der Kondensator 23 stellt die parasitäre Kapazität auf der Erfassungsleitung 24 dar. Ein Widerstand 25 kann verwendet werden, um Differenzen in Beta-Werten zwischen verschiedenen Transistoren auszugleichen und Differenzen in den Transistorbetriebscharakteristiken auf Grundlage der Temperatur auszugleichen. Jedoch weist in der bevorzugten Ausführungsform der Widerstand 25 einen Wert von 0 Ohm auf, d. h. kein Widerstand 25 wird verwendet.
In der bevorzugten Ausführungsform sind Elektroden 16 und 18, eine Strobe-Leitung 22 und eine Erfassungsleitung 24 an einem flexiblen Träger angebracht, der aus einem Polyestermaterial gebildet ist, beispielsweise Consolidated Graphics Nr. HS-500, Typ 561, Grad 2, mit einer Dicke von 0,005 Inch. Die Elektroden 16 und 18, die Strobe-Leitung 22 und die Erfassungsleitung 24 werden unter Verwendung einer leitenden Silbertinte gebildet, beispielsweise Acheson Nr. 427 SS mit einer Dicke von 0,5 Mill. Der Transistor 26 und der Widerstand 28 werden dann an den Elektroden und Leitungen angebracht. Eine dielektrische Schicht wird über den Elektroden angebracht und dient zum Schutz der leitenden Oberfläche. Vorzugsweise ist das Dielektrikum Achison Nr. ML25089 mit einer Dicke von 1,5 Mill. Der flexible Träger wird dann an dem Substrat 10 unter Verwendung eines Klebemittels wie 3 M Nr. 467 gebondet. Der flexible Träger kann ausgehärtet und verwunden werden, um der Form des Substrats 10 angepasst zu sein.
Alternativ können Elektroden 16 und 18, eine Strobe-Leitung 22 und die Erfassungsleitung 24 direkt an dem Substrat 10 angebracht werden. Der Transistor 26 und der Widerstand 28 werden dann an den Elektroden 16 und 18 und der Erfassungsleitung 24 angebracht.
Bezugnehmend auf 6 wird eine Matrix aus Berührungsflecken an dem Substrat 10 angebracht. Jeder Berührungsflecken in der Matrix weist die gleiche Konfiguration wie der einzelne Flecken, der voranstehend diskutiert wurde, auf. Ferner enthält jeder Berührungsflecken einen Transistor 26 und einen Widerstand 28, wie voranstehend beschrieben. Die Berührungsflecken sind in Zeilen und Spalten angeordnet und an dem Substrat 10 angebracht. Jeder Berührungsflecken an einer bestimmten Spalte ist mit einer gemeinsamen Strobe-Leitung 22 verbunden. Jeder Berührungsflecken in einer bestimmten Zeile ist mit einer gemeinsamen Erfassungsleitung 24 verbunden. Somit gibt es keine zwei Berührungsflecken, die mit der gleichen Kombination von Strobe-Leitung 22 und Erfassungsleitung 24 verbunden sind.
Obwohl 6 eine bestimmte Anordnung der Berührungsfeld-Matrix darstellt, sei darauf hingewiesen, dass irgendeine Anzahl von Berührungsflecken in irgendeinem Muster in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung angeordnet werden können. Die Berührungsflecken müssen nicht in Zeilen und Spalten angeordnet werden. Anstelle davon können die Berührungsflecken zufällig auf dem Substrat platziert oder in einer kreisförmigen oder diagonalen Weise angeordnet werden. Die Anzahl von Berührungsflecken, die an einem Substrat angebracht werden können, ist nur durch die Größe des Substrats begrenzt.
Bezugnehmend auf 7 sind drei benachbarte Berührungsfelder gezeigt, die an dem Substrat 10 angebracht sind. Das elektrische Feld, das zu jedem Berührungsflecken gehört, ist mit gestrichelten Linien gezeigt. Wie mit dem einzelnen Berührungsflecken voranstehend beschrieben, geht der elektrische Feldpfad von der äußere Elektrode 18 aus und folgt einem bogenförmigen Pfad nach außen durch das Substrat 10 zurück in Richtung auf die Mittelelektrode 16 hin. Da das elektrische Feld, das von jedem Berührungsflecken erzeugt wird, in Richtung auf die Mitte des Fleckens gerichtet ist, sind die elektrischen Felder von benachbarten Flecken entgegengesetzt zueinander, d. h. sie bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen. Somit gibt es eine verringerte Möglichkeit eines Nebensprechens zwischen benachbarten Flecken.
In einer alternativen Ausführungsform umgibt die äußere Elektrode 18 die Mittenelektrode 16 im Wesentlichen nicht. Ein wichtiges Merkmal der Anordnung der Elektroden 16 und 18 ist die Erzeugung von entgegengesetzten elektrischen Feldern. Somit wird ein entgegengesetztes elektrisches Feld nur benötigt, wo ein angrenzender Berührungsflecken existiert. Wenn zum Beispiel drei Berührungsfelder auf einem Substrat in einer linearen Anordnung positioniert werden, sind äußere Elektroden 16 zwischen angrenzenden Flecken angeordnet. Wenn der mittlere Flecken in der Dreiflecken-Anordnung angrenzende Flecken links und rechts aufweist, wird sich eine äußere Elektrode 18 auf der linken und rechten Seite des mittleren Fleckens befinden. Da sich jedoch kein angrenzender Flecken oberhalb oder unterhalb des mittleren Fleckens befindet, gibt es keine Möglichkeit eines Nebensprechens oberhalb oder unterhalb des mittleren Fleckens. Deshalb wird eine äußere Elektrode 18 oberhalb oder unterhalb des mittleren Fleckens nicht benötigt. In ähnlicher Weise weisen die zwei Endflecken in der Dreiflecken-Anordnung einen angrenzenden Berührungsflecken auf jeder Seite auf und benötigen deshalb eine äußere Elektrode 18 nur auf der einzelnen angrenzenden Seite.
Bezugnehmend auf 12 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung für eine Matrix von Berührungsflecken gezeigt. Ein Oszillator 30 erzeugt eine Rechteckwelle auf der Leitung 32, die als das Strobe-Signal dient. Ein Demultiplexer 34 empfängt das Strobe-Signal von dem Oszillator 30. Ein Mikroprozessor 36, beispielsweise ein Motorola MC68HC05P9, erzeugt eine Strobe-Adresse, die an dem Demultiplexer 34 auf der Leitung 38 bereitgestellt wird. Die Strobe-Adresse veranlasst den Demultiplexer 34 eine von mehreren Ausgangsleitungen zu wählen, die das Strobe-Signal empfängt. Jede Ausgangsleitung von dem Demultiplexer 34 ist mit einer Strobe-Leitung 22 für eine bestimmte Spalte von Berührungsflecken verbunden. Somit wird der Ausgang von dem Oszillator 30 über den Demultiplexer 34 mit der Strobe-Leitung 22 für eine bestimmte Spalte von Berührungsflecken verbunden.
Der Mikroprozessor 36 erzeugt auch eine Erfassungsadresse, die an dem Multiplexer 46 auf der Leitung 48 bereitgestellt wird. Die Erfassungsadresse veranlasst den Multiplexer 46 eine von mehreren Eingangsleitungen zu wählen, die als die Erfassungsleitung überwacht werden wird. Jede Eingangsleitung stellt die Erfassungsleitung 24 für eine bestimmte Zeile von Berührungsflecken dar. Somit kann ein bestimmter Berührungsflecken in der Matrix selektiv durch ein "Strobing" (Anwählen) einer Spalte von Flecken und eine "Erfassung" einer Zeile von Flecken selektiv überwacht werden. Alternativ kann die Matrix von Berührungsflecken so angeordnet sein, dass eine Überwachung durch ein "Strobing" einer Zeile von Flecken und eine "Erfassung" einer Spalte von Flecken erreicht wird.
Die Erfassungsleitung 24, die von dem Multiplexer 46 gewählt wird, ist mit einer Spitzendetektor- und Verstärkerschaltung 52 unter Verwendung einer Leitung 50 verbunden. Der Ausgang der Schaltung 52 wird an dem Mikroprozessor 36 auf der Leitung 54 bereitgestellt. In Abhängigkeit von dem Signal, das von der Schaltung 52 empfangen wird, bestimmt ein Algorithmus, der auf dem Mikroprozessor 36 läuft, ob eine gesteuerte Einrichtung 58 aktiviert, deaktiviert oder eingestellt werden sollte.
Die Spitzendetektor- und Verstärkerschaltungen, die in 13 gezeigt sind, werden entweder in einem Einzelberührungsfleckenentwwf oder einem Mehrfachberührungsfleckenentwurf verwendet, z. B. einer Matrix von Berührungsflecken. Der linke Abschnitt der 13 stellt die Spitzendetektorschaltung dar und der rechte Abschnitt der 13 stellt die Verstärkerschaltung dar. Das Erfassungssignal wird von der Erfassungsleitung 24 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 64 geführt. Ein Widerstand 62 ist zwischen die Erfassungsleitung 64 und Masse geschaltet. Vorzugsweise weist der Widerstand 62 einen Wert von 10 K Ohm auf. Ein Heraufzieh-Widerstand 66 ist zwischen +5 Volt und den Ausgang des Operationsverstärkers 64 geschaltet. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Widerstand 66 einen Wert von 10 K Ohm auf. Der Ausgang des Operationsverstärkers 64 ist über eine Diode 67 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 64 verbunden. Ein Widerstand 68 und ein Kondensator 70 sind parallel zwischen Masse und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 64 geschaltet. Vorzugsweise ist der Typ der Operationsverstärker 64 und 72 LM339.
Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 72 empfängt das Ausgangssignal von der Spitzendetektorschaltung. Ein Heraufzieh-Widerstand 74 (Pull-Up-Widerstand) ist zwischen +5 Volt und den Ausgang 82 des Operationsverstärkers 72 geschaltet. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Widerstand 74 einen Wert von 10 K Ohm auf. Der Ausgang 82 ist über einen Widerstand 78 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 72 verbunden. Ein Widerstand 76 ist zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 72 und Masse geschaltet. Ein Kondensator 80 ist zwischen den Ausgang 82 und Masse geschaltet.
Der Wert der Widerstände 76 und 78 bestimmt den Grad einer Verstärkung durch die Verstärkerschaltung. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Widerstand 76 einen Wert von 66 K Ohm auf und der Widerstand 78 weist einen Wert von 100 K Ohm auf. Wenn ein unterschiedlicher Grad einer Verstärkung gewünscht wird, werden unterschiedliche Werte für die Widerstände 76 und 78 verwendet, wie Durchschnittsfachleuten bekannt ist. Ferner kann der Erfassungs-Schaltkreis verwendet werden, der die Verwendung eines Verstärkers, der mit dem Spitzendetektorausgang verbunden ist, nicht benötigt. Eine derartige Erfassungsschaltung ist Durchschnittsfachleuten bekannt.
Im Betrieb wird der Berührungsflecken aktiviert, wenn ein Benutzer das Substrat 10 kontaktiert. Der Berührungsflecken wird einen Kontakt durch eine Fingerspitze oder ein anderes Gliedmaß erfassen, die/das eine ausreichende Unterbrechung des elektrischen Felds verursacht, beispielsweise ein Knöchel, ein Handballen oder ein Ellbogen.
Das in 8 gezeigte Strobe-Signal wird an die Strobe-Leitung 22 angelegt, die mit der äußeren Elektrode 18 verbunden ist. Vorzugsweise weist das Strobe-Signal eine Anstiegszeit von ungefähr 7 ns auf. Jedoch können auch Anstiegszeiten bis zu 110 ns verwendet werden. Schnellere Anstiegszeiten, wie 7 ns, stellen niedrigere Eingangsimpedanzen bereit und werden deshalb bevorzugt. Das Strobe-Signal erzeugt ein elektrisches Feld an dem Berührungsflecken, wie voranstehend beschrieben. Wenn das Substrat 10 nicht mehr berührt wird, ist die in 9 gezeigte Wellenform auf der Erfassungsleitung 24 vorhanden. Die Anstiegsflanke von jedem Strobe-Signalimpuls schaltet den Transistor 26 ein, was den Transistor veranlasst, einen Basisstrom zu ziehen. Der von den Elektroden 16 und 18 gebildete Kondensator entlädt sich dann über den Widerstand 28, bis der nächste Impuls ankommt.
Der Basisstrom des Transistors 26 wird durch die Gleichung I_B = C(dV/dT) bestimmt, wobei I_B der Basisstrom ist, C die Kapazität des Berührungsfleckens ist, und dV/dT die Änderung in der Spannung über der Zeit ist. Die Änderung in der Spannung über der Zeit wird durch die Änderung in dem Spannungspegel des Oszillations-Strobe-Signals erzeugt. Wenn ein Benutzer den Berührungsflecken, der von den Elektroden 16 und 18 gebildet wird, berührt, wird die kapazitive Ladung des Berührungsfleckens verringert, während die kapazitive Ladung des parasitären Kondensators 27 erhöht wird.
Der Transistor 26 verstärkt und puffert das Erfassungssignal an jedem Berührungsflecken. Dies verringet den Unterschied im Signalpegel zwischen Berührungsflecken, verursacht durch unterschiedliche Zuleitungslängen und Zuleitungs-Verzweigungspfade. Durch Bereitstellen eines gleichförmigeren Erfassungssignalpegels ist eine größere Verstärkung möglich, während der Signalpegel zwischen 0 und +5 Volt aufrechterhalten wird.
Die in 9 gezeigte Wellenform wird auf die in 13 gezeigte Spitzendetektorschaltung angewendet. Der Ausgang des Spitzendetektors ist, wenn er gerade nicht berührt wird, in 10 gezeigt. Der Ausgang des Spitzendetektors, wenn er gerade von einem Benutzer berührt wird, ist in 11 gezeigt. Wie in den 10 und 11 gezeigt, weist die Wellenform die gleiche Form, aber eine unterschiedliche Amplitude auf. Wenn somit ein Benutzer den Berührungsflecken berührt, wird der Ausgang des Spitzendetektors verändert.
Wenn eine Matrix von Berührungsflecken verwendet wird, wird eine Steuerschaltung (wie in 12 gezeigt) verwendet, um selektiv jeden Berührungsflecken in der Matrix zu überwachen. Der Mikroprozessor 36 wählt sequentielle jede Strobe-Leitung 22 und jede Erfassungsleitung 24 durch Senden der geeigneten Strobe-Adresse und Erfassungsadresse an den Demultiplexer bzw. Multiplexer. Jede Erfassungsleitung 24 wird von dem Spitzendetektor 52 überwacht, der das Erfassungssignal verstärkt und dieses an den Mikroprozessor 36 überträgt.
Die 14a und 14b zeigen ein Flussdiagramm für ein Programm, das eine Matrix von Berührungsflecken überwacht. Das Programm überwacht jeweils einen Berührungsflecken und scannt sequentiell sämtliche Berührungsflecken in der Matrix. Das Programm beginnt im Block 100, wenn ein Interrupt empfangen wird. Der Schritt 102 überprüft, um zu bestimmen, ob das System gerade eingeschaltet worden ist (ein Kaltstart vorgenommen worden ist) oder nicht. Wenn für das System gerade ein Kaltstart durchgeführt wird, initialisiert der Schritt 104 sämtliche Variablen und der Schritt 106 setzt die Strobe- und Erfassungs-Zähler zurück.
Wenn für das System kein Kaltstart durchgeführt worden ist, dann liest der Schritt 108 den Erfassungssignalpegel aus. Als nächstes bestimmt der Schritt 110, ob die durchschnittlichen Werte initialisiert worden sind. Ein durchschnittlicher Spannungspegel wird für jeden Berührungsflecken gespeichert, um den durchschnittlichen "nicht-berührten" Erfassungssignalpegel zu bestimmen.
Wenn die durchschnittlichen Werte initialisiert worden sind, dann springt das Programm zum Schritt 114, um den Unterschied zwischen dem durchschnittlichen Erfassungssignalpegel und dem gegenwärtigen Erfassungssignalpegel zu bestimmen. Wenn die durchschnittlichen Werte nicht initialisiert worden sind, dann wird der gegenwärtige Erfassungssignalpegel als der Durchschnittswert für den bestimmten Flecken, der gerade überwacht wird, gespeichert.
Wenn im Schritt 116 der gegenwärtige Erfassungssignalpegel kleiner als der durchschnittliche Wert ist, dann verzweigt sich das Programm zum Schritt 128. Wenn im Schritt 128 das Durchschnittsflag gesetzt ist, dann wird das Durchschnittsflag dekrementiert. Das Durchschnittsflag zeigt an, ob das bestimmte Signal gemittelt werden wird oder nicht. Da nur "nicht-berührte" Signale gemittelt werden, wird das Durchschnittsflag nur gesetzt sein, wenn eine "nicht-berührte" Bedingung erfasst wird. Nach Dekrementieren des Durchschnittswerts wird der Fleckenstatus auf inaktiv (nicht-berührt) im Schritt 126 gesetzt.
Wenn im Schritt 116 der gegenwärtige Erfassungssignalpegel nicht kleiner als der Durchschnittswert ist, dann bestimmt der Schritt 118, ob die Differenz größer als ein vorgegebener Sollpunkt ist. Der Sollpunkt ist ein Schwellendifferenzpegel, der erreicht werden muss, um eine "berührte" Bedingung anzuzeigen. Wenn die Differenz größer als der Sollpunkt ist, dann wird der Fleckenstatus auf aktiv (berührt) im Schritt 120 eingestellt.
Wenn die Differenz im Schritt 118 nicht größer als der Sollpunkt ist, dann verzweigt sich das Programm zum Schritt 112, um zu bestimmen, dass das Durchschnittsflag gesetzt ist. Wenn das Durchschnittsflag nicht gesetzt ist, dann verzweigt sich das Programm zum Schritt 126 und setzt den Fleckenstatus auf inaktiv (nicht-berührt). Wenn das Durchschnittsflag gesetzt ist, dann wird der Durchschnittswert im Schritt 124 inkrementiert und der Fleckenstatus wird im Schritt 126 auf inaktiv gesetzt.
Im Schritt 132 bestimmt das Programm, ob die letzte Strobe-Leitung gerade erfasst wird. Wenn die gegenwärtige Strobe-Leitung, die gerade erfasst wird, nicht die letzte Strobe-Leitung ist, dann wird der Strobe-Zeiger im Schritt 134 inkrementiert und springt zum Schritt 158, wo eine neue Strobe-Adresse und Erfassungs-Adresse gewählt wird. Wenn die gegenwärtige Strobe-Leitung, die gerade erfasst wird, die letzte Strobe-Leitung ist, dann wird der Strobe-Zeiger im Schritt 136 zurückgesetzt. Im Schritt 138 bestimmt das Programm, ob die gegenwärtige Erfassungsleitung die letzte Erfassungsleitung ist. Wenn nicht, inkrementiert der Schritt 140 den Erfassungs-Zeiger und springt zum Schritt 158.
Wenn die gegenwärtige Erfassungsleitung die letzte Erfassungsleitung ist, dann ist ein vollständiger Scanvorgang der Matrix abgeschlossen worden und der Schritt 142 setzt den Erfassungs-Zeiger zurück. Der Schritt 144 löscht das Durchschnittsflag und der Schritt 146 inkrementiert den Durchschnittsflag-Zähler. Wenn der Schritt 148 bestimmt, dass der Durchschnittsflag-Zähler nicht voll ist, dann verzweigt sich das Programm zum Schritt 154. Wenn der Durchschnittsflag-Zähler voll ist, dann wird der Zähler im Schritt 150 zurückgesetzt und das Durchschnittsflag wird im Schritt 152 gesetzt.
Im Schritt 154 wird der Status des Berührungsfleckens, der gerade überwacht wird, von dem Mikroprozessor an den restlichen Steuer-Schaltkreis ausgegeben. Der Schritt 156 setzt sämtliche Variablen zurück, wobei verursacht wird, dass das Programm einen Scanvorgang an dem Beginn der Matrix beginnt. Nachdem sämtliche Variablen zurückgesetzt worden sind, wählt der Schritt 158 die neue Strobe-Leitung und die Erfassungs-Leitung, die überwacht werden sollen. Der Schritt 160 setzt das Programm zum Schritt 100 zurück, um auf die nächste Unterbrechung zu warten.

Claims

Vorrichtung zum Steuern einer gesteuerten Einrichtung (58) umfassend: Eine Vielzahl von Berührungsflecken (12), wobei jeder besagte Berührungsflecken angrenzend zu wenigstens einem anderen der Berührungsflecken ist, wobei jeder derartiger Berührungsflecken umfasst: ein dielektrisches Substrat (10), einen ersten, dünnen, leitenden Elektroden-(16)-Flecken der auf dem dielektrischen Substrat (10) angebracht ist, wobei die erste Elektrode (16) eine Umfangskante und eine geometrische Form mit einer Fläche aufweist, die eine wesentliche Abdeckung durch ein menschliches Gliedmaß bereitstellt; und eine zweite, dünne, leitende Elektrode (18), die auf dem dielektrischen Substrat (10) angebracht ist, wobei die zweite Elektrode (18) beabstandet ist von und angrenzend ist zu wenigstens dem Abschnitt der Umfangskante der ersten Elektrode (16), die angrenzend zu einem anderen Berührungsflecken (12) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Steuerschaltung, die mit jedem der Vielzahl von Berührungsflecken (12) und der gesteuerten Einrichtung (58) elektrisch gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung umfasst: einen Multiplexer (46); einen Demultiplexer (34); einen Mikroprozessor (36), der elektrisch mit dem Multiplexer (46), dem Demultiplexer (34) und der gesteuerten Einrichtung (58) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Berührungsflecken (12) ein aktives Element (26) einschließt, welches elektrisch mit der ersten (16) und der zweiten (18) Elektrode davon gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend eine erste Strobe-Leitung (22), die zwischen dem Demulitplexer (34) und einer ersten Gruppe der Berührungsflecken (12) elektrisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend eine erste Erfassungsleitung (24), die zwischen dem Multiplexer (46) und einer zweiten Gruppe der Berührungsflecken (12) elektrisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend eine zweite Strobe-Leitung (22), die elektrisch zwischen den Demultiplexer (34) und einer dritten Gruppe der Berührungsflecken (12) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine zweite Erfassungs-Leitung (24), die zwischen den Multiplexer (46) und einer vierten Gruppe der Berührungsflecken (12) elektrisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mikroprozessor (36) programmiert ist, um eine Anlegung eines Strobe-Signals an eine der ersten und zweiten Strobe-Leitungen (22) und dadurch an die entsprechende Gruppe von Berührungsflecken (12) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Mikroprozessor (36) programmiert ist, um eine Erfassung eines Signals zu ermöglichen, welches auf einer der ersten und zweiten Erfassungsleitungen (24) und deshalb auf der entsprechenden Gruppe von Berührungsflecken (12) vorhanden sein kann.