DE69709522T2

DE69709522T2 - Vorrichtung zur Erkennung einer Handbewegung auf einer Oberfläche, insbesondere für ein Uhrwerk

Info

Publication number: DE69709522T2
Application number: DE69709522T
Authority: DE
Inventors: Joachim Grupp; Yvan Teres; Hugues Vuilleme
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: EP0838737B1; FR2755269B1; KR19980032629A; JPH10132968A; SG71049A1; DE69709522D1; CN1160656C; FR2755269A1; US6184871B1; EP0838737A1; CN1181561A; HK1010927A1; KR100522219B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Identifizieren einer von einem Finger auf einer Oberfläche ausgeführten manuellen Bewegung, wobei sie insbesondere eine solche Vorrichtung betrifft, die eine Gesamtheit von Sensoren enthält, die vom Benutzer mit dem Finger jeweils in der Weise aktiviert werden können, daß sie eine Änderung einer elektrischen Größe hervorrufen. Eine solche Vorrichtung kann in zeitmeßtechnischen Anwendungen wie etwa einer Armbanduhr mit einer Vorrichtung zum Erkennen von auf das Uhrglas mit der Hand skizzierten Zeichen verwendet werden. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
Uhren mit einer Identifizierungsvorrichtung, wie sie oben definiert ist, sind bereits bekannt. Das Dokument EP-A-0 165 548 beschreibt eine elektronische Uhr mit einer Vorrichtung zum Erkennen von auf das Uhrglas mit der Hand skizzierten Zeichen. Auf der unteren Oberfläche des Glases ist eine Matrix von photoelektrischem Sensoren vorgesehen. Wenn ein Benutzer ein Zeichen auf die obere Oberfläche skizziert, wird die von den photoelektrischen Sensoren erfaßte Lichtintensität verändert, was somit die Erfassung der Koordinaten des übertragenen Zeichens ermöglicht. Das geschriebene Zeichen wird daraufhin gemäß den erfaßten Koordinaten erkannt. Dazu werden die jeweiligen Koordinaten der Linien, die das skizzierte Zeichen bilden, in einer Speichervorrichtung gespeichert. Diese Koordinaten werden mit den Bezugskoordinaten, die ebenfalls in der Speichervorrichtung gespeichert sind, verglichen, um diejenigen Bezugskoordinaten zu finden, die den betreffenden Koordinaten des auf das Glas geschriebenen Zeichens am ähnlichsten sind.
Wenn der Benutzer dieses Zeichen skizziert, geschieht es häufig, daß mehrere Sensoren gleichzeitig aktiviert werden. Um die Koordinaten des skizzierten Zeichens bestimmen zu können, ist es erforderlich, den Schwerpunkt der vom Benutzer gleichzeitig aktivierten Sensorgruppe zu berechnen.
Der Artikel von mm. C. Piguet und J. F. Perotto mit dem Titel "Nouvelles possibilites d'entrée des données dans une montre", Jahresbericht der Sociéte Suisse de Chronométrie (Schweizer Gesellschaft der Chronometer-Hersteller) und des Laboratoire Suisse de Recherches Horlogères (Schweizer Forschungsanstalt für Zeitmeßtechnik), Bd. 7, Nr. 4, 1978, Neuchâtel, Seiten 499-502, XP002034253 schlägt ebenfalls vor, eine Berechnung des Schwerpunkts der gleichzeitig aktivierten Sensorgruppe vorzunehmen.
Die Berechnung des Schwerpunkts weist häufig zahlreiche Nachteile auf. Zum einen ist die Datenverarbeitung, die zur Berücksichtigung der Faktoren wie etwa der geometrischen Anordnung der aktivierten Sensoren erforderlich ist, eine komplizierte Aufgabe, die der den Sensoren zugeordneten Datenverarbeitungsschaltung eine hohe Last aufbürdet und eine langsame Zeitantwort dieser Schaltung nach sich zieht. Zum anderen fehlt es dem Ergebnis dieser Berechnung häufig an Genauigkeit, was zu Fehlern bei der Erkennung von durch den Benutzer geschriebenen Zeichen führt.
Das Dokument EP-A-0 572 368 beschreibt eine Matrix von Sensoren, die so angeordnet ist, daß eine Interferenz (cross-talk) zwischen den Sensoren vermieden wird. Somit ist es möglich, die Sensoren einander anzunähern, um bei gleichem Raum mehr Sensoren zu haben. Eine solche Vorrichtung kann die Verschiebung eines Objekts relativ zur Vorrichtung bestimmen, d. h. bestimmen, ob sich das Objekt der Vorrichtung nähert oder ob es sich von dieser entfernt. Diese Vorrichtung ist jedoch für das Unterscheiden zwischen mehreren gleichzeitig aktivierten Sensoren nicht geeignet und ermöglicht folglich kein Identifizieren einer von einem Finger auf der Oberfläche der Sensoren ausgeführten manuellen Bewegung.
Das Dokument EP-A-0 289 427 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Auswertung des Bildschirmsignals eines Berührungsbildschirms. Mehrere aufeinanderfolgende abgetastete Teilbilder (wenigstens drei aufeinanderfolgende Teilbilder) des betätigten Bildschirms werden analysiert, um den Anstieg und den Fortschritt des Signalpegels von einem Teilbild zum anderen zu bestimmen. Diese System weist den Nachteil auf, sehr kompliziert und folglich teuer zu sein.
Die vorliegende Erfindung hat folglich das Hauptziel, eine Vorrichtung zum Identifizieren einer von einem Finger auf einer Oberfläche ausgeführten manuellen Bewegung zu schaffen, die zumindest teilweise die Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Die Erfindung hat außerdem das Ziel, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die einfach und effizient ist, die eine hohe Zuverlässigkeit bietet, die wenig Energie verbraucht und die für eine Verwendung in einer elektronische Uhr zweckmäßiger als die Vorrichtungen des Standes der Technik ist.
Die Erfindung hat somit eine Vorrichtung als Aufgabe, die dazu bestimmt ist, eine von einem Finger auf einer Oberfläche ausgeführte manuelle Bewegung zu identifizieren, umfassend:
- eine Gesamtheit von Sensoren, die jeweils durch den Finger in der Weise aktiviert werden können, daß sie eine Änderung einer elektrischen Größe hervorrufen, wobei diese Sensoren jeweils innerhalb einer entsprechenden Gesamtheit von bestimmten Zonen der Oberfläche angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem umfaßt:
- erste Mittel, die in einer Untergesamtheit der Sensoren, die gleichzeitig aktiviert werden, denjenigen aktivierten Sensor erfassen, der die größte Änderung der elektrischen Größe aufweist.
Dank dieser Merkmale wird die Datenverarbeitung, die erforderlich ist, um die manuelle Bewegung wie etwa das Schreiben eines Zeichens, das auf eine gegebene Oberfläche erfolgt, identifizieren zu können. Außerdem weist eine solche Vorrichtung im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen eine hohe Genauigkeit auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Zuge der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung deutlich, die ausschließlich beispielhaft gegeben wird und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erstellt wurde, worin:
- Fig. 1 eine Draufsicht einer Uhr mit einer erfindungsgemäßen Identifizierungsvorrichtung ist;
- Fig. 2 ein Schnitt der Uhr von Fig. 1 ist;
- Fig. 3 ein Schema der räumlichen Anordnung der Sensoren der Identifizierungsvorrichtung, die Teil der Uhr von Fig. 1 ist; ist;
- Fig. 4 ein Prinzipschema einer Identifizierungsvorrichtung die für die Verwendung in der Uhr von Fig. 1 bestimmt ist, zeigt;
- Fig. 5 eine detaillierte Schaltung eines Sensors sowie einen Teil der Schaltung der Identifizierungsvorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Uhr zeigt. Zunächst ist in Fig. 1 eine Uhr 1 zu erkennen, die ein Gehäuse 2, ein Armband 3, eine Krone 4, einen Glasreif 5, ein Glas 6, Stunden- und Minutenzeiger 7 und 8 und zwei numerische Anzeigevorrichtungen 9 und 10 umfaßt. Außerdem können um den Glasreif 5 oder um das Glas 6 diskrete kapazitive Sensoren, die mit 11 bis 22 bezeichnet sind, angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt der Uhr 1. In dem Gehäuse 2 ist eine elektronische Schaltung 23 angeordnet. Auf der Innenseite 24 des Glases 6 ist eine Gesamtheit von leitenden, vorzugsweise lichtdurchlässigen Elektroden angeordnet, wovon in Fig. 2 lediglich fünf dieser Elektroden, die mit K, M, S, O bzw. E bezeichnet sind, gezeigt sind. Die Elektroden K bis E sind jeweils über Leiter 25 bis 29 mit der elektronischen Schaltung 23 verbunden. Eine Batterie 30 oder eine andere Quelle für elektrische Energie ist ebenfalls in dem Gehäuse 2 angeordnet und über einen Leiter 31 mit dem positiven Pol einer elektronischen Schaltung 23 verbunden.
Jede der Elektroden K bis E bildet einen der Beläge einer Reihe von kapazitiven Sensoren, wobei der andere Belag jedes dieser kapazitiven Sensoren durch den Finger 32 des Trägers der Uhr 1 gebildet wird, wenn er die Außenfläche des Glases 6 auf einer bestimmten Zone gegenüber einer betreffenden Elektrode berührt. Der Finger 32 des Trägers ist über das Gehäuse 2, das mit dem Handgelenk des Trägers in Kontakt ist und das jeweils mit dem negativen Pol der elektronischen Schaltung 23 und der Batterie 30 verbunden ist, mit der Masse der elektronischen Schaltung 23 verbunden.
Fig. 3 zeigt die räumliche Anordnung der Gesamtheit von Elektroden, die unter dem Glas 6 der Uhr 1, wovon diese Elektroden Teil sind, vorgesehen sind. Die Gesamtheit der Sensoren, wovon diese Elektroden Teil sind, können jeweils durch den Finger 32 in der Weise aktiviert werden, daß eine Änderung ihrer Kapazität hervorgerufen wird. Diese Gesamtheit von Sensoren ist jeweils innerhalb einer entsprechenden Gesamtheit von bestimmten Zonen der von dem Glas 6 umgebenen Oberfläche vorgesehen.
Fig. 4 zeigt ein Prinzipschema einer Ausführungsform der in der Uhr 1 von Fig. 1 verwendeten Identifizierungsvorrichtung 40, die eine Bestimmung ermöglicht, welcher Sensor unter jenen, die sich unter der Kontaktoberfläche des vom Benutzer auf die äußere Oberfläche des Glases 6 gelegten Fingers befinden, am aktivsten ist. Die Identifizierungsvorrichtung 40 enthält eine Gesamtheit von kapazitiven Sensoren 41, die alle mit Mitteln zur Erfassung desjenigen aktivierten Sensors unter einer Untergesamtheit von von dem Benutzer gleichzeitig aktivierten Sensoren 41, der die größte Kapazitätsänderung vorweist, verbunden sind. Obwohl diese Ausführungsform kapazitive Sensoren enthält, sei angemerkt, daß andere Sensortypen, die eine Änderung einer elektrischen Größe wie beispielsWeise der Kapazität oder des Widerstandes erfahren, wenn sie aktiviert werden, · verwendet werden können.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung, mit deren Hilfe die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit kapazitiven Sensoren 41 beschrieben wird. Jeder kapazitive Sensor, von dem in Fig. 5 lediglich einer gezeigt ist, enthält einen Kondensator 51, dessen Beläge einerseits durch die auf der inneren Oberfläche des Glases 6 befestigten Elektrode und andererseits durch den Finger 32 des Benutzers gebildet sind.
Außerdem wird durch die zwischen der betreffenden festen Elektrode und dem Gehäuse 2 der Uhr 1 vorhandene Konstruktion ferner ein Störkondensator 52 gebilldet. Der kapazitive Sensor 51 und der Störkondensator 52 sind zwischen der Masse 53 und dem Eingang eines Multiplexers 54 parallel geschaltet.
Die Mittel zur Erfassung desjenigen aktivierten Sensors, der die größte Änderung der elektrischen Größe vorweist, umfassen Mittel zur Umsetzung der Gesamtkapazität der Gesamtheit aus festem Kondensator und Störkondensator jedes kapazitiven Sensors A bis 5 in ein Ausgangssignal, dessen Frequenz zu dieser Gesamtkapazität proportional ist. Diese Mittel umfassen in diesem Beispiel den Multiplexer 54 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 43. Der Multiplexer 54 ist so beschaffen, daß er jeden kapazitiven Sensor A bis 5 sukzessive mit dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 43 verbindet. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, sind die Kondensatoren 51 und 52, wenn sie in dieser Weise verbunden sind, zwischen der Masse 53 und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 55, der Teil des spannungsgesteuerten Oszillators 43 ist, parallel geschaltet.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 43 enthält außerdem Widerstände 56, 57 und 58, die alle zwischen dem Ausgang des Verstärkers 55 und der Masse 53 in Reihe geschaltet sind. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 55 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 57 und 58 verbunden. In dieser Konfiguration bilden der Verstärker 55 und die Widerstände 56 bis 58 einen Schmidt-Trigger, der an seinem Ausgang, d. h. an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 56 und 57, ein Signal mit einer Amplitude liefert, die eine Funktion der an dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 55 anliegenden relativen Spannungswerte ist und entweder einem logischen Hochpegel oder einem logischen Tiefpegel entspricht. Zwei in Gegenrichtung geschaltete Zener-Dioden 59 und 60 sind zwischen den Ausgang des Verstärkers 55 und die Masse 53 geschaltet, um die Spannungen, die diese Logikpegel jeweils definieren, zu stabilisieren. Der spannungsgesteuerte Oszillator 43 enthält ferner einen Widerstand 61, der zwischen den Ausgang des Schmidt- Triggers und den invertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet ist. Dieser Widerstand 61 ist zusammen mit den Kondensatoren 51 und 52 Teil eines Tiefpaßfilters, das die Spannung am Ausgang des Schmidt-Triggers integriert. Das Potential an den Belägen der Kondensatoren 51 und 52 wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 55 angelegt.
Die Schwingungsfrequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 43 ist zur Gesamtkapazität der beiden parallel geschalteten Kondensatoren 51 und 52 umgekehrt proportional.
Somit ändert sich die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 43 in Abhängigkeit von der Gegenwart oder der Abwesenheit des Finger 32 des Benutzers auf der Außenseite des Glases 6. Wenn der Finger 32 des Trägers der Uhr 1 nicht auf das Glas 6 gelegt ist, fehlt folglich einer der Beläge des Kondensators 51 der in Fig. 5 gezeigten Schaltung. Die Gesamtkapazität ist in diesem Fall gleich der Kapazität des Störkondensators 52, wobei die Schwingungsfrequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 43 zu dieser Kapazität umgekehrt proportional ist.
Wenn umgekehrt der Finger 32 auf das Glas 6 gelegt ist, wirkt der Kondensator 51 effektiv auf den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 43. Unter diesen Bedingungen ist die Gesamtkapazität gleich der Summe der Kapazitäten der beiden Kondensatoren 51 und 52. Somit ist die Schwingungsfrequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 43 zur Summe der Kapazitäten dieser beiden Kondensatoren proportional.
Wenn der Benutzer seinen Finger 32 auf die äußere Oberfläche des Glases 6 legt, um beispielsweise ein Zeichen zu skizzieren, befindet sich sein Finger gegenüber mehreren der Elektroden A bis S. Somit erhöht er gleichzeitig die Kapazität einer Gruppe von diesen Sensoren. Um die Koordinaten eines auf das Glas geschriebenen Zeichens zu bestimmen, bedarf es der Bestimmung, welcher dieser Sensoren die größte Kapazitätsänderung erfährt.
Nun wurde festgestellt, daß das Abdecken von Elektroden, die Teil dieser Gruppe bilden, nicht für jede Elektrode gleich ist. Das Abdecken der diskreten Zone der äußeren Oberfläche des Glases 6 gegenüber jeder Elektrode variiert je nach Lage des Fingers tatsächlich zwischen 0 und 100%. Somit ändert sich der Wert der Kapazität des Kondensators 51, der gebildet wird, wenn der Finger 32 gegenüber der betreffenden Elektrode auf das Glas 6 gelegt wird, in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad dieser Elektrode durch den Finger 32.
Die Identifizierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung profitiert von dieser Feststellung und wählt als einzigen aktiven Sensor denjenigen aus, dessen Kapazitätsänderung am größten ist.
Dazu umfaßt die Identifizierungsvorrichtung 40 außerdem Mittel zur Erfassung desjenigen Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators, dessen Frequenzänderung am größten ist. Diese Mittel zur Erfassung des Ausgangssignals umfassen einen Frequenzdetektor 44 (siehe Fig. 4), eine Speichervorrichtungi9üchervorrichtung 45 und des Komparators 46 wird jeweils auf einen Arbeitstakt gesteuert, der durch die Frequenz der von einer Taktschaltung 47 stammenden Taktimpulse bestimmt ist.
Der Frequenzdetektor 44 kann durch einen Impulszähler verwirklicht sein, der für eine feste Betriebsperiode in Gang gesetzt wird. In diesem Fall ist die Frequenz jedes Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 43 direkt durch die Anzahl von während dieser festen Periode empfangenen Impulse repräsentiert. Daraus ergibt sich, daß der Frequenzdetektor 44 einen numerischen Wert, nämlich den Inhalt des Zählers, der der Frequenz des jedem Sensor entsprechenden Ausgangssignals entspricht, erzeugt.
Vorzugsweise enthält die Identifizierungsvorrichtung 40 ferner einen Betätigungsdetektor 48, der mit dem Ausgang des Frequenzdetektors 44 derart verbunden ist, daß er die Binärworte, die von den letzteren stammen, empfängt. Der Betätigungsdetektor 48 vergleicht jedes Binärwort mit einem vorgegebenen Bezugsschwellenwert, der einem Kapazitätswert entspricht, der angibt, daß ein kapazitiver Sensor vom Benutzer wirklich betätigt worden ist.
Wenn dies der Fall ist, wird das Binärwort anschließend in der Speichervorrichtung 45 gespeichert. Wenn die Gesamtheit der kapazitiven Sensoren A bis 5 in dieser Weise abgetastet worden sind und die der Gruppe von durch den Benutzer während dieser Abtastung betätigten kapazitiven Sensoren entsprechenden Binärworte in der Speichervorrichtung 45 gespeichert worden sind, wird der Komparator 46 angestoßen, damit dieser die numerischen Werte dieser Binärworte vergleicht und denjenigen numerischen Wert identifiziert, der demjenigen kapazitiven Sensor entspricht, dessen Kapazitätsänderung am größten ist. Ein diesem Sensor entsprechendes Ausgangssignal wird anschließend an eine Vorrichtung zur Schreiberkennung 49 oder zu einer anderen Auswerteschaltung geliefert.
Schließlich sei angemerkt, daß die erfindungsgemäße Identifizierungsvorrichtung mehreren Modifikationen unterzogen werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Obwohl in der obenbeschriebenen Ausführungsform kapazitive Sensoren vorgesehen sind, kann beispielsweise jeder andere Sensor, der eine Änderung einer elektrischen Größe erfahren kann, wenn er betätigt wird, verwendet werden. Die Erfindung ist ferner nicht nur auf eine Gesamtheit von Sensoren anwendbar, die dem Glas einer Uhr oder einer anderen Schreibvorrichtung oder Vorrichtung mit manueller Steuerung zugeordnet sind, sondern kann in mehreren anderen Anwendungen übernommen werden. Beispielsweise können die Kondensatoren nicht nur auf dem Glas, sondern auch am Umfang unter dem Glasreif 13 angeordnet sein. Darüber hinaus ist die Erfindung in jeder Vorrichtung mit manueller Steuerung anwendbar, nämlich in Anwendungen, in denen Tastschalter oder andere neuartige Steuervorrichtungen durch Sensoren wie etwa die obenbeschriebenen ersetzt sind.

Claims

1. Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, eine von einem Finger (32) auf einer Oberfläche ausgeführte manuelle Bewegung zu identifzieren, umfassend:

- eine Gesamtheit von Sensoren (41), die jeweils durch den Finger (32) in der Weise aktiviert werden können, daß sie eine Änderung einer elektrischen Größe hervorrufen, wobei diese Sensoren jeweils innerhalb einer entsprechenden Gesamtheit von bestimmten Zonen der Oberfläche angeordnet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem umfaßt:

- erste Mittel (42), die in einer Untergesamtheit der Sensoren (41), die gleichzeitig aktiviert werden, denjenigen aktivierten Sensor erfassen, der die größte Änderung der elektrischen Größe aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Erfassungsmittel (42) umfassen:

- Mittel (54, 53) zum Umsetzen der elektrischen Größe jedes der Gesamtheit von Sensoren (41) in ein Ausgangssignal, dessen Frequenz zur elektrischen Größe proportional ist, und

- zweite Mittel (44, 45, 46) zur Erfassung des Ausgangssignals, dessen Frequenzänderung am größten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Erfassungsmittel (44, 45, 46) umfassen:

- einen Frequenzdetektor (44), der einen digitalen Wert erzeugt, der der Frequenz des Ausgangssignals entspricht, das jedem aktivierten Sensor entspricht,

- einen Speicher (45) zum Speichern der digitalen Werte und

- einen Komparator (46) zum Vergleichen der digitalen Werte und zum Identifizieren jenes Wertes, der dem Sensor entspricht, bei dem die Änderung der elektrischen Größe am größten ist.

-

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt: einen Bewegungsdetektor (48), der erfaßt, ob die Änderung der elektrischen Größe wenigstens eines Sensors der Gesamtheit von Sensoren (41) einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.