EP3494461A1 - Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen bildschirm - Google Patents

Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen bildschirm

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Publication number
EP3494461A1
EP3494461A1 EP18701453.5A EP18701453A EP3494461A1 EP 3494461 A1 EP3494461 A1 EP 3494461A1 EP 18701453 A EP18701453 A EP 18701453A EP 3494461 A1 EP3494461 A1 EP 3494461A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
input element
touch
sensitive screen
acceleration
processing unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18701453.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hauke HELMER
Günter Paul PETERS
Denny KRUSE
Philipp EWERLING
Ulrich Mangold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Interactive Scape GmbH
Original Assignee
Interactive Scape GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Interactive Scape GmbH filed Critical Interactive Scape GmbH
Publication of EP3494461A1 publication Critical patent/EP3494461A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0362—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 1D translations or rotations of an operating part of the device, e.g. scroll wheels, sliders, knobs, rollers or belts
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/038—Control and interface arrangements therefor, e.g. drivers or device-embedded control circuitry
    • G06F3/0383—Signal control means within the pointing device
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/039—Accessories therefor, e.g. mouse pads
    • G06F3/0393—Accessories for touch pads or touch screens, e.g. mechanical guides added to touch screens for drawing straight lines, hard keys overlaying touch screens or touch pads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/04162—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers for exchanging data with external devices, e.g. smart pens, via the digitiser sensing hardware
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means

Definitions

  • the invention relates to an input element for a touch-sensitive screen according to the main claim and a method for detecting an input element on a touch-sensitive screen according to the independent claim.
  • touch-sensitive screens are used in various areas. Touch-sensitive screens are used, for example, in smartphones, tablet PCs and in various machines. An advantage of these touch-sensitive screens is that both input and output are via the screen. Touch screens are capable of detecting where the screen is being touched with a finger.
  • touch-sensitive screens use capacitive touchscreens. Here are two in a glass across each other aligned grids of transparent electrical cables. The upper of the two wire grids continuously sends electrical signals to the lower grid. When the screen is touched with a finger, an electric capacitance of the intervening insulating layer changes and a signal becomes weaker at that point. A processor then calculates a position where the signal has dropped and passes the location and duration of the touch to software of the device. This then performs a corresponding action on the touch out.
  • capacitive touch-sensitive screens which often can also detect multiple touches simultaneously (multi-touch displays), are typically not designed to detect passive objects placed on the touch-sensitive screen. On the contrary, such systems typically include filters to actively filter out touch data triggered by passive objects.
  • touch screen input elements should meet at least one or two or more of the following conditions:
  • the system should always be able to determine whether or not the input elements are currently on the touch-sensitive screen, whether or not they are touched by a user.
  • the system should be able to detect a precise position and orientation of the input element (s).
  • the object of the invention is to propose an input element for a touch-sensitive screen, which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • An input element for a touch-sensitive screen comprises a first communication unit for communicating with a control and processing unit. Furthermore, the input element comprises at least two contact surfaces that can be detected by the touch-sensitive screen.
  • the input member further includes an acceleration sensor for detecting acceleration of the input member.
  • At least one or two or more of the above four conditions may be met with the proposed input element.
  • an increase in speed and / or a decrease in the speed of the input element in different directions can be detected.
  • the direction in which the input element is accelerated can be detected by the acceleration sensor, for example, by the acceleration sensor determining from where gravity acts on the input element.
  • a measurement of the acceleration takes place here in the rule in three mutually perpendicular directions in space.
  • the acceleration sensor is designed to detect a settling of the input element on the touch-sensitive screen.
  • the input element By settling the input element on the touch-sensitive screen, the input element typically receives a characteristic acceleration. Therefore, by detecting this characteristic acceleration, it can be known whether the input element has been placed on the touch-sensitive screen.
  • the acceleration sensor may also be configured to detect a lifting of the input element from the touch-sensitive
  • the input element gets a characteristic acceleration, which is detectable by the acceleration sensor. By measuring this characteristic acceleration, it can thus be determined that the input element has been removed from the touch-sensitive screen.
  • the acceleration sensor may be configured to detect an acceleration of the input element on the touch-sensitive screen. When the input element is moved to the touch-sensitive screen on the touch-sensitive screen after it has been deposited, this is thus detectable by the acceleration sensor. For example, if two or more than two input elements are on the touch-sensitive screen and one or more of them are moved or rotated, it can be determined which of the input elements has just been moved since the acceleration sensor is able to detect accelerations very accurately. The signals measured by the acceleration sensor can therefore also be used to identify the input element.
  • An accuracy of the acceleration sensor may be at least ⁇ 2.5% of 8 g, 4 g or 2 g or less, ie ⁇ 0.2 g, ⁇ 0.1 g or ⁇ 0.05 g or less, where g is the location-dependent Acceleration due to gravity is, for example, about 9,81m / s 2 .
  • the acceleration sensor can be designed to detect a Acceleration with a time accuracy of at least 100 milliseconds, preferably at least 50 milliseconds, more preferably at least 20 milliseconds, in particular at least 10 milliseconds.
  • a data transmission rate of the acceleration sensor can be between 1.6 Hz and 800 Hz, ie values can be transmitted every 641 ms or every 1.25 ms.
  • the touch screen for detecting a touch may have a temporal resolution of at least 100 milliseconds, preferably at least 50 milliseconds, more preferably at least 20 milliseconds, especially at least 10 milliseconds.
  • time measurements in the input element and in the touch-sensitive screen are synchronized so that temporal sequences can be compared with one another.
  • the first communication unit is preferably designed as a wireless communication unit.
  • the first communication unit comprises at least one transmitting unit for transmitting radio signals.
  • a receiving unit for receiving radio signals may additionally be provided.
  • the first communication unit comprises e.g. an antenna for sending and / or receiving radio signals.
  • the first communication unit may form part of a network. Possible wireless connections include, for example, WLAN or WPAN, in particular Bluetooth, or other near-field connections.
  • the first communication unit transmits the data and / or signals of the sensors typically at intervals of 10 ms to 20 ms to a second communication unit (see below).
  • the input element is designed to establish a connection with the control and processing unit by means of the first communication unit, if by the acceleration sensor a different acceleration from the gravitational acceleration and / or a
  • the touch screen may include optical, capacitive, inductive or resistive sensors or a combination of two or more of these sensors. These are the expert from the
  • the touch-sensitive screen is in particular configured to simultaneously detect a multiplicity of contact surfaces (multi-touch display).
  • a capacitive touchscreen typically includes two transversely aligned gratings of transparent electrical leads.
  • the mutual electrical capacitance of the intersecting electrical leads of the touch-sensitive screen changes at the location of the touch, and the signal weakens at that point.
  • This requires a coupling of the contact surface with ground.
  • the coupling can be z. B. over the body of a user.
  • the contact surfaces of the input element are therefore usually connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the conductive connection between the contact surfaces is usually arranged such that the conductive connection has a distance of at least 1 mm or at least 2 mm to the touch-sensitive screen.
  • the said conductive connection may be by one or more Metal strips or metal wires, for example -aus copper and / or aluminum, can be realized, or connect the contact surfaces with each other.
  • both contact surfaces are arranged on the touch-sensitive screen such that a coupling to ground is not possible.
  • both contact surfaces are located on the same detection trace. Therefore, it may be advantageous if at least three or at least four or at least five or even more contact surfaces are provided; This means that the probability of coupling the contact surfaces with a detection track, which is grounded, is always greater.
  • An arrangement of the touch surfaces on the input element may be referred to as a touch pattern.
  • the contact pattern is usually also two-dimensional.
  • the contact surfaces of the touch pattern are usually in one plane. If three or more contact surfaces are provided, it is advantageous if they are arranged such that the corresponding contact pattern has at most one C 3 symmetry or one C symmetry. In other words, the touch pattern can not have rotational symmetry. In this case, ambiguity of the detected touch pattern can be reduced.
  • the touch screen typically has two grids of transparent traces. The tracks of the grid intersect at an intersection angle.
  • the likelihood of coupling across a ground trace is greater if the crossing angle of the traces of the touch-sensitive screen in the touch pattern is avoided.
  • three of the contact surfaces are referred to as A, B and C.
  • Two straight lines are formed by the links AB and BC.
  • An angle et enclosed by the links AB and BC is preferably 0 ° ⁇ a ⁇ 90 ° or 90 ° ⁇ a ⁇ 180 ° when the crossing angle of the tracks of the touch-sensitive screen is 90 °. In particular, ⁇ is therefore not equal to 0 °, 90 ° and 180 °.
  • the angle ⁇ enclosed by the connecting sections is preferably not equal to ⁇ and / or not equal to 180 ° - ⁇ and / or 0 ° ⁇ ⁇ or ⁇ ⁇ 180 ° - ⁇ or 180 ° - ⁇ ⁇ ⁇ 180 °.
  • the connecting sections AB, BC and AC can each have a length that differs from the
  • Lengths of the other two versions are different.
  • the stated conditions for the angle and the lengths of the links can be met for arbitrary combinations A, B and C of all contact surfaces.
  • a length of a connecting path between the centers of gravity of two contact surfaces may be e.g. at least 20 mm, at least
  • the mating surfaces may include a material that changes an electric field in a manner similar to a human finger.
  • a suitable material for the contact surfaces would be z.
  • Rubber can further prevent scratches from forming on a surface of the touch-sensitive screen.
  • the contact surfaces in particular friction properties of a used material of the contact surfaces, should be designed so that a rotation of the input object caused by a user's hand on the touch-sensitive screen is possible.
  • the contact surfaces have a shape which is similar to a shape of a fingertip when touching the touch-sensitive screen, since the touch-sensitive screens in the
  • the contact surfaces are round or elliptical or oval.
  • the contact surfaces may also have a diameter of at least 11 mm, preferably at least 12 mm or at least 13 mm, so that they can be reliably detected by the touch-sensitive screen.
  • the contact surfaces can continue to measure a diameter of not more than 15 mm, preferably not more than 14 mm or not more than 13 mm.
  • the input element comprises a gyroscope for detecting a rotational movement of the input element.
  • the gyroscope measures e.g. a rotational speed and thus rotational movement of the input element.
  • the gyroscope typically uses a Coriolis force and the so-called tuning fork principle.
  • the gyroscope which typically has a size of 4 x 4 mm, e.g. Metal elements caused to vibrate by electricity. When the input member is moved, the vibration of the metal members changes, and capacitors disposed therearound register a change which is then detected as a rotational movement.
  • Other prior art sensors for rotational speeds are conceivable.
  • the gyroscope may preferably have rotational speeds up to 2000% with an accuracy of 0.0625% and with e.g. record a data rate of 12.5 Hz to 800 Hz.
  • the input element comprises a field sensor for detecting an electric field strength of the touch-sensitive screen and / or for measuring a change in the electric field strength of the touch-sensitive screen.
  • the field sensor it is therefore also possible to detect whether the input element rests on the touch-sensitive screen.
  • the field sensor may be configured to detect an electric field strength in at least one of the contact surfaces.
  • this respective contact surface serves the field sensor as an antenna.
  • the field sensor can the field strength z. B. with a measuring frequency of at least 50 kHz, at least 100 kHz, at least 200 kHz or at least 300 kHz detect. For example, the field sensor detects the field strength at a frequency of 400 kHz.
  • the input element comprises a color sensor or a plurality of color sensors for detecting a color displayed by the touch-sensitive screen in at least one area of the touch-sensitive screen.
  • the color sensor is as Light sensor configured, which detects at least a portion of the visible spectrum (ie from about 380 nm to about 780 nm).
  • the color sensor can also be designed as a camera. By detecting a particular color on the touch-sensitive screen and comparing this color with a color or color pattern reproduced by the touch-sensitive screen, for example, a change in position of the input element can be detected.
  • a second color sensor if only one or no touch surface is temporarily detected by the touch screen, may be used to determine an input position and rotation angle of the input element.
  • the touch-sensitive screen displays a color pattern or a color gradient.
  • the control and processing unit can then use the color detected by the color sensor to determine which of the touch surfaces was detected by the touch screen and where the color sensors are located on the screen.
  • the current position and orientation of the input element can then be determined from the positions of the two color sensors and the contact surface.
  • the input element comprises a proximity sensor for detecting a distance between the back-lit screen and the input element.
  • a range of the proximity sensor can be up to 10 cm.
  • the proximity sensor uses an infrared beam to check if the screen is approaching the input element. If, for example, the input element is placed on the touch-sensitive screen, the device registers
  • the input element may include a memory, such as memory. random access memory (RAM), read only memory (ROM), a hard disk, a magnetic storage medium and / or an optical drive.
  • RAM random access memory
  • ROM read only memory
  • An identification code or identification number may be stored in the memory, e.g. a UUID associated with the input element. The identification code or the identification number can be found in a
  • the identification code or the identification number can be transmitted to the control and processing unit.
  • Sensor data and / or sensor signals can be linked to the identification code and / or the identification number of the respective input element.
  • a program may also be stored in the memory, e.g. a software for processing or processing the data and / or the signals of one or more of the above-mentioned sensors.
  • the input element may comprise a processor, a microcontroller, a microprocessor and / or a digital signal processor designed to
  • the input element comprises a housing in which the first communication unit and the acceleration sensor and, if provided, additional sensors described above are arranged.
  • the housing may, for example, be substantially rotationally symmetrical, annular, cuboidal, cube-shaped, disk-shaped, cylindrical or plate-shaped.
  • a diameter of the housing may be at least 5 cm, at least 6 cm or at least 7 cm.
  • a height of the housing may be at least 0.5 cm or at least 2 cm or at least 5 cm and / or at most 10 cm or at most 8 cm or at most 6 cm.
  • a battery or a battery for powering the sensors and the first communication unit may be made of a molded rubber, the rubber preferably having a Shore hardness of A80.
  • the housing may also have an outer skin made of the aforementioned cast rubber having the Shore hardness of A80.
  • the contact surfaces are arranged, for example, on an underside of the housing.
  • the bottom of the housing is hereby usually designed so that it can be placed on the touch-sensitive screen.
  • the underside of the housing can be protected by a non-conductive protective film which is at most 0.05 mm, preferably at most 0.1 mm, in particular at most 0.2 mm thick, and which is also able to improve the sliding properties of the input element.
  • a base area of the underside of the input element may be, for example, at least 5 cm 2 , at least 10 cm 2 , at least 15 cm 2 , at least 20 cm 2 or at least 25 cm 2 .
  • a relatively small contact pattern can be provided, for example, of three contact surfaces on an area of about 25 cm 2 . If coupling with the user's body is not possible upon placement of the input element on the touch-sensitive screen, a larger touch pattern may be provided from at least four touch pads on a footprint of about 50 cm 2 or greater.
  • the contact surfaces can be connected to the housing in a material-locking, positive-locking or force-locking manner.
  • the contact surfaces can also be designed as a sticker and glued to the housing of the input element.
  • the contact surfaces may also be disposed on a sheath or sleeve which is attached to the input member or releasably connected to the input member.
  • the sheath or sleeve may e.g.
  • Rubber such as silicone rubber, polybutadiene rubber or vulcanized natural rubber, or consist of one of the materials mentioned.
  • an electrically conductive coupling element may be provided on the housing, wherein the coupling element is electrically connected to the contact surfaces, for example via metal wires or metal strips.
  • the coupling element is preferably on the housing of the input arranged that a user when placing the housing on the touch-sensitive screen touches the coupling element.
  • the coupling element is arranged on an upper side of the housing.
  • the coupling element may for example contain a metal or be formed from a metal and / or be formed as a strip or ring.
  • Coupling element preferably has a distance of at least 1 mm, at least 2 mm, at least 3 mm or more to the bottom of the housing.
  • the coupling element may be provided with a thin insulating layer of at least 0.05 mm, so that the material does not feel "cold" and / or for visual enhancement, the insulating layer should not be thicker than 2 mm in order to be coupled to ground
  • the insulating layer can be, for example, a coating or a film.
  • the input element can be designed as a smartphone or even as a tablet PC.
  • the contact surfaces can then be connected as a sticker or on the case or sleeve with the smartphone or tablet PC.
  • smartphones or tablet PCs already include an acceleration sensor and / or a camera and / or a gyroscope and / or a proximity sensor and / or a communication unit and / or an identification code / identification number and / or a memory and / or a processor
  • An existing system can be subsequently provided with contact surfaces and corresponding software and can be upgraded to a previously described input element for a touch-sensitive screen.
  • each input element may be provided.
  • the touch surfaces of each input element typically form a touch pattern, with each input element typically having a similar touch pattern.
  • each input element can each have a memory in which an identification code or an identification number is assigned, which is assigned to the respective input element. This allows a clear identification of each input element.
  • the sensors mentioned above can have a data transmission rate between 1.6 Hz and 800 Hz, ie measured signals from the sensors can be transmitted to the first communication unit every 641 ms or every 1.25 ms.
  • control and processing unit may be configured to process or process signals or data from one or more of the above-mentioned sensors.
  • the control and processing unit may comprise a microcontroller, a processor, a microprocessor and / or a digital signal processor.
  • a digital signal processor can be designed for continuous processing of digital signals, for example digital signals of the above-mentioned sensors. It can further be provided that the control and processing unit is designed to control one or more of the said sensors.
  • control and processing unit may comprise one or more memories, such as e.g. random access memory (RAM), read only memory (ROM), a hard disk, a magnetic storage medium and / or an optical drive.
  • RAM random access memory
  • ROM read only memory
  • a program may be stored in the memory, e.g. a software for processing or processing the data and / or the signals of one or more of the above-mentioned sensors.
  • the control and processing unit comprises a second communication unit for communicating with the above input element or with a plurality of input elements.
  • the second communication unit is preferably designed as a wireless communication unit.
  • the second communication unit comprises at least one receiving unit for receiving radio signals.
  • a transmitting unit for transmitting radio signals may additionally be provided.
  • the second communication unit comprises, for example, an antenna for Sending and / or receiving of radio signals.
  • the second communication unit may form part of a network or be connected to a network.
  • Possible wireless connections include, for example, WLAN or WPAN, in particular Bluetooth, or other near-field connections.
  • the first communication unit of the input element and the second communication unit of the control and processing unit can in particular be wirelessly connected to one another, for example via WLAN or WPAN, in particular via a Bluetooth connection or another near-field connection.
  • Other types of wireless connections between the first communication unit and the second communication unit such as EnOcean, Z-Wave, ZigBee, WiMAX, UMTS / HSDPA, LTE (Long Term Evolution), NanoNetm, UWB (Ultra Wideband) are also possible and known to those skilled in the art.
  • the control and processing unit may be configured to receive and / or evaluate a signal detected by the acceleration sensor of the input element. Furthermore, the control and processing unit may be configured to recognize based on the signals of the acceleration sensor, a settling of the input element on the touch-sensitive screen and / or a direction of movement and / or a resting of the input element on the touch-sensitive screen and / or a lifting of the input element of the touch-sensitive screen. Alternatively or additionally, the evaluation of the signals detected by the acceleration sensor and / or the detection based on the signals of the acceleration sensor can also take place in the input element.
  • control and processing unit is connected to the touch-sensitive screen. Furthermore, it can be designed to receive and / or evaluate signals (touch signals) triggered by the contact surfaces of the input element in the touch-sensitive screen.
  • the control and processing unit may be configured to compare the touch signals with the sensor data / sensor signals, and a position based on the comparison and / or orientation of the input element on the touch-sensitive screen.
  • control and processing unit may be designed to detect a position and / or orientation of the input element on the touch-sensitive screen on the basis of the signals of the acceleration sensor and the signals triggered by the contact surfaces of the input element in the touch-sensitive screen.
  • the connection of the control and processing unit to the touch screen may also be wireless; but it can also be provided by means of a cable connection, such as a USB cable. It can be provided that the control and processing unit and the touch-sensitive screen are arranged in a single housing. As a result, a particularly compact system can be made available.
  • the touch-sensitive screen and the control and processing unit can be designed as a tablet computer or smartphone.
  • control and processing unit is designed to determine a variance of the time measured by the field sensor of the input element electrical field strength.
  • the variance of the signal can be z. B. be calculated over a variety of different values.
  • the determined variance of the electric field is compared with a predetermined value. If the determined variance is greater than the predetermined value, it can be detected that the input element is arranged on the touch-sensitive screen.
  • the determined variance of the electric field strength on capacitive touch-sensitive screens is more than a thousand times a measured variance without a screen and at a distance of 5 mm between the input element and the touch-sensitive screen about the hundredfold. che. As a result, it can be detected on a special touch-sensitive screen without calibration, whether the input element rests on the touch-sensitive screen.
  • the control and processing unit is designed to evaluate the signals of the gyroscope of the input element. Furthermore, the control and processing unit is designed to determine a rotation angle of the input element on the basis of the measured signals of the gyroscope.
  • control and processing unit is designed to evaluate and / or receive signals triggered by the contact surfaces of the input element in the touch-sensitive screen; Determining an orientation of the touch surfaces on the touch-sensitive screen based on the signals triggered by the touch surfaces of the input element in the touch-sensitive screen; and calibrating the gyroscope to determine an absolute angle of rotation of the input element relative to a fixed coordinate system of the touch-sensitive screen.
  • an initial orientation of the input element on the touch-sensitive screen can be detected via the contact surfaces, and based on this detected orientation and the signals measured by the gyroscope, the orientation of the input element on the touch-sensitive screen can then be determined with high accuracy.
  • control and processing unit is designed to receive and / or evaluate a signal measured by the color sensor or sensors of the input element; for comparing the signal with a color signal of the touch-sensitive screen; and for determining a position and / or a rotation angle of the input element based on the comparison. For example, certain colors or a particular color pattern are displayed on the screen, the displayed colors being measured by the color sensor and relayed back to the control and processing unit. By comparing the colors measured by the color sensor and the color signals output by the touch-sensitive screen, it can thus be determined that where the input element is currently on the screen and / or how the rotation angle of the input element is currently.
  • the control and processing unit can also be designed, depending on a position and / or a rotation angle and / or a
  • the invention provides a method for detecting an input element on a touch-sensitive screen, wherein the input element has at least two contact surfaces, which are detectable by the touch-sensitive screen.
  • the method comprises the following steps: detecting an acceleration of the input element by means of an acceleration sensor; Evaluating a signal detected by the acceleration sensor; and detecting, based on the measured acceleration, settling of the input element on the touch-sensitive screen and / or a direction of movement and / or a resting of the input element on the touch-sensitive screen and / or a lifting of the input element of the touch-sensitive screen.
  • the method may comprise the following steps: establishing a radio connection between the first communication unit of the input element and the second communication unit of the control and processing unit;
  • Determining an identity of the input element by transmitting the stored in the memory of the input element identification code or identification number to the control and processing unit.
  • the method may include the following step: detecting a position and / or orientation of the input element on the touch-sensitive screen, if at the same time It is probably detected by the touch-sensitive screen as well as by the further sensors that the input element is placed on the touch-sensitive screen and / or the input element is located on the touch-sensitive screen.
  • the simultaneous detection in this case includes a time difference of at most 50 ms or at most 30 ms or at most 20 ms between the detections.
  • the method may comprise one or more steps which have been described above in the explanation of the input element and / or the control and processing unit.
  • the method may e.g. implemented as code, for example in the form of a computer program on a computer-readable medium, such as a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the invention relates to a non-volatile memory readable by a computer.
  • the non-volatile memory includes a computer program configured to run on a programmable hardware component:
  • the computer program may be stored in the memory of the input element and / or in the memory of the control and processing unit.
  • the computer program may be executed by a programmable hardware component, such as a processor, a CPU, GPU, or a multi-processor system.
  • the programmable hardware be provided in the input element and / or the control and processing unit.
  • Fig. 1 is a perspective view of an input element
  • FIG. 2 shows four views of a lower side of an input element
  • FIG. 3 is a perspective view of a system including an input element, a touch-sensitive screen, and a control and processing unit; FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram of a method according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a bottom view of a shell of an input member
  • Fig. 6 is a view of a bottom of an annular input member
  • Fig. 7 shows a schematic arrangement of electronic components on a printed circuit board.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an input element 1.
  • the input element 1 is designed as an input element 1 for a touch-sensitive screen 20.
  • the input element 1 comprises a housing 8, which comprises a cylindrical projection 6 and a conical part 7, which tapers upwards and consists essentially of a non-conductive rubber.
  • the housing 8 has a bottom 2 and a top 3.
  • the input element 1 has a battery.
  • the projection 6 is designed as an aluminum ring and has a distance from the bottom 2 of the housing 8 of at least 2 mm.
  • the projection 6 may be provided with an insulating coating of about 0.1 mm.
  • the input element 1 further comprises a communication unit with an antenna 4 for communicating with a control and processing unit 30 described below.
  • the input element 1 comprises a plurality of touch surfaces 5 detectable by the touch screen 20.
  • FIG. 2 shows four exemplary embodiments of undersides 2 of the input element 1 shown in FIG.
  • the four different embodiments of the underside 2 of the input element 1 differ only in the number and the arrangement of the contact surfaces 5.
  • input elements 1 with two contact surfaces 5, with three contact surfaces 5, with four contact surfaces 5 and with five contact surfaces 5 are shown.
  • the contact surfaces 5 of each input element 1 each form a contact pattern on the underside 2 of the input element 1, wherein the contact pattern in the embodiments of the input element 1 with three, four or five contact surfaces 5 no symmetry or a C 3 - has symmetry, that has the two-dimensional contact pattern no rotational symmetry.
  • the contact surfaces 5 are circular in shape; Alternatively, the contact surfaces 5 can also be designed oval or elliptical. It is also conceivable that the contact surfaces 5 of each individual input element differ in shape.
  • the input element 1 can therefore have a round contact surface, an oval contact surface and have an elliptical contact surface 5.
  • the contact surfaces 5 have a diameter of about 12 mm.
  • the focal points of the contact surfaces 5 each have a minimum distance of 24 mm.
  • the contact surfaces 5 are made of an electrically conductive rubber.
  • the contact surfaces 5 are electrically conductively connected to each other by means of non-illustrated copper strips or wires. When the input element 1 is resting on the touch-sensitive screen 20, the copper strips or wires are from the touch-sensitive screen 20
  • the copper strips or wires do not touch the touch-sensitive screen 20 so. Further, the contact surfaces 5 by means of non-illustrated copper wires with the cylindrical projection 6 are electrically connected.
  • the input element 1 has a (volatile and / or nonvolatile) memory 15.
  • an identification code associated with the specific input element 1 is stored.
  • the identification code can, for. B. be a UUID.
  • the input element 1 may comprise a processor (not shown) or a microcontroller which evaluates the signals or data of the individual sensors 10, 11, 12, 13, 14.
  • the contact surfaces 5 are preferably carried out in the same way.
  • the input elements 1 have the same contact pattern in this case.
  • the identification codes or identification numbers of the respective input elements 1 can then be used.
  • the input element of Figure 1 comprises a plurality of different sensors 10 to 14.
  • an acceleration sensor 10, a gyroscope 11, a field sensor 12, a color sensor 13, and a proximity sensor 14 are shown. It is also possible to use several color sensors be provided ren 13, for example, two color sensors.
  • the field sensor 12, the color sensor or sensors 13 and the proximity sensor are arranged on the underside 2 of the housing 8 of the input element 1, cf. Fig. 2.
  • one or more openings may be provided on the underside 2 of the housing 8.
  • the acceleration sensor 10 and the gyroscope 11 can be arranged further up in the housing 8.
  • Fig. 5 shows a bottom view of a shell 16 of a not shown
  • the input element in this embodiment also comprises a smartphone which stores an acceleration sensor, a camera, a gyroscope, a proximity sensor, a communication unit, an identification code / identification number, a processor for evaluating said sensors and a memory in which an evaluation and processing software is stored is, has.
  • the shell 16 shown in FIG. 5 is essentially made of a soft, elastic material and can be attached to the smartphone in a form-fitting or force-fitting manner. In the assembled state forms the
  • the shell 16 has a recess 17 so that the camera and / or the proximity sensor of the smartphone are not blocked by the shell 16. If the shell 16 contains a transparent material, the recess 17 can be dispensed with.
  • the shell 16 has four contact surfaces 5, which are electrically connected to each other. For the properties of the contact surfaces 5, reference is made to the contact surfaces 5 shown in FIG. 2. For a visually higher-quality appearance, the shell may have a thin insulating cover layer of at most 0.5 mm, which on the one hand covers the contact surfaces 5, on the other hand, a detection ensures the contact surfaces 5 on the touch-sensitive screen 20.
  • FIG. 6 shows a bottom view of an input element 19 with an annular housing 18.
  • the input element 1 of Figure 6 differs from the input elements shown in Figures 1 and 2 only in that the housing 18 of the input member 19 is annular.
  • An outer diameter of the annular housing 18 may be e.g. at least 90 mm, at least 110 mm, in particular at least 130 mm, particularly preferably at least 150 mm.
  • the input element 19 shown has three contact surfaces 5, as shown in Fig. 2, two, four, five or more contact surfaces 5 may be provided.
  • the contact surfaces 5 preferably have internal angles of about 63 °, 73 ° and 44 °.
  • the housing 18 may have on an upper side a conductive material, such as the annular projection in FIG.
  • the housing is made of a non-conductive rubber having a Shore hardness of A80.
  • the housing of the input element 1 or the input element 19 may be e.g. also cuboid, as a disk or as a plate, for example, with a height of 1 cm, be formed.
  • FIG. 3 shows two perspective views of a system 100, wherein FIG
  • the System comprises the input element 1 described in Figures 1 and 2 and further comprises a touch-sensitive screen 20 and a control and processing unit 30.
  • the touch-sensitive screen 20 is connected by means of a cable 31 to the control and processing unit 30, wherein the cable is preferably designed as a USB cable.
  • the touch-sensitive screen 20 is also referred to as a touchscreen and, in the exemplary embodiment shown, is a capacitive touch-sensitive screen. In other embodiments, it is also possible to design the touch-sensitive screen 20 as an optical, inductive or resistive touch-sensitive screen.
  • the touch-sensitive screen 20 may, for. B. as a table plate act; in this case, table legs can be mounted on the touch screen 20.
  • the touch-sensitive screen 20 is configured to simultaneously detect a plurality of touches (multi-touch display).
  • Touching can be effected both by a human finger and by the contact surfaces 5 of the input element 1 shown above. Further, touch surfaces 5 of a plurality of input elements 1 can be simultaneously detected by the touch-sensitive screen 20.
  • the control and processing unit 30 comprises a second communication unit for communicating with the first communication unit 4 of the input element 1.
  • the control and processing unit 30 is configured in particular for receiving and evaluating the signals or data detected by the sensors 10 to 14 of the input element 1.
  • the input element 1 can also be designed to evaluate the data or the signals of the sensors 10 to 14 by means of the above-mentioned processor.
  • the control and processing unit 30, which is evaluated by the processor of the input element 1, is configured
  • control and processing unit 30 has e.g. a microcontroller, a processor, a microprocessor and / or a digital signal processor.
  • the control and processing unit 30 is further configured to receive and evaluate signals (touch signals) triggered by the touch surfaces 5 of the input element 1 in the touch-sensitive screen 20. Further, the control and processing unit 30 is configured to compare touch signals measured by the touch-sensitive screen 20 with the signals or data of the sensors 10 to 14, and by the comparison, a position, a position change, a rotation angle and a rotation angle change of the input element 1 on the touch-sensitive screen 20 to determine. Depending on the position and / or the angle of rotation and / or the position change and / or the rotation angle change of the input element 1, the control and processing unit 30 can control the touch-sensitive screen 20 or another device not shown, or perform a specific action.
  • the acceleration sensor 10 is designed to detect a settling of the input element 1 on the touch-sensitive screen 20.
  • the settling movement of the input element 1 is indicated in FIG. 3 by means of the arrow 21.
  • a characteristic short-term acceleration occurs in the direction of the upper side 3 of the input element 1.
  • this characteristic acceleration at landing can be recognized, and it can be determined that the input element 1 has been placed on the touch-sensitive screen 20. Thereafter, the touch-sensitive screen 20 detects that the touch surfaces 5 of the input element 1 have been placed on the screen 20.
  • the specific for the respective input element identification code UUID is transmitted via the first communication unit 4 to the second communication unit of the control and processing unit 30.
  • the signals of the acceleration sensor 10 and an approximately simultaneous appearance of the contact surfaces 5 on the touch-sensitive screen 20 and the transmitted via radio connection identification code of the input element 1 allow a unique identification of the input element.
  • the acceleration sensor 10 is further configured to detect an acceleration of the input element 1 on the touch-sensitive screen 20. As described above, it may happen that the touch-sensitive screen 20 filters out one or more contact surfaces 5 of the input element 1 because they are recognized as errors.
  • a direction change of the input element 1 can be measured and / or predicted, and by linking the data of the acceleration sensor 10 with the signals triggered by the contact surfaces 5 of the input element 1 in the touch-sensitive screen the contact surfaces 5 can be assigned to the respective input element 1 again.
  • the acceleration sensor 10 can be designed to detect a lifting of the input element 1 from the touch-sensitive screen 20. Also, when lifting off, a characteristic short-term acceleration occurs in the direction of the upper side 2 of the input element 1. By evaluating this signal can thus be recognized that the input element 1 is no longer on the touch-sensitive screen 20.
  • the input element 1 is designed to establish a connection with the control and processing unit of the control and processing unit 30 when the acceleration sensor detects an acceleration different from the gravitational acceleration.
  • the acceleration sensor 10 is configured to detect acceleration with a timing accuracy of at least 10 milliseconds. So accelerations should be able to be distinguished from each other if they occur at a time interval of 10 milliseconds or more. In this case, it can be reliably detected when two input elements 1 are placed on the touch-sensitive screen 20 at almost the same time. Thus “quasi-simultaneous” means that the settling of the two input elements has a time difference of at most 10 ms or at most 20 ms or at most 50 ms. With the aid of the acceleration sensor 10, a speed decrease or an increase in the speed of the input element 1 in different directions can thus be detected.
  • the direction in which the input element 1 is accelerated detects the acceleration sensor 10 by determining where the gravitational force acts on the input element 1.
  • a displacement of forces is typically measured along three axes, the x-axis (left / right), the y-axis (top / bottom), and the z-axis (front / back).
  • the acceleration sensor 10 uses a microelectromechanical system (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical system
  • 3 x 3 mm acceleration sensor 10 are three microns wide silicon rods as springs.
  • Software calculates a magnitude of the acceleration from the changing electrical capacity.
  • Other embodiments of the acceleration sensor known to the person skilled in the art are also possible.
  • the gyroscope 11 measures a rotational speed and thus rotational movements of the input element 1. With the acceleration sensor 10 together, the change in movement of the input element 1 can be detected.
  • the gyroscope 11 may be calibrated after placement of the input element on the touch-sensitive screen 20.
  • the control and processing unit 30 is configured to evaluate and / or receive signals that are triggered by the touch surfaces of the input element in the touch-sensitive screen. By this evaluation, an orientation of the contact surfaces 5 on the touch-sensitive screen 20 can be determined. By means of this determination of the orientation of the contact surfaces 5 and thus of the input element 1, the gyroscope 11 can be calibrated.
  • the control and processing unit 30 may be designed to evaluate signals of the gyroscope 11 of the input element 1 and to determine a rotation angle of the input element 1 on the basis of the measured signals of the gyroscope 11.
  • the field sensor 12 measures an electric field intensity in each of the contact surfaces 5.
  • the field sensor 12 includes an antenna, a signal amplifier and an Anaiog Digitai converter that converts the electric field strength into digital values.
  • the contact surfaces 5 serve as antennas for the field sensor 12.
  • the field sensor 12 detects the field strength, for example, with a measurement frequency of about 400 kHz. Thereafter, a variance of the signal is calculated over approximately 4000 values. Deviating values are also possible.
  • n 4096.
  • the variance can be determined every 4096 points.
  • the field strength is measured at a frequency of 400kHz (every 0.0025ms). This gives values of the variance with a frequency of 100Hz (every 10ms).
  • a running window for determining the variance is, for example, 4096
  • an electric field strength of the touch-sensitive screen 20 and / or a change in the electric field strength is measured.
  • the following relative values for the variance of the electric field strength are measured: over 1000 on the touch-sensitive screen 20; about 100 at a distance of 1 mm to about 5 mm between the input element 1 and the screen 20; and 0 at a distance of 10 mm or more between the input element 1 and the screen 20.
  • the color sensor 13 is arranged on the underside 2 of the input element 1.
  • the color sensor 13 is designed as a camera in the embodiment shown. By means of the color sensor 13, it can be detected which color is displayed just below the color sensor 13 on the touch-sensitive screen 20. For example, a specific color pattern can be displayed on the touch-sensitive screen 20 at least for a short time. By comparing the data obtained by the color sensor 13 with a color signal output by the touch-sensitive screen 20, it can be determined where the input element 1 is located on the touch-sensitive screen 20.
  • a rotation angle or orientation of the input element 1 on the touch-sensitive screen 20 can thereby be determined. If several input elements 1 are placed simultaneously on the touch-sensitive screen 20, an identity of the input elements 1 can be determined unambiguously on the basis of the color and / or brightness comparison. Further, by means of the color sensor 13, a change in position of the input element 1 can be measured.
  • the proximity sensor 14 is likewise arranged on the underside 2 of the input element 1. With the proximity sensor 14 can also be detected whether and when the input element 1 has been placed on the touch-sensitive screen 20. For this purpose, the proximity sensor 14 uses an infrared beam to check whether the input element 1 is approaching the touch-sensitive screen 20.
  • a sensor 10, 11, 12, 13, 14 provides insufficient information about a current position and / or a current rotation angle of the input element 1 or not all contact surfaces are detected by the touch-sensitive screen, this information can be completed by using the data of the other sensors become.
  • signals or data of each of the individual sensors 10, 11, 12, 13, 14 can be evaluated by, for example, comparing measured signals or data with predetermined reference values or predetermined threshold values.
  • the signals of the respective sensors 10, 11, 12, 13, 14 can also be compared with previously measured signals. be.
  • the predetermined reference values or the predetermined threshold values may also be adapted adaptively.
  • the invention also proposes a method for recognizing the previously described input element 1 on the above-described touch-sensitive screen 20. Individual steps of the method are indicated in FIG. 4.
  • the method comprises the following steps:
  • Determining an identity of the input element 1 by transmitting the identification code stored in the memory 15 of the input element 1 to the control and processing unit 30;
  • step S500 may also be performed before step S200.
  • step S500 may also be carried out:
  • Determining an identity of the input element 1 by transmitting the identification code stored in the memory 15 of the input element 1 to the control and processing unit 30;
  • the two mentioned methods can comprise the following further steps:
  • control and processing unit 30
  • the methods mentioned can furthermore comprise the following steps:
  • the method may further include the following step:
  • the simultaneous detection in this case includes a time difference of at most 50 ms or at most 30 ms or at most 20 ms between the detections.
  • the control and processing unit 30 then controls, depending on a position and / or a rotation angle and / or a rotation angle change of the input element 1, the touch-sensitive screen 20 or another device or performs a specific action.
  • the invention comprises a computer program that is designed to carry out the above-mentioned method.
  • the computer program may be in the memory of the input element 1 or in the memory of the control and
  • Processing unit 30 may be stored.
  • PCB printed circuit board
  • Front a variety of electronic components arranged.
  • a CPU 802 is arranged, which realizes the evaluation of the sensors.
  • the sensors in this case comprise one (or more) gyroscopes 804, an acceleration sensor 806, a field sensor with corresponding electronics 808 and color sensors, which are arranged on the rear side of the board, not shown.
  • the board includes a power supply and battery charging electronics 810, which among other things ensures the power supply of the individual electronic components by means of the accumulator 812.
  • a Bluetooth antenna 814 with corresponding signal adaptation electronics is also provided, which is addressed via the CPU 802.
  • an adapter 816 is present, via which the switching arrangement can be recorded with updated firmware.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Eingabeelement (1) für einen berührungsempfindlichen Bildschirm (20), umfassend - eine erste Kommunikationseinheit (4) zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (30); - mindestens zwei Berührungsflächen (5), die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind; und - einen Beschleunigungssensor (10) zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1). Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie ein Computerprogramm zum Erkennen eines Eingabeelements (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm.

Description

Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm
Die Erfindung betrifft ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm gemäß dem Nebenanspruch.
Heutzutage kommen in verschiedenen Bereichen berührungsempfindliche Bildschirme (Touchscreens) zum Einsatz. Berührungsempfindliche Bildschirme werden beispielsweise in Smartphones, Tablet-PCs und in verschiedensten Automaten eingesetzt. Ein Vorteil dieser berührungsempfindlichen Bildschirme ist, dass sowohl eine Eingabe als auch eine Ausgabe über den Bildschirm erfolgen. Berührungsempfindliche Bildschirme sind in der Lage, zu detektie- ren, an welcher Stelle der Bildschirm mit einem Finger berührt wird.
In vielen berührungsempfindlichen Bildschirmen kommen kapazitive Touchscreens zum Einsatz. Hierbei liegen in einem Glas zwei quer zueinander ausgerichtete Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Das obere der beiden Leitungsgitter sendet stetig elektrische Signale zum unteren Gitter. Wird der Bildschirm mit einem Finger berührt, verändert sich eine elektrische Kapazität der dazwischenliegenden isolierenden Schicht, und ein Signal wird an dieser Stelle schwächer. Ein Prozessor errechnet dann eine Position, an der das Signal abgefallen ist, und gibt Ort und Dauer der Berührung an eine Software des Geräts weiter. Diese wiederum führt dann eine entsprechende Aktion auf die Berührung hin aus. Derartige kapazitive berührungsempfindliche Bildschirme, die oft außerdem eine Vielzahl von Berührungen gleichzeitig detektieren können (Multitouch- Displays) sind üblicherweise nicht dazu ausgelegt, passive Objekte, die auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt werden, zu detektieren. Im Gegenteil umfassen derartige Systeme typischerweise Filter, um Berührungs- daten, die durch passive Objekte ausgelöst werden, aktiv herauszufiltern.
In der Literatur wurden verschiedene passive Eingabeelemente vorgeschlagen, die durch einen berührungsempfindlichen Bildschirm detektierbar sind. Hierbei ist z.B. bei kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirmen jedoch eine Beschränkung, dass ein Benutzer diese Eingabeelemente selbst berühren muss, damit der berührungsempfindliche Bildschirm diese Eingabeelemente zu detektieren vermag. Dies führt zu verschiedenen Problemen. Zum einen kann das System nicht zuverlässig unterscheiden, ob ein Objekt von dem Bildschirm entfernt worden ist oder ob ein Benutzer aufgehört hat, das Objekt zu berühren. Außerdem ist eine Bewegung eines Eingabeelements durch das
System nicht detektierbar, wenn das Eingabeelement bewegt, aber dabei nicht angefasst wird.
In den nachfolgenden Veröffentlichungen werden Beispiele derartiger Eingabeelemente beschrieben: "PUCs: Detecting Transparent, Passive Un- touched Capacitive Widgets on Unmodified Multi-touch Displays, Simon Voelker, Kosuke Nakajima, Christian Thoresen, Yuichi Itoh, Kjell Ivar 0vergärd, und Jan Borchers, ITS '13: Proceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces, Seiten 101-104, New York, NY, USA, 2013" und "PERCs: Persistently Trackable Tangibles on Capacitive Multi-Touch
Displays, Simon Voelker, Christian Cherek, Jan Thar, Thorsten Karrer, Christian Thoresen, Kjell Ivar 0vergärd, und Jan Borchers, UIST '15: Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, UIST '15, Seiten 351-356, New York, NY, USA, November 2015".
Für eine reibungslose Bedienung sollten Eingabeelemente für einen berührungsempfindlichen Bildschirm mindestens eine oder zwei oder mehr der folgenden Bedingungen erfüllen:
1. Das System sollte jederzeit in der Lage sein, zu bestimmen, ob die Eingabeelemente sich im Moment auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befinden oder nicht, und zwar unabhängig davon, ob sie durch einen Benutzer angefasst werden oder nicht.
2. Jedes Eingabeelement sollte eindeutig identifizierbar sein.
3. Das System sollte in der Lage sein, eine genaue Position und Orientierung des oder der Eingabeelemente zu erfassen.
4. Eine Veränderung der Position und Orientierung sich schnell bewegender Eingabeelemente sollte ohne spürbare Verzögerung detektierbar sein.
Es hat sich herausgestellt, dass viele im Stand der Technik angegebene Eingabeelemente zumindest eine oder mehr als eine bzw. alle dieser vier Bedingungen nicht oder nicht zufriedenstellend zu erfüllen vermögen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm vorzuschlagen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden vermag.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Eingabeelement gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch. Weiterbildungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung. Ein Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfasst eine erste Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit. Weiter umfasst das Eingabeelement mindestens zwei Berührungsflächen, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm de- tektierbar sind. Das Eingabeelement weist außerdem einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements auf.
Mit dem vorgeschlagenen Eingabeelement können mindestens eine bzw. zwei oder mehr der oben genannten vier Bedingungen erfüllt werden.
Mithilfe des Beschleunigungssensors kann eine Geschwindigkeitszunahme und/oder eine Geschwindigkeitsabnahme des Eingabeelements in verschiedene Richtungen erkannt werden. Die Richtung, in die das Eingabeelement beschleunigt wird, kann beispielsweise durch den Beschleunigungssensor erfasst werden, indem der Beschleunigungssensor feststellt, von wo die Schwerkraft auf das Eingabeelement wirkt. Eine Messung der Beschleunigung erfolgt hierbei in der Regel in drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen.
In einer Weiterbildung ist der Beschleunigungssensor ausgestaltet zum Erfassen eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm. Durch das Absetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm erhält das Eingabeelement typischerweise eine charakteristische Beschleunigung. Durch Detektion dieser charakteristischen Beschleunigung kann daher erkannt werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm platziert wurde.
Der Beschleunigungssensor kann außerdem ausgestaltet sein zum Erfassen eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen
Bildschirm. Auch beim Abheben des Eingabeelements bekommt das Eingabeelement eine charakteristische Beschleunigung, die durch den Beschleunigungssensor detektierbar ist. Durch Messen dieser charakteristischen Beschleunigung kann somit festgestellt werden, dass das Eingabeelement von dem berührungsempfindlichen Bildschirm entfernt wurde. Außerdem kann der Beschleunigungssensor ausgestaltet sein zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm. Wenn das Eingabeelement nach dem Absetzen auf den berührungsempfindlichen Bildschirm auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm bewegt wird, ist dies somit durch den Beschleunigungssensor detektierbar. Wenn sich beispielsweise zwei oder mehr als zwei Eingabeelemente auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befinden und eines oder mehrere davon bewegt oder gedreht werden, kann festgestellt werden, welches der Eingabeelemente gerade bewegt wurde, da der Beschleunigungs- sensor Beschleunigungen sehr genau zu detektieren vermag. Die vom Beschleunigungssensor gemessenen Signale können also auch zur Identifikation des Eingabeelements verwendet werden.
Eine Genauigkeit des Beschleunigungssensor kann mindestens ±2,5% von 8 g, 4 g oder 2 g oder kleiner, also ±0,2 g, ±0,1 g oder ±0,05 g oder kleiner, betragen, wobei g die ortsabhängige Erdbeschleunigung ist und z.B. ca. 9,81m/s2 beträgt.
Falls lediglich zwei Berührungsflächen vorgesehen sind oder z.B. temporär nur zwei Berührungsflächen durch den berührungsempfindlichen Bildschirm detektiert werden, kann dies unter Umständen zu einer Zweideutigkeit in Bezug auf eine Rotation oder einen Drehwinkel des Eingabeelements führen. Bei einer Drehung des Eingabeelements um 180° lösen zwei gleichartige Berührungsflächen nämlich ein gleiches Signal in dem berührungsempfindli- chen Bildschirm aus. Wird das Eingabeelement nun bewegt, so kann mittels der gemessenen, richtungsabhängigen Beschleunigung sowie der Bewegung der Berührungsflächen auf dem be rü h ru ngse m pf i nd I ic h e n Bildschirm die Rotation bzw. der Drehwinkel (Orientierung) des Eingabeelements eindeutig aufgelöst werden.
Durch eine zeitliche Auflösung der Beschleunigung kann außerdem festgestellt werden, wann welches Eingabeelement auf den berührungsempfindlichen Bildschirm aufgesetzt wurde. Dies ist bei einem quasi gleichzeitigen Aufsetzen von verschiedenen Eingabeelementen von Vorteil, da so eindeutig festgestellt werden kann, welches Eingabeelement wann und wo aufgesetzt wurde.
Hierzu kann der Beschleunigungssensor ausgebildet sein zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer zeitlichen Genauigkeit von mindestens 100 Millisekunden, vorzugsweise mindestens 50 Millisekunden, besonders bevorzugt mindestens 20 Millisekunden, insbesondere mindestens 10 Millisekunden. Eine Datenübertragungsrate des Beschleunigungssensors kann zwischen 1,6 Hz und 800 Hz betragen, d.h. Werte können alle 641 ms bzw. alle 1,25 ms übertragen werden. In ähnlicher Weise kann der berührungsempfindliche Bildschirm für eine Detektion einer Berührung eine zeitliche Auflösung von mindestens 100 Millisekunden, vorzugsweise mindestens 50 Millisekunden, besonders bevorzugt mindestens 20 Millisekunden, insbesondere mindestens 10 Millisekunden haben. Vorzugsweise sind Zeitmessungen im Eingabeelement und im berührungsempfindlichen Bildschirm synchronisiert, damit zeitliche Abläufe miteinander verglichen werden können.
Die erste Kommunikationseinheit ist vorzugsweise als drahtlose Kommunika- tionseinheit ausgestaltet. Bei einer drahtlosen Ausgestaltung umfasst die erste Kommunikationseinheit zumindest eine Sendeeinheit zum Senden von Funksignalen. Optional kann zusätzlich eine Empfangseinheit zum Empfangen von Funksignalen vorgesehen sein. Weiter umfasst die erste Kommunikationseinheit z.B. eine Antenne zum Versenden und/oder Empfangen von Funksignalen. Die erste Kommunikationseinheit kann einen Teil eines Netzwerks bilden. Mögliche drahtlose Verbindungen schließen beispielsweise WLAN oder WPAN, insbesondere Bluetooth, oder andere Nahfeldverbindungen ein. Die erste Kommunikationseinheit übermittelt die Daten und/oder Signale der Sensoren typischerweise in Abständen von 10 ms bis 20 ms an eine zweite Kommunikationseinheit (s. unten).
Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Eingabeelement ausgebildet ist zum Herstellen einer Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit mittels der ersten Kommunikationseinheit, wenn durch den Beschleunigungssensor eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung und/oder eine
Änderung der Beschleunigung erfasst wird. Dadurch, dass die Verbindung der ersten Kommunikationseinheit mit der zweiten Kommunikationseinheit nur dann hergestellt und/oder aufrecht gehalten wird, wenn eine von der Erdbeschleunigung verschieden Beschleunigung und/oder eine Änderung der Beschleunigung festgestellt wird, kann Strom gespart werden (Energiesparmodus). Für die Messung von Berührungen auf dem berührungsempfindiichen Bildschirm kann der berührungsempfindliche Bildschirm optische, kapazitive, induktive oder resistive Sensoren oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Sensoren aufweisen. Diese sind dem Fachmann aus dem
Stand der Technik bekannt. Der berührungsempfindliche Bildschirm ist insbesondere dazu ausgestaltet, eine Vielzahl von Berührungsflächen gleichzeitig zu detektieren (Multitouch-Display). Wie weiter oben beschrieben, umfasst ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm üblicherweise zwei quer zueinander ausgerichtete Gitter aus durchsichtigen elektrischen Leitungen. Wird der Bildschirm durch eine bestimmte Berührungsfläche eines Eingabeelements oder einen Finger eines Benutzers berührt, verändert sich die gegenseitige elektrische Kapazität der sich kreuzenden elektrischen Leitungen des berührungsempfindlichen Bildschirms an der Stelle der Berührung, und das Signal wird an dieser Stelle schwächer. Dies setzt allerdings eine Kopplung der Berührungsfläche mit Masse voraus. Die Kopplung kann hierbei z. B. über den Körper eines Benutzers erfolgen. Da allerdings bis auf eine horizontale und eine vertikale Detek- tionsleiterbahn des genannten Gitters z.B. benachbarte Detektionsleiterbah- nen auf Masse liegen, ist eine Ableitung auch möglich, wenn eine zweite Berührungsfläche vorgesehen ist und diese sich auf einer Detektionsleiter- bahn befindet, die auf Masse liegt. Um die oben beschriebene Kopplung bzw. die Ableitung der elektrischen Kapazität zu ermöglichen, sind die Berührungs- flächen des Eingabeelements daher in der Regel elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch das Vorsehen mindestens zweier Berührungsflächen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, ist es für eine zuverlässige Detektion durch den berührungsempfindlichen Bildschirm nicht mehr notwendig, dass das Eingabeelement durch einen Benutzer angefasst wird. Beim Aufliegen des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm ist die leitende Verbindung zwischen den Berührungsflächen typischerweise von dem berührungsempfindlichen Bildschirm beabstandet. Die leitende Verbindung zwischen den Berührungsflächen ist dabei in der Regel derart angeordnet, dass die leitende Verbindung einen Abstand von mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm zum berührungsempfindlichen Bildschirm aufweist. Die genannte leitende Verbindung kann durch einen oder mehrere Metallstreifen oder Metalldrähte, z.B. -aus Kupfer und/oder Aluminium, realisiert werden, der oder die die Berührungsflächen mit einander verbinden. Für weitere Details wird auf folgende Veröffentlichung verwiesen, welche mittels Referenzieren vollumfänglich zum Teil dieser Offenbarung gemacht wird:
"PUCs: Detecting Transparent, Passive Untouched Capacitive Widgets on Unmodified Multi-touch Displays, Simon Voelker, Kosuke Nakajima, Christian Thoresen, Yuichi Itoh, Kjell Ivar 0vergärd, and Jan Borchers, ITS '13; Proceed- ings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Sur- faces, pages 101-104, New York, NY, USA, 2013".
Unter Umständen kann es passieren, dass beide Berührungsflächen derart auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm angeordnet sind, dass eine Kopplung mit Masse nicht möglich ist. Beispielsweise befinden sich beide Berührungsflächen auf derselben Detektionsleiterbahn. Deshalb kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens drei oder mindestens vier oder mindestens fünf oder sogar mehr Berührungsflächen vorgesehen sind; hierdurch wird nämlich die Wahrscheinlichkeit der Kopplung der Berührungsflächen mit einer Detektionsleiterbahn, die auf Masse liegt, immer größer.
Eine Anordnung der Berührungsflächen auf dem Eingabeelement kann als Berührungsmuster bezeichnet werden. Entsprechend einer zweidimensionalen Oberfläche eines berührungsempfindlichen Bildschirms ist das Berührungsmuster dabei üblicherweise auch zweidimensional. Somit liegen die Berührungsflächen des Berührungsmusters in der Regel in einer Ebene. Falls drei oder mehr Berührungsflächen vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, wenn diese derart angeordnet sind, dass das entsprechende Berührungsmuster höchstens eine C3-Symmetrie oder eine C Symmetrie aufweist. Mit anderen Worten kann das Berührungsmuster keine Drehsymmetrie aufweisen. In diesem Fall kann eine Mehrdeutigkeit des detektierten Berührungsmusters verringert werden. Wie oben beschrieben weist der berührungsempfindliche Bildschirm in der Regel zwei Gitter aus durchsichtigen Leiterbahnen auf. Die Leiterbahnen der Gitter kreuzen sich hierbei unter einem Kreuzungswinkel. Die Wahrscheinlichkeit der Kopplung über eine auf Masse liegende Leiterbahn ist größer, wenn der Kreuzungswinkel der Leiterbahnen des Berührungsempfindlichen Bildschirms in dem Berührungsmuster vermieden wird. Beispiels- weise werden drei der Berührungsflächen als A, B und C bezeichnet. Zwei Geraden werden durch die Verbindungsstrecken A-B und B-C gebildet. Ein durch die Verbindungsstrecken A-B und B-C eingeschlossener Winkel et ist vorzugsweise 0°< a<90° oder 90°< a<180°, wenn der Kreuzungswinkel der Leiterbahnen des berührungsempfindlichen Bildschirms 90° beträgt. I nsbesondere ist α also ungleich 0°, 90° und 180°. Bei einem Kreuzungswinkel ß der Leiterbahnen ist der durch die Verbindungsstrecken eingeschlossener Winkel α vorzugsweise ungleich ß und/oder ungleich 180° - ß und/oder es gilt 0°< a<ß oder ß< OK180°- ß oder 180°- ß< a<180°. Weiterhin können die Verbindungs- strecken A-B, B-C und A-C jeweils eine Länge aufweisen, die sich von den
Längen der anderen beiden Ve rb i nd u ngsst rec ke n unterscheidet. Die genannten Bedingungen für den Winkel und die Längen der Verbindungsstrecken können für willkürliche Kombinationen A, B und C sämtlicher Berührungsflächen erfüllt sein. Eine Länge einer Verbindungsstrecke zwischen den Schwer- punkten zweier Berührungsflächen kann z.B. mindestens 20 mm, mindestens
22 mm, mindestens 24 mm oder mindestens 26 mm betragen.
Die Berührungsflächen können beispielsweise ein Material umfassen, das ein elektrisches Feld auf ähnliche Art wie ein Finger eines Menschen verändert. Ein geeignetes Material für die Berührungsflächen wäre z. B. leitendes Gummi.
Gummi kann hierbei weiter verhindern, dass Kratzer auf einer Oberfläche des berührungsempfindlichen Bildschirms entstehen. Die Berührungsflächen, insbesondere Reibungseigenschaften eines verwendeten Material der Berührungsflächen, sollte dazu ausgestaltet sein, dass eine durch eine Hand eines Benutzers veranlasste Drehung des Eingabeobjekts auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm möglich ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Berührungsflächen eine Form aufweisen, die einer Form einer Fingerspitze beim Berühren des berührungsempfind- liehen Bildschirms ähnelt, da die berührungsempfindlichen Bildschirme in der
Regel dazu ausgelegt sind, Berührungen einer Fingerspitze zu detektieren. Typischerweise sind die Berührungsflächen rund oder elliptisch oder oval. Die Berührungsflächen können außerdem einen Durchmesser von mindestens 11 mm, vorzugsweise mindestens 12 mm oder mindestens 13 mm, aufweisen, damit sie durch den berührungsempfindlichen Bildschirm zuverlässig detek- tiert werden können. Die Berührungsflächen können weiter einen Durchmes- ser von höchstens 15 mm, vorzugsweise höchstens 14 mm oder höchstens 13 mm aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das Eingabeelement ein Gyroskop zum Erfassen einer Drehbewegung des Eingabeelements. Das Gyroskop misst z.B. eine rotatorische Geschwindigkeit und somit Drehbewegung des Eingabeelements. Für eine Bestimmung der Orientierung nutzt das Gyroskop typischerweise eine Corioliskraft und das sogenannte Stimmgabel-Prinzip. Im Gyroskop, das typischerweise eine Größe von 4 x 4 mm aufweist, werden z.B. Metall- elemente durch Strom zum Schwingen gebracht. Wird das Eingabeelement bewegt, so verändert sich die Schwingung der Metallelemente, und darum herum angeordnete Kondensatoren registrieren eine Veränderung, die dann als Drehbewegung detektiert wird. Andere dem Stand der Technik entsprechende Sensoren für Drehgeschwindigkeiten sind denkbar. Das Gyroskop kann vorzugsweise Drehgeschwindigkeiten bis zu 2000% mit einer Genauigkeit von 0,0625% und mit z.B. einer Datenrate von 12,5 Hz bis 800 Hz erfassen.
In einer Weiterbildung umfasst das Eingabeelement einen Feldsensor zum Erfassen einer elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms und/oder zum Messen einer Änderung der elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms. Mittels des Feldsensors kann also auch detektiert werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm aufliegt. Der Feldsensor kann dazu ausgebildet sein, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen zu erfassen.
Wenn der Feldsensor ausgebildet ist, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen zu erfassen, dient diese jeweilige Berührungsfläche dem Feldsensor als Antenne. Der Feldsensor kann die Feldstärke z. B. mit einer Messfrequenz von mindestens 50 kHz, mindestens 100 kHz, mindestens 200 kHz oder mindestens 300 kHz erfassen. Beispielsweise erfasst der Feldsensor die Feldstärke mit einer Frequenz von 400 kHz.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Eingabeelement einen Farbsensor oder mehrere Farbsensoren zum Erfassen einer durch den berüh- rungsempfindlichen Bildschirm angezeigten Farbe in zumindest einem Bereich des berührungsempfindlichen Bildschirms. Insbesondere ist der Farbsensor als Lichtsensor ausgestaltet, der zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums (also etwa von 380 nm bis etwa 780 nm) erfasst. Der Farbsensor kann auch als Kamera ausgebildet sein. Durch eine Detektion einer bestimmten Farbe auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und Vergleich dieser Farbe mit einem Farbverlauf oder Farbmuster, der oder das durch den berührungsempfindlichen Bildschirm wiedergegeben wird, kann beispielsweise eine Positionsveränderung des Eingabeelements detektiert werden. Ein zweiter Farbsensor kann, falls temporär nur eine oder keine Berührungsfläche durch den berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt wird, eingesetzt werden, um eine Anfangsposition und -drehwinkel des Eingabeelements festzustellen.
Dazu zeigt der berührungsempfindliche Bildschirm ein Farbmuster oder einen Farbverlauf an. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit (s. unten) kann dann mithilfe der durch den Farbsensor erkannten Farbe ermitteln, welche der Berührungsflächen vom berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt wurde und wo sich die Farbsensoren auf dem Bildschirm befinden. Aus den Positionen der zwei Farbsensoren und der Berührungsfläche lassen sich dann die aktuelle Position und Orientierung des Eingabeelements bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Eingabeelement einen Nähe- rungssensor zum Erfassen eines Abstands zwischen dem be rü h ru ngse m pf i nd - liehen Bildschirm und dem Eingabeelement. Je nach Ausführung kann eine Reichweite des Näherungssensors bis zu 10 cm betragen. Üblicherweise nutzt der Näherungssensor einen Infrarotstrahl, um zu überprüfen, ob sich der Bildschirm dem Eingabeelement nähert. Wird beispielsweise das Eingabeele- ment auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt, registriert der
Näherungssensor eine Reflexion der Infrarotstrahlen durch den Bildschirm, wodurch detektiert wird, dass das Eingabeelement sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm befindet. Weiter kann das Eingabeelement einen Speicher, wie z.B. random access memory (RAM), read only memory (ROM), eine Festplatte, ein magnetisches Speichermedium und/oder ein optisches Laufwerk aufweisen. In dem Speicher kann ein Identifizierungscode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert sein, z.B. ein UUID, der oder die dem Eingabeelement zugeordnet ist. Der Identifizierungscode oder die Identifizierungsnummer kann bei einer
Vielzahl von Eingabeelementen für jedes dieser Eingabeelemente einzigartig sein, d.h. verschiedene Eingabeeiemente haben verschiedene Identifizierungscodes oder Identifizierungsnummern. Nach dem Aufbau der Verbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit kann der Identifizierungscode oder die Identifizierungsnummer an die Steuer- und Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Sensordaten und/oder Sensorsignale können mit dem Identifizierungscode und/oder der Identifizierungsnummer des jeweiligen Eingabeelements verknüpft sein.
Im Speicher kann ferner ein Programm gespeichert sein, z.B. eine Software zur Verarbeitung oder Bearbeitung der Daten und/oder der Signale eines Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren.
Das Eingabeelement kann einen Prozessor, einen Microcontroller, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen, der dazu ausgebildet ist,
- Signale der oben beschriebenen Sensoren (Beschleunigungssensor und/oder Gyroskop und/oder Farbsensor und/oder Näherungssensor) zu bearbeiten, zu verarbeiten und/oder auszuwerten; und/oder
- einen oder mehrere oder sämtliche der beschriebenen Sensoren anzusteuern.
Üblicherweise umfasst das Eingabeelement ein Gehäuse, in dem die erste Kommunikationseinheit und der Beschleunigungssensor und, falls vorgesehen, zusätzliche oben beschriebene Sensoren, angeordnet sind. Das Gehäuse kann z.B. im Wesentlichen rotationssymmetrisch, ringförmig, quaderförmig, würfelförmig, scheibenförmig, zylinderförmig oder als Platte ausgebildet sein. Ein Durchmesser des Gehäuses kann mindestens 5 cm, mindestens 6 cm oder mindestens 7 cm sein. Weiter kann eine Höhe des Gehäuses mindestens 0,5 cm oder mindestens 2 cm oder mindestens 5 cm und/oder höchstens 10 cm oder höchstens 8 cm oder höchstens 6 cm betragen. In dem Gehäuse kann weiterhin eine Batterie oder ein Akku zur Stromversorgung der Sensoren und der ersten Kommunikationseinheit vorgesehen sein. Das Gehäuse kann aus einem gegossenen Gummi gefertigt sein, wobei das Gummi vorzugsweise eine Shore-Härte von A80 aufweist. Weiter kann das Gehäuse auch eine Außenhaut aus dem genannten gegossenen Gummi mit der Shore-Härte von A80 aufweisen. Die Berührungsflächen sind beispielsweise an einer Unterseite des Gehäuses angeordnet. Die Unterseite des Gehäuses ist hierbei üblicherweise dazu ausgelegt, dass sie auf den berührungsempfindlichen Bildschirm gestellt werden kann. Die Unterseite des Gehäuses kann durch eine höchstens 0,05 mm, vorzugsweise höchstens 0,1 mm, insbesondere höchstens 0,2 mm dicke nicht leitende Schutzfolie geschützt werden, die auch die Gleiteigenschaften des Eingabeelements zu verbessern vermag. Je nach Ausführung kann eine Grundfläche der Unterseite des Eingabeelements zum Beispiel mindestens 5 cm2, mindestens 10 cm2, mindestens 15 cm2, mindestens 20 cm2 oder mindestens 25 cm2 sein. Je nach Abmessungen der Grundfläche können mehr oder weniger Berührungsflächen vorgesehen sein. Wenn eine Kopplung mit dem Körper eines Benutzers (s. oben) zumindest beim Aufsetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Elements möglich ist, kann z.B. ein relativ kleines Berührungsmuster aus drei Berührungsflächen auf einer Grundfläche von etwa 25 cm2 vorgesehen sein. Wenn eine Kopplung mit dem Körper des Benutzers beim Aufsetzen des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm nicht möglich ist, kann ein größeres Berührungsmuster aus mindestens vier Berührungsflächen auf einer Grundfläche von etwa 50 cm2 oder größer vorgesehen sein.
Die Berührungsflächen können stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sein. Die Berührungsflächen können auch als Aufkleber ausgestaltet sein und an dem Gehäuse des Eingabeelements ge- klebt sein. Die Berührungsflächen können auch auf einer Hülle oder Hülse angeordnet sein, die an dem Eingabeelement befestigt ist oder mit dem Eingabeelement lösbar verbunden ist. Die Hülle oder Hülse können z.B.
Gummi, wie Silikonkautschuk, Polybutadien-Kautschuk oder vulkanisierten Naturkautschuk, enthalten oder aus einem der genannten Materialien beste- hen.
Um die elektrische Kopplung zu Masse über den Körper des Benutzers zu verbessern, kann ein elektrisch leitfähiges Kopplungselement an dem Gehäuse vorgesehen sein, wobei das Kopplungselement elektrisch mit den Berührungs- flächen verbunden ist, beispielsweise über Metalldrähte oder Metallstreifen.
Das Kopplungselement ist vorzugsweise derart auf dem Gehäuse des Eingabe- elements angeordnet, dass ein Benutzer beim Absetzen des Gehäuses auf den berührungsempfindlichen Bildschirm das Kopplungselement anfasst. Beispielsweise ist das Kopplungselement an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet. Das Kopplungselement kann z.B. ein Metall enthalten oder aus einem Metall gebildet sein und/oder als Streifen oder Ring ausgebildet sein. Das
Kopplungselement hat vorzugsweise einen Abstand von mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, mindestens 3 mm oder mehr zur Unterseite des Gehäuses. Hierdurch können durch das elektrisch leitfähige Kopplungselement bedingte Störungen in dem berührungsempfindlichen Bildschirm vermieden werden. Das Kopplungselement kann mit einer dünnen isolierenden Schicht von mindestens 0,05 mm versehen sein, damit das Material sich nicht„kalt" anfühlt und/oder zur optischen Aufwertung. Die isolierende Schicht sollte hierbei nicht dicker sein als 2 mm, um eine Kopplung zu Masse durch die isolierende Schicht hinreichend zu gewährleisten. Die isolierende Schicht kann z.B. eine Lackierung oder ein Film sein.
Insbesondere kann das Eingabeelement als Smartphone oder sogar als Tablet- PC ausgebildet sein. Die Berührungsflächen können dann als Aufkleber oder über die Hülle oder Hülse mit dem Smartphone oder Tablet-PC verbunden werden. Viele Smartphones oder Tablet-PCs umfassen heutzutage bereits einen Beschleunigungssensor und/oder eine Kamera und/oder ein Gyroskop und/oder einen Näherungssensor und/oder eine Kommunikationseinheit und/oder einen Identifizierungscode/Identifizierungsnummer und/oder einen Speicher und/oder einem Prozessor, sodass ein vorhandenes System nach- träglich mit Berührungsflächen und einer entsprechenden Software versehen werden kann und zu einem zuvor beschriebenen Eingabeelement für einen berührungsempfindlichen Bildschirm aufgerüstet werden kann.
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Eingabeelementen vorgesehen sein. Die Berührungsflächen jedes Eingabeelements bilden typischerweise ein Berührungsmuster, wobei jedes Eingabeelement typischerweise ein gleiches Berührungsmuster aufweist. Weiter kann jedes Eingabeelement jeweils einen Speicher aufweisen, in dem ein Identifizierungscode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert ist, der dem jeweiligen Eingabeelement zugeordnet ist. Hierdurch wird eine zweifelsfreie Identifikation jedes einzelnen Eingabeelements ermöglicht. Die oben genannten Sensoren können eine Datenübertragungsrate zwischen 1,6 Hz und 800 Hz haben, d.h. gemessene Signale der Sensoren können alle 641 ms bzw. alle 1,25 ms an die erste Kommunikationseinheit übertragen werden.
Außerdem wird mit der Erfindung eine Steuer- und Verarbeitungseinheit bereitgestellt. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann ausgelegt sein, Signale oder Daten eines oben genannten Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren zu verarbeiten oder zu bearbeiten. Für die Verarbeitung und/oder Bearbeitung der Signale und/oder der Daten der oben genannten Sensoren kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit einen Microcontroller, einen Prozessor, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen.
Hierbei kann ein digitaler Signalprozessor (DSP) zu einer kontinuierlichen Bearbeitung von digitalen Signalen ausgestaltet sein, beispielsweise digitalen Signalen der oben genannten Sensoren. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgestaltet ist, einen oder mehrere der genannten Sensoren anzusteuern.
Weiterhin kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit einen oder mehrere Speicher aufweisen, wie z.B. random access memory (RAM), read only memo- ry (ROM), eine Festplatte, ein magnetisches Speichermedium und/oder ein optisches Laufwerk. Im Speicher kann ein Programm gespeichert sein, z.B. eine Software zur Verarbeitung oder Bearbeitung der Daten und/oder der Signale eines Sensors oder mehrerer der oben genannten Sensoren.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit umfasst eine zweite Kommunikations- einheit zum Kommunizieren mit dem oben genannten Eingabeelement oder mit einer Vielzahl von Eingabeelementen. Die zweite Kommunikationseinheit ist vorzugsweise als drahtlose Kommunikationseinheit ausgestaltet. Bei einer drahtlosen Ausgestaltung umfasst die zweite Kommunikationseinheit zumindest eine Empfangseinheit zum Empfangen von Funksignalen. Optional kann zusätzlich eine Sendeeinheit zum Senden von Funksignalen vorgesehen sein.
Weiter umfasst die zweite Kommunikationseinheit z.B. eine Antenne zum Versenden und/oder Em fangen von Funksignalen. Die zweite Kommunikationseinheit kann ein Teil eines Netzwerks bilden oder mit einem Netzwerk verbunden sein. Mögliche drahtlose Verbindungen schließen beispielsweise WLAN oder WPAN, insbesondere Bluetooth, oder andere Nahfeldverbindungen ein.
Die erste Kommunikationseinheit des Eingabeelements und die zweite Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit können insbesondere drahtlos miteinander verbunden sein, beispielsweise über WLAN oder WPAN, insbesondere über eine Bluetooth-Verbindung oder eine andere Nahfeldverbindung. Andersartige drahtlose Verbindungen zwischen der ersten Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit, wie EnOcean, Z-Wave, ZigBee, WiMAX, UMTS / HSDPA, LTE (long term evolution), NanoNetm, UWB (Ultra Wideband) sind ebenfalls möglich und sind dem Fachmann bekannt.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann ausgestaltet sein zum Empfangen und/oder Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor des Eingabeelements erfassten Signals. Weiter kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgestaltet sein zum Erkennen, anhand der Signale des Beschleunigungssensors, eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm. Alternativ oder zusätzlich können die Auswertung der durch den Beschleunigungssensor erfassten Signale und/oder die Erkennung anhand der Signale des Beschleunigungssensors auch in dem Eingabeelement erfolgen.
In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit mit dem berührungsempfindlichen Bildschirm verbunden. Weiterhin kann sie ausgebildet sein zum Empfangen und/oder Auswerten von durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen (Berührungssignalen). Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann dazu ausgestaltet sein, die Berührungssignale mit den Sensordaten/Sensorsignalen zu vergleichen, und anhand des Vergleichs eine Position und/oder Orientierung des Eingabeeiements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm zu bestimmen.
Beispielsweise kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet sein zum Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeeiements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm anhand der Signale des Beschleunigungssensors und der durch die Berührungsflächen des Eingabeeiements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signale. Die Verbindung der Steuer- und Verarbeitungseinheit mit dem berührungsempfindlichen Bildschirm kann ebenfalls drahtlos sein; es kann aber auch eine Verbindung mittels eines Kabels vorgesehen sein, beispielsweise eines USB- Kabels. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit und der berührungsempfindliche Bildschirm in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch kann ein besonders kompaktes System zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise können der berührungsempfindliche Bildschirm und die Steuer- und Verarbeitungseinheit als Tablet-Computer oder Smartphone ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln einer Varianz der durch den Feldsensor des Eingabeeiements zeitlich gemessenen elektrischen Feldstärke. Die Varianz des Signals kann z. B. über eine Vielzahl von verschiedenen Werten berechnet werden.
Denkbar sind hier insbesondere mehr als 100 Werte, mehr als 1000 Werte oder mehr als 2000 Werte, insbesondere 4000 Werte.
Typischerweise wird die ermittelte Varianz des elektrischen Feldes mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Wenn die ermittelte Varianz größer als der vorbestimmte Wert ist, kann detektiert werden, dass das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm angeordnet ist. Die ermittelte Varianz der elektrischen Feldstärke ist auf kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirmen mehr als das Tausendfache einer gemessenen Varianz ohne Bildschirm und bei einem Abstand von 5 mm zwischen dem Eingabeelement und dem berührungsempfindlichen Bildschirm etwa das Hundertfa- che. Hierdurch kann ohne Kalibrierung auf einen speziellen berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt werden, ob das Eingabeelement auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm aufliegt. In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Auswerten der Signale des Gyroskops des Eingabeelements. Weiter ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, anhand der gemessenen Signale des Gyroskops einen Drehwinkel des Eingabeelements zu bestimmen.
In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Auswerten und/oder Empfangen von durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen; Bestimmen einer Orientierung der Berührungsflächen auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm anhand der durch die Berührungsflächen des Eingabeelements im berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signale; und Kalibrieren des Gyroskops zur Ermittlung eines absoluten Drehwinkels des Eingabeelements bezogen auf ein festes Koordinatensystem des berührungsempfindlichen Bildschirms. Somit kann eine anfängliche Orientie- rung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm über die Berührungsflächen detektiert werden, und anhand dieser erfassten Orientierung und der vom Gyroskop gemessenen Signale kann anschließend mit einer hohen Genauigkeit die Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm bestimmt werden.
In einer Weiterbildung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit ausgebildet zum Empfangen und/oder Auswerten eines durch den oder die Farbsensoren des Eingabeelements gemessenen Signals; zum Vergleichen des Signals mit einem Farbsignal des berührungsempfindlichen Bildschirms; und zum Bestimmen einer Position und/oder eines Drehwinkels des Eingabeelements anhand des Vergleichs. Beispielsweise werden bestimmte Farben oder ein bestimmtes Farbmuster auf dem Bildschirm angezeigt, wobei die angezeigten Farben durch den Farbsensor gemessen werden und wieder an die Steuer- und Verarbeitungseinheit weitergeleitet werden. Durch Vergleich der durch den Farbsensor gemessenen Farben und der durch den berührungsempfindli- chen Bildschirm ausgegebenen Farbsignale kann somit festgestellt werden, wo sich das Eingabeeiement gerade auf dem Bildschirm befindet und/oder wie der Drehwinkel des Eingabeelements momentan ist.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit kann außerdem ausgebildet sein, abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer
Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeelements den berührungsempfindlichen Bildschirm oder andere Geräte anzusteuern oder eine bestimmte Aktion auszuführen. Außerdem wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm bereitgestellt, wobei das Eingabeelement mindestens zwei Berührungsflächen aufweist, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm detektierbar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements mittels eines Beschleunigungssensors; Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor erfassten Signals; und Erkennen, anhand der gemessenen Beschleunigung, eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
Weiter kann das Verfahren die folgenden Schritte aufweisen: - Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit;
Feststellen einer Identität des Eingabeelements durch Übermittlung des im Speicher des Eingabeelements gespeicherten Identifizierungs- codes oder Identifizierungsnummer an die Steuer- und Verarbeitungseinheit.
Das Verfahren kann den folgenden Schritt aufweisen: - Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, wenn gleichzeitig so- wohl durch den berührungsempfindlichen Bildschirm als auch durch die weiteren Sensoren detektiert wird, dass das Eingabeelement auf den berührungsempfindlichen Bildschirm abgesetzt wird und/oder das Eingabeelement sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm be- findet.
Die gleichzeitige Detektion schließt hierbei eine zeitliche Differenz von höchstens 50 ms oder höchstens 30 ms oder höchstens 20 ms zwischen den Detek- tionen ein. Das Verfahren kann insbesondere einen oder mehrere Schritte aufweisen, die oben bei der Erläuterung des Eingabeelements und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit beschrieben wurden. Das Verfahren kann z.B. als Code implementiert sein, beispielsweise in der Form eines Computerprogramms auf einem Computer-lesbaren Medium, wie einem volatilen Speicher oder einem nicht-volatilen Speicher.
Weiter betrifft die Erfindung einen nicht-volatilen Speicher, der durch einen Computer lesbar ist. Der nicht-volatile Speicher umfasst ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zum, wenn es auf einer programmierbaren Hard- ware-Komponente läuft:
- Auswerten eines durch einen oben beschriebenen Beschleunigungssensor eines zuvor beschriebenen Eingabeelements erfassten Signals; Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung
eines Absetzens des Eingabeelements auf den berührungsemp- findlichen Bildschirm und/oder
einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm und/oder eines Abhebens des Eingabeelements von dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
Das Computerprogramm kann in dem Speicher des Eingabeelements und/oder in dem Speicher der Steuer- und Verarbeitungseinheit gespeichert sein. Das Computerprogramm kann durch eine programmierbare Hardware- Komponente ausgeführt werden, wie z.B. einen Prozessor, eine CPU, GPU oder ein Multi-Prozessor-System. Hierbei kann die programmierbare Hard- ware-Komponente in dem Eingabeelement und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit vorgesehen sein.
Es sei an dieser Stelle betont, dass Merkmale, die nur in Bezug auf das Eingabeelement oder die Steuer- und Verarbeitungseinheit genannt wurden, auch für das genannte Verfahren und/oder den genannten nicht-volatilen Speicher beansprucht werden können und anders herum.
Außerdem sei an dieser Stelle betont, dass Merkmale, z.B. bezüglich einer Auswertung von Daten und/oder Signalen der oben genannten Sensoren, die nur in Bezug auf die Steuer- und Verarbeitungseinheit genannt wurden, auch für das Eingabeelement beansprucht werden können und anders herum.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert. I n den Figuren zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Eingabeelements;
Fig. 2 vier Ansichten einer Unterseite eines Eingabeelements;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Systems, das ein Eingabeelement, einen berührungsempfindlichen Bildschirm sowie eine Steuer- und Verarbeitungseinheit umfasst;
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Unteransicht einer Hülle eines Eingabeelements; und
Fig. 6 eine Ansicht einer Unterseite eines ringförmigen Eingabeelements; und
Fig. 7 schematische Anordnung von elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte.
I n den Figuren sind wiederkehrende Merkmale mit denselben Bezugs:
versehen. Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Eingabeelements 1. Das Eingabeelement 1 ist als ein Eingabeelement 1 für einen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgestaltet. Das Eingabeelement 1 umfasst ein Gehäuse 8, das einen zylinderförmigen Ansatz 6 sowie einen konischen Teil 7, der sich nach oben hin verjüngt und im Wesentlichen aus einem nicht-leitenden Gummi besteht, umfasst. Das Gehäuse 8 hat eine Unterseite 2 und eine Oberseite 3. Zur Stromversorgung hat das Eingabeelement 1 eine Batterie. Der Ansatz 6 ist als Aluminium-Ring ausgestaltet und weist einen Abstand zur Unterseite 2 des Gehäuses 8 von mindestens 2 mm auf. Der Ansatz 6 kann mit einer isolierenden Lackierung von etwa 0,1 mm versehen sein.
Das Eingabeelement 1 umfasst ferner eine Kommunikationseinheit mit einer Antenne 4 zum Kommunizieren mit einer weiter unten beschriebenen Steuer- und Verarbeitungseinheit 30. An der Unterseite 2 umfasst das Eingabeelement 1 eine Vielzahl von Berührungsflächen 5, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 detektierbar sind.
In Figur 2 sind vier exemplarische Ausführungsformen von Unterseiten 2 des in der Fig. 1 dargestellten Eingabeelements 1 gezeigt. Die vier verschiedenen Ausführungsformen der Unterseite 2 des Eingabeelements 1 unterscheiden sich lediglich in der Anzahl und der Anordnung der Berührungsflächen 5. In Figur 2 sind Eingabeelemente 1 mit zwei Berührungsflächen 5, mit drei Berührungsflächen 5, mit vier Berührungsflächen 5 und mit fünf Berührungsflächen 5 gezeigt. Die Berührungsflächen 5 jedes Eingabeelements 1 bilden jeweils ein Berührungsmuster auf der Unterseite 2 des Eingabeelements 1, wobei das Berührungsmuster in den Ausführungsformen des Eingabeelements 1 mit drei, vier oder fünf Berührungsflächen 5 keine Symmetrie oder eine C3- Symmetrie aufweist, d.h. das zweidimensionale Berührungsmuster besitzt keine Drehsymmetrie.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Berührungsflächen 5 kreisförmig ausgebildet; alternativ können die Berührungsflächen 5 auch oval oder elliptisch ausgestaltet sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Berührungsflächen 5 jedes einzelnen Eingabeelements sich in der Form unterscheiden. Das Eingabeelement 1 kann also eine runde Berührungsfläche, eine ovale Berüh- rungsfläche und eine elliptische Berührungsfläche 5 aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Berührungsflächen 5 einen Durchmesser von etwa 12 mm. Die Schwerpunkte der Berührungsflächen 5 weisen untereinander jeweils einen minimalen Abstand von 24 mm auf. Weiter sind die Berüh- rungsflächen 5 aus einem elektrisch leitfähigen Gummi hergestellt. Die Berührungsflächen 5 sind untereinander mittels nicht-dargestellter Kupferstreifen oder -drähte elektrisch leitend verbunden. Beim Aufliegen des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sind die Kupferstreifen oder -drähte von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20
beabstandet, die Kupferstreifen oder -drähte berühren den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 also nicht. Weiter sind die Berührungsflächen 5 mittels nicht-dargestellter Kupferdrähte mit dem zylinderförmigen Ansatz 6 elektrisch leitend verbunden.
Weiterhin weist das Eingabeelement 1 einen (volatilen und/oder nicht- volatilen) Speicher 15 auf. In dem Speicher 15 ist ein Identifizierungscode gespeichert, der dem spezifischen Eingabeelement 1 zugeordnet ist. Der Identifizierungscode kann z. B. ein UUID sein. Mittels des Identifizierungscodes kann bei Aufliegen einer Vielzahl von Eingabeelementen 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 jedes Eingabeelement 1 eindeutig durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 identifiziert werden. Optional kann das Eingabeelement 1 einen nicht-dargestellten Prozessor oder einen Microcontroller aufweisen, der die Signale oder Daten der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 auswertet.
Falls mehrere Eingabeelemente 1 gleichzeitig benutzt werden, sind die Berührungsflächen 5 vorzugsweise in gleicher Weise ausgeführt. Insbesondere weisen die Eingabeelemente 1 in diesem Fall ein gleiches Berührungsmuster auf. Zur Unterscheidung der einzelnen Eingabeelemente 1 können dann die Identifizierungscodes oder Identifizierungsnummern der jeweiligen Eingabeelemente 1 herangezogen werden.
Das Eingabeelement der Figur 1 umfasst eine Vielzahl verschiedener Sensoren 10 bis 14. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fign. 1 und 2 sind ein Beschleunigungssensor 10, ein Gyroskop 11, ein Feldsensor 12, ein Farbsensor 13 und ein Näherungssensor 14 gezeigt. Es können auch mehrere Farbsenso- ren 13 vorgesehen sein, z.B. zwei Farbsensoren. Obwohl nur ein Eingabeelement 1 der Fig. 2 mit Sensoren 12, 13, und 14 dargestellt ist, können die jeweils anderen Eingabeelemente 1 der Fig. 2 ebenfalls mit diesen Sensoren 12, 13, 14 ausgestattet sein. Der Feldsensor 12, der oder die Farbsensoren 13 und der Näherungssensor sind an der Unterseite 2 des Gehäuses 8 des Eingabeelements 1 angeordnet, vgl. Fig. 2. Um eine Messung der Sensoren 12, 13, und 14 zu vereinfachen, kann an der Unterseite 2 des Gehäuses 8 eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Wie in der Fig. 1 angedeutet, können der Beschleunigungssensor 10 und das Gyroskop 11 weiter oben in dem Gehäuse 8 angeordnet sein.
Die Wirkungsweise der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 wird weiter unten beschrieben. Die Fig. 5 zeigt eine Unteransicht einer Hülle 16 eines nicht dargestellten
Eingabeelements. Das Eingabeelement umfasst in dieser Ausführung außerdem ein Smartphone, das einen Beschleunigungssensor, eine Kamera, ein Gyroskop, einen Näherungssensor, eine Kommunikationseinheit, einen Identifizierungscode/Identifizierungsnummer, einen Prozessor zur Auswer- tung der genannten Sensoren und einen Speicher, in dem eine Auswertungsund Verarbeitungssoftware gespeichert ist, aufweist.
Die in der Fig. 5 dargestellt Hülle 16 ist im Wesentlichen aus einem weichen, elastischen Material gefertigt und kann formschlüssig oder kraftschlüssig an das Smartphone befestigt werden. Im zusammengebauten Zustand bildet die
Hülle 16 die Unterseite des Eingabeelements. Die Hülle 16 weist eine Ausnehmung 17 auf, damit die Kamera und/oder der Näherungssensor des Smartphones nicht durch die Hülle 16 versperrt werden. Falls die Hülle 16 ein durchsichtiges Material enthält, kann auf die Ausnehmung 17 verzichtet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Hülle 16 vier Berührungsflächen 5, die elektrisch miteinander verbunden sind. Für die Eigenschaften der Berührungsflächen 5 wird auf die in der Fig. 2 gezeigten Berührungsflächen 5 verwiesen. Für eine optisch hochwertigeres Erscheinungsbild kann die Hülle eine dünne isolierende Deckschicht von höchstens 0,5 mm aufweisen, die einerseits die Berührungsflächen 5 verdeckt, andererseits eine Detektion der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gewährleistet.
Die Figur 6 zeigt eine Unteransicht eines Eingabeelements 19 mit einem ringförmigen Gehäuse 18. Das Eingabeelement 1 der Figur 6 unterscheidet sich von den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Eingabeelementen lediglich dadurch, dass das Gehäuse 18 des Eingabeelements 19 ringförmig ist. Ein Außendurchmesser des ringförmigen Gehäuses 18 kann z.B. mindestens 90 mm, mindestens 110 mm, insbesondere mindestens 130 mm, besonders bevorzugt mindestens 150 mm sein. Obwohl das gezeigte Eingabeelement 19 drei Berührungsflächen 5 aufweist, können, wie in der Fig. 2 dargestellt, auch zwei, vier, fünf oder mehr Berührungsflächen 5 vorgesehen sein. Die Berührungsflächen 5 weisen vorzugsweise Innenwinkel von etwa 63°, 73° und 44° auf. Das Gehäuse 18 kann an einer Oberseite ein leitfähiges Material, wie der ringförmige Ansatz in der Fig. 1, aufweisen, das mit den Berührungsflächen 5 elektrisch leitend verbunden ist und das einen minimalen Abstand von 2 mm zu einer Unterseite 2 des Gehäuses 19 aufweist. Zwischen der Unterseite 2 und dem leitfähigen Material ist das Gehäuse aus einem nicht-leitenden Gummi mit einer Shore-Härte von A80 gefertigt.
In weiteren Ausführungsformen kann das Gehäuse des Eingabeelements 1 oder des Eingabeelements 19 z.B. auch quaderförmig, als Scheibe oder als Platte, beispielsweise mit einer Höhe von 1 cm, ausgebildet sein. Figur 3 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines Systems 100, wobei das
System das in den Figuren 1 und 2 beschriebene Eingabeelement 1 umfasst und weiterhin einen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sowie eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 aufweist. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 ist mittels eines Kabels 31 mit der Steuer- und Verarbeitungs- einheit 30 verbunden, wobei das Kabel vorzugsweise als USB-Kabel ausgestaltet ist. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 wird auch als Touch- screen bezeichnet und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm. In anderen Ausführungsbeispielen ist es aber auch möglich, den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 als optischen, induktiven oder resistiven berührungsempfindlichen Bildschirm auszugestalten. Der berührungsempfindliche Bildschirm 20 kann z. B. auch als Tisch- platte fungieren; in diesem Fall können Tischbeine an dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 montiert werden.
Weiter ist der berührungsempfindliche Bildschirm 20 ausgestaltet, eine Vielzahl von Berührungen gleichzeitig zu detektieren (Multitouch-Display). Die
Berührung kann hierbei sowohl durch einen menschlichen Finger als auch durch die Berührungsflächen 5 des oben gezeigten Eingabeelements 1 erfolgen. Weiter können Berührungsflächen 5 einer Vielzahl von Eingabeelementen 1 gleichzeitig durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 detektiert werden.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 umfasst eine zweite Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit der ersten Kommunikationseinheit 4 des Eingabeelements 1. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ist insbesondere ausgestaltet zum Empfangen und Auswerten der durch die Sensoren 10 bis 14 des Eingabeelements 1 erfassten Signale oder Daten. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Eingabeelement 1 dazu ausgestaltet sein, die Daten oder die Signale der Sensoren 10 bis 14 mittels des oben genannten Prozessors auszuwerten. In diesem Fall ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ausgestaltet, die durch den Prozessor des Eingabeelements 1 ausgewerteten
Daten der Sensoren 10 bis 14 zu empfangen.
Für die Verarbeitung und/oder Bearbeitung und/oder Auswertung der Signale und/oder der Daten der oben genannten Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 weist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 z.B. einen Microcontroller, einen Prozessor, einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor auf.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 ist zudem ausgestaltet zum Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen). Weiter ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgestaltet, durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gemessene Berührungssignale mit den Signalen oder Daten der Sensoren 10 bis 14 zu vergleichen und durch den Vergleich eine Position, eine Positionsänderung, einen Drehwinkel und eine Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zu bestimmen. Abhängig von der Position und/oder dem Drehwinkel und/oder der Positionsveränderung und/oder der Drehwinkelveränderung des Eingabeelements 1 kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 oder ein anderes nicht gezeigtes Gerät ansteuern oder eine bestimmte Aktion ausführen.
Nachfolgend soll die Wirkung der einzelnen Sensoren 10 bis 14 beschrieben werden.
Der Beschleunigungssensor 10 ist ausgestaltet zum Erfassen eines Absetzens des Eingabeelements 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20. Die Absetzbewegung des Eingabeelements 1 ist in Figur 3 mittels des Pfeils 21 angedeutet. Beim Aufsetzen tritt eine charakteristische kurzzeitige Beschleunigung in Richtung der Oberseite 3 des Eingabeelements 1 auf. Durch Auswerten der Beschleunigung kann diese charakteristische Beschleunigung beim Aufsetzen erkannt werden, und es kann festgestellt werden, dass das Eingabeelement 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gestellt wurde. Daraufhin detektiert der berührungsempfindliche Bildschirm 20, dass die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 auf dem Bildschirm 20 platziert wurden.
Der für das jeweilige Eingabeelement spezifische Identifizierungscode UUID wird über die erste Kommunikationseinheit 4 zu der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 übermittelt. Die Signale des Beschleunigungssensors 10 und ein etwa zeitgleiches Erscheinen der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 sowie der über Funkverbindung übertragene Identifizierungscode des Eingabeelements 1 erlauben eine eindeutige Identifikation des Eingabeelements 1.
Außerdem kann anhand der Signale des Beschleunigungssensors 10 und der durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signale so zweifelsfrei eine Position und/oder Orientierung des Eingabeeiements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 erkannt werden. Der Beschleunigungssensor 10 ist des Weiteren ausgestaltet, eine Beschleunigung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zu erfassen. Wie weiter oben beschrieben, kann es vorkommen, dass der berührungsempfindliche Bildschirm 20 eine oder mehrere Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 herausfiltert, weil sie als Fehler erkannt werden. Durch die Erfassung der Beschleunigung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 kann ein Richtungswechsel des Eingabeelements 1 gemessen und/oder vorausgesagt werden, und durch die Verknüpfung der Daten des Beschleunigungssensors 10 mit den durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelösten Signalen können die Berührungsflächen 5 wieder dem jeweiligen Eingabeelement 1 zugeordnet werden.
Weiter kann der Beschleunigungssensor 10 ausgestaltet sein zum Erfassen eines Abhebens des Eingabeelements 1 von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20. Auch beim Abheben tritt nämlich eine charakteristische kurzzeitige Beschleunigung in Richtung der Oberseite 2 des Eingabeelements 1 auf. Durch Auswerten dieses Signals kann somit erkannt werden, dass sich das Eingabeelement 1 nicht mehr auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet.
In einer Ausführungsform ist das Eingabeelement 1 dazu ausgebildet, eine Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 herzustellen, wenn vom Beschleunigungssensor eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung festgestellt wird.
Typischerweise ist der Beschleunigungssensor 10 ausgebildet zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer zeitlichen Genauigkeit von mindestens 10 Millisekunden. Es soll also Beschleunigungen voneinander unterschieden werden können, wenn sie in einem zeitlichen Abstand von 10 Millisekunden oder mehr erfolgen. In diesem Fall kann zuverlässig erkannt werden, wenn zwei Eingabeelemente 1 quasi gleichzeitig auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 abgesetzt werden. "Quasi gleichzeitig" heißt hierbei also, dass das Absetzen der beiden Eingabeelemente eine zeitliche Differenz von höchstens 10 ms oder höchstens 20 ms oder höchstens 50 ms aufweist. Mithilfe des Beschleunigungssensors 10 kann somit eine Geschwindigkeitsabnahme bzw. eine Geschwindigkeitszunahme des Eingabeelements 1 in verschiedene Richtungen detektiert werden. Auch die Richtung, in die das Eingabeelement 1 beschleunigt wird, erfasst der Beschleunigungssensor 10, indem er feststellt, von wo die Schwerkraft auf das Eingabeelement 1 wirkt. Hierbei wird eine Verschiebung der Kräfte in der Regel entlang dreier Achsen gemessen, der x-Achse (links/rechts), der y-Achse (oben/unten) und der z- Achse (vorne/hinten). Dazu nutzt der Beschleunigungssensor 10 ein mikro- elektromechanisches System (MEMS). In der Mitte des üblicherweise etwa 3 x 3 mm großen Beschleunigungssensors 10 befinden sich drei wenige Mikrometer breite Siliziumstäbe als Federn. Wird das Eingabeelement 1 bewegt oder gedreht, bewegen sich die drei Stäbe durch die Trägheit der eigenen Masse, und eine Position gegenüber am Rand festsitzenden Elektroden verändert sich. Eine Software errechnet dann eine Stärke der Beschleunigung aus der sich verändernden elektrischen Kapazität. Andere dem Fachmann bekannte Ausführungsformen des Beschleunigungssensors sind auch möglich.
Das Gyroskop 11 misst eine rotatorische Geschwindigkeit und somit Drehbewegungen des Eingabeelements 1. Mit dem Beschleunigungssensor 10 zusammen kann so die Bewegungsänderung des Eingabeelements 1 erkannt werden. Das Gyroskop 11 kann nach dem Platzieren des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 kalibriert werden. Wie schon oben angedeutet, ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgebildet, Signale auszuwerten und/oder zu empfangen, die durch die Berührungsflächen des Eingabeelements in dem berührungsempfindlichen Bildschirm ausgelöst werden. Durch diese Auswertung kann eine Orientierung der Berührungsflächen 5 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 bestimmt werden. Mithilfe dieser Bestimmung der Orientierung der Berührungsflächen 5 und somit des Eingabeelements 1 kann das Gyroskop 11 kalibriert werden. Insbesondere kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 dazu ausgebildet sein, Signale des Gyroskops 11 des Eingabeelements 1 auszuwerten und einen Drehwinkel des Eingabeelements 1 anhand der gemessenen Signale des Gyroskops 11 zu bestimmen.
Der Feldsensor 12 misst eine elektrische Feldstärke in jeder der Berührungsflächen 5. Der Feldsensor 12 umfasst eine Antenne, einen Signalverstärker und einen Anaiog-Digitai-Wandler, der die elektrische Feldstärke in digitale Werte wandelt. Die Berührungsflächen 5 dienen hierbei als Antennen für den Feldsensor 12. Der Feldsensor 12 erfasst die Feldstärke beispielsweise mit einer Messfrequenz von ca. 400 kHz. Danach wird eine Varianz des Signals über ca. 4000 Werte berechnet. Hiervon abweichende Werte sind ebenfalls möglich.
Im Folgenden seien n die Anzahl der Werte und f„ der n-te Wert der Feldstärke. Dann werden Mittelwert μ und Varianz v nach den üblichen Formeln berechnet:
1 " i "
Konkret ist z.B. für die Bestimmung eines Varianzwerts n = 4096. Hierbei kann die Varianz alle 4096 Punkte bestimmt werden. Die Feldstärke wird mit einer Frequenz von 400kHz (alle 0,0025ms) gemessen. Damit werden Werte der Varianz mit einer Frequenz von 100Hz (alle 10ms) erhalten. Alternativ beträgt ein Running Window für die Bestimmung der Varianz beispielsweise 4096
Punkte.
Mit dem Feldsensor 12 wird eine elektrische Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms 20 und/oder eine Änderung der elektrischen Feldstärke gemessen. Beispielsweise werden folgende relative Werte für die Varianz der elektrischen Feldstärke gemessen: über 1000 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20; etwa 100 bei einem Abstand von 1 mm bis etwa 5 mm zwischen dem Eingabeelement 1 und dem Bildschirm 20; und 0 bei einem Abstand von 10 mm oder mehr zwischen dem Eingabeelement 1 und dem Bildschirm 20.
Durch die Messung der Varianz der elektrischen Feldstärke kann ohne Kalibrierung auf einen speziellen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 erkannt werden, ob das Eingabeelement 1 sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet oder nicht. Der Farbsensor 13 ist an der Unterseite 2 des Eingabeeiements 1 angeordnet. Der Farbsensor 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kamera ausgestaltet. Mithilfe des Farbsensors 13 kann detektiert werden, welche Farbe gerade unterhalb des Farbsensors 13 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 angezeigt wird. Es kann beispielsweise ein bestimmtes Farbmuster auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 zumindest kurzzeitig angezeigt werden. Durch Vergleich der durch den Farbsensor 13 gewonnenen Daten mit einem durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgegebenen Farbsignal kann festgestellt werden, wo sich das Eingabeelement 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet. Außerdem kann hierdurch ein Drehwinkel oder Orientierung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 bestimmt werden. Falls mehrere Eingabeelemente 1 gleichzeitig auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 platziert werden, kann anhand des Färb- und/oder Helligkeitsvergleichs eine Identität der Eingabeelemente 1 eindeutig festgestellt werden. Weiter kann mithilfe des Farbsensors 13 eine Positionsänderung des Eingabeelements 1 gemessen werden.
Der Näherungssensor 14 ist ebenfalls an der Unterseite 2 des Eingabeele- ments 1 angeordnet. Mit dem Näherungssensor 14 kann ebenfalls erkannt werden, ob und wann das Eingabeelement 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 gestellt wurde. Dazu nutzt der Näherungssensor 14 einen Infrarotstrahl, um zu überprüfen, ob sich das Eingabeelement 1 dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 nähert.
Falls ein Sensor 10, 11, 12, 13, 14 eine unzureichende Information über eine aktuelle Position und/oder einen aktuellen Drehwinkel des Eingabeelements 1 liefert oder nicht alle Berührungsflächen vom berührungsempfindlichen Bildschirm erkannt werden, kann diese Information durch Heranziehen der Daten der anderen Sensoren vervollständigt werden.
Für den Fachmann ist es klar, dass Signale oder Daten jedes der einzelnen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 ausgewertet werden können, indem z.B. gemessene Signale oder Daten mit vorbestimmten Referenzwerten oder vorbe- stimmten Schwellenwerten verglichen werden. Auch können die Signale der jeweiligen Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 mit zuvor gemessenen Signalen vergli- chen werden. Die vorbestimmten Referenzwerte oder die vorbestimmten Schwellenwerte können unter Umständen auch adaptiv angepasst werden.
Mit der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Erkennen des zuvor beschriebenen Eingabeelements 1 auf dem zuvor beschriebenen berührungsempfindlichen Bildschirm 20 vorgeschlagen. Einzelne Schritte des Verfahrens sind in der Fig. 4 angedeutet.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements 1 und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 2 (S100);
Feststellen einer Identität des Eingabeelements 1 durch Übermittlung des im Speicher 15 des Eingabeelements 1 gespeicherten Identifizierungscodes an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements 1 mittels eines Beschleunigungssensors 10 (S200);
Übermitteln der Sensorsignale des Beschleunigungssensors 10 an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 2 (S300);
- Auswerten der durch den Beschleunigungssensor 10 erfassten Signale (S400);
Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30 (S500);
- Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10 (S600);
Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10 (S700). Abhängig von der Geschwindigkeit der Funkverbindung in Relation zur Geschwindigkeit der Erkennung des berührungsempfindlichen Bildschirms 20 kann Schritt S500 auch vor Schritt S200 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zum oben beschriebenen Verfahren können auch folgende Schritte durchgeführt werden:
Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements 1 mittels eines Beschleunigungssensors 10;
Auswerten des Signals des Beschleunigungssensors 10 durch einen Prozessor des Eingabeelements 1;
Erkennen einer von der Erdbeschleunigung verschiedenen Beschleunigung des Eingabeelements 1;
Aufbauen einer Funkverbindung zwischen der ersten Kommunikationseinheit des Eingabeelements 1 und der zweiten Kommunikationseinheit der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
Feststellen einer Identität des Eingabeelements 1 durch Übermittlung des im Speicher 15 des Eingabeelements 1 gespeicherten Identifizierungscodes an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30;
Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10;
Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Signalen des Beschleunigungssensors 10.
Die beiden genannten Verfahren können folgende weitere Schritte umfassen:
Erfassen von Sensorsignalen durch das Gyroskop 11, den Feldsensor 12, den Farbsensor 13 oder die Farbsensoren und des Näherungssensor 14; Übermitteln der Sensorsignale des Gyroskops 11, des Feldsensors 12, des Farbsensors 13 oder der Farbsensoren und des Näherungssensors 14 an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
- Auswerten der durch die Sensoren 11-14 erfassten Sensorsignale
durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30;
Empfangen und Auswerten von durch die Berührungsflächen 5 des Eingabeelements 1 in dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 ausgelösten Signalen (Berührungssignalen) durch die Steuer- und Auswerteeinheit 30;
- Vergleichen der Berührungssignale mit den ausgewerteten Sensorsignalen der Sensoren 11-14;
Bestimmen einer Position, einer Positionsänderung, eines Drehwinkels und/oder einer Drehwinkeländerung des Eingabeelements 1 auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 durch den Vergleich der Berührungssignale mit den ausgewerteten Sensorsignalen der Sensoren 11-14.
Die genannten Verfahren können weiter folgende Schritte umfassen:
Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung und/oder der gemessenen Feldstärke und/oder eines durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 angezeigten und durch den Farbsensor gemessenen Farbmusters und/oder des Abstands zwischen dem Eingabeelement 1 und dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 eines Abset- zens des Eingabeelements 1 auf den berührungsempfindlichen Bildschirm 20;
- eines Abhebens des Eingabeelements 1 von dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20.
Das Verfahren kann weiter den folgenden Schritt aufweisen:
Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, wenn gleichzeitig sowohl durch den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 als auch durch den Beschleunigungssensor 10 und/oder die weiteren Sensoren 11-14 detektiert wird, dass das Eingabeelement 1 auf den berührungsemp- findlichen Bildschirm 20 absetzt und/oder das Eingabeelement 1 sich auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 befindet.
Die gleichzeitige Detektion schließt hierbei eine zeitliche Differenz von höchstens 50 ms oder höchstens 30 ms oder höchstens 20 ms zwischen den Detek- tionen ein.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 steuert anschließend abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeelements 1 den berührungsempfindlichen Bildschirm 20 oder ein anderes Gerät an oder führt eine bestimmte Aktion aus.
Weiter umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zur Durchführung des oben genannten Verfahrens. Das Computerprogramm kann in dem Speicher des Eingabeelements 1 oder in dem Speicher der Steuer- und
Verarbeitungseinheit 30 gespeichert sein.
Merkmale die nur im Zusammenhang mit dem Verfahren genannt wurden können mit Merkmalen die nur im Zusammenhang mit dem Eingabeelement 1 und/oder dem berührungsempfindlichen Bildschirm 20 und/oder der Steuer- und Verarbeitungseinheit 30 kombiniert werden und andersherum.
Anhand der Figur 7 soll eine mögliche Anordnung von elektronischen Schaltelementen des Eingabeelements erläutert werden. Auf einer als„printed- circuit-board" (PCB) ausgebildeten Platine 800 sind auf der dargestellten
Vorderseite eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angeordnet.
Auf der Vorderseite ist eine CPU 802 angeordnet, welche eine die Auswertung der Sensoren realisiert. Die Sensoren umfassen hierbei ein (oder mehrere) Gyroskope 804, einen Beschleunigungssensor 806, einen Feldsensor mit entsprechender Elektronik 808 sowie Farbsensoren, welche auf der nicht dargestellten Rückseite der Platine angeordnet sind.
Ferner umfasst die Platine eine Stromversorgung und Akku-Ladeelektronik 810, welche unter anderem die Stromversorgung der einzelnen elektronischen Bauteile mittels des Akkumulators 812 sicherstellt. Um die vorverarbeiten Signale an eine Auswerteinheit weiterzuleiten, ist ferner eine Bluetooth-Antenne 814 mit entsprechender Signalanpassungselektronik vorgesehen, welche über die CPU 802 angesprochen wird. Weiter- hin ist ein Adapter 816 vorhanden, über welchen die Schaltanordnung mit aktualisierter Firmware bespielt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Eingabeelement (1) für einen berührungsempfindlichen Bildschirm
(20), umfassend
- eine erste Kommunikationseinheit (4) zum Kommunizieren mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit (30); mindestens zwei Berührungsflächen (5), die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind; und einen Beschleunigungssensor (10) zum Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1).
2. Eingabeelement (1) nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungssensor (10) ausgestaltet ist zum Erfassen
- eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder einer Beschleunigung des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
3. Eingabeelement (1) nach Anspruch 2, ausgebildet zum, wenn eine von der Erdbeschleunigung verschiedene Beschleunigung des Eingabeelements (1) durch den Beschleunigungssensor (10) erfasst wurde,
- Herstellen einer Verbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) mittels der ersten Kommunikationseinheit (4).
4. Eingabeelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (10) ausgebildet ist zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer Genauigkeit von mindestens 0,2 g, vorzugsweise mindestens 0,1 g, besonders bevorzugt mindestens 0,05 g und/oder einer Übertragungsrate von mindestens 10 Hz, vorzugsweise mindestens 20 Hz, besonders bevorzugt mindestens 50 Hz, insbesondere mindestens 100 Hz.
Eingabeelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend
- ein Gyroskop (11) zum Erfassen einer Drehbewegung des Eingabeelements (1); und/oder einen Feldsensor (12) zum Erfassen einer elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms (20) und/oder zum Messen einer Änderung der elektrischen Feldstärke des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); und/oder einen Farbsensor (13) oder mehrere Farbsensoren (13) zum Erfassen einer durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) angezeigten Farbe in zumindest einem Bereich des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); und/oder einen Näherungssensor (14) zum Erfassen eines Abstands zwischen dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und dem Eingabeelement (1).
Eingabeelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldsensor (12) ausgebildet ist, eine elektrische Feldstärke in mindestens einer der Berührungsflächen (5) zu erfassen.
Eine Vielzahl von Eingabeelementen (1) nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsflächen (5) jedes Eingabeelements (1) ein Muster bilden und jedes Eingabeelement (1) ein gleiches Muster aufweist, wobei jedes Eingabeelement (1) einen Speicher (15) aufweist, in dem ein Identifizierungcode oder eine Identifizierungsnummer gespeichert ist, der oder die dem jeweiligen Eingabeelement (1) zugeordnet ist. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30), umfassend eine zweite Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einem Eingabeelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Vielzahl von Eingabeelementen nach Anspruch 7, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) verbunden ist und vorzugsweise ausgestaltet ist, zum Empfangen und/oder Auswerten von durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signalen.
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach Anspruch 8, ausgestaltet zum
- Auswerten und/oder Empfangen eines durch den Beschleunigungssensor (10) des Eingabeelements (1) erfassten Signals; und Erkennen anhand der Signale des Beschleunigungssensors (10) o eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ausgebildet zum
Erkennen einer Position und/oder Orientierung des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anhand der Signale des Beschleunigungssensors (10) und der durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signale. Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum Ermittein einer Varianz der durch den Feldsensor (12) des Eingabeelements (1) gemäß Anspruch 3 zeitlich gemessenen elektrischen Feldstärke, Vergleichen der ermittelten Varianz des elektrischen Feldes mit einem vorbestimmten Wert, und wenn die ermittelte Varianz größer als der vorbestimmte Wert ist,
Detektieren, dass das Eingabeelement (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) angeordnet ist.
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist, Signale des Gyroskops (11) des Eingabeelements (1) gemäß Anspruch 3 auszuwerten und einen Drehwinkel des Eingabeelements (1) anhand der gemessenen Gyroskopsignale zu bestimmen.
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum
- Auswerten und/oder Empfangen von durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) in dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signalen; Bestimmen einer Orientierung der Berührungsflächen (5) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anhand der durch die Berührungsflächen (5) des Eingabeelements (1) im berührungsempfindlichen Bildschirm (20) ausgelösten Signale; und Kalibrieren des Gyroskops (11) zur Ermittlung eines absoluten
Drehwinkels des Eingabeelements (1) bezogen auf ein festes Koordinatensystem des berührungsempfindlichen Bildschirms (20).
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum -- Empfangen und/oder Auswerten der durch den oder die Farbsensoren (13) gemäß Anspruch 5 gemessenen Signale; Vergleichen des Signals mit einem Farbsignal des berührungsempfindlichen Bildschirms (20); Bestimmen einer Position und/oder eines Drehwinkels des Eingabeelements (1) anhand des Vergleichs.
Steuer- und Verarbeitungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist, abhängig von einer Position und/oder einem Drehwinkel und/oder einer Positionsveränderung und/oder einer Drehwinkelveränderung des Eingabeele- ments (1) den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) anzusteuern oder eine bestimmte Aktion auszuführen.
Verfahren zum Erkennen eines Eingabeelements (1) auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm, wobei das Eingabeelement (1) mindestens zwei Berührungsflächen (5) aufweist, die durch den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) detektierbar sind, umfassend die Schritte:
- Erfassen einer Beschleunigung des Eingabeelements (1) mittels eines Beschleunigungssensors (10); Auswerten eines durch den Beschleunigungssensor (10) erfassten
Signals; Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung o eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
Nicht-volatiler Speicher, der durch einen Computer lesbar ist, umfassend ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist zum, wenn es auf einer programmierbaren Hardware-Komponente läuft,
- Auswerten eines durch einen Beschleunigungssensor (10) eines Eingabeelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1-6 erfassten Signals; Erkennen anhand der gemessenen Beschleunigung o eines Absetzens des Eingabeelements (1) auf den berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o einer Bewegungsrichtung und/oder eines Aufliegens des Eingabeelements (1) auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20) und/oder o eines Abhebens des Eingabeelements (1) von dem berührungsempfindlichen Bildschirm (20).
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