WO2003050671A2 - Kombination von computertastatur und maussteuerungsvorrichtung - Google Patents

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    • H01H2239/006—Containing a capacitive switch or usable as such

Definitions

  • the present invention relates to a keyboard, in particular a computer keyboard. It also relates to an electrode arrangement, in particular for insertion into the keyboard housing of a keyboard, and to a device for controlling a cursor or mouse pointer by influencing capacitances with one hand.
  • the 'mouse' uses a mechanical / optical method to generate coordinate information.
  • conventional mouse architecture [1] the rotation of a ball that is in contact with the stationary surface is transferred to two wheels that are attached in the x and y directions. The rotation of the latter is measured by counting how often cutouts in the wheel pass a light barrier per unit of time. This allows the speed and direction of the mouse movement to be measured.
  • a device is required in addition to the keyboard, that the hand must be removed from the keyboard to move the mouse, which interrupts the flow of writing, and that the optical measuring method is susceptible to contamination (light barrier!).
  • the touchpad 'used in portable computers is a recessed field that is embedded next to the keyboard - usually on the side facing the user. After touching the surface with a fingertip, the mouse pointer can be controlled by moving the fingers sideways.
  • Various methods for converting the finger position into electrical control signals are in use: in the most commonly used capacitive methods [2, 3, 4], planar electrodes are embedded in a rectangular grid on the underside of the touchpad. The electrical capacity of the electrodes to the environment resp. the capacitance between the electrodes is measured periodically. The approach of the finger to these electrodes causes a change in the capacitances measured by them, which is converted into a pointer position by suitable calculations.
  • the ' pointing stick ' [5] is another method used in portable computers that avoids this disadvantage.
  • the ' pointing stick ' is a vertically standing, elastic cylindrical pen, which is typically located in the middle between the keys and rises a little above the level of the keycaps. By bending the pen, the mouse pointer can be moved in the desired direction, the degree of bending (or the pressure exerted) determining the speed of the mouse pointer. The deflection can be measured, for example, by capacitive proximity sensors, which are attached in the base of the pen.
  • the ' pointing stick' does not require any additional space outside the keyboard, which is why it is often used for the smallest versions of portable computers.
  • the main disadvantage is the lack of user-friendliness, ie many Users complain that it is not possible for them to hit a target with the 'pointing stick'.
  • a new group of patents is based on the idea of using the keyboard surface itself as a touchpad in order to avoid the disadvantages mentioned above.
  • Such an arrangement has the advantages of intuitive and ergonomic operation, without the need for a separate device such as the mouse or additional space next to the keyboard (as with the touchpad).
  • a larger sensitive area is possible than with the touchpad. This reduces the annoying multiple driving of the touchpad in order to move the mouse pointer to a distant location on the screen.
  • the hand does not have to be removed from the keyboard to operate the mouse pointer.
  • the methods presented do not require any movable mechanics (susceptible to wear) and (except for the first method) without optical measurement methods (susceptible to contamination).
  • Seilers [6] describes a camera-based system, in which the hand movements over / on the keyboard by a camera, e.g. attached above the monitor, are recorded and control information for the mouse pointer is obtained therefrom. .
  • D. Santilli ([7]) describes a device for moving a mouse pointer, in which the surface of part of the keys of a keyboard is designed to be touch-sensitive. Together with suitably shaped filler pieces between the touch-sensitive keys, this creates a kind of touchpad in the middle of the keyboard. D. Santilli does not specify a technical procedure for how the touch measurement should be carried out.
  • H. Philipp very specifically describes a technical implementation of the idea given by D. Santilli.
  • a conductive coating divided into various individual electrodes is attached to the side of the board below the buttons, which serves as a carrier for the buttons.
  • the position of the hand can be determined in a ratiometric method by measuring the electrode capacitances using a suitable electrode geometry (several of which are specified).
  • the capacity measurement takes place by a charge proportional to the capacitance is converted into a voltage by means of a measuring capacitor.
  • a first disadvantage of the preferred implementation of this patent is the combined capacitive / resistive method of coordinate determination, which requires a defined and homogeneous resistance layer, which suggests high demands on the production process.
  • a resistive method there is no inherently fixed link between the measured signals and the location of the stimulating object, as with a multi-electrode structure, where the location of the finger is already delimited by the most excited electrode. Local fluctuations in resistance caused by temperature or humidity therefore lead to the position measurement drifting [4].
  • touchpads i.a. for these reasons and because integrated electronics are able to inexpensively process the larger number of channels, multi-electrode designs the earlier on resistive charge resp.
  • the electronics of the preferred implementation presented are based on a charge sharing dependent on an RC time constant, i.e. the measurement requires a precisely set measuring time, since the voltage on the measuring capacitor changes at the time of measurement. Interferences that occur during the RC charging falsify the measurement result and cannot be subtracted.
  • the purely capacitive electrode formations presented in the further realizations are not able to resolve finer objects, for example individual fingertips.
  • Another major disadvantage of this method is the way the sensors are attached.
  • a conductive coating is applied to the outer wall of the housing on the side below the buttons.
  • the keys wg. the key tappet more or less large recesses in the cover are accepted.
  • this arrangement naturally has the disadvantage that the sensors are exposed to external influences (moisture!).
  • the conductive material is later specified as conductive polymer or graphite-printed paper, the latter certainly particularly unsuitable in the event of moisture.
  • HR Sterling [9] describes a device in which an electrical signal (sinusoidal voltage) is injected into the left hand, which is transmitted via body conduction to the right hand, which is located above the keyboard.
  • the electrical signal of the right hand is detected by electrodes, which are located on all sides next to the keyboard.
  • the mouse coordinates in the x and y directions are obtained from the ratio of the detected signal strengths of opposite electrodes.
  • S. Mato ([10]) describes a combination of keyboard and touchpad with an electrode under each key.
  • keyboard mode a pressed key or. an approximate finger is detected by the increased capacity of the associated electrode.
  • mouse mode the capacities of the electrodes are measured periodically and the position of the hand and any movements that control the mouse pointer are detected.
  • a transimpedance amplifier is used to measure the capacitances.
  • a disadvantage of this patent is that the design of the sensor arrangement is determined by the arrangement of the keys. Since these are not in a regular rectangular grid, a summary of the sensors in a row and column, as is done in this patent, is prevented. So you have to Switch each key sensor individually to an amplifier using multiplexers, which means not only the effort but also a longer readout time. The arrangement of the keys also complicates a suitable form of the sensors with tapered corners, which is advantageous for a ' soft' transition of the signal between adjacent sensors.
  • the aim of this invention is to show an alternative and better way of integrating the different functions of keyboard and touchpad on the same surface.
  • the touchpad components of this invention are a modular addition to the widely used membrane keyboards.
  • the design of these components largely follows the design of popular capacitive touchpads as a reliable and proven technology. This object is achieved by a keyboard according to claim 1, by an electrode arrangement according to claim 13, and by a device according to claim 20 or 26.
  • the dependent claims contain advantageous refinements of the invention.
  • this aim is achieved by means of a keyboard, in particular a computer keyboard, with a keyboard housing and a capacitive device for entering position data for a mouse pointer comprising at least one electrode, the at least one electrode being designed in such a way that the position data can be input by moving the hand over the keyboard is possible.
  • the keyboard according to the invention is characterized in that the at least one electrode is arranged inside the keyboard housing. In the keyboard according to the invention, the electrodes are therefore protected inside the housing.
  • the electrodes can be arranged freely; it does not have to take into account the key arrangement resp. the position of the holes in the keyboard housing.
  • at least one electrode is designed such that it extends at least partially below at least one of the keys. If the keys each comprise a key tappet, at least one electrode can in particular be designed such that it extends at least partially below the key tappet of at least one of the keys.
  • the at least one electrode is applied to an electrode film.
  • Electrode foils form an informal, modular addition to the membrane keyboards previously used. The proven principle of membrane switches can continue to be used.
  • the at least one electrode can, for example, be printed on the electrode film.
  • a polyester film can be used as the electrode film Find.
  • the application to a film offers the advantage that films printed with graphite or silver ink are cheap and belong to the state of the art.
  • a further embodiment of the keyboard according to the invention is characterized in that it includes membrane switches and the electrode foil is arranged above the membrane switches.
  • a shield can be arranged between the electrode film and the film switches in order to avoid or reduce interfering couplings between the electrodes and the film switches.
  • the shielding can in particular be implemented as a shielding film. Alternatively, however, it can also be applied, for example printed or vapor-deposited, to the side of the electrode foil opposite the at least one electrode, so that no additional foil is necessary.
  • the keyboard comprises film switches with an upper keyboard film, the shielding being applied to the top of the upper keyboard film.
  • the at least one electrode is applied to the upper keyboard film. It is then not necessary to add an additional film to the film of the film switch.
  • the shielding can take place instead of using a shielding film by means of a suitable control of the application of the voltages to the film switches or the electrodes. Such a control also offers the possibility of dispensing with the shielding in the other configurations described.
  • an electrode arrangement in particular for insertion into the keyboard housing of a keyboard, which is characterized in that it comprises at least two electrodes, each of which has an electrode surface enclosed by a line segment, the line segment at least approximately at least two Has angles that are less than 45 degrees. Microscopically there is almost always a rounding of the angle. Likewise, a pointed corner can be created by a number of flat angles arranged in a small space. For the purposes of the invention, both variants should be regarded approximately as an acute angle.
  • a possible configuration of the electrode arrangement comprises at least one electrode which is constructed from a series of triangles and / or at least one electrode which extends perpendicularly thereto and which is constructed from a series of diamonds.
  • the electrode arrangement according to the invention has the advantage that the position of small objects such as fingertips can also be precisely determined with relatively few electrodes. It is advantageous if at least two of the at least two electrodes extend essentially in mutually perpendicular directions.
  • the electrode arrangement according to the invention offers the further advantage that when a finger is swiped from one electrode to an adjacent electrode, the capacitance between the electrodes is changed gently.
  • the electrodes of the electrode arrangement can be applied to an electrode foil, in particular printed onto it.
  • the electrode film can advantageously be a keyboard film for film switches at the same time. If the electrode film is also an upper keyboard film, the electrodes can be applied to the top of the upper keyboard film. Due to the simultaneous use of the keyboard film as an electrode film or the electrode film as a keyboard film, it is not necessary to introduce an additional film into the keyboard housing in order to equip a keyboard with an electrode arrangement according to the invention.
  • a device for controlling a cursor or mouse pointer by influencing capacities with one hand comprises: a number of electrodes, such are arranged and designed so that they can form capacities that can be influenced with one hand; at least one AC voltage supply for supplying an AC voltage; at least one detection device which is designed to detect at least one capacitance influenced by the hand using the supplied AC voltage; and a calculation unit for generating control data from the at least one capacitance detected by the detection device. It is characterized by the fact that the AC voltage is a square wave voltage.
  • the square-wave voltage has the advantage over a sinusoidal AC voltage that it enables an almost instantaneous detection of the electrode capacity. This in particular reduces the time in which the device is sensitive to interference such as external interference pulses.
  • time saving associated with the use of a square-wave voltage offers the possibility of rejecting individual measurements with widely differing results, which ensures greater operational reliability in an electrically unfavorable environment.
  • the AC voltage supply it is configured such that the AC voltage is supplied in particular to at least one electrode of the number of electrodes.
  • the at least one detection device is designed and arranged such that the at least one capacitance to be detected, which is influenced by the hand, is the ambient capacitance of the electrodes.
  • the detection device can advantageously comprise an operational amplifier with a non-inverting input connection in charge amplifier circuit, the AC voltage being supplied via the non-inverting input of the operational amplifier. This means that the AC voltage is present at the non-inverting input connection of the operational amplifier.
  • the at least one detection device is designed and arranged such that the at least one capacitance to be detected, which is influenced by the hand, is the coupling capacitance between at least one of the electrodes and the hand.
  • the second embodiment an amplifier and an analog digital converter together with at least one multiplexer or several amplifiers and several analog-digital converters are required in the first embodiment of the device according to the invention for reading out the signal
  • an amplifier and an analog digital converter are required in the first embodiment of the device according to the invention for reading out the signal
  • an amplifier and an analog digital converter are also not absolutely necessary in the second embodiment.
  • measures must be taken to prevent the current flowing through the capacitors from flowing at any time to the earth potential instead of to the measuring device. This happens when the hand or the body belonging to the hand is in contact with the earth potential.
  • the second embodiment can be a measure
  • Decoupling device for potential decoupling of the circuit comprising the electrodes from grounded circuits. In the first embodiment, however, such a measure is not absolutely necessary.
  • a device for controlling a cursor by influencing capacitances with one hand which comprises: a circuit comprising a number of electrodes, the electrodes being arranged and designed such that they form capacitances (Cj, Cj) who can be influenced with one hand; at least one AC voltage supply for supplying an AC voltage; at least one detection device which is designed to detect at least one capacitance influenced by the hand using the supplied AC voltage; a calculation unit for generating control data from the at least one capacitance detected by the detection device; the device being signal-connected to an earthed circuit. It is characterized by the fact that a Decoupling device for potential decoupling of the circuit comprising the electrodes from the grounded circuit is present.
  • the potential decoupling ensures that when the hand comes into contact with the earth potential, the current flowing through the capacitors still flows to the measuring device.
  • Potential decoupling can take place, for example, by supplying the measuring circuit with its own transformer or a potential-free DC / DC converter.
  • the signal-based coupling of the floating (i.e. potential-decoupled) measuring circuit to the grounded circuits of the computer is done, for example, by an optical coupler.
  • Fig. 1 shows a possible electrode arrangement of a capacitive
  • Fig. 2 shows an alternative electrode arrangement of a capacitive
  • Fig. 3 shows an exploded view of the design of a keyboard according to the invention in the case of a long-stroke keyboard.
  • Fig. 4 shows an exploded view of the design of a keyboard according to the invention in the case of a short-stroke keyboard.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a
  • Readout electronics for reading out the capacities of an electrode arrangement.
  • FIG. 8 shows a processing circuit for processing voltage values representing read capacitances.
  • FIGS. 9a and 9b show alternative configurations of the electrodes of an electrode arrangement
  • ABBN. 3 and 4 show two embodiments of the keyboard according to the invention, i.e. two implementations of a combination of computer keyboard and mouse control device.
  • Fig. 3 shows the design in the case of a long-stroke keyboard, as is typically used together with desktop PCs, in an exploded view.
  • the keyboard comprises a keyboard housing with an upper side 1 and a lower side 3.
  • the keys 5 are arranged on the upper side 1 of the keyboard housing.
  • the keys 5 have on their undersides toward the keyboard housing protruding and extending through openings 7 of the housing top 1 through key tappets 9.
  • the holes 7 are surrounded by walls 11 projecting in the direction of the keys 5.
  • a rubber mat 13 with protrusions 15 protruding toward the keys 5 is placed in the housing below the upper side 1 of the housing in such a way that a protuberance 15 is located under each key 5.
  • Below the rubber mat 13 there is an upper keyboard film 17, on the underside of which upper conductor tracks 19 and upper contact electrodes 21 are attached, and a lower keyboard film 23, on the upper side of which lower conductor tracks 25 and lower contact electrodes 27 opposite the upper contact electrodes 21 are attached.
  • the conductor tracks 19, 25 of the upper and lower keyboard foils 17, 23 run essentially perpendicular to one another and in each case connect contact electrodes 21, 27 arranged linearly one behind the other.
  • the keyboard foils 17, 23 together with the spacer foil form a number of foil switches assigned to the respective keys 5.
  • an electrode foil 33 with a number of diamond-shaped electrodes 35, which form the electrodes of the capacitive mouse control device is arranged above the upper keyboard foil 17.
  • a shielding foil 37 is located between the electrode foil 33 and the upper keyboard foil 17 in order to suppress the crosstalk of signals on the contact electrodes 21, 27 and the conductor tracks 19, 25 on the electrodes 35 of the electrode foil 33.
  • the structure shown corresponds to that of a conventional long-stroke keyboard.
  • the switches are designed as so-called membrane switches. They are actuated by pressing the associated key tappet 9 through the hole 7 in the top side of the housing 1 onto the protuberances 15 of the rubber mat 13, the electrode foil 33 and the shielding foil 37 and finally onto the membrane switch, consisting of the upper keyboard foil 17, spacer foil 31, and lower keyboard membrane 23, presses.
  • the upper keyboard membrane 17 is pressed into the hole 31 of the spacer membrane 29 by the pressure, so that the upper and lower contact electrodes 21, 27 come into conductive contact. This is detected by scanning electronics. With a sufficiently thin and flexible version of the the additional pressure, the mechanical pressure is passed down without hindering the principle.
  • the electrode and shielding foils 33, 37 required for the touchpad functionality represent an independent, modular addition to a conventional long-stroke keyboard.
  • a short-stroke keyboard such as that used for portable PCs (laptops) or in cordless keyboards
  • the movable key 50 here only consists of a cap 51 and possibly a short key tappet 53, which is held by a scissor mechanism 55 similar to a folding chair.
  • the other components correspond to those of the long-stroke keyboard and are therefore not explained again here.
  • the electrode arrangement can be done freely and does not have to take into account the key arrangement or. take the position of the holes in the keyboard housing.
  • the electrodes are protected inside the housing.
  • Graphite or silver printed foils are state of the art and cheap.
  • the electrode foils form an informal, modular addition to the membrane keyboards previously used.
  • Membrane switches can continue to be used.
  • the aim of the mouse control device is to calculate a pointer position on the computer screen from the position of a hand of the user.
  • the electrodes on the electrode film are structured so that from the determination of the capacitance between the individual electrodes and the hand resp. between the electrodes and the environment ( ' earth') the position of the hand can be concluded.
  • Fig. 1 shows a picture of a possible electrode arrangement, as already used in a popular variant of capacitive touchpads [2].
  • the electrodes 35 consist of a combination of rhombuses, the electrodes shown in light, in particular their diamonds 35A, being electrically connected by lines 36A running vertically in the figure, the electrodes shown darkly and in particular their diamonds 35B by lines 36B running horizontally in the figure are (in fact, the interconnected diamonds represent a single electrode).
  • Such can, for example, be printed with carbon or silver ink on polyester films using screen printing.
  • a conductive surface is attached between the sensor level and the interference sources to prevent interference signals, which emanate in particular from the keyboard membrane 17, 23 or, in the case of a portable computer, from the processor and bus lines. With electronic device 2, this is not absolutely necessary. It is a disadvantage of the electrode pattern shown that a relatively large number of electrodes 35 are necessary in order to achieve a fine resolution. The distance between two electrodes 35 in one spatial direction (and thus the lateral extent of an electrode) is ideally less than the extent of a fingertip.
  • the (bright) electrodes 35A in one spatial direction have a very high capacity for the finger, but the (dark) electrodes 35B in the other spatial direction have only a very small capacity, which led to a high degree of inaccuracy of the location determination in this dimension. While a small electrode spacing is not a problem with the smaller area of a touchpad, the number of electrodes 35 and the associated electronic channels multiply with the larger area of a keyboard. In addition, the signal of the individual electrodes 35 decreases to the same extent as their area decreases.
  • the electrode arrangement is operated purely capacitively; therefore the conductivity of the printed conductor tracks and electrodes is not critical.
  • the diamond shape or the triangle shape results in a soft change of capacitance between the corresponding electrodes, which is important for a steady, steady flow of the mouse pointer.
  • the presence of the hand is determined by the fact that the surrounding capacity of the electrodes S, and S j increases, because the hand has a greater dielectric constant ⁇ than air.
  • the first electronics device is the preferred readout electronics.
  • Fig. 5 illustrates this device. It has a sensor surface 100, a shield 102, an AC voltage input 104, an output 106 which outputs an output voltage Uj for further processing by an analog-digital converter (not shown), and a charge amplifier 120.
  • 5 schematically shows an electrode as sensor surface 100, which may be an electrode Sj or S j from FIG. 1, for example.
  • the charge amplifier 120 which is a special form of a transimpedance amplifier, comprises an operational amplifier 122, to the non-inverting input terminal "+" of which an AC voltage signal originating from the AC voltage input 104 is present.
  • FIG. 5 also shows an equivalent circuit diagram 140 for the body of a user operating the keyboard, which shows the first hand 142, the presence of which is to be ascertained, the ohmic resistance RB and the capacitance CB of his body, and the second hand 144, which is nearby a capacitive proximity switch 150 (which will be described later under 2.7) coupled with a mouse button 108.
  • An AC signal e.g. a square-wave voltage with a stroke (voltage jump) ⁇ U is applied to the non-inverting input of the operational amplifier 122.
  • the output voltage U ⁇ of the charge amplifier 120 after the voltage jump ⁇ U depends on. Eq. (1) on the capacitance Cj of the electrode Sj against the environment. In the event that Cj is significantly smaller than the body capacitance CB, Cj corresponds to the capacitance between the electrode Sj, ie the sensor surface 100, and the hand 142.
  • Uo is the voltage at the amplifier output before the voltage jump.
  • the advantage of using a square wave voltage is that you can measure the electrode capacities almost instantaneously. By a measurement shortly before and shortly after the voltage jump, the capacity is completely determined; Interference injections are limited to the time window between the two measurements, which is only limited by the rise time of the amplifier. The ' sensitive' time of the system is therefore considerably shorter than that when using a sinusoidal voltage and subsequent synchronous detection as in [9, 10].
  • the pointer coordinates X, Y are based on gin. (2) and (3) calculated, wherein the connected electrodes Sj, S j have the capacitances Cj, C j to ground.
  • the hand can be moved in the x, y and z directions within the limits given by the detection sensitivity of the charge measurement.
  • the shield 102 is kept at the same potential as the electrodes, in particular it also makes the voltage jumps, so that the capacitance between electrodes and shield 102 does not have to be recharged. Not every electrode has to be read out by its own amplifier.
  • multiplexers switching can be used both in front of the amplifiers and behind the amplifiers.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the electronic device, hereinafter also referred to as “electronic device 2”, which is also suitable for determining the position of the hand above the keys Ambient capacitance of the electrodes Sj measured, but the coupling capacitance Cj between the electrode Sj and the hand.
  • the second electronic device has an electrode 200, a mouse button 208, an output 206 which outputs an output voltage Uj for further processing by an analog-digital converter (not shown), and a charge amplifier 220.
  • An electrode 200 which can be, for example, an electrode Sj or Sj from FIG. 1, is shown schematically in FIG. 6 as the electrode 200.
  • Charge amplifier 220 includes an operational amplifier 222, the non-inverting input terminal "+" of which is grounded.
  • the inverting input terminal "-" of the operational amplifier is connected to mouse button 208, while the output of operational amplifier 222 is connected to output 206 of electronic device 2 , In addition, the output 206 of the operational amplifier 222 is fed back to the inverting input via a capacitor Cf b 224.
  • an equivalent circuit diagram 240 for the body of a user operating the keyboard which is the first hand 242, the presence of which can be determined, the ohmic resistance R B and the capacitance C B of his body, and the second hand 244, which is in the vicinity of the Mouse button 208 is included.
  • the right hand 242 is on the keyboard above the electrode level, while the left hand 244 in the second electronic device contacts a special electrode 208 which is coupled to the input of the charge amplifier system 220 and which can be designed as a mouse button (Fig. 6 ).
  • the individual electrodes on the electrode level are successively supplied with an alternating voltage.
  • the applied AC voltage can e.g. be a square wave voltage.
  • a possible implementation would be a shift register, in the serial input of which a numerical pattern ... 0-0-0-1-1-1 ... would be fed, and whose parallel output would be connected to the electrodes. With each clock pulse, a new electrode continuously experiences a voltage jump ⁇ U.
  • Fig. 7 shows five such stray capacitances between different electrodes; Generally there will be a finite - albeit small - stray capacitance between each of the electrodes Sj, Sj and the hand.
  • the increased voltages Uj are gem. Eq. (4) proportional to the stray capacitances Cj located between the electrodes Sj, Sj and the hand 242 and the voltage jump ⁇ U.
  • U 0 denotes the rest potential of the charge amplifier 220.
  • a measure of the capacitances Cj can be obtained by scanning the amplifier output before and after the voltage jump and by forming the difference.
  • the transmitted charges and the associated currents in the human body are of the same order of magnitude as those occurring in electronic device 1 (and in all capacitive touchpads or proximity switches); they are far below any noticeable and dangerous limit.
  • Penetrating electrode cracks this can be avoided with a continuous shield that is connected to ground potential.
  • Another advantage is that the shielding film is not required.
  • the mouse buttons 108 (in FIG. 5), 208 (in FIG. 6) are arranged next to the keys on the keyboard on the same housing. They are operated with the hand 144, 244, which does not control the mouse pointer. For a right-handed person is the controlling hand 142, 242, generally the right hand, the mouse button-operating hand 144, 244 is the left.
  • the mouse mode is activated in the preferred embodiment by a commercially available capacitive proximity switch 150, the measuring electrode of which is attached around mouse buttons 108, for example under the plastic housing.
  • the switchover to mouse mode thus takes place whenever the left hand 144 is placed in the area of the mouse buttons 108.
  • an electrode can also be attached to or next to the mouse buttons 108, which electrode is connected to ground (zero potential). If the hand touches the electrode, the condition Cj «C B for formula (1) no longer applies. See also the following version of the electronic device 2. Care must be taken, however, that the conductive and grounded surface does not shield the stray field of the measuring electrode of the proximity switch.
  • the mouse button switch is made conductive by covering it with a conductive coating or by e.g. is formed from (not too thick) anodized aluminum.
  • the mouse mode is activated by touching the mouse button with the left hand.
  • the conductive coating of the mouse button switch or the mouse button switch made of anodized aluminum is alternately grounded when a hand position measurement is carried out and connected to the commercially available capacitive proximity switch when touching the button switch, for example for the purpose of switching to mouse mode, is to be detected.
  • the mouse mode is activated when the left hand 244 touches the mouse buttons 208 (see FIG. 6), because then (and only then) the signals from the electrodes 200 can reach the input of the charge amplifier 220 via the body line from the right hand 242 via the left hand 244.
  • a threshold value query in the program of the downstream microcontroller is therefore sufficient to activate the mouse mode.
  • Fig. 8 shows the further processing of the voltage measured values up to the transfer of the data to the computer using the example of the electronic device 1.
  • Analog-to-digital converters (ADC) 301 convert the voltage values Uj from the charge amplifiers 120 into digital values, which are passed on to a microcontroller (MCU) 303.
  • the microcontroller 303 performs the calculation of the mouse coordinates X and Y according to the gin. (2) and (3), which are then forwarded by him via a serial interface 305 (e.g. PS / 2, RS232, USB, labeled S in Fig. 8) to the computer (C) 307, where the data finally can be used to control the mouse pointer. All components can be integrated on one chip; Here there is a further possibility of having the calculations carried out by hard-wired logic instead of a programmable microcontroller.
  • the present invention can be implemented in particular in the form of the keyboards or devices described below: 3.1 Mechanical arrangement
  • Keyboard with a capacitive device for entering position data for a mouse pointer which comprises at least one electrode, characterized 5 in that the at least one electrode is arranged under the keys.
  • Keyboard with a capacitive device for entering position data for a mouse pointer which comprises at least one electrode, characterized 10 in that the at least one electrode is arranged under the keys within the keyboard housing. Note: Both [8] and [10] describe your electrodes as being on the carrier / housing top.
  • Keyboard with a capacitive device for entering position data for a mouse pointer which comprises at least five electrodes, characterized in that the at least five electrodes have acute angles below 45 degrees.
  • , 30 Device for controlling a cursor by hand with a number of electrodes which can form capacitances by hand, one or more supply means for supplying an AC voltage to the capacitances, one or more determination means for determining the capacities on the basis of the AC voltage and means for generating the tax data from the Capacitance values, characterized in that the AC voltage is a square wave voltage.
  • Device for controlling a cursor by hand, with a number of electrodes which can form capacitances by hand, one or more supply means for supplying an AC voltage to the capacitances, one or more determination means for determining the capacities on the basis of the AC voltage and means for generating the Control data from the capacitance values, characterized in that the AC voltage is supplied via the electrodes and the hand serves as part of the determination means.
  • Device for controlling a cursor by hand, with a number of electrodes which can form capacitances by hand, one or more supply means for supplying an AC voltage to the capacitances, one or more determination means for determining the capacities on the basis of the AC voltage and means for generating the Control data from the capacitance values, characterized in that the current flowing through the capacitances never flows through the earth potential unless the hand itself is at earth potential.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Tastatur, insbesondere Computertastatur, mit einem Tastaturgehäuse (1, 3) und einer mindestens eine Elektrode (35) umfassenden kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger zur Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße Tastatur zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Elektrode (35) im Inneren des Tastaturgehäuses (1, 3) angeordnet ist. Die Erfindung ermöglicht es, die unterschiedlichen Funktionalitäten Tastatur und Touchpad auf der gleichen Fläche zu vereinen. Die Touchpad-Funktionalität bildet hierbei eine modulare Ergänzung zur weit verbreiteten Membrantastaturtechnologie.

Description

Kombination von Computertastatur und Maussteuerungsvorrichtung
1. Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tastatur, insbesondere eine Computertastatur. Außerdem bezieht sie sich auf eine Elektrodenanordnung, insbesondere zum Einbringen in das Tastaturgehäuse einer Tastatur, sowie auf eine Vorrichtung zum Steuern eines Cursors bzw. Mauszeigers durch Beeinflussen von Kapazitäten mit einer Hand.
2. Beschreibung
2.1 Einleitung und frühere Entwicklungen
Bei der 'Maus', dem heute gebräuchlichsten Verfahren zur Eingabe von Koordinaten in einen Computer, wird ein mechanisch/optisches Verfahren zur Generierung einer Koordinateninformation verwendet. In der konventionellen Mausarchitektur [1] wird die Rotation einer Kugel, die mit der ortsfesten Unterlage in Berührung steht, auf zwei Räder, die in x- sowie y-Richtung angebracht sind, übertragen. Die Rotation der Letzteren wird gemessen, indem gezählt wird, wie oft im Rad angebrachte Aussparungen pro Zeiteinheit eine Lichtschranke passieren. Hierdurch kann die Geschwindigkeit sowie die Richtung der Bewegung der Maus gemessen werden. Mit dem geschilderten Verfahren ist es möglich, eine hohe Auflösung der Ortsmessung zu erreichen. Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, daß ein Gerät zusätzlich zur Tastatur benötigt wird, daß die Hand zum Bewegen der Maus von der Tastatur entfernt werden muß, was den Schreibfluß unterbricht, sowie daß das optische Meßverfahren anfällig für Verschmutzung ist (Lichtschranke !). Bei dem bei portablen Computern gebräuchlichen Touchpad' handelt es sich um ein vertieftes Feld, das neben der Tastatur - meistens auf der dem Anwender zugewandten Seite - eingelassen ist. Nach Berührung der Fläche mit einer Fingerkuppe läßt sich der Mauszeiger durch seitliches Verschieben der Fingers steuern. Verschiedene Verfahren zur Wandlung der Fingerposition in elektrische Steuersignale sind in Gebrauch: In den heute gebräuchlichsten kapazitiven Verfahren [2, 3, 4] sind auf der Unterseite des Touchpads planare Elektroden in einem rechteckigen Raster eingelassen. Die elektrische Kapazität der Elektroden zur Umgebung resp. die Kapazität zwischen den Elektroden wird periodisch gemessen. Die Annäherung des Fingers an diese Elektroden bewirkt eine Veränderung der von diesen gemessenen Kapazitäten, die durch geeignete Berechnungen in eine Zeigerposition umgewandelt wird.
Vorteile dieses Verfahrens sind die Einfachheit des Konzepts (Wegfall mechanischer Teile), Nachteile, die beschränkte Größe des sensitiven Feldes, was sehr vorsichtige Bewegungen notwendig macht, sowie daß auch hier die Hand von der Tastatur wegbewegt werden muß.
Sowohl die Maus als auch das Touchpad teilen den Nachteil, daß die Hand zum Bewegen der Maus von der Tastatur entfernt werden muß. Der 'Pointing Stick' [5] ist ein weiteres, bei portablen Computern gebräuchliches Verfahren, das diesen Nachteil vermeidet. Der 'Pointing Stick' ist ein vertikal stehender elastischer zylindrischer Stift, der typischerweise in der Mitte zwischen den Tasten angebracht ist und sich ein wenig über das Niveau der Tastenkappen erhebt. Durch Verbiegen des Stifts läßt sich der Mauszeiger in die gewünschte Richtung verfahren, wobei das Maß der Verbiegung (resp. des ausgeübten Drucks) die Geschwindigkeit des Mauszeigers bestimmt. Die Verbiegung kann z.B. durch kapazitive Näherungssensoren, die im Fuß des Stiftes angebracht sind, gemessen werden.
Der 'Pointing Stick' benötigt keinen zusätzlichen Platz außerhalb der Tastatur, weshalb er oft bei Kleinstausführungen portabler Computer eingesetzt wird. Größter Nachteil ist die mangelnde Bedienungsfreundlichkeit, d.h. viele Anwender beklagen, daß es Ihnen nicht möglich sei, mit dem 'Pointing Stick' punktgenau ein Ziel anzufahren.
Eine neue Gruppe von Patenten basiert auf der Idee, die Tastaturoberfläche selbst als Touchpad zu benutzen, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Eine solche Anordnung hat die Vorteile einer intuitiven und ergonomischen Bedienung, ohne daß ein separates Gerät wir bei der Maus oder zusätzlicher Platz neben der Tastatur (wie beim Touchpad) benötigt wird. Durch Ausnutzen der ganzen Tastatur ist eine größere sensitive Fläche als beim Touchpad möglich. Somit wird das lästige Mehrfachfahren über das Touchpad reduziert, um den Mauszeiger zu einem weit entfernten Ort auf dem Bildschirm zu führen. Vor allen Dingen muß die Hand nicht von der Tastatur genommen werden, um den Mauszeiger zu bedienen. Die vorgestellten Verfahren kommen ohne bewegliche Mechanik (anfällig für Verschleiß) und (außer bei dem ersten Verfahren) ohne optische Meßverfahren (anfällig für Verschmutzung) aus.
C. Seilers ([6]) beschreibt ein kameragestütztes System, bei dem die Handbewegungen über/auf der Tastatur durch eine Kamera, die z.B. über dem Monitor angebracht ist, aufgenommen werden und hieraus eine Steuerungsinformation für den Mauszeiger gewonnen wird. ,
D. Santilli ([7]) beschreibt eine Vorrichtung zur Bewegung eines Mauszeigers, bei dem die Oberfläche eines Teils der Tasten einer Tastatur berührungsempfindlich ausgeführt werden. Zusammen mit passend geformten Füllstücken zwischen den berührungsempfindlichen Tasten ergibt sich eine Art Touchpad inmitten der Tastatur. D. Santilli gibt kein technisches Verfahren an, wie die Berührungsmessung durchgeführt werden soll.
H. Philipp ([8]) beschreibt sehr konkret eine technische Umsetzung der von D. Santilli angegebenen Idee. Hierzu wird ein in verschiedene Einzelelektroden unterteilter leitender Belag seitlich unterhalb der Tasten auf der Platine angebracht, die als Träger für die Tasten dient. Durch eine geeignete Elektrodengeometrie (hiervon werden mehrere angegeben) kann in einem ratiometrischen Verfahren die Position der Hand durch Messung der Elektrodenkapazitäten bestimmt werden. Die Kapazitätsmessung erfolgt, indem eine der Kapazität proportionale Ladung mittels eines Meßkondensators in eine Spannung umgewandelt wird.
Da dieses Patent der hier vorgestellten Erfindung am nächsten kommt, soll es intensiv diskutiert werden, um die Unterschiede offenzulegen. Ein erster Nachteil der bevorzugten Realisierung dieses Patents ist die kombiniert kapazitiv/resistive Methode der Koordinatenbestimmung, die eine definierte und homogene Widerstandsschicht voraussetzt, was hohe Anforderungen an den Produktionsprozeß nahelegt. Bei einer resistiven Methode besteht keine inhärent fixe Verknüpfung zwischen gemessenen Signalen und dem Ort des anregenden Objekts wie bei einer Multielektrodenstruktur, wo der Ort des Fingers schon durch die am stärksten angeregte Elektrode eingrenzt ist. Lokale temperatur- oder feuchtig keitsverursachte Widerstandsschwankungen führen daher zum Driften der Positionsmessung [4]. Bei Touchpads haben u.a. aus diesen Gründen und weil integrierte Elektronik in der Lage ist, preiswert die größere Anzahl von Kanälen zu verarbeiten, Multielektrodendesigns die früheren auf resistiver Ladungs- resp. Stromteilung beruhenden Modelle abgelöst. Die vorgestellte Elektronik der bevorzugten Realisierung beruht auf einer von einem RC-Zeitkonstante abhängigen Ladungsteilung, d.h. die Messung verlangt nach einer präzise eingestellten Meßzeit, da sich die Spannung zum Meßzeitpunkt auf dem Meßkondensator noch ändert. Störungen, die während der RC-Aufladung einstreuen, verfälschen das Meßergebnis und können nicht subtrahiert werden.
Die in den weiteren Realisierungen vorgestellten rein kapazitiven Elektroden- formationen sind dagegen nicht in der Lage, feinere Objekte, z.B. einzelne Fingerspitzen, aufzulösen. Ein weiterer großer Nachteil dieser Methode ist die Art der Anbringung der Sensoren. Dazu wird ein leitfähiger Überzug seitlich unterhalb der Tasten auf die Außenwand des Gehäuses aufgebracht. Für alle Tasten müssen daher wg. der Tastenstößel mehr oder weniger große Aussparungen im Überzug in Kauf genommen werden. Außerdem birgt diese Anordnung natürlich den Nachteil, daß die Sensoren äußeren Einflüssen ausgesetzt sind (Feuchtigkeit !). Das leitende Material wird später präzisiert als leitendes Polymer oder graphitbedrucktes Papier, letzteres im Falle von Feuchtigkeit sicherlich besonders ungeeignet. H. R. Sterling ([9]) beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein elektrisches Signal (Sinusspannung) in die linke Hand injiziert wird, das sich über Körperleitung auf die rechte Hand überträgt, die sich über der Tastatur befindet. Das elektrische Signal der rechten Hand wird von Elektroden detektiert, die sich auf allen Seiten neben der Tastatur befinden. In einem ratiometrischen Verfahren werden aus dem Verhältnis der detektierten Signalstärken gegenüberliegender Elektroden die Mauskoordinaten in x- und y-Richtung gewonnen.
Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß das in die Hand injizierte Signal zusammenbricht, wenn der Körper einen geerdeten Gegenstand berührt
(siehe auch die Diskussion der Elektronik- Vorrichtung 2). Man dürfte also wohl nicht mit einem so ausgestatteten portablen Computer barfuß im Garten arbeiten. Weiterhin ist die Anbringung der Elektroden ungeschickt, da das Signal wegen der großen Entfernung zur Hand sicherlich sehr schwach ist. Weiter gilt die oben schon genannte grundsätzliche Kritik an der verwandten ratiometrischen Methode. Die Signalverstärkung beruht auf dem Prinzip der synchronen Detektierung; ohne die Einzelheiten widergeben zu wollen, muß bei dieser Methode ein gewisse Anzahl von Sinuszyklen gemittelt werden, um zu einem stabilen Meßergebnis zu gelangen. Störungen, die in dieser tendenziell langen Zeit einkoppeln, verfälschen das Ergebnis.
S. Mato ([10]) beschreibt eine Kombination aus Tastatur und Touchpad, bei der sich unter jeder Taste eine Elektrode befindet. Im Tastaturmodus wird eine gedrückte Taste resp. ein angenäherter Finger durch die vergrößerte Kapazität der zugehörigen Elektrode detektiert. Hierbei kann auch die Anschlagsdynamik ähnlich wie bei einem Klavier erkannt werden. Im Mausmodus werden die Kapazitäten der Elektroden periodisch gemessen und daraus die Lage der Hand sowie etwaige Bewegungen detektiert, die den Mauszeiger steuern. Zur Messung der Kapazitäten wird ein Transimpedanzverstärker verwendet.
Ein Nachteil dieses Patents ist es, daß das Design der Sensoranordnung durch die Anordnung der Tasten bestimmt ist. Da diese nicht in einem regelmäßigen rechteckigen Raster liegen, wird eine Zusammenfassung der Sensoren in einer Zeile und Spalte, wie es in diesem Patent getan wird, verhindert. Man muß also jeden Tastensensor einzeln mit Multiplexem zu einem Verstärker schalten, was neben dem Aufwand auch eine größere Auslesezeit bedeutet. Auch erschwert die Anordnung der Tasten eine geeignete Form der Sensoren mit spitz auslaufenden Ecken, die für einen 'weichen' Übergang des Signals zwischen benachbarten Sensoren von Vorteil ist. Des weiteren ist unklar, wie homogen Tastenanschläge detektiert werden können, da diese auch von Größe, Form, Haltung und Erdung des anschlagenden Fingers abhängen; bei den in den siebziger Jahren verbreiteten kapazitiven Tastaturen war am Tastenkörper selbst ein leitendes Plättchen angebracht. Die Wahl der Anschlagschwelle ist eher willkürlich und sicher nicht so zwanglos und unverrücklich gegeben wie bei den heute üblichen Membrantastaturen, wo der mechanische Anschlag der Taste am Gehäuseboden den Kontakt auslöst. So könnte möglicherweise schon ein weiches Andrücken der Taste ohne Kraft durch einen geerdeten Finger zur Ausgabe eines Buchstabens führen. Ein weiterer Nachteil ist es, daß diese Lösung nicht 'organisch' auf dem verbreiteten Tastaturdesign aufbaut. Dies bedeutet, daß Tastaturhersteller sich komplett vom liebgewonnenen Membrandesign und dem zugehörigen Kontrollerchip verabschieden müssen. Bei der Signalverstärkung wird wieder das Prinzip der synchronen Detektierung mit den oben genannten Nachteilen eingesetzt.
2.2 Ziel der Erfindung
Wie im vorigen Kapitel deutlich wurde, existiert bereits eine Reihe von Patenten, die eine Integration von Computertastatur und Maussteuerungsvorrichtung zum Inhalt haben. Wie aber auch deutlich wurde, sind alle genannten Verfahren mit mehr oder weniger ausgeprägten Nachteilen behaftet. Es ist Ziel dieser Erfindung, einen alternativen und besseren Weg aufzuzeigen, wie die unterschiedlichen Funktionalitäten Tastatur und Touchpad auf der gleichen Fläche integriert werden können. Hierbei bilden die Touchpad-Komponenten dieser Erfindung eine modulare Ergänzung zu den weit verbreiteten Membrantastaturen. Das Design dieser Komponenten folgt weitgehend dem Design populärer kapazitiver Touchpads als zuverlässiger und bewährter Technologie. Dieses Ziel wird durch eine Tastatur nach Anspruch 1, durch eine Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 26 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Tastatur, insbesondere Computertastatur, mit einem Tastaturgehäuse und einer mindestens eine Elektrode umfassenden kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger erreicht, wobei die mindestens eine Elektrode derart ausgestaltet ist, dass das Eingeben der Positionsdaten durch Bewegen der Hand über der Tastatur möglich ist. Die erfindungsgemäße Tastatur zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Elektrode im Inneren des Tastaturgehäuses angeordnet ist. In der erfindungsgemäßen Tastatur liegen die Elektroden daher geschützt im Inneren des Gehäuses.
Wenn die Tastatur eine Anzahl Tasten umfasst und die Elektroden derart ausgestaltet sind, dass sich ein Teil der Elektroden auch unterhalb der Tasten erstrecken kann, kann die Anordnung der Elektroden frei erfolgen; es muß keine Rücksicht auf die Tastenanordnung resp. auf die Lage der Löcher des Tastatur- gehäuses genommen werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist daher mindestens eine Elektrode derart ausgestaltet, dass sie sich mindestens teilweise unterhalb mindestens einer der Tasten erstreckt. Wenn die Tasten jeweils einen Tastenstößel umfassen, kann mindestens eine Elektrode insbesondere derart ausgestaltet sein, dass sie sich mindestens teilweise unterhalb des Tastenstößels mindestens einer der Tasten erstreckt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die mindestens eine Elektrode auf eine Elektrodenfolie aufgebracht. Elektrodenfolien bilden eine zwanglose, modulare Ergänzung zu den bisher gebräuchlichen Membrantastaturen. Das bewährte Prinzip der Membranschalter kann weiter verwendet werden.
Die mindestens eine Elektrode kann bspw. auf die Elektrodenfolie aufgedruckt sein. Als Elektrodenfolie kann insbesondere eine Polyesterfolie Verwendung finden. Das Aufbringen auf eine Folie bietet den Vorteil, dass mit Graphit- oder Silbertinte bedruckte Folien billig sind und zum Stand der Technik gehören.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tastatur zeichnet sich dadurch aus, dass sie Folienschalter umfasst und die Elektrodenfolie über den Folienschaltern angeordnet ist. Außerdem kann zwischen der Elektrodenfolie und den Folienschaltern eine Abschirmung angeordnet sein, um störende Kopplungen zwischen den Elektroden und den Folienschaltern zu vermeiden bzw. zu vermindern. Die Abschirmung kann insbesondere als Abschirmfolie realisiert sein. Alternativ kann sie aber auch auf die der mindestens einen Elektrode gegenüberliegende Seite der' Elektrodenfolie aufgebracht, bspw. aufgedruckt oder aufgedampft, sein, so dass keine zusätzliche Folie nötig ist. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung, in der für die Abschirmung ebenfalls keine zusätzliche Folie nötig ist, umfasst die Tastatur Folienschalter mit einer oberen Tastaturfolie, wobei die Abschirmung auf die Oberseite der oberen Tastaturfolie aufgebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tastatur ist die mindestens eine Elektrode auf die obere Tastaturfolie aufgebracht. Das Einbringen einer zusätzlichen Folie zu den Folien der Folienschalter ist dann nicht nötig. Die Abschirmung kann statt über eine Abschirmfolie über eine geeignete Steuerung des Anlegens der Spannungen an die Folienschalter bzw. die Elektroden erfolgen. Eine derartige Steuerung bietet auch in den übrigen beschriebenen Ausgestaltungen die Möglichkeit, auf die Abschirmung zu verzichten.
Das Ziel der Erfindung wird auch durch eine Elektrodenanordnung, insbesondere zum Einbringen in das Tastaturgehäuse einer Tastatur erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass sie mindestens zwei Elektroden umfasst, von denen jede eine von einem Streckenzug umschlossene Elektrodenfläche aufweist, wobei der Streckenzug mindestens näherungsweise wenigstens zwei Winkel aufweist, die kleiner sind als 45 Grad. Mikroskopisch gibt es fast immer eine Abrundung des Winkels. Ebenso kann durch eine auf kleinem Raum angeordnete Anzahl flacher Winkel eine spitze Ecke erzeugt werden. Beide Varianten sollen im Sinne der Erfindung näherungsweise als spitze Winkel anzusehen sein.
Eine mögliche Ausgestaltung der Elektrodenanordnung umfasst mindestens eine Elektrode, welche aus einer Aneinanderreihung von Dreiecken aufgebaut ist, und/oder mindestens eine sich zu dazu senkrecht erstreckende Elektrode, welche aus einer Aneinanderreihung von Rauten aufgebaut ist.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung bietet den Vorteil, dass sich mit verhältnismäßig wenig Elektroden auch die Position kleiner Objekte wie bspw. Fingerkuppen präzise bestimmen läßt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn sich mindestes zwei der mindestens zwei Elektroden im Wesentlichen in zueinander senkrechte Richtungen erstrecken.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung bietet den weiteren Vorteil, dass es beim Überstreichen eines Fingers von einer Elektrode zu einer benachbarten Elektrode zu einem weichen Überwechseln der Kapazität zwischen den Elektroden kommt.
Die Elektroden der Elektrodenanordnung können auf eine Elektrodenfolie aufgebracht, insbesondere auf diese aufgedruckt sein. Die Elektrodenfolie kann vorteilhafterweise gleichzeitig eine Tastaturfolie für Folienschalter sein. Wenn die Elektrodenfolie gleichzeitig eine obere Tastaturfolie ist, können die Elektroden auf die Oberseite der oberen Tastaturfolie aufgebracht sein. Durch das gleichzeitige Verwenden der Tastaturfolie als Elektrodenfolie bzw. der Elektrodenfolie als Tastaturfolie braucht zum Ausstatten einer Tastatur mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung keine zusätzliche Folie in das Tastaturgehäuse eingebracht zu werden.
Ferner wird das Ziel der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Steuern eines Cursors bzw. Mauszeigers durch Beeinflussen von Kapazitäten mit einer Hand erreicht. Diese Vorrichtung umfasst: eine Anzahl Elektroden, die derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie Kapazitäten bilden können, die sich mit einer Hand beeinflussen lassen; mindestens eine Wechselspannungszuführung zum Zuführen einer Wechselspannung; mindestens eine Erfassungseinrichtung, die zum Erfassen mindestens einer durch die Hand beeinflussten Kapazität anhand der zugeführten Wechselspannung ausgelegt ist; und eine Berechnungseinheit zum Erzeugen von Steuerdaten aus der mindestens einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Kapazität. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Wechselspannung eine Rechteckspannung ist.
Die Rechteckspannung bietet gegenüber einer sinusförmigen Wechselspannung den Vorteil, dass sie eine nahezu instantanes Erfassen der Elektrodenkapazität ermöglicht. Dadurch wird insbesondere die Zeit, in der die Vorrichtung für Störeinflüsse wie externe Störpulse empfindlich ist, verringert.
Weiter bietet die mit der Verwendung einer Rechteckspannung einhergehende Zeitersparnis die Möglichkeit, einzelne Messungen mit stark abweichenden Ergebnissen zu verwerfen, was eine höhere Betriebssicherheit in elektrisch ungünstiger Umgebung gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wechselspannungszuführung ist diese derart ausgestaltet, dass die Wechselspannung insbesondere mindestens einer Elektrode der Anzahl von Elektroden zugeführt wird.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens eine Erfassungseinrichtung derart ausgestaltet und angeordnet, dass die mindestens eine durch die Hand beeinflusste zu erfassende Kapazität die Umgebungskapazität der Elektroden ist. In diesem Fall kann die Erfassungseinrichtung vorteilhafterweise einen Operationsverstärker mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss in Ladungsverstärker-Beschaltung umfassen, wobei die Wechselspannungszufuhr über den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers erfolgt. D.h. die Wechselspannung liegt am nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers an. In einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens eine Erfassungseinrichtung derart ausgestaltet und angeordnet, dass die mindestens eine durch die Hand beeinflusste zu erfassende Kapazität die Koppelkpazität zwischen mindestens einer der Elektroden und der Hand ist.
Während in der ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auslesen des Signals ein Verstärker und ein Analog-Digital-Wandler zusammen mit mindestens einem Multiplexer oder mehrere Verstärker und mehrere Analog-Digital-Wandler benötigt werden, genügen in der zweiten Ausgestaltung ein Verstärker und ein Analog-Digital-Wandler. Auch ist eine Abschirmfolie zum Abschirmen der Elektroden in der zweiten Ausgestaltung nicht unbedingt nötig. In der zweiten Ausgestaltung müssen allerdings Maßnahmen getroffen werden, die verhindern, dass der durch die Kapazitäten fließende Strom zu irgendeinem Zeitpunkt zum Erdpotential anstelle zur Messvorrichtung fließt. Dies geschieht, wenn die Hand bzw. der zur Hand gehörige Körper Kontakt zum Erdpotential hat. Als eine derartige Maßnahme kann die zweite Ausgestaltung eine
Entkopplungseinrichtung zum potentialmäßigen Entkoppeln des die Elektroden umfassenden Stromkreises von geerdeten Stromkreisen aufweisen. In der ersten Ausgestaltung ist eine derartige Maßnahme dagegen nicht unbedingt nötig.
Das Ziel der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Steuern eines Cursors durch Beeinflussen von Kapazitäten mit einer Hand gelöst, welche umfasst: einen eine Anzahl Elektroden umfassenden Stromkreis, wobei die Elektroden derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie Kapazitäten (Cj, Cj) bilden können, die sich mit einer Hand beeinflussen lassen; mindestens eine Wechselspannungszuführung zum Zuführen einer Wechselspannung; mindestens eine Erfassungseinrichtung, die zum Erfassen mindestens einer durch die Hand beeinflussten Kapazität anhand der zugeführten Wechselspannung ausgelegt ist; eine Berechnungseinheit zum Erzeugen von Steuerdaten aus der mindestens einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Kapazität; wobei die Vorrichtung signalmäßig mit einem geerdeten Stromkreis verbunden ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass eine Entkopplungseinrichtung zum potentialmäßigen Entkoppeln des die Elektroden umfassenden Stromkreises vom geerdeten Stromkreis vorhanden ist.
Durch das potentialmäßige Entkoppeln wird erreicht, dass bei Kontakt der Hand zum Erdpotential der durch die Kapazitäten fließende Strom dennoch zur Messvorrichtung fließt.
Das potentialmäßige Entkoppeln kann bspw. dadurch erfolgen, dass der Messstromkreis durch einen eigenen Transformator oder einen potentialfreien DC/DC-Wandler gespeist wird. Die signalmäßige Kopplung von erdfreiem (d.h. potentialmäßig entkoppelten) Messstromkreis zu den geerdeten Stromkreisen des Computers erfolgt bspw. durch einen optischen Koppler.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Elektrodenanordnung einer kapazitiven
Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten.
Fig. 2 zeigt eine alternative Elektrodenanordnung einer kapazitiven
Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten.
Fig. 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Tastatur im Falle einer Langhubtastatur.
Fig. 4 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Tastatur im Falle einer Kurzhubtastatur.
Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine
Ausleseelektronik zum Auslesen der Kapazitäten einer Elektrodenanordnung. Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine
Ausleseelektronik zum Auslesen der Kapazitäten einer Elektrodenanordnung.
Fig. 7 zeigt Streukapazitäten zwischen einer Hand und Elektroden einer Elektrodenanordnung.
Fig. 8 zeigt eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten von ausgelesene Kapazitäten repräsentierenden Spannungswerten.
Fign. 9a und 9b zeigen alternative Ausgestaltungen der Elektroden einer Elektrodenanordnung
2.3 Mechanische Anordnung
Abbn. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Tastatur, d.h. zwei Realisierungen einer Kombination von Computertastatur und Maussteuerungsvorrichtung.
Abb. 3 zeigt die Ausgestaltung im Falle einer Langhubtastatur, wie sie typischerweise zusammen mit Desktop-PCs verwendet wird, in einer Explosionsdarstellung .
Die Tastatur umfasst ein Tastaturgehäuse mit einer Oberseite 1 und einer Unterseite 3. Auf der Oberseite 1 sind des Tastaturgehäuses sind die Tasten 5 angeordnet. Die Tasten 5 weisen an ihren Unterseiten zum Tastaturgehäuse hin vorstehende und sich durch Öffnungen 7 der Gehäuseoberseite 1 hindurch erstreckende Tastenstößel 9 auf. Zum Führen der Tastenstößel 9 sind die Löcher 7 von in Richtung auf die Tasten 5 vorstehenden Wänden 11 umgeben.
Unterhalb der Gehäuseoberseite 1 ist eine Gummimatte 13 mit zu den Tasten 5 hin vorstehenden Ausstülpungen 15 derart in das Gehäuse eingelegt, dass sich unter jeder Taste 5 eine Ausstülpung 15 befindet. Unterhalb der Gummimatte 13 befindet sich eine obere Tastaturfolie 17, an deren Unterseite obere Leiterbahnen 19 und obere Kontaktelektroden 21 angebracht sind, sowie eine untere Tastaturfolie 23, an deren Oberseite untere Leiterbahnen 25 und den oberen Kontaktelektroden 21 gegenüberliegende untere Kontaktelektroden 27 angebracht sind. Die Leiterbahnen 19, 25 der oberen und der unteren Tastaturfolien 17, 23 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zueinander und verbinden jeweils linear hintereinander angeordnete Kontaktelektroden 21 , 27 miteinander. Zwischen der oberen Tastaturfolie 17 und der unteren Tastaturfolie 23 befindet sich eine Abstandsfolie 29, in der an den Stellen, an denen sich obere und untere Kontaktelektroden 21 , 27 gegenüberliegen, Löcher 31 derart angeordnet sind, dass bei Druck auf die Taste 5 die obere Tastaturfolie 17 in das entsprechende Loch 31 hinein gedrückt wird und die beiden Kontaktelektroden 21 , 27 miteinander in leitenden Kontakt treten. Die Tastaturfolien 17, 23 bilden zusammen mit der Abstandsfolie eine Anzahl von den jeweiligen Tasten 5 zugeordneten Folienschaltern. Zusätzlich zu den die Folienschalter bildenden Folien ist über der oberen Tastaturfolie 17 eine Elektrodenfolie 33 mit einer Anzahl rautenförmiger Elektroden 35 angeordnet, welche die Elektroden der kapazitiven Maussteuerungsvorrichtung bilden. Außerdem befindet sich zwischen der Elektrodenfolie 33 und der oberen Tastaturfolie 17 eine Abschirmfolie 37, um das Übersprechen von Signalen auf den Kontaktelektroden 21 , 27 und den Leiterbahnen 19, 25 auf die Elektroden 35 der Elektrodenfolie 33 zu unterdrücken.
Der gezeigte Aufbau entspricht bis auf die zusätzlichen Elektroden- und Abschirmfolien 33, 37 dem einer konventionellen Langhubtastatur. Die Schalter sind als sog. Membranschalter ausgeführt. Sie werden betätigt, indem beim Anschlag einer Taste 5 der zugehörige Tastenstößel 9 durch das Loch 7 in der Gehäuseoberseite 1 auf die Ausstülpungen 15 der Gummimatte 13, die Elektrodenfolie 33 und die Abschirmfolie 37 und endlich auf den Membranschalter, bestehend aus oberer Tastaturfolie 17, Abstandsfolie 31 , und unterer Tastaturfolie 23, drückt. Durch den Druck wird die obere Tastaturfolie 17 in das Loch 31 der Abstandsfolie 29 hinein gedrückt, so daß obere und untere Kontaktelektrode 21 , 27 in leitenden Kontakt treten. Dieser wird von einer Abtastelektronik detektiert. Bei genügend dünner und flexibler Ausführung der zusätzlichen Folien wird der mechanische Druck ohne Behinderung des Prinzips nach unten weitergeleitet. Es wird deutlich, daß die für die Touchpadfunktionalität nötigen Elektroden- und Abschirmfolien 33, 37 eine unabhängige, modulare Ergänzung einer konventionellen Langhubtastatur darstellen.
Die Realisierung im Falle einer Kurzhubtastatur (Abb. 4), wie sie unter anderem bei portablen PCs (Laptops) oder in schnurlosen Tastaturen eingesetzt wird, ist sehr ähnlich. Im Unterschied zur Langhubtastatur besteht hier die bewegliche Taste 50 nur aus einer Kappe 51 und ggf. einem kurzen Tastenstößel 53, die von einer klappstuhlähnlichen Scherenmechanik 55 gehalten wird. Die übrigen Komponenten entsprechen denen der Langhubtastatur und werden daher an dieser Stelle nicht erneut erläutert.
Natürlich sind Abwandlungen der genannten Anordnung möglich, die auch unter den Schutz dieses Patents fallen (sollen). Zum einen könnten statt einer Elektrodenfolie mit zwei Leitungsebenen auch zwei oder mehr Folien mit je einer oder mehr leitenden Ebenen verwendet werden. Die Abschirmfolie könnte auch völlig eingespart werden, wenn durch eine geeignete Synchronisation sichergestellt ist, daß von den Leiterbahnen der Tastaturfolien (oder von anderen Störquellen) keine störenden Pulse zur Zeit der Kapazitätsmessung ausgehen. Auch könnte die Abschirmfolie als zusätzliche leitende Lage auf der Unterseite der Elektrodenfolie oder der Oberseite der oberen Tastaturfolie angebracht sein. Auch könnte die Isolation zwischen den einzelnen Elektrodenlagen und/oder der Abschirmlage in einem Druckverfahren aufgebracht werden, so daß alle leitenden und isolierenden Lagen auf die Oberseite der obersten Tastaturfolie gedruckt werden könnten. Die Vorteile der mechanischen Anordnung gegenüber früheren Verfahren sind die folgenden:
- Die Elektrodenanordnung kann frei erfolgen und muß keine Rücksicht auf die Tastenanordnung resp. auf die Lage der Löcher des Tastaturgehäuses nehmen.
Die Elektroden liegen geschützt im Inneren des Gehäuses. Graphit- oder silberbedruckte Folien sind Stand der Technik und billig.
Die Elektrodenfolien bilden eine zwanglose, modulare Ergänzung zu den bisher gebräuchlichen Membrantastaturen. Das bewährte Prinzip der
Membranschalter kann weiterverwendet werden.
2.4 Elektrodenanordnung
Ziel der Maussteuerungsvorrichtung ist es, aus der Position einer Hand des Anwenders eine Zeigerposition auf dem Computer-Bildschirm zu berechnen. Hierzu sind die Elektroden auf der Elektrodenfolie so strukturiert, daß aus der Bestimmung der Kapazität zwischen den einzelnen Elektroden und der Hand resp. zwischen den Elektroden und der Umgebung ('Erde') auf die Position der Hand geschlossen werden kann.
Abb. 1 zeigt eine Abbildung einer möglichen Elektrodenanordnung, wie sie bereits in einer populären Variante kapazitiver Touchpads [2] eingesetzt werden. Die Elektroden 35 bestehen aus einer Aneinandersetzung von Rauten, wobei die hell dargestellten Elektroden, insbesondere ihre Rauten 35A, durch in der Figur senkrecht verlaufende Leitungen 36A, die dunkel dargestellten Elektroden und insbesondere deren Rauten 35B, durch in der Figur waagrecht verlaufende Leitungen 36B elektrisch verbunden sind (tatsächlich stellen die miteinander verbundenen Rauten eine einzige Elektrode dar). Solche können beispielsweise mit Karbon- oder Silbertinte per Siebdruck auf Polyesterfolien gedruckt werden. Die Kapazitätsmessung und die daraus resultierende Bestimmung einer Zeigerkoordinate wird bei der Behandlung der beiden Elektronik-Vorrichtungen näher erklärt.
Zur Verhinderung des Einkoppeins von Störsignalen, die insbesondere von der Tastaturfolie 17, 23 oder im Falle eines tragbaren Computers vom Prozessor und Busleitungen ausgehen, wird zwischen der Sensorebene und den Störquellen eine leitende Fläche (Abschirmung) angebracht. Bei Elektronik- Vorrichtung 2 ist diese nicht zwingend notwendig. Es ist ein Nachteil des gezeigten Elektrodenmusters, daß eine relativ hohe Anzahl von Elektroden 35 notwendig ist, um zu einer feinen Auflösung zu gelangen. So ist der Abstand zwischen zwei Elektroden 35 in einer Raumrichtung (und somit die laterale Ausdehnung einer Elektrode) idealerweise geringer als die Ausdehnung einer Fingerkuppe. Andernfalls könnte es passieren, daß zwar die (hellen) Elektroden 35A einer Raumrichtung eine sehr hohe Kapazität zum Finger hätten, die (dunklen) Elektroden 35B der anderen Raumrichtung aber nur eine sehr geringe, was zu einer hohen Ungenauigkeit der Ortsbestimmung in dieser Dimension führte. Während ein kleiner Elektrodenabstand bei der kleineren Fläche eines Touchpads kein Problem darstellt, vervielfacht sich bei der größeren Fläche einer Tastatur die Anzahl der Elektroden 35 und der damit verbundenen Elektronikkanäle. Außerdem verringert sich das Signal der einzelnen Elektroden 35 in gleichem Maße, wie ihre Fläche abnimmt.
In dem verbesserten Layout nach Abb. 2 wird bei gleichem Elektrodenabstand und gleicher Elektrodenfläche erreicht, daß selbst eine Fingerkuppe sich jederzeit über den Elektroden beider Raumrichtung befindet. Als Grundmuster sind spitze Rauten und Dreiecke gewählt. Man beachte, daß sich das untere, grau dargestellte Elektrodenmuster unter dem oberen, schwarz dargestellten Elektrodenmuster unverändert fortsetzt; die unteren Elektroden werden dabei partiell durch die oberen abgeschirmt. Die Vorteile der beschriebenen Elektrodenanordnung gegenüber den in der Einleitung zitierten Patenten sowie gegenüber dem in Touchpads gebräuchlichen Muster sind die folgenden:
Die Elektrodenanordnung wird rein kapazitiv betrieben; daher ist die Leitfähigkeit der aufgedruckten Leiterbahnen und Elektroden unkritisch.
- Eine ratiometrische Interpolation wird nur zwischen zwei benachbarten Elektroden der gleichen Dimension, nicht aber über die gesamte Breite oder Länge des berührungsempfindlichen Bereichs durchgeführt. Somit können lokale Inhomogenitäten sich nur sehr viel schwächer auswirken. Mit verhältnismäßig wenigen Elektroden können auch kleine Objekte wie Fingerkuppen präzise in x- und y-Richtung lokalisiert werden.
Wenn der Finger von einer Elektrode zur benachbarten streicht, kommt es durch die Rautenform oder die Dreiecksform zu einem weichen Überwechseln der Kapazität zwischen den entsprechenden Elektroden, was wichtig für einen gleichförmigen stetigen Fluss des Mauszeigers ist. Je spitzer die Winkel der Rauten bzw. Dreiecke sind, desto gleichförmiger ist der Fluss
2.5 Erste Elektronik-Vorrichtung
Beim ersten Ausführungsbeispiel für eine Elektronik-Vorrichtung zum Feststellen der Anwesenheit einer Hand über einer Elektrodenfläche, im Folgenden auch „Elektronik-Vorrichtung 1" genannt, wird die Anwesenheit der Hand dadurch festgestellt, daß sich die Umgebungskapazität der Elektroden S, und Sj vergrößert, weil die Hand eine größere Dielektrizitätskonstante ε aufweist als Luft.
Die erste Elektronik-Vorrichtung ist die bevorzugte Ausleseelektronik. Abb. 5 illustriert diese Vorrichtung. Sie weist eine Sensorfläche 100, eine Abschirmung 102, einen Wechselspannungseingang 104, einen Ausgang 106, der eine Ausgangsspannung Uj zur Weiterverarbeitung durch einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler ausgibt, sowie einen Ladungsverstärker 120 auf. Als Sensorfläche 100 ist in Fig. 5 schematisch eine Elektrode dargestellt, die bspw. eine Elektrode Sj bzw. Sj aus Fig. 1 sein kann. Der Ladungsverstärker 120, der eine spezielle Form eines Transimpedanzverstärkers ist, umfasst einen Operationsverstärker 122, an dessen nicht-invertierenden Eingangsanschluß „+" ein vom Wechselspannungseingang 104 stammendes Wechselspannungssignal anliegt. Der invertierende Eingangsanschluß „-" des Operationsverstärkers ist mit der Sensorfläche 100 verbunden, während der Ausgang des Operationsverstärkers 122 mit dem Ausgang der ersten Elektronik-Vorrichtung verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang des Operationsverstärkers 122 über einen Kondensator C» 124 an den invertierenden Eingang rückgekoppelt. In Figur 5 ist außerdem ein Ersatzschaltbild 140 für den Körper eines die Tastatur bedienenden Benutzers dargestellt, welches die erste Hand 142, deren Anwesenheit festzustellen ist, den ohmschen Widerstand RB und die Kapazität CB seines Körpers sowie die zweite Hand 144, die sich in der Nähe eines mit einer Maustaste 108 gekoppelten kapazitiven Näherungsschalters 150 (wird später unter 2.7 beschrieben werden) befindet, umfasst.
Ein Wechselspannungssignal, z.B. eine Rechteckspannung mit Hub (Spannungssprung) ΔU, wird auf den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 122 gegeben. Die Ausgangsspannung Uι des Ladungsverstärkers 120 nach dem Spannungssprung ΔU hängt gem. Gl. (1) von der Kapazität Cj der Elektrode Sj gegen die Umgebung ab. Im Falle, daß Cj deutlich kleiner ist als die Körperkapazität CB, entspricht Cj der Kapazität zwischen Elektrode Sj, also der Sensorfläche 100, und Hand 142. Uo ist die Spannung am Verstärkerausgang vor dem Spannungssprung.
Figure imgf000021_0001
Durch Abtasten des Verstärkerausgangs ('Sampling') kurz vor und nach der Signalflanke und durch Subtraktion der beiden Spannungswerte und von ΔU erhält man somit ein Maß für die Elektrodenkapazität , die sich am Eingang des Verstärkers befindet. Falls die Ausgangsspannung Uj wg. des Terms ΔU droht, über die Versorgungsspannung hinauszuwachsen, oder sich oberhalb des Eingangspannungsbereichs des folgenden Analog-Digital-Wandlers befindet, kann eine Reduzierung durch eine Kompensationskapazität erreicht werden, deren eine Seite an die Verstärkereingangsleitung angeschlossen wird, und deren andere Seite eine verstärkte Kopie des Spannungssprungsignals ΔU erhält. Gl. (1) gilt gleichermaßen für die in x-Richtung verlaufenden Elektroden Sj als auch für die in y-Richtung verlaufenden Elektroden Sj. Aus Gründen der Einfachheit werden nur die Gleichungen für den Index i angegeben.
Der Vorteil bei Einsatz einer Rechteckspannung ist der, daß man nahezu instantan eine Messung der Elektrodenkapazitäten durchführen kann. Durch eine Messung kurz vor und kurz nach dem Spannungsprung ist die Kapazität völlig bestimmt; Störeinkoppelungen sind auf das Zeitfenster zwischen den beiden Messungen, das nur durch die Anstiegszeit des Verstärkers limitiert ist, beschränkt. Die 'sensitive' Zeit des Systems ist daher wesentlich kürzer als die bei Einsatz einer Sinusspannung und anschließender synchroner Detektierung wie in [9, 10]. Die Zeigerkoordinaten X,Y werden nach Gin. (2) und (3) berechnet, wobei die verbundenen Elektroden Sj, Sj die Kapazitäten Cj, Cj gegen Masse besitzen.
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0002
Die Hand kann in x- ,y- und z-Richtung innerhalb der Grenzen, die durch die Nachweisempfindlichkeit der Ladungsmessung gegeben sind, bewegt werden. Bei Vorrichtung 1 wird die Abschirmung 102 auf gleichem Potential wie die Elektroden gehalten, insbesondere macht sie also die Spannungssprünge mit, so daß die zwischen Elektroden und Abschirmung 102 bestehende Kapazität nicht umgeladen werden muß. Nicht jede Elektrode muß von einem eigenen Verstärker ausgelesen werden. Um Bauelemente zu sparen, können Multiplexer (Umschalter) sowohl vor den Verstärkern als auch hinter den Verstärkern eingesetzt werden.
2.6 Zweite Elektronik-Vorrichtung
Figur 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Elektronik-Vorrichtung, im Folgenden auch „Elektronik-Vorrichtung 2" genannt, die ebenfalls dazu geeignet ist, die Lage der Hand über den Tasten zu ermitteln. Hierbei wird nicht wie bei Elektronik-Vorrichtung 1 primär die Umgebungskapzität der Elektroden Sj gemessen, sondern die Koppelkapzität Cj zwischen Elektrode Sj und der Hand. Die zweite Elektronik-Vorrichtung weist eine Elektrode 200, eine Maustaste 208, einen Ausgang 206, der eine Ausgangsspannung Uj zur Weiterverarbeitung durch einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler ausgibt, sowie einen Ladungsverstärker 220 auf. Als Elektrode 200 ist in Fig. 6 schematisch eine Elektrode dargestellt, die bspw. eine Elektrode Sj bzw. Sj aus Fig. 1 sein kann. Der Ladungsverstärker 220 umfasst einen Operationsverstärker 222, dessen nicht-invertierender Eingangsanschluß „+" auf Masse liegt. Der invertierende Eingangsanschluß „-" des Operationsverstärkers ist mit der Maustaste 208 verbunden, während der Ausgang des Operationsverstärkers 222 mit dem Ausgang 206 der Elektronikvorrichtung 2 verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang 206 des Operationsverstärkers 222 über einen Kondensator Cfb 224 an den invertierenden Eingang rückgekoppelt.
Ebenfalls dargestellt ist ein Ersatzschaltbild 240 für den Körper eines die Tastatur bedienenden Benutzers, welches die erste Hand 242, deren Anwesenheit festzustellen ist, den ohmschen Widerstand RB und die Kapazität CB seines Körpers sowie die zweite Hand 244, die sich in der Nähe der Maustaste 208 befindet, umfasst.
Die rechte Hand 242 befindet sich auf der Tastatur über der Elektrodenebene, während die linke Hand 244 bei der zweiten Elektronik-Vorrichtung eine spezielle Elektrode 208 kontaktiert, die mit dem Eingang des Ladungsverstärkersystems 220 gekoppelt ist und die als Maustaste ausgestaltet sein kann (Abb. 6). Die einzelnen Elektroden der Elektrodenebene werden sukzessive mit einer Wechselspannung belegt. Die angelegte Wechselspannung kann z.B. eine Rechteckspannung sein. Eine mögliche Realisierung wäre ein Schieberegister, in dessen seriellen Eingang ein Ziffernmuster ...0-0-0-1-1-1... eingespeist würde, und dessen paralleler Ausgang an die Elektroden angeschlossen würde. Mit jedem Taktpuls erfährt somit fortlaufend eine neue Elektrode einen Spannungssprung ΔU.
Besteht nun eine gewisse Streukapazität zwischen den Elektroden 200 und der Hand 242, so wird durch den Spannungssprung eine Ladung auf der Hand 242 induziert, die vom angeschlossenen Ladungsverstärker 220 'abgesaugt' und in eine Spannung konvertiert wird. In Abb. 7 sind fünf solcher Streukapazitäten zwischen verschiedenen Elektroden eingezeichnet; i.a. wird zwischen jeder der Elektroden Sj, Sj und der Hand eine endliche - wenn auch kleine - Streukapazität bestehen.
Die verstärkten Spannungen Uj sind gem. Gl. (4) proportional zu den Streukapazitäten Cj, die sich zwischen den Elektroden Sj, Sj und der Hand 242 befinden, und dem Spannungssprung ΔU. U0 bezeichnet das Ruhepotential des Ladungsverstärkers 220.
U, Ci -AU + Uϋ Ö + c (4) ß
Wie in Elektronik-Vorrichtung 1 kann durch Abtasten des Verstärkerausgangs vor und nach dem Spannungssprung sowie Differenzbildung ein Maß für die Kapazitäten Cj gewonnen werden.
Die übertragenden Ladungen sowie die damit verbundenen Ströme im menschlichen Körper sind von derselben Größenordnung wie die in Elektronik- Vorrichtung 1 (und in allen kapazitiven Touchpads oder Näherungsschaltern) auftretenden; sie liegen weit unterhalb jeder Merkbarkeits- und Gefährdungsgrenze.
Um die in schneller Folge auftretenden Spannungspulse verarbeiten zu können, ist ein rasches Rücksetzen des Verstärkers nach erfolgtem Spannungssprung erforderlich. Hierfür können aus der Hochenergiephysik bekannte Verfahren [11] benutzt werden.
Hinsichtlich der Elektrodengeometrie können ebenfalls die in den Fign. 1 und 2 gezeigten Muster verwendet werden. Ebenso kann das im Zusammenhang mit der Elektronik-Vorrichtung 1 beschriebene Verfahren der Mauskoordinatenberechnung, das in den Formeln (2), (3) beschrieben ist, weiter verwendet werden. Bei Elektronik-Vorrichtung 2 wird die Abschirmung nicht zwingend benötigt, da die Elektroden selbst die Abschirmung nach oben (zur Hand hin), d.h. gegen Störpulse von der Tastaturfolie oder anderen unter der Tastatur befindlichen Störquellen bewerkstelligen. Falls dennoch Störungen durch die
Elektrodenritzen dringen, kann dies mit einer durchgehenden Abschirmung, die auf Massepotential gelegt ist, vermieden werden.
Es ist ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens, dass - ohne auf Signal- qualitätsverluste einzugehen - in der Signalauslesekette nur ein Verstärker und ein Analog-Digital-Wandler benötigt wird.
Es ist ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens, daß bei gleicher Versorgungsspannung ein größerer Spannungspuls ΔU verwendet werden kann, da dieser nicht als konstanter additiver Term am Verstärkerausgang wie in Gl. (1) auftritt. Dies vergrößert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Ein weiterer Vorteil ist es, daß die Abschirmfolie nicht benötigt wird.
Als größter Nachteil dieses Verfahrens erscheint das Zusammenbrechen des Ladungssignals, wenn der Körper einen geerdeten Gegenstand berührt. Im Prinzip kann dieses Problem zwar durch eine potentialmäßige, insbesondere eine galvanische Entkopplung des Elektrodenstromkreises von den geerdeten Stromkreisen des Computers gelöst werden, doch ein solche Entkopplung ist aufwendig, verbraucht mehr Strom, ist rauschkritisch, und der Ladungsverstärker muß die unvermeidlichen parasitären Kapazitäten zwischen dem Elektrodenstromkreis und der Erde bei jedem Spannungssprung umladen.
2.7 Maustasten sowie Umschaltung zwischen Tastatur- und Mausmodus
Die Maustastschalter ("Maus-Buttons") 108 (in Fig. 5), 208 (in Fig. 6) werden neben den Tasten der Tastatur auf dem gleichen Gehäuse angeordnet. Sie werden mit der Hand 144, 244, die nicht den Mauszeiger steuert, bedient. Für einen Rechtshänder ist die steuernde Hand 142, 242 i.a. die rechte Hand, die maustastenbedienende Hand 144, 244 die linke.
Bei Elektronik-Vorrichtung 1 erfolgt die Aktivierung des Mausmodus in der bevorzugten Ausgestaltung durch einen handelsüblichen kapazitiven Näherungsschalter 150, dessen Meßelektrode um die Maustasten 108 herum, beispielsweise unter dem Kunstoffgehäuse, angebracht ist. Somit erfolgt die Umschaltung in den Mausmodus immer dann, wenn die linke Hand 144 in die Gegend der Maustasten 108 gelegt wird.
Bei schwachem Signal kann zusätzlich auf oder neben den Maustasten 108 eine Elektrode angebracht werden, die auf Masse (Nulipotential) gelegt wird. Wenn die Hand die Elektrode berührt, wird die Bedingung Cj « CB für Formel (1) hinfällig. Siehe hierfür auch die folgende Ausführung zur Elektronik-Vorrichtung 2. Es muß allerdings darauf geachtet werden, daß die leitende und auf Masse gelegte Fläche das Streufeld der Meßelektrode des Näherungsschalters nicht abschirmt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Maustastschalter leitend ausgeführt, indem er mit einem leitenden Überzug überzogen wird oder indem er z.B. aus (nicht zu dick) eloxiertem Aluminium geformt wird. Der Mausmodus wird durch Berührung des Maustastschalters mit der linken Hand eingeschaltet. Der leitende Überzug des Maustastschalters bzw. der aus eloxiertem Aluminium hergestellte Maustastenschalter wird abwechselnd auf Masse gelegt, wenn eine Handpositionsmessung durchgeführt wird, und an den handelsüblichen kapazitiven Näherungsschalter angeschlossen, wenn eine Berührung des Tastschalters bspw. zwecks eventueller Umschaltung in den Mausmodus detektiert werden soll.
Bei Elektronik-Vorrichtung 2 muß ein leitender Kontakt zwischen dem Körper und einer Elektrode bestehen, die mit dem Eingang eines Ladungsverstärkers verbunden ist. Am zweckmäßigsten ist es, die Maustasten selbst zur leitenden Elektrode zu machen, indem sie z.B. aus (nicht zu dick) eloxiertem Aluminium geformt werden. Die Aktivierung des Mausmodus erfolgt, wenn die linke Hand 244 die Maustasten 208 berührt (siehe Abb. 6), da dann (und nur dann) die Signale der Elektroden 200 über die Körperleitung von der rechten Hand 242 über die linke Hand 244 zum Eingang des Ladungsverstärkers 220 gelangen können. Es genügt somit eine Schwellwertabfrage im Programm des nachgeschalteten Mikrokontrollers, um den Mausmodus einzuschalten.
Sowohl bei Elektronik-Vorrichtung 1 als auch bei Elektronik-Vorrichtung 2 besteht natürlich auch die Möglichkeit, mit einer dedizierten Taste oder einem dedizierten Knopf, sei sie bzw. er als Teil des Tastaturtastenfelds oder daneben angebracht, zwischen Tastatur und Mausmodus hin und her zu schalten. Bei Elektronik-Vorrichtung 2 muß eine leitende Verbindung der Hand zum Ladungsverstärker gewährleistet bleiben.
2.8 Elektronik-Gesamtsystem
Abb. 8 zeigt die weitere Verarbeitung der Spannungsmesswerte bis zum Transfer der Daten zum Computer am Beispiel der Elektronik-Vorrichtung 1.
Analog-Digital-Wandler (ADC) 301 wandeln die von den Ladungsverstärkern 120 stammenden Spannungswerte Uj in digitale Werte um, die zu einem Mikrokontroller (MCU) 303 weitergegeben werden. Der Mikrokontroller 303 führt die Berechnung der Mauskoordinaten X und Y nach den Gin. (2) und (3) durch, die anschließend von ihm über eine serielle Schnittstelle 305 (z.B. PS/2, RS232, USB, in Abb. 8 mit S bezeichnet) an den Computer (C) 307 weitergeleitet werden, wo die Daten schließlich zur Steuerung des Mauszeigers verwendet werden. Alle Komponenten können auf einem Chip integriert sein; hier ergibt sich als weitere Möglichkeit, die Berechnungen von einer festverdrahteten Logik anstelle eines programmierbaren Mikrokontrollers durchführen zu lassen.
3. Besondere Ausgestaltungen
Die vorliegenden Erfindung kann insbesondere in Form der nachfolgend beschriebenen Tastaturen bzw. Vorrichtungen realisiert sein: 3.1 Mechanische Anordnung
Tastatur mit einer kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger, die mindestens eine Elektrode umfaßt, dadurch 5 gekennzeichnet, daß die mindestens eine Elektrode unter den Tasten angeordnet ist.
Tastatur mit einer kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger, die mindestens eine Elektrode umfaßt, dadurch 10 gekennzeichnet, daß die mindestens eine Elektrode unter den Tasten innerhalb des Tastaturgehäuses angebracht ist. Anmerkung: Sowohl [8] und [10] beschreiben Ihre Elektroden als auf der Träger/Gehäuseoberseite befindlich.
3.2 Elektrodengeometrie
15
Tastatur mit einer kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger, die mindestens fünf Elektroden umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens fünf Elektroden spitze Winkel unter 45 Grad besitzen.
20
Für die hier beschriebene besondere Ausgestaltung sowie für die übrigen in der Anmeldung beschriebenen spitzen Elektrodengeometrien gilt, dass es mikroskopisch immer eine Abrundung des Winkels (Fig. 9a) gibt; dies sollte nicht als Rechtfertigung einer Umgehungslösung dienen. Auch durch viele flachere 25 Winkel auf kleinem Raum kann man spitze Ecken umgehen (Fig. 9b); Beide Varianten sollen im Sinne der Erfindung als spitze Winkel anzusehen sein.
3.3 Elektronikvorrichtung
, 30 Vorrichtung zum Steuern eines Cursors mit der Hand mit einer Anzahl Elektroden, die mit der Hand Kapazitäten bilden können, einem oder mehreren Zuführmitteln zum Zuführen einer Wechselspannung zu den Kapazitäten, einem oder mehreren Bestimmungsmitteln zum Bestimmen der Kapazitäten anhand der Wechselspannung und Mitteln zum Erzeugen der Steuerdaten aus den Kapazitätswerten, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Rechteckspannung ist.
Vorrichtung zum Steuern eines Cursors mit der Hand, mit einer Anzahl Elektroden, die mit der Hand Kapazitäten bilden können, einem oder mehreren Zuführmitteln zum Zuführen einer Wechselspannung zu den Kapazitäten, einem oder mehreren Bestimmungsmitteln zum Bestimmen der Kapazitäten anhand der Wechselspannung und Mitteln zum Erzeugen der Steuerdaten aus den Kapazitätswerten, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung über die Elektroden zugeführt wird und die Hand als Teil der Bestimmungsmittel dient.
Vorrichtung zum Steuern eines Cursors mit der Hand, mit einer Anzahl Elektroden, die mit der Hand Kapazitäten bilden können, einem oder mehreren Zuführmitteln zum Zuführen einer Wechselspannung zu den Kapazitäten, einem oder mehreren Bestimmungsmitteln zum Bestimmen der Kapazitäten anhand der Wechselspannung und Mitteln zum Erzeugen der Steuerdaten aus den Kapazitätswerten, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Kapazitäten fließende Strom zu keinem Zeitpunkt durch das Erdpotential fließt, wenn nicht die Hand selbst auf Erdpotential liegt.
Literatur
[1] US Patent 3835464, R. E. Rider, "Position indicator for a display System", 10.09.1974
[2] US Patent 6028271 , Gillespie et al., "Object position detector with edge motion feature and gesture recognition", 22.02.2000
[3] US Patent 5305017, G. E. Gerpheide, "Methods and apparatus for data input", 19.04.1994 [4] Weltpatent 9618179, Gerpheide et al., "Capacitance- based proximity sensor with interference rejection apparatus and methods", 13.06.1996 [5] US Patent 5521596, E. J. Selker, "Analog input device located in the primary typing area of a keyboard, 28.05.1996
[6] US Patent 5821922, C. Seilers, "Computer having video controlled Cursor System", 13.10.1998
[7] US Patent 5675361 , D. Santilli, "Computer keyboard pointing device", 07.10.1997
[8] Internat. Patentanmeldung 98/05025, H. Philipp, "Capacitive Position Sensor", 05.02.1998
[9] Internat. Patentanmeldung 99/52027, H. R. Sterling, "Positioning a Cursor on the display screen of a Computer", 14.10.1999
[10] US Patent 6204839 B1 , S. A. Mato, Jr. , "Capacitive sensing keyboard and pointing device", 20.03.2001
[11] W. Fallot-Burghardt, "A CMOS Mixed-Signal Readout Chip for the Microstrip Detectors of Hera-B", Doktorarbeit, 24.06.1998
[12] Internat. Patentanmeldung 00/73984 A1 , Kent et al., "Pojective Capacitive Touchscreen", 07.12.2000

Claims

Patentansprüche
Tastatur, insbesondere Computertastatur, mit einem Tastaturgehäuse (1 , 3) und einer mindestens eine Elektrode (35) umfassenden kapazitiven Vorrichtung zum Eingeben von Positionsdaten für einen Mauszeiger, wobei die mindestens eine Elektrode (35) derart ausgestaltet ist, dass das Eingeben der Positionsdaten durch Bewegen der Hand über der Tastatur möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Elektrode (35) im Inneren des Tastaturgehäuses (1 , 3) angeordnet ist.
Tastatur nach Anspruch 1 mit einer Anzahl an Tasten (5, 50), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (35) mindestens teilweise unterhalb mindestens einer Taste (5, 50) angeordnet ist.
3. Tastatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasten (5, 50) jeweils einen Tastenstößel (9, 53) umfassen und mindestens eine Elektrode (35) mindestens teilweise unterhalb des Tastenstößels (9, 53) mindestens einer der Tasten (5, 50) angeordnet ist.
4. Tastatur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (35) auf eine Elektrodenfolie (33) aufgebracht ist.
5. Tastatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfolie (33) eine Polyesterfolie ist.
6. Tastatur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (35) auf die Elektrodenfolie (33) aufgedruckt ist.
7. Tastatur nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastatur Folienschalter (17, 23, 29) umfasst und die Elektrodenfolie (33) über den Folienschaltern (17, 23, 29) angeordnet ist.
8. Tastatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrodenfolie (33) und den Folienschaltern (17, 23, 29) eine Abschirmung (37): angeordnet ist.
9. Tastatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung als Abschirmfolie (37) realisiert ist.
10. Tastatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (37) auf die der mindestens einen Elektrode (35) gegenüberliegenden Seite der Elektrodenfolie (33) aufgebracht ist.
11. Tastatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienschalter (17, 23, 29) eine obere Tastaturfolie (17) umfassen und die Abschirmung (37) auf die Oberseite der oberen Tastaturfolie (17) aufgebracht ist.
12. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastatur Folienschalter (17, 23, 29) mit einer oberen Tastaturfolie (17) umfasst und die mindestens eine Elektrode (35) auf die obere Tastaturfolie aufgebracht ist.
13. Elektrodenanordnung, insbesondere zum Einbringen in das Tastaturgehäuse einer Tastatur, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Elektroden (Sj, Sj) umfasst, von denen jede eine von einem Streckenzug umschlossene Elektrodenfläche aufweist, wobei der
Streckenzug mindestens näherungsweise wenigstens zwei Winkel aufweist, die kleiner sind als 45 Grad.
14. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestes zwei der mindestens zwei Elektroden (Sj, Sj) im
Wesentlichen in zueinander senkrechte Richtungen erstrecken.
15. Elektrodenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (Sj) aus einer Aneinanderreihung von Dreiecken und/oder mindestens eine sich zu dazu senkrecht erstreckende Elektrode (Sj) aus einer Aneinanderreihung von Rauten aufgebaut ist.
16. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 13 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (Sj, Sj) auf eine Elektrodenfolie (33) aufgebracht sind.
17. Elektrodenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (Sf, Sj) auf die Elektrodenfolie (33) aufgedruckt sind.
18. Elektrodenanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfolie (33) gleichzeitig eine Tastaturfolie für Folienschalter (17, 23, 29) ist.
19. Elektrodenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfolie (33) gleichzeitig eine obere Tastaturfolie (17) ist und die Elektroden (Sj, Sj) auf die Oberseite der oberen Tastaturfolie (17) aufgebracht sind.
20. Vorrichtung zum Steuern eines Cursors durch Beeinflussen von Kapazitäten mit einer Hand, umfassend:
- eine Anzahl Elektroden (35, Sj, Sj), die derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie Kapazitäten (Cj, Cj) bilden können, die sich mit einer Hand (142, 242) beeinflussen lassen, - mindestens eine Wechselspannungszuführung (104) zum Zuführen einer Wechselspannung (ΔU),
- mindestens eine Erfassungseinrichtung (120, 220), die zum Erfassen mindestens einer durch die Hand beeinflussten Kapazität (Cj, Cj) anhand der zugeführten Wechselspannung (ΔU) ausgelegt ist, und - eine Berechnungseinheit (303) zum Erzeugen von Steuerdaten aus der mindestens einen von der Erfassungseinrichtung (120, 220) erfassten Kapazität (Cj, Cj), dadurch gekennzeichnet,
- dass die Wechselspannung (ΔU) eine Rechteckspannung ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungszuführung (104) derart ausgestaltet ist, dass die Wechselspannungszufuhr an mindestens eine Elektrode (35) der Anzahl von Elektroden (35, Sj, Sj) erfolgt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erfassungseinrichtung (120,) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die mindestens eine durch die Hand beeinflusste zu erfassende Kapazität die Umgebungskapazität der Elektroden (35, Sj, Sj) ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung einen Operationsverstärker (122) mit einem nicht- invertierenden Eingangsanschluss in Ladungsverstärker-Beschaltung umfasst und die Wechselspannung (ΔU) am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (122) anliegt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erfassungseinrichtung (220) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die mindestens eine durch die Hand beeinflusste zu erfassende Kapazität (Cj, Cj) die Koppelkpazität (Cj, Cj) zwischen mindestens einer der Elektroden (35, Sj, Sj) und der Hand (242) ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung signalmäßig mit einem geerdeten Stromkreis verbunden ist und eine Entkopplungseinrichtung zum potentialmäßigen Entkoppeln des die Elektroden (35, Sj, Sj) umfassenden Stromkreises vom geerdeten Stromkreis vorhanden ist.
26. Vorrichtung zum Steuern eines Cursors durch Beeinflussen von Kapazitäten mit einer Hand, umfassend:
- einen eine Anzahl Elektroden (35, Sf, Sj) umfassenden Stromkreis, wobei die Elektroden (35, Sj, Sj) derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie Kapazitäten (Cj, Cj) bilden können, die sich mit einer Hand (142, 242) beeinflussen lassen,
- mindestens eine Wechselspannungszuführung (104) zum Zuführen einer Wechselspannung (ΔU), - mindestens eine Erfassungseinrichtung (120, 220), die zum Erfassen mindestens einer durch die Hand beeinflussten Kapazität (Cj, Cj) anhand der zugeführten Wechselspannung (ΔU) ausgelegt ist,
- eine Berechnungseinheit (303) zum Erzeugen von Steuerdaten aus der mindestens einen von der Erfassungseinrichtung (120, 220) erfassten Kapazität (Cj, Cj), und
- mindestens einen geerdeten Stromkreis, wobei
- die Vorrichtung signalmäßig mit einem geerdeten Stromkreis 1 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Entkopplungseinrichtung zum potentialmäßigen Entkoppeln des die Elektroden (35, Sj, Sj) umfassenden Stromkreises vom geerdeten Stromkreis vorhanden ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Koppler vorhanden ist, über den die signalmäßige Kopplung erfolgt.
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