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Beschreibung
Anzeigevorrichtung mit Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen eines Magnetfeldes und diese verwendendes Gerät
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen eines Magnetfei- des und ein Gerät, das eine solche Anzeigevorrichtung verwendet.
Es sind multifunktionale Anzeigevorrichtungen bekannt, die es nicht nur erlauben, auf einem Anzeigefeld alphanumerische Symbole und/oder grafische Informationen darzustellen, sondern die darüber hinaus in der Lage sind, über magnetische Wechselwirkung die Position eines speziellen "Stiftes" in Bezug auf das Anzeigefeld zu erfassen und so Eingabedaten zu gewinnen, die von einem die Anzeigevorrichtung enthaltenden elektronischen Gerät weiterverarbeitet oder zu dessen Steuerung herangezogen werden können. Derartige Anzeigevorrichtungen kommen zum Beispiel in Mobiltelefonen zum Einsatz, wo sie es erlauben, auf eine herkömmliche Tastatur zur Eingabe einer Rufnummer zu verzichten, indem eine Abbildung einer Tastatur auf dem Anzeigefeld angezeigt wird und ein Benutzer die zu wählenden Rufnummern eingibt oder andere Tasteneingaben vornimmt, indem er mit dem Stift auf die Abbildungen der gewünschten Tasten auf der Anzeigefläche tippt.
Eine herkömmliche Anzeigevorrichtung dieser Art ist, eingebaut in ein Gehäuse eines Geräts, in Fig. 1 gezeigt. Sie um- fasst eine einer Rückseite des Anzeigefeldes 1 zugewandte Leiterplatte 3, auf die eine Mehrzahl von kleinformatigen Sensorspulen 4 verteilt ist, die auf ein von einem vor das Anzeigefeld 3 gehaltenen stiftförmigen Transponder 8 erzeugtes Magnetfeld je nach ihrer Relativposition in Bezug auf den Transponder 8 unterschiedlich stark reagieren und die anhand
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2 der unterschiedlichen in ihnen von dem Magnetfeld des Transponders 8 erzeugten Ströme einen Rückschluss auf die Position des Transponders 8 vor dem Anzeigefeld 3 zulassen. Der Transponder 8 seinerseits enthält zur Erzeugung dieses Mag- netfeldes einen Schwingkreis mit einer Spule 9 und einem Kondensator 10. Um diesen Schwingkreis anzuregen, ist auf Seiten der Anzeigevorrichtung eine Senderspule 5 vorgesehen, die jeweils alternierend in einer ersten Phase mit einem Wechselstrom bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises des Transponders 8 beaufschlagt wird, um den Schwingkreis anzuregen, und in einer zweiten Phase stromlos bleibt. In dieser zweiten Phase wird das von dem nachschwingenden Schwingkreis des Transponders 8 abgegebene Magnetfeld von den Sensorspulen 4 aufgefangen.
Die Sensorspulen 4 sind, damit sie das Anzeigefeld 3 nicht verdecken, in einer hinter dem Anzeigefeld liegenden Ebene angeordnet. Herkömmlicherweise ist die Senderspule 5 der Einfachheit halber auf der gleichen Leiterplatte 3 wie die Sen- sorspulen 4 angeordnet.
Sender- und Sensorspulen 5, 4 haben daher einen nicht verschwindenden Abstand von einem Sichtfenster 7 der Anzeigevorrichtung. Dieser Abstand hat einen sehr starken Einfluss auf die Stärke der von den Sensorspulen 4 auf efangenen Signale, denn die Feldstärke des von der Senderspule 5 erzeugten Feldes nimmt in axialer Richtung der Senderspule 5 mit der dritten Potenz der Entfernung ab, so dass sich dementsprechend auch die Stärke der in dem Transponder 8 induzierbaren Reso- nanz verringert. Entsprechend nimmt aber auch die Intensität, mit der das von dem Transponder 8 wieder abgestrahlte Magnetfeld von den einzelnen Sensorspulen 4 registriert wird, ab. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Abstand des Sichtfensters 7 von der Ebene der Spulen 4, 5 entweder die Genauigkeit, mit der die Position des Transponders 8 erfasst werden kann, sehr stark abnimmt, oder die Stromstärke in der Senderspule 5 stark erhöht werden muss . Ein starkes Magnetfeld der Sender-
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3 spule 5 kann aber die Funktion von benachbarten elektronischen Schaltungskomponenten beeinträchtigen, so dass zwischen der Senderspule 5 und solchen Komponenten eine kostspielige magnetische Abschirmung erforderlich wird. Außerdem beeinträchtigt bei einem Gerät mit netzunabhängiger Energieversorgung ein hoher Strom in der Sendespule die Betriebsdauer der Energieversorgung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anzeigevorrich- tung mit einem Sichtfenster, einer hinter dem Sichtfenster sichtbaren Anzeigefläche, einer Mehrzahl von in einer ersten Ebene verteilten, für ein externes magnetisches Feld empfindlichen Sensorelementen und einer Senderspule zum Ausstrahlen eines magnetischen Feldes zu schaffen, die eine genaue Erfas- sung der Position einer externen, durch das Magnetfeld der Senderspule angeregten Magnetfeldquelle wie etwa eines Transponders auch bei einem niedrigen Betriebsstrom der Senderspule ermöglicht.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Senderspule in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die dem Sichtfenster näher ist als die erste Ebene und die so den Abstand zwischen der Senderspule und der von ihr anzuregenden Magnetfeldquelle reduziert .
Da das Sichtfenster eine äußere Begrenzung der Anzeigevorrichtung darstellt, ist der geringste Abstand zwischen einer anzuregenden externen Magnetfeldquelle und der Senderspule realisierbar, wenn die Senderspule an einem Rahmen des Sicht- fensters montiert ist. Vorzugsweise ist die Senderspule in das Material des Rahmens eingebettet oder an seiner Innenseite angebracht und so vor den Blicken eines Benutzers verborgene und vor Beschädigung geschützt. Diese Senderspule kann aus einer oder mehreren Drahtwicklungen bestehen.
Alternativ kann der Abstand zwischen der Senderspule und der externen Magnetfeldquelle in gleicher Weise minimiert werden,
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4 indem die Senderspule durch eine transparente, elektrisch leitfähige Beschichtung des Sichtfensters, etwa aus Indium- Zinn-Oxid (ITO) , gebildet ist.
Die Erfindung ist grundsätzlich auf jeden Typ von Anzeigefläche anwendbar, und das Sichtfenster kann in direktem Kontakt mit einem bilderzeugenden Medium, wie etwa im Fall einer LCD-Anzeige einem Flüssigkristallmaterial, stehen. Wenn die Anzeigefläche durch eine LCD-Anzeige gebildet ist, ist aller- dings vorzugsweise das Sichtfenster von der LCD-Anzeige durch einen Luftspalt beabstandet, um die Übertragung eines äußeren Drucks auf die LCD-Anzeige, die zu einer Veränderung des Anzeigebildes führen kann, zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung kann einschließlich ihres Sichtfensters als ein Fertigbauteil realisiert sein, das in elektronische Geräte beliebiger Art eingebaut werden kann. Um den Abstand zwischen der Senderspule und der externen Magnetfeldquelle so gering wie möglich halten zu können, ist allerdings bevorzugt, dass das Sichtfenster als Teil eines äußeren Gehäuses des Gerätes ausgebildet ist, in das die Anzeigefläche eingebaut wird. In einem solchen Fall kann die Spule an einer Innenseite des Gehäuses, das Sichtfenster umgebend, befestigt sein, oder sie kann direkt in das Material des Gehäuses eingegossen sein.
Eine elektrische Verbindung zwischen der Senderspule und der Anzeigevorrichtung kann dann vorteilhaft wenigstens auf einem Teil ihrer Länge über eine flexible Leiterplatte geführt sein.
Alternativ kommt auch die Verwendung von Druckkontaktfedern in Betracht, die zum Beispiel eine leitende Verbindung zwischen einer die Anzeigefläche tragenden Leiterplatte und an der Innenseite des Gehäuses ausgebildeten Kontaktfeldern der Senderspule herstellen.
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5 Das Problem der Abnahme des Messsignals bei zunehmender Entfernung zwischen der Senderspule und der externen Magnetfeldquelle und zwischen der externen Magnetfeldquelle und den Sensorspulen ist um so gravierender, je geringer die Kanten- länge einer verwendeten Anzeigefläche ist. Daher ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar, wenn es sich bei dem elektronischen Gerät um ein Mobiltelefon handelt, da die bei Mobiltelefonen verwendeten Anzeigeflächen meist Kantenlängen von nicht mehr als 4 cm haben. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1, bereits behandelt, einen schematischen Teilschnitt durch ein elektronisches Gerät, das eine herkömmliche, mit einer Senderspule und Sensorspulen zum Wechselwirken mit einem externen Transponder ausgestattete Anzeigevorrichtung aufweist;
Fig. 2 eine erste Ausgestaltung eines elektronischen Gerätes mit einer Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung, in einem Teilschnitt analog der Fig. 1;
Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung eines elektronischen Ge- rätes mit Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen zweiten Schnitt durch ein Gerät gemäß Fig. 2, in dem eine erste Ausgestaltung der Verbindung zwischen einer die Anzeigefläche tragenden Leiterplat- te und einer Senderspule des Gehäuses gezeigt ist;
Fig. 5 einen weiteren Schnitt analog dem der Fig. 4, der eine zweite Ausgestaltung der Verbindung zwischen Leiterplatte und Senderspule zeigt;
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6 Fig. 6 einen dreidimensionalen Graphen der Detektionshöhe als Funktion des Ortes bei einer herkömmlichen Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 1; und
Fig. 7 einen entsprechenden Graphen für die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung der Fig. 3.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch ein elektronisches Gerät mit einer Anzeigevorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Anzeigevorrichtung umfasst ein LCD-Anzeigefeld 1, dessen innerer Aufbau, da an sich bekannt, nicht im Detail dargestellt ist. Das Anzeigefeld 1 ist von einem Rahmen 2 eingefasst und über diesen an einer Leiterplatte 3 befestigt. Leiterbahnen an der dem An- zeigefeld 1 zugewandten Oberseite der Leiterplatte 3 sind zu einer Matrix-Anordnung von Sensorspulen 4 strukturiert. Eine Senderspule 5 ist durch eine Mehrzahl von Leiterschleifen gebildet, die an einer Oberseite des Rahmens 2, die von dem Rahmen 2 umgebene sichtbare Oberfläche des Anzeigefeldes 1 umgebend, angeordnet sind.
Das Anzeigefeld 1 mit dem Rahmen 2 und der Leiterplatte 3 ist als eine Baueinheit in einem Gehäuse 6 eines elektronischen Gerätes wie etwa eines Mobiltele ons untergebracht oder eines Kleinstcomputers (Personal Digital Assistant / PDA) , wobei in dem Gehäuse 6 dem Anzeigefeld 1 gegenüberliegend ein Sichtfenster 7 gebildet ist.
Eine (in der Fig. nicht dargestellte) Versorgungsschaltung des Gerätes versorgt die Senderspule 5 intermittierend mit einem Wechselstrom, der bewirkt, dass die Senderspule 5 ein mit der Frequenz dieses Wechselstroms oszillierendes Magnetfeld mit zur Ebene der Senderspule 5 senkrechter Achse erzeugt.
Dieses Magnetfeld erzeugt einen Wechselstrom in einer Spule 9 eines Transponders 8, der von einem Benutzer vor das Sicht-
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7 fenster 7 gehalten wird. Die Spule 9 ist Teil eines Schwingkreises, der im einfachsten Fall aus der Spule 9 und einem mit ihr in Reihe geschalteten Kondensator 10 gebildet ist. Wenn die Frequenz des von der Senderspule 5 erzeugten Magnet- feldes und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises übereinstimmen, wird der Schwingkreis zum Schwingen angeregt und speichert so Energie aus dem Magnetfeld, die ihn weiterschwingen lässt, wenn die Senderspule 5 nicht mehr mit dem Wechselstrom versorgt wird. Da der Abstand zwischen dem Transponder 8 und der Ebene der Senderspule 5 im Vergleich zur herkömmlichen Ausgestaltung der Fig. 1 um die Dicke des LCD-Anzeigefeldes 1 verringert ist, ist die Kopplung zwischen der Senderspule 5 und der Spule 9 des Transponders 8, das heißt der Wirkungsgrad, mit dem die Schwingung des Trans- ponders 8 angeregt wird, deutlich verbessert. Es genügt daher ein im Vergleich zum Aufbau der Fig. 1 deutlich verringerter Strom durch die Senderspule 5, um in dem Transponder 8 eine Schwingung mit der gleichen Intensität wie mit dem herkömmlichen Aufbau anzuregen. Das heißt, um an den Sensorspulen 4 ein Messsignal, aus dem der Ort des Transponders ermittelt werden kann, mit der gleichen Qualität wie im herkömmlichen Fall der Fig. 1 zu erhalten, ist ein geringerer Strom durch die Senderspule 5 erforderlich. Dadurch verringert sich der Stromverbrauch des elektronischen Gerätes und dementsprechend nimmt, wenn das Gerät netzunabhängig, zum Beispiel über Batterien oder Akkumulatoren, mit Strom versorgt ist, die Betriebsdauer der Batterien bzw. Akkumulatoren zu.
Umgekehrt wird, wenn in die Senderspule ein Wechselstrom mit der gleichen Stärke wie im herkömmlichen Fall eingespeist wird, im Transponder 8 eine wesentlich energiereichere Schwingung angeregt, die zu einem dementsprechend intensiveren Meßsignal an den Senderspulen 5 führt. Die erhaltenen Meßsignale haben somit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und erlauben so eine höhere Ortsauflösung bei der Erfassung der Position des Transponders 8 und/oder eine Erfassung des Orts des Transponders 8 aus einer größeren Entfernung.
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Anstatt auf dem Rahmen 2 kann die Senderspule 5 auch in Form einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht, zum Beispiel aus Indium-Zinn-Oxid, an der Sichtseite des LCD-An- zeigefeldes 1 gebildet sein, wie in der Fig. 2 schematisch durch Leiterbahnen 11 einer solchen Senderspule angedeutet.
Da die gesamte Oberfläche des Anzeige eldes 1 genutzt werden kann, um darauf die Leiterbahnen 11 zu bilden, kann eine Spu- le mit einer großen Zahl von Windungen strukturiert werden, so dass eine vergleichsweise geringe Versorgungsstromstärke der Senderspule genügt, um ein kräftiges den Transponder 8 anregendes Magnetfeld zu erzeugen.
Fig. 3 zeigt in einem Schnitt analog dem der Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes, bei dem die Anregung eines vor das Sichtfenster 7 des Gehäuses 6 des Gerätes gehaltenen Transponders 8 gegenüber der Ausgestaltung der Fig. 2 weiter verbessert ist. Die Verbesserung wird dadurch erreicht, dass die Senderspule 5 in Fig. 3 direkt an das Gehäuse 6 des Gerätes verlegt ist. Dadurch wird der Abstand zwischen der Senderspule 5 und dem Transponder 8 um die Dicke eines Luftspaltes 12 verringert, durch den das LCD-Anzeigefeld 1 vom Sichtfenster 7 beabstan- det ist, um zu verhindern, dass ein auf das Sichtfenster 7 ausgeübter Druck auf das Anzeigefeld 1 übertragen wird und eine Veränderung des Anzeigebildes bewirkt.
Für die Anbringung der Senderspule 5 am Gehäuse 6 gibt es un- terschiedliche Varianten. Einer ersten, in der Fig. 3 dargestellten Variante zufolge sind die Leiter der Senderspule 5, bei denen es sich in diesem Fall um metallische Drähte, in der Fig. mit 13 bezeichnet, handeln kann, in das Material des Gehäuses 6, das Sichtfenster 7 umgebend, eingelassen. Dies ist zum Beispiel durch Umspritzen der vorgeformten Senderspule 5 mit dem Material des Gehäuses 6 realisierbar. Diese Variante ermöglicht den geringsten Abstand zwischen der Ebene
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9 der Senderspule 5 und einem vor das Gerät gehaltenen Transponder 8.
Geringfügig größer, um einen Bruchteil der Wandstärke des Ge- häuses 6, ist dieser Abstand bei einer zweiten, nicht in der Fig. dargestellten Variante, bei der die Senderspule 5 an der Innenseite des Gehäuses 6, das Sichtfenster 7 umgebend, aufgeklebt ist.
Einer dritten Variante zufolge ist die Senderspule 5 durch
Leiterbahnen 11 gebildet, die an der Innenseite des Sichtfensters 7 aus einem transparenten, elektrisch leitfähigem Material strukturiert sind.
Den mit Bezug auf Fig. 3 bezogenen Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass eine elektrisch leitende Verbindung für die Stromversorgung der Senderspule 5 zwischen dem Gehäuse 6 und der das LCD-Anzeigefeld 1 und dessen (nicht dargestellte) Ansteuerelektronik tragenden Leiterplatte 3 beim Zusammenbau des Geräts hergestellt werden muss. Eine solche leitende Verbindung kann zum Beispiel, wie in Fig. 4 gezeigt, durch zwei flexible Kontaktfedern 14 hergestellt werden, die an der Leiterplatte 3 dauerhaft befestigt sind und unter einer Verformungsspannung stehend mit der Senderspule 5 verbundene Kon- taktfelder 15 in Form von metallisierten Flächen an der Innenseite des Gehäuses 6 berühren. Derartige Kontaktfedern 15 stellen eine für die Stromversorgung der Senderspule 5 erforderliche elektrische Verbindung zu der Leiterplatte 3 unmittelbar bei deren Montage im Gehäuse 6 her, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Montageschritt erforderlich ist.
Die Zuverlässigkeit der in Fig. 4 gezeigten Art der Kontak- tierung kann sich als unbefriedigend erweisen, wenn sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit des Kontaktes gestellt werden und/oder die Berührungsflächen zwischen Kontaktfedern 14 und Kontaktfeidern 15 sehr klein gemacht werden müssen und/oder die Berührungsflächen korrosionsgefährdet sind. In einem sol-
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10 chen Fall kann, wie in Fig. 5 gezeigt, die elektrische Verbindung zwischen der Senderspule 5 und der Leiterplatte 3 ü— ber eine flexible Leiterplatte 16 hergestellt werden, die einerseits, beispielsweise durch Lötung, an die Kontaktfelder 15 des Gehäuses 6 und andererseits an Kontaktfelder der Leiterplatte 3 angeschlossen ist.
In der in Fig. 5 gezeigten Konfiguration erstreckt sich die flexible Leiterplatte 16 von einer Innenseite 17 des Gehäuses 6 auf die von dieser Innenseite 17 abgewandte Unterseite der Leiterplatte 3. Hier kann die elektrische Verbindung hergestellt werden, indem zunächst die flexible Leiterplatte 16 an die Innenseite 17 angeschlossen, dann die Leiterplatte 3 im Gehäuse 6 platziert und zuletzt die Leiterplatte 16 mit der dann freiliegenden Unterseite der Leiterplatte 3 verbunden wird. Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, die flexible Leiterplatte 16 an die Oberseite der Leiterplatte 3 anzuschließen, indem zunächst das Gehäuse 6 und die Leiterplatte 3 nebeneinander gehalten werden, die Leiterplatte 16 mit beiden verbunden wird und schließlich die Leiterplatte 3 in das Gehäuse 6 hinein über die von der flexiblen Leiterplatte 16 gekreuzte Kante geschwenkt wird.
Die Figuren 6 und 7 zeigen im Vergleich die Ortserfassungs- leistungen einer herkömmlichen Vorrichtung gemäß Fig. 1 (in Fig. 6) und die einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 (in Fig. 7) . Die gewölbte Fläche zeigt in beiden Figs . als zweidimensionale Funktion des Ortes auf dem Anzeigefeld die Detektionshöhe, d. h. die Entfernung vom Anzeigefeld, jenseits von der eine Erfassung des Orts des Transponders nicht mehr funktioniert. Für eine gegebene VersorgungsStromstärke der Senderspule 5 wurde bei der herkömmlichen Vorrichtung festgestellt, dass unter optimalen Bedingungen, bei einem vor die Mitte des LCD-Anzeigefeldes 1 gehaltenen Transponder 8, bei einer Entfernung von mehr als 20 mm zwischen dem Anzeigefeld und dem Transponder eine Ortsbestimmung des Transponders nicht mehr möglich war. Zu den Ecken des An-
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11 zeigefeldes hin nimmt die Detektionshöhe sogar auf unter 10 mm ab. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau gemäß Fig. 3 hingegen ist eine Ortsbestimmung bei einem Abstand des Transponders von 25 mm auf dem bei weitem überwiegenden Teil der Fläche des Anzeigefeldes möglich. Außerdem ist die Abhängigkeit der Detektionshöhe vom Ort des Transponders über dem Anzeigefeld prozentual deutlich geringer als bei dem herkömmlichen Aufbau .