WO2010149543A1 - Elektrodenanordnung für anzeigeeinrichtung - Google Patents

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WO2010149543A1
WO2010149543A1 PCT/EP2010/058418 EP2010058418W WO2010149543A1 WO 2010149543 A1 WO2010149543 A1 WO 2010149543A1 EP 2010058418 W EP2010058418 W EP 2010058418W WO 2010149543 A1 WO2010149543 A1 WO 2010149543A1
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display device
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Thomas Kandziora
Peter Fasshauer
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Definitions

  • the invention relates to an electrode arrangement for a capacitive sensor device or for a capacitive sensor for detecting a position and / or an approach of an object.
  • the invention relates to a Elekt- rod configuration for a display device for detecting a position and / or approach of an object to the / the display device using the electrode assembly according to the invention.
  • the invention relates to a film on which components of the system, in particular electrodes are arranged.
  • the invention relates to a method for producing an approach-sensitive display device using a touch-sensitive screen and using the film according to the invention.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrode arrangement for a capacitive sensor device or a capacitive sensor for detecting a position and / or an approach of an object, in particular a hand or a finger, which avoids the disadvantages mentioned at least partially and an improved Sensitivity of the capacitive sensor device or the capacitive sensor and a subsequent extension of display devices, in particular of touch-sensitive display devices by proximity-sensitive or gesture functionality allows.
  • an electrode arrangement for a capacitive sensor device or for a capacitive sensor for detecting a position and / or an approach of an object comprising a sensor electrode and a first shield electrode, provided, wherein the sensor electrode on a first side of a substantially flat designed carrier material a first side and a second side is arranged, and wherein the first shield electrode is arranged on the second side of the carrier material and serves to shield the emitted from the sensor electrode alternating electrical field to ground.
  • the electrode arrangement may have a second shielding electrode, wherein the second shielding electrode is arranged on the first side of the carrier material, the sensor electrode can be coupled to evaluation electronics by means of a conductor track, which is arranged on the first side of the carrier material, the second shielding electrode is interposed between the Sensor electrode and the conductor track and spaced from the sensor electrode and the conductor track is arranged and for shielding an alternating electric field emitted by the sensor electrode against the conductor track, and the sensor electrode, the second shield electrode and the conductor track are each designed strip-shaped, wherein the second shield electrode is wider than the conductor track.
  • the sensor electrode may be wider than the conductor track.
  • the sensor electrode may be wider than the second shield electrode.
  • This electrode arrangement is characterized in particular by the fact that an improved sensitivity of the capacitive sensor system over conventional capacitive sensor systems is achieved.
  • the electric field of the sensor electrode can be shielded against the ground potential of the screen, which significantly increases the sensitivity.
  • the second screen electrode is wide in relation to the trace, the influence of the line - A -
  • the electrode arrangement may comprise a third shielding electrode, wherein the third shielding electrode is arranged on the first side of the carrier material at a distance from the conductor track, wherein the conductor track is arranged between the second shielding electrode and the third shielding electrode.
  • the lateral influence on the sensor electrode is thus further reduced or eliminated.
  • the sensor electrode, the second shield electrode and the conductor track can be arranged essentially parallel to one another. As a result, the influence of the interconnect on the sensor electrode along the interconnect does not change, which enables a simpler configuration of the second shield electrode arranged between the sensor electrode and the interconnect.
  • the first shielding electrode may be formed by a conductive and substantially transparent material.
  • the first shielding electrode can be made substantially wider than the total width of sensor electrode, second shielding electrode, third shielding electrode and conductor track, so that a particularly sensitive detection is also possible for display devices without electrically conductive coatings.
  • the first shielding electrode can be galvanically or capacitively coupled to a conductive and largely transparent layer.
  • conventional touch-sensitive screens can be equipped with a gesture or proximity detection, wherein the electrically conductive coating of the touch-sensitive screen is used to shield the Elektrodenkonfgguration against the mass of the screen.
  • the sensor electrode may be coupled to a resonant circuit, wherein the system formed with the inclusion of the sensor electrode and the resonant circuit is acted upon by an electrical voltage, wherein a phase shift of an electrical voltage of the resonant circuit with respect to the applied electrical voltage indicative of the approach and / or the position of Object on the sensor electrode is.
  • An output of the system formed with the inclusion of the sensor electrode and the resonant circuit can be switchable via an amplifier circuit to at least one of the three shielding electrodes in order to bring at least one of the three shielding electrodes substantially to the electrical potential of the sensor electrode.
  • an output of the system formed with the inclusion of the sensor electrode and the resonant circuit is switchable via a driver circuit to all three shield electrodes in order to bring all three shield electrodes substantially to the electrical potential of the sensor electrode.
  • the amplifier circuit can be designed as a driver circuit.
  • the driver circuit may be configured to drive the current at the at least one shield electrode and to act upon the at least one shield electrode with an electrical voltage which is in phase with the electrode voltage of the sensor electrode, wherein the applied electrical voltage is preferably smaller in magnitude than the electrode voltage of the sensor electrode.
  • the at least one coupling electrode may be arranged between the sensor electrode and the first shielding electrode and be coupled to the first shielding electrode.
  • the output of the at least one capacitive sensor can be switched via the driver circuit to the coupling electrode in order to bring the coupling electrode and the first shield electrode substantially to the electrical potential of the sensor electrode.
  • the driver circuit may be configured to drive the current at the coupling electrode and to apply a voltage equal to the electrode voltage of the sensor electrode to the coupling electrode, wherein the applied electrical voltage is smaller in magnitude than the electrode voltage of the sensor electrode.
  • the shield electrode and the coupling electrode can be capacitively coupled.
  • Multiple sensor electrodes may be coupled to the driver circuit via a multiplexer.
  • the inductive component of the resonant circuit can be formed by a gyrator.
  • the gyrator may comprise a feedback via a capacitor operational amplifier, which acts as a virtual inductance at the input of the capacitive sensor, wherein the virtual inductance together with the sensor connected to the input of the capacitive sensor electrode and its load capacitance to ground forms a parallel resonant circuit.
  • the output of the operational amplifier can be coupled to the amplifier circuit, wherein an attenuator, preferably an ohmic voltage divider, is arranged at the output of the operational amplifier.
  • an electrode configuration for a display device for detecting a position and / or approach of an object on the display device comprising at least one electrode arrangement according to the invention, wherein the electrode arrangement can be arranged on the display device such that the second side of the carrier material Faces the display device and wherein the first screen electrode of the shield of the emitted from the sensor electrode alternating electric field with respect to the grounded display device is used.
  • the first shielding electrode can be galvanically or capacitively coupled to a conductive and largely transparent layer arranged in front of the display device.
  • the first shielding electrode can be formed by a conductive and largely transparent layer arranged in front of the display device.
  • the electrode arrangement may be arranged peripherally around the display device, wherein the sensor electrode is formed from at least four separate sensor electrode segments, which can each be coupled to an evaluation electronics, and wherein one sensor electrode segment is arranged along each edge of the display device. This can be used to determine the X and Y coordinates of an approaching finger.
  • a device for detecting gestures, the position and / or the approach of an object to a display device having an electrode arrangement according to the invention, wherein the first screen electrode is embedded in a transparent protective material, which can be arranged on the display device, and wherein the first Screen electrode of the shield of the electrode array of the sensor electrode opposite the grounded display device is used.
  • the first shielding electrode and the at least one sensor electrode can each be embedded in a carrier material and the carriers can be arranged on the surface of the transparent protective material facing away from the display device.
  • the carrier material may be a transparent carrier material.
  • the display device may be a touch-sensitive screen, the first screen electrode being formed by the conductive structures of the touch-sensitive screen, the conductive structures of the touch-sensitive screen being coupled in time-division multiplexing with an evaluation unit for touch detection and with an evaluation unit for proximity detection.
  • a screen can be provided which can detect both the touch and the approach made in front of the screen.
  • the device may be configured to evaluate a movement of the object relative to the display device above a predetermined first distance of the object to the display device.
  • the evaluation unit for approach detection can be deactivated if the distance of the object to the display device is smaller than the first distance.
  • the device may be configured to evaluate a touching of the display device by the object below a predetermined second distance of the object to the display device.
  • the second distance is greater than the first distance.
  • a film having a first side and a second side, wherein a sensor electrode or a plurality of sensor electrodes are arranged on the first side of the film, on the first side at least one second
  • Shield electrode is arranged, and on the first side a conductor to the Connecting the sensor electrode is arranged with an evaluation, wherein the second shield electrode between the conductor track and the sensor electrode is arranged. At least a first shield electrode is arranged on the second side of the foil.
  • the film connections and the conductive structures of the touch-sensitive screen are coupled to an evaluation unit for approach detection, wherein the conductive structures are coupled in time-division multiplexing to the evaluation unit for proximity detection and to an evaluation unit for contact detection.
  • FIG. 1 shows a layer structure of an electrode arrangement according to the invention, with two electrode layers, wherein one electrode layer adjoins a conductive layer of a display device is galvanically coupled;
  • FIG. 2 shows a layer structure of an electrode arrangement according to the invention with two layers, wherein one electrode is capacitively coupled to a conductive layer of a display device;
  • FIG. 3 shows an inventive electrode configuration for a display device in plan view
  • FIG. 4 shows a detail of the electrode configuration shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 shows an electrode configuration according to the invention for small display devices which do not have a conductive layer
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an electrode arrangement according to the invention, wherein an electrode is formed by a conductive layer of a display device
  • FIG. 7 shows a capacitive equivalent circuit diagram for a capacitive sensor with a sensor electrode and a shield electrode
  • FIG. 8 shows a basic arrangement of a system according to the invention or a
  • Fig. 9 is a capacitive equivalent circuit diagram for a capacitive sensor of Fig. 8.
  • FIG. 10 shows a capacitive equivalent circuit diagram for a capacitive sensor with a finger approaching the capacitive sensor;
  • FIG. 11 shows an inductive component of the resonant circuit of a capacitive sensor designed as a gyrator;
  • FIG. 11 shows an inductive component of the resonant circuit of a capacitive sensor designed as a gyrator;
  • FIG. 13 shows a layer structure of the frame-shaped arrangement of the electrodes of the system according to the invention shown in FIG. 12;
  • FIG. 14 shows the basic structure of a resistive touch-sensitive screen
  • FIG. 15 shows an interconnection of a touch-sensitive screen with an evaluation unit for touch detection
  • FIG. 16 shows an interconnection of a touch-sensitive screen according to the invention with an evaluation device for touch detection and evaluation electronics for proximity detection;
  • FIG. 17 shows an example of approach and touch detection as a function of the distance of an object to a touch-sensitive screen
  • FIG. 18 shows the use of conductive structures of a touch-sensitive screen as shielding electrodes for an electrode configuration according to the invention, the electrodes being arranged in the form of a frame;
  • FIG. 19 shows the use of conductive structures of a touch-sensitive screen as shielding electrodes for the system according to the invention, the sensor electrode being designed as a conductive foil.
  • the electrode arrangement comprises at least a first screen electrode SEI, a second screen electrode SE2 and a sensor electrode E.
  • a sensor electrode E and a second screen electrode SE2 are arranged on the upper side of a carrier material TM.
  • a first screen electrode SEI is arranged on the second side of the carrier material TM.
  • a conductor L which couples the sensor electrode E to a transmitter A (see Fig. 3), is also on the first side, i. arranged on top of the carrier material TM.
  • a third screen electrode SE3 is likewise arranged on the carrier material TM.
  • the arrangement of the arranged on the upper side of the substrate TM electrodes E, SE2 and SE3 and the conductor L is chosen so that the second screen electrode SE2 between the sensor electrode E and the conductor L runs and the conductor L between the second screen electrode SE2 and the third Shield electrode SE3 runs.
  • any non-electrically conductive material can be used.
  • a film is used as the carrier material TM.
  • an electrode arrangement is advantageously provided, which consists of only two electrode layers, which are ultimately separated from each other only by the carrier material TM. The production of such a two-layered electrode structure can be carried out particularly inexpensively.
  • the entire electrode design including the carrier material TM can be made particularly flat, which allows a particularly simple mechanical integration into the target system, such as a screen.
  • the arranged on the underside of the substrate TM first screen electrode SEI is galvanically coupled to a conductive layer ITOS.
  • the electrically conductive layer ITOS may be approximately the conductive coating in front of the visible area of the screen.
  • the coupling of the conductive layer or the contacting of the conductive layer with the first screen electrode SEI can be produced, for example, by means of a plated-through hole DK.
  • the electrode arrangement can be fixed for example with an adhesive K on a screen D.
  • the attachment preferably takes place in such a way that the sensor electrode E is assigned to the visible area of the screen or is assigned to the area to be monitored.
  • a glass plate G can be arranged, wherein the glass plate is applied to the electrode structure according to the invention, for example by means of an adhesive K.
  • a film F may be provided for filling to avoid a parallax error.
  • the conductive layer ITOS can be applied to a film, for example an ITO film.
  • an alternating electric field is emitted at the sensor electrode E, wherein a change in the radiated alternating electric field is indicative of an approach or a position of an object on the screen or on the screen.
  • the sensor electrode E is shielded from the interconnect L, so that the influence of the interconnect L on a measurement signal of the sensor electrode E is minimized.
  • the conductor L is designed to be particularly narrow in comparison to the second screen electrode SE2, as will be explained in more detail in FIG.
  • the third shielding electrode SE3 is intended to eliminate or minimize external influences.
  • the first screen electrode SEI disposed on the underside of the substrate TM serves to shield the sensor electrode E from the screen, i. to shield the alternating electric field emitted by the sensor electrode E against the ground potential (of the screen).
  • the coupling of the first screen electrode SEI with the conductive layer ITOS of the touch-sensitive screen also shields the entire visible area of the screen from ground, so that an approach or gesture detection also in the center of the screen of the sensor electrodes E still is well detectable. This is particularly advantageous for large-area display devices.
  • the electrically conductive layer ITOS of the screen is thus also used to achieve a shielding of the alternating electric field emitted by the sensor electrode E to the ground of the screen.
  • a touch-sensitive screen can be extended by the functionality of a proximity or gesture detection, wherein in particular an approach or gesture detection in the middle of the visible area of the screen is possible without additional measures, such as additional electrodes to have to provide.
  • FIG. 2 shows a layer structure of an electrode arrangement according to the invention, as already shown and described with reference to FIG.
  • the conductive layer ITOS of the screen is not galvanically coupled to the first screen electrode SEI, but capacitive.
  • the electrode arrangement ie the carrier material TM and arranged on the carrier material at the top and at the bottom Electrodes or conductor can be glued in the visible edge region of a touch-sensitive display using an adhesive K. This is possible in an advantageous manner, in particular, if the carrier material TM and the electrodes and the conductor track arranged on the carrier material consist of essentially transparent material.
  • FIG. 3 shows a plan view of the electrode configuration for a touch-sensitive screen.
  • the sensor electrode E may consist of four electrode segments EX1, EX2, EY1 and EY2.
  • each electrode segment is connected by means of a conductor L with a transmitter A.
  • the electrode segments are each arranged at the edge of the display device, i. the electrode segments EY1 and EY2 are arranged at the left edge and at the right edge of the screen, respectively, and the electrode segments EX1 and EX2 are arranged at the upper edge and at the lower edge of the screen, respectively.
  • this may be a resistive touchscreen.
  • this may be a resistive touchscreen.
  • the conductive coating of the touch-sensitive screen can simultaneously also form the first shield electrode SEI, so that an overall flatter construction of an electrode arrangement becomes possible in order to expand a touch-sensitive display with the functionality of proximity detection.
  • FIG. 4 shows a detail of the electrode configuration shown in FIG. With reference to FIG. 4, the dimensioning of the electrodes or the printed conductors will be explained below by way of example.
  • Attention may be directed to the design of the traces L for bonding the electrodes to the transmitter.
  • a narrow strip conductor width is advantageous in order to limit the sensitivity of the electrode arrangement as spatially as possible to the electrode surfaces.
  • the second shielding electrode SE2 is configured wide in relation to the width of the interconnect L. Thus, the sensor electrode is best shielded against the conductor L.
  • the width A of the sensor electrode is chosen to be as large as possible.
  • the influence of the conductor L on the sensor electrode can be further reduced by the distance B of the conductor L to the sensor electrode is selected to be as large as possible.
  • the widths of the sensor electrode EX1 and the shield electrode SE2 can vary as long as the width of the shield electrode SE2 is greater than the width of the interconnect L.
  • a particularly advantageous configuration of the electrodes and the interconnect L is achieved when the interconnect L, such as in Fig. 4, in relation to both the shielding electrode SE2 and the sensor electrode EXl is designed to be particularly narrow.
  • a particularly advantageous configuration is achieved if the widths of the second shielding electrode SE2 and the sensor electrode are selected to be particularly large in relation to the width of the conductor L and at the same time the width of the sensor electrode is equal to or greater than the width of the second shielding electrode SE2.
  • the interconnect L should be made particularly narrow.
  • FIG. 5 shows an electrode configuration according to the invention for a display device.
  • the electrode configuration shown in FIG. 5 can be used particularly well in the case of small display devices, since the width of the four electrode segments EX1, EX2, EY1 and EY2 or the areas of the four electrode segments can be selected so that an approximation or even in the middle of the screen is achieved a gesture is reliably detectable.
  • a conductive coating of the screen is not necessary.
  • an electronic picture frame can be extended by an approach or gesture detection option.
  • Another application of the electrode configuration shown in FIG. 5 is, for example, the arrangement of the electrode configuration on a display of a navigation device. In this embodiment, it is advantageous to make the electrode segments as wide as possible in order to enable good detection even in the center of the screen.
  • FIG. 6 shows the layer structure of an electrode arrangement according to the invention, as can be used, for example, in display devices which have no conductive coating.
  • this arrangement or with this configuration can also be the sensitivity of smaller screens, such as with reference to Fig. 5, further increase.
  • this configuration it is also possible to expand large-area display devices with an approximation or gesture detection capability, whereby even in the case of large-area display devices, detection in the region of the center of the display device is reliably ensured.
  • a sensor electrode E, a second screen electrode SE2, the conductor track L and a third screen electrode SE3 are arranged on the upper side of the carrier material TM.
  • a conductive layer ITOS Arranged on the underside of the carrier material TM is a conductive layer ITOS, which is led beyond the carrier material on one side of the carrier material, ie projects into the visible region of a display device or completely covers the visible region of the display device.
  • the conductive layer ITOS is preferably designed as a transparent layer, as used for example in touch-sensitive displays.
  • the conductive layer ITOS assumes the function of the first shield electrode SEI shown with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a film can be realized which can be glued onto a display device, for example, wherein the electrodes E, SE2, SE3 and the conductor L are arranged on the edge of the film, as shown for example with reference to FIG.
  • the alternating electric field emitted at the sensor electrode E can be shielded against the mass of the display device.
  • FIG. 7 shows a capacitive equivalent circuit diagram of a capacitive sensor according to the invention with a sensor electrode E and a first shield electrode SEI.
  • the first screen electrode SEI Between a sensor electrode E and the first screen electrode SEI acts a capacitance Cl.
  • the first screen electrode SEI in turn has a capacitance C2 with respect to the earthed screen D.
  • the shielding effect by the first screen electrode SEI is achieved by switching the driver T to the first screen electrode SEI. If the output voltage U T of the driver T approximately corresponds to the electrode voltage U E at the sensor electrode E, a particularly good shielding effect results.
  • the shown capacitive sensor S can operate according to a phase method in which the phase shift of a resonant circuit of the capacitive sensor relative to a reference signal of a generator of the capacitive sensor is indicative of the approach.
  • the resonant circuit of the capacitive sensor is detuned due to the capacitance change from the originally set resonance. This results in an amplitude and phase change of the signal of the resonant circuit with respect to the generator signal, with which the resonant circuit is applied.
  • Amplitude and phase change can be used to detect an approach to the capacitive sensor S or at its sensor electrode E.
  • the phase position is exploited, because it remains largely independent of possible amplitude changes of the generator signal and also achieves an even greater sensitivity to capacitance changes of the sensor electrode E.
  • the voltage at the resonant circuit can be kept low, which has an advantageous effect on the field emission at the sensor electrode E and thus also reduces the EMC problem with respect to the radiation emission.
  • a phase method is also less sensitive to external disturbances on the receiving side.
  • the inductive component required for a resonant circuit of a capacitive sensor S can be realized by means of a gyrator.
  • the basic structure A gyrator for a capacitive sensor in a system according to the invention is illustrated with reference to FIG.
  • FIG. 8 shows a basic arrangement of a system according to the invention or a circuit arrangement according to the invention.
  • the arrangement comprises sensor electrodes El to En, which are each coupled to an associated capacitive sensor Sl to Sn.
  • a transparent protective material SM is arranged above the screen or display D.
  • the protective material SM can either be made of glass or of a plastic film. Other suitable materials may also be used.
  • a weakly conductive layer is applied, which serves as shielding electrode SEI the shielding of the electric field emitted by the sensor electrodes Sl to Sn against the grounded screen D.
  • This conductive layer acts in relation to the grounded screen D in each case as a shield or as a shield electrode SEI when the voltage applied to the sensor electrodes El to En electrode voltage is approximately equal to the voltage applied to the shield electrode SEI voltage.
  • the shield electrode SEI and the sensor electrodes El to En are then at approximately the same potential, so that the space between the shield electrode SEI and the sensor electrodes El to En is almost field-free.
  • the shield electrode SEI can be part of the display device or the screen D, while the sensor electrodes El to En can be mounted on the screen D independently of the screen electrode SEI or can be attached later.
  • one of the sensor outputs of the capacitive sensors Sl to Sn via a multiplexer MUX and a driver circuit T is switched to a coupling electrode SE K respectively.
  • the coupling electrode SE K is in this case arranged such that it lies between the sensor electrodes El to En and the shield electrode SEI and is preferably engageable with the shield electrode SEI in capacitive coupling.
  • the shield electrode may be SEI galvanic cally coupled to the coupling electrode SE K.
  • the driver circuit T is designed to drive the current of the coupling electrode SE K and to apply a voltage to the coupling electrode SE K which is in phase with the electrode voltage applied to the sensor electrodes E 1 to En.
  • the signal thus generated at the coupling electrode SE K is capacitively coupled via the glass or the film to the electrically conductive layer or to the screen electrode SEI. This ensures that, in any case, a substantially field-free space is formed between the sensor electrodes El to En and the shield electrode SEI.
  • the capacitive coupling of the upper side of the glass or the film is particularly advantageous from the viewpoint of cost-effective production, since the entire configuration of sensor electrodes El to En and coupling electrode SE K can be simply placed on the screen D from above for coupling to the shield electrode SEI , This also plays an important role in terms of retrofitting screens with proximity functionality.
  • Fig. 9 is a capacitive equivalent circuit diagram of the capacitive sensor circuit shown in Fig. 8;
  • a capacitance C 1 acts between a sensor electrode E and the coupling electrode SE K.
  • Another capacitance C3 is formed in the glass or in the film SM between the coupling electrode SE K and the conductive layer or shielding electrode SEI serving for shielding.
  • the shield electrode SEI in turn has a capacitance C 2 with respect to the earthed screen D.
  • the voltage applied to the shielding electrode SEI is decisive. With an output voltage U T on the driver T, the voltage us then results
  • the better the shielding effect the smaller the ratio C 2 / C 3 .
  • This can be achieved by constructive measures, for example by selecting suitable distances between the sensor electrodes E and the shield electrode SEI. It has been found that a high shielding effect is achieved even at a ratio of 1 for C2 / C3.
  • a conductive layer or a shield electrode SEI in the glass or on a film SM also offers the possibility of using the erfmdungs- According to the system according to FIG. 8, besides proximity detection, it is also possible to realize a touch detection which either enables a switching function independently of the location of the touch or can be used for a coordinate calculation of the finger position depending on the location of the touch on the screen. Particularly advantageous can be realized with the system shown in Fig. 8, a gesture detection. The touch detection will be explained in detail with reference to FIG.
  • FIG. 10 shows a capacitive equivalent circuit diagram for a capacitive sensor with a finger approaching the capacitive sensor or with a finger touching the display.
  • the contact of the glass or the film SM always causes a sudden or very rapid reduction of the voltage us on the shield electrode SEI, since the shield electrode SEI is additionally capacitively loaded via a coupling capacitance Cs emanating from the finger and the body capacitance C K to ground.
  • This reduction of the voltage us is equivalent to an increase of the effective on a sensor electrode E load capacity.
  • the signal voltage of the sensor S changes abruptly or very quickly.
  • a touch of the screen also causes a capacitive coupling to the sensor electrode E, which is shown in Fig. 10 with a further coupling capacitance C E. If one approaches each other while touching the display of the sensor electrode E, this results in an additional change in the signal voltage of the sensor S, whereby the distance of the finger to the sensor electrode E can be determined.
  • the coordinate of the finger on the screen can thus be determined.
  • this is possible with sufficient accuracy only if the coupling Cs of the finger relative to the shield electrode SEI in comparison to the coupling C E of the finger to the sensor electrode E is not too strong.
  • This can be achieved by a corresponding configuration of the electrode configuration, by arranging the shield electrode SEI closer or further away from the surface of the glass or the film SM facing away from the screen. If the shield electrode SEI is arranged further away from the surface to be contacted of the glass or the film SM, according to the invention the possibility of distinguishable contact on the screen is obtained.
  • the exact electrode configuration depends on the size of the screen.
  • Fig. 11 shows the basic structure of a gyrator for a capacitive sensor in a system according to the invention.
  • the output of the operational amplifier OP serves to drive the coupling electrode SE K connected via the multiplexer MUX of FIG. 8 or the shield electrode SEI, which is capacitively coupled to the coupling electrode SE K.
  • the output voltage of the operational amplifier OP is produced by means of an attenuator, which is preferably designed as an ohmic voltage divider divided down, so that the ratio between the output voltage of the operational amplifier OP and the voltage U T at the coupling electrode SE K is less than one in amount. This ensures stable operation.
  • the output of the operational amplifier OP can be coupled to the driver circuit T to optionally control the voltage which is the coupling electrode SE K is applied to increase again and to get the coupling electrode SE K free of a capacitive load.
  • This arrangement also has the advantage of damping the resonant circuit via this feedback and thus achieving a high quality of the circuit, which in turn ensures a high degree of proximity sensitivity.
  • This simple and cost-effective electronic realization of a parallel resonant circuit also allows integration of the entire system in an ASIC.
  • FIG. 12 shows a frame-shaped arrangement R which can be placed onto a display D from above for retrofitting for an approach functionality (or gesture function).
  • the strip-shaped electrodes EXi, EX 2 , EYi, EY 2 are here arranged along the four outer edges of the frame R.
  • the layer structure of the frame-shaped arrangement shown in FIG. 12, which can be realized, for example, with a plurality of films arranged one above the other, is shown schematically in FIG. 13.
  • the sensor electrode E and a plurality of coupling electrodes SE K are embedded in a carrier material B.
  • the carrier material may be, for example, a film which may be transparent.
  • the coupling electrodes SE K are galvanically connected to each other and are driven by the same driver circuit T.
  • the coupling electrode arranged peripherally on the upper side of the carrier material in this case allows a shielding effect to the outside towards the edge region of the display D.
  • the coupling electrode arranged on the underside of the carrier material together with the screen electrode SEI let into the glass or the film SM serves the sensor electrode E against the display shield.
  • the strip-shaped arrangement has the advantage that the coordinates of the position of a finger can be calculated with a simple algorithm for an X / Y coordinate system on the display surface, since, for example, the signals which are produced at the X-electrodes EXi and EX 2 , regardless of the signals at the Y-electrodes EYi and EY 2 .
  • a coordinate calculation with four strip-shaped sensor electrodes can be carried out, for example, on the basis of an evaluation of the phase angle ⁇ D 0 or ⁇ y of the X electrodes or the Y electrodes.
  • the phase difference and the phase sum of the X and Y electrode pairs are advantageously determined, ie
  • ⁇ / ⁇ x ( ⁇ i - ⁇ 2 ) / ( ⁇ i + ⁇ 2 - ⁇ o)
  • ⁇ o or ⁇ o are chosen to obtain the linearization for each in the X direction and Y direction. Due to the resulting approximate proportionality, the position of a finger can be determined very easily.
  • FIG. 12 and FIG. 13 which consists of the layer SM with the shield electrode SEI and the layer B with the sensor electrodes and the coupling electrodes SE K , an existing display can very easily be added to the functionality of an approximation determination or gesture determination.
  • the system can be integrated into an existing display by using already present in the display electrically conductive structures for the inventive system.
  • resistive touch-sensitive displays can simply be expanded by the aforementioned functionality by using the already existing conductive structures of the touch-sensitive display.
  • Fig. 14 shows the structure of a resistive touch-sensitive display (touch screen).
  • the resistive touch-sensitive display essentially consists of two opposite conductive layers 20, 30 (foil-foil or ITO-glass foil), which are separated from one another by small spacing dots 10.
  • the touch-sensitive display is placed above the display device.
  • the touch-sensitive display has measurement leads that conduct a voltage across the point of contact when touched by a finger or stylus.
  • FIG. 15 shows the coupling of the resistive touch-sensitive display shown in FIG. 14 via display connection cable 70 and a plug 60 with an evaluation unit .mu.C for detecting contacts.
  • the conductive layers of a touch screen can be used as electrode structures, in particular as the first screen electrode SEI for the electrode arrangement according to the invention.
  • the existing function of the touch detection is coupled in time-division multiplexing with an evaluation unit GestIC according to the invention for proximity detection. Such a coupling is shown in FIG. 16.
  • FIG. 17 shows an example of approach and touch detection as a function of the distance of an object to a touch-sensitive screen.
  • two switching thresholds SW1 and SW2 are defined.
  • the switching thresholds indicate a first distance SW1 and a second distance SW2 to the touch-sensitive screen D.
  • a human hand or finger approaching the touch-sensitive screen D can perform movements in front of the touch-sensitive screen D or in the region detected by the electrode arrangement according to the invention, which movements are detected by the electrode arrangement and can be evaluated.
  • the evaluation may include gesture recognition.
  • the evaluation unit .mu.C for the detection of touches is deactivated.
  • the evaluation unit GestIC for proximity detection is activated to detect movements in front of the screen.
  • the evaluation unit ⁇ C and the evaluation unit GestIC are activated. On the one hand, movements or gestures can be detected. On the other hand, it is also ensured that a fast approach to the screen or a quick touch of the screen by the evaluation ⁇ C reliably detected.
  • the evaluation unit GestIC is deactivated.
  • the evaluation unit ⁇ C for the detection of touches remains activated. This can be prevented that flows movements very close to the screen, which lead to a touch of the screen, in the evaluation of the movement with.
  • the distance SW1 can be chosen very small. Preferably, the distance SWl is in Range of a few millimeters. Depending on the field of application, however, the distance SW1 can also be in the range of a few centimeters.
  • the evaluation unit ⁇ C for detecting touches and the evaluation unit GestIC for the proximity detection are activated or deactivated in order to provide or not to provide the corresponding functionality.
  • the activation of the evaluation units .mu.C or GestIC can take place, for example, by supplying them with the appropriate operating voltage.
  • this can also be adapted so that it executes the corresponding functionality only depending on the distance of the object to the screen.
  • the evaluation unit GestIC then evaluates the detected movements only when the distance of the finger is greater than the first distance SWl. If the distance is smaller than the first distance SW1, the movements are detected but not evaluated. It is particularly advantageous if, at a distance smaller than SW1, only the movement along the Z axis, that is to say the distance of the finger to the screen, is evaluated by the detected movement.
  • the evaluation units GestIC and ⁇ C are always active and are coupled to the corresponding electrodes as shown with reference to FIG. 16.
  • At least one conductive layer of the touch-sensitive display is always used either as sensor electrode E or as shield electrode.
  • a first possibility is the lower one, facing the D screen
  • the shield electrode also forms the coupling electrode SE K.
  • FIG. 18 Another possibility, shown in FIG. 18, is to use two conductive layers of a resistive touch-sensitive display together as a common first screen electrode. Alternatively, only one of the two conductive layers can be used as the first shielding electrode.
  • the sensor electrodes EX1, EX2, EY1, EY2 necessary for the construction can be arranged as a separate part on the screen.
  • an embodiment can be used as a frame structure, wherein only the sensor electrodes, the second shielding electrodes and the conductor tracks are arranged on the frame structure. It can also be arranged a single circumferential sensor electrode, which allows a simple approach to the display without position determination.
  • the frame structure can be galvanically coupled to the evaluation unit, for example by means of press or clip contacting.
  • At least one conductive layer of the resistive touch-sensitive display is used as a shielding electrode and to design the sensor electrode E in the form of an additional conductive foil 100 (e.g., ITO foil) and apply it to the existing touchscreen as shown in FIG.
  • an additional conductive foil 100 e.g., ITO foil
  • a single sensor electrode E is applied to the touchscreen as a continuous conductive film. This makes it easy to implement simple approach to the display without position determination.
  • a film with a plurality of mutually independent sensor electrodes E or a film with segmented sensor electrodes E to the touchscreen, for example with 4 or 16 square or rectangular sensor electrodes.
  • a plurality of parallel strip-shaped sensor electrodes so that advantageously about the X position of the approaching finger is detectable. With increasing Number of sensor electrodes can be the resolution of the detection, such as a gesture further increase.
  • the invention it is advantageously possible to trigger, for example, device functions without touching the device.
  • This can be called functions such as a navigation device in a motor vehicle, without averting the view of the traffic, which increases safety in traffic.
  • a switch or a button on a touch screen of the navigation device can still be operated.
  • the operation of an electronic picture frame may include, for example, switching of pictures to be displayed.
  • the attachment of an electronic picture frame or its installation can be made without regard to the fact that he would slip or fall from the wall when touching or switching an operating element.
  • the electronic picture frame can thus be mounted in areas where the user does not have direct access to attached to the back of the device controls, as is the case with known electronic picture frames. The user only has to be able to get close to the device to operate or control it with gestures.
  • the invention is characterized by a high degree of flexibility, in particular when adapting to different screen sizes, without the sensitivity decreasing for larger displays.
  • a plurality of electrode segments can also be provided in order to detect even complicated gestures. Because the electrode arrangement consists of only two electrode layers, ie the electrodes and the conductor track on the upper side of the carrier material and the electrode on the underside of the carrier material, a particularly simple mechanical integration into the target system is possible since the entire electrode arrangement is particularly can be made flat.
  • the production of a two-layered electrode configuration on a carrier material as proposed by the invention, is particularly simple and inexpensive to implement. By providing a conductive foil on which the carrier material TM and the electrodes are applied, it is additionally possible to expand a wide variety of display devices by a gesture or proximity functionality.

Abstract

Durch die Erfindung wird eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bzw. für einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes bereit gestellt, welche eine Sensorelektrode und eine erste Schirmelektrode aufweist, wobei die Sensorelektrode auf einer ersten Seite eines im Wesentlichen flächig ausgestalteten Trägermaterials mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite angeordnet ist, und wobei die erste Schirmelektrode auf der zweiten Seite des Trägermaterials angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient. Bereitgestellt wird auch eine Folie mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung sowie ein Verfahren zu Herstellung einer Anzeigeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung.

Description

Elektrodenanordnung für Anzeigeeinrichtung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bzw. für einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elekt- rodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Folie, auf welcher Bestandteile des System, insbesondere Elektroden angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung unter Verwendung eines berührungssensitiven Bildschirms und unter Verwendung der erfindungsgemäßen Folie.
Stand der Technik
Bei Bildschirmen bzw. Displays, insbesondere bei Computerbildschirmen, mobilen Kommunikationsgeräten oder Navigationsgeräten besteht der Wunsch, die Funktionalität der Bildschirme durch eine Erkennung der Annäherung an den Bildschirm oder eine Erkennung von Gesten in der Nähe des Bildschirms zu er- weitern, um hierdurch beispielsweise Bildbewegungen wie das Blättern und/oder Drehen von auf dem Bildschirm dargestellten elektronischen Dokumenten von Hand zu steuern, ohne dabei den Bildschirm zu berühren. Eine Lösung bieten sog. kapazitive Systeme. Diese bekannten Lösungen haben aber den Nachteil, dass sie nur eine geringe Empfindlichkeit aufweisen, sodass nur ein ungenaue Erkennung von Gesten möglich ist. Hinzu kommt, dass bei größeren Bildschirmen, wie sie z.B. in Büroarbeitsplätzen eingesetzt werden, eine Gestenerkennung auf kapazitiver Basis im Bereich der Bildschirmmitte nur mit zusätzlichen, im Bereich der Bildschirmmitte angeordneten kapazitiven Sensoren möglich ist, was den Aufwand der Auswertung zusätzlich erhöht.
Des Weiteren besteht der Wunsch, berührungssensitive Bildschirme um die Funk- tionalität einer Annäherungs- bzw. Gestenerkennung zu erweitern, um so auch bei berührungssensitiven Bildschirmen Anwendungen berührungslos von Hand steuern bzw. zu bedienen zu können.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bzw. einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, insbesondere einer Hand oder eines Fingers bereitzustellen, welche die genannten Nachteile zumindest teilweise ver- meidet und eine verbesserte Empfindlichkeit der kapazitiven Sensoreinrichtung bzw. des kapazitiven Sensors sowie eine nachträgliche Erweiterung von Anzeigeeinrichtungen, insbesondere von berührungsempfindlichen Anzeigeeinrichtungen um annäherungssensitive bzw. Gestenfunktionalität ermöglicht.
Erfindungsgemäße Lösung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Danach wird eine Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bzw. für einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, aufweisend eine Sensorelektrode und eine erste Schirmelektrode, bereitgestellt, wobei die Sensorelektrode auf einer ersten Seite eines im Wesentlichen flächig ausgestalteten Trägermaterials mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite angeordnet ist, und wobei die erste Schirmelektrode auf der zweiten Seite des Trägermaterials angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient.
Die Elektrodenanordnung kann eine zweite Schirmelektrode aufweisen, wobei die zweite Schirmelektrode auf der ersten Seite des Trägermaterials angeordnet ist, die Sensorelektrode mittels einer Leiterbahn, welche auf der ersten Seite des Trägermaterials angeordnet ist, mit einer Auswerteelektronik koppelbar ist, die zwei- te Schirmelektrode zwischen der Sensorelektrode und der Leiterbahn und beabstandet zur Sensorelektrode und zur Leiterbahn angeordnet ist und zur Abschirmung eines von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen die Leiterbahn dient, und die Sensorelektrode, die zweite Schirmelektrode und die Leiterbahn jeweils streifenförmig ausgestaltet sind, wobei die zweite Schirmelektrode breiter ist als die Leiterbahn.
Die Sensorelektrode kann breiter sein als die Leiterbahn.
Die Sensorelektrode kann breiter sein als die zweite Schirmelektrode.
Diese Elektrodenanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine verbesserte Empfindlichkeit des kapazitiven Sensorsystems gegenüber herkömmlichen kapazitiven Sensor Systemen erreicht wird. Mit der ersten Schirmelektrode kann das elektrische Feld der Sensorelektrode gegen das Massepotential des BiId- schirms abgeschirmt werden, was die Sensivität deutlich erhöht. Weil die zweite Schirmelektrode breit im Verhältnis zur Leiterbahn ist, wird der Einfluss der Lei- - A -
terbahn auf die Sensorelektrode minimiert bzw. besonders gering gehalten. Zusätzliche Mittel zum Abschirmen der Leiterbahn sind nicht notwendig, was die Herstellung der Elektrodenanordnung und die Integration der Elektrodenanordnung in ein Zielsystem vereinfacht. Weil die Sensorelektrode breit im Verhältnis zur Leiterbahn ist, wird eine hohe Empfindlichkeit der Sensorelektrode erreicht.
Die Elektrodenanordnung kann eine dritte Schirmelektrode aufweisen, wobei die dritte Schirmelektrode auf der ersten Seite des Trägermaterials beabstandet zur Leiterbahn angeordnet ist, wobei die Leiterbahn zwischen der zweiten Schirm- elektrode und der dritten Schirmelektrode angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird so der seitliche Einfluss auf die Sensorelektrode weiter verringert bzw. eliminiert.
Die Sensorelektrode, die zweite Schirmelektrode und die Leiterbahn können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Dadurch verändert sich der Einfluss der Leitbahn auf die Sensorelektrode entlang der Leiterbahn nicht, was eine einfachere Konfiguration der zwischen der Sensorelektrode und der Leitbahn angeordneten zweiten Schirmelektrode ermöglicht.
Die erste Schirmelektrode kann durch ein leitfähiges und weitgehend transparentes Material gebildet werden. Die erste Schirmelektrode kann dabei wesentlich breiter ausgestaltet sein als die Gesamtbreite von Sensorelektrode, zweiter Schirmelektrode, dritter Schirmelektrode und Leiterbahn, sodass auch für Anzeigeeinrichtungen ohne elektrisch leitfähige Beschichtungen eine besonders sensiti- ve Detektion möglich ist.
Die erste Schirmelektrode kann mit einer leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht galvanisch oder kapazitiv koppelbar sein. Damit können herkömmliche berührungsempfindliche Bildschirme mit einer Gesten- bzw. Annäherungsde- tektion ausgerüstet werden, wobei die elektrische leitfähige Beschichtung des be- rührungsempfϊndlichen Bildschirmes genutzt wird, um die Elektrodenkonfϊgurati- on gegen die Masse des Bildschirms abzuschirmen.
Die Sensorelektrode kann mit einem Resonanzkreis gekoppelt sein, wobei das unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildete System mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber der beaufschlagten elektrischen Spannung indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an der Sensorelektrode ist.
Ein Ausgang des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildeten Systems kann über eine Verstärkerschaltung auf zumindest eine der drei Schirmelektroden schaltbar sein, um zumindest eine der drei Schirmelektroden im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
In einer Ausführungsform ist ein Ausgang des unter Einschluss der Sensorelektrode und des Resonanzkreises gebildeten Systems über eine Treiberschaltung auf alle drei Schirmelektroden schaltbar, um alle drei Schirmelektroden im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
Die Verstärkerschaltung kann als Treiberschaltung ausgestaltet sein. Die Treiberschaltung kann ausgestaltet sein, den Strom an der zumindest einen Schirmelektrode zu treiben und die zumindest eine Schirmelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode phasengleichen elektrischen Spannung zu beauf- schlagen, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung vorzugweise betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode.
Damit kann ein nahezu feldfreier Raum zwischen der Sensorelektrode und den Schirmelektroden erzeugt werden, was sich wiederum positiv auf die Empfϊnd- lichkeit des kapazitiven Sensorsystems auswirkt. Die zumindest eine Koppelelektrode kann zwischen der Sensorelektrode und der ersten Schirmelektrode angeordnet sein und mit der ersten Schirmelektrode gekoppelt sein. Der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors kann über die Treiberschaltung auf die Koppelelektrode schaltbar sein, um die Koppelelektrode und die erste Schirmelektrode im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode zu bringen.
Die Treiberschaltung kann ausgestaltet sein, den Strom an der Koppelelektrode zu treiben und die Koppelelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensor- elektrode phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode.
Die Schirmelektrode und die Koppelelektrode können kapazitiv koppelbar sein.
Mehrere Sensorelektroden können über einen Multiplexer mit der Treiberschaltung gekoppelt sein.
Die induktive Komponente des Resonanzkreises kann durch einen Gyrator gebil- det werden.
Der Gyrator kann einen über einen Kondensator rückgekoppelten Operationsverstärker umfassen, welcher am Eingang des kapazitiven Sensors als virtuelle Induktivität wirkt, wobei die virtuelle Induktivität zusammen mit der am Eingang des kapazitiven Sensors angeschlossenen Sensorelektrode und deren Lastkapazität gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers kann mit der Verstärkerschaltung koppelbar sein, wobei am Ausgang des Operationsverstärkers ein Dämpfungsglied, vor- zugsweise ein ohmscher Spannungsteiler, angeordnet ist. Bereitgestellt wird auch eine Elektrodenkonfϊguration für eine Anzeigeeinrichtung zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung so an der Anzeigeeinrichtung anorden- bar ist, dass die zweite Seite des Trägermaterials der Anzeigeeinrichtung zugewandt ist und wobei die erste Schirmelektrode der Abschirmung des von der Sensorelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient.
Die erste Schirmelektrode kann mit einer vor der Anzeigeeinrichtung angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht galvanisch oder kapazitiv koppelbar sein.
Die erste Schirmelektrode kann durch eine vor der Anzeigeeinrichtung angeordne- te leitfähige und weitgehend transparente Schicht gebildet werden.
Die Elektrodenanordnung kann randseitig um die Anzeigeeinrichtung umlaufend angeordnet sein, wobei die Sensorelektrode aus zumindest vier voneinander getrennten Sensorelektrodensegmenten gebildet wird, welche jeweils mit einer Auswerteelektronik koppelbar sind, und wobei jeweils ein Sensorelektrodensegment entlang jeweils einer Kante der Anzeigeeinrichtung angeordnet ist. Damit lassen sich X- und Y-Koordinate eines sich annähernden Fingers bestimmen.
Bereitgestellt wird auch eine Vorrichtung zum Erfassen von Gesten, der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung, mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, wobei die erste Schirmelektrode in ein transparentes Schutzmaterial eingebettet ist, welches an der Anzeigeeinrichtung anordenbar ist, und wobei die erste Schirmelektrode der Abschirmung des Elektrodenfelds der Sensorelektrode gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient. Die erste Schirmelektrode und die zumindest eine Sensorelektrode kann jeweils in ein Trägermaterial eingebettet sein und die Träger können an der der Anzeigeeinrichtung abgewandten Oberfläche des transparenten Schutzmaterials angeordnet sein. Das Trägermaterial kann ein transparentes Trägermaterial sein.
Die Anzeigeeinrichtung kann ein berührungssensitiver Bildschirm sein, wobei die erste Schirmelektrode durch die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms gebildet wird, wobei die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms im Zeitmultiplexverfahren mit einer Auswerteeinheit zur Be- rührungsdetektion und mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion gekoppelt sind. Es kann so ein Bildschirm bereit gestellt werden, welcher sowohl die Berührung als auch die Annäherung bzw. eine Geste, welche vor dem Bildschirm ausgeführt wird, detektieren kann.
Die Vorrichtung kann ausgestaltet sein, oberhalb eines vorbestimmten ersten Abstandes des Objektes zur Anzeigeeinrichtung eine Bewegung des Objektes relativ zur Anzeigeeinrichtung auszuwerten.
Die Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion kann deaktivierbar sein, wenn der Abstand des Objektes zur Anzeigeeinrichtung kleiner ist als der erste Abstand.
Die Vorrichtung kann ausgestaltet sein, unterhalb eines vorbestimmten zweiten Abstandes des Objektes zur Anzeigeeinrichtung ein Berühren der Anzeigeeinrichtung durch das Objekt auszuwerten.
Vorteilhafterweise ist der zweite Abstand größer als der erste Abstand.
Bereitgestellt wird auch eine Folie mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei auf der ersten Seite der Folie eine Sensorelektrode oder eine Mehrzahl von Sensorelektroden angeordnet sind, auf der ersten Seite zumindest eine zweite
Schirmelektrode angeordnet ist, und auf der ersten Seite eine Leiterbahn zum Verbinden der Sensorelektrode mit einer Auswerteelektronik angeordnet ist, wobei die zweite Schirmelektrode zwischen der Leiterbahn und der Sensorelektrode angeordnet ist. Auf der zweiten Seite der Folie ist zumindest eine erste Schirmelektrode angeordnet.
Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung mit einem berührungssensitiven Bildschirm, wobei der berührungssensitive Bildschirm leitfähige Strukturen zur Detektion einer Berührung aufweist, umfassend einen Schritt zum Aufbringen einer erfmdungsgemäßen Folie auf den berührungssensitiven Bildschirm, wobei die zumindest eine Koppelelektrode dem Bildschirm zugewandt wird und wobei die zumindest eine Koppelelektrode mit den leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms in eine kapazitive Koppelung bringbar sind.
Die Folienanschlüsse und die leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms werden mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion gekoppelt, wobei die leitfähigen Strukturen im Zeitmultiplexverfahren mit der Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion und mit einer Auswerteeinheit zur Berüh- rungsdetektion gekoppelt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Kurzbeschreibung der Figuren
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch vereinfacht dargestellt und werden in nachfolgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanord- nung, mit zwei Elektrodenschichten, wobei eine Elektrodenschicht an eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung galvanisch gekoppelt ist;
Fig. 2 einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanord- nung mit zwei Schichten, wobei eine Elektrode kapazitiv an eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung gekoppelt ist;
Fig. 3 eine erfmdungsgemäße Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung in der Draufsicht;
Fig. 4 einen Ausschnitt der in Figur 3 gezeigten Elektrodenkonfiguration;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration für kleine Anzeigeeinrichtungen, welche keine leitfähige Schicht aufweisen;
Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Elektrodenanordnung, wobei eine Elektrode durch eine leitfähige Schicht einer Anzeigeeinrichtung gebildet wird;
Fig. 7 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit einer Sensorelektrode und einer Schirmelektrode;
Fig. 8 eine Prinzipanordnung eines erfmdungsgemäßen Systems bzw. einer
Schaltungsanordnung mit mehreren kapazitiven Sensoren;
Fig. 9 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor aus Fig. 8;
Fig. 10 ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit ei- nem sich dem kapazitiven Sensor annähernden Finger; Fig. 11 eine als Gyrator ausgestaltete induktive Komponente des Resonanzkreises eines kapazitiven Sensors;
Fig. 12 eine rahmenförmige Anordnung der Elektroden des erfmdungsgemä- ßen Systems;
Fig. 13 einen Schichtenaufbau der im Fig. 12 gezeigten rahmenförmigen Anordnung der Elektroden des erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 14 den Grundaufbau eines resistiven berührungssensitiven Bildschirms;
Fig. 15 eine Verschaltung eines berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetekion;
Fig. 16 eine erfindungsgemäße Verschaltung eines berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinrichtung zur Berührungsdetektion und einer Auswerteelektronik zur Annäherungsdetektion;
Fig. 17 ein Beispiel für eine Annäherungs- und Berührungsdetektion in Ab- hängigkeit von dem Abstand eines Objektes zu einem berührungssensitiven Bildschirm;
Fig. 18 die Verwendung leitfähiger Strukturen eines berührungssensitiven Bildschirms als Schirmelektroden für eine erfindungsgemäße Elektro- denkonfϊguration, wobei die Elektroden rahmenförmig angeordnet sind; und
Fig. 19 die Verwendung leitfähiger Strukturen eines berührungssensitiven Bildschirms als Schirmelektroden für das erfmdungsgemäße System, wobei die Sensorelektrode als leitfähige Folie ausgestaltet ist. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtenaufbau einer Elektrodenanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bzw. für einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, etwa einer Hand oder eines Fingers. Die Elektrodenanordnung umfasst zumindest eine erste Schirmelektrode SEI, eine zweite Schirmelektrode SE2 und eine Sensorelektrode E.
An der Oberseite eines Trägermaterials TM ist eine Sensorelektrode E und eine zweite Schirmelektrode SE2 angeordnet. Auf der zweiten Seite des Trägermaterials TM, d.h. auf der Unterseite des Trägermaterials ist eine erste Schirmelektrode SEI angeordnet. Eine Leiterbahn L, welche die Sensorelektrode E mit einer Auswerteelektronik A koppelt (vgl. Fig. 3), ist ebenfalls auf der ersten Seite, d.h. auf der Oberseite des Trägermaterials TM angeordnet. An der Oberseite des Trägermaterials TM ist ebenfalls eine dritte Schirmelektrode SE3 angeordnet. Die Anordnung der an der Oberseite des Trägermaterials TM angeordneten Elektroden E, SE2 und SE3 sowie der Leiterbahn L ist so gewählt, dass die zweite Schirmelektrode SE2 zwischen der Sensorelektrode E und der Leiterbahn L verläuft und die Leiterbahn L zwischen der zweiten Schirmelektrode SE2 und der dritten Schirmelektrode SE3 verläuft.
Als Trägermaterial TM kann ein beliebiges, nicht elektrisch leitfähiges Material verwendet werden. Vorzugsweise wird als Trägermaterial TM eine Folie verwen- det. Damit wird in vorteilhafter Weise eine Elektrodenanordnung bereitgestellt, welche aus nur zwei Elektrodenschichten besteht, welche letztlich nur durch das Trägermaterial TM voneinander getrennt sind. Die Herstellung einer solchen zweilagigen Elektrodenstruktur kann besonders kostengünstig erfolgen. Zudem wird erreicht, dass das gesamte Elektrodendesign inklusive dem Trägermaterial TM besonders flach ausgestaltet werden kann, was eine besonders einfache mechanische Integration in das Zielsystem, etwa einem Bildschirm, ermöglicht. Die an der Unterseite des Trägermaterials TM angeordnete erste Schirmelektrode SEI ist galvanisch mit einer leitfähigen Schicht ITOS gekoppelt. Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung an einem berührungssen- sitiven Bildschirm kann die elektrisch leitfähige Schicht ITOS etwa die leitfähige Beschichtung vor dem sichtbaren Bereich des Bildschirms sein. Die Koppelung der leitfähigen Schicht bzw. die Kontaktierung der leitfähigen Schicht mit der ersten Schirmelektrode SEI kann beispielsweise mittels einer Durchkontaktierung DK hergestellt werden.
Die Elektrodenanordnung kann beispielsweise mit einem Klebstoff K auf einen Bildschirm D befestigt werden. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise derart, dass die Sensorelektrode E dem sichtbaren Bereich des Bildschirms zugeordnet ist bzw. dem zu überwachenden Bereich zugeordnet ist. An der dem Bildschirm D zugewandten Seite kann beispielsweise eine Glasplatte G angeordnet werden, wobei die Glasplatte beispielsweise mittels eines Klebers K an die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur aufgebracht wird. Zwischen der Glasplatte G und der leitfähigen Schicht des berührungsempfindlichen Bildschirms kann eine Folie F zum Auffüllen vorgesehen sein, um einen Paralaxenfehler zu vermeiden. Die leit- fähigen Schicht ITOS kann auf eine Folie, etwa eine ITO-Folie aufgebracht sein.
Zum Zwecke der Detektion wird an der Sensorelektrode E ein elektrisches Wechselfeld abgestrahlt, wobei eine Veränderung des abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes indikativ für eine Annäherung bzw. eine Position eines Objektes an dem Bildschirm bzw. am Bildschirm ist. Mit Hilfe der zweiten Schirmelektrode SE2 wird die Sensorelektrode E gegen die Leiterbahn L abgeschirmt, so dass der Ein- fluss der Leiterbahn L auf ein Messsignal der Sensorelektrode E minimiert wird. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn L besonders schmal im Vergleich zur zweiten Schirmelektrode SE2 ausgestaltet, wie in Fig. 4 näher erläutert wird. Die dritte Schirmelektrode SE3 ist dazu vorgesehen, Einflüsse von außen zu eliminieren bzw. zu minimieren.
Die an der Unterseite des Trägermaterials TM angeordnete erste Schirmelektrode SEI dient dazu, die Sensorelektrode E gegen den Bildschirm abzuschirmen, d.h. das von der Sensorelektrode E emittierte elektrische Wechselfeld gegen das Massepotential (des Bildschirms) abzuschirmen. Durch die Koppelung der ersten Schirmelektrode SEI mit der leitfähigen Schicht ITOS des berührungsempfmdli- chen Bildschirms wird zudem der gesamte sichtbare Bereich des Bildschirms ge- gen Masse abgeschirmt, so dass eine Annäherung bzw. eine Gestendetektion auch in der Mitte des Bildschirms von den Sensorelektroden E noch gut detektierbar ist. Dies ist insbesondere bei großflächigen Anzeigeeinrichtungen von Vorteil.
Die elektrisch leitfähige Schicht ITOS des Bildschirms wird also auch dazu ver- wendet, um eine Abschirmung des von der Sensorelektrode E emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse des Bildschirms zu erreichen. Damit kann in einfacher Art und Weise ein berührungsempfindlicher Bildschirm um die Funktionalität einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion erweitert werden, wobei insbesondere eine Annäherungs- bzw. Gestendetektion auch in der Mitte des sichtbaren Bereiches des Bildschirms möglich ist, ohne hierfür zusätzliche Maßnahmen, etwa zusätzliche Elektroden, vorsehen zu müssen.
Fig. 2 zeigt einen Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 gezeigt und beschrieben worden ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 1 ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die leitfähige Schicht ITOS des Bildschirms nicht galvanisch an die erste Schirmelektrode SEI gekoppelt, sondern kapazitiv. Dies hat den Vorteil, dass die Integration der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einen bestehenden Bildschirm besonders einfach bewerkstelligt werden kann. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Elektrodenanordnung, d.h. das Trägermaterial TM und die auf dem Trägermaterial an der Oberseite und an der Unterseite angeordneten Elektroden bzw. Leiterbahn im sichtbaren Randbereich eines berührungsempfindlichen Displays mit Hilfe eines Klebers K aufgeklebt werden kann. Dies ist insbesondere dann in vorteilhafter Weise möglich, wenn das Trägermaterial TM und die auf dem Trägermaterial angeordneten Elektroden und die Leiterbahn aus im Wesentlichen transparentem Material bestehen.
Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht die Elektrodenkonfiguration für einen berührungssensitiven Bildschirm.
In dieser Ausführungsform kann die Sensorelektrode E aus vier Elektrodensegmenten EXl, EX2, EYl und EY2 bestehen. Dabei ist jedes Elektrodensegment mittels einer Leiterbahn L mit einer Auswerteelektronik A verbunden. Die Elektrodensegmente sind jeweils randseitig an der Anzeigeeinrichtung angeordnet, d.h. die Elektrodensegmente EYl und EY2 sind am linken Rand bzw. am rechten Rand des Bildschirms angeordnet und die Elektrodensegmente EXl und EX2 sind am oberen Rand bzw. am unteren Rand des Bildschirms angeordnet. Damit lässt sich in vorteilhafter Weise nicht nur die Annäherung eines Fingers bzw. einer Hand an eine Anzeigeeinrichtung detektieren, sondern auch die Position des Fingers bzw. der Hand relativ zur Anzeigeeinrichtung.
Wie aus Fig. 3 deutlich erkennbar ist, ist zwischen den Leiterbahnen L und den Elektrodensegmenten jeweils eine Schirmelektrode SE2 angeordnet, welche das von den jeweiligen Elektrodensegmenten emittierte elektrische Wechselfeld gegen die Leiterbahnen L abschirmt. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen berührungsempfindlichen Bildschirm, bei welchem vor dem sichtbaren Bereich des Bildschirms eine leitfähige Beschichtung vorhanden ist, mit welcher die Berührung des Bildschirms detektiert werden kann.
Beispielsweise kann es sich hierbei um einen resistiven Touchscreen handeln. Wie mit Bezug auf Fig. 1 bereits erläutert, ist hier die leitfähige Beschichtung des
Bildschirms mit der ersten Schirmelektrode SEI galvanisch oder kapazitiv gekop- pelt. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann die leitfähige Beschichtung des berührungsempfindlichen Bildschirms gleichzeitig auch die erste Schirmelektrode SEI bilden, so dass ein insgesamt noch flacherer Aufbau einer Elektrodenanordnung möglich wird, um ein berührungsempfindliches Display mit der Funktionalität einer Annäherungs- bzw. Gestendetektion zu erweitern.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt der in Fig. 3 gezeigten Elektrodenkonfiguration dargestellt. Mit Bezug auf Fig. 4 wird nachfolgend beispielhaft die Dimensionierung der Elektroden bzw. der Leiterbahnen erläutert.
Ein Augenmerk kann auf die Ausführung der Leiterbahnen L zum Anbinden der Elektroden an die Auswerteelektronik gerichtet werden. Dabei ist insbesondere eine schmale Leiterbahnbreite vorteilhaft, um die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung bestmöglich räumlich auf die Elektrodenflächen zu begrenzen.
Die zweite Schirmelektrode SE2 ist breit im Verhältnis zur Breite der Leiterbahn L ausgestaltet. Damit wird die Sensorelektrode bestmöglich gegen die Leiterbahn L abgeschirmt.
Um eine höchstmögliche Empfindlichkeit des gesamten Sensorsystems zu bekommen, wird auch die Breite A der Sensorelektrode möglichst groß gewählt. Der Einfluss der Leiterbahn L auf die Sensorelektrode kann noch weiter verringert werden, indem der Abstand B der Leiterbahn L zur Sensorelektrode möglichst groß gewählt wird. Die Breiten der Sensorelektrode EXl bzw. der Schirmelektro- de SE2 können variieren, solange die Breite der Schirmelektrode SE2 größer ist als die Breite der Leiterbahn L. Eine besonders vorteilhafte Konfiguration der Elektroden und der Leiterbahn L wird dann erreicht, wenn die Leiterbahn L, wie in Fig. 4 ersichtlich, im Verhältnis sowohl zur Schirmelektrode SE2 als auch zur Sensorelektrode EXl besonders schmal ausgestaltet ist. Eine besonders vorteilhafte Konfiguration wird erreicht, wenn die Breiten der zweiten Schirmelektrode SE2 und der Sensorelektrode besonders groß gewählt werden im Verhältnis zur Breite der Leiterbahn L und gleichzeitig die Breite der Sensorelektrode gleich groß oder größer ist als die Breite der zweiten Schirm- elektrode SE2. Damit wird einerseits eine gute Abschirmung der Sensorelektrode gegen die Leiterbahn L und andererseits eine gute Empfindlichkeit der Sensorelektrode erreicht.
Abhängig von dem die Elektroden umgebenden Material ist es auch möglich, die zweite Schirmelektrode SE2 geringfügig breiter als die Sensorelektrode auszugestalten, wobei auch hier die Leiterbahn L besonders schmal ausgestaltet werden sollte.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeein- richtung. Die in Fig. 5 gezeigte Elektrodenkonfiguration ist insbesondere bei kleinen Anzeigeeinrichtungen gut einsetzbar, da die Breite der vier Elektrodensegmente EXl, EX2, EYl und EY2 bzw. die Flächen der vier Elektrodensegmente so gewählt werden können, dass auch in der Mitte des Bildschirms eine Annäherung bzw. eine Geste sicher detektierbar ist. Eine leitfähige Beschichtung des BiId- schirms ist dabei nicht notwendig. Damit lässt sich beispielsweise ein elektronischer Bilderrahmen um eine Annäherungs- bzw. Gestendetektionsmöglichkeit erweitern. Eine weitere Anwendung der in Fig. 5 gezeigten Elektrodenkonfiguration ist etwa die Anordnung der Elektrodenkonfiguration an einem Display eines Navigationsgerätes. In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Elektroden- segmente so breit wie möglich auszuführen, um auch in der Mitte des Bildschirms eine gute Detektion zu ermöglichen.
Fig. 6 zeigt den Schichtenaufbau einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, wie sie beispielsweise bei Anzeigeeinrichtungen eingesetzt werden kann, welche über keine leitfähige Beschichtung verfügen. Mit dieser Anordnung bzw. mit dieser Konfiguration lässt sich auch die Sensivität bei kleineren Bildschirmen, wie mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben, noch weiter erhöhen. Insbesondere können mit dieser Konfiguration auch großflächige Anzeigeeinrichtungen mit einer Annähe- rungs- bzw. Gestendetektionsmöglichkeit erweitert werden, wobei auch bei großflächigen Anzeigeeinrichtungen eine Detektion im Bereich der Mitte der Anzeige- einrichtung sicher gewährleistet ist.
An der Oberseite des Trägermaterials TM ist, wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, eine Sensorelektrode E, eine zweite Schirmelektrode SE2, die Leiterbahn L und eine dritte Schirmelektrode SE3 angeordnet. An der Unterseite des Trägermaterials TM ist eine leitfähige Schicht ITOS angeordnet, welche auf einer Seite des Trägermaterials über das Trägermaterial hinausgeführt ist, also in den sichtbaren Bereich einer Anzeigeeinrichtung hineinragt bzw. den sichtbaren Bereich der Anzeigeeinrichtung vollständig abdeckt.
Die leitfähige Schicht ITOS ist vorzugsweise als transparente Schicht, wie sie beispielsweise bei berührungsempfindlichen Displays eingesetzt wird, ausgestaltet. Die leitfähige Schicht ITOS übernimmt hier die Funktion der mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Schirmelektrode SEI. Damit ist eine Folie realisierbar, welche beispielsweise auf eine Anzeigeeinrichtung aufgeklebt wer- den kann, wobei die Elektroden E, SE2, SE3 und die Leiterbahn L randseitig an der Folie angeordnet sind, wie beispielsweise mit Bezug auf Fig. 3 gezeigt. Somit kann auch bei Anzeigeeinrichtungen, welche über keine leitfähige Beschichtung verfügen, das an der Sensorelektrode E emittierte elektrische Wechselfeld gegen die Masse der Anzeigeeinrichtung abgeschirmt werden.
Fig. 7 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors mit einer Sensorelektrode E und einer ersten Schirmelektrode SEI.
Zwischen einer Sensorelektrode E und der ersten Schirmelektrode SEI wirkt eine Kapazität Cl. Die erste Schirmelektrode SEI wiederum weist eine Kapazität C2 gegenüber dem geerdeten Bildschirm D auf. Die Abschirmwirkung durch die erste Schirmelektrode SEI wird erreicht, indem der Treiber T auf die erste Schirmelektrode SEI geschaltet wird. Wenn die Ausgangsspannung UT des Treibers T näherungsweise der Elektrodenspannung UE an der Sensorelektrode E entspricht, ergibt sich eine besondere gute Abschirmwirkung.
Der dargestellte kapazitive Sensor S (es können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein) kann nach einem Phasenverfahren arbeiten, bei dem die Phasenver- Schiebung eines Resonanzkreises des kapazitiven Sensors gegenüber einem Referenzsignal eines Generators des kapazitiven Sensors indikativ für die Annäherung ist. Bei Annäherung eines Fingers an eine Sensorelektrode E eines kapazitiven Sensors S wird der Resonanzkreis des kapazitiven Sensors infolge der Kapazitätsänderung aus der ursprünglich eingestellten Resonanz verstimmt. Dabei kommt es zu einer Amplituden- und Phasenänderung des Signals des Resonanzkreises bezüglich des Generatorsignals, mit welchem der Resonanzkreis beaufschlagt wird.
Amplituden- und Phasenänderung können zur Detektion einer Annäherung an den kapazitiven Sensor S bzw. an dessen Sensorelektrode E verwendet werden. Am vorteilhaftesten wird jedoch die Phasenlage ausgenutzt, weil man damit weitgehend unabhängig von möglichen Amplitudenänderungen des Generatorsignals bleibt und zudem eine noch größere Empfindlichkeit hinsichtlich Kapazitätsänderungen der Sensorelektrode E erreicht. Ferner kann bei Anwendung des Phasenverfahrens die Spannung am Resonanzkreis niedrig gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Feldemission an der Sensorelektrode E auswirkt und damit auch die EMV-Problematik bezüglich der Strahlungsemission vermindert. Des Weiteren ist ein Phasenverfahren auch unempfindlicher gegen von außen einwirkende Störungen auf der Empfangsseite.
Die für einen Resonanzkreis eines kapazitiven Sensors S erforderliche induktive Komponente kann mittels eines Gyrators realisiert werden. Die Grundstruktur eines Gyrators für einen kapazitiven Sensors in einem erfindungsgemäßen System ist mit Bezug auf Fig. 11 dargestellt.
Fig. 8 zeigt eine Prinzipanordnung eines erfmdungsgemäßen Systems bzw. einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die Anordnung umfasst Sensorelektroden El bis En, welche jeweils mit einem zugehörigen kapazitiven Sensor Sl bis Sn gekoppelt sind. Über dem Bildschirm bzw. Display D ist ein transparentes Schutzmaterial SM angeordnet. Das Schutz- material SM kann entweder aus Glas oder aus einer Folie aus Kunststoff gefertigt sein. Andere hierfür geeignete Materialien können ebenfalls verwendet werden.
An der Unterseite oder der Oberseite (oder nahe unterhalb einer Oberfläche) des Glases bzw. der Folie ist eine schwach leitende Schicht aufgebracht, die als Schirmelektrode SEI der Abschirmung des von den Sensorelektroden Sl bis Sn emittierten elektrischen Feldes gegenüber dem geerdeten Bildschirm D dient. Diese leitende Schicht wirkt gegenüber dem geerdeten Bildschirm D jeweils dann als Abschirmung bzw. als Schirmelektrode SEI, wenn die an den Sensorelektroden El bis En anliegende Elektrodenspannung annähernd gleich der an der Schirm- elektrode SEI anliegenden Spannung ist. Die Schirmelektrode SEI und die Sensorelektroden El bis En liegen dann auf annähernd gleichem Potential, sodass der Raum zwischen der Schirmelektrode SEI und den Sensorelektroden El bis En nahezu feldfrei wird.
Die Schirmelektrode SEI kann dabei Bestandteil der Anzeigeinrichtung bzw. des Bildschirms D sein, während die Sensorelektroden El bis En unabhängig von der Schirmelektrode SEI auf dem Bildschirm D angebracht werden können bzw. nachträglich angebracht werden können.
Um auch bei einem von der Schirmelektrode SEI unabhängigen Anbringen der Sensorelektroden El bis En zu gewährleisten, dass diese auf im Wesentlichen dem gleichen Potential liegen bzw. dass zwischen diesen ein im Wesentlicher feldfreier Raum gebildet wird, wird jeweils einer der Sensorausgänge der kapazitiven Sensoren Sl bis Sn über einen Multiplexer MUX und einer Treiberschaltung T auf eine Koppelelektrode SEK geschaltet.
Die Koppelelektrode SEK wird dabei derart angeordnet, dass sie zwischen den Sensorelektroden El bis En und der Schirmelektrode SEI liegt und vorzugsweise mit der Schirmelektrode SEI in kapazitive Koppelung bringbar ist. In einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Schirmelektrode SEI galva- nisch mit der Koppelelektrode SEK gekoppelt sein.
Die Treiberschaltung T ist dabei ausgestaltet, den Strom der Koppelelektrode SEK zu treiben und die Koppelelektrode SEK mit einer Spannung zu beaufschlagen, welche phasengleich zur an den Sensorelektroden El bis En anliegenden Elektro- denspannung ist. Das so an der Koppelelektrode SEK erzeugte Signal wird kapazitiv über das Glas oder die Folie auf die elektrisch leitende Schicht bzw. auf die Schirmelektrode SEI gekoppelt. Damit wird gewährleistet, dass sich in jedem Fall ein im Wesentlichen feldfreier Raum zwischen den Sensorelektroden El bis En und der Schirmelektrode SEI ausbildet.
Die kapazitive Ankoppelung von der Oberseite des Glases bzw. der Folie ist aus Sicht einer kostengünstigen Produktion besonders vorteilhaft, da die gesamte Konfiguration aus Sensorelektroden El bis En und Koppelelektrode SEK zur Ankoppelung an die Schirmelektrode SEI von oben einfach auf den Bildschirm D aufgesetzt werden kann. Dies spielt vor allem auch unter dem Aspekt der Nachrüstung von Bildschirmen mit einer Annäherungsfunktionalität eine wichtige Rolle.
Die Wirkungsweise der in Fig. 8 gezeigten elektrischen Schaltung wird mit Bezug auf Fig. 9 näher erläutert. Fig. 9 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild der in Fig. 8 gezeigten Schaltung für einen kapazitiven Sensor S.
Zwischen einer Sensorelektrode E und der Koppelelektrode SEK wirkt eine Kapa- zität C1. Eine weitere Kapazität C3 wird zwischen der Koppelelektrode SEK und der zur Abschirmung dienenden leitfähigen Schicht bzw. Schirmelektrode SEI im Glas bzw. in der Folie SM gebildet. Die Schirmelektrode SEI wiederum weist eine Kapazität C2 gegenüber dem geerdeten Bildschirm D auf.
Für die Abschirmwirkung der Schirmelektrode SEI ist die an der Schirmelektrode SEI anliegende Spannung us maßgeblich. Bei einer Ausgangsspannung UT am Treiber T ergibt sich die Spannung us dann aus
us = UT / (1 + C2/C3)
Da die Ausgangsspannung UT des Treibers T näherungsweise der Elektrodenspannung UE an der Sensorelektrode E entspricht, ergibt sich eine umso bessere Abschirmwirkung, je kleiner das Verhältnis C2/C3 ist. Dies lässt sich durch konstruktive Maßnahmen, etwa durch Wahl geeigneter Abstände zwischen den Sensor- elektroden E und der Schirmelektrode SEI erreichen. Es hat sich herausgestellt, dass man bereits bei einem Verhältnis von 1 für C2/C3 eine hohe Abschirmwirkung erzielt.
Aus Fig. 9 ist auch ersichtlich, dass über die Koppelkapazität Ci zwischen Sen- sorelektrode E und Koppelelektrode SEK eine Rückkopplung im Sensorkreis auftritt, da über die Treiberschaltung T zum Sensor S eine Schleife gebildet wird. Dieser Effekt kann vorteilhaft für eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit ausgenutzt werden.
Die Verwendung einer leitfähigen Schicht bzw. einer Schirmelektrode SEI im Glas bzw. auf einer Folie SM bietet zudem die Möglichkeit, mit dem erfmdungs- gemäßen System nach Fig. 8 außer einer Annäherungsdetektion auch eine Berüh- rungsdetektion zu realisieren, die entweder unabhängig vom Ort der Berührung etwa eine Schaltfunktion ermöglicht oder abhängig vom Ort der Berührung auf dem Bildschirm für eine Koordinatenberechnung der Fingerposition verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft lässt sich mit dem in Fig. 8 gezeigten System eine Gestendetektion verwirklichen. Die Berührungsdetektion wird mit Bezug auf Fig. 10 näher erläutert.
Fig. 10 zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild für einen kapazitiven Sensor mit einem sich dem kapazitiven Sensor annähernden Finger bzw. mit einem das Display berührenden Finger.
Die Berührung des Glases oder der Folie SM bewirkt stets eine sprunghafte oder sehr schnelle Verringerung der Spannung us an der Schirmelektrode SEI, da die Schirmelektrode SEI über eine vom Finger ausgehende Kopplungskapazität Cs und über die Körperkapazität CK gegen Erde zusätzlich kapazitiv belastet wird. Diese Verringerung der Spannung us ist gleichbedeutend einer Erhöhung der an einer Sensorelektrode E wirksamen Lastkapazität. Dementsprechend ändert sich auch die Signalspannung des Sensors S sprunghaft oder sehr schnell. Gleichzeitig bewirkt eine Berührung des Bildschirms auch eine kapazitive Kopplung zur Sensorelektrode E, die in Fig. 10 mit einer weiteren Koppelkapazität CE dargestellt ist. Nähert man sich bei gleichzeitigem Berühren des Displays der Sensorelektrode E, ergibt dies eine zusätzliche Änderung der Signalspannung des Sensors S, wodurch auch die Distanz des Fingers zur Sensorelektrode E ermittelt werden kann.
In Verbindung mit den übrigen Sensorelektroden kann damit die Koordinate des Fingers auf dem Bildschirm bestimmt werden. Dies ist jedoch mit hinreichender Genauigkeit nur dann möglich, wenn die Kopplung Cs des Fingers gegenüber der Schirmelektrode SEI im Vergleich zur Kopplung CE des Fingers auf die Sensorelektrode E nicht zu stark überwiegt. Dies lässt sich durch eine entsprechende Gestaltung der Elektrodenkonfiguration erreichen, indem die Schirmelektrode SEI näher oder weiter entfernt von der dem Bildschirm abgewandten Oberfläche des Glases oder der Folie SM angeordnet wird. Wird die Schirmelektrode SEI weiter entfernt von der zu berührenden Oberfläche des Glases oder der Folie SM angeordnet, erhält man erfindungsgemäß die Möglichkeit einer unterscheidbaren Berührung auf dem Bildschirm. Die genaue Elektrodenkonfiguration hängt jeweils von der Größe des Bildschirms ab.
Fig. 11 zeigt die Grundstruktur eines Gyrators für einen kapazitiven Sensor in einem erfindungsgemäßen System.
Ein über einen Kondensator CF rückgekoppelter Operationsverstärker OP wirkt am Eingang als virtuelle Induktivität L = R2 * CF, die zusammen mit der dort an- geschlossenen Sensorelektrode E und deren Lastkapazität CL gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet und dadurch als sensitives Element hinsichtlich der beschriebenen Phasenverschiebung wirkt. Gleichzeitig dient der Ausgang des Operationsverstärkers OP dazu, die über den Multiplexer MUX von Fig. 8 angeschlossene Koppelelektrode SEK bzw. die Schirmelektrode SEI, welche ja kapazi- tiv mit der Koppelelektrode SEK gekoppelt ist, zu treiben.
Da über die Kapazität Ci zwischen der Sensorelektrode E und der Koppelelektrode SEK von Fig. 9 eine Rückkopplungsschleife entsteht und dadurch die Anordnung zur Oszillation neigen würde, wird mittels eines Dämpfungsgliedes, das vor- zugsweise als ohmscher Spannungsteiler ausgebildet ist, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP heruntergeteilt, sodass das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP und der Spannung UT an der Koppelelektrode SEK betragsmäßig kleiner eins ist. Damit wird ein stabiler Betrieb gewährleistet. Zusätzlich kann der Ausgang des Operationsverstärkers OP mit der Treiberschaltung T gekoppelt werden, um optional die Spannung, mit welcher die Koppelelektrode SEK beaufschlagt wird, wieder zu erhöhen und um die Koppelelektrode SEK frei von einer kapazitiven Last zu bekommen.
Bei Verwendung des in Fig. 11 gezeigten Gyrators als induktive Komponente des Resonanzkreises eines kapazitiven Sensors S kann in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems nach Fig. 8 bzw. Fig. 9 dieses auch ohne Treiberschaltung T realisiert werden, da der ohmscher Spannungsteiler selbst als Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 wirkt und die Koppelelektrode SEK treibt.
Diese Anordnung hat zudem den Vorteil, über diese Rückkopplung den Schwingkreis zu entdämpfen und somit eine hohe Kreisgüte zu erreichen, was wiederum eine hohe Annäherungsempfindlichkeit gewährleistet. Diese einfache und kostengünstige elektronische Realisierung eines Parallelschwingkreises ermöglicht auch eine Integration des gesamten Systems in einem ASIC.
Entsprechend der in Fig. 8 gezeigten Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen Systems mit mehreren kapazitiven Sensoren können erfmdungsgemäß beliebige Elektrodenkonfigurationen bestehend aus Sensorelektroden, Koppelelektroden und Schirmelektroden realisiert werden, um eine Annäherung oder eine Bewegung (z.B. eine Gestik) im Bereich der Sensorelektroden zu erfassen.
Ein Beispiel für eine Anordnung bestehend aus vier linienförmigen Elektroden EXi, EX2, EYi, EY2 in einem Mehrlagenaufbau ist in Fig. 12 gezeigt. Fig. 12 zeigt eine rahmenförmige Anordnung R, welche zur Nachrüstung für eine Annäherungsfunktionalität (oder Gestik-Funktion) von oben auf ein Display D aufgesetzt werden kann. Die streifenförmigen Elektroden EXi, EX2, EYi, EY2 sind hier entlang der vier äußeren Kanten des Rahmens R angeordnet. Der Schichtenaufbau der in Fig. 12 gezeigten rahmenförmigen Anordnung, welcher z.B. mit mehreren übereinander angeordneten Folien realisiert werden kann, ist in Fig. 13 schematisch dargestellt.
Die Sensorelektrode E und mehrere Koppelelektroden SEK sind in einem Trägermaterial B eingebettet. Das Trägermaterial kann beispielsweise eine Folie, welche durchsichtig sein kann, sein. Die Koppelelektroden SEK sind galvanisch miteinander verbunden und werden von derselben Treiberschaltung T getrieben.
Die an der Oberseite des Trägermaterials randseitig angeordnete Koppelelektrode ermöglicht hierbei eine Abschirmwirkung nach außen zum Randbereich des Displays D. Die an der Unterseite des Trägermaterials angeordnet Koppelelektrode dient zusammen mit der in das Glas oder die Folie SM eingelassene Schirmelektrode SEI dazu die Sensorelektrode E gegen das Display abzuschirmen.
Die streifenförmige Anordnung hat den Vorteil, dass die Koordinaten der Position eines Fingers mit einem einfachen Algorithmus für ein X/Y-Koordinatensystem auf der Display-Oberfläche berechnet werden können, da z.B. die Signale, welche an den X-Elektroden EXi und EX2 entstehen, unabhängig von den Signalen an den Y-Elektroden EYi und EY2 sind.
Eine Koordinatenberechnung mit vier streifenförmigen Sensorelektroden kann beispielsweise anhand einer Auswertung der Phasenlage <Dχ bzw. Φy der X- Elektroden bzw. der Y-Elektroden erfolgen. Dazu wird vorteilhaft die Phasendif- ferenz und die Phasensumme der X- bzw. der Y-Elektrodenpaare ermittelt, also
ΔΦX = Φχi - ΦX2 und ΣΦX = Φχi + Φχ2
bzw.
ΔΦy = Φγi - Φγ2 Und ΣΦγ = Φγi + Φγ2. Damit ist auch eine Linearisierung der Koordinatenbestimmung möglich, da sich bei der Differenzbildung im Allgemeinen ein nichtlinearer Verlauf der Phasendifferenz ergibt. Für die Linearisierung kann zunächst (für jedes Elektrodenpaar) eine Funktion
Ψx = ΣΦX - Φχ0 ΨY = ΣΦY - ΦY0
definiert werden. Daraus kann
ΔΦχ/Ψx = (Φχi - Φχ2 ) / (Φχi + Φχ2 - Φχo)
ΔΦγ/Ψγ = (Φγi - Φγ2 ) / (Φγi + Φγ2 - Φγθ)
mit einer geeignet gewählten Konstante Φχo bzw. Φγo gewählt werden, um die Linearisierung für jeweils in X-Richtung und Y-Richtung zu erhalten. Durch die sich daraus ergebende annähernde Proportionalität kann sehr einfach die Position eines Fingers bestimmt werden.
Mit der in Fig. 12 und Fig. 13 gezeigten rahmenförmigen Struktur, welche aus der Schicht SM mit der Schirmelektrode SEI und der Schicht B mit den Sensorelektroden und den Koppelelektroden SEK besteht, kann auf sehr einfache Weise ein bestehendes Display um die Funktionalität einer Annäherungsbestimmung oder Gestenbestimmung erweitert werden.
Ebenso lässt sich erfindungsgemäß das System in ein bestehendes Display integrieren, indem bereits im Display vorhandene elektrisch leitfähige Strukturen auch für das erfindungsgemäße System verwendet werden. Damit können beispielsweise resistive berührungsempfindliche Displays einfach um die genannte Funktionalität erweitert werden, indem die bereits vorhandenen leitfähigen Strukturen des berührungsempfindlichen Displays genutzt werden.
Fig. 14 zeigt den Aufbau eines resistiven berührungsempfindlichen Displays (Touchscreen). Das resistive berührungsempfindliche Display besteht im Wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden leitfähigen Schichten 20, 30 (Folie - Folie oder ITO-Glas - Folie), welche durch kleine Abstandsdots 10 voneinander getrennt sind. Das berührungsempfindliche Display wird oberhalb der Anzeigeein- richtung angeordnet. Das berührungsempfindliche Display verfügt über Messleitungen, welche bei einer Berührung mit dem Finger oder Stift über den Berührungspunkt eine Spannung leiten.
Fig. 15 zeigt die Koppelung des in Fig. 14 gezeigten resistiven berührungsemp- fmdlichen Displays über Displayanschlusskabel 70 und einem Stecker 60 mit einer Auswerteeinheit μC zur Detektion von Berührungen.
Erfindungsgemäß können die leitfähigen Schichten eines Touchscreens (unabhängig von der konkreten Touchscreenausführung) als Elektrodenstrukturen, insbe- sondere als erste Schirmelektrode SEI für die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung verwendet werden. Um die vorhandene Funktion der Berührungsdetekti- on des Touchscreen beizubehalten, wird die vorhandene Funktion der Berüh- rungsdetektion im Zeitmultiplexverfahren mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit GestIC zur Näherungsdetektion gekoppelt. Eine derartige Koppelung ist in Fig. 16 gezeigt.
Fig. 17 zeigt ein Beispiel für eine Annäherungs- und Berührungsdetektion in Abhängigkeit von dem Abstand eines Objektes zu einem berührungssensitiven Bildschirm. In dem hier gezeigten Beispiel werden zwei Schaltschwellen SWl und SW2 definiert. Die Schaltschwellen geben einen ersten Abstand SWl und einen zweiten Abstand SW2 zum berührungssensitiven Bildschirm D an.
Eine sich dem berührungssensitiven Bildschirm D annähernde menschliche Hand oder Finger kann vor dem berührungssensitiven Bildschirm D bzw. in dem von der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung erfassten Bereich Bewegungen durchführen, welche von der Elektrodenanordnung erfasst werden und ausgewertet werden können. Die Auswertung kann eine Gestenerkennung umfassen.
Ist der Abstand der Hand bzw. des Fingers zum Bildschirm D größer als der zweite Abstand SW2, wird die Auswerteeinheit μC zur Detektion von Berührungen deaktiviert. Die Auswerteeinheit GestIC zur Näherungsdetektion ist aktiviert, um Bewegungen vor dem Bildschirm zu erfassen.
Nähert sich die Hand bzw. der Finger weiter dem Bildschirm an, sodass der Abstand der Hand / des Fingers kleiner als der zweite Abstand SW2 und größer als der erste Abstand SWl ist, sind die Auswerteeinheit μC und die Auswerteeinheit GestIC aktiviert. Damit können einerseits Bewegungen oder Gesten erfasst wer- den. Andererseits ist auch sichergestellt, dass eine schnelle Annäherung an den Bildschirm bzw. ein schnelles Berühren des Bildschirms durch die Auswerteeinheit μC verlässlich detektiert wird.
Nähert sich die Hand bzw. der Finger noch weiter dem Bildschirm D, sodass der Abstand der Hand / des Fingers kleiner als der erste Abstand SWl, wird die Auswerteeinheit GestIC deaktiviert. Die Auswerteeinheit μC zur Detektion von Berührungen bleibt weiter aktiviert. Dadurch kann verhindert werden, dass Bewegungen sehr nahe vor dem Bildschirm, welche zu einem Berühren des Bildschirms führen, in die Auswertung der Bewegung mit einfließen. Der Abstand SWl kann sehr klein gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Abstand SWl im Bereich einiger Millimeter. Je nach Anwendungsgebiet kann der Abstand SWl aber auch im Bereich einiger Zentimeter liegen.
In dem hier gezeigten Beispiel werden die Auswerteeinheit μC zur Detektion von Berührungen und die Auswerteeinheit GestIC zur Näherungsdetektion aktiviert bzw. deaktiviert, um die entsprechende Funktionalität bereitzustellen bzw. nicht bereitzustellen. Die Aktivierung der Auswerteeinheiten μC bzw. GestIC kann etwa dadurch erfolgen, dass diese mit der entsprechenden Betriebsspannung versorgt werden.
Alternativ zum Aktivieren bzw. Deaktivieren der Auswerteeinheiten GestIC kann diese auch so angepasst werden, dass sie die entsprechende Funktionalität jeweils nur in Abhängigkeit des Abstandes des Objektes zum Bildschirm ausführt. Die Auswerteeinheit GestIC wertet dann die erfassten Bewegungen nur dann aus, wenn der Abstand des Fingers größer als der erste Abstand SWl ist. Ist der Abstand kleiner als der erste Abstand SWl, werden die Bewegungen zwar erfasst aber nicht ausgewertet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einem Abstand kleiner als SWl von der erfassten Bewegung nur die Bewegung entlang der Z- Achse, also der Abstand des Fingers zum Bildschirm, ausgewertet wird.
Die Auswerteeinheiten GestIC und μC sind dabei immer aktiv und sind wie mit Bezug auf Fig. 16 gezeigt mit den entsprechenden Elektroden gekoppelt.
Erfmdungsgemäß bestehen mehrere Möglichkeiten der Realisierung, wobei im- mer mindestens eine leitfähige Schicht des berührungsempfindlichen Displays entweder als Sensorelektrode E oder als Schirmelektrode genutzt wird.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die untere, dem Bildschirm D zugewandte
Schicht 20 als Schirmelektrode zu nutzen und die obere Schicht 30 als Sensor- elektrode E. Damit kann ohne zusätzliche Elektroden ein resistives berührungs- empfϊndliches Display nachgerüstet werden. Die Schirmelektrode bildet hierbei gleichzeitig auch die Koppelelektrode SEK.
Eine weitere, in Fig. 18 gezeigte Möglichkeit besteht darin, zwei leitfähige Schichten eines resistiven berührungsempfindlichen Displays zusammen als eine gemeinsame erste Schirmelektrode zu nutzen. Alternativ kann auch nur eine der beiden leitfähigen Schichten als erste Schirmelektrode genutzt werden. Die für den Aufbau notwendigen Sensorelektroden EXl, EX2, EYl, EY2 können als separates Teil am Bildschirm angeordnet werden. Hierbei kann eine Ausführung als Rahmenstruktur zu Anwendung kommen, wobei auf der Rahmenstruktur lediglich die Sensorelektroden, die zweiten Schirmelektroden und die Leiterbahnen angeordnet sind. Es kann auch eine einzelne umlaufende Sensorelektrode angeordnet werden, womit eine einfache Annäherung an das Display ohne Positionsbestimmung ermöglicht wird. Die Rahmenstruktur kann beispielsweise mittels Press- oder Clipkontaktierung galvanisch mit der Auswerteeinheit gekoppelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mindestens eine leitfähige Schicht des resistiven berührungsempfindlichen Displays als Schirmelektrode zu verwenden und die Sensorelektrode E in Form einer zusätzlichen leitfähigen Folie 100 (z.B. ITO-Folie) auszugestalten und auf den bestehenden Touchscreen aufzubringen, wie in Fig. 19 dargestellt. In der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform wird eine einzige Sensorelektrode E als durchgängig leitfähige Folie auf den Touchscreen aufgebracht. Damit lässt sich in einfacher Weise einfache Annäherung an das Display ohne Positionsbestimmung realisieren.
Alternativ kann auch eine Folie mit mehreren voneinander unabhängigen Sensorelektroden E bzw. eine Folie mit segmentierten Sensorelektroden E auf den Touchscreen aufgebracht werden, beispielsweise mit 4 oder 16 quadratisch oder rechteckig ausgestalteten Sensorelektroden. Möglich sind auch mehrere parallel verlaufende streifenförmig ausgestaltete Sensorelektroden, sodass vorteilhaft etwa die X-Position des sich annähernden Fingers detektierbar ist. Mit steigender An- zahl der Sensorelektroden lässt sich die Auflösung der Detektion, etwa einer Geste weiter erhöhen.
Dies hat den Vorteil, dass mindestens eine Elektrodenfläche des erfmdungsgemä- ßen Systems eingespart werden kann, die volle Funktionalität der Annäherungsbzw. Gestenerkennung durch Verwenden der leitfähigen Strukturen des Touch- screens dennoch mit einer besseren Empfindlichkeit als bei Systemen aus dem Stand der Technik bereitgestellt werden kann. Dadurch ergibt sich auch eine erheblich einfachere mechanische Integration, was gleichbedeutend mit einer erheb- liehen Kostenreduktion im Herstellungsprozess sowie bei den Materialkosten ist.
Durch die Erfindung wird es vorteilhaft möglich, beispielsweise Gerätefunktionen ohne Berühren des Geräts auszulösen. Damit können etwa Funktionen eines Navigationsgerätes in einem Kraftfahrzeug aufgerufen werden, ohne den Blick vom Verkehrsgeschehen abzuwenden, was die Sicherheit im Verkehr erhöht. Ein Schalter oder eine Schaltfläche auf einem Touchscreen des Navigationsgerätes kann dennoch betätigt werden.
Durch die berührungslose Bedienung ist es etwa auch möglich, einen elektroni- sehen Bilderrahmen zu bedienen, ohne ihn durch Fingerabdrücke zu verschmutzen. Der ästhetische Gesamteindruck dieses Geräts wird auch bei intensiver Benutzung nicht beeinträchtigt. Das Bedienen eines elektronischen Bilderrahmens kann etwa ein Umschalten von anzuzeigenden Bildern umfassen. Zudem kann die Anbringung eines elektronischen Bilderrahmens oder seine Aufstellung ohne Rücksichtnahme darauf erfolgen, dass er beim Berühren oder Schalten eines Bedienelements verrutschen oder von der Wand fallen würde. Der elektronische Bilderrahmen kann damit auch in Bereichen angebracht werden, bei denen der Benutzer keinen direkten Zugriff auf an der Rückseite des Geräts angebrachte Bedienelemente hat, wie es bei bekannten elektronischen Bilderrahmen der Fall ist. Der Benutzer muss nur noch in die Nähe des Gerätes gelangen können, um es mit Gesten zu bedienen bzw. zu steuern. Die Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität, insbesondere bei der Anpassung an verschiedene Bildschirmgrößen aus, ohne dass die Empfindlichkeit bei größeren Displays abnimmt. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungs- formen können auch mehrere Elektrodensegmente vorgesehen werden, um auch komplizierte Gesten zu detektieren. Dadurch, dass die Elektrodenanordnung aus nur zwei Elektrodenschichten, d.h. den Elektroden und der Leiterbahn an der Oberseite des Trägermaterials und der Elektrode an der Unterseite des Trägermaterials, besteht, ist eine besonders einfache mechanische Integration in das Ziel- System möglich, da die gesamte Elektrodenanordnung besonders flach ausgeführt werden kann. Zudem ist die Herstellung einer zweilagigen Elektrodenkonfiguration auf einem Trägermaterial, wie durch die Erfindung vorgeschlagen, besonders einfach und kostengünstig realisierbar. Durch Bereitstellung einer leitfähigen Folie, auf welche das Trägermaterial TM und die Elektroden aufgebracht sind, kön- nen zudem verschiedenste Anzeigeeinrichtungen um eine Gesten- bzw. Annäherungsfunktionalität erweitert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrodenanordnung für einen kapazitiven Sensor (S) zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes, aufweisend eine Sensorelektrode (E) und eine erste Schirmelektrode (SEI), wobei
- die Sensorelektrode (E) auf einer ersten Seite (TMl) eines im Wesentlichen flächig ausgestalteten Trägermaterials (TM) mit einer ersten Seite (TMl) und einer zweiten Seite (TM2) angeordnet ist, und
- die erste Schirmelektrode (SEI) auf der zweiten Seite (TM2) des Trägermaterials (TM) angeordnet ist und zur Abschirmung des von der Sensorelektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen Masse dient.
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine zweite Schirmelektrode (SE2), wobei
- die zweite Schirmelektrode (SE2) auf der ersten Seite (TMl) des Trägermaterials (TM) angeordnet ist,
- die Sensorelektrode (E) mittels einer Leiterbahn (L), welche auf der ersten Seite (TMl) des Trägermaterials (TM) angeordnet ist, mit einer Auswerteelektronik (A) koppelbar ist,
- die zweite Schirmelektrode (SE2) zwischen der Sensorelektrode (E) und der Leiterbahn (L) und beabstandet zur Sensorelektrode (E) und zur Leiterbahn (L) angeordnet ist und zur Abschirmung eines von der Sensor- elektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegen die Leiterbahn (L) dient, und - die Sensorelektrode (E), die zweite Schirmelektrode (SE2) und die Leiterbahn (L) jeweils streifenförmig ausgestaltet sind, wobei die zweite Schirmelektrode (SE2) breiter ist als die Leiterbahn (L).
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Sensorelektrode (E) breiter ist als die Leiterbahn (L).
4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Sensorelektrode (E) breiter ist als die zweite Schirmelektrode (SE2).
5. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, weiter aufweisend eine dritte Schirmelektrode (SE3), wobei die dritte Schirmelektrode (SE3) auf der ersten Seite des Trägermaterials (TM) beabstandet zur Leiterbahn (L) angeordnet ist, wobei die Leiterbahn (L) zwischen der zweiten Schirmelektro- de (SE2) und der dritten Schirmelektrode (SE3) angeordnet ist.
6. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Sensorelektrode (E), die zweite Schirmelektrode (SE2) und die Leiterbahn (L) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
7. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) durch ein leitfähiges und weitgehend transparentes Material (ITOS) gebildet wird.
8. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorelektrode (E) mit einem Resonanzkreis gekoppelt ist, wobei das unter Einschluss der Sensorelektrode (E) und des Resonanzkreises gebildete System mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei eine Phasenverschiebung einer elektrischen Spannung des Resonanzkreises gegenüber der beaufschlagten elektrischen Spannung indikativ für die Annäherung und/oder die Position des Objektes an der Sensorelektrode (E) ist.
9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 8, wobei ein Ausgang des unter Ein- Schluss der Sensorelektrode (E) und des Resonanzkreises gebildeten Systems über eine Verstärkerschaltung auf zumindest eine der drei Schirmelektroden (SEI, SE2, SE3) schaltbar ist, um zumindest eine der drei Schirmelektroden (SEI, SE2, SE3) im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode (E) zu bringen.
10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9, wobei die Verstärkerschaltung eine Treiberschaltung ist und wobei die Treiberschaltung ausgestaltet ist, den Strom an der zumindest einen Schirmelektroden (SEI, SE2, SE3) zu treiben und die zumindest eine Schirmelektrode mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E) phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen, wobei die beaufschlagte elektrische Spannung betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E).
11. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zumindest eine Koppelelektrode (SEK) zwischen der Sensorelektrode (E) und der ersten Schirmelektrode (SEI) anordenbar ist und mit der ersten Schirmelektrode (SEI) koppelbar ist; und
- der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors (S) über die Treiberschaltung auf die Koppelelektrode (SEK) schaltbar ist, um die Koppel- elektrode (SEK) und die erste Schirmelektrode (SEI) im Wesentlichen auf das elektrische Potential der Sensorelektrode (E) zu bringen.
12. Elektrodenanordnung nach Anspruch 11, wobei die Treiberschaltung ausgestaltet ist, den Strom an der Koppelelektrode (SEK) zu treiben und die Koppel- elektrode (SEK) mit einer zur Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E) phasengleichen elektrischen Spannung zu beaufschlagen, wobei die beauf- schlagte elektrische Spannung betragsmäßig kleiner ist als die Elektrodenspannung der Sensorelektrode (E).
13. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Schirmelektrode (SE) und die Koppelelektrode (SEK) kapazitiv koppelbar sind.
14. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Ausgang des zumindest einen kapazitiven Sensors (S) über einen Multiplexer (MUX) mit der Verstärkerschaltung koppelbar ist.
15. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die induktive Komponente des Resonanzkreises durch einen Gyrator gebildet wird.
16. Elektrodenanordnung nach Anspruch 15, wobei der Gyrator einen über einen Kondensator (CF) rückgekoppelten Operationsverstärker (OP) umfasst, welcher am Eingang des kapazitiven Sensors (S) als virtuelle Induktivität wirkt, wobei die virtuelle Induktivität zusammen mit der am Eingang des kapazitiven Sensors (S) angeschlossenen Sensorelektrode (E) und deren Lastkapazi- tat (CL) gegen Masse einen Parallelschwingkreis bildet.
17. Elektrodenanordnung nach Anspruch 16, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) mit der Verstärkerschaltung koppelbar ist und wobei am Ausgang des Operationsverstärkers (OP) ein Dämpfungsglied, vorzugsweise ein ohmscher Spannungsteiler, angeordnet ist.
18. Elektrodenkonfiguration für eine Anzeigeeinrichtung (D) zum Erfassen einer Position und/oder einer Annäherung eines Objektes an der/die Anzeigeeinrichtung (D), umfassend zumindest eine Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung so an der Anzeigeeinrichtung (D) anordenbar ist, dass die zweite Seite des Trägermateri- als (TM) der Anzeigeeinrichtung (D) zugewandt ist und wobei die erste Schirmelektrode (SEI) der Abschirmung des von der Sensorelektrode (E) emittierten elektrischen Wechselfeldes gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung (D) dient.
19. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 18, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) mit einer vor der Anzeigeeinrichtung (D) angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht (ITOS) galvanisch oder kapazitiv koppelbar ist.
20. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 19, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) durch eine vor der Anzeigeeinrichtung (D) angeordneten leitfähigen und weitgehend transparenten Schicht (ITOS) gebildet wird.
21. Vorrichtung zum Erfassen der Position und/oder der Annäherung eines Objektes an einer Anzeigeeinrichtung (D), aufweisend eine Elektrodenkonfiguration nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) in ein transparentes Schutzmaterial (SM) eingebettet ist, welches an der Anzeigeeinrichtung anordenbar ist, und wobei die erste Schirmelektro- de (SEI) der Abschirmung des Elektrodenfelds der Sensorelektrode (E) gegenüber der geerdeten Anzeigeeinrichtung dient.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) und die zumindest eine Sensorelektrode (E) jeweils in ein Trägermaterial einge- bettet sind und wobei die Träger (B) an der der Anzeigeeinrichtung (D) abgewandten Oberfläche des transparenten Schutzmaterials (SM) angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Trägermaterial ein transparentes Trägermaterial ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Anzeigeeinrichtung (D) ein berührungssensitiver Bildschirm ist und wobei die erste Schirmelektrode (SEI) und/oder die zumindest eine Sensorelektrode (E) durch die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms gebildet werden, wobei die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion (μC) und mit einer Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC) gekoppelt sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Vorrichtung ausgestaltet ist, ober- halb eines vorbestimmten ersten Abstandes (SWl) des Objektes zur Anzeigeeinrichtung (D) eine Bewegung des Objektes relativ zur Anzeigeeinrichtung (D) auszuwerten.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Auswerteeinheit zur Annäherungs- detektion (GestIC) deaktivierbar ist, wenn der Abstand des Objektes zur Anzeigeeinrichtung (D) kleiner ist als der erste Abstand (SWl).
27. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 26, wobei die Vorrichtung ausgestaltet ist, unterhalb eines vorbestimmten zweiten Abstandes (S W2) des Objektes zur Anzeigeeinrichtung (D) ein Berühren der Anzeigeeinrichtung (D) durch das Objekt auszuwerten.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der zweite Abstand (S W2) größer ist als der erste Abstand (SWl).
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei die leitfähigen Schichten des berührungssensitiven Bildschirms im Zeitmultiplexverfahren mit der Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion (μC) und mit der Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC) gekoppelt sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die erste Schirmelektrode (SEI) die Koppelelektrode (SEK) umfasst.
31. Folie, aufweisend eine Mehrzahl von Sensorelektroden (E) und zumindest eine Koppelelektrode (SEK), wobei die Sensorelektroden (E) auf einer Seite der zumindest einen Koppelelektrode (SEK) und in einem vorbestimmten Abstand zur zumindest einen Koppelelektrode (SEK) angeordnet sind und wobei die Folie Anschlüsse aufweist zum Anschließen der Sensorelektroden (E) an eine Auswerteeinheit (GestIC) und zum Anschließen der Sensorelektro- den (E) und der zumindest einen Koppelelektrode (SEK) an eine Treiberschaltung (T) zur Herstellung eines im Wesentlichen feldfreien Raumes zwischen den Sensorelektroden (E) und der zumindest einen Koppelelektrode (SEK).
32. Verfahren zur Herstellung einer annäherungssensitiven Anzeigeeinrichtung mit einem berührungssensitiven Bildschirm, wobei der berührungssensitive
Bildschirm leitfähige Strukturen zur Detektion einer Berührung aufweist, umfassend einen Schritt zum Aufbringen einer Folie gemäß Anspruch 26 auf den berührungssensitiven Bildschirm, wobei die zumindest eine Koppelelektrode (SEK) dem Bildschirm zugewandt wird und wobei die zumindest eine Koppelelektrode (SEK) mit den leitfähigen Strukturen des berührungssensitiven Bildschirms in eine kapazitive Koppelung bringbar sind.
33. Verfahren nach Anspruch 32, weitern aufweisend: einen Schritt zum Koppeln der Folienanschlüsse und der leitfähigen Struktu- ren des berührungssensitiven Bildschirms mit einer Auswerteeinheit zur An- näherungsdetektion (GestIC), wobei die leitfähigen Strukturen im Zeitmultip- lexverfahren mit der Auswerteeinheit zur Annäherungsdetektion (GestIC) und mit einer Auswerteeinheit zur Berührungsdetektion (μC) gekoppelt werden.
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