DE202004021638U1 - Berührungsdetektion für einen Digitalisierer - Google Patents

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Abstract

Mehrfachberührungserfassungsgerät, umfassend:
einen Sensor (20), der eine erste und zweite Gruppe von Stromleitungen (24, 28) umfasst, die ein Gitter mit einer Mehrzahl von Übergangszonen dazwischen bilden;
Schaltungsanordnungen, die betriebsfähig sind, um Signale an Stromleitungen entweder von der ersten oder von der zweiten Gruppe von Stromleitungen anzulegen;
wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass
Schaltungsanordnungen, die betriebsfähig sind, um Ausgaben (30) von Stromleitungen von der anderen Gruppe von Stromleitungen als Antwort auf ein Signal (22), das an mindestens einer Stromleitung angelegt wird, zu erfassen, wobei jede der Ausgaben einen kapazitiven Kopplungspegel angibt, der zwischen der mindestens einen Stromleitung gebildet wird, an die ein Signal angelegt wird, und den Stromleitungen, an denen eine Ausgabe erfasst wird; und
einen Detektor (6), der betriebsfähig ist, um zwischen mehr als einer Fingerberührung (26) gleichzeitig, basierend auf den Ausgaben, zu unterscheiden,
wobei der Sensor (20) im Wesentlichen transparent und zum...

Description

  • GEBIET UND ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen kombinierten Berührungs- und Griffel-Digitalisierer und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Anpassungen für die Erfassung einer Fingerberührung.
  • Die Beliebtheit von Computern hat zu eingehender Forschung und Entwicklung im Bereich der Digitalisierer und Berührungsbildschirme geführt. Es gibt viele Erfindungen, die Tastfelder beschreiben, aber sehr wenige beschreiben einen Digitalisierer, der in der Lage ist, sowohl einen EM-Griffel als auch eine Fingerberührung unter Verwendung derselben Erkennungsvorrichtung zu erfassen. Die US-Patentanmeldung 09/629 334 ”Physical Object Location Apparatus and Method and a Platform using the same”, eingereicht am 7. Juli 2000, abgetreten an N-trig Ltd, und die US-Patentanmeldung Nr. 09/628 334 ”Transparent Digitizer”, eingereicht am 28. August 2003, ebenfalls abgetreten an N-trig Ltd, beschreiben Positionierungsvorrichtungen, die in der Lage sind, mehrere physikalische Objekte, bevorzugt Griffel, zu erfassen, die sich auf einer Flachbildanzeige befinden.
  • Die US-Patentanmeldung Nr. 10/270 373 ”Dual Function Input Device And Method”, eingereicht am 15. Oktober 2002 und abgetreten an N-trig Ltd, beschreibt ein System, das in der Lage ist, elektromagnetische Objekte und Fingerberührungen unter Verwendung desselben transparenten Sensors zu erfassen. In der Beschreibung wird die Fingerberührungserfassung durch eine Matrix aus Widerstandsstreifen umgesetzt, die mit dem EM-Erfassungsmuster zusammengelegt werden. Eine spezielle Trennschicht wird zwischen die Leiterschichten gesetzt, um gleichzeitig einen Berührungsstreifenkontakt zu ermöglichen und einen Kontakt zwischen den EM-Leitungen zu verhindern. Eine zusätzliche Elektronik ist notwendig, um die Berührungssignale vom Sensor anzusteuern und abzulesen. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens ist die zusätzliche Komplexität sowohl für den Sensor als auch für die Elektronik.
  • Das US-Patent Nr. 3 944 740 verwendet einen Eingabeblock, der über einem Plasmaflachbildschirm angebracht ist. Der Eingabeblock ist eine Matrix aus leitfähigen Reihen und Spalten, die derart angeordnet sind, dass ein Griffel mit einer leitfähigen Spitze eine Reihenelektrode und eine Spaltenelektrode an ihrem Kontaktpunkt kurzschließen kann, wobei der Strom, der durch die Reihen- und Spaltenelektroden geleitet wird, die Griffelposition darstellt. Das US-Patent Nr. 4 639 720 verwendet eine ähnliche Idee, die leitfähige Pixel anstelle einer Matrix aus Reihen und Spalten verwendet.
  • Zwei Hauptnachteile der obigen Patente sind die geringe Auflösung der Griffelerfassung und die Unmöglichkeit, insbesondere einen Griffel elektromagnetischer Art zu erfassen. Da der Griffel nur erfasst wird, wenn er zwei angrenzende Leitungen/Pixel zusammenschließt, ist es unmöglich, ihn zu verfolgen, wenn er sich zwischen den Leitungen/Pixeln befindet. Daher ist die Auflösung der Griffelerfassung auf die Nähe der Leitungen/Pixel beschränkt. Die Griffelerfassung, wie sie in diesen Patenten offenbart wird, ist in sich anders als diejenige, die bei den derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird. Das US-Patent Nr. 6 239 389 beschreibt ein Verfahren zur Fingererfassung durch Messen einer ersten Gruppe von Spannungswerten von jeder Stromleitung und Berechnen eines gewichteten Mittels dieser Abtastungen im Verhältnis zu Abtastungen, die ohne das Vorhandensein eines Fingers vorgenommen wurden. Der Sensor besteht aus einer Reihe von Platten, die in Reihen und Spalten angeordnet sind und über eine Stromleitung angeschlossen sind. Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind, dass es eine Recheneinheit zum Berechnen des gewichteten Mittels der abgetasteten Werte benötigt, dass es nicht die Erfassung eines EM-Griffels ermöglicht und dass der Sensor nicht transparent ist.
  • Das US-Patent Nr. 4 550 221 beschreibt ein Sensorarray, das eine Reihe von leitfähigen Platten/Pixeln umfasst, die über einen leitfähigen Draht angeschlossen sind. Eine Fingerberührung ändert die Kapazität des Pixels im Verhältnis zur umgebenden Abschirmmasse. Die Änderung wird erfasst und übersetzt, um die Position eines Fingers anzugeben. Die Beschreibung ermöglicht nicht die Erfassung eines EM-Griffels zusammen mit einer Fingererfassung. Die Platten/Pixel des Sensors sind nicht transparent und können daher nicht an einem Bildschirm angebracht werden.
  • Das US-Patent Nr. 4 293 734 verwendet zwei Stromquellen, die vorherbestimmte Ströme durch jedes Ende der Antenne ansteuern. Die Position des Fingers wird berechnet unter Verwendung der Kirchhoffschen Gesetze für Kriechstrom durch den Finger gegen die Abschirmmasse. Der Nachteil des dort offenbarten Erfassungssystems ist, dass es nicht die Erfassung eines EM-Griffels ermöglicht. Stattdessen benötigt es Stromflüsse von beiden Enden der leitfähigen Oberfläche, was offensichtlich Strom verbraucht. Ferner erfolgt die Erfassung analog und bedingt relativ komplizierte Schaltungsanordnungen.
  • Das US-Patent Nr. 6 452 514 verwendet zwei oder mehrere Elektroden, die angeordnet sind, um ein elektrisches Feld zu erstellen, das durch ein angrenzendes Dielektrikum übertragen wird, das durch die Nähe eines leitfähigen Objekts gestört werden kann. Eine Ladungstransport-Messschaltungsanordnung ist an eine der Elektroden angeschlossen, um das Vorhandensein des Objekts zu bestimmen. Die Beschreibung lehrt das Anschließen jeder Elektrode an eine einzelne Ladungstransport-Messeinheit. Die Nachteile der obigen Erfindung sind ihre Unfähigkeit, einen EM-Griffel zu erfassen, ihre niedrige Aktualisierungsrate und ihre beschränkte Auflösung.
  • Das US-Patent Nr. 6 583 676 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen der hinzugefügten Kapazität eines Fingers nach der Anwendung einer Frequenzänderung. Eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Kalibrieren für einen Näherungs-/Berührungsdetektor ermöglichen eine automatische Kalibrierung für die Bestandteile, die Grundplatteneffekte und die Umgebungsbedingungen des Näherungs-/Berührungsdetektors, so dass eine ursprüngliche Werkskalibrierung und eine periodische manuelle Kalibrierung nicht notwendig sind. Die Kalibrierschaltungsanordnung schaltet eine Kapazität in die Eingangskapazität eines selbstschwingenden Oszillators mit Schmitt-Trigger, um die Ausgangsfrequenz des Oszillators zu ändern. Ein kapazitiver Sensor ist Teil der Eingangskapazität. Die Frequenzänderung simuliert die Frequenzverschiebung, die mit dem Unterschied der Eingangskapazität verknüpft ist, die erzeugt wird, wenn ein Objekt, wie etwa ein Finger, den kapazitiven Sensor berührt, und wenn der kapazitive Sensor das Objekt nicht berührt. Die deutlichsten Nachteile dieser Erfindung sind die Notwendigkeit von zusätzlichem Material und die Unfähigkeit, einen EM-Griffel zu erfassen.
  • Andere Verfahren der Fingererfassung sind in den US-Patenten Nr. 6 587 093 , 6 633 280 , 6 473 069 und 6 278 443 zu finden. Die oben beschriebenen Verfahren zur Fingererfassung sind alle in sich anders als die nachstehend beschriebenen Verfahren, und keines davon kombiniert die Fähigkeit, sowohl einen EM-Griffel als auch eine Fingerberührung zu erfassen.
  • Es besteht somit ein weithin anerkannter Bedarf an einem Digitalisierungssystem ohne die obigen Beschränkungen, und es wäre höchst vorteilhaft, darüber zu verfügen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Detektor bereitgestellt zum Bereitstellen einer Positionserfassung einer ersten Art zusammen mit einer Positionserfassung einer zweiten Art, wobei der Detektor folgendes umfasst:
    einen Sensor,
    eine Musteranordnung aus Erkennungsleitern, die sich innerhalb des Sensors erstrecken, und
    Erfassungsschaltungsanordnungen, die mit der Anordnung zum Erfassen von Signalen an den gleichen Erkennungsleitern, die sich aus der Positionserfassung einer ersten Art ergeben, und von Signalen, die sich aus der Positionserfassung einer zweiten Art ergeben, verknüpft sind, um daraus Positionen an dem Sensor zu erfassen.
  • Bevorzugt umfasst die Positionserfassung einer ersten Art eine resonanzbasierende Objekterfassung eines Objekts, das in der Lage ist, ein elektromagnetisches Resonanzfeld zu erzeugen.
  • Bevorzugt umfasst die Positionserfassung einer ersten Art eine kapazitätsbasierende Berührungserfassung.
  • Bevorzugt umfasst die Positionserfassung einer ersten Art eine resonanzbasierende Objekterfassung eines Objekts, das in der Lage ist, ein elektromagnetisches Resonanzfeld zu erzeugen, und die Positionserfassung einer zweiten Art umfasst eine kapazitätsbasierende Berührungserfassung.
  • Bevorzugt sind die Erfassungsschaltungsanordnungen in der Lage, Wechselwirkungen der ersten Art und Wechselwirkungen der zweiten Art gleichzeitig zu erfassen.
  • Bevorzugt sind die Erfassungsschaltungsanordnungen in der Lage, Wechselwirkungen der ersten Art und Wechselwirkungen der zweiten Art unabhängig zu erfassen.
  • Bevorzugt befindet sich der Sensor über einem Erfassungsgebiet und umfasst einen Oszillator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, Anregungsschaltungsanordnungen zum Bereitstellen eines Anregungssignals, das in der Lage ist, einen Resonanzkreis eines Objekts von der Art eines elektromagnetischen Griffels anzuregen, wobei die Musteranordnung leitfähige Elemente umfasst, die sich über das Erfassungsgebiet erstrecken, und wobei die Erfassungsschaltungsanordnungen geeignet sind zum Erfassen des kapazitiven Effekts eines leitfähigen Objekts, wie etwa einer Fingerberührung, und der Resonanz von dem Objekt von der Art eines elektromagnetischen Griffels an dem mindestens einen leitfähigen Element.
  • Bevorzugt ist der Oszillator angeschlossen, um das Schwingungssignal für die Anregungsschaltungsanordnungen bereitzustellen, und auch um ein Anregungssignal für die kapazitätsbasierende Berührungserfassung bereitzustellen.
  • Bevorzugt ist der Sensor im Wesentlichen transparent und für eine Anbringung über einem Bildschirm geeignet.
  • Bevorzugt ist der Erfassungsbereich die Oberfläche eines Bildschirms, und der Sensor, der das mindestens eine leitfähige Element umfasst, ist dabei im Wesentlichen transparent.
  • Der Detektor kann eine Mehrzahl von leitfähigen Elementen umfassen, und die Erfassungsschaltungsanordnungen können eine Differentialdetektoranordnung umfassen, die mit den Erkennungsleitern verknüpft ist, um Unterschiede zwischen den Ausgaben der Leiter zu erfassen.
  • Bevorzugt sind die Erkennungsschaltungsanordnungen konfiguriert, um ein Signal an dem mindestens einen leitfähigen Erkennungselement zu erkennen, das durch eine Berührung eines leitfähigen Objekts herbeigeführt wird, das einer Übertragung des Schwingungssignals unterzogen wird.
  • Bevorzugt wird mindestens ein zweites leitfähiges Element bereitgestellt, das sich innerhalb des Sensors befindet und einen Zonenübergang mit dem einen leitfähigen Element aufweist, wobei der Oszillator auf ein leitfähiges Element angewendet wird, und der Zonenübergang derart konfiguriert ist, dass eine Berührung durch einen kapazitiven Körperteil einen Wechselstromkurzschluss an dem Zonenübergang verursacht, wobei der Detektor konfiguriert ist, um ein sich ergebendes Schwingungssignal an dem zweiten leitfähigen Element zu erfassen und daraus die Berührung abzuleiten.
  • Bevorzugt sind die Erfassungsschaltungsanordnungen dazu geeignet, um ein Signal an dem mindestens zweiten leitfähigen Element zur Auslegung als eine Anzahl der Berührungsobjekte zu erfassen.
  • Bevorzugt können mehrere resonanzbasierte Objekte basierend auf der Auslegung der Eigenschaften des erfassten Signals erfasst werden.
  • Bevorzugt können mehrere leitfähige Objekte basierend auf der Auslegung der Eigenschaften des erfassten Signals erfasst werden.
  • Bevorzugt wird der Oszillator angeschlossen, um mindestens eines von dem Detektor, einem Teil des Detektors und des mindestens einen leitfähigen Elements im Verhältnis zu einem Bezugsspannungspegel in Schwingung zu versetzen, um dadurch einen kapazitiven Stromfluss zwischen einem leitfähigen Berührungsobjekt und dem mindestens einen Leiter zu ermöglichen.
  • Bevorzugt ist der Sensor mit einem transparenten Medium zwischen diesem und einem darunterliegenden Bildschirm konfiguriert.
  • Bevorzugt umfasst das transparente Medium einen Luftspalt.
  • Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Detektor bereitgestellt zum Erfassen von Berührungen durch leitfähige Objekte, die einen kapazitiven Kontakt mit einem transparenten Sensor herstellen, der sich über einem Bildschirm befindet, wobei der Detektor folgendes umfasst:
    eine Musteranordnung aus Erkennungsleitern, die sich in den Sensor hinein erstrecken,
    eine Quelle von elektrischer Schwingungsenergie auf einer vorherbestimmten Frequenz, und
    Erfassungsschaltungsanordnungen zum Erfassen eines kapazitiven Einflusses auf den mindestens einen Erkennungsleiter, wenn die elektrische Schwingungsenergie angelegt wird.
  • Bevorzugt umfassen die Erfassungsschaltungsanordnungen eine Differentialdetektoranordnung, die mit den Erkennungsleitern verknüpft ist, um Unterschiede zwischen den Ausgängen der Leiter zu erfassen.
  • Bevorzugt ist die Quelle von elektrischer Schwingungsenergie konfiguriert, um die Energie in das leitfähige Objekt zu übertragen, und die Erkennungsschaltungsanordnungen sind konfiguriert, um ein Signal an dem mindestens einen leitfähigen Erkennungselement zu erkennen, das durch eine Berührung eines leitfähigen Objekts herbeigeführt wird, das dem übertragenen Schwingungssignal unterzogen wird.
  • Der Detektor ist bevorzugt konfiguriert, um eine Eigenschaft eines Signals, das an dem mindestens einen Leiter erfasst wird, als eine Anzahl von leitfähigen Berührungsobjekten auszulegen.
  • Bevorzugt wird mindestens ein zweiter Leiter bereitgestellt, der sich innerhalb des Sensors befindet und einen Zonenübergang mit dem mindestens einen Leiter aufweist, wobei die Quelle der elektrischen Schwingungsenergie auf einen der Leiter angewendet wird, und der Zonenübergang derart konfiguriert ist, dass eine Berührung durch ein leitfähiges Objekt einen Wechselstromkurzschluss an dem Zonenübergang verursacht, wobei der Detektor konfiguriert ist, um das Schwingungssignal an dem zweiten Leiter als den kapazitiven Effekt zu erfassen und die Berührung abzuleiten.
  • Bevorzugt sind die Erfassungsschaltungsanordnungen konfiguriert, um eine Eigenschaft eines erfassten Signals als eine Anzahl von Berührungen eines entsprechenden Leiters auszulegen.
  • Der Detektor kann eine Matrix von ersten Sensoren, die in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und von zweiten Sensoren, die in einer zweiten Richtung mit einer Mehrzahl von Zonenübergängen dazwischen ausgerichtet sind, umfassen. Zusätzlich kann eine Abbildung mit Kapazitätsverlustwerten für jeden Zonenübergang bereitgestellt werden, wobei der Detektor konfiguriert ist, um die Kapazitätsverlustwerte zu verwenden, um Ablesungen an jedem Leiter zu korrigieren.
  • Bevorzugt ist die Quelle elektrischer Schwingungsenergie angeschlossen, um mindestens eines von dem Detektor, einem Teil des Detektors und dem mindestens einen Leiter mit Bezug auf einen Bezugsspannungspegel in Schwingung zu versetzen, um dadurch einen kapazitiven Stromfluss zwischen dem leitfähigen Objekt und dem mindestens einen Leiter zu ermöglichen.
  • Bevorzugt ist die Schwingungsenergiequelle angeschlossen, um einen ersten Teil des Detektors in Schwingung zu versetzen, und wobei der erste Teil an einen zweiten Teil angeschlossen ist, der keinen Schwingungen ausgesetzt ist, über einen Kommunikationsanschluss, der von der Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des Detektors nicht betroffen ist.
  • Bevorzugt umfasst der Kommunikationsanschluss mindestens einen Differentialverstärker.
  • Bevorzugt ist der Sensor mit einem transparenten Medium zwischen diesem und dem Bildschirm konfiguriert.
  • Bevorzugt umfasst das transparente Medium einen Luftspalt.
  • Bevorzugt umfasst der Sensor ein Gitter aus Leitern, die innerhalb einer Schicht davon angeordnet sind.
  • Bevorzugt sind die Leiter paarweise an Verstärker angeschlossen.
  • Bevorzugt sind die Verstärker Differentialverstärker, die jeweils einen positiven Eingang und einen negativen Eingang haben, und wobei ein Leiter des Paars an den positiven Eingang und ein zweiter Leiter des Paars an den negativen Eingang angeschlossen sind.
  • Der Detektor kann eine Ausgleichstabelle umfassen, um einen Ausgleichswert an jedem Leiter bereitzustellen, um statisches Rauschen auszugleichen.
  • Der Detektor kann konfiguriert sein, um die Ausgleichstabelle nach dem Systemstart zu aktualisieren.
  • Der Detektor kann konfiguriert sein, um eine mehrdeutige Objekterfassung als Auslöser zum Auffrischen der Ausgleichstabelle zu verwenden.
  • Bevorzugt wird eine beliebige Kombination aus Daten über Anzahl, Phase und Position aus den erfassten Signalen verwendet, um die Mehrdeutigkeit bei der Objekterfassung zu definieren.
  • Nach einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Berührungserkennung an einer Matrix aus Erkennungsleitern, die sich in einem transparenten Sensor über einem elektronischen Bildschirm befindet, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    Bereitstellen eines Schwingungssignals auf einer vorherbestimmten Frequenz, und
    Abmessen der Leiter auf kapazitive Effekte auf die Leiter durch eine Berührung derselben.
  • Das Verfahren kann das Bereitstellen des Schwingungssignals für einen externen Sender umfassen, um einen berührenden Körperteil anzuregen.
  • Bevorzugt umfasst die Matrix erste Leiter, die in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, und zweite Leiter, die in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind, wobei das Verfahren das Bereitstellen des Schwingungssignals für die ersten Leiter und das Erkennen des Schwingungssignals für einen der zweiten Leiter, an den das Signal über eine kapazitive Verbindung, die durch ein leitfähiges Berührungsobjekt hervorgerufen wurde, weitergegeben wurde, umfasst.
  • Das Verfahren kann das Bereitstellen des Schwingungssignals mindestens für die Leiter umfassen, so dass ein leitfähiger Berührungskörper Strom aus einem jeweiligen Leiter abnehmen.
  • Das Verfahren kann das Verwenden des Schwingungssignals, um einen die Leiter umfassenden Erfassungsmechanismus in Schwingung zu versetzen, umfassen, wobei der in Schwingung versetzte Erfassungsmechanismus gleichzeitig von der gemeinsamen Abschirmmasse getrennt ist.
  • Das Verfahren kann das Verwenden des Schwingungssignals, um einen ersten Teil eines Erfassungsmechanismus in Schwingung zu versetzen, wobei der erste Teil die Leiter umfasst,
    Trennen des ersten Teils von einem zweiten Teil, und
    Verwenden des getrennten zweiten Teils, um Berührungserfassungsausgaben externen Vorrichtungen mitzuteilen, umfassen.
  • Nach einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Berührungsdetektors für einen elektronischen Bildschirm bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    Bereitstellen einer Schwingungssignalquelle,
    Einbetten eines Gitters aus transparenten Leitern in mindestens eine transparente Folie,
    Legen der transparenten Folie auf den elektronischen Bildschirm, und
    Bereitstellen von Erfassungsschaltungsanordnungen zum Erfassen kapazitiver Effekte an den Leitern.
  • Das Verfahren kann das Anlegen einer Anregungseinheit um den elektronischen Bildschirm umfassen, um einen elektromagnetischen Griffel anzuregen, so dass die Position des Griffels an dem Gitter aus transparenten Leitern erfassbar ist.
  • Nach einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Berührungserfassungsgerät bereitgestellt, das folgendes umfasst:
    einen Sensor, der mindestens ein leitfähiges Erkennungselement umfasst,
    einen Oszillator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals,
    einen Sender, der mit dem Oszillator verknüpft ist, zum Übertragen des Schwingungssignals in die Nähe des Sensors,
    Erkennungsschaltungsanordnungen zum Erkennen eines Signals an dem mindestens einen leitfähigen Erkennungselement, das durch eine Berührung eines leitfähigen Objekts herbeigeführt wird, das dem übertragenen Schwingungssignal unterzogen wird.
  • Nach einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Berührungserfassungsgerät bereitgestellt, das folgendes umfasst:
    einen Sensor, der eine Gitteranordnung aus Leitern in einer ersten Richtung und Leitern in einer zweiten Richtung umfasst und der dazwischen Zonenübergänge aufweist,
    einen Oszillator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals für die Leiter in der ersten Richtung,
    Erfassungsschaltungsanordnungen zum Erfassen des Schwingungssignals, wenn es über die Zonenübergänge an die Leiter in der zweiten Richtung weitergeleitet wird, wobei die Weiterleitung eine kapazitive Kopplung angibt, die durch eine Berührung eines leitfähigen Objekts herbeigeführt wird, das den Sensor an einem jeweiligen Zonenübergang berührt.
  • Nach einem siebten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Berührungserfassungsgerät bereitgestellt, das folgendes umfasst:
    einen Sensor, der mindestens ein leitfähiges Erkennungselement umfasst,
    einen Oszillator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, wobei das Schwingungssignal mindestens an einen Teil des Geräts angelegt wird, der das mindestens eine leitfähige Erkennungselement umfasst, und
    Erfassungsschaltungsanordnungen zum Erfassen einer Wechselstromabschirmung des mindestens einen leitfähigen Erkennungselements, aufgrund eines kapazitiven Anschlusses an ein leitfähiges Objekt, das den Sensor berührt.
  • Falls nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke die gleiche Bedeutung, wie sie im Allgemeinen vom Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden wird. Die Sachmittel, Verfahren und Beispiele, die hier bereitgestellt werden, sind nur beispielhaft und nicht als Einschränkung gedacht.
  • Die Durchführung des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung umfasst das Ausführen oder Vollenden bestimmter ausgewählter Aufgaben oder Schritte auf manuelle, automatische oder kombinierte Art und Weise. Zudem könnten gemäß der tatsächlichen Ausrüstung und Ausstattung der bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung mehrere ausgewählte Schritte mittels Hardware oder Software auf einem beliebigen Betriebssystem mit beliebiger Firmware oder einer Kombination davon durchgeführt werden. Als Hardware könnten z. B. ausgewählte Schritte der Erfindung als Chip oder Schaltungsanordnung umgesetzt werden. Als Software könnten ausgewählte Schritte der Erfindung als eine Mehrzahl von Softwareanweisungen umgesetzt werden, die von einem Computer unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Betriebssystems ausgeführt werden. Auf jeden Fall könnten ausgewählte Schritte des Verfahrens und des Systems der Erfindung beschrieben werden, wie sie durch einen Datenprozessor ausgeführt werden, wie etwa eine Computerplattform zum Ausführen einer Mehrzahl von Anweisungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird hier nur beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Mit besonderem Bezug auf die Zeichnungen im Detail wird nun darauf hingewiesen, dass die Einzelheiten nur beispielhaft und zum Zwecke einer Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt werden, und dass sie vorgestellt werden, um bereitzustellen, was als die nützlichste und leicht verständliche Beschreibung der Grundlagen und konzeptuellen Gesichtspunkte der Erfindung angesehen wird. In dieser Hinsicht wird nicht versucht, strukturelle Einzelheiten der Erfindung ausführlicher zu zeigen als es für ein grundlegendes Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen gesehen dem Fachmann deutlich macht, wie die verschiedenen Formen der Erfindung in die Praxis umgesetzt werden können.
  • Es zeigen:
  • 1A ein vereinfachtes Blockdiagramm, das eine verallgemeinerte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 1B ein vereinfachtes Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet, bei der Schwingungsenergie an einen Finger übertragen wird.
  • 2 ein vereinfachtes Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet, bei welcher der berührende Finger eine kapazitive Verbindung zwischen Erkennungsleitern auf einem Gitter bereitstellt.
  • 3 ein Schaltbild, das die elektrische Theorie der Ausführungsform aus 2 abbildet.
  • 4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet, bei der die Erfassungsvorrichtung erdfrei gemacht wird unter Verwendung eines Signals das im Verhältnis zu einem Bezugssignal schwingt, und wobei ein Finger, der auf einen Leiter trifft, einen kapazitiven Weg zur Abschirmmasse bereitstellt.
  • 5 ein Schaltbild, das eine Version der Ausführungsform aus 4 abbildet.
  • 6 ein Schaltbild, das eine Variante der Ausführungsform aus 4 abbildet.
  • 7 ein Schaltbild, das eine andere Variante der Ausführungsform aus 4 abbildet, bei der die Leiter direkt in Schwingung versetzt werden.
  • 8 ein Schaltbild, das eine Variante der Ausführungsform aus 7 abbildet, bei der die Leiter von ihren entfernten Enden aus in Schwingung versetzt werden.
  • 9 ein Blockdiagramm einer Variante der Ausführungsform aus 4, bei der die Trennung durch einen DC/DC-Wandler bereitgestellt wird.
  • 10A ein Blockdiagramm, das eine andere Variante der Ausführungsform aus 4 abbildet, bei der die Trennung durch einen DC/DC-Wandler zwischen zwei Teilen des Detektors bereitgestellt wird.
  • 10B ein Blockdiagramm, das eine Änderung der Ausführungsform aus 10A abbildet, um eine Kommunikation zwischen den beiden Teilen des Detektors zu erlauben.
  • 11 ein Blockdiagramm, das eine auf Spulen basierende Trennung des Detektors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet.
  • 12 ein Blockdiagramm, das eine Variante der Ausführungsform aus 11 abbildet, bei der die auf Spulen basierende Trennung für einen Teil des Detektors verwendet wird.
  • 13 ein Blockdiagramm, welches das Erdfreimachen des Detektors abbildet, indem Tandemoszillatoren auf den Energieversorgungsschienen positiv und Abschirmmasse angeordnet werden.
  • 14 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das abbildet, wie die gleichen Anregungsschaltungsanordnungen für das Erkennen einer Griffel- und einer Fingerberührung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • 15 ein theoretisches Schaltbild, das Quellen von weißem Rauschen abbildet, welche die Berührungsmessungen bei den vorliegenden Ausführungsformen beeinflussen.
  • 16A und 16B bilden ein Leitergitter und eine Abbildung ab, beide für Amplitude und Phase, der Rauscheffekte für die jeweiligen Leiter.
  • 17 ein Blockdiagramm des Berührungserfassungsgeräts, das in der Lage ist, die Abbildung aus 16B zu verwenden, um die Berührungsablesungen zu korrigieren.
  • 18 ein vereinfachtes Diagramm, das Signalmuster abbildet, die Fingerberührungen angeben.
  • 19 ein vereinfachtes Flussdiagramm, das die Vorgänge zur Berührungsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegenden Ausführungsformen umfassen einen Digitalisierer, der es ermöglicht, Fingerklicks und Bewegung auf Flachbildanzeigen derart zu erfassen, dass dieselbe Erkennungsinfrastruktur für die Erfassung eines elektromagnetischen (EM-)Griffels verwendet werden kann. Der Digitalisierer ist ausgelegt, um in Zusammenarbeit mit einem gemusterten, transparenten, leitfähigen Foliensystem zu funktionieren, welches die Erfassung der Position eines elektromagnetischen Griffels auf einer elektronischen Anzeigefläche ermöglicht. Einige der derzeit bevorzugten Ausführungsformen verwenden eine durch Finger herbeigeführte Kapazität, welche die Sensorleitungen verbindet, als Verfahren zur Fingererfassung. Die vorliegenden Ausführungsformen umfassen u. a. ein Verfahren zum Identifizieren des Vorhandenseins und der Position des Fingers durch Messen des Differenzsignals zwischen zwei verschiedenen Sensorantennen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden die Ströme von einem Ende der Antenne angesteuert, und die Informationen werden dann erkannt und digitalisiert unter Verwendung des Detektors, wie nachstehend ausführlicher beschrieben werden soll.
  • Während der Stand der Technik eine Verbindung eines getrennten Ladungssensors oder dergleichen mit jeder Elektrode lehrt, sind die vorliegenden Ausführungsformen in der Lage, das Differenzsignal zu verwenden, das zwischen zwei Elektroden erzeugt wird.
  • Eines der nachstehend offenbarten Verfahren umfasst das Messen von Spannungsunterschieden, die darauf zurückzuführen sind, dass der Finger einen kapazitiven Kurzschluss gegen Abschirmmasse hinzufügt.
  • Die Hauptnutzung der bevorzugten Ausführungsformen besteht darin, einen natürlichen und intuitiven Betrieb einer ”Bildschirmtastatur”, bei Vorrichtungen, wie etwa einem Tablet-PC, getrennt, zusätzlich und parallel zum Betrieb eines genauen elektronischen Griffels zu ermöglichen.
  • In der nachstehenden Beschreibung werden drei Verfahren zum Umsetzen von Berührungssensoren vorgestellt, welche die gleiche Detektoreinheit und das gleiche Sensorgitter verwenden, die für die Erfassung eines EM-Griffels verwendet werden. Die offenbarten Erkennungsverfahren können Anpassungen für bestimmte Umstände und Vorrichtungen benötigen, wie es für den Fachmann offensichtlich ist. Alle Verfahren sind jedoch dazu ausgelegt, das gleichzeitige und unabhängige Erfassen eines EM-Griffels auf eine Art und Weise zu ermöglichen, die derjenigen ähnelt, die in der US-Patentanmeldung 10/649 708 im Namen des vorliegenden Rechtsnachfolgers, eingereicht am 28. August 2003, und die Priorität zur vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/406 662 in Anspruch nehmend, offenbart wird. Die Erfassung einer Fingerberührung und eines EM-Griffels ist unabhängig und kann gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen. Es bleibt dem Benutzer überlassen, ob er die hier offenbarten Ausführungsformen verwendet, um einen Detektor für nur eine Interaktionsart (d. h. Fingerberührung oder EM-Griffel) einsetzt, oder um die Erfassung der beiden Interaktionsarten zu ermöglichen.
  • Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann derselbe Detektor Signale von einem elektromagnetischen Griffel erfassen und verarbeiten, ganz gleich, ob er in Berührung mit der Oberfläche eines Flachbildschirms gebracht wird oder kurz davor gehalten wird. Z. B. kann die Erfassung auf die Art und Weise ausgeführt werden, die in der US-Patentanmeldung Nr. 09/628 334 ”Physical Object Location Apparatus and Method and a Platform using the same”, abgetreten an N-trig Ltd, und der US-Patentanmeldung Nr. 09/628 334 ”Transparent Digitizer”, wiederum abgetreten an N-trig Ltd, beschrieben wird. Gleichzeitig kann der Detektor verwendet werden, um den Finger eines Benutzers zu erfassen, der auf das gleiche Display gesetzt wird, wie nachstehend beschrieben werden soll. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Fingererfassung einzeln oder in Kombination mit einer beliebigen anderen Eingabevorrichtung funktionieren.
  • Die Grundlagen und die Betriebsweise eines Digitalisierers gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen und die beiliegende Beschreibung besser verständlich werden.
  • Bevor mindestens eine Ausführungsform der Erfindung ausführlich erläutert wird, versteht es sich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten des Aufbaus und der Anordnung der in der nachstehenden Beschreibung dargelegten oder in den Zeichnungen abgebildeten Bestandteile beschränkt ist. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen fähig oder kann auf verschiedene Art und Weise in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es versteht sich ebenfalls, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung gedacht und nicht als einschränkend anzusehen sind.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 1A, die ein schematisches Diagramm ist, das eine verallgemeinerte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet. In 1A umfasst ein Sensor 2 mindestens einen elektrischen Leiter 4. Typischerweise ist mehr als ein Leiter vorhanden, und die Leiter werden in einer Anordnung oder einem Muster über dem Sensor gelegt, meistens wie ein Gitter, das sich über eine Oberfläche erstreckt, wie etwa einen elektronischen Bildschirm, für die eine Berührungserkennung benötigt wird. Ein Detektor 6 nimmt die Ausgabe der Leiter auf. Ein Oszillator 8 stellt Schwingungen oder Wechselstromenergie für das System bereit, das den Sensor und Detektor umfasst. Bei einer Ausführungsform ist das System anfänglich nicht wechselstromgekoppelt. Ein leitfähiges Objekt, einschließlich Körperteile wie etwa Finger, ist jedoch kapazitiv, und daher schließt eine Berührung durch einen Finger oder dergleichen die Wechselstromkopplung in dem System und ermöglicht die Erkennung der Berührung. Alternativ kann eine Berührung durch den Finger einen Wechselstromkurzschluss gegen Abschirmmasse für einen bestimmten Leiter bereitstellen, was wiederum die Erkennung der Berührung ermöglicht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform erfasst eine Berührung wie oben beschrieben und ermöglicht zusätzlich die Lokalisierung und Identifizierung physikalischer Objekte, wie etwa von Griffeln. Die Position der physikalischen Objekte wird durch einen transparenten elektromagnetischen Digitalisierer erkannt, der bevorzugt auf einem Display aufgebaut ist, und es ist ein Merkmal einiger bevorzugter Ausführungsformen, dass der transparente elektromagnetische Digitalisierer die gleichen Bestandteile verwendet wie der hier beschriebene Berührungsdigitalisierer, so dass die beiden Erfassungsarten in einen einzigen Digitalisierer integriert werden können, wie nachstehend erläutert werden soll. Der Aufbau eines geeigneten transparenten elektromagnetischen Digitalisierers wird in der US-Patentanmeldung Nr. 09/628 334 beschrieben. Diese Anmeldung beschreibt eine Berührungsvorrichtung, die in der Lage ist, mehrere physikalische Objekte zu erfassen, die sich auf einer Flachbildanzeige befinden.
  • Die diversen Bestandteile und die Funktionsweise des transparenten Digitalisierers sind folgende.
  • 1.
  • a. Sensor
  • Wie in den oben erwähnten Anmeldungen beschrieben und in den derzeit bevorzugten Ausführungsformen verwendet, umfasst der Sensor zwei transparente Folien, von denen eine eine Gruppe von senkrechten Leitern und die andere eine Gruppe von waagerechten Leitern umfasst. Das Gitter aus Stromleitungen wird aus leitfähigen Materialien hergestellt, die auf die transparenten Folien übertragen werden, die z. B. PET-Folien sein können.
  • Weitere Informationen über den Aufbau des Sensors sind der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 (Unterkapitel 4.2 mit dem Titel: ”Sensor”) und der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 10/649 708, eingereicht am 28. August 2003, beide abgetreten an N-trig Ltd, zu entnehmen, die beide hiermit zur Bezugnahme übernommen werden.
  • b. Vorschalteinheit
  • Wie in den oben erwähnten Anmeldungen beschrieben und in den derzeit bevorzugten Ausführungsformen verwendet, umfassen die Detektoren Vorschalteinheiten, welche die erste Stufe bilden, auf der Sensorsignale verarbeitet werden.
  • Vorschalteinheiten funktionieren wie folgt:
    Differentialverstärker verstärken die Signale und leiten das Ergebnis an einen Schalter weiter. Der Schalter wählt die weitergeleiteten Eingaben, die anscheinend eine weitere Verarbeitung benötigen. Mit anderen Worten filtert der Schalter diejenigen Eingaben aus, bei denen keine Aktivität aufzutreten scheint. Die ausgewählten Signale werden vor der Abtastung durch eine Filter- und Verstärkeranordnung verstärkt und gefiltert. Die Ausgabe der Filter- und Verstärkeranordnung wird dann von einem A/D-Wandler abgetastet und über einen seriellen Puffer an eine Digitaleinheit gesendet.
  • Weitere Informationen sind der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 (Unterkapitel 4.3 mit dem Titel: ”Vorschalteinheit”) und der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 10/649 708, eingereicht am 28. August 2003, beide abgetreten an N-trig Ltd, zu entnehmen, die beide hiermit zur Bezugnahme übernommen werden.
  • c. Digitaleinheit
  • Wie in den oben erwähnten Anmeldungen beschrieben und in den derzeit bevorzugten Ausführungsformen verwendet, wird eine Digitaleinheit bzw. ein Mikroprozessor bereitgestellt, die bzw. der wie folgt funktioniert: Eine Vorschaltschnittstelle empfängt serielle Eingaben abgetasteter Signale aus den diversen Vorschalteinheiten und packt sie in eine parallele Darstellung.
  • Ein digitaler Signalprozessor-(DSP) Kern, der die Verarbeitung der Digitaleinheit ausführt, liest die abgetasteten Daten, verarbeitet sie und bestimmt die Position der physikalischen Objekte, wie etwa eines Griffels oder eines Fingers.
  • Eine berechnete Position wird über eine Zwischenleitung an den Hostcomputer gesendet.
  • Weitere Informationen sind der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 (Unterkapitel 4.4 mit dem Titel: ”Digitaleinheit”) und der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 10/649 708, eingereicht am 28. August 2003, beide abgetreten an N-trig Ltd, zu entnehmen, die beide hiermit zur Bezugnahme übernommen werden. Die oben erwähnten Anmeldungen behandeln Signalverarbeitung und Positionsbestimmung für Signale, die aus einem elektromagnetischen EM-Griffel stammen, stellen jedoch keine Offenbarung bezüglich Fingererfassung bereit. Wie nachstehend erläutert werden soll, kann bei den vorliegenden Ausführungsformen eine Fingerberührung unter Verwendung kompatibler Signale an denselben Erfassungsleitern erfasst werden, die im Wesentlichen gleichartig verarbeitet werden. Es besteht kein wesentlicher Unterschied zu dem DPS-Kern oder der betreffenden Elektronik, ob die Signale nun von einem Finger oder von einem Griffel stammen.
  • d. Detektor
  • Ein Detektor besteht aus der Digitaleinheit und den Vorschalteinheiten, wie oben beschrieben.
  • 2. Griffelerfassung
  • Wie in den oben erwähnten Anmeldungen beschrieben und in den derzeit bevorzugten Ausführungsformen verwendet, können gleichzeitige und getrennte Eingaben, entweder von einem Griffel oder von einem Finger, erfasst werden.
  • Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einen passiven EM-Griffel, der einen Resonanzkreis umfasst. Eine externe Anregungsspule, die den Sensor umgibt, regt den Resonanzkreis in dem Griffel an. Der Resonanzkreis sendet eine Strahlung aus, die von den Leitern erfasst werden kann. Die genaue Position und einzigartige Identität des Griffels können dann von dem Detektor als Ergebnis der Verarbeitung der von dem Sensor erkannten Signale bestimmt werden.
  • Weitere Informationen sind der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 (Unterkapitel 4.5 mit dem Titel: ”Griffel”) und der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 10/649 708, eingereicht am 28. August 2003, beide abgetreten an N-trig Ltd, zu entnehmen, die beide hiermit zur Bezugnahme übernommen werden.
  • Algorithmus
  • Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht der grundlegende Erfassungsbetriebszyklus aus Mittelwertbildung, Dämpfungsausgleich, Fenstertechnik, FFT/DFT, Spitzenerfassung, Interpolation, Fehlerausgleich, Filtern und Glätten. Der Zyklus ist im Wesentlichen der gleiche, ob nun eine Fingerberührung oder ein Griffel erfasst wird, mit der besonderen Ausnahme, dass, wie nachstehend offenbart, die Geräuschquellen, und somit die Arten des geeigneten Fehlerausgleichs, unterschiedlich sind.
  • Weitere Informationen sind der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 (Unterkapitel 4.6 mit dem Titel: ”Algorithmus”) und der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 10/649 708, eingereicht am 28. August 2003, beide abgetreten an N-trig Ltd, zu entnehmen, die beide hiermit zur Bezugnahme übernommen werden.
  • 3. Fingererfassung
  • a. Erste Ausführungsform
  • Dieses Verfahren verwendet eine elektromagnetische Welle, die entweder von einer externen Quelle oder von den Sensorbestandteilen übertragen wird und vom Körper des Benutzers empfangen wird. Wenn der Finger des Benutzers den Sensor berührt, überträgt sich die EM-Energie vom Benutzer auf den Sensor. Der Detektor verarbeitet das Signal und bestimmt die Position des Fingers.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 1B, die eine allgemeine Beschreibung eines ersten Fingererfassungsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Eine externe Quelle 10 überträgt elektromagnetische Wellenenergie, die von dem Körper des Benutzers absorbiert wird. Wenn der Benutzer nun den Sensor 12 berührt, wird eine Kapazität zwischen dem Finger 14 und den Sensorleitern gebildet. Das empfangene Signal liegt auf einer Frequenz, die es im erlaubt, auf dem typischerweise gebildeten Pegel durch die Kapazität zu gehen, und somit geht das empfangene Signal vom Finger 14 des Benutzers zum Sensor 12. Der Detektor 16, der die erkannten Signale verarbeitet, bestimmt die Position des Fingers des Benutzers.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die externe Energiequelle intern durch das System unter Verwendung eines dedizierten Senders erzeugt. Bei anderen Ausführungsformen könnte die Energiequelle ein Nebeneffekt anderer Teile des Systems sein, wie etwa eine Übertragung eines DC/DC-Wandlers, oder sogar ein vom System völlig unabhängiges Grundrauschen, wie etwa elektronisches Netzwerkrauschen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform erkennen dieselben Sensorleiter, die zum Erkennen des EM-Griffels verwendet werden, auch das Signal, das durch den Finger des Benutzers übertragen wird. Ferner sind die analoge Verarbeitung der Signale und das Abtasten der Signale ähnlich wie die des EM-Griffels und werden von derselben Hardware ausgeführt, wie hier anderweitig erklärt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann es praktischer sein, verschiedene Leiter zum Erkennen jeweils der Finger und des Griffels zu verwenden, und somit kommt neben der Griffelerkennungsanordnung zusätzliche Elektronik zum Verarbeiten und Abtasten der Fingersignale hinzu.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden sowohl EM-Griffelsignale als auch Benutzerfingersignale empfangen und gleichzeitig verarbeitet, so dass beide Arten der Eingabe zur gleichen Zeit erfasst werden können. Dies ist möglich, weil, wie hier anderweitig erklärt, die Arten der Eingabesignale von den Sensoren im Wesentlichen gleich sind. Bei anderen Ausführungsformen kann das System zwischen der Erfassung von Fingern und Griffel abwechseln.
  • Der Sensor benötigt einen Bezugsspannungspegel, und eine praktische Referenz ist die Abschirmmasse. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Bezugssensor jedoch von der elektrischen Netzerdung getrennt. Der Grund dafür ist, dass obwohl die Abschirmmasse verwendet wird, das elektrische Potential des Körpers des Benutzers nahe am Potential des Bezugssensors liegt und das erkannte Signal daher schwach ist. Das zu erkennende Signal steigt in dem Maße an, wie die Referenz von der Abschirmmasse entfernt wird.
  • Bei anderen Ausführungsformen, insbesondere wenn ein dedizierter Sender verwendet wird, kann die Sensorreferenz jedoch an die Abschirmmasse des Stromnetzes angeschlossen werden. D. h. dass das System als Ganzes betrieben werden kann, ob es nun an die Abschirmmasse angeschlossen ist oder nicht. Wenn das System jedoch an Abschirmmasse angeschlossen ist, wird es bevorzugt, einen dedizierten Sender zu verwenden. Dies deshalb, weil, wenn kein dedizierter Sender bei einem abgeschirmten System verwendet wird, das sich aus einer Fingerberührung ergebende Signal schwächer und daher schwieriger zu erfassen ist.
  • Die Fingerberührungsposition wird durch Verarbeiten der relativen Amplitude (und der Phase) der Signale, die auf beiden Achsen erfasst werden, bestimmt, wie nachstehend ausführlicher erklärt werden soll. Eine genaue Positionierung wird durch eine interpolationsartige Verarbeitung der Signale berechnet, die durch andere Leiter in der Nähe des Fingerberührungspunktes erkannt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Signale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umgesetzt. Wenn die Energie, die vom Körper des Benutzers empfangen wird, auf einer spezifischen Frequenz konzentriert wird, erfolgt die Verarbeitung auf dieser spezifischen Frequenz, und andere Frequenzen werden einfach ignoriert. Ansonsten kann die Verarbeitung auf einer Gruppe von Frequenzen erfolgen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene Leiter in verschiedenen Zeitschlitzen abgetastet. Man geht davon aus, dass die Größe der Zeitschlitze gewählt wird, um klein genug zu sein, dass die Eigenschaften des Signals sich nicht über ein paar Zeitschlitze hinweg ändern. Sollte sich das Signal jedoch trotzdem zwischen aufeinanderfolgenden Messungen ändern, wie etwa, wenn der Finger statistisches Rauschen empfängt, dann ändert sich bei dieser Ausführungsform das Messverfahren und alle Stromleitungen werden zur gleichen Zeit abgetastet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Energieübertragungsquelle außerhalb des Sensors. Bei anderen Ausführungsformen wird die Energie durch einen der Sensorbestandteile übertragen, z. B. die Sensoranregungsspule, die Sensormatrix oder einen beliebigen anderen Leiter, der zu dem Sensor hinzugefügt wird, um insbesondere die Energie zu übertragen. Bei einer Ausführungsform ist es möglich, die Energie durch Abwechseln zwischen einem ersten Sender, der orthogonal zu einer Gruppe von Erkennungsleitern ist, und einem zweiten Sender, der orthogonal zu der anderen Gruppe von Leitern ist, zu übertragen. Bezüglich des Konzepts, dass ein Sender zu einem Leiter orthogonal ist, wenn von einer Antenne aus übertragen wird, die zu einer Leiterachse orthogonal und zu der anderen Leiterachse parallel ist – sind die an den Leitern empfangenen Signal, die parallel sind, sehr stark, so dass ein durch einen Finger herbeigeführtes Signal nicht erfasst wird. Die Leiter, die zur Sendeantenne orthogonal sind, werden dadurch jedoch kaum gestört. Daher ist ein durch einen Finger herbeigeführtes Signal auf den Leitern, die orthogonal zur Sendeantenne sind, erfassbar. Nun wird bei allen bevorzugten Ausführungsformen eine elektromagnetische (EM) Griffelanregung vor dem Abtasten ausgeführt, wohingegen die Fingererfassungsenergie während des Abtastens übertragen wird. Demnach ist es möglich, sowohl Griffelanregungs- als auch Fingeranregungssignale, also Übertragungssignale, unter Verwendung derselben Hardware, typischerweise eines Signalgenerators, zu erzeugen. Die beiden Signale werden einfach von denselben physikalischen Antennen in unterschiedlichen Zeitschlitzen übertragen. Ferner umfasst das Griffelabtastungsverfahren eine Anregungsperiode und eine getrennte Abtastungsperiode, die auf die Anregungsperiode folgt. Während also der Griffel abgetastet wird, kann die Antenne schon damit beginnen, das Signal für die Fingererfassung zu erzeugen. Daher können die beiden Objekte in der Fingeranregungsphase erkannt werden. Alternativ kann ein Griffelanregungssignalgenerator als eine von dem Fingererfassungssignalgenerator getrennte Einheit bereitgestellt werden.
  • Bei einer bevorzugten Anwendung ist der Detektor in der Lage, mehrere Fingerberührungen gleichzeitig zu erfassen. Vorausgesetzt, dass verschiedene Leiter verschiedene Finger erkennen, erfolgt die Erfassung mehrerer Finger ähnlich wie die Erfassung eines einzigen Fingers. Wenn jedoch mehr als ein Finger von derselben Antenne erkannt wird, dann wird ein größerer Signalbetrag an der jeweiligen Antenne abgetastet. Der Detektor braucht nur die Beträge der Signale zu verarbeiten, um die mehreren Fingerberührungen zu unterscheiden.
  • Die Nachteile der ersten Ausführungsform sind folgende:
    • – Ein drastisch reduziertes Signal, das durch den Finger bereitgestellt wird, wenn die Energieversorgung des Systems abgeschirmt ist. Durch diesen Nachteil ist ein darauf basierender Digitalisierer hauptsächlich für Vorrichtungen geeignet, die batteriegespeist sind, oder diejenigen, die von einer von der Abschirmmasse gut getrennten Quelle versorgt werden.
    • – Die Notwendigkeit einer Übertragung und damit einer eventuellen Störung von anderen Geräten.
    • – Die Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Benutzer und dem Sender; was bedeutet, dass je weiter der Benutzer von dem Sender entfernt ist, desto schwächer das Signal ist. Die sich ergebende Schwankung kann zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
  • b. Zweite Ausführungsform
  • Die zweite Ausführungsform benötigt keine Übertragung eines EM-Signals an den Körper des Benutzers. Stattdessen trägt der Finger des Benutzers auch ohne die Einwirkung eines EM-Signals eine Kapazität bei, das zwei orthogonale Sensorleitungen verbindet.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 2, die eine allgemeine Beschreibung der zweiten Ausführungsform der Fingererfassung der vorliegenden Erfindung ist. Eine zweidimensionale Sensormatrix 20 liegt in einer transparenten Schicht auf einer elektronischen Anzeigevorrichtung. Ein elektrisches Signal 22 wird an eine erste Stromleitung 24 in der zweidimensionalen Sensormatrix angelegt. An jedem Zonenübergang zwischen zwei Leitern besteht ein gewisser Mindestkapazitätsbetrag. Ein Finger 26 berührt den Sensor 20 an einer bestimmten Position und erhöht die Kapazität zwischen der ersten Stromleitung 24 und der orthogonalen Stromleitung 28, die sich gerade an der Berührungsposition oder dieser am nächsten befindet. Da es sich um ein Wechselstromsignal handelt, geht das Signal dank der Kapazität des Fingers 26 von der ersten Stromleitung 24 auf den orthogonalen Leiter 28 über, und es kann ein Ausgangssignal 30 erfasst werden.
  • Es versteht sich, dass je nach Größe des Fingers und Feinheit des Leiternetzes eine beliebige Anzahl von orthogonalen Leitern einen gewissen kapazitiven Signaltransfer empfängt, und die Interpolation des Signals zwischen den Leitern verwendet werden kann, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
  • Es versteht sich ebenfalls, dass eine derartige kapazitive Kopplung typischerweise eine Phasenverschiebung in die Signale einführt. Die Bedeutung der Phasenverschiebung wird nachstehend ausführlicher besprochen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 3, die das theoretische elektrische Gegenstück zu 2 ist. Die Teile, welche die gleichen sind wie in den vorigen Figuren, erhalten die gleichen Bezugsnummern und werden nicht noch einmal erwähnt, es sei denn, dass dies zum Verständnis der vorliegenden Ausführungsform notwendig ist. Das übertragene Signal 22 wird an dem waagerechten Leiter 24 angelegt. Der Finger 26, der den Sensor berührt, erstellt zwei Kapazitäten, C1 40 und C2 42, die das Signal von der waagerechten Leitung zum Finger und vom Finger zum senkrechten Leiter 28 übertragen. Ein Ausgangssignal 30 wird am Ende des senkrechten Leiters im Falle einer Fingerberührung erfasst.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform, ist die zweidimensionale Leitermatrix, die verwendet wird, um den Griffel zu erkennen, dieselbe wie die, die verwendet wird, um die Finger zu erkennen. Jede Stromleitung wird zum Empfang sowohl von Griffelsignalen als auch von Fingersignalen verwendet. Jede der Leitungen kann entweder zum Empfang oder zur Einkopplung von Signalen dienen. Der Detektor steuert das Umschalten der Sensorleiter zwischen den Empfangs- und Sendebetriebsarten.
  • Jeder waagerechte Leiter überlagert sich mit jedem senkrechten Leiter, und die Überlagerungsbereiche zwischen waagerechten und senkrechten Leitern führen auch zu einem gewissen Störkapazitätsbetrag. Ferner können die einzelnen Zonenübergänge zu verschiedenen Kapazitätspegeln führen. Die Kapazität verursacht einen geringen Signaltransportbetrag zwischen den Leitern, selbst wenn kein Finger vorhanden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erlernt der Detektor tatsächlich den Störstromtransportbetrag für jeden einzelnen Zonenübergang und zieht diesen Wert von den abgetasteten Signalen ab.
  • Das Ziel des Fingererfassungsalgorithmus ist es bei diesem Verfahren, alle Sensormatrix-Zonenübergänge zu erkennen, die Signale aufgrund einer externen Fingerberührung übertragen. Es ist zu beachten, dass dieser Algorithmus bevorzugt in der Lage ist, mehr als eine Fingerberührung gleichzeitig zu erfassen.
  • Es sind verschiedene Erfassungsverfahren möglich. Der einfachste und direkteste Lösungsansatz besteht darin, ein Signal für jede der Matrixleitungen in einer der Matrixachsen, für jeweils eine Leitung, bereitzustellen, und das Signal wiederum an jeder der Matrixleitungen auf der orthogonalen Achse abzulesen. Das Signal kann in einem solchen Fall ein einfaches Kosinusmuster auf einer beliebigen Frequenz in dem Bereich der Abtastungshardware und der Erfassungsalgorithmen sein. Wenn ein bedeutsames Ausgangssignal erfasst wird, bedeutet dies, dass ein Finger einen Zonenübergang berührt. Der Zonenübergang, der berührt wird, ist derjenige, der den Leiter verbindet, der derzeit mit einem Eingangssignal anregt wird, und der Leiter, an dem das Ausgangssignal erfasst wird. Der Nachteil eines derartigen direkten Erfassungsverfahrens ist, dass es eine Größenordnung von n·m Schritte benötigt, wobei n die Anzahl der senkrechten Leitungen und m die Anzahl der waagerechten Leitungen darstellt. Da es nämlich typischerweise notwendig ist, das Verfahren für die zweite Achse zu wiederholen, liegt die Anzahl der Schritte typischerweise eher bei 2·n·m Schritten. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch die Erfassung mehrerer Fingerberührungen. Wenn ein Ausgangssignal auf mehr als einem Leiter erfasst wird, heißt dies, dass mehr als eine Fingerberührung vorliegt. Die Zonenübergänge, die berührt werden, sind diejenigen, die den Leiter verbinden, der derzeit anregt wird, und die Leiter, die ein Ausgangssignal vorweisen.
  • Ein schnellerer Lösungsansatz besteht darin, das Signal an eine Leitergruppe auf einer Achse anzulegen. Eine Gruppe kann eine beliebige Teilgruppe umfassen, die alle Leiter auf dieser Achse umfasst, und bei jedem der Leiter auf der anderen Achse nach einem Signal suchen. Anschließend wird ein Eingangssignal an eine Leitungsgruppe auf der zweiten Achse angelegt und es werden Ausgaben an jedem der Leiter auf der ersten Achse gesucht. Das Verfahren erfordert maximal n + m Schritte, und falls die Gruppen der ganzen Achse entsprechen, dann beträgt die Anzahl der Schritte zwei. Dieses Verfahren kann jedoch in den seltenen Fällen, wenn mehrere Berührungen gleichzeitig an bestimmten Stellenkombinationen erfolgen, zu Mehrdeutigkeit führen, und je größer die Gruppen, desto größer ist die Mehrdeutigkeit.
  • Ein optimaler Lösungsansatz besteht darin, die obigen Verfahren zu kombinieren, indem man mit dem schnelleren Verfahren beginnt und auf die direkte Lösung umschaltet, wenn eine eventuelle Mehrdeutigkeit erfasst wird.
  • c. Dritte Ausführungsform
  • Die dritte Ausführungsform verwendet eine Potentialdifferenz zwischen dem Finger des Benutzers und dem System, um die Fingerposition zu bestimmen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 4, die ein vereinfachtes schematisches Diagramm ist, das die dritte bevorzugte Ausführungsform der Fingererfassung der vorliegenden Erfindung abbildet. Ein Detektor 60 wird an Abschirmmasse 62 angeschlossen. Der Detektor ist an einen Oszillator 64 angeschlossen, der ein Wechselstromsignal bereitstellt, welches das Detektorpotential im Verhältnis zum Potential der Abschirmmasse in Schwingung versetzen kann. Das Schwingungspotential wird auf den Sensor 66 angewendet.
  • Im Betrieb schwingt der Detektor 62 mit Bezug auf das Potential der gemeinsamen Abschirmmasse. Wenn der Finger 68 eines Benutzers den Sensor 66 berührt, wird zwischen dem Finger und den Sensorleitern eine Kapazität gebildet. Nun schwingt das Körperpotential des Benutzers nicht mit Bezug auf Erde, während das Potential des Sensors doch mit Bezug auf das gemeinsame Potential der Abschirmmasse schwingt. Somit wird eine wechselnde Potentialdifferenz zwischen dem Sensor und dem Benutzer gebildet. Ein Wechselstrom geht daher vom Sensor durch den Finger zur Abschirmmasse. Der Strom wird als Signal interpretiert, das von dem Finger 68 des Benutzers zum Sensor 66 geht. Der Detektor 62 verarbeitet den erkannten Strom und bestimmt die Stelle des Fingers des Benutzers nach der Amplitude, d. h. dem Signalpegel, auf bestimmten Sensorleitern. Da insbesondere eine Potentialdifferenz zwischen dem Sensor und dem Finger vorliegt, die mit V bezeichnet wird, und die Fingerberührung selber eine Kapazität C herbeiführt, besteht ein Ladungstransport zwischen dem Finger und dem Leiter mit einem Betrag Q = C·V. Der Ladungstransport kann aus dem Strom auf der Stromleitung abgeleitet werden.
  • Die gemeinsame Abschirmmasse kann die StromNetzerdung sein, das Verfahren funktioniert jedoch auch, wenn das System nicht wirklich an Erde angeschlossen ist, sondern vielmehr an eine gemeinsame Abschirmmasse von mehreren Systemen, wie etwa die einer Flachbildanzeige, eines Tablet-PCs, usw. Diese Systeme haben eine ausreichende Kapazität, um es dem Detektor zu ermöglichen, mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse zu oszillieren.
  • Es ist zu beachten, dass bei einigen Ausführungsformen das System ständig mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse schwingt, bei einer bevorzugten Ausführungsform schwingt es jedoch nur über einen gewissen Zeitabschnitt, nämlich nur, wenn Signale vom Detektor tatsächlich empfangen und verarbeitet werden. Wenn mit anderen Worten keine ankommenden Signale zu digitalisieren sind, dann spart das System Energie, indem es den Oszillator nicht betreibt.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 5, die ein Schaltbild einer Durchführung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 4 beschrieben wurde. Die gleichen Teile wie in 4 erhalten die gleichen Bezugsnummern und werden nur erwähnt, soweit dies für das Verständnis der Theorie des Betriebs der Ausführungsform notwendig ist. In 5 ist der Oszillator 64 zwischen Abschirmmasse 62 und Detektor 60 angeschlossen. Der Oszillator 64 versetzt den Detektor 60 und die Detektorvorschaltungsanordnung, die zwei Sensorleiter 70 und 72 umfasst, in Schwingung. Die beiden Leiter sind jeweils an die beiden Differentialeingänge des Differentialverstärkers 74 angeschlossen. Wie oben erklärt, beziehen sich alle Schwingungen auf die gemeinsame Abschirmmasse 62. Wenn der Finger des Benutzers einen Sensorleiter berührt, etwa 70, wird eine Kapazität 76 erstellt. Da zwischen dem Leiter 70 und dem Benutzer ein Potential besteht, fließt Strom von dem Leiter 70 durch den Finger gegen Abschirmmasse. Eine Impedanz 78 gibt die Impedanz des Fingers an. Folglich entsteht zwischen den Leitern 70 und 72 eine Potentialdifferenz. Bevorzugt ist die Trennung zwischen den beiden Leitern 70 und 72, die an denselben Differentialverstärker 74 angeschlossen sind, größer als die Breite eines Fingers, so dass sich die notwendige Potentialdifferenz bilden kann. Der Differentialverstärker 74 verstärkt die Potentialdifferenz und der Detektor 60 verarbeitet das verstärkte Signal und bestimmt somit die Position des Fingers des Benutzers. Es ist zu beachten, dass der Sensor bei alternativen Ausführungsformen an einen standardmäßigen Verstärker anstelle eines Differentialverstärkers angeschlossen werden kann.
  • Es ist zu beachten, dass wenn der Oszillator nicht verwendet wird, und Gleichstrom erzeugt wird, keine messbare Potentialdifferenz durch die Berührung des Fingers erzeugt würde, da die Berührung des Fingers eine Kapazität herbeiführt, und somit keine Auswirkung auf Gleichstrom hat.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, wird der gesamte Detektor mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse in Schwingung versetzt. Ein Nachteil dieser Möglichkeit ist es, dass jegliche Kommunikation zwischen dem Detektor und der Außenwelt, wie etwa eine serielle Kommunikation mit dem Hostcomputer, angepasst werden muss, um die Potentialdifferenz zwischen dem Detektor und der Außenwelt auszugleichen, und keine gemeinsame Abschirmmasse verwenden kann. Es gibt viele Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Bestandteilen, die voneinander getrennt sein müssen, und ein Beispiel zum Bereitstellen einer getrennten Kommunikation ist die Verwendung einer optischen Zwischenleitung. Die optische Zwischenleitung setzt das elektrische Signal in Licht und dann wieder in ein elektrisches Signal um, und das Trennungsniveau ist sehr hoch. Die Notwendigkeit einer Trennung kann jedoch beseitigt werden, indem die Schwingung nur auf einen Teil des Detektors angewendet wird.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 6, die ein theoretisches Schaltbild ist, das einen Detektor abbildet, für den eine Schwingung nur teilweise bereitgestellt wird. Die gleichen Teile wie in vorhergehenden Figuren erhalten die gleichen Bezugsnummern und werden nicht noch einmal erwähnt, außer falls dies zum Verständnis der vorliegenden Ausführungsform notwendig ist. Der Detektor 80 ist der gleiche wie der Detektor 60, außer dass er in zwei Einheiten unterteilt ist: 82 und 84. Der Oszillator 86 befindet sich zwischen den beiden Einheiten 82 und 84 innerhalb des Detektors 80.
  • Die Schwingungszustände der Bestandteile des Detektors sind folgende:
    • 1) Die Einheit 82 des Detektors 80 schwingt nicht mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 62.
    • 2) Die Einheit 84 des Detektors schwingt mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse. Die Einheit 84 umfasst die Vorschaltungsanordnung des Detektors. Sie kann auch beliebige andere Bestandteile des Detektors umfassen.
  • Die Sensorvorrichtung 88 schwingt ebenfalls mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse, dadurch dass sie an die Detektorvorschaltungsanordnung angeschlossen ist, die Teil der Einheit 84 ist. In der vorliegenden Figur bezieht sich die Sensorvorrichtung auf die durchsichtige Folie, welche die Sensormatrix trägt.
  • Die Verwendung der Ausführungsform aus 6, die das Unterteilen des Detektors in zwei Einheiten mit sich zieht, ist eine Möglichkeit, die dem Fachmann zur Verfügung steht und die er unter bestimmten Umständen im Hinblick auf Effizienz, Annehmlichkeit und Kosten wählen kann.
  • Wenn der Finger eines Benutzers die Sensorleiter innerhalb der Sensorvorrichtung 88 berührt, wird eine Kapazität 76 geschaffen, wie oben beschrieben. Der Sensor erfasst die Signale, die durch den Finger des Benutzers auf den verschiedenen Sensorleitern herbeigeführt werden. Der Detektor 80, der die Detektoreinheiten 82 und 84 umfasst, verarbeitet das erkannte Signal und bestimmt die Stelle des Fingers des Benutzers.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform führt der konstante Teil 82 des Detektors 80 eine Kommunikation mit der Außenwelt, ohne irgendeine Art von Trennung zu benötigen.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die Verwendung von Schwingungen den Stromverbrauch erhöht. Eine teilweise Anwendung der Schwingung führt somit zu einem niedrigen Gesamtstromverbrauch innerhalb des Systems.
  • Eine Bedingung der vorliegenden Ausführungsform ist es, eine Kommunikation zwischen den beiden Einheiten des Detektors bereitzustellen, da, wie oben erklärt, eine mit Bezug auf die andere schwingt. Das Problem kann auf verschiedene Art und Weise gelöst werden, z. B. unter Verwendung der folgenden Alternativen:
    • 1. Verwendung von Differenzsignalen, so dass Daten auf zwei parallelen Leitungen ausgegeben werden, einer Signalleitung und einer Bezugsleitung. Sowohl das Signal als auch seine Referenz schwingen, die Daten liegen jedoch eigentlich in der Differenz zwischen beiden. Die Ausführungsform wird nachstehend ausführlicher mit Bezug auf 10b unter dem Titel ”System erdfreimachen” beschrieben.
    • 2. Verwendung einer elektrisch getrennten Kommunikation innerhalb des Detektors, wie etwa Optoisolatoren.
    • 3. Beschränken der Kommunikation auf Zeitschlitze, in denen der Vorschaltabschnitt mit Bezug auf den anderen Teil des Systems nicht schwingt oder sich in einer Schwingungsphase befindet, in der die beiden Teile im Gleichgewicht stehen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 7, die ein vereinfachtes Schaltungsanordnungstheoriediagramm ist, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet. Bei der Ausführungsform aus 7 werden Schwingungen auf den Sensor angewendet, insbesondere auf die Leiter im Sensor, und nicht auf den Detektor.
  • In 7 stellt ein Oszillator 90 ein Schwingungssignal mit Bezug auf die Abschirmmasse 92 bereit. Das Schwingungssignal wird als Bezugssignal Vref für den Sensor bereitgestellt und zwar speziell für individuelle Leiter im Sensor, was bedeutet, dass Vref 94 für jeden Leiter einzeln bereitgestellt wird.
  • In der Figur werden die Sensorleitungen 96 und 98 gezeigt, wie sie an die Differentialeingänge eines einzelnen Differentialverstärkers 100 angeschlossen sind. Die Kondensatoren 102 und 104 sind zwischen der jeweiligen Sensorleitung und dem entsprechenden Differentialeingang angeschlossen. Der Finger 106 wird dann auf einen der Leiter angewendet.
  • Bei der Ausführungsform aus 7 wird das Bezugssignal Vref 96 auf jeden Leiter an dem Ausgangsende, d. h. an den Anschlüssen des Differentialverstärkers 100, und insbesondere auf der Verstärkerseite der Trennkondensatoren 102, 104, angelegt. Somit erfolgen Anregung und Abtastung an demselben Ende des Leiters, das der Eingang zu dem Differentialverstärker ist.
  • Im Gebrauch wird eine Schwingung auf die Sensorleiter angewendet, indem die Bezugsspannung Vref 94, die dem Sensor zugeführt wird, in Schwingung versetzt wird.
  • Der Oszillator 90 versetzt Vref 94 mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 92 in Schwingung. Die Leiter 96 und 98 schwingen daher mit Bezug auf die Netzerdung. Die Kondensatoren 102 und 104 filtern unerhebliche niedrige Frequenzen jeweils aus den Leitern 96 und 98. Solange der Benutzer den Sensor nicht berührt, sind die von den beiden Eingängen des Differentialverstärkers empfangenen Signale ähnlich, und daher wird keine Ausgabe erzeugt. Wenn der Finger 106 des Benutzers den Leiter 98 berührt, wird kurz davor eine Kapazität zwischen dem Finger 106 des Benutzers und dem Leiter 98 geschaffen. Sowohl die Amplitude als auch die Phase des Signals, das sich durch den berührten Leiter ausbreitet, werden aufgrund der hinzugefügten Kapazität geändert. Die Potentialdifferenz zwischen dem Leiter 98 und dem Leiter 96 wird durch den Differentialverstärker 100 verstärkt und dann durch den Detektor verarbeitet, um die Position des Fingers des Benutzers zu bestimmen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 8, die ein vereinfachtes Diagramm ist, das eine Variante der Ausführungsform aus 7 abbildet. Die gleichen Teile wie in 7 erhalten die gleichen Bezugsnummern und werden nicht noch einmal erwähnt, außer wie es für das Verständnis der vorliegenden Ausführungsform notwendig ist. Die Ausführungsform aus 8 unterscheidet sich von 7 dadurch, dass zwei Bezugssignale verwendet werden, wobei ein Schwingungsbezugssignal Va an die Leiter an den Enden, die sich in den Sensor gegenüber der Stelle, wo die Erfassung ausgeführt wird, d. h. von den Eingängen weg bis zum Differentialverstärker erstrecken, angelegt wird. Ein Gleichstrombezugssignal wird an die Ausgangsseite der Leiter angelegt und wird verwendet, um einen hohen Bezugspegel für die Stromleitungen zu erstellen. Andere Ausführungsformen umfassen eventuell kein getrenntes Gleichstrombezugssignal Vref und beruhen nur auf Va. Vref, wie es in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, erstellt einen hohen Bezugspegel für die Leiter. Dies bedeutet, dass, da der Eingangswiderstand zum Verstärker sehr hoch ist, die Leiter für das Rauschen der Umgebung empfänglich sind. Das Anschließen der Leiter an einen höheren Bezugspegel beseitigt oder reduziert zumindest ihre Tendenz, Rauschen aufzunehmen. Bei der Ausführungsform aus 7 wird das Signal Vref verwendet, sowohl um die Stromleitungen in Schwingung zu versetzen als auch um den Gleichstrompegel einzustellen. Bei der Ausführungsform aus 8 wird sowohl klargestellt, dass die Schwingungen gegenüber dem Erfassungsende des Leiters angelegt werden können als auch dass die Schwingung und die Gleichstrombezugssignale getrennt werden können. Es ist ferner zu beachten, dass es möglich ist Va anzulegen, ohne ein getrenntes Signal Vref zu verwenden.
  • Im Gebrauch wird eine Schwingung auf die Sensorleiter angelegt, indem die Bezugsspannung Va 110, die dem Sensor zugeführt wird, in Schwingung versetzt wird.
  • Der Oszillator 90 versetzt Va 110 mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 92 in Schwingung. Die Leiter 96 und 98 schwingen daher ebenfalls mit Bezug auf die Netzerdung. Die Kondensatoren 102 und 104 filtern unerhebliche niedrige Frequenzen jeweils aus den Leitern 96 und 98. Solange der Benutzer den Sensor nicht berührt, sind die von den beiden Eingängen des Differentialverstärkers empfangenen Signale ähnlich, und daher wird keine Ausgabe erzeugt. Wenn der Finger 106 des Benutzers den Leiter 98 berührt, wird genau wie vorher eine Kapazität zwischen dem Finger 106 des Benutzers und dem Leiter 98 geschaffen. Sowohl die Amplitude als auch die Phase des Signals, das sich durch den berührten Leiter ausbreitet, werden aufgrund der hinzugefügten Kapazität geändert. Die Potentialdifferenz zwischen dem Leiter 98 und dem Leiter 96 wird durch den Differentialverstärker 100 verstärkt und dann durch den Detektor verarbeitet, um die Position des Fingers des Benutzers zu bestimmen.
  • System erdfreimachen
  • Um Schwingungen des Systems oder eines Teils davon mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse zu ermöglichen, weist das System oder ein Teil davon bevorzugt ein bestimmtes Trennungsniveau gegen Abschirmmasse auf. Je besser das Trennungsniveau, desto geringer ist der Energieverlust, der auf die Schwingungen zurückzuführen ist.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 9, die ein vereinfachtes Diagramm ist, das eine Anordnung abbildet, um das Erfassungssystem der vorliegenden Ausführungsformen unter Verwendung eines getrennten DC/DC-Wandlers erdfrei zu machen. In 9 wird der Detektor 120 über einen getrennten DC/DC-Wandler 124 an die Abschirmmasse 122 angeschlossen. Der Oszillator 126 stellt eine Bezugsspannung für den getrennten Detektor 120 bereit, so dass dieser schwingt.
  • Das DC/DC-Erdfreiverfahren kann derart geändert werden, dass nur ein Abschnitt des Detektors mit Bezug auf die Abschirmmasse schwingt. Zwei derartige Änderungen sind jeweils in 10A und 10B abgebildet. Zunächst mit Bezug auf 10a umfasst der Detektor 130 zwei Einheiten 132 und 134. Aufgrund des getrennten DC/DC-Bauteils 136 ist das Detektorbauteil 134 mit Bezug auf die Abschirmmasse erdfrei, und der Oszillator 138 setzt die Detektoreinheit 134 mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 140 in Schwingung.
  • Es entsteht ein Kommunikationsproblem zwischen den beiden Detektoreinheiten 132 und 134, da eine der Detektoreinheiten 134 schwingt, während die andere Detektoreinheit 134 nicht schwingt.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 10b, die eine mögliche Lösung abbildet, um das oben beschriebene Kommunikationsproblem zu beseitigen. Die gleichen Teile wie in 10A erhalten die gleichen Bezugsnummern und werden nicht noch einmal erwähnt, außer wie es für das Verständnis der vorliegenden Ausführungsform notwendig ist. Die Detektoreinheit 134 ist mit Bezug auf die Abschirmmasse erdfrei und schwingt, wegen des Oszillators 136. Die Ausgangssignale der Detektoreinheit 134 schwingen in der relativ gleichen Phase wie der Oszillator 136. Das Ausgangssignal 142 von der Erfassungseinheit 134 und der Oszillatorausgang 144 werden in einen Differentialverstärker 146 eingegeben. Die Potentialdifferenz zwischen den Signalen 142 und 144 wird durch den Differentialverstärker 146 verstärkt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 146 ist eine konstante Signaldarstellung des Signals 142. Somit können die Erfassungseinheiten 132 und 134 durch den Differentialverstärker 146 kommunizieren, der als Kommunikationsvorrichtung oder – kanal dient.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 11, die eine Ausführungsform ist, die Spulen zum Trennen des Systems verwendet. Im Allgemeinen sind Spulen für tiefe Frequenzen niederohmig und für hohe Frequenzen hochohmig. Eine Energieversorgung wird für den getrennten Abschnitt bereitgestellt unter Verwendung von tiefen Frequenzen, wie etwa in Gleichstromnähe, doch die Spulen können auch höhere Frequenzen trennen als diejenigen, die verwendet werden, um den Detektor in Schwingung zu versetzen. In 11 wird der Detektor 150 von seiner Energieversorgung und der gemeinsamen Abschirmmasse 152 unter Verwendung von zwei Spulen 154 und 156 getrennt. Der Oszillator 158 versetzt den Detektor 150 mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse in Schwingung.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 12, in der das Verfahren mit der erdfreien Spule derart umgesetzt wird, dass nur ein Teil des Detektors mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse schwingt. Der Detektor 160 wird in zwei Einheiten unterteilt: 162 und 164. Die Einheit 162 ist von ihrer Energieversorgung und der gemeinsamen Abschirmmasse 166 unter Verwendung von zwei Spulen 168 und 170 getrennt, und der Oszillator 172 versetzt die Einheit 162 mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse in Schwingung.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 13, die ein zusätzliches Verfahren zum Anwenden von Schwingungen auf das System oder einen Teil davon abbildet, mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse. In der Ausführungsform aus 13 ist ein Detektor 180 an einen ersten Oszillator 182 und einen zweiten Oszillator 184 angeschlossen. Der erste Oszillator ist an die + Energieversorgungsleitung und der zweite Oszillator an die Erdungsleitung angeschlossen. Im Gebrauch ist die Detektoreinheit, auf die Schwingungen angewendet werden, nicht getrennt und wird auch nicht erdfrei gelassen. Stattdessen schwingt der zweite Oszillator 184 auf dem niedrigen Potential des Systems (VSS) mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 186, und der erste Oszillator 182 schwingt auf dem hohen Potential des Systems (VCC) mit Bezug auf den Energieversorgungs-Gleichstrompegel. Solange die beiden Oszillatoren synchronisiert sind, sowohl in Phase als auch in Amplitude, schwingt der Detektor, oder ein Abschnitt des Detektors, mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse.
  • Oszillator
  • Wie oben erklärt, verwenden die verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Oszillator, um ein Übertragungssignal bereitzustellen, oder um den Detektor, einen Teil des Detektors oder einige oder alle der Sensorleiter in Schwingung zu versetzen. Der folgende Abschnitt erläutert mehrere Möglichkeiten für die Durchführung eines derartigen Oszillators.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet einen unabhängigen Oszillator. Ein derartiger unabhängiger Oszillator ist in der Lage, entweder auf einer einzigen Frequenz oder auf einer variablen Frequenz zu schwingen, die in letzterem Fall durch ein DSP-Bauteil der Digitaleinheit, die mit dem Digitalisierungssystem verknüpft ist, bestimmt wird.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform verwendet den DSP selber zum Erstellen der Schwingungen. Ein Vorteil dieser Möglichkeit ist es, dass die Phase der Schwingungen für das Abtasten leicht zu synchronisieren ist. In diesem Fall werden DSP-Digitalwerte für ein D2A-(Digital/Analog-)Bauteil oder eine beliebige gleichwertige Anordnung bereitgestellt, und dann werden die Analogwerte je nach Bedarf gefiltert und verstärkt. Eine zusätzliche Version einer derartigen Durchführung kann für die Erzeugung von Schwingungen die gleichen Bauteile verwenden, wie sie für die Anregung des Griffels verwendet werden. Weitere Einzelheiten bezüglich der Anregung des Griffels sind 9 aus der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 und der entsprechenden Beschreibung zu entnehmen, unter dem Titel ”Griffel”. Die Figur und die entsprechende Beschreibung werden hiermit zur Bezugnahme übernommen.
  • Es können dieselben Bauteile sowohl für die Griffelanregung als auch für die Fingerabtastung aus folgenden Gründen verwendet werden:
    • – Der Finger wird nur während dedizierter Abtastungsperioden erfasst, und
    • – es erfolgt keine Anregung während der dedizierten Abtastungsperioden.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 14, die ein vereinfachtes Diagramm ist, das die oben beschriebene Verwendung der Griffelanregungsbauteile zeigt, um den Oszillator durchzuführen. Der DSP 190 erzeugt ein Digitalsignal. Der D/A-Wandler 192 wandelt das Signal in eine analoge Darstellung um. Der Verstärker 194, der unterhalb des D/A-Wandlers angeschlossen ist, verstärkt das Analogsignal, und ein Schalter 196 sendet das Signal entweder an eine Anregungsspule 98 zum Anregen des Griffels oder an einen Schwingungsausgang 200 zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, wie es für die jeweilige Ausführungsform erforderlich ist. Es ist zu beachten, dass der Schalter vor dem Verstärker angeordnet werden kann, wenn verschiedene Pegel von Verstärkung/Ausgangsimpedanz für die beiden Aufgaben erforderlich sind.
  • Das Problem des unerheblichen ”weißen Rauschens” und seine Lösung
  • Das Problem des unerheblichen ”weißen Rauschens” der Anzeigetafel
  • Es wird nun Bezug genommen auf 15, die ein vereinfachtes Diagramm ist, welches das so genannte Signalproblem der Anzeigetafel zeigt. Zwei Sensorleiter 210 und 212 schwingen mit Bezug auf die Abschirmmasse 214 gemäß einer der obigen Ausführungsformen. Wie zuvor erwähnt, befindet sich der Sensor über einem elektronischen Display. Die Kapazitäten 216 und 218 werden zwischen den Leitern 210 und 212 und der Anzeigetafel 220 erstellt. Da die Anzeigetafel, die elektrisch durch den Widerstand 220 dargestellt wird, nicht mit Bezug auf die gemeinsame Abschirmmasse 214 schwingt, werden zwei Signale, (Sa) und (Sb), die man als Schwingungsverlustströme ansehen kann, jeweils an den Leitern 210 und 212 bereitgestellt.
  • Solange die Schwingungsphase und -amplitude sich nicht ändern, bleiben (Sa) und (Sb) mit der Zeit gleich. Sa und Sb werden hier daher als weißes Rauschen bezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Störkapazität zwischen dem Sensor und dem Display sich auch aufgrund von Umgebungsbedingungen usw. ändern kann. Auch dies kann sich auf das Signal auswirken.
  • In einer idealen Umgebung ist (Sa) = (Sb), und daher wird keine Signalunterscheidung durch den Differentialverstärker 222 verstärkt, der zwischen den beiden Sensoren 210 und 212 angeschlossen ist, es sei denn, der Finger eines Benutzers berührt einen Leiter. In der Praxis bestehen jedoch geringe Unterschiede in Abstand, Überlappungsbereich, Bildschirmstruktur, Zwischenmaterial, Temperatur, usw., (Sa) ≠ (Sb), und daher wird ein ”weißes Rauschen”: (Sa) – (Sb) erzeugt. Das weiße Rauschen wird von dem Differentialverstärker 222 verstärkt. Ein derartiges ”weißes Rauschen”, das auf (Sa) und (Sb) basiert, liegt auf zwei beliebigen Sensorleitern vor, die durch einen Differentialverstärker verbunden sind, und deshalb kann man sagen, dass ähnliche Differenzen wie (Sa) – (Sb) von einem der Differentialverstärker, welche die Sensorleiter in dem System verbinden, verstärkt werden. Das Ergebnis ist diverses verstärktes weißes Rauschen, das vom Detektor erfasst wird, obwohl es mit der Zeit konstant ist. Das Vorliegen dieses weißen Rauschens reduziert den Genauigkeitsgrad, der beim Erfassen der Position des Fingers des Benutzers möglich ist.
  • Die Lösung durch Zuordnung
  • Es wird nun Bezug genommen auf 16, die einen oberen Teil 16A aufweist, der die Anzeigetafel als ein Gitter 230 aus Sensorleitungen 232 zeigt, wobei jedes Paar Sensorleitungen an einen Differentialverstärker 234 angeschlossen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Lösung zu dem oben beschriebenen Problem das Zuordnen der verschiedenen verstärkten Signaldifferenzen der Anzeigetafel. Wie in 16B gezeigt, wird ein Wert des weißen Rauschens bestimmt und für jedes Paar Sensorleiter zugeordnet. Eine derartige Zuordnung wird bevorzugt folgendermaßen erzielt:
    (Sa) ist das ”weiße Rauschen”, das auf dem Sensorleiter entsteht, der an die positive Seite des Verstärkers durch den Flachbildschirm angeschlossen ist. (Sb) ist das ”weiße Rauschen”, das auf einem zweiten Leiter entsteht, der an die negative Seite des Verstärkers durch den Flachbildschirm angeschlossen ist. Ein Differentialverstärker verbindet diese beiden Leiter. Die Differenz zwischen (Sa) und (Sb) wird durch den Differentialverstärker verstärkt.
    • 1. Das verstärkte Signal wird durch A/D-Wandlung in eine digitale Darstellung umgewandelt.
    • 2. Der DSP führt eine FFT/DFT an dem Digitalsignal aus.
    • 3. Die Maßnahmen 1 bis 3 werden mit einer vorherbestimmten Häufigkeit (z. B. 20-mal) wiederholt. Dann wird die Mittelwertbildung ausgeführt. Die Mittelwertbildung minimiert variables Rauschen, das zu kurzfristigen Verformungen der Messung führen kann. Der Mittelwert wird dann in der Differenzzuordnungsabbildung gespeichert.
    • 4. Die Maßnahmen 1 bis 4 werden für jedes Paar Leiter ausgeführt, die durch einen Differentialverstärker verbunden sind.
  • Das Ergebnis ist eine Zuordnungsabbildung, die hier als Differenzzuordnungsabbildung bezeichnet wird, und in 16B dargestellt ist, die sowohl die Amplitude als auch die Phase der für jedes Sensorpaar aufgezeichneten Differenzsignale umfasst. Jedes aufgezeichnete Amplituden-Phasen-Paar stellt das ”weiße Rauschen” der Anzeigetafel eines jeden Sensorpaars dar, das von einem Differentialverstärker verbunden wird. Die Amplitude und Phase sind für eine spezifische Schwingungsfrequenz gedacht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das System eine einzige Frequenz für die Erfassung der Finger. Bei zusätzlichen Ausführungsformen könnte jedoch mehr als eine Frequenz verwendet werden, und das System kann zwischen den Frequenzen umschalten oder sogar auf mehr als einer Frequenz gleichzeitig schwingen. Wenn mehr als eine Frequenz verwendet wird, dann wird mehr als eine Zuordnungsabbildung erstellt. Bevorzugt wird eine Zuordnungsabbildung für jede Frequenz erstellt.
  • Nachdem die Differenzzuordnungsabbildung im Speicher abgelegt wurde, kann sie verwendet werden, um das Phänomen des weißen Rauschens des Anzeigetafelsignals auszugleichen. Es wird nun Bezug genommen auf 17, die ein vereinfachtes schematisches Diagramm ist, das eine Sensoranordnung mit zwei Leitern abbildet, die das Phänomen des weißen Rauschens zeigt. Die Anzeigetafel erstellt ”weißes Rauschen” (Sa) und (Sb) jeweils an den Sensorleitern 240 und 242. Der Finger des Benutzers erstellt ein Signal (Sf), welches das Signal ist, das man messen möchte. Die Gesamtdifferenz, wie sie von dem Differentialverstärker 244 bestimmt wird, zwischen den Signalsummen an den beiden Sensorleitern ist: {(Sa) + (Sf)} – (Sb)}. Die Gesamtdifferenz wird durch den Differentialverstärker 244 verstärkt und vom Detektor 246 abgetastet. Das DSP-Bauteil 248 liest die Differenz {(Sa) – (Sb)}, die in der Differenzzuordnungsabbildung 250 gespeichert ist. Der DSP 250 zieht die Differenz von dem abgetasteten Signal ab. Da {(Sa) + (Sf)} – (Sb)} – {(Sa – Sb)} = (Sf) ist, kann der DSP das Fingersignal aussondern und identifizieren und die Position des Fingers identifizieren.
  • Ein derartiger Zuordnungsvorgang wird bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, um das Problem des weißen Rauschens zu lösen, das durch die Anzeigetafel eingekoppelt wird. Das gleiche Verfahren kann auch in der gleichen und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eventuelle andersartige Probleme mit weißem Rauschen zu lösen. Beispiele von möglichen Quellen für weißes Rauschen umfassen: Unterschiede in der Eingangsimpedanz, Unterschiede in der Eingangskapazität, unzulängliche Gleichtaktunterdrückung, usw.
  • Das Problem der Erfassung von signalgebenden Objekten durch den Zuordnungsvorgang und Lösungen dazu
  • Der Zuordnungsvorgang schafft das folgende Problem:
    Ein Objekt, üblicherweise ein Finger, eine Hand oder eine Kombination aus Fingern und Händen, das während des Zuordnungsvorgangs auf die Anzeigetafel gelegt wird, erstellt ein Signal. Wird die Hand zurückgenommen, so entsteht ein Unterschied zu den ursprünglich in der Differenzzuordnungsabbildung gespeicherten Werten. Ein derartiger Unterschied kann vom DSP 248 fälschlicherweise für ein relevantes Signal, wie etwa ein Fingersignal, gehalten werden.
  • Der Einfachheit der Erklärung halber wird der umgekehrte Fall angenommen: der Finger eines Benutzers kann während des eigentlichen Zuordnungsvorgangs auf die Anzeigetafel gelegt werden. Der Finger gibt wie zuvor ein Signal (Fls) in einen Sensorleiter 242 ein. Der Sensorleiter empfängt auch ein Signal für weißes Rauschen (Dls) von der Anzeigetafel. Ein anderer Sensorleiter 240 empfängt ein Signal für weißes Rauschen (D2s) von der Anzeigetafel. Diese beiden Sensorleiter werden an den gleichen Differentialverstärker 244 angeschlossen. Die von dem Differentialverstärker empfangene und verstärkte Differenz ist gleich {(D1s) + (F1s)} – (D2s). Eine gewisse Zeit nach Beendigung des Zuordnungsvorgangs wird der Finger zurückgenommen. Die neue verstärkte Differenz ist nun gleich: (D1s) – (D2s). Der DSP zieht den in der Differenzzuordnungsabbildung gespeicherten Wert von dem neuen Wert ab. Das Ergebnis ist gleich: {(D1s) – (D2s)} – [{(D1s) + (F1s)} – (D2s)] = –(F1s). In Wirklichkeit stellt der Wert (F1s) die Amplitude dar und das (–) Zeichen stellt die Phase dar. Dieses Ergebnis ist genau die Differenz, die erwartet wird, wenn ein Finger auf den zweiten Sensorleiter gelegt wird und man davon ausgeht, dass der Finger während des Zuordnungsvorgangs nicht auf den ersten Sensorleiter gelegt wurde. Der DSP reagiert, als ob ein Finger erfasst wurde, obwohl tatsächlich kein Finger auf die Anzeigetafel gelegt wurde.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet die oben beschriebene Ausführungsform, wobei der Zuordnungsvorgang einmal während des Herstellungsvorgangs ausgeführt wird. Da die erwarteten signalgebenden Objekte, welche die Erfassung von signalgebenden Objekten durch den oben erklärten Zuordnungsvorgang schaffen, hauptsächlich ein Finger, mehrere Finger, eine Handfläche, eine Faust usw. des Benutzers sind; und da die Herstellungsumgebung eine Umgebung ist, in der kein Benutzer anwesend ist, ist das Problem gelöst.
  • Der Nachteil des obigen Lösungsansatzes ist die Zuverlässigkeit eines einzigen Zuordnungsvorgangs. Aufgrund der Beweglichkeit des Systems, von Temperaturänderungen, mechanischen Änderungen, usw. kann sich die Differenz zwischen den von der Anzeigetafel erzeugten Signalen an zwei beliebigen Sensorleitern, die von einem Differentialverstärker verbunden werden, mit der Zeit ändern, wodurch zuvor aufgezeichnete Werte der Differenzzuordnungsabbildung hinfällig werden. Ein streng kontrollierter Herstellungsvorgang kann diesen Nachteil beheben, indem er sicherstellt, dass derartige Änderungen nicht auftreten, jedoch kann ein derartiger Prozess die Kosten erhöhen. Andererseits kann man durchaus denken, dass bei den Umgebungsbedingungen keine extremen Änderungen in einem einzigen Betriebszyklus des Systems auftreten (d. h. vom Einschalten des Computers bis zum Ausschalten). Daher sollte das Initialisieren des Zuordnungsvorgangs nach der Systeminitialisierung in den meisten Fällen ausreichend sein.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Ausführen einer Zuordnung während jeder Systeminitialisierung. Während der Initialisierung kann der Benutzer darauf hingewiesen werden, entweder durch eine Meldung auf der Anzeigetafel oder auf beliebige andere Art und Weise, die Anzeigetafel nicht zu berühren. Da die erwarteten signalgebenden Objekte typischerweise ein Finger, mehrere Finger, eine Handfläche, eine Faust usw. des Benutzers sind, löst dieser Hinweis das Problem. In einer Variante wird die Zuordnung nicht nur bei jeder Initialisierung sondern auch noch einmal jedes Mal, wenn ein Zweifel an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung besteht, ausgeführt. Verfahren, die dazu gedacht sind, derartige Zweifel zu identifizieren, werden nachstehend beschrieben.
  • Verfahren zum Identifizieren von Zweifeln an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine gleichzeitige Identifizierung von mehr als einem Muster eines einzelnen Fingers verwendet, um einen Zweifel an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung zu identifizieren.
  • Somit wird jedes Mal, wenn der DSP gleichzeitig mehr als ein Signalmuster eines einzigen Fingers erfasst, ein Zweifel an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung abgeleitet, und der DSP startet einen neuen Zuordnungsvorgang.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 18, mit der ein Beispiel eines derartigen Verfahrens beschrieben wird. Es werden zwei Gruppen von drei Linien gezeigt, eine erste Gruppe, die mit Fs bezeichnet ist, und eine zweite Gruppe, die mit PFs bezeichnet ist. Jede Linie stellt zwei Sensorleiter dar, die an denselben Differentialverstärker angeschlossen sind. Die Linien stellen eine Axialsignalerfassung des Sensorleiters dar, bevorzugt nach dem Abziehen des weißen Rauschens von der jeweils gegebenen Quelle, wie etwa des weißen Rauschens der Anzeigetafel, wie oben erklärt. Die Höhe jeder Linie stellt die Amplitude des Signals dar. (Fs) und (PFs) sind Fingersignalmuster. Wenn der Benutzer während des Zuordnungsvorgangs einen Finger auf die Anzeigetafel legt, dann wird ein Fingersignalmuster (PFs) nur erfasst, nachdem der Finger zurückgenommen wurde, wie oben erklärt. Sobald der Benutzer tatsächlich einen Finger anlegt, wird ein anderes Fingersignalmuster (Fs) erfasst. Sobald zwei Fingersignalmuster auf derselben Achse erfasst werden, tritt ein Zweifel an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung auf, und der DSP startet eine neue Zuordnungssequenz.
  • Es ist zu beachten, dass dasselbe Verfahren verwendet werden kann, um nicht nur mehr als einen Finger, sondern auch ein einzelnes Objekt zu identifizieren, das größer ist als ein Finger, wie etwa eine Faust oder eine Handfläche. Die Erfassung eines Signalmusters eines derartigen Objekts führt sofort zu Zweifeln an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung.
    • – Ein Nachteil des oben beschriebenen Verfahrens zum Neuinitialisieren im Zweifelsfall ist, dass es in einen endlosen Neuinitialisierungszyklus gehen kann. Somit wird bei dem in 18 erklärten Beispiel der neue Zuordnungsvorgang gestartet, aber der Finger, der ursprünglich das Signalmuster (Fs) erstellt hatte, ist immer noch an Ort und Stelle auf der Anzeigetafel, was die Gültigkeit einer zu diesem Zeitpunkt ausgeführten Neuinitialisierung beeinträchtigt.
    • – Ein weiterer Nachteil ist, dass ein derartiges System nur bei Systemen verwendet werden kann, die zur Einzelfingererfassung fähig sind. Ist ein System dazu gedacht, mehr als eine Einzelberührung zu erfassen, dann ist eine mehrfache Berührung ein völlig gerechtfertigtes Eingangssignal und kann nicht als Angabe genommen werden, dass eine Neuinitialisierung erforderlich ist.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung identifiziert der Detektor Zweifel an der Gültigkeit der Differenzzuordnungsabbildung durch die Verwendung der Phaseninformationen des Signals. Wie oben erklärt, ist die Phase eines durch einen ”Pseudofinger” ausgelösten Signals zu der Phase eines Signals, das durch einen echten Finger, der in der gleichen Position angelegt wird, entgegengesetzt (180 Grad). Daher identifiziert bei einer bevorzugten Ausführungsform das System Zweifel, indem es Widersprüche zwischen Phase und Position erfasst. Da ein Differentialverstärker jedoch zwei Eingänge hat, negativ und positiv, kann ein echter Finger, der sich an dem anderen Eingang des Verstärkers befindet, jedoch auch zu einer entgegengesetzten Phase führen. Um daher Mehrdeutigkeit zu vermeiden, erfasst das System die Position des Fingers, ohne die Phaseninformation zu verwenden.
  • Ein derartiges Verfahren wird in der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 beschrieben, wobei der Verstärkereingang (negativ oder positiv) unter Verwendung der Amplitude der Signale, die von den angrenzenden Leitern empfangen werden, bestimmt wird.
  • Das Verfahren wird ferner wie folgt erklärt: Wenn der Benutzer während des Zuordnungsvorgangs einen Finger auf die Anzeigetafel legt und ihn dann zurücknimmt, wird ein Fingersignalmuster erfasst, wie oben erklärt. Dieses Verfahren unterscheidet ein derartiges Signalmuster von einem richtigen Finger, der auf die Anzeigetafel gelegt wird, folgendermaßen: Eine gewisse Zeit nach dem Zuordnungsvorgang verstärkt ein bestimmter Differentialverstärker eine Differenz in den Signalen der beiden Leiter, die er verbindet. Dieses Differenzmuster passt zur Amplitude des Musters eines Fingers.
  • Das Muster ist das Ergebnis der folgenden Situationen:
    • 1. Der Finger eines Benutzers wurde durch den Zuordnungsvorgang auf die Anzeigetafel gelegt. Der Finger hat ein Signal durch den Sensorleiter gesendet, der an den positiven Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist, und daraufhin wird ein Signal (F1s) an den Differentialverstärker (N) gesendet. Der Sensorleiter empfängt auch ein Signal für weißes Rauschen (D1s) von der Anzeigetafel. Der Sensorleiter, der an den negativen Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist, empfängt ein Signal für weißes Rauschen (D2s) von der Anzeigetafel. Die Differenz, die folglich von dem Differentialverstärker empfangen und verstärkt wird, ist gleich {(D1s) + (F1s)} – (D2s). Der Finger wird nun zurückgenommen. Das Differenzsignal, das nach dem Zurücknehmen des Fingers verstärkt wird, ist nun gleich {(D1s) – (D2s)}. Der DSP zieht nun den Wert, der in der Differenzzuordnungsabbildung gespeichert ist, von dem neuen Wert ab. Das Ergebnis ist gleich {(D1s) – (D2s)} – [{(D1s) + (F1s)} – (D2s)] = –(F1s). In Wirklichkeit stellt der Wert (F1s) die Amplitude dar und das (–) Zeichen die Phasenverschiebung.
    • 2. Das Muster (Amplitude und Phase) ergibt sich daraus, dass ein echter Finger gerade ein Signal durch den Sensorleiter sendet, der an den negativen Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist.
  • Unter Verwendung des Verfahrens mit der Amplitude der empfangenen Signale und der angrenzenden Leiter, das in dem Unterkapitel 4.6 der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/406 662 offenbart wird, wobei dieses Unterkapitel hiermit zur Bezugnahme übernommen wird, erfasst der DSP, ob die Quelle der negative Eingang des Differentialverstärkers oder sein positiver Eingang ist.
    • – Wenn die Quelle des Signals der Sensorleiter war, der an den positiven Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist, dann scheint die Situation 1 vorzuliegen, und die Differenzzuordnungsabbildung ist nicht gültig. Es wird ein neuer Zuordnungsvorgang oder eine neue Initialisierung gestartet.
    • – Wenn die Quelle des Signals der Sensorleiter war, der an den negativen Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist, dann ist die oben angegebene Situation Nr. 1 nicht eingetreten, und die Zuordnung ist gültig. Der DSP erfasst folglich einen Finger.
  • Dieses Verfahren funktioniert ebenso, wenn die beiden Möglichkeiten folgende sind:
    • 1. Ein Finger war dabei, ein Signal durch den Sensorleiter zu senden, der an den negativen Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist, und ist nun zurückgenommen worden.
    • 2. Ein Finger ist gerade dabei, ein Signal durch den Sensorleiter zu senden, der an den positiven Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen ist.
  • Um die Zuverlässigkeit der Erfassung von Zweifeln bei der Zuordnung zu steigern, entweder während der Verwendung von Phaseninformationen oder während der Verwendung eines beliebigen anderen Verfahrens, kann das System die Initialisierung des Wiedererlernens des weißen Rauschens nur auf Fälle beschränken, in denen solche Zweifel mindestens über einen vorherbestimmten Mindestzeitraum bestehen. Da die Signale, die von einem Pseudofinger geschaffen werden, konstant sind und sich mit der Zeit nie ändern, ist die Stabilität mit der Zeit ein zusätzlicher Differenzierungsfaktor zwischen echten und Pseudosignalen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das von dem Finger herbeigeführte Signal viel größer als die Signale des weißen Rauschens. Dies stellt sicher, dass das Vorhandensein eines Fingers immer vom weißen Rauschen unterschieden wird, wodurch ein korrekter Zuordnungsvorgang ermöglicht wird. Wenn z. B. noch einmal mit Bezug auf 15 die Kondensatoren 216 und 218 niedrigere Kapazitäten aufweisen als die durch einen Finger herbeigeführte Kapazität – ist ein Signal, das durch eine Fingerberührung erstellt wird, größer als das Differenzsignal, das von den Kondensatoren 216 und 218 ausgeht. Daher kann das weiße Rauschen, das von der Kopplung des Sensorarrays und dem Bildschirm ausgeht, nicht fälschlich für eine Fingerberührung gehalten werden. Alle erfassten Signale werden nur in eine Fingerberührung umgesetzt, wenn das empfangene Signal erheblich größer ist als das weiße Rauschen. Unter diesen Bedingungen ist es recht einfach, eine Situation zu identifizieren, bei der keine Finger auf der Sensorebene vorhanden sind, um eine korrekte Differenzzuordnungsabbildung zu erstellen.
  • Eine Möglichkeit, derartige Bedingungen zu schaffen, besteht darin, einen Luftspalt zwischen den Stromleitungen des Sensors und dem Bildschirm sicherzustellen. Das Vorhandensein eines Luftspalts an einer derartigen Stelle reduziert die Kopplungskapazität zwischen den Sensorleitungen und dem Bildschirm auf ein derartiges Niveau, dass Fingersignale viel größer sind als das weiße Rauschen. Eine andere Möglichkeit umfasst das Anordnen der Sensorebene in unmittelbarer Nähe des Fingers des Benutzers, wodurch sichergestellt wird, dass das durch den Finger herbeigeführte Signal tatsächlich größer ist als das weiße Rauschen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 19, die ein vereinfachtes Fließdiagramm ist, das die drei Hauptausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusammenfasst. In 19 umfasst ein Schritt 1 das Bereitstellen eines elektrischen Schwingungssignals. Bei einer Ausführungsform wird das Schwingungssignal übertragen, um von dem Finger usw., der die Berührung vornimmt, aufgenommen zu werden. Bei einer zweiten Ausführungsform wird das Schwingungssignal einer der beiden Leitergruppen bereitgestellt. Das Schwingungssignal ist kapazitiv an die zweite Leitergruppe angeschlossen, wenn eine Fingerberührung vorliegt, jedoch sonst nicht. Bei der dritten Ausführungsform ist die Erfassungsvorrichtung bzw. sind die Leiter mit dem Schwingungssignal erdfrei und die Fingerberührung stellt einen Wechselstromkurzschluss gegen Erde bereit.
  • In Schritt S2 wird der kapazitive Effekt erfasst, indem die Leiter in dem Gitter überwacht werden. Je nach Ausführungsform kann der kapazitive Effekt das Signal von dem Finger sein, das Signal, das an die andere Leitergruppe angeschlossen ist, oder der Spannungsabfall, der auf den Wechselstromkurzschluss zurückzuführen ist, der durch die Fingerverbindung bereitgestellt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann ein beliebiger anderer kapazitiver Effekt verwendet werden.
  • In Schritt S3 wird das Signal gefiltert. Je nach Ausführungsform kann der Filterschritt verschiedene Formen annehmen, die oben ausführlich besprochen werden. In Schritt S4 wird das gefilterte Signal verwendet, um zu identifizieren, wo auf dem Gitter eine Berührung stattgefunden hat.
  • Es ist davon auszugehen, dass während der Lebensdauer des vorliegenden Patents viele relevante Bildgebungsvorrichtungen und -systeme entwickelt werden, und der Umfang der hier verwendeten Begriffe, insbesondere mit Bezug auf ”Griffel” und ”transparentes leitfähiges Material”, ist dazu gedacht, grundsätzlich alle diese neuen Technologien mit einzubeziehen.
  • Zusätzliche Gegenstände, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann nach dem Durchsehen der nachstehenden Beispiele, die nicht dazu gedacht sind, einschränkend zu sein, hervorgehen. Zusätzlich wird jede der diversen Ausführungsformen und jeder der diversen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend umrissen wurden und in dem nachstehenden Anspruchsabschnitt in Anspruch genommen werden, durch die folgenden Beispiele experimentell unterstützt.
  • Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber im Zusammenhang mit getrennten Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Im Gegenteil können diverse Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, auch getrennt oder in einer beliebigen geeigneten Unterkombination bereitgestellt werden.
  • Obwohl die Erfindung zusammen mit ihren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen, Änderungen und Varianten für den Fachmann hervorgehen. Entsprechend ist vorgesehen, alle derartigen Alternativen, Änderungen und Variationen mit einzubeziehen, die zum Geist und breiten Umfang der beiliegenden Ansprüche gehören. Alle Druckschriften, Patente und Patentanmeldungen, die in dieser Beschreibung erwähnt werden, werden hiermit vollständig zur Bezugnahme in diese Beschreibung übernommen, genauso als wenn jede einzelne Druckschrift, jedes Patent oder jede Patentanmeldung spezifisch und einzeln angegeben würde, um hiermit zur Bezugnahme übernommen zu werden. Zudem ist eine Zitierung oder Identifizierung einer Referenz in der vorliegenden Anmeldung nicht als ein Zugeständnis auszulegen, dass eine derartige Referenz als bekannter Stand der Technik für die vorliegende Erfindung zur Verfügung steht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • - US 6278443 [0010]

Claims (13)

  1. Mehrfachberührungserfassungsgerät, umfassend: einen Sensor (20), der eine erste und zweite Gruppe von Stromleitungen (24, 28) umfasst, die ein Gitter mit einer Mehrzahl von Übergangszonen dazwischen bilden; Schaltungsanordnungen, die betriebsfähig sind, um Signale an Stromleitungen entweder von der ersten oder von der zweiten Gruppe von Stromleitungen anzulegen; wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass Schaltungsanordnungen, die betriebsfähig sind, um Ausgaben (30) von Stromleitungen von der anderen Gruppe von Stromleitungen als Antwort auf ein Signal (22), das an mindestens einer Stromleitung angelegt wird, zu erfassen, wobei jede der Ausgaben einen kapazitiven Kopplungspegel angibt, der zwischen der mindestens einen Stromleitung gebildet wird, an die ein Signal angelegt wird, und den Stromleitungen, an denen eine Ausgabe erfasst wird; und einen Detektor (6), der betriebsfähig ist, um zwischen mehr als einer Fingerberührung (26) gleichzeitig, basierend auf den Ausgaben, zu unterscheiden, wobei der Sensor (20) im Wesentlichen transparent und zum Positionieren auf einem elektronischen Display geeignet ist.
  2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Detektor (6) betriebsfähig ist, um Positionen von mehr als einer Fingerberührung (26) im Verhältnis zum Sensor (20) zu bestimmen.
  3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und zweite Gruppe von Stromleitungen (24, 28) in mindestens einer Schicht davon angeordnet sind.
  4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (20) aus mindestens einer transparenten Folie aufgebaut ist, die mit mindestens einem Teil der Stromleitungen gestaltet ist.
  5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor (20) aus einer ersten Schicht, die mit der ersten Gruppe von Stromleitungen gebildet wird, und aus einer zweiten Schicht, die mit der zweiten Gruppe von Stromleitungen gebildet wird, aufgebaut ist.
  6. Gerät nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Schicht voneinander elektrisch getrennt sind.
  7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Detektor (6) betriebsfähig ist, um eine der ersten oder zweiten Gruppe von Stromleitungen (24, 28) zu wählen, um Signale (22) zu empfangen, die von den Schaltungsanordnungen und der anderen Gruppe von Stromleitungen, von der Ausgaben (30) erfasst werden, angelegt werden.
  8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Signal (22), das an die Stromleitung angelegt wird, ein Schwingungssignal ist.
  9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Detektor (6) betriebsfähig ist, um einen Betrag eines Störstromtransports für jeden Zonenübergang zu bestimmen, und um den Betrag von den erfassten Ausgaben abzuziehen.
  10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Abbildung mit Verlustkapazitätswerten für jeden Zonenübergang, wobei der Detektor (6) konfiguriert ist, um die Verlustkapazitätswerte zu verwenden, um die Ausgaben zu korrigieren, die von den Stromleitungen erfasst werden.
  11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Detektor (6) betriebsfähig ist, um das Anlegen eines Signals (22) an jeweils eine Stromleitung von einer der ersten oder zweiten Gruppe von Stromleitungen (24, 28) zu beginnen, und eine Ausgabe (30) als Antwort auf jedes Signal (22) zu erfassen, das von einer Mehrzahl von Stromleitungen von der anderen Gruppe von Stromleitungen angelegt wird.
  12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Stromleitungen von jeder der ersten oder zweiten Gruppe von Stromleitungen (24, 28) zu einander parallel sind.
  13. System zur Mehrfachberührungserfassung, umfassend: ein Mehrfacherfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das auf ein elektronisches Display gelegt wird, das mit einem Hostcomputer verknüpft ist, wobei Ausgaben einer Berührungspositionserfassung dem Hostcomputer übertragen werden.
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