DE112008001966T5

DE112008001966T5 - Zweidimensionaler Positionssensor

Info

Publication number: DE112008001966T5
Application number: DE112008001966T
Authority: DE
Inventors: Esat Hamble Yilmaz; Samuel Hamble Brunet; Nigel Hamble Hinson
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-06-10
Also published as: GB0714518D0; WO2009013469A1; US20100200309A1; GB2451267A; TW200915161A

Abstract

Sensor zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen, wobei der Sensor ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich umfasst, der durch ein Muster von darauf angeordneten Elektroden festgelegt ist, wobei das Muster von Elektroden vier Antriebselektroden, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet und mit jeweiligen Antriebskanälen gekoppelt sind, und eine Erfassungselektrode, die mit einem Erfassungskanal gekoppelt ist, umfasst, wobei die Erfassungselektrode derart angeordnet ist, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt.0

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft Sensoren zum Bestimmen der Position eines zeigenden Objektes, so beispielsweise eines Fingers eines Anwenders, in zwei Dimensionen.
Kapazitive Positionssensoren haben sich in jüngster Zeit stark verbreitet und sind in Schnittstellen zu Menschen zur Steuerung einer Maschine mittlerweile etabliert. Auf dem Gebiet von tragbaren Medienabspielgeräten ist es beispielsweise mittlerweile üblich, kapazitive berührungsempfindliche Steuerungen vorzusehen, die durch Glas- oder Kunststoffplatten hindurch bedienbar sind. Bei einigen Mobiltelefonen (zellbasiert) wird ebenfalls damit begonnen, diese Arten von Schnittstellen zu implementieren.
Unlängst sind sogenannte „Rollräder” (scroll wheels) als Eingabevorrichtungen eingeführt worden. Es handelt sich hierbei um drehtechnische Eingabevorrichtungen, wie sie beispielsweise bei dem MP3-Abspielgerät iPod^TM der Firma Apple Inc. Verwendung finden. Eine Eingabevorrichtung dieser Art ist in der Druckschrift US 7,046,230 [1] beschrieben. Die in der Druckschrift US 7,046,230 beschriebenen Vorrichtungen beruhen auf Sensoren, die in Zonen innerhalb eines empfindlichen Bereiches angeordnet sind. Die Aktivierung eines gegebenen Sensors zeigt an, dass das zeigende Objekt benachbart zu der entsprechenden Zone befindlich ist. Um die Positionserfassungsauflösung in einem vernünftigen Umfang bereitzustellen, sind eine vergleichsweise große Anzahl von Zonen und eine entsprechende große Anzahl von Sensoren erforderlich. Um beispielsweise eine Positionsauflösung entlang eines Vollkreises mit zwei Graden zu erreichen, ist – wie bei einem Beispiel in der Druckschrift US 7,046,230 vorgeschlagen wird – eine Gesamtzahl von 180 Sensoren erforderlich. Zur Steuerung von derart vielen Sensoren sind zugehörige Steuerschaltungen in beträchtlicher Menge von Nöten. Dies steigert Kosten, Größe und Energieverbrauch. Die letztgenannten beiden Aspekte sind bei Vorrichtungen mit erwünschter Tragbarkeit bzw. Portabilität durch den Anwender von besonderer Wichtigkeit.
1 zeigt schematisch einen Winkelpositionssensor 2, der von der Quantum Research Group unter dem Markennamen QWheel^TM vertrieben wird. Ein derartiges Bei spiel für ein Erzeugnis ist der QT511 der Firma Quantum Research Group. Der Sensor ist derart bedienbar, dass die Position eines Fingers entlang eines kreisförmigen Weges bestimmt werden kann. Der Sensor 2 umfasst einen Sensorbereich, der durch drei Erfassungselektroden 4A, 4B, 4C festgelegt ist. Jede Sensorelektrode ist mit einem Kapazitanzmesskanal in einer Kapazitanzmessschaltung 6 verbunden. Die Kapazitanzmessschaltung 6 ist derart bedienbar, dass die Kapazitanz bezüglich eines Systembezugspotenzials (Masse) einer jeden der jeweiligen Erfassungselektroden 4A, 4B, 4C gemessen werden kann und entsprechende Messsignale an einen Kontroller 8 ausgegeben werden können. Der Kontroller ist derart bedienbar, dass eine Winkelpositionsschätzung θ für ein zeigendes Objekt relativ zu einer willkürlich ausgewählten Nullrichtung (die in 1 mit 0° bezeichnet ist) unter den zugeführten Messsignalen bestimmt wird. Der Kontroller 8 kann sodann ein Ausgabesignal bereitstellen, das die bestimmte Winkelposition θ zur Verwendung durch einen Vorrichtungskontroller der Vorrichtung, in die der Sensor 2 eingebaut ist, angibt.
Das Funktionsprinzip ist folgendes. Befindet sich kein zeigendes Objekt in der Nähe der Erfassungselektroden 4A, 4B, 4C, so weisen die gemessenen Kapazitanzen Hintergrund-/Ruhewerte auf. Diese Werte hängen von der Geometrie und dem Layout der Erfassungselektroden und der Verbindungen mit diesen und dergleichen mehr wie auch von der Natur und Anordnung von benachbarten Elementen, so beispielsweise der Nähe der Erfassungselektroden zu naheliegenden Masseebenen, ab. Nähert sich der Finger eines Anwenders einer Erfassungselektrode, so wirkt der Finger als virtuelle Masse. Dies dient dazu, die gemessene Kapazitanz der Erfassungselektrode gegenüber der Masse zu vergrößern. Daher wird eine Vergrößerung bei der gemessenen Kapazitanz verwendet, um die Anwesenheit des Fingers anzugeben. Das Ausmaß, in dem sich die Kapazitanz von einer der gegebenen Erfassungselektroden ändert, hängt von dem Ausmaß ab, in dem der Finger des Anwenders mit jener bestimmten Erfassungselektrode überlappt (da dies primär den Grad der kapazitiven Kopplung bestimmt). Dies wiederum hängt von der Winkelposition des Fingers des Anwenders um den Sensor herum wegen der sich ändernden Formen der Elektroden um den Sensor herum ab.
In 1 ist beispielsweise der Umriss des Fingers eines Anwenders über dem Erfassungsbereich des Sensors 2 schematisch durch einen schattierten Bereich 10 dargestellt. Der Finger überlappt nicht direkt mit der Erfassungselektrode 4C, weshalb sich keine wesentliche Änderung bei der gemessenen Kapazitanz bei jener Elektrode ergibt. Der Finger überlappt jedoch direkt mit den Erfassungselektroden 4A und 4B, wobei dar über hinaus der flächenmäßige Umfang der Überlappung für beide Elektroden in etwa gleich ist. Dies bedeutet, dass der Kontroller 8 mit Messsignalen versorgt wird, die keine wesentliche Änderung bei der gemessenen Kapazitanz für die Erfassungselektrode 4C sowie weitgehend gleiche Änderungen bei den gemessenen Kapazitanzen für die Erfassungselektroden 4A und 4B angeben. Der Kontroller kann aus diesen relativen Änderungen bestimmen, dass das Zentroid der Berührung bei einer Winkelposition von ungefähr 60° liegen muss. Dies rührt daher, dass dies der Ort ist, an dem ein zeigender Finger keine Überlappung mit der Erfassungselektrode 4C und ähnliche Überlappungen mit den Erfassungselektroden 4A und 4B aufweisen würde.
Die Kapazitanzmesskanäle, die bei dem in 1 gezeigten Sensor 2 Verwendung finden, beruhen auf einem Prinzip, das man unter „passive” kapazitive Erfassungstechniken fassen könnte. Passive kapazitive Erfassungsvorrichtungen im Sinne der eben beschriebenen passiven Sensoren beruhen auf der Messung der Kapazitanz einer Elektrode (beispielsweise der Erfassungselektroden 4A, 4B, 4C) gegenüber einem Systembezugspotenzial (Erde). Die grundlegenden Prinzipien, auf denen diese Art von Sensor beruht, sind beispielsweise in den Druckschriften US 5,730,165 [2] und US 6,466,036 [3] beschrieben.
Die Funktionalität der Kapazitanzmessschaltung 6 und des Kontrollers 8 bei dem in 1 gezeigten Sensor 2 kann von einem vergleichsweise einfach gebauten Mikrokontroller wahrgenommen werden, so beispielsweise von dem Mikrokontroller Tiny44^TM von der Firma Atmel^TM. Dies wird dadurch möglich, dass der in 1 gezeigte Sensor 2 nur auf drei Erfassungselektroden zurückgreift. Er benötigt daher weniger zugehörige Schaltungen als Sensoren von der Art, die in der Druckschrift US 7,046,230 beschrieben sind. Dies bedeutet, dass er kostengünstiger und raumeffizienter hergestellt werden kann, als dies bei den Sensoren, die in der Druckschrift US 7,046,230 beschrieben sind, der Fall ist.
Der in 1 gezeigte Sensor 2 ist, so hat man herausgefunden, bei einer Mehrzahl von Anwendungen brauchbar und verlässlich. Er weist gleichwohl einige Nachteile im Zusammenhang mit seiner Zuverlässigkeit bei passiven Kapazitanzmesstechniken auf. So sind beispielsweise passive Sensoren gegenüber einer externen Masseladung äußerst empfindlich. Dies bedeutet, dass die Empfindlichkeit derartiger Sensoren durch das Vorhandensein von naheliegenden niederimpedanten Verbindungen zur Masse beträchtlich verringert werden kann. Dies erlegt weitere Beschränkungen dahingehend auf, wie die Sensoren in eine Vorrichtung eingebaut werden können. So stellen beispielsweise einige Arten von Anzeigeschirmtechnologien eine Niederimpedanzkopplung mit der Masse über den Sichtschirm bereit. Dies bedeutet, dass Sensoren, die auf passiven Kapazitanzmesstechniken beruhen, oftmals weniger leistungsfähig sind, wenn sie in einer Vorrichtung über oder nahe an einem Anzeigeschirm befindlich sind. Dies rührt daher, dass die starke Kopplung mit der Masse durch den Schirm selbst die Empfindlichkeit gegenüber einer zusätzlichen Kopplung mit der Masse, die durch einen sich nähernden Finger verursacht wird, verringert. Ein ähnlicher Effekt beruht darauf, dass passive Sensoren, so beispielsweise der in 1 gezeigte, vergleichsweise empfindlich gegenüber Änderungen in ihrer Umgebung sein können. Der in 1 gezeigte Sensor 2 kann sich beispielsweise abhängig von seinem Ort aufgrund von Differenzen bei der kapazitiven Kopplung (Masseladung) gegenüber externen Objekten unterschiedlich verhalten. Passive Sensoren sind zudem gegenüber Umweltgegebenheiten vergleichsweise empfindlich, so beispielsweise gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, Schmutzansammlungen, vergossenen Fluiden und dergleichen mehr. All dies hat Auswirkungen auf die Verlässlichkeit und Empfindlichkeit des Sensors. Darüber hinaus weist die Kapazitanzmessschaltung bei passiven Sensoren eine vergleichsweise hohe Eingangsimpedanz auf. Dies macht passive Sensoren anfällig gegenüber der Aufnahme von elektrischem Rauschen, so beispielsweise von hochfrequentem Rauschen (HF). Dies kann die Verlässlichkeit/Empfindlichkeit des Sensors verringern und erlegt zusätzliche Beschränkungen beim Sensordesign auf (so ist beispielsweise die Freiheit bei der Verwendung von vergleichsweise langen Verbindungszuleitungen oder Leiterbahnen zwischen den Erfassungselektroden und den zugehörigen Schaltungen begrenzt).
Entsprechend besteht Bedarf an einem zweidimensionalen kapazitiven Positionssensor, der einfacher zu implementieren ist und weniger komplexe Schaltungen als Sensoren von der Art benötigt, wie sie in der Druckschrift US 7,046,230 beschrieben sind, der jedoch nicht derart unter den vorbeschriebenen Nachteilen des in 1 gezeigten Sensors leidet.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen bereitgestellt, wobei der Sensor ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich umfasst, der durch ein Muster von darauf angeordneten Elektroden festgelegt ist, wobei das Muster von Elektroden vier Antriebselektroden, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet und mit jeweiligen Antriebskanälen gekoppelt sind, und eine Erfassungselektrode, die mit einem Erfassungskanal gekoppelt ist, umfasst, wobei die Erfassungselektrode derart angeordnet ist, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt.
Der Sensor kann des Weiteren eine Antriebseinheit zum Anlegen von Antriebssignalen an den jeweiligen Antriebselektroden sowie eine Erfassungseinheit zum Messen der Erfassungssignale zur Darstellung eines Grades der Kopplung der an den jeweiligen Antriebselektroden angelegten Antriebssignale mit der Erfassungselektrode umfassen. Des Weiteren kann der Sensor eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Erfassungssignale zur Bestimmung einer Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor umfassen (Die Funktionalität der Antriebskanäle, der Erfassungskanäle und der Verarbeitungseinheit kann von einem geeignet programmierten Mikrokontroller bereitgestellt werden).
Damit wird ein einfacher zweidimensionaler Sensor bereitgestellt, bei dem nur fünf diskrete Elektroden (vier Antriebselektroden und eine Erfassungselektrode) Verwendung finden. Dies bedeutet, dass ein einfacher Kontrollerchip mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Eingabe-/Ausgabepins eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann dies auf eine Weise erfolgen, die nicht auf passiven kapazitiven Erfassungstechniken beruht. Dies bedeutet, dass der Sensor stabiler ist (beispielsweise weniger anfällig gegenüber Schwankungen bei der Temperatur, der Versorgungsspannung und dergleichen mehr) sowie toleranter gegenüber einer Ladung einer nahen Masse sowie gegenüber Feuchtigkeitseffekten und ermöglicht zudem eine schnellere Erlangung von Positionsschätzungen (mit einem entsprechend kleineren Energiebedarf) im Vergleich zu einem Sensor wie demjenigen, der in 1 gezeigt ist. Zudem können bei dem Sensor ähnliche Schaltkomponenten im Vergleich zu denjenigen eingesetzt werden, die bei bestehenden passiven kapazitiven Sensoren der in 1 gezeigten Art Verwendung finden. So können beispielsweise ähnliche Mikrokontroller mit geeigneten Änderungen, die an deren einprogrammiertem Betriebsmodus vorgenommen werden, Verwendung finden. Hierdurch sind die Sensoren entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindung vergleichsweise einfach gegen Sensoren der in 1 gezeigten Art austauschbar.
Die Verarbeitungseinheit kann betätigt werden, um eine Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor auf Grundlage einer ratiometrischen Analyse der Erfassungssignale, die verschiedenen Antriebselektroden zugeordnet sind, zu bestimmen. Die Ver arbeitungseinheit kann beispielsweise betrieben werden, um die Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor in einer Richtung auf Grundlage eines Verhältnisses einer Summe der Erfassungssignale, die einem benachbarten Paar von Antriebselektroden zugeordnet sind, zu einer Summe der Erfassungssignale, die sämtlichen Antriebselektroden zugeordnet sind, zu bestimmen. In diesem Fall kann das benachbarte Paar von Antriebselektroden zwei Antriebselektroden umfassen, die entlang einer Richtung getrennt sind, die normal zu der Richtung ist, entlang derer die Position bestimmt wird. Diese Art von ratiometrischer Analyse kann zu einer automatischen Normierung verschiedener Größen der gesamten kapazitiven Kopplung beitragen (beispielsweise zur Verringerung der Abhängigkeit von der Größe des zeigenden Objektes).
Die 2 × 2-Feldanordnung von Antriebselektroden kann eine quadratische Feldanordnung sein und kann gänzlich von der Erfassungselektrode umgeben sein. Darüber hinaus können einzelne der Antriebselektroden gänzlich von der Erfassungselektrode umgeben sein. Alternativ können die Antriebselektroden nur teilweise von der Erfassungselektrode umgeben sein, so beispielsweise zur Unterbringung von Öffnungen in dem Elektrodenmuster. Die Antriebselektroden können beispielsweise einzeln durch etwa wenigstens 270° azimuthal um ihre jeweiligen Umfänge von der Erfassungselektrode umgeben sein. Auf ähnliche Weise kann die 2 × 2-Feldanordnung der Antriebselektroden als Ganzes durch wenigstens 270° azimuthal von der Erfassungselektrode umgeben sein.
Der Sensor kann des Weiteren eine Ringelektrode umfassen, die um den Umfang des empfindlichen Bereiches herum angeordnet und mit einer Systemmasse gekoppelt ist. Dies kann zur Festlegung eines Randes gegenüber dem empfindlichen Bereich beitragen.
Die Antriebselektroden und die Erfassungselektrode können auf einer ersten Seite des Substrates angeordnet sein, wobei der Sensor des Weiteren eine erweiterte Masseebenenelektrode umfassen kann, die auf einer zweiten entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet und mit einer Systemmasse gekoppelt ist. Dies stellt eine gleichmäßige feste Masseladung in dem empfindlichen Bereich des Sensors bereit und kann so zur Verringerung von Effekten durch eine in der Nähe befindliche Masseladung beitragen. Die erweiterte Masseebenenelektrode kann ein offenes Netzgitter umfassen, um Auswirkungen auf die Empfindlichkeit des Sensors zu verringern. So kann das offene Netzmuster beispielsweise einen Füllfaktor in einem Bereich aufweisen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die 20% bis 80%, 30% bis 70%, 40% bis 60% und 45% bis 55% umfasst.
Der Sensor kann unter einer Abdeckplatte montiert sein, die eine Dicke T aufweist. Ein Spalt zwischen den Antriebselektroden und der Erfassungselektrode kann eine Breite von zwischen 1/3 und 2/3 der Dicke T der Abdeckplatte aufweisen. Diese Anordnung kann dazu beitragen, eine gute Kopplung zwischen den Antriebs- und Erfassungselektroden sowie eine hohe Empfindlichkeit bezüglich in der Nähe befindlicher zeigender Objekte, so beispielsweise des Fingers eines Anwenders, bereitzustellen.
Der Sensor kann eine charakteristische Erstreckung W (die Erstreckung seines empfindlichen Bereiches kann in dieser Größenordnung sein) entlang einer ersten Richtung aufweisen, wobei die Antriebselektroden Breiten von zwischen W/10 und W/3 entlang der ersten Richtung aufweisen können. Darüber hinaus kann der empfindliche Bereich zudem eine charakteristische Erstreckung W entlang einer zweiten Richtung aufweisen, wobei die Antriebselektroden ebenfalls Breiten von zwischen W/10 und W/3 entlang dieser Richtung aufweisen können. Abschnitte der Erfassungselektrode zwischen benachbarten Antriebselektroden können Breiten von zwischen W/20 und W/5 entlang der ersten und/oder zweiten Richtungen aufweisen.
Diese charakteristischen Größen für die verschiedenen Elemente des Sensors sind, so hat man herausgefunden, dafür geeignet, gute Reaktionscharakteristiken beispielsweise mit Blick auf die Linearität der Reaktion bereitzustellen.
Der empfindliche Bereich kann als Ganzes eine charakteristische Erstreckung in der Größenordnung von oder von weniger als einer Abmessung aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die 30 mm, 25 mm, 20 mm, 15 mm, 10 mm und 5 mm umfasst. Es handelt sich hierbei um geeignete Größen zum Erfassen der Position eines Objektes mit einer charakteristischen Größe in der Größenordnung der Größe einer typischen Fingerspitze eines Anwenders. Weist der Sensor eine sehr viel größere Größe als 30 mm auf, so können in der Reaktion Flachpunkte auftreten (da hauptsächlich eine Empfindlichkeit gegenüber zeigenden Objekten benachbart zu Spalten zwischen den Antriebs- und Erfassungselektroden gegeben ist). Fällt die Größe des Sensors zu gering aus, so kann er zu unempfindlich werden. So kann der Sensor beispielsweise eine charakteristische Größe aufweisen, die aus einer Gruppe gewählt ist, die das 0,5-, 1-, 1,5-, 2- und 2,5-Fache der Größe des zu erfassenden zeigenden Objektes aufweist. Dies trägt dazu bei, einem zeigenden Objekt zu ermöglichen, die kapazitive Kopplung mit Blick auf jede Antriebselektrode unabhängig von der Position hiervon über dem empfindlichen Bereich zu modifizieren.
Der Sensor kann des Weiteren einen mechanischen Schalter umfassen, wobei das Substrat in Bezug auf den mechanischen Schalter beweglich derart montiert sein kann, dass eine Bewegung des Substrates genutzt werden kann, um den mechanischen Schalter zu aktivieren. Dies versetzt einen Anwender in die Lage, einen Auswahlcursor bzw. eine Auswahlmarke auf einer Anzeige einer gesteuerten Vorrichtung unter Verwendung der positionsempfindlichen Aspekte des Sensors steuern zu lassen und anschließend beispielsweise durch Drücken auf den Sensor zur Aktivierung des mechanischen Schalters eine Auswahl zu treffen. Ein Mikrokontroller zum Betätigen des Sensors kann genutzt werden, um ein Antriebssignal für eine Antriebselektrode durch eine Eingabe-/Ausgabeverbindung (I/O) zu einem Zeitpunkt bereitzustellen und den Status des mechanischen Schalters durch die Eingabe-/Ausgabeverbindung (I/O) zu einem weiteren anderen Zeitpunkt abzutasten. Dies ermöglicht den Einsatz eines oder mehrerer mechanischer Schalter, ohne dass hierfür zusätzliche Eingabe-/Ausgabeleitungen für den Sensorkontroller von Nöten wären.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Sensor entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Der Sensor entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung kann beispielsweise in Mobiltelefonen, Öfen, Grills, Waschmaschinen, Trocknern mit Tumbler-Funktion, Geschirrspülern, Mikrowellengeräten, Speisenmischern, Brotmaschinen, Getränkemaschinen, Computern, audiovisuellen Geräten für den Heimgebrauch, tragbaren Medienabspielgeräten, PDAs, Handys, Computern und dergleichen mehr verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Darstellung, wie diese in der Praxis umgesetzt wird, wird nachstehend beispielhalber Bezug auf die begleitende Zeichnung genommen, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 zeigt schematisch einen bekannten Sensor zum Bestimmen der Position eines Objektes entlang eines kreisförmigen Weges.
2 zeigt schematisch einen Sensor zum Bestimmen der Position eines Objektes in zwei Dimensionen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 bis 5 zeigen schematisch Schnittansichten des Sensors von 2 bei Verwendung.
6A zeigt schematisch eine elektrische Schaltung zur Verwendung mit Sensoren entsprechend Ausführungsbeispielen der Erfindung.
6B zeigt schematisch die zeitliche Beziehung zwischen einigen Elementen der in 6A gezeigten Schaltung.
7A und 7B zeigen Schnittansichten eines Abschnittes des in 2 gezeigten Sensors mit überlappenden charakteristischen elektrischen Feldlinien.
8A zeigt schematisch eine Abfolge von Antriebssignalen, die von Antriebskanälen für Antriebselektroden des in 2 gezeigten Sensors bereitgestellt werden.
8B zeigt schematisch die Größe einer Komponente der in 8A gezeigten jeweiligen Antriebssignale in Kopplung mit einem Erfassungssensor des in 2 gezeigten Sensors während eines Messungserlangungszyklus.
8C zeigt schematisch die Größe einer Eingabespannung für einen einem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal des in 2 gezeigten Sensors während eines Messungserlangungszyklus.
9 zeigt schematisch fiktive Sensorzonen für den Sensor von 2.
10 bis 14 zeigen schematisch Abschnitte von Sensoren zum Bestimmen der Position eines Objektes in zwei Dimensionen entsprechend anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
15 zeigt schematisch ein Mobiltelefon, das in einen Sensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingebaut ist.
Detailbeschreibung
2 zeigt schematisch einen Sensor 12 zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Beispiel sind die beiden Richtungen eine horizontale Richtung X- und eine vertikale Y-Richtung für die Orientierung des in 2 gezeigten Sensors.
Der Sensor 12 umfasst ein Substrat 14, das ein Elektrodenmuster trägt, das einen empfindlichen Bereich des Sensors festlegt, sowie einen Kontroller 20. Der Sensor umfasst zudem einen mechanischen Schalter 16 (der stark schematisch in 2 gezeigt ist) und zugehörige Schalterschaltungen 18 (umfassend eine Spannungsversorgung +V; erste und zweite Widerstände ρ1 und ρ2; eine Verbindung zu einem Systembezugspotenzial (Masse) und die zugehörige Verdrahtung).
Das Elektrodenmuster besteht aus vier Antriebselektroden E1, E2, E3, E4, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet sind, und einer einzelnen elektrisch kontinuierlichen Erfassungselektrode R, die derart angeordnet ist, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt. Der Kontroller 20 nimmt die Funktionalität von vier Antriebskanälen D1, D2, D3, D4 zum Zuführen von Antriebssignalen zu jeweiligen von den vier Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 und eines Erfassungskanals S zum Erfassen von Signalen von der Erfassungselektrode R wahr. Bei diesem Beispiel ist ein separater Antriebskanal für jede Antriebselektrode vorgesehen. Es kann jedoch auch ein einzelner Antriebskanal mit geeigneter Multiplexierung zum Einsatz kommen. Der Kontroller enthält zudem einen dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B, der mit der Schaltung, die dem mechanischen Schalter 16 zugeordnet ist, gekoppelt ist. Die Antriebs- und Erfassungskanäle in dem Kontroller sind mit den jeweiligen Antriebs- und Erfassungselektroden durch Routingverbindungen L1, L2, L3, L4 und L5 gekoppelt (wobei das spezifische Routing dieser Drähte innerhalb des empfindlichen Bereiches des Sensors 12 in 2 nicht gezeigt ist).
Der Kontroller 20 enthält darüber hinaus eine Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) zum Berechnen einer Position eines Objektes (beispielsweise eines Fingers eines Anwenders) benachbart zu dem empfindlichen Bereich des Sensors. Diese Berechnung beruht auf einem Vergleich der verschiedenen Erfassungssignale, die beobachtet werden, wenn Antriebssignale an verschiedenen der Antriebselektroden angelegt sind, während ein zeigendes Objekt zu dem empfindlichen Bereich benachbart ist. Die Verarbeitungseinheit ist des Weiteren dafür bedienbar, den Status des mechanischen Schalters (bei spielsweise offen oder geschlossen) auf Grundlage der Ausgabe des dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanals B zu bestimmen. Der Kontroller 20 ist derart ausgestaltet, dass er ein Positionssignal zur Angabe von X- und Y-Koordinaten für die berechnete Position eines zeigenden Objektes und ein dem mechanischen Schalter zugeordnetes Signal O zur Angabe, ob der mechanische Schalter 16 offen oder geschlossen ist ausgibt. Diese Ausgabeinformation kann sodann von einem Hauptkontroller einer Vorrichtung bzw. eines Gerätes verwendet werden, in die/das der Sensor eingebaut ist, wobei ein geeignete Handlung in Entsprechung zu der bestimmten Anwendereingabe ausgelöst wird.
Die Antriebskanäle D1, D2, D3, D4, der Erfassungskanal S und der dem mechanischen Schalter zugeordnete Erfassungskanal B sind in 2 schematisch als getrennte Elemente innerhalb des Kontrollers 20 sowie als Elemente, die von dem Verarbeitungseinheitselement getrennt sind, gezeigt. Im Allgemeinen wird die Funktionalität all dieser Elemente indes von einem geeignet programmierten einzelnen integrierten Schaltungschip wahrgenommen, so beispielsweise einem geeignet programmierten Allzweckmikroprozessor oder einem feldprogrammierbaren Gate-Array oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung. Bei diesem Beispiel wird die Funktionalität des Kontrollers 20 von einem geeignet programmierten Mikrokontroller der Marke Atmel Tiny44^TM wahrgenommen.
Das Elektrodenmuster auf dem Substrat 15 kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken (beispielsweise Lithografie, Aufbringung oder Ätztechniken) bereitgestellt werden. Das Substrat 14 ist in diesem Beispiel aus einem herkömmlichen starren Leiterplattenmaterial (PCB Printed Circuit Board) gefertigt, wobei die Elektroden aus einer Kupferschicht gebildet sind, die auf herkömmliche Weise aufgebracht ist. Bei anderen Beispielen kann das Substrat flexibel sein. Das Substrat kann darüber hinaus aus einem transparenten Kunststoffmaterial sein, so beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), wobei die das Elektrodenmuster umfassenden Elektroden aus einem transparenten leitfähigen Material, so beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO), gebildet sein können. In diesen Fällen ist der empfindliche Bereich des Sensors als Ganzes transparent. Dies bedeutet, dass der Sensor beispielsweise vollständig von hinten beleuchtet oder über eine darunter liegende Anzeige ohne Verdunkelung eingesetzt werden kann.
Der Sensor 12 beinhaltet darüber hinaus eine Schutzringelektrode 15. Diese ist auf dem Substrat 14 angeordnet und läuft um den Großteil des Umfanges des empfindlichen Be reiches herum, der durch die Anordnung der Antriebs- und Erfassungselektroden bereitgestellt ist. Die Schutzringelektrode 15 ist mit einem Systembezugspotenzial G (beispielsweise Masse/Erde) verbunden. Der Schutzring unterstützt das Festlegen eines sauberen „Randes” an dem empfindlichen Bereich durch Bilden einer Senke für elektrische Streufelder und stellt darüber hinaus einen gewissen Schutz gegen den Aufbau einer elektrostatischen Ladung und Entladung dar, da er eine direkte Verbindung zur Masse herstellt, wodurch die Erfassungs- und Antriebskanäle überbrückt werden.
Die Abmessungen der Merkmale des in 2 dargestellten Sensors 12 können in Bruchteilen der charakteristischen Gesamterstreckung W des Sensors ausgedrückt werden. So können einige Abmessungen vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Dicke T einer über dem Sensor liegenden Abdeckplatte bestimmt werden.
So weist beispielsweise der empfindliche Bereich des in 2 gezeigten Sensors 12 eigentlich die Form eines Quadrates mit runden Ecken auf. Daher ist die lineare Erstreckung des Sensors in beiden Richtungen X und Y gleich. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass sich die empfindliche Fläche über einen Großteil des Bereiches des Substrates 14 erstreckt, weshalb die charakteristische Erstreckung des empfindlichen Bereiches weitgehend der Größe des Substrates entspricht. Bei diesem Beispiel ist das Substrat quadratisch mit einer Gesamtbreite W von 16 mm. In anderen Fallen kann das Substrat wesentlich größer als die Erstreckung des empfindlichen Bereiches des Sensors sein (beispielsweise deswegen, weil es weitere Sensoren oder elektronische Bauelemente trägt). In diesen Fällen kann die charakteristische Erstreckung W des Sensors derart gewählt werden, dass diese die Erstreckung der Sensorelektrode selbst ist, oder beispielsweise der Abstand zwischen der Schutzringelektrode 15 an entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten des empfindlichen Bereiches. Des Weiteren wird bei diesem Beispiel davon ausgegangen, dass der Sensor hinter einer Abdeckplatte mit einer Dicke von 1,5 mm befindlich ist.
Der in 2 gezeigte beispielhafte Sensor weist folgende Abmessungen für die verschiedenen Elemente auf (Es handelt sich hierbei um Abmessungen entlang der Linien parallel zu den X- und Y-Richtungen). Der Abstand zwischen dem Rand des Substrates 14 und der Schutzringelektrode 15 beträgt 0,25 mm. Wie vorstehend ausgeführt worden ist, ist dieser Abstand in keinster Weise für den Betrieb des Sensors von Bedeutung. Die Dicke der Schutzringelektrode 15 beträgt 0,2 mm. Diese Abmessung ist für den Betrieb des Sensors ebenfalls nicht von Bedeutung. So kann die Schutzringelektrode beispiels weise in einem Ausmaß sehr viel breiter sein, dass sie in der Praxis zu einer Masseebene wird, wobei dann der empfindliche Bereich des Sensors in einer Öffnung innerhalb der Masseebene befindlich ist. Die Schutzringelektrode 15 ist von der Sensorelektrode um 0,38 mm getrennt. Dieser Abstand ist als annähernd gleich T/4 gewählt (wobei T die Dicke von 1,5 mm der überlappenden Abdeckplatte ist) und liegt in diesem Beispiel bei etwa W/40 (wobei W die charakteristische Gesamtbreite des empfindlichen Bereiches ist). Bei anderen Beispielen kann die Trennung zwischen der Schutzringelektrode 15 und der Sensorelektrode R vergleichsweise breiter oder schmäler sein, so beispielsweise eine Größe von zwischen T/8 und T/2 aufweisen.
Man betrachte nunmehr eine gedachte Linie, die parallel zur X-Richtung verläuft und durch die oberen beiden Antriebselektroden E1, E2 des in 2 gezeigten Sensors 12 hindurchgeht. Bei einer Bewegung entlang der Linie von links nach rechts (bei der in 2 gezeigten Orientierung) schneidet die Linie die Erfassungselektrode R an drei Stellen (nämlich links von der Antriebselektrode E1, zwischen den Antriebselektroden E1 und E2 und rechts von der Antriebselektrode E2). Die Breiten dieser drei Segmente der Erfassungselektrode R entlang der gedachten Linie sind bei diesem Beispiel gleich und betragen jeweils 1,62 mm. Dies ist annähernd gleich W/10. Bei einem weiteren Beispiel kann der Sensor derart angeordnet sein, dass diese Segmente der Erfassungselektrode vergleichsweise breiter oder schmäler sind, das heißt mit Breiten zwischen W/5 und W/20. Darüber hinaus müssen nicht alle die gleiche Breite aufweisen. Die Antriebselektroden weisen bei diesem Beispiel zudem dieselben Breiten entlang der gedachten Linie auf, wobei diese Breiten bei etwa 3,24 mm liegen. Dies ist annähernd gleich W/5. Bei weiteren Beispielen können diese Abmessungen vergleichsweise größer oder kleiner sein, so beispielsweise zwischen W/3 und W/10.
Die Spalten in der Elektrodenmusterung zwischen den Antriebselektroden und den Erfassungselektroden entlang der gedachten Linie liegen bei diesem Beispiel alle bei 0,75 mm. Dieser Abstand ist derart ausgewählt, dass er annähernd gleich T/2 ist, was hier in etwa W/20 entspricht. Bei weiteren Beispielen können diese Spalte im Vergleich breiter oder schmäler sein, so beispielsweise mit einer Größe zwischen T/4 und T. Es können beispielsweise auch kleinere Spalte geeignet sein, bei denen ein vergleichsweise hoher Grad von Masseladung in der Umgebung der Elektroden vorhanden ist.
Bei diesem Beispiel weist der Sensor eine hochgradige Symmetrie auf, weshalb die charakteristischen Abmessungen in X- und Y-Richtungen gleich sind. Dies muss bei anderen Beispielen jedoch nicht so sein.
Es ist einsichtig, dass die vorgenannten Abmessungen nur angegeben sind, um eine Vorstellung von den typischen Größen zu liefern, die verwendet werden können und die, wie man herausgefunden hat, eine hohe Empfindlichkeit und Linearität bei einem vergleichsweise kleinen und kompakten Sensor ermöglichen. Die verschiedenen Elemente der anderen Sensoren entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindung können andere Grollen aufweisen, und zwar sowohl absolut wie auch relativ zueinander. Bei einem Sensor beispielsweise, der die zweifache Größe des in 2 gezeigten Sensors aufweist (beispielsweise mit einer charakteristischen Breite von etwa 30 mm) können die Abmessungen der verschiedenen Elemente insgesamt bei etwa der doppelten Größe liegen. Es können jedoch auch Differenzen vorhanden sein. Ist beispielsweise ein Sensor, der doppelt so groß ist, dennoch unter einer Abdeckplatte mit einer Dicke von 1,5 mm angeordnet, so kann bevorzugt sein, die Spalte zwischen den Antriebs- und Erfassungselektroden sowie zwischen der Erfassungselektrode und der Schutzringelektrode bei etwa 0,75 mm (T/2) beziehungsweise 0,38 mm (T/4) beizubehalten. Die anderen Elemente (beispielsweise Antriebselemente und die verschiedenen Segmente der Erfassungselektrode) können daher im Vergleich größer sein. Im Allgemeinen wird eine empirische Analyse oder Modellbildung vorgenommen, um die am besten geeigneten Abmessungen für einen gegebenen Sensoraufbau zu ermitteln (beispielsweise für eine gegebene charakteristische Größe, für verwendete Materialien (beispielsweise die dielektrische Konstante der Abdeckplatte) und dergleichen mehr).
3 zeigt schematisch den Sensor 12 von 2 in einer Vertikalschnittansicht. Der Sensor ist innerhalb einer Montierstruktur montiert gezeigt, die von einer gesteuerten Vorrichtung (beispielsweise einem Mobiltelefon oder einem Medienabspielgerät) bereitgestellt wird. Die Montierstruktur umfasst einen Basisteil 36 und umgebende Wandteile 36A. Der Basisteil 36 kann beispielsweise eine Leiterplatte der gesteuerten Vorrichtung sein. Die Wandteile 36A können Teile eines äußeren Gehäuses der gesteuerten Vorrichtung sein. Die Teile des Sensors, die vorstehend anhand 2 beschrieben worden sind, beinhalten, wie in 3 gezeigt ist, das Sensorsubstrat 14, die Elektrodenmusterung, die die Antriebs- und Erfassungselektroden umfasst, sowie den mechanischen Schalter 16.
Die Elektrodenmusterung mit den Antriebs- und Erfassungselektroden ist in 3 allgemein mit dem Bezugszeichen (E, R) bezeichnet. Es ist einsichtig, dass die Musterung in 3 stark schematisch dargestellt ist, da diese vom Layout her nicht einem bestimmten Teil des in 2 gezeigten Musters entspricht und darüber hinaus dicker dargestellt ist, als dies im Vergleich zu den anderen Elementen des Sensors üblicherweise der Fall ist.
Zudem ist in 3 eine Schutzabdeckungsplatte 38 gezeigt, die eine Dicke T (hier etwa 1,5 mm) aufweist. Diese haftet über den Antriebs- und Erfassungselektroden (E, R) auf herkömmliche Weise. Die Abdeckplatte ist hierbei aus Glas. Bei anderen Beispielen kann die Abdeckplatte aus einem anderen Material sein, so beispielsweise aus PMMA, PVC, Polykarbonat, ABS und dergleichen mehr. Eine dielektrische Konstante von mehr als 2,5 wird bei dieser Abdeckplatte bevorzugt.
Weitere Elemente des in 3 gezeigten Sensors 12 sind eine Masseplatte 30, eine bewegungsfähige Plattform 32 und Vorspannelemente, in diesem Fall Federn, 34.
Die Masseebene 30 ist ein Bereich aus einem leitfähigen Material, der an der Unterseitenseite des Substrates 14 montiert ist (beispielsweise der Seite entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu der Seite, an der die Antriebs- und Erfassungselektroden montiert sind) und erstreckt sich über einen Bereich, der weitgehend dem empfindlichen Bereich des Sensors entspricht (das heißt bei diesem Beispiel über den Großteil des Substrates). Die Masseebene 30 weist den Vorteil des Abschirmens der Antriebs- und Erfassungselektroden vor einer beliebigen darunter liegenden Schaltung auf. Der Sensor ist gegenüber der Anwesenheit einer nahegelegenen Schaltung vergleichsweise robust, wobei der Sensor im Betrieb gleichwohl in gewissem Ausmaß von Änderungen in der nahegelegenen Schaltung betroffen sein kann. Dies tritt dann auf, wenn der Sensor innerhalb der Montierstruktur, wie nachstehend noch erläutert wird, bewegt wird, da sich die Trennung hiervon von der nahegelegenen Schaltung dem Ort nach ändert. Diese Änderung der Umgebung kann den Betrieb des Sensors durch Modifizieren der jeweiligen Charakteristika beeinflussen. Das Vorhandensein der Masseebene 30, die mit einer Systemmasse G verbunden ist, trägt zur Verminderung dieser Effekte bei. Die Masseebene kann ein gleichmäßig gefüllter Bereich sein, umfasst jedoch in diesem Fall ein Netzmuster. Die Masseebene 30 beinhaltet des Weiteren offene Kanäle (in 3 nicht sichtbar), entlang derer Verbindungen zwischen dem Kontroller 20 und den jeweiligen Elektroden vor einer Verbindung mit den jeweiligen Elektroden mittels Durchgängen in dem Substrat geroutet werden können.
Die Routingverbindungen L1, L2, L3, L4, L5 können weitgehend einem beliebigen geeigneten Weg folgen. Gleichwohl können die Auswirkungen der Routingverbindungen L1, L2, L3, L4, L5 auf den Betrieb des Sensors minimiert werden, wenn einige Überlegungen in Sachen Routing miteinbezogen werden. So können beispielsweise die Routingverbindungen zu den jeweiligen Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 vorzugsweise derart geroutet werden, dass sie nicht unter irgendeiner von den anderen Antriebselektroden verlaufen. Zudem kann, wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, die Routingverbindung L1 zu der Antriebselektrode E1 nicht in einer geraden Linie direkt unter der Antriebselektrode E3 verlaufen, sondern kann sich um diese herum „kragenartig” erstrecken. Die Routingverbindung L5 zu der Erfassungselektrode R ist gegenüber einer Störung stärker anfällig. Wann immer möglich, sollte die Routingverbindung L5 vorzugsweise nicht in unmittelbarer Nähe zu den Masseebenen verlaufen, sondern so weit als möglich von den anderen Routingverbindungen getrennt sein. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, die Routingverbindung zu der Erfassungselektrode von Routingverbindungen zu den Antriebselektroden um wenigstens die doppelte Breite der Routingverbindung zu der Erfassungselektrode zu beabstanden. Es kann zudem von Vorteil sein, wenn die Routingverbindung zu der Erfassungselektrode R auf einer Schicht ausgebildet ist, die bei einer Betrachtung durch ein sich näherndes zeigendes Objekt (in dem Ausmaß, in dem sich dieses über der Erfassungselektrode bewegt) nicht vorderhalb von der Erfassungselektrode ist. Verbindungen zwischen beweglichen Teilen des Sensors 12 (so beispielsweise Substrat, Antriebs- und Erfassungselektroden und dergleichen mehr) und die festen unbeweglichen Teile des Sensors (so beispielsweise der Kontroller 20) können über einen herkömmlichen flexiblen Verbinder hergestellt sein, so beispielsweise einen Schleifenverbinder (ribbon connector)(in dem Ausmaß, in dem der Kontroller nicht auch an dem beweglichen Substrat montiert ist).
Die bewegungsfähige Plattform 32 unterstützt die vorgenannten Elemente des Sensors 12. Die bewegungsfähige Plattform ist elastisch derart an der Montierstruktur 36, 36A montiert, dass sie in ihrer Bewegung in gewissem Ausmaß innerhalb der Montierstruktur frei ist. In 3 ist die elastische Montierung schematisch als Paar von Spiralfedern bzw. Schraubenfedern 34 gezeigt, die die bewegungsfähige Plattform mit dem Montierstrukturbasisteil 36 verbinden. Bei anderen Beispielen können andere elastische Elemente verwendet werden, oder es können alternative Mittel zum Montieren des Sensors eingesetzt werden. So kann sich beispielsweise eine flexible Abdeckplatte (Membran) über dem Sensor zwischen den Montierstrukturwandteilen 36A erstrecken. Dies bringt den Vorteil, dass eine einfache versiegelte bzw. abgedichtete äußere Oberfläche bereitgestellt ist. Eine derartige flexible Abdeckplatte (Membran) kann ebenfalls die Abdeckplatte 38 des Sensors, siehe 3, ersetzen und die bewegungsfähige Plattform 32 (und die zugehörigen Federn 34) redundant machen.
Der mechanische Schalter 16 ist an dem Montierstrukturbasisteil 36 montiert und liegt unter der bewegungsfähigen Plattform 32. Der mechanische Schalter 16 ist derart angeordnet, dass er aktiviert wird, wenn die Plattform aus ihrer normalerweise elastisch vorgespannten Position innerhalb der Montierstruktur 36, 36B durch ein zeigendes Objekt, das Druck auf die Abdeckplatte ausübt, bewegt wird. Der mechanische Schalter 16 ist ein herkömmlicher verformbarer Schalter vom Kuppeltyp. Er stellt einen galvanischen Kontakt beim Schließen durch eine Kompression bereit. Üblicherweise stellt diese Art von mechanischem Schalter für einen Anwender eine mechanische „klickartige” Rückmeldung beim Zusammendrücken bereit. Andere Arten von mechanischem Schalter (beispielsweise Schalter auf Grundlage eines mechanischen Druckes) können bei anderen Beispielen Verwendung finden, so beispielsweise ein Krafterfassungswiderstandsschalter, ein optischer Unterbrecherschalter, ein piezoelektrischer Kristallschalter oder ein kapazitiver Schalter, der durch Erfassen von zwei leitfähigen Platten betätigt wird, die sich relativ zueinander als Ergebnis eines Drückens bewegen. Derartige nichtgalvanische Arten von Schaltern können eine lange Lebensdauer aufweisen, da sie vergleichsweise unempfindlich gegenüber Korrosion, Oxidation oder Feuchtigkeitseffekten wie auch gegenüber der Arbeitsbeanspruchung sind.
Bei diesem Beispiel ist der mechanische Schalter 16 ein herkömmlicher leitfähiger Schalter vom Gummikuppeltyp. Andere Arten von Kuppelschaltern können jedoch ebenfalls verwendet werden, so beispielsweise Metallkuppelschalter, leitfähige Kunststoffkuppelschalter, taktile Tasten, Membrantasten oder andere elektromechanische Schaltvorrichtungen mit oder ohne taktile Rückmeldung. Derartige mechanische Schalter sind allgemein derart ausgestaltet, dass sie in ihre Ausgangsform zurückkehren, wenn keine Kraft mehr auf sie ausgeübt wird. Dies bedeutet, dass der Schalter selbst das elastische Montierelement für die bewegungsfähige Plattform bilden kann und dass kein Bedarf an zusätzlichen Mitteln, so beispielsweise den Federn 34, wie in 3 gezeigt ist, besteht.
Damit ist der Sensor 12 bei seiner Bewegung innerhalb der Montierstruktur 36, 38 frei, wenn ein Drücken durch einen Anwender erfolgt. Ein (nicht maßstabsgetreuer) Finger eines Anwenders ist in 3 benachbart zu dem Sensor 12 gezeigt, wobei er hier noch keine mechanische Kraft auf den Sensor ausübt. Damit bleibt der Sensor in seiner normalen elastisch vorgespannten Position, wobei der mechanische Schalter in einem offenen Zustand ist. Der Sensor kann in dieser Position gegen die Vorspannkraft gehalten werden, die von den Federn 34 bereitgestellt wird, und zwar vermöge mechanischer Anschläge, die in 3 nicht gezeigt sind. So kann beispielsweise eine elastische Versiegelungsdichtung zwischen der bewegungsfähigen Plattform und den Montierstrukturwandteilen 36A vorgesehen werden. Diese Dichtung kann erweiterbar sein, sodass die Versiegelung bzw. Abdichtung erhalten bleibt, wenn sich die bewegungsfähige Plattform 32 innerhalb der Montierstruktur 36, 36A bewegt.
4 und 5 sind ähnlich zu 3 und sind auf Grundlage letzterer verständlich. Der Sensor ist in 4 und 5 jedoch in einem Zustand gezeigt, in dem der Finger des Anwenders einen Druck ausübt, um die Vorspannung der Federn 34 zu überwinden (sowie eine gegebenenfalls vorhandene Elastizität des mechanischen Schalters), damit sich der Sensor innerhalb der Montierstruktur bewegt. In 4 ist gezeigt, wie der Anwender in der Nähe der Mitte des Sensors drückt. Der Sensor bewegt sich dann als Ganzes innerhalb der Montierstruktur entlang der Druckrichtung. In 5 ist gezeigt, wie der Anwender in der Nähe eines Randes des Sensors drückt. Der Sensor schwenkt dann um seine Mitte. In beiden Fällen bewegt sich der Sensor derart ausreichend (üblicherweise einige wenige Millimeter oder weniger), dass der mechanische Schalter nach unten gedrückt und aktiviert wird. Obwohl in 3 bis 5 nicht gezeigt, können mechanische Anschläge (beispielsweise starre oder elastische Abstandshalter) vorgesehen sein, um zu verhindern, dass der Anwender den Sensor in der Montierstruktur zu weit bewegt, so beispielweise um zu verhindern, dass der mechanische Schalter beschädigt wird.
Wie in der Schaltung 18, die dem mechanischen Schalter 16 zugeordnet ist, gezeigt ist (siehe 2), ist dann, wenn der mechanische Schalter in einem offenen Zustand (wie in 3) befindlich ist, die an dem dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B gesehene Spannung die Versorgungsspannung +V. Dies rührt daher, dass die Eingabe für den dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B von der Verbindung zu der Versorgungsspannung +V durch den Widerstand ρ1 hochgezogen wird. Wenn jedoch der mechanische Schalter in einem geschlossenen Zustand (sie he 4 und 5) befindlich ist, so beträgt die an dem dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B gesehene Spannung nur einen Bruchteil der Versorgungsspannung +V. Dies rührt daher, dass die Eingabe für den dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B eigentlich mit einem Abgreifpunkt in einem Spannungsteiler verbunden ist, der von den Widerständen ρ1 und ρ2 bereitgestellt wird, die eine Reihenverbindung von der Versorgungsspannung +V zu der Masse G durch den nunmehr geschlossenen mechanischen Schalter 16 bereitstellen. Bei diesem Beispiel weisen die Widerstände ρ1 und ρ2 Werte von ungefähr 1 MΩ beziehungsweise 100 kΩ auf. Wenn daher der mechanische Schalter 16 geschlossen wird, liegt die Spannung an dem Eingang zu dem dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B bei annähernd +V/10. Daher kann der dem mechanischen Schalter zugeordnete Erfassungskanal B ein einfaches Voltmeter oder einen Vergleicher bzw. Komparator umfassen, um zu bestimmen, ob der mechanische Schalter offen oder geschlossen ist, und zwar auf Grundlage der daran anliegenden Spannung. Daher ist die Verarbeitungseinheit in dem Kontroller in der Lage, von dem dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B ein Signal zu empfangen, das angibt, ob der mechanische Schalter aktiviert ist, und ein geeignetes Ausgabesignal O entsprechend setzen.
Die Betriebsweise des in 2 gezeigten Sensors 12 bei der Bestimmung einer Position eines benachbarten Objektes wird nachstehend beschrieben.
Während der Sensor 2, der in 1 gezeigt ist, auf passiven kapazitiven Erfassungstechniken beruht, beruht der Sensor 12 auf etwas, das man aktive kapazitive Erfassungstechniken nennen könnte. Insbesondere beruht der Sensor 12 auf der Messung des Grades der kapazitiven Kopplung zwischen zwei Elektroden (in diesem Fall zwischen jeweiligen Elektroden von den Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 und der Erfassungselektrode S) anstatt zwischen einer einzelnen bewegungsfähigen Elektrode und einer Systemmasse. Die Prinzipien, die aktiven kapazitiven Erfassungstechniken zu Grunde liegen, sind in der Druckschrift US 6,452,514 [4] beschrieben. Die Inhalte der Druckschrift US 6,452,514 sind hiermit in Gänze als beschreibendes Hintergrundmaterial für die Erfindung mitaufgenommen. Bei einem Sensor vom aktiven Typ wird eine Elektrode, die sogenannte Antriebselektrode, mit einem oszillierenden Antriebssignal beschickt. Der Grad der kapazitiven Kopplung des Antriebssignals mit den Erfassungselektroden wird durch Messen der Ladungsmenge bestimmt, die an die Erfassungselektrode übertragen wird, und zwar durch das oszillierende Antriebssignal. Die Menge der übertragenen Ladung, das heißt die Stärke des an der Erfassungselektrode gesehenen Signals, ist ein Maß für die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden. Ist kein zeigendes Objekt in der Nähe der Elektroden vorhanden, so weist das gemessene Signal an der Erfassungselektrode einen Hintergrund-/Ruhewert auf. Nähert sich jedoch ein zeigendes Objekt, so beispielsweise der Finger eines Anwenders, den Elektroden (oder nähert er sich insbesondere dem Bereich, der die Elektroden trennt), so wirkt das zeigende Objekt als virtuelle Masse und bildet eine Senke für einen Teil des Antriebssignals (Ladung) von der Antriebselektrode. Dies wirkt im Sinne einer Verringerung der Stärke der Komponente des Antriebssignals in Kopplung mit der Erfassungselektrode. Damit wird durch eine Abnahme in dem gemessenen Signal an der Erfassungselektrode die Anwesenheit eines zeigenden Objektes anzeigt.
Die Betriebsweise des in 2 gezeigten Sensors 12 wird nachstehend beschrieben.
Bei Verwendung wird die Position eines Objektes in einem Messungserlangungszyklus bestimmt, in dem die Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 nacheinander von ihren jeweiligen Antriebskanälen D1, D2, D3, D4 angetrieben werden, wobei die Menge der Ladung, die an die Erfassungselektrode R von jeder der Antriebselektroden übertragen wird, durch den Erfassungskanal bestimmt wird.
6A zeigt schematisch eine Schaltung, die zum Messen der Ladung verwendet werden kann, die von einer angetriebenen von den Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 an die Erfassungselektrode S übertragen wird. Wie nachstehend zumindest in gewisser Hinsicht im Zusammenhang mit diskreten Schaltungselementen noch beschrieben wird, wird, wie vorstehend ausgeführt worden ist, die gesamte Schaltungsfunktionalität in dem in 2 gezeigten Sensor 12 primär durch einen geeignet programmierten Mikrokontroller bereitgestellt.
Die Antriebselektrode, die zu einem gegebenen Zeitpunkt angetrieben wird (nachstehend allgemein als Antriebselektrode E bezeichnet), und die Erfassungselektrode R weisen eine gleiche (wechselseitige) Kapazitanz auf. Diese ergibt sich hauptsächlich aus ihren Geometrien, insbesondere in denjenigen Gebieten, in denen sie zueinander am nächsten sind. Damit ist die angetriebene Antriebselektrode E schematisch als eine erste Platte eines Kondensators 105 gezeigt, während die Erfassungselektrode R schematisch als eine zweite Platte R des Kondensators 105 gezeigt ist. Die Schaltung von dem in 6A gezeigten Typ wird eingehender in der Druckschrift US 6,452,514 [4] beschrieben. Die Schaltung basiert teilweise auf einer Ladungstransfervorrichtung (QT Charge Transfer Apparatus) sowie auf Verfahren, die in der US-Druckschrift 5,730,165 [1] beschrieben werden, deren Offenbarung hiermit durch Verweisung mitaufgenommen ist.
Der Antriebskanal, der der aktuell angetriebenen Elektrode E zugeordnet ist (nachstehend allgemein Antriebskanal D genannt), der Erfassungskanal S, der der Erfassungselektrode R zugeordnet ist, und andere Elemente der Sensorkontrollers 20 sind schematisch als kombinierte Verarbeitungsschaltung 400 in 6A dargestellt. Die Verarbeitungsschaltung 400 umfasst einen Abtastschalter 401, einen Ladungsintegrator 402 (der hier als einfacher Kondensator dargestellt ist), einen Verstärker 403 und einen Rücksetzschalter 404 und kann zudem optionale Ladungsbeseitigungsmittel 405 umfassen. Die zeitlichen Beziehungen zwischen dem Antriebssignal, das an der angetriebenen Elektrode E von dem Antriebskanal D aus anliegt, und der Abtastzeiteinstellung des Schalters 401 ist schematisch in 6B gezeigt. Der Antriebskanal D und der Abtastschalter 401 werden mit einem geeigneten Synchronisiermittel (beispielsweise gemeinsamen Taktpulsen) versorgt, damit die genannte Beziehung aufrechterhalten bleibt. Bei der gezeigten Implementierung ist der Rücksetzschalter 404 anfänglich geschlossen, um den Ladungsintegrator 402 in einen bekannten Anfangszustand (beispielsweise 0 V) zurückzusetzen. Der Rücksetzschalter 404 wird anschließend geöffnet, wobei eine gewisse Zeit danach der Abtastschalter 401 mit dem Ladungsintegrator 402 über einen Anschluss 1 des Schalters während eines Intervalls verbunden ist, während dem der Antriebskanal D einen positiven Übergang emittiert, wobei anschließend einen Wiederverbindung mit dem Anschluss 0 erfolgt, der eine elektrische Masse oder ein anderes geeignetes Bezugspotenzial darstellt. Das Antriebssignal aus dem Antriebskanal D kehrt anschließend zur Masse zurück, und der Prozess wird insgesamt „n” Zyklen wiederholt (wobei n gleich 1 (das heißt 0 Wiederholungen), gleich 2 (1 Wiederholung), gleich 3 (2 Wiederholungen) und dergleichen mehr sein kann). Es kann hilfreich sein, wenn das Antriebssignal nicht zur Masse zurückkehrt, bevor der Ladungsintegrator von der Erfassungselektrode getrennt wird, da andernfalls eine gleiche und entgegengesetzte Ladung in den Erfassungskanal hinein oder aus diesem heraus während positiver und negativer verlaufender Kanten fließen könnte, was zu keiner Nettoübertragung von Ladung in den Ladungsdetektor hinein führen würde. Im Anschluss an die gewünschte Anzahl von Zyklen wird der Abtastschalter 401 an der Position 0 gehalten, während die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 durch ein Messmittel 407 gemessen wird, das einen Verstärker, einen ADC oder eine andere Schaltung enthält, die bei der jeweiligen konkreten Ausgestaltung von Nöten ist. Nach Aufnahme der Messung wird der Rücksetzschalter 404 erneut geschlossen, und der Zyklus wird erneut gestartet, dies jedoch mit dem nächsten Antriebskanal (beispielsweise D1, D2, D3 oder D4) und der entsprechenden Antriebselektrode (beispielsweise E1, E2, E3, E4) in der Erlangungszyklussequenz unter Ersetzung des Antriebskanals D und der Antriebselektrode E, wie schematisch in 6A gezeigt ist. Der Prozess des Durchführens einer Messung für eine gegebene Antriebselektrode wird hier als ein „Mess-Burst” der Länge „n” bezeichnet, wobei „n” in einem Bereich zwischen 1 und einer beliebigen endlichen Zahl liegen kann. Die Empfindlichkeit der Schaltung steht in direkter Beziehung zu „n” und ist umgekehrt zu dem Wert des Ladungsintegrators 402.
Es ist einsichtig, dass das mit 402 bezeichnete Schaltungselement (Abtastkondensator C_S) eine Ladungsintegrationsfunktion wahrnimmt, die auch von anderen Mitteln wahrgenommen werden könnte, und dass diese Art von Schaltung nicht auf die Verwendung eines massebezogenen Kondensators, wie er bei 402 gezeigt ist, beschränkt ist. Es ist gleichermaßen einsichtig, dass der Ladungsintegrator 402 ein Operationsverstärker auf Grundlage eines Integrators zum Integrieren des Ladungsflusses durch die Erfassungsschaltung sein kann. Derartige Integratoren verwenden ebenfalls Kondensatoren zur Speicherung der Ladung. Man beachte, dass ungeachtet dessen, dass Integratoren der Schaltung mehr Komplexität hinzufügen, diese eine ideale Summierübergangslast (summing junction load) für die Erfassungsströme wie auch einen dynamischeren Bereich bereitstellen. Wird ein Niedergeschwindigkeitsintegrator eingesetzt, so kann die Verwendung eines separaten Kondensators an der Position 402 von Nöten sein, um vorübergehend die Ladung mit hoher Geschwindigkeit zu speichern, bis der Integrator diese zum rechten Zeitpunkt aufnehmen kann, wobei jedoch der Wert eines derartigen Kondensators im Vergleich zu einem Wert des Integrationskondensators, der in den operationsverstärkerbasierten Integrator eingebaut ist, vergleichsweise unkritisch ist.
Die Nützlichkeit eines Signalbeseitigungsmittels 406 ist in der Druckschrift US 4,879,461 [5] und in der Druckschrift US 5,730,165 beschrieben. Die Offenbarung der Druckschrift US 4,879,461 ist hiermit durch Verweisung mitaufgenommen. Der Zweck der Signalbeseitigung besteht in der Verringerung des Aufbaus einer Spannung (das heißt Ladung) an dem Ladungsintegrator 402 gleichzeitig mit der Erzeugung eines jeden Burst (positiv laufender Übergang des Antriebskanals), um so eine größere Kopplung zwischen den Antriebselektroden und den empfangenden Erfassungselektroden zu ermöglichen. Eine Ladungsbeseitigung ermöglicht die Messung des Ausmaßes der Kopplung mit größerer Linearität, da die Linearität von der Fähigkeit der gekoppelten Ladung von der Antriebselektrode E zu der Erfassungselektrode R im Sinne einer Senke zu einem „virtuellen Masseknoten” während eines Burst abhängt. Kann die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 während des Verlaufes eines Burst merklich ansteigen, so kann die Spannung auf eine umgekehrte exponenzielle Weise ansteigen. Diese exponenzielle Komponente hat eine nachteilige Wirkung auf die Linearität und daher auf den verfügbaren dynamischen Bereich.
6A und 6B zeigen nur ein Beispiel einer Schaltung, die bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden kann. Eine weitere bekannte Schaltung, die bei einer aktiven Elektrodenkapazitanzmessschaltung verwendet wird, kann gleichfalls eingesetzt werden, so beispielsweise eine Schaltung, wie sie in der Druckschrift US 5,648,642 [6] beschrieben ist. Im Prinzip kann die dem Erfassungskanal S zugeordnete Erfassungsschaltung etwas derart einfaches wie ein Strommesser sein, der dafür ausgestaltet ist, den RSM-Strom (RMS Root Mean Square)(beispielsweise ein Voltmeter, das zum Messen eines RMS-Spannungsabfalls über einem Widerstand ausgelegt ist) eines Signals zu messen, das mit der Erfassungselektrode S von der Antriebselektrode D gekoppelt ist.
Die Betriebsweise der in 6A und 6B gezeigten Schaltungen kann wie folgt zusammengefasst werden. Bei Aktivierung führt der aktuelle Antriebskanal D (der einer von den Kanälen D1, D2, D3 oder D4 ist, was von der Position in der Messsequenz bzw. dem Erlangungszyklus abhängt) ein zeitlich variables Antriebssignal der zugehörigen Antriebselektrode E (die eine von den Elektroden E1, E2, E3 oder E4 sein kann) zu. Der Antriebskanal D kann ein einfaches CMOS-Logikgatter umfassen, das von einer herkömmlich regulierten Versorgung gespeist und von dem Sensorkontroller 20 gesteuert wird, um eine periodische Mehrzahl von Spannungspulsen mit ausgewählter Dauer (bei einer einfachen Implementierung ein einfacher Übergang einer Spannung von niedrig nach hoch und von hoch nach niedrig, das heißt ein Burst eines Pulses) bereitzustellen. Alternativ kann der Antriebskanal D einen Sinusgenerator oder einen Generator einer zyklischen Spannung mit einer anderen geeigneten Wellenform umfassen. Damit wird ein sich änderndes elektrisches Feld an den steigenden und fallenden Kanten des Zuges der Spannungszyklen erzeugt, das der Antriebselektrode E zugeführt wird. Die Antriebselektrode E und die Erfassungselektrode R wirken, so glaubt man, als entgegengesetzte Platten eines Kondensators mit einer Kapazitanz C_E. Da die Erfassungselektrode kapazitiv mit der Antriebselektrode E gekoppelt ist, nimmt sie das sich ändernde elektrische Feld, das von der Antriebselektrode E erzeugt wird auf oder bildet eine Senke für dieses. Dies führt zu einem Stromfluss in der Erfassungselektrode R infolge der Induktion durch die sich ändernde Spannung an der Antriebselektrode D durch die kapazitive Differenzierung der sich ändernden elektrischen Felder. Der Strom fließt zu dem Erfassungskanal S in dem Kontroller 20 (oder von diesem weg, was von der Polarität abhängt). Wie vorstehend ausgeführt worden ist, kann der Erfassungskanal S eine Ladungsmessschaltung umfassen, die dafür ausgelegt ist, den Fluss von Ladung in den Erfassungskanal hinein oder aus diesem heraus (was von der Polarität abhängt) infolge der Ströme der Induktion in der Erfassungselektrode zu messen.
Die kapazitive Differenzierung erfolgt durch den gleichungsdominierenden Stromfluss durch einen Kondensator auf folgende Weise: IE = CE × dV/dt
Hierbei ist I_E der instantane Stromfluss zu dem Erfassungskanal S und dV/dt die Änderungsrate der an der Antriebselektrode E anliegenden Spannung. Die Menge der mit der Erfassungselektrode R gekoppelten Ladung (und damit in den Erfassungskanal S hinein oder aus diesem heraus) während eines Kantenübergangs ist das Integral der vorstehenden Gleichung in Abhängigkeit von der Zeit, das heißt: QE = CE × V
Die an jedem Übergang Q_E gekoppelte Ladung hängt nicht von der Anstiegszeit von V (das heißt dV/dt) ab, sondern hängt nur von dem Spannungsausschlag an der Antriebselektrode E (der einfach fixiert werden kann) und der Größe der Kopplungskapazitanz C_E zwischen der Antriebselektrode D und der Erfassungselektrode E ab. Damit ist eine Bestimmung der Ladung der Kopplung in den Ladungsdetektor hinein oder aus diesem heraus mit dem Erfassungskanal S in Reaktion auf Änderungen des an der Antriebselektrode E anliegenden Antriebssignals ein Maß für die Kopplungskapazitanz C_E zwischen der Antriebselektrode E und der Erfassungselektrode R.
Die Kapazitanz eines herkömmlichen Kondensators mit parallelen Platten ist von den elektrischen Eigenschaften des Gebietes außerhalb des Raumes zwischen den Platten (wenigstens bei Platten, die im Vergleich zu ihrem Abstand der Erstreckung nach groß sind) nahezu unabhängig. Gleichwohl ist dies nicht bei einem Kondensator der Fall, der benachbarte Elektroden in einer Ebene aufweist (beispielsweise bei einem Kondensator, der eine von den Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 und die Erfassungselektrode R des Sensors 12, siehe 2, umfasst). Dies rührt daher, dass wenigstens einige der elektrischen Felder, die die Antriebselektrode E und die Erfassungselektrode R verbinden, aus dem Substrat „herausquillen”. Dies bedeutet, dass die kapazitive Kopplung (das heißt die Größe von C_E) zwischen den jeweiligen Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 und der Erfassungselektrode R in gewissem Ausmaß empfindlich gegenüber den elektrischen Eigenschaften des Gebietes in der Umgebung der Elektroden ist, in die sich das „herausquillende” elektrische Feld hinein erstreckt.
Bei Nichtvorhandensein von anderen benachbarten Objekten ist die Größe der jeweiligen Werte der Kapazitanz C_E zwischen den verschiedenen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode primär durch die Geometrie der Elektroden sowie durch die Dicke und die dielektrische Konstante des Sensorsubstrates und der darüber liegenden Abdeckplatte bestimmt. Ist jedoch ein Objekt, so beispielsweise ein zeigender Finger, in dem Gebiet außerhalb des Substrates vorhanden, in das das elektrische Feld hineinquillt, so kann das elektrische Feld in diesem Gebiet durch die elektrischen Eigenschaften des Objektes modifiziert werden. Dies bewirkt eine Änderung der kapazitiven Kopplung zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode und damit der gemessenen Ladung infolge der Kopplung von jeder der Antriebselektroden in den Ladungsdetektor hinein oder aus diesem heraus mit den Erfassungskanaländerungen. Darüber hinaus hängt die Größe der Änderung von der von dem zeigenden Objekt verursachten Änderung der Kapazitanzen zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode ab, was für jede Antriebselektrode in Abhängigkeit von der Position des zeigenden Objektes anders ist.
Platziert ein Anwender beispielsweise einen Finger in dem Gebiet des Raumes, das von einem Teil des herausquillenden elektrischen Feldes zwischen einer Antriebselektrode E und der Erfassungselektrode R eingenommen wird, so wird die kapazitive Kopplung der Ladung zwischen den Elektroden verringert, da der Anwender eine merkliche Kapazitanz gegenüber Masse (oder gegenüber anderen nahegelegenen Strukturen, deren Weg sich zu dem Massebezugspotenzial der das Erfassungselement steuernden Schaltung hin vervollständigt) aufweist. Die verringerte Kopplung tritt auf, da das herausquillende elektrische Feld, das üblicherweise zwischen der Antriebselektrode E und der Erfassungselektrode R eingekoppelt ist, teilweise von der Erfassungselektrode zur Masse abgeleitet wird. Dies wiederum rührt daher, dass das zeigende Objekt benachbart zu dem Sensor im Sinne einer Überbrückung (Shunt) von elektrischen Feldern weg von der direkten Kopplung zwischen den Elektroden wirkt.
7A und 7B zeigen schematisch Schnittansichten eines kleinen Gebietes des in 2 gezeigten Sensors 12, wobei hier die elektrischen Feldlinien zur Verbindung einer angetriebenen Antriebselektrode (hier die Antriebselektrode E2) und der Erfassungselektrode R schematisch gezeigt sind. Damit ist in 7A und 7B ein Schnitt des Substrates 14 mit benachbarten Abschnitten der Antriebselektrode E2 und der Erfassungselemente R gezeigt.
7A zeigt schematisch die elektrischen Felder, wenn die Antriebselektrode E2 angetrieben wird und wenn kein Objekt benachbart zu dem Sensor 12 vorhanden ist. 7B zeigt die elektrischen Felder, wenn ein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist (das heißt ein Finger 25 eines Anwenders mit einer Kapazitanz von C_X gegenüber Masse). Ist kein Objekt benachbart zu dem Sensor (7A) vorhanden, so verbinden sämtliche gezeigten elektrischen Feldlinien die Antriebselektrode E2 und die Erfassungselektrode R. Ist jedoch der Finger 25 des Anwenders benachbart zu dem Sensor 12 vorhanden, so werden einige der elektrischen Feldlinien, die außerhalb des Substrates 14 verlaufen, durch den Finger 25 mit Masse gekoppelt. Diese wenigen Feldlinien verbinden die Antriebselektrode E2 und die Erfassungselektrode R, weshalb die kapazitive Kopplung zwischen diesen verringert wird.
Damit können durch Überwachen der Menge der Ladung infolge der Kopplung zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode Änderungen des Betrages der zwischen diesen gekoppelten Ladung identifiziert und für eine Bestimmung dahingehend verwendet werden, ob ein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist (das heißt, ob sich die elektrischen Eigenschaften des Gebietes, in das sich das herausquillende Feld erstreckt, geändert haben) und falls ja, wo das Objekt auf Grundlage des relativen Ausmaßes befindlich ist, mit dem es die verschiedenen Antriebskanäle bzw. Antriebselektroden beeinflusst.
8A zeigt schematisch eine Sequenz von Antriebssignalen, die durch die Antriebskanäle D1, D2, D3, D4 zu den jeweiligen Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 des in 2 gezeigten Sensors während eines Messungserlangungszyklus zugeführt werden. 8B zeigt schematisch die Größe einer Komponente der jeweiligen Antriebssignale, siehe 8A, mit Kopplung mit der Erfassungselektrode des Sensors von 2 während eines Messungserlangungszyklus. 8C zeigt schematisch die Größe einer Eingabe spannung für einen dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal des in 2 gezeigten Sensors während eines Messungserlangungszyklus.
Die in 8A, 8B und 8C gezeigten Sequenzen sind in eine Reihe von Zeitintervallen der Dauer Δt unterteilt. Jeder Messungserlangungszyklus (das heißt eine Zeitspanne, in der eine Positionsschätzung und der Zustand des mechanischen Schalters bestimmt werden) umfasst fünf Zeitintervalle. Wie in 8A gezeigt ist, wird eine erste Messungserlangung während der Zeitintervalle Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄ und Δt₅ vorgenommen. In dem Zeitintervall Δt₁ wird der Antriebskanal D1 aktiviert, und es wird ein Antriebssignal an der Antriebselektrode E1 angelegt. In dem Zeitintervall Δt₂ wird der Antriebskanal D2 aktiviert, und es wird ein Antriebssignal an der Antriebselektrode E2 angelegt. In dem Zeitintervall Δt₃ wird der Antriebskanal D3 aktiviert, und es wird ein Antriebssignal an der Antriebselektrode E3 angelegt. In dem Zeitintervall Δt₄ wird der Antriebskanal D4 aktiviert, und es wird ein Antriebssignal an der Antriebselektrode E4 angelegt. In dem Zeitintervall Δt₅ ist keiner der Antriebskanäle aktiviert. Ein nachfolgender Messungserlangungszyklus erfolgt während der Zeitintervalle Δt₅, Δt₇, Δt₈, Δt₉ und Δt₁₀. Während dieser (und weiterer) nachfolgender Messungserlangungszyklen wird die Sequenz der Antriebssignale aus den Zeitintervallen Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄ und Δt₅ wiederholt. Wie in 8B gezeigt ist, gibt eine Punkt-Strich-Linie den Pegel des Signals mit Kopplung von den jeweiligen Antriebselektroden zu der Erfassungselektrode an, wenn kein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist. Dieser Pegel wird entsprechend der wechselseitigen Kapazitanz zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und den Erfassungselektroden bestimmt. Man geht davon aus, dass diese für jede Antriebselektrode gleich ist, was von der hochgradigen geometrischen Symmetrie herrührt.
8A, 8B und 8C werden nachstehend anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem ein Anwender das Zentroid seines Fingers über einem Punkt positioniert hat, der mit dem Bezugszeichen T, siehe 2, bezeichnet ist, und zwar an einem Punkt vor dem Zeitintervall Δt₁, seinen Finger „schwebend” über dieser Position bis zu einem Zeitpunkt P in etwa mittig während des Zeitintervalls Δt₆ hält, wobei zu der Zeit P der Anwender auf die Sensoroberfläche drückt. Es sollte einsichtig sein, dass die Abmessungen eines typischen Fingers des Anwenders derart sind, dass die Fingerspitze eine charakteristische Breite von etwa 15 mm über dem Sensor aufweist, wobei das Zentroid der Fingerspitze im Vergleich zu anderen Teilen der Fingerspitze näher an der Sensoroberfläche ist. Obwohl ein einzelner Punkt T in 2 entsprechend dem Zentroid der Fingerspitze des Anwenders markiert ist, ist im Allgemeinen eine kapazitive Kopplung zwi schen der Fingerspitze und den verschiedenen Antriebselektroden zumindest auf einem bestimmten Niveau vorhanden, was von der relativen Erstreckung der Fingerspitze im Vergleich zur charakteristischen Größe des empfindlichen Bereiches des Sensors (hier ungefähr 16 mm) herrührt.
In dem Zeitintervall Δt₁ wird ein vergleichsweise kleines Signal an dem Erfassungskanal S beobachtet, wie in 8B gezeigt ist. Dies rührt daher, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Antriebselektrode E1, die in diesem Zeitintervall angetrieben wird, und der Erfassungselektrode R stark infolge des Vorhandenseins des Fingers aufgrund von dessen Nähe gestört wird. Die Kopplung ist daher eher die in 7B gezeigte als die in 7A gezeigte.
In dem Zeitintervall Δt₂ wird demgegenüber ein stärkeres Signal an dem Erfassungskanal S beobachtet. Dies rührt daher, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Antriebselektrode E2 und der Erfassungselektrode R nicht derart stark infolge des Vorhandenseins des Fingers gestört wird. Dies wiederum rührt daher, dass diejenigen Teile der Fingerspitzen, die über dem Gebiet zwischen der Antriebselektrode E2 und der Erfassungselektrode R liegen, durchschnittlich weiter von den Elektroden entfernt als diejenigen Teile der Fingerspitze sind, die über dem Bereich zwischen der Antriebselektrode E1 und der Erfassungselektrode R liegen (aufgrund des abgerundeten Endes an der Fingerspitze). Darüber hinaus liegt über einem Teil des Gebietes zwischen der Antriebselektrode E2 und der Erfassungselektrode R der Finger gegebenenfalls überhaupt nicht. Für die charakteristische Größe eines Sensors, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist, liegt der Spaltenbereich auf der rechten Seite der Antriebselektrode E2 etwa 1 cm von dem Zentroid der Fingerspitze des Anwenders entfernt, wobei die Fingerspitze des Anwenders üblicherweise einen Radius aufweist, der kleiner als dieser Wert ist. Dies bedeutet, dass die Kopplung in diesem Bereich mehr wie diejenige in 7A und nicht wie diejenige in 7B ist (das heißt starke Kopplung des Antriebssignals), wobei die Kopplung in den Bereichen des Spaltes zwischen der Antriebselektrode E2 und der Erfassungselektrode R, worüber der Finger liegt, irgendwo zwischen dem in 7A und dem in 7B gezeigten ist.
In dem Zeitintervall Δt₃ wird ein Signal, das stärker als das in dem Zeitintervall Δt₁ beobachtete, jedoch schwächer als das in dem Zeitintervall Δt₂ beobachtete ist, beobachtet. Dies rührt daher, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Antriebselektrode E3 und der Erfassungselektrode benachbart zu R infolge des Vorhandenseins des Fingers mehr als für die Antriebselektrode E2 und weniger als für die Antriebselektrode E1 gestört wird. Dies rührt wiederum von Differenzen der relativen Nähe und dem Grad der Überlappung zwischen dem Finger und den Spaltenbereichen zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode her.
In dem Zeitintervall Δt₄ ist das Signal, das an dem Erfassungskanal beobachtet wird, stärker als das in irgendeinem der anderen Zeitintervalle. Dies rührt daher, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Antriebselektrode E4 und der Erfassungselektrode R am wenigsten durch das Vorhandensein des Fingers gestört wird, da diese Antriebselektrode am weitesten von dem Zentroid des Fingers des Anwenders entfernt ist.
Damit ist am Ende des Zeitintervalls Δt₄ der Grad der Antriebssignalkopplung zwischen den jeweiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode beobachtet worden. Ist kein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden, so weisen diese Kopplungen für jede Antriebselektrode dieselbe Größe auf (das heißt bei dem Pegel der Punkt-Strich-Linie in 8B), wobei die Pegel andere sind, wenn der Finger vorhanden ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Signalstärken S^E1, S^E2, S^E3 und S^E4 für die Elektroden E1, E2, E3 beziehungsweise E4 sind.
In dem Zeitintervall Δt₄ ist das Signal, das an dem Erfassungskanal beobachtet wird, gleich 0. Dies rührt daher, dass keine der Antriebselektroden angetrieben wird. Die Dauer des Zeitintervalls Δt₄ kann daher zur Berechnung einer Positionsschätzung aus den Kopplungssignalen S^E1, S^E2, S^E3 und S^E4 berechnet werden, die während der vorhergehenden vier Zeitintervalle beobachtet werden. Bei diesem Beispiel ist der dem mechanischen Schalter zugeordnete Erfassungskanal ebenfalls derart ausgestaltet, dass er die daran anliegende Spannung zur Bestimmung des Status des mechanischen Schalters während des Zeitintervalls Δt₄ abtastet. Diese Bestimmung ist tatsächlich eine instantane Bestimmung (das heißt eine direkte Spannungsmessung) und erfolgt – davon ist auszugehen – zu Beginn des Zeitintervalls Δt₄.
Die Verarbeitungseinheit der Sensorkontrollers 20 bestimmt bei diesem Beispiel folgendermaßen eine Positionsschätzung aus den gemessenen Kopplungssignalen S^E1, S^E2, S^E3 und S^E4 (Es sei hierbei bemerkt, dass zur einfacheren Erläuterung die Amplituden der in 8B beobachteten Signale den Grad der kapazitiven Kopplung zwischen den Antriebselektroden und den Erfassungselektroden angeben. Wie vorstehend im Zusammenhang mit 6A und 6B bemerkt worden ist, ist in der Praxis die gemessene Ausgabe des Erfassungskanals bei diesem Beispielssensor eine Schätzung der integrierten Ladung, die während eines Burst der Antriebssignale übertragen wird (beispielsweise während eines Zeitintervalls), oder für die Anzahl von Antriebssignalen, die benötigt werden, um eine übertragene Ladungsmenge auf ein Schwellenniveau anzuheben. Dies ist jedoch nicht relevant, da beide direkt von der Signalamplitude abhängen).
Bevor eine Position bestimmt wird, wird eine Bestimmung dafür vorgenommen zu entscheiden, ob ein beliebiges der gemessenen Kopplungssignale von dem Ruhekopplungssignalwert S^Q merklich verschieden ist (das heißt die Signale, die für jede Antriebselektrode beobachtet werden, wenn kein Objekt vorhanden ist, was schematisch in 8B durch die Punkt-Strich-Linie angedeutet ist), wobei ein Objekt als benachbart zu dem Sensor gilt. Sind beispielsweise die gemessenen Kopplungssignale S^E1, S^E2, S^E3 und S^E4 identisch zu S^Q oder von S^Q nur um einen Betrag verschieden, der kleiner als eine Schwelle ist, so wird bestimmt, dass kein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist, weshalb eine Nullausgabe bereitgestellt wird. Wenn sich demgegenüber wenigstens eine gemessene Signalkopplung (oder ein Durchschnitt hiervon) von dem Ruhekopplungssignalwert S^Q um mehr als einen vorbestimmten Schwellenbetrag unterscheidet, so bestimmt die Verarbeitungseinheit in dem Kontroller 20, dass ein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist, und geht zur Berechnung der Position über.
Die Positionen werden entlang der X- und Y-Richtungen getrennt voneinander auf ratiometrische Weise bestimmt.
Dabei wird die Position entlang X aus der nachfolgenden Formel bestimmt: X = (SE1 + SE3)/(SE1 + SE2 + SE3 + SE4) (1)
Demgegenüber wird die Position entlang Y aus der nachfolgenden Formel bestimmt: Y = (SE1 + SE2)/(SE1 + SE2 + SE3 + SE4) (2)
Die Positionen entlang X und Y können auf ähnliche Weise auf Grundlage der nachfolgenden Formeln bestimmt werden (was zu Ergebnissen führt, die gleich 1 minus die Ergebnisse der entsprechenden Gleichungen 1 oder 2 sind): X = (SE2 + SE4)/(SE1 + SE2 + SE3 + SE4) (3) und Y = (SE3 + SE4)/(SE1, SE2 + SE3 + SE4) (4)
Im Allgemeinen ist die Verarbeitungseinheit des Kontrollers 20 derart ausgestaltet, dass die geschätzten X- und Y-Positionen in digitalisierte, dimensionslose, normierte Zahlen umgewandelt werden, so beispielsweise zwischen –64 und +63 (bei einer Auflösung von 7 Bit), wobei demgemäß eine Position von (X, Y) = (0, 0) einer geschätzten Position für ein berührtes bzw. benachbartes Objekt in der Mitte des empfindlichen Bereiches des Sensors entspricht, während eine Position von (X, Y) = (–64, –64) einer geschätzten Position an einer untersten oder am weitesten links befindlichen Ecke des empfindlichen Bereiches des Sensors (bei der in 2 gezeigten Orientierung) entspricht und so weiter.
Obwohl die vorstehenden Gleichungen in Abhängigkeit von den absoluten Signalwerten S^E1, S^E2, S^E3 und S^E4 gegeben sind, erfolgt dies nur zur einfacheren Darstellung. Andere Gleichungen, die von anderen Parameter abhängen, können ebenfalls verwendet werden. So kann beispielsweise die Größe der Änderung bei den Signalen von deren Ruhewerten verwendet werden, so beispielsweise ΔS^E1 = S^Q – S^E1, ΔS^E2 = S^Q – S^E2 (wobei hier vom gleichen Ruhewert S^Q für jede Antriebselektrode ausgegangen wird). In diesem Fall lauten die entsprechenden Gleichungen wie folgt: X = (ΔSE1 + ΔSE3)/(ΔSE1 + ΔSE2 + ΔSE3 + ΔSE4) (5) Y = (ΔSE1 + ΔSE2)/(ΔSE1 + ΔSE2 + ΔSE3 + ΔSE4) (6) X = (ΔSE2 + ΔSE4)/(ΔSE1 + ΔSE2 + ΔSE3 + ΔSE4) (7) Y = (ΔSE3 + ΔSE4)/(ΔSE1 + ΔSE2 + ΔSE3 + ΔSE4) (8)
Im Prinzip Kiefern die vorstehenden Gleichungen Positionsschätzungen in einem Bereich von 0 bis 1. Wie sich aus 7 ergibt, zeigt beispielsweise ein Wert von X = 0, dass die kapazitiven Kopplungen von den Antriebselektroden E2 und E4 (die die Elektroden in der rechten Spalte sind) zu der Erfassungselektrode infolge des Vorhandenseins eines Objektes nicht betroffen sind (das heißt ΔS^E2 und ΔS^E4 sind gleich 0). Sind ΔS^E1 und ΔS^E3 ebenfalls gleich 0, so ist kein Objekt vorhanden. Sind ΔS^E1 und ΔS^E3 jedoch ungleich 0 (oder genügen wenigstens einer vorbestimmten Erfassungsschwelle), so ist ein Objekt vorhanden und gilt als an dem extremen linken Ende des empfindlichen Berei ches befindlich (da dies keine Auswirkungen auf die Elektroden rechts hat). Ein Wert von X = 1 zeigt demgegenüber an, dass kapazitive Kopplungen von den Antriebselektroden E1 und E3 (die die Elektroden in der linken Spalte sind) zu der Erfassungselektrode infolge des Vorhandenseins eines Objektes (das heißt ΔS^E1 und ΔS^E3 gleich 0) nicht betroffen sind. Sind ΔS^E2 _und ΔS^E4 ebenfalls gleich 0 so gilt kein Objekt als vorhanden. Sind ΔS^E2 und ΔS^E4 jedoch ungleich 0 (oder genügen wenigstens einer vorbestimmten Erfassungsschwelle), so ist ein Objekt vorhanden und gilt als am extremen rechten Ende des empfindlichen Bereiches befindlich.
In der Praxis ist unwahrscheinlich, dass die Extremwerte 0 und 1 auftreten, da die Skala des Sensors derart gewählt ist, dass ein Objekt irgendwo benachbart zu dem Sensor diejenigen Signale, die zu sämtlichen Elektroden gehören, zumindest in gewissem Ausmaß beeinflusst. Empirische Daten können zur Bereitstellung einer geeigneten Transformationsfunktion von Werten verwendet werden, die durch die Gleichungen bereitgestellt werden so beispielsweise den vorstehenden für die Positionen. So kann zum Beispiel für eine gegebene Sensorausgestaltung empirisch herausgefunden werden, dass der Wert von X gemäß Bestimmung entsprechend Gleichung 7 linear mit der tatsächlichen Position eines zeigenden Objektes bzw. Fingers von 0,2 bis 0,8 über die volle Erstreckung des empfindlichen Bereiches des Sensors variiert. Dies gilt für eine Digitalisierung mit 7 Bit, wobei eine Ausgabe entsprechend (((X – 0,2)/0,6·128) – 64) verwendet werden kann, um eine lineare Zunahme von –64 bis +63 für Werte von X von 0,2 bis 0,8 bereitzustellen.
Dieselben Prinzipien gelten für Positionsschätzungen in der Y-Richtung.
Damit hat am Ende jedes Messungserlangungszyklus der Kontroller 20 eine Positionsschätzung X, Y für das Zentroid eines Objektes benachbart zu dem Sensor (wobei man davon ausgeht, dass ein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist) bestimmt und hat zudem den Status O des mechanischen Schalters 16 während des Messungserlangungszyklus bestimmt. Dieser kann dann an einen Hauptkontroller einer Vorrichtung, in die der Sensor eingebaut ist, zur Aufnahme ausgegeben werden und entsprechend in Abhängigkeit davon wirken, wie der Vorrichtungskontroller programmiert ist, um auf eine bestimmte Anwendereingabe (Berührposition und mechanische Schalteraktivierung) zu reagieren. Der Prozess kann anschließend für den nächsten Messungserlangungszyklus wiederholt werden. Dies kann unmittelbar nach dem vorhergehenden Messungserlangungszyklus (wie in dem vorliegenden Fall) erfolgen, oder es kann auch eine Verzöge rung vorhanden sein. Wird beispielsweise bestimmt, dass kein Objekt benachbart zu dem Sensor vorhanden ist, so kann eine vergleichsweise große Verzögerung zur Verringerung des Energieverbrauchs eingeführt werden.
In dem vorbeschriebenen Beispiel kann die Ausgabe des Kontrollers 20 am Ende des ersten Messungserlangungszyklus während der Zeitintervalle Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄ und Δt₅ derart sein, dass (X, Y, O) = (–40, +10, 0) angegeben wird, das heißt, die X-Position entspricht 40 Positionsauflösungseinheiten links von der Mitte und 10 Positionsauflösungseinheiten über der Mitte, wobei der Status des mechanischen Schalters O gleich 0 ist (Schalter offen).
Die Ausgabe des Kontrollers 20 am Ende der Messungserlangung während der Zeitintervalle Δt₆, Δt₇, Δt₈, Δt₉ und Δt₁₀ kann jedoch auch so sein, dass (X, V, O) = (–40, +10, 1) angeben wird, das heißt die X- und V-Position unverändert bleibt, während sich der Status des mechanischen Schalters O auf 1 geändert hat (Schalter geschlossen). Die Änderung des Status des mechanischen Schalters wird von dem Kontroller 20 aus dem Spannungsabfall bestimmt, der an dem dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B beim Abtasten zu Beginn des Zeitintervalls Δt₁₀ beobachtet wird. Die hier beobachtete Spannung ist niedriger als in dem Fall, in dem der dem mechanischen Schalter zugeordnete Erfassungskanal B während des vorherigen Messungserlangungszyklus zu Beginn des Zeitintervalls Δt₅ wegen der Schließung des Schalters zum Zeitpunkt P abgetastet worden ist.
Man beachte, dass im Allgemeinen der Status des mechanischen Schalters parallel zur Positionsschätzungsmessungserlangung erfasst werden kann, das heißt zu einem Zeitpunkt während der ersten vier Zeitintervalle jeder Messungserlangung. Bei einigen Beispielen kann ein einzelner der Eingabe-/Ausgabepins (I/O) eines Mikrokontrollers zur Bereitstellung der Funktionalität des Kontrollers 20 als Antriebssignalausgabe für eine der Antriebselektroden und zudem als Eingabe für den dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B verwendet werden. So kann beispielsweise der „gemeinsam genutzte” I/O-Pin als Ausgabegin zur Bereitstellung eines Antriebssignals für eine der Antriebselektroden in dem entsprechenden Zeitintervall für jene Antriebselektrode konfiguriert sein und als Eingabepin für den dem mechanischen Schalter zugeordneten Erfassungskanal B zur Aufnahme der Eingabe von der dem mechanischen Schalter zugeordneten Schaltung 18 während des Zeitintervalls, in dem der Status des mechanischen Schalters bestimmt werden muss, rekonfiguriert sein. Dies bringt den Vorteil einer Verringerung der erforderlichen Anzahl von I/O-Pins mit sich. Eine Konsequenz liegt jedoch darin, dass Positionsschätzungen nicht gemacht werden können, wenn der mechanische Schalter aktiviert ist (da das über den gemeinsam genutzten I/O-Pin bereitgestellte Antriebssignal (über ρ2) durch den mechanischen Schalter senkentechnisch auf Masse gebracht wird).
Ein Vorrichtungskontroller einer Vorrichtung, in die der Sensor eingebaut ist, kann derart ausgestaltet sein, dass er auf Anwendereingaben aus der Bestimmung durch den Sensor auf eine Weise reagiert, wie sie von dem Designer des Schnittstellensystems der Vorrichtung erwünscht ist. Ein Vorteil des Sensors besteht darin, dass er eine einfache kartesische Positionsschätzung ermöglicht, die auf beliebige Weise verarbeitet und mit der auf beliebige Weise weiter verfahren werden kann. So kann die kartesische Positionsschätzung beispielsweise in Polarkoordinaten umgewandelt werden, um eine Funktionalität nach Art eines Scroll Wheel bereitzustellen, wenn dies vom Schnittstellendesigner gewünscht wird. Dies macht den Sensor sehr flexibel und auf einfache Weise in einen weiten Bereich von Anwenderschnittstellen für verschiedene Erzeugnisse, die auf verschiedene Weise betrieben werden, integrierbar. Beliebige vorrichtungsspezifische Betriebsmodi (beispielsweise durch Drehscrollen, absolute oder relative Positionsangaben) können für eine In-Post-Verarbeitung der X- und Y-Rohkoordinaten verwendet werden. Darüber hinaus kann der Status O des mechanischen Schalters mit X- und Y-Positionsinformation kombiniert werden, um eine Mehrzahl von „virtuellen” mechanischen Schaltern/Tasten bereitzustellen.
Als Beispiel zeigt 9 schematisch eine Linienzeichnung eines Abschnittes des in 2 gezeigten Sensors 12, der weitgehend dem empfindlichen Bereich des Sensors entspricht. Der empfindliche Bereich ist derart gezeigt, dass er durch die Punktlinie theoretisch in neun Sektoren unterteilt wird, die mit NW, N, NE, W, C, E, SW, S und SE bezeichnet sind. Ein Vorrichtungskontroller, der die Ausgabesignale (X, Y, O) aufnimmt, kann derart konfiguriert sein, dass er dann, wenn der mechanische Schalter offen ist, die X-Y-Positionsinformation als herkömmliche, analoge, zweidimensionale Positionseingabe auf beliebige gewünschte Weise verarbeitet (beispielsweise als Absolutpositionseingabevorrichtung oder bewegungsempfindliche Eingabevorrichtung). Wenn demgegenüber der mechanische Schalter aktiviert (geschlossen) ist, so kann der Vorrichtungskontroller, der die Ausgabesignale (X, Y, O) aufnimmt, derart konfiguriert werden, dass er aus der X-Y-Positionsinformation bestimmt, welcher der neun in 9 gezeigten Sektoren die Position der Berührung zum Zeitpunkt des Schließens des mechanischen Schal ters beinhaltet, und dies als Eingabe eines Anwenders interpretiert, der einen von neun theoretischen mechanischen Schaltern entsprechend den verschiedenen Sektoren auswählt. Die Aktivierung des mechanischen Schalters 16 mittels eines Fingers, der an eine Position drückt, die als innerhalb des mit N bezeichneten Sektors, siehe 9, befindlich interpretiert wird, kann als Eingabebefehl interpretiert werden, um sich in einer Menüliste, die dem Betrieb der gesteuerten Vorrichtung zugeordnet ist, um eine Stelle nach oben zu bewegen. Demgegenüber kann die Aktivierung des mechanischen Schalters 16 durch einen Finger, der an eine Position gerückt, die innerhalb des mit E, siehe 9, bezeichneten Sektors befindlich ist, als Eingabebefehl interpretiert werden, um sich in einer dem Betrieb der gesteuerten Vorrichtung zugeordneten Menüliste um einen Platz nach rechts zu bewegen. Die Aktivierung des mechanischen Schalters durch einen Finger innerhalb des in 9 mit C bezeichneten Sektors kann als Befehl „Auswahl/OK” interpretiert werden, und dergleichen mehr. Damit stellt der Sensor tatsächlich eine Mehrzahl von virtuellen mechanischen Schaltern bereit, während nur ein einziger physischer mechanischer Schalter benötigt wird.
10 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Sensor 52 zum Bestimmen der Position eines Objektes in zwei Dimensionen entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in 10 gezeigte Sensor 52 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Sensor 12 dahingehend, dass er keinen mechanischen Schalter benötigt. Damit ist das Substrat des Sensors nicht auf einer bewegungsfähigen Plattform montiert. Der Sensor 52 haftet anstatt dessen direkt an der Unterseite einer ausgestreckten Abdeckungsplatte 60, die von einem Gehäuse einer Vorrichtung, in die der Sensor 52 eingebaut ist, gebildet wird. Der Sensor ist ansonsten ähnlich zu dem in 2 gezeigten Sensor. Damit umfasst der Sensor ein Substrat 54, ein Elektrodenmuster 56, eine Masseebene 58 und einen Kontroller (nicht gezeigt), die ähnlich zu den entsprechenden Elementen des in 2 gezeigten Sensors sind (mit Ausnahme des Fehlens von Merkmalen im Zusammenhang mit dem mechanischen Schalter) und die aus diesen heraus verständlich sind. Der Sensor kann daher verwendet werden, wenn nicht der Wunsch besteht, eine beliebige Funktionalität eines mechanischen Schalters bereitzustellen.
11 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen weiteren Sensor 62 zur Bestimmung der Position eines Objektes in zwei Dimensionen entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in 11 gezeigte Sensor 62 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Sensor 12 dahingehend, dass er mehrere mechanische Schal ter beinhaltet. Zwei mechanische Schalter 64 sind in 11 gezeigt. Im Ergebnis ist bei diesem Beispiel eine andere elastische Montierausgestaltung in Verwendung (was schematisch als einzelne mittig platzierte Schraubenfeder 66 gezeigt ist). Diese Art von Sensorstruktur kann vorgezogen werden, wenn die Bereitstellung einer Mehrzahl von „echten” im Gegensatz zu „virtuellen” mechanischen Schaltern erwünscht ist, und zwar beispielsweise zur Verringerung des Ausmaßes der Bewegung, die zum Aktivieren der Schalter erforderlich ist, oder zur Bereitstellung einer bestimmten Redundanz.
Es sollte einsichtig sein, dass das in 2 gezeigte spezifische Elektrodenmuster nur ein Beispiel darstellt und andere weitgehend ähnliche Ausgestaltungen zum Einsatz kommen können. So zeigen beispielsweise 12, 13 und 14 schematisch Elektrodenmuster zur Verwendung in Sensoren entsprechend anderen Ausführungsbeispielen der Erfindungen.
Bei dem in 12 gezeigten Sensor besteht das Elektrodenmuster zur Festlegung des empfindlichen Bereiches des Sensors aus vier Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 mit einer Anordnung in einer 2 × 2-Feldanordnung und einer einzelnen elektrisch kontinuierlichen Erfassungselektrode U mit einer Anordnung derart, dass sich diese um die vier Antriebselektroden herum erstreckt. Abgesehen von Unterschieden bei dem spezifischen Elektrodenmuster ist der in 12 gezeigte Sensor ansonsten zu dem in 2 gezeigten Sensor ähnlich und erschließt sich aus diesem durch die vorstehende Diskussion in Bezug auf Struktur und Betriebsweise. Die Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 des in 12 gezeigten Sensors weisen dasselbe Layout und dieselben relativen Abmessungen und Abstände wie die entsprechend bezeichneten Antriebselektroden des in 2 gezeigten Sensors auf. Gleichwohl weist die Sensorelektrode U des in 12 gezeigten Sensors eine andere Form verglichen mit der Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors auf. Insbesondere weist die Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors die Form eines Quadrates mit abgerundeten Ecken auf, wobei die Erfassungselektrode U des in 12 gezeigten Sensors die Form eines Quadrates ohne abgerundete Ecken aufweist. Die Erfassungselektroden sind ansonsten ähnlich, das heißt, sie können dieselbe charakteristische Gesamtbreite aufweisen, wobei die Relativabmessungen der inneren Teile der Erfassungselektroden (das heißt derjenigen Abschnitte, die durch die Antriebselektroden verlaufen) gleich sein können. Der Unterschied hinsichtlich der Formen hat bei den Erfassungselektroden keine merklichen Auswirkungen auf den Betrieb des Sensors, kann jedoch bei einigen Implementierungen, beispielsweise aus ästhetischen Gründen, bevorzugt sein.
Bei dem in 13 gezeigten Sensor besteht das Elektrodenmuster zur Festlegung des empfindlichen Bereiches des Sensors aus vier Antriebselektroden F1, F2, F3, F4 mit einer Anordnung in einer 2 × 2-Feldanordnung und einer einzelnen elektrisch kontinuierlichen Erfassungselektrode V mit einer Anordnung derart, dass sich diese um die vier Antriebselektroden herum erstreckt. Abgesehen von Unterschieden bei dem spezifischen Elektrodenmuster ist der in 13 gezeigte Sensor erneut zu dem in 2 gezeigten Sensor ähnlich und erschließt sich aus diesem. Die Erfassungselektrode V des in 13 gezeigten Sensors weist eine andere Form im Vergleich zu der Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors auf. Insbesondere weist die Erfassungselektrode V des in 13 gezeigten Sensors die Form eines Kreises auf. Die Erfassungselektrode V kann demgegenüber dieselbe charakteristische Gesamtbreite wie die Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors aufweisen (das heißt, der Durchmesser der in 12 gezeigten Erfassungselektrode kann weitgehend der linearen Erstreckung der in 2 gezeigten Erfassungselektrode entsprechen). Die Antriebselektroden F1, F2, F3, F4 des in 12 gezeigten Sensors entsprechen vollständig den Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 des in 2 gezeigten Sensors mit Blick auf das Gesamtlayout und die Relativabmessungen und daher Abstände mit Ausnahme der am weitesten außen befindlichen Ecken der Antriebselektroden, die weggeschnitten sind, um die kreisförmige Erfassungselektrode V aufzunehmen. Erneut haben die Unterschiede bei der Form der Elektroden keine Auswirkungen auf die Prinzipien, die dem Betrieb des Sensors zu Grunde liegen, sondern sind nur aus ästhetischen Gründen bei einigen Implementierungen bevorzugt.
Bei dem in 14 gezeigten Sensor umfasst das Elektrodenmuster zur Festlegung des empfindlichen Bereiches des Sensors vier Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 mit einer Anordnung in einer 2 × 2-Feldanordnung und eine einzelne elektrisch kontinuierliche Erfassungselektrode Z mit einer Anordnung derart, dass sich diese um die vier Antriebselektroden herum erstreckt. Mit Ausnahme von Unterschieden bei den Elektrodenmustern ist der in 14 gezeigte Sensor ansonsten zu dem in 2 gezeigten Sensor ähnlich und erschließt sich aus vorstehender Diskussion. Die Antriebselektroden E1, E2, E3, E4 des in 14 gezeigten Sensors weisen dasselbe Layout und dieselben Relativabmessungen sowie Abstände wie die entsprechend bezeichneten Antriebselektroden des in 2 gezeigten Sensors auf. Demgegenüber weist die Erfassungselektrode Z des in 14 gezeigten Sensors eine andere Form im Vergleich zu der Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors auf. Während die Erfassungselektrode Z des in 14 gezeigten Sensors dieselbe Gesamtform wie die in 2 gezeigte Erfassungselektrode R aufweist, beinhaltet sie insbesondere ein offenes Gebiet 90 hin zu ihrer Mitte. Das offene Gebiet 90 ist ein Gebiet, wo ein Teil der Erfassungselektrode im Vergleich zu der Erfassungselektrode R des in 2 gezeigten Sensors fehlt. Die Erfahrung lehrt, dass ein offenes Gebiet wie dieses keine merklichen Auswirkungen auf die Sensorreaktion hat, und dass kleine Auswirkungen, so sie denn vorhanden sind, so beispielsweise eine verringerte Linearität bei der Reaktion oder ein vergrößerter Crosstalk zwischen X und Y (das heißt Positionsschätzungen in einer Richtung, die von Positionsschätzungen in der anderen Richtung abhängen) einfach bei einer In-Post-Verarbeitung ausgeglichen werden können, und zwar entweder in der Verarbeitungseinheit des Sensorkontrollers oder in dem Hauptvorrichtungskontroller oder einer Vorrichtung, in die der Sensor eingebaut ist. Ein Designer kann die Einbeziehung eines offenen Gebietes aus verschiedenen Gründen wünschen. So kann ein Designer beispielsweise ein Gebiet einer von hinten her wirkenden Beleuchtung in einem ansonsten opaken Elektrodenmuster wünschen oder ein angehobenes/abgesenktes Gebiet in dem Substrat vorsehen, um die Führung eines Fingers eines Anwenders innerhalb des empfindlichen Bereiches des Sensors zu unterstützen (damit dieser ertasten kann, wo die Mitte ist) oder auch zur Bereitstellung einer zentralen mechanischen Schalttaste, die über die Oberfläche des Sensors vorsteht oder über der Abdeckplatte liegt. Das Substrat kann ein Loch in dem unter dem offenen Gebiet 90 liegenden Bereich beinhalten. Bei anderen Beispielen kann ein offenes Gebiet in anderen nicht zentralen Teilen des Sensors vorgesehen sein. Des Weiteren können die Antriebselektroden auch offene Gebiete beinhalten, so beispielsweise zur von hinten erfolgenden Beleuchtung oder zur Einschließung einer taktilen Taste in diesen Bereichen.
Sensoren entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindungen können in viele verschiedene Arten von Vorrichtungen beziehungsweise Geräten beziehungsweise Ausrüstungsgegenständen eingebaut werden, so beispielsweise einen PDA (Personal Digital Assistant), ein tragbares Medienabspielgerät (MP3 oder Video oder ähnliches), eine Kamera und dergleichen mehr. 15 zeigt beispielhalber schematisch ein Mobiltelefon 80 (zellbasiert), das einen Sensor 12 beinhaltet, wie er in 2 gezeigt ist. Der Sensor ist zusätzlich zu einer herkömmlichen Telefontastatur vorgesehen (die auf einer mechanischen oder berührungsempfindlichen Technologie beruhen kann) und kann beispielsweise für eine Menünavigierung oder für eine Merkmalsauswahl mittels Abkürzungen verwendet werden.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Sensor zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen vorgesehen. Der Sensor umfasst ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich, der durch ein Muster von darauf angeordneten Elektroden festgelegt ist. Das Muster von Elektroden umfasst vier Antriebselektroden, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet und mit jeweiligen Antriebskanälen gekoppelt sind, und eine Erfassungselektrode, die mit einem Erfassungskanal gekoppelt ist. Die Erfassungselektrode ist derart angeordnet, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt (das heißt, dass sie gänzlich oder teilweise die Antriebselektroden umgibt, beispielsweise so, dass sie sich benachbart zu wenigstens drei Seiten der Antriebselektroden erstreckt). Der Sensor kann des Weiteren eine Antriebseinheit zum Bereitstellen von Antriebssignalen für die jeweiligen Antriebselektroden und eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen zur Darstellung eines Grades der Kopplung der den jeweiligen Antriebselektroden zugeführten Antriebssignale mit der Erfassungselektrode umfassen. Darüber hinaus kann der Sensor eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Erfassungssignale zur Bestimmung einer Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor umfassen. Die Funktionalität der Antriebskanäle, der Erfassungskanäle und der Verarbeitungseinheit kann durch einen geeignet programmierten Mikrokontroller bereitgestellt werden.
Verweise

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Zusammenfassung
Zweidimensionaler Positionssensor
Bereitgestellt wird ein Sensor zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen. Der Sensor umfasst ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich, der durch ein Muster von darauf angeordneten Elektroden festgelegt ist. Das Muster von Elektroden umfasst vier Antriebselektroden, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet und mit jeweiligen Antriebskanälen gekoppelt sind, und eine Erfassungselektrode, die mit einem Erfassungskanal gekoppelt ist. Die Erfassungselektrode ist derart angeordnet, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt (das heißt, dass sie gänzlich oder teilweise die Antriebselektroden umgibt, und dass sie sich beispielsweise benachbart zu wenigstens drei Seiten der Antriebselektroden erstreckt). Umfassen kann der Sensor des Weiteren eine Antriebseinheit zum Anlegen von Antriebssignalen an den jeweiligen Antriebselektroden und eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen zur Darstellung eines Grades der Kopplung der an den jeweiligen Antriebselektroden angelegten Antriebssignale mit der Erfassungselektrode. Darüber hinaus kann der Sensor eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Erfassungssignale zur Bestimmung einer Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor umfassen. Die Funktionalität der Antriebskanäle, der Erfassungskanäle und der Erfassungseinheit kann durch einen geeignet programmierten Mikrokontroller bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7046230 [0003, 0003, 0003, 0008, 0008, 0010, 0116]
- US 5730165 [0007, 0068, 0071, 0116]
- US 6466036 [0007, 0116]
- US 6452514 [0064, 0064, 0068, 0116]
- US 4879461 [0071, 0071, 0116]
- US 5648642 [0072, 0116]

Claims

Sensor zum Bestimmen einer Position eines Objektes in zwei Dimensionen, wobei der Sensor ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich umfasst, der durch ein Muster von darauf angeordneten Elektroden festgelegt ist, wobei das Muster von Elektroden vier Antriebselektroden, die in einer 2 × 2-Feldanordnung angeordnet und mit jeweiligen Antriebskanälen gekoppelt sind, und eine Erfassungselektrode, die mit einem Erfassungskanal gekoppelt ist, umfasst, wobei die Erfassungselektrode derart angeordnet ist, dass sie sich um die vier Antriebselektroden herum erstreckt.0
Sensor nach Anspruch 1, wobei die 2 × 2-Feldanordnung von Antriebselektroden gänzlich von der Erfassungselektrode umgeben ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei einzelne der Antriebselektroden gänzlich von der Erfassungselektrode umgeben sind.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, des Weiteren umfassend eine Ringelektrode, die um den Umfang des empfindlichen Bereiches herum angeordnet und mit einer Systemmasse gekoppelt ist.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Antriebselektroden und die Erfassungselektroden auf einer ersten Seite des Substrates angeordnet sind und der Sensor des Weiteren eine erweiterte Masseebenenelektrode aufweist, die auf einer zweiten entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet und mit einer Systemmasse gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 5, wobei die erweiterte Masseebenenelektrode ein offenes Netzmuster umfasst.
Sensor nach Anspruch 6, wobei das offene Netzmuster einen Füllfaktor in einem Bereich aufweist, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die 20% bis 80%, 30% bis 70%, 40% bis 60% und 45% bis 55% aufweist.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor unter einer Abdeckplatte montiert ist, die eine Dicke T aufweist, und ein Spalt zwischen den je weiligen Antriebselektroden und der Erfassungselektrode eine Breite von zwischen 1/3 und 2/3 der Dicke T der Abdeckplatte aufweist.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der empfindliche Bereich eine charakteristische Erstreckung W entlang einer ersten Richtung aufweist und die Antriebselektroden Breiten von zwischen W/10 und W/3 entlang der ersten Richtung aufweisen.
Sensor nach Anspruch 9, wobei der empfindliche Bereich eine charakteristische Erstreckung W entlang einer zweiten Richtung aufweist und die Antriebselektroden Breiten von zwischen W/10 und W/3 entlang der zweiten Richtung aufweisen.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der empfindliche Bereich eine charakteristische Erstreckung W entlang einer ersten Richtung aufweist und Abschnitte der Erfassungselektrode zwischen benachbarten Antriebselektroden Breiten von zwischen W/20 und W/5 entlang der ersten Richtung aufweisen.
Sensor nach Anspruch 11, wobei der empfindliche Bereich eine charakteristische Erstreckung W entlang einer zweiten Richtung aufweist und Abschnitte der Erfassungselektrode zwischen benachbarten Antriebselektroden Breiten von zwischen W/20 und W/5 entlang der zweiten Richtung aufweisen.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der empfindliche Bereich eine charakteristische Erstreckung von weniger als einer Abmessung aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die 30 mm, 25 mm, 20 mm, 15 mm, 10 mm und 5 mm umfasst.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, des Weiteren umfassend einen mechanischen Schalter, wobei das Substrat beweglich in Bezug auf den mechanischen Schalter montiert und derart angeordnet ist, dass eine Bewegung des Substrates genutzt werden kann, um den mechanischen Schalter zu aktivieren.
Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch, des Weiteren umfassend eine Antriebseinheit zum Anlegen von Antriebssignalen an den jeweiligen Antriebselektroden, und eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen zur Darstel lung eines Grades der Kopplung der an den jeweiligen Antriebselektroden angelegten Antriebssignale mit der Erfassungselektrode.
Sensor nach Anspruch 15, des Weiteren umfassend eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Erfassungssignale zur Bestimmung einer Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor.
Sensor nach Anspruch 16, wobei die Verarbeitungseinheit betrieben werden kann, um eine Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor auf Grundlage einer ratiometrischen Analyse der Erfassungssignale zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 17, wobei die Verarbeitungseinheit betrieben werden kann, um die Position eines Objektes benachbart zu dem Sensor in einer Richtung auf Grundlage eines Verhältnisses einer Summe der Erfassungssignale, die einem benachbarten Paar von Antriebselektroden zugeordnet sind, zu einer Summe der Erfassungssignale, die sämtlichen Antriebselektroden zugeordnet sind, zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 18, wobei das benachbarte Paar von Antriebselektroden zwei Antriebselektroden umfasst, die entlang einer Richtung getrennt sind, die normal zu der Richtung ist, entlang derer die Position bestimmt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Antriebskanäle, die Erfassungskanäle und die Verarbeitungseinheit einen Mikrokontroller umfassen.
Sensor nach Anspruch 20, wobei der Sensor des Weiteren einen mechanischen Schalter umfasst, wobei der Mikrokontroller betrieben werden kann, um ein Antriebssignal für eine Antriebselektrode durch eine eine Eingabe-/Ausgabeverbindung (I/O) zu einem Zeitpunkt bereitzustellen und den Status des mechanischen Schalters durch dieselbe Eingabe-/Ausgabeverbindung (I/O) zu einem weiteren anderen Zeitpunkt abzutasten.
Vorrichtung, umfassend einen Sensor nach einem vorhergehenden Anspruch.