DE69528698T2

DE69528698T2 - Näherungssensor mit mehrfacheingang und tastflächensystem

Info

Publication number: DE69528698T2
Application number: DE69528698T
Authority: DE
Inventors: Ronald Peter Binstead
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2015-04-06
Also published as: ES2362268T3; GB9406702D0; EP0754370B1; DE69536147D1; US6137427A; JPH09511086A; US5844506A; EP1298803B1; ES2187556T3; WO1995027334A1; EP1298803A3; EP0754370A1; EP1298803A2; USRE40867E1; DE69528698D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mehrfacheingabe-Näherungsdetektor-/Touchpad-System, das beispielsweise eine Tastaturfeldanordnung, eine Digitalisierungstafel, einen Berührungsbildschirm oder eine elektronische Maus umfasst, die durch eine variable Glasdicke oder ein anderes dielektrisches Medium betätigt werden können, und insbesondere auf die Gestaltung eines Mehrfacheingabe-Näherungsdetektor/Touchpad-Systems, bei dem eine große Tastenmatrix oder eine große berührungsempfindliche Fläche unter Verwendung der Überlagerung von beispielsweise orthogonal angeordneten leitenden Elementen gebildet werden kann. Die leitenden Elemente und das elektronische Abtastsystem zum Bedienen der leitenden Elemente sind speziell angeordnet, um eine optimierte Sensibilität zu erzielen.
Im europäischen Patent Nr. EP-0185671 ist eine durch Berührung betätigte Tastatur zur Anbringung an einer Fläche einer Glasscheibe mit mehreren aneinandergrenzend angeordneten Tastenfeldern in einem gewünschten Muster, zusammen mit Abfragemitteln zum Zustand der Tastenfelder, die angeben, wenn ein Tastenfeld bzw. eine Tastatur oder Tastaturen durch einen Anwender betätigt worden sind, sowie ein elektronisches Abtast- und Verarbeitungssystem zum Bereitstellen von Mitteln für eine Schwellenwerterzeugung und eine Driftkompensation beschrieben.
Das Schwellenwerterzeugungsmittel ist betätigbar, um wiederholt in vorbestimmten Intervallen den, jeder Tastatur zugeordneten, erforderlichen Kapazitätspegel zu bestimmen, um anzugeben, dass die Tastatur durch einen Anwender bzw. Benutzer betätigt worden ist.
Das Driftkompensationsmittel ist betätigbar, uni Variationen in der Kapazität, bewirkt durch variierende Hintergrundbedingungen, zu versetzen.
Die vorliegende Erfindung ist auf den Aufbau eines Mehrfacheingabe-Näherungsdetektor/Touchpad-Systems gerichtet, das eine Tastaturanordnung, eine Digitalisiertafel, einen Berührungsbildschirm oder ein elektronische Maus umfassen kann, wobei die Position des Fingers eines Benutzers oder eines anderen berührenden Objekts oder in unmittelbarer Nähe zu dem "berührungsempfindlichen" Oberflächenbereich, nachstehend als Touchpad bezeichnet, mittels des kapazitiven Effekts dieses Fingers auf mehrere Leiterelemente bestimmt wird (nachstehend als Tastenbetätigung bzw. Anschlag bezeichnet), sowie auf die Optimierung der Sensibilität des Touchpads, insbesondere wenn der berührungsempfindliche Bereich relativ groß wird. In der gesamten vorliegenden Patentbeschreibung soll die Bezugnahme auf einen "Finger" jedes Objekt umfassen, das einen ausreichenden kapazitiven Einfluss ausübt, um von dem Touchpad detektiert zu werden.
Es ist anzumerken, dass die Aktivierung einer "Tastatur" oder eines Bereichs des Touchpads ohne Druck auf oder sogar ohne physikalischen Kontakt mit der Oberfläche des Touchpads erreicht werden kann, obwohl im normalen Betriebsmodus die Finger des Benutzers die Touchpad-Oberfläche oder eine diesem zugeordnete Oberfläche berührt.
Andere bekannte Arten von Touchpad, wie zum Beispiel Membranschalter mit zwei einander zugewandten Sätzen von Leitern erfordern die Anwendung von Druck auf zwei leitende Elemente an einer Schnittstelle dieser beiden leitenden Elemente. Paare leitender Elemente können auf systematische Art und Weise abgetastet werden, um zu bestimmen, welche Schnittstelle bzw. welcher Schnittpunkt, falls überhaupt, gedrückt worden ist. Nachteile dieses Systems bestehen darin, dass es sich bewegende Teile gibt (zum Beispiel die obere Oberfläche, die sich dem Finger des Benutzers präsentiert), die daher Beschädigung unterworfen sein kann, und auch, dass die Positionierung des Fingers des Benutzers mit der Schnittstelle der leitenden Elemente koinzidieren muss. Dieses Verfahren wendet einen Satz von Treiber-Leitern (driver conductors) und einen Satz von Abtast-Leitern (sensing conductors) an.
Das US-Patent Nr. 4 686 332 offenbart ein Touchpad mit einem horizontalen und vertikalen Gitter transparenter Leiter, die auf ein Substrat plattiert sind, und die ein einzigartiges Fingerberührungsgefühl und ein einzigartiges Schreibnadel-Platzierungsgefühl bieten.
Die vorliegende Erfindung verwendet nur abtastende Leiter und weist keine beweglichen Teile auf. Sie kann somit vor Beschädigung durch Benutzer mittels des das Touchpad bedeckenden Glases oder eines anderen dielektrischen Mediums gut geschützt werden. Die elektronische Abtastung der leitenden Elemente erfordert eine Verbindung zu nur einem Element zu einem Zeitpunkt, und alle anderen Elemente können in einen Wartezustand versetzt werden, um eine Interferenz zu verringern, wenn sie nicht abgetastet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner die Detektion des Fingers des Benutzers an jedem beliebigen Punkt der aktiven Oberfläche des Touchpads, und der elektronische Abtastmechanismus kann so angeordnet werden, dass er vorbestimmte Flächen des Touchpads zur Interpretation als diskrete Tastaturen oder "Boxen" zuweist.
Von fundamentaler Bedeutung bei einem solchen Touchpad- System ist die Sensibilität der Vorrichtung gegenüber der Nähe bzw. Annäherung eines Fingers im Vergleich mit normalen Kapazitätsschwankungen. Dies gewährleistet eine zuverlässige Angabe eines beabsichtigten "Tastenanschlags" nach obiger Beschreibung, und die Bestimmung mit einem hohen Genauigkeitsgrad der Position dieses Fingers. Die Position des Fingers kann eine digitale Darstellung davon sein, welche "Box" oder welche vorbestimmte Fläche des Touchpads aus einem Satz möglicher Boxen oder vorbestimmter Flächen aktiviert worden ist, oder kann alternativ eine analoge Darstellung der Position, beispielsweise durch x-y-Koordinaten sein.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf die Erzielung dieser erforderlichen Sensibilität durch eine Anzahl alternativer Ausführungsformen, die separat oder im Zusammenhang miteinander benutzt werden können, gerichtet.
Die Anwendungen eines solchen Touchpads sind zahlreich und unterschiedlich, beispielsweise:
Als Berührungsbildschirm-Schnittstelle für ein Computersystem, wobei die Tastatur unmittelbar vor einer Anzeigeeinheit gelegen ist, die beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre oder eine Flüssigkristallanzeige sein kann;
eine Kassenbedienungstastatur (cash till keypad), auf der sich normalerweise viele Knöpfe für spezifische oder unterschiedliche Arten von Waren befinden würden (die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für diese Anwendung, bei der der Kassierer wahrscheinlich schmutzige oder fettige Hände hat, da die Erfindung ein glattes Glas für die Tastaturoberfläche bereitstellen kann, das leicht saubergewischt werden kann);
als Äquivalent zu einem "Maus"-Eingabegerät in ein Computersystem, bei dem der Bildschirm-Cursor durch Bewegen eines Fingers über die Oberfläche eines Touchpads bewegt wird;
als Tastatur mit Standard-Layout zur Anwendung in einer unzuträglichen Umgebung;
als viele einzelne Näherungs-Abfühltasten.
In der Umgebung einer Kathodenstrahlröhre oder eines anderen Statik oder Interferenz erzeugenden Geräts kann es notwendig sein, das Touchpad vor einer solchen Statik durch bekannte Mittel, beispielsweise eine transparente Erdungsäbschirmung, zu schützen. Alternativ kann eine aktiv angetriebene Rückwandplatine verwendet werden.
Nach einem allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Mehrfacheingaben-Näherungsdetektor bereit, bei dem das Nebeneinanderstellen zweier oder mehrerer unabhängiger Sensoreingaben dazu verwendet wird, die Nähe eines Fingers zu bestimmen, wobei eine solche Erfassung nur als, gültig akzeptiert wird, wenn alle Sensoreingaben eine gültige Erfassung angeben, wobei solche Eingaben neben eine Reihe anderer Eingaben in eindeutiger Kombination gestellt werden können, so dass, wenn irgendeine Kombination eine echte Erfassung für alle ihre individuellen Eingaben ergibt, eine eindeutige Werterfassung festgelegt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Touchpad bereitgestellt, mit einer elektrisch isolierenden Membran mit einer ersten Reihe voneinander beabstandeter Leiter auf einer ersten Fläche der Membran, und einer zweiten Reihe voneinander beabstandeter Leiter auf diesem oder proximal zu diesem, wobei kein elektrischer Kontakt zwischen der ersten und zweiten Reihe von Leitern besteht und jeder Leiter in der Reihe gegenüber der Nähe eines Fingers empfindlich ist, um die Kapazität des Leiters zu ändern, um die Präsenz des nahe dieses Leiters befindlichen Fingers zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leiter feine leitende, mit einer Isolierung beschichtete Drähte zwischen 10 und 25 u Durchmesser aufweisen, die im Wesentlichen unsichtbar sind, wenn das Touchpad als Berührungsbildschirm (touch screen) benutzt wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Touchpad gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2a, 2b und 2c alternative Ausführungsformen im Schnitt längs A-A durch das Touchpad von Fig. 1, nicht maßstabsgetreu,
Fig. 3a und 3b Ausführungsformen der Schnittpunkte zweier leitender Elemente,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für ein großflächiges Touchpad mit Mehrfach-Leiterelementen geeignet ist,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Verbindungen zwischen leitenden Elementen hergestellt werden können,
Fig. 6 einen kleinen Teil einer Touchpad-Oberfläche,
Fig. 7 einen Teil einer Touchpad-Oberfläche, die eine Ausführungsform der Erfindung eranschaulicht, bei der jeder Schnittstelle bzw. jedem Schnittpunkt mehrere Tastaturbereiche bzw. Tastaturflächen zugeordnet sind,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Abtastvorrichtung, die zur Verwendung mit dem Touchpad geeignet ist,
Fig. 9 ein Muster von Leiterelementen, die zur Verwendung in der Art eines Standard-Schreibmaschinen- Tastaturlayouts geeignet sind, und
Fig. 10 ein Muster von Leiterelementen, die eine Ausführungsform eines Multiplex-Touchpads zeigen.
Gemäß den Fig. 1 und 2a und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine dünne dielektrische Schicht 10 vorgesehen, auf der auf einer Fläche durch eine geeignete Technik, wie zum Beispiel durch Siebdruck oder ein ähnliches lithographisches Verfahren, ein Muster eines elektrisch leitenden Materials aufgebracht ist, das eine erste Reihe paralleler Leiterelemente 12 mit geeigneten Verbindungen an einem oder an beiden Enden bildet. Auf der anderen Fläche der dünnen dielektrischen Schicht 10 ist durch eine ähnliche Technik ein Muster elektrisch leitenden Materials vorgesehen, das eine zweite Reihe paralleler Leiterelemente 14 mit geeigneten Verbindungen an einem oder beiden Enden bildet, die orthogonal zu der ersten Reihe sind, jedoch nicht mit dieser in elektrischem Kontakt stehen. Die ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen bilden so mehrere Schnittpunkte bzw. Schnittstellen 20. Ein geeignetes Material für diese Leiterelemente 12, 14 ist beispielsweise leitende Tinte auf Silberbasis. Falls die Leiterelemente wenig sichtbar sein sollen, wenn das Touchpad vor einem Anzeigesystem verwendet wird, ist Indiumoxid ein geeignetes Material.
Bei anderen Ausführungsformen müssen die ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen nicht parallel sein, noch ist es notwendig, dass die ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen orthogonal zueinander sind. Die zweite Reihe von Leiterelementen kann auf eine zweite dünne dielektrische Schicht aufgebracht sein, wobei die zweite Schicht auf die erste dielektrische Schicht gelegt wird, um einen ähnlichen Trenneffekt der ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen durch eine dielektrische Schicht zu erhalten.
Es ist auch möglich, die Überlagerung der leitenden Elemente auf andere Weise zu erreichen. Beispielsweise kann in Fig. 2b die erste Reihe von Leiterelementen 12 auf die dünne dielektrische Schicht 10 aufgebracht werden und eine isolierende Schicht 13 darüber aufgebracht werden. Die zweite Reihe von leitenden Elementen 14 kann dann über der Isolierschicht aufgebracht werden. Damit bildet die Isolierschicht 13 eine Membranstruktur zwischen der ersten und zweiten Reihe von leitenden Elementen.
Die Isolierschicht 13 muss jedoch nicht über der gesamten Touchpad-Oberfläche durchgehend sein; sie ist nur notwendig, um die Schnittpunkte der ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen zu isolieren. In Fig. 2c ist diese Anordnung dargestellt, wobei kleine Bereiche von Isoliermaterial 13' über der ersten Reihe von leitenden Elementen 12 an den vorgeschlagenen Schnittpunkten aufgebracht sind. Die zweite Reihe von Leiterelementen 14 kann dann aufgebracht werden. In diesem Beispiel bilden die kleinen Bereiche von Isoliermaterial 13' zusammen mit dem dielektrischen Film 10 eine Membranstruktur, welche die erste und zweite Reihe von Leiterelementen trennt.
Eine Verbindung zu den Leiterelementen 12 und den Leiterelementen 14 wird durch weitere leitende Elemente 32, 34 bewerkstelligt, die jeweils auf ähnliche Weise auf gebracht und/oder festgelegt werden wie die Leiterelemente 12, 14. Eine Verbindung mit dem Touchpad-Abtastsystem wird durch den Verbinder 30 unter Verwendung eines geeigneten Verbindungssystems bewerkstelligt.
In den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2a-2c ist die Breite 16 der Leiterelemente 12 und 14 im Vergleich mit der Beabstandung zwischen Elementen 18 gering. Falls das leitende Material, das zur Bildung der Leiterelemente 12, 14 verwendet wird, eine geringe Leitfähigkeit aufweist, kann ein alternatives Muster an Leiterelementen verwendet werden, wie später beschrieben wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform muss der Abstand 18 zwischen Elementen nicht für jedes benachbarte Paar von Leiterelementen identisch sein.
Die Sensibilität des Touchpads und ihre Immunität gegenüber äußerer Störung hat sich durch die Einkapselung der dielektrischen Schicht 10 und der leitenden Elemente 12, 14, 32, 34 in einem dielektrischen Laminat 50 als verbessert herausgestellt, wie in den Fig. 2a-2c gezeigt ist. Das dielektrische Laminat kann eine Kunststoffschicht sein, und sie kann unter Verwendung bekannter Techniken, wie zum Beispiel Hitzeversiegeln, gebildet sein. Dies stellt eine konstante dielektrische Umgebung in unmittelbarer Nähe der Leiterelemente bereit, eliminiert den Einfluss von Feuchtigkeit, der andernfalls an den Leiterelementen vorhanden sein kann, und verbessert die Robustheit der Vorrichtung.
Eine hohe Sensibilität gegenüber Veränderungen in der Kapazität eines Leiterelements oder einer Gruppe von Leiterelementen, die durch die Nähe eines Fingers oder eines anderen Objekts bewirkt wird, wird durch Minimieren der über Kreuz gekoppelten Kapazität zwischen den Leiterelementen 12 und den Leiterelementen 14 erreicht. Dies kann bei einer Ausführungsform durch den Einsatz hochleitenden Materials (wie. z. B. Silber) und die Ausbildung von Leiterelementen, welche im Vergleich zu dem vorher beschriebenen Leiterabstand 18 eine sehr schmale Breite 16 aufweisen, erreicht werden, so dass die Kapazität der Schnittpunkte bzw. Schnittstellen 20 gering ist. Falls es erwünscht ist, dass ein Material geringerer Leitfähigkeit verwendet wird (z. H. Indiumoxid), oder dass die Dimensionen des Touchpads genügend groß sind, dass ein erheblicher Widerstand enlang einem Leiterelement besteht, können alternative Muster wie die in Fig. 3a und 3b verkörperten in Betracht gezogen werden.
In Fig. 3a, in der die Leiterelemente eine größere Breite 22 aufweisen, ist die Breite 24 an den Schnittpunkten 20 erheblich reduziert.
In Fig. 3b behalten die Leiterelemente 12 und 14 ihre volle Breite 22, aber das zweite Leiterelement 14 hat einen "Fenster"bereich 28, der kein leitendes Material aufweist. Dieses "Feinster" ermöglicht die notwendige kapazitive Verknüpfung zum ersten leitenden Element 12. Der Fensterbereich 28 muss nicht vollkommen offen sein. Wie durch die gestrichelte Linie 29 angedeutet ist, kann nämlich ein Bereich von Leitermaterial, der elektrisch von dem zweiten Leitermaterial 14 isoliert ist, im Fenster 28 belassen werden und dennoch die nötige kapazitive Verknüpfung zum ersten Leiterelement 12 herstellen.
Die relative Dicke der Leiterelemente kann somit variiert werden, um der Leitfähigkeit des verwendeten Materials, der Länge der Spuren und anderen einschränkenden Faktoren zu genügen. Es ist anzumerken, dass die Spuren geringerer Breite eine bessere Auflösung und eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit ergeben können, dass die Verwendung breiterer Spuren aber für Anforderungen niedrigerer Auflösung und geringerer Sensibilität und Geschwindigkeit akzeptabel sein kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Sensibilität gegenüber Änderungen der Kapazität, die durch die Nähe eines Fingers oder eines anderen Objekts zu einem großflächigen Touchpad bewirkt wird, durch Zusammenfassen mehrerer Leiterelemente 12, 14 zu Gruppen verbessert, wie in Figur. 4 veranschaulicht ist. Diese spezielle Ausführungsform wird bevorzugt, wenn die erforderliche Positionsauflösung eines Tastenanschlags zugunsten einer vergrößerten Fläche des Touchpads vernachlässigt werden kann. Diese spezielle Ausführungsform verleiht der Vorrichtung den zusätzlichen Vorteil, dass eine Beschädigung an einem der Leiterelemente 12 oder 14, die einen Bruch in diesem Element verursacht, die Performance des Systems nicht beeinflusst, vorausgesetzt, dass die Verbindung jeder Gruppe von Elementen auf beiden Seiten hergestellt wird, wie in der Ausführungsform von Fig. 4 gezeigt ist. Wenn ein feiner Draht verwendet wird, um einen großen Bereich bzw. eine große Fläche zu detektieren, ist der Draht im Zick-Zack über diesem Bereich anzuordnen. Der Draht könnte mit einer Beabstandung von 1/4-1/5 Inch im Zick-Zack angeordnet werden.
Falls erforderlich, können die Leiterelemente mit Elementen auf der gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Schicht 10 durch Vorsehen von richtig platzierten Löchern 36 in der dielektrischen Schicht gemäß den Fig. 4 und 5 verbunden sein, die mit leitendem Material gefüllt sind, durch welches beispielsweise das Leiterelement 12 mit dem Leiterelement 32 verbunden wird, so dass der Verbinder 30 nur dazu erforderlich ist, einen Kontakt zu einer Fläche bzw. Seite der dielektrischen Schicht 10 herzustellen. Ein solches System kann auch dazu verwendet werden, sogenannte "Unterführungen" ("underpasses") für die Leiterelemente zu bilden, falls dies bei besonders komplexen Leitermustern erforderlich ist. Diese "Unterführungen" können dazu verwendet werden, die Schnittpunkte der ersten Reihe von Leiterelementen 12 und der zweiten Reihe von Leiterelementen 14 herzustellen.
Ferner ist anzumerken, dass es bei der Verwendung von Leiterelementen, die einen erheblichen Widerstand entlang ihrer Länge aufweisen, möglich ist, den Stoß zu minimieren, den dies bewirkt, indem Leiterelemente 32, 34 bereitgestellt werden, die beide Enden der Leiterelemente 12 bzw. 14 kontaktieren. Es ist ferner möglich, Leiterelemente 32, 34 in hochleitendem Material bereitzustellen, und Leiterelemente in einem Material mit niedrigerer Leitfähigkeit, wobei die Elemente in bekannter Weise zusammengekoppelt sind.
Bei einer speziellen Ausführungsform dieser Erfindung wird die erforderliche Sensibilität des Systems gegenüber Veränderungen der Kapazität bei einem gegebenen Element dadurch verbessert, dass sichergestellt wird, dass alle Leiterelemente 14-1....14-n und 12-1.....12-n auf demselben Potential gehalten werden (beispielsweise auf dem Erdungspotential oder Vsupply, das nachstehend als "Erdungspotential" bezeichnet wird), außer dem gerade abgetasteten Leiterelement. Die Erdung aller nichtabgetasteter Leiterelemente vermindert weitgehend die Wirkung einer Streukapazität von anderen Teilen des Touchpads auf das gerade abgetastete Element, womit eine zuverlässigere Messung irgendeiner kapazitiven Änderung, die an dem gerade abgetasteten Leiterelement stattgefunden haben kann, geliefert wird.
Ein geeignetes System zum Abtasten von Tastaturen, wie z. B. das in dem Europäischen Patent Nr. 0185671 beschriebene, ist mit einer gewissen Modifikation einfach auf dieses Touchpad anwendbar. Bei einer speziellen Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist bzw. wird jedes der Leiterelemente 12-1 bis 12-4 und 14-1 bis 14-3 an einem Ende mit einem Widerstand 71 mit einem gegenüber der Impedanz der Detektionsschaltung von beispielsweise 10kOhm vergleichsweise hohen Wert von beispielsweise 100kOhm verbunden. (Die einzelnen verwendeten Widerstandswerte sind exemplarisch und können je nach der Konfiguration des Systems erheblich abgeändert werden.) Jeder der Widerstände ist beispielsweise mit dem Erdungspotential verbunden. Das andere Ende jedes der Leiterelemente 12 -1 bis 12-4 und 14-1 bis 14-3 ist wiederum über eine analogen Multiplexer 75 mit der Ausgangsleitung 72 verbunden.
Wenn ein signifikanter Widerstand entlang der Länge der Leiterelemente 12 und 14 besteht, können Verbesserungen in der Leistung des Detektionssystems durch Anordnen der Widerstände 71 an entgegengesetzten Seiten der Leiterelemente 12 und 14 zu den in Fig. 8 gezeigten erzielt werden. Mit anderen Worten werden die Widerstände am Multiplexer 75 des Touchpads angeordnet und geerdet oder mit einer aktiven Erdung verbunden, wie nachstehend beschrieben wird.
Eine Ausgangsleitung 72 ist mit dem Eingang eines kapazitätsgesteuerten Oszillators 85 verbunden, dessen Ausgang mit einer Teile-durch-n-Schaltung 90 verbunden ist, die die Datenausgabe an der Leitung 92 liefert. Ein Schrittzähler 80, der von einem entfernten Taktgeber auf Leitung 82 getaktet ist, dient zur Steuerung des analogen Multiplexers und zum Zurücksetzen des kapazitätsgesteuerten Oszillators 85 und der Teile-durch-n-Schaltung 90. Ein Verarbeitungsmittel, das nicht dargestellt ist, dient zum Empfang der Daten von dem Teile-durch-n-Zähler 92 online und zu deren Speicherung an mehreren Stellen, von denen jede einem bestimmten der Leiterelemente 12 und 14 zugeordnet ist. Die Teile-durch-n-Schaltung 90 und andere Komponenten, wie der Schrittzähler 80, können mittels eines geeigneten Standard-Mikroprozessors bereitgestellt werden.
Das Abtastsystem tastet auf diese Weise jedes Leiterelement der Reihe nach gemäß der analogen Multiplexersequenz ab und speichert jeden Kapazitätswert im Speicher. Diese Werte werden mit Referenzwerten von früheren Abtastungen sowie mit anderen Kapazitätswerten in der gleichen Abtastung von den anderen Leiterelementen verglichen, um eine Tastenbetätigung bzw. einen Anschlag zu detektieren. Tastenbetätigungen müssen über einem Schwellenwert liegen, um gültig zu sein. Indem man über mehrere Schwellenwerte verfügt, ist es möglich, den D ruck des Tastendrucks oder den Abstand, den der Finger von der Taste entfernt ist, zu bestimmen. Dies kann beispielsweise von Nutzen sein, wenn ein Cursor über einen Bildschirm bewegt wird und dann eine Auswahl durch härteres Drücken auf einen ausgewählten Punkt getroffen wird.
Die restlichen Merkmale des Abtastmechanismus sind in dem genannten Dokument gut beschrieben und werden hier nicht weiter erläutert.
Erfasste Änderungen in der Kapazität an mehr als einem Leiterelement in irgendeiner der Abtastsequenzen ermöglicht die Interpolation einer Tastenbetätigung zwischen diesen Leiterelementen. Im zweidimensionalen Fall gemäß Fig. 6 kreuzen das Leiterelement 14-3 und das Leiterelement 14-4 die Leiterelemente 12-1 und 12-2. Ein Finger oder ein anderes Objekt an der Position 40 kann in der X-Richtung durch den relativen Effekt auf die Kapazität von Element 14-3 verglichen mit dem Element 14-4 und in der Y-Richtung durch den relativen Effekt auf die Kapazität von Element 12-1 im Vergleich mit Element 12-2 bestimmt werden. In einer typischen Anwendung werden die Leiterelemente 12-1, 12-2, ..., 12-n sowie 14-1, 14-2, ..., 14-n durch das Abtastsystem in einer sequentiellen Art und Weise abgetastet. Das gleiche gilt natürlich für die Ausführungsform des Touchpads, bei dem die Leiterelemente in Gruppen angeordnet sind, wobei die Interpolation zwischen der Mittellinie 45 jeder Gruppe von Leiterelementen vorgenommen wird (Fig. 4).
Es ist klar, dass die Interpolationstechnik nicht nur eine zu erzeugende analoge Darstellung der Fingerposition an dem Touchpad ermöglicht, sondern auch die Verwendung einer höherer Anzahl von "Boxen" oder vorbestimmten Tastenbereichen 60, 61 über der Anzahl von Element-Schnittstellen, wie in Fig. 7 angedeutet ist. Solche "Boxen" oder Tastenfeldbereiche können in irgendeiner Anzahl von Konfigurationen angeordnet sein, die vom System gelöst werden können.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine aktive Hintergrundebene in den Berührungsbildschirm aufgenommen werden. Beispielsweise wird eine Kunststofffolie, auf die eine leitende Schicht aufgebracht ist, auf den Berührungsbildschirm laminiert. Der Ausgang 72 wird mit einem nicht-invertierenden Verstärker 73 mit Einheitsverstärkung verbunden. Der Ausgang dieses Verstärkers 73 wird mit dem Hintergrundebenen-Leiter (nicht dargestellt) verbunden, der das gesamte oder einen Teil des Tastenfelds bedecken kann. Die Hintergrundebene wird aktiv, da die daran angelegte Spannung mit der Ausgabe auf Leitung 72 variiert.
Die Hintergrundebene kann sich auch auf Bereiche vor dem Tastenfeld erstrecken, um Tasten, die nicht betätigt werden, zu "schützen".
Das so erzeugte Hintergrundebenen-Potential kann auch in geeigneter Weise verbunden werden, um alle Leiter 12-n, 14-n, die nicht aktiv abgetastet werden, auf einem gemeinsamen Potential zu halten, das gleich dem aktiven Hintergrundebenen-Potential und nicht auf dem gemeinsamen Erdungspotential, wie vorher beschrieben wurde, ist.
Dies kann bei bestimmten Anwendungen des Berührungsbildschirms das Erfordernis einer komplett leitenden Hintergrundebenen-Schicht eliminieren.
In Fig. 9 ist ein Beispiel eines geeigneten Musters von Elementen zum Simulieren einer Tastaturkonfiguration, wie die normalerweise einer Schreibmaschinentastatur zugeordnete, dargestellt. Diese spezielle Ausführungsform umfasst die horizontalen Leiterelemente 12, vertikale Leiterelemente 14, leitende Elemente 32, 34 zum Verbinden mit dem Verbinder 30 auf ähnliche Weise wie bei den mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen. Die Sensibilität des Systems kann durch Hinzufügen weiterer Leitungselemente 42, 44 weiter verbessert werden. Die Elemente 42 stehen in elektrischer Verbindung mit den leitenden Elementen 12, und die Elemente 44 stehen in elektrischer Verbindung mit den leitenden Elementen 14, wobei die Elemente 42 so positioniert sind, dass die Mitte einer Box, die durch die Elemente 42 definiert ist, dem Zentrum einer durch die Elemente 44 definierten Box überlagert ist, wobei die Elemente 12, 42 auf einer Seite der dünnen dielektrischen Schicht 10 liegt, und die Elemente 14, 44 sich auf der anderen Seite des dünnen dielektrischen Films 10 befinden. Die separaten Elemente 42, 44 sind schematisch seitlich in der Zeichnung von Fig. 9 angegeben.
Wie früher angedeutet wurde, müssen die ersten und zweiten Reihen von Leiterelementen 12 und 14 nicht auf gegenüberliegenden Flächen der gleichen dielektrischen Membran angeordnet sein, sondern könnten auf separaten dielektrischen Membranen aufgebracht sein, wobei die Membranen übereinander, angeordnet sind. Dieses Prinzip kann so ausgeweitet werden, dass es mehrere Membranen umfasst, von denen jede ein separates Muster von Leiterelementen aufweist. Diese könnten beispielsweise PCBs (printed circuit boards) eines bekannten Typs sein.
Die Leiterelemente 12, 14, 32 und 34 sind aus feinen Leitungsdrähten gebildet, die beispielsweise mit einer Emailbeschichtung isoliert sind. Die Drähte 12, 14 könnten sich an Überschneidungen bzw. Schnittstellen 20 berühren, wobei ein elektrischer Kontakt durch die Isolierbeschichtung verhindert wird. Alternativ könnten die Drähte auf jeder Seite einer geeigneten Membran zu Anbringungszwecken angeordnet sein. Die Drähte können aus 10 bis 25 Mikron im Durchmesser sein, wodurch sie dem nackten Auge unsichtbar sind, wenn die Erfindung als Berührungsbildschirm eingesetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei einer Ausführungsform, die zum Beispiel mehrere Membranen mit darauf befindlichen Leiterelementen aufweist, können Multiplextechniken eingesetzt werden. Duplizierte Sätze von N kleinen Touchpads werden so angeordnet, dass sie eine große Touchpad-Anordnung bilden. Diese Anordnung wird auf ein größeres Touchpad mit M Tasten aufgebracht (M können gleich N sein). Die Position eines Fingers oder eines anderen Objekts in Nähe des ersten Touchpad ist durch das System als Tastenbetätigung in irgendeiner von N möglichen Positionen interpretierbar. Das zweite große Gittermuster wird zur Bestimmung verwendet, welcher der M möglichen duplizierten Tastenfeldern berührt worden ist, was eine eindeutige Bestimmung der Position des Fingers ermöglicht.
In Fig. 10 ist ein erstes Gittermuster mit sich wiederholenden Mustern von Elementen A bis D und W bis Z dargestellt; das heißt, dass alle A Elemente elektrisch verbunden sind, alle B Elemente elektrisch verbunden sind, usw. Daraus geht hervor, dass es vier erste Gitter- Horizontalverbindungen A, B, C, D gibt, sowie vier erste Gitter-VertikalverblndllTlgeT1 W, X, Y, Z. Ein zweites Gitter ist direkt über dem ersten Gitter angeordnet, und das zweite Gitter hat vier horizontale Elemente mit vier Verbindungen a, b, c, d und vier vertikale Elemente mit vier Verbindungen w, x, y, z. Ein an der mit einem Quadrat am ersten Gitter markierten Stelle platzierter Finger wird von dem ersten Gitter als Interferenz mit den Elementen A und Z angegeben. Ein solche Interferenz würde die gleiche für sechzehn Positionen an diesem Gitter sein, das zweite Gitter gibt jedoch eine Interferenz mit Elementen c und b an, wobei c stärker als b ist, sowie eine Interferenz mit Elementen x und y, wobei x stärker als y ist. Dies ermöglicht eine eindeutige Bestimmung der Position des Interferenzobjekts. Es ist einfach zu erkennen, dass auf diese Weise 256 Positionen durch nur 16 elektrische Verbindungen gelöst werden können.
Falls Interpolationstechniken verwendet werden, können mehr als 256 Positionen gelöst werden.
Falls emailbeschichtete Drähte verwendet werden, dann können, da diese voneinander isoliert sind, mehrere Matrix- Drahtanordnungen übereinander ohne irgendeine trennen de Membran beschichtet werden.
Es können mehrere Tasten durch Duplizieren oder Neuanordnen der Reihenfolge von Verbindungen bestimmt werden, und damit die eindeutig besten und zweitbesten Werte bestimmt werden. Beispielsweise könnte anstelle von A, B, C, D wie oben die Reihenfolge 0, A, B, C, D, B verwendet werden.
Falls D den besten Wert in dem obigen Beispiel ergibt und C der zweibeste Wert ist, dann ist es das zweite D, das gewählt worden ist.
Falls D den besten Wert ergibt und A der zweibeste ist, dann ist es das erste D, das gewählt worden ist.
Dieses Beispiel kann in einem linearen oder einem Gittermuster eingesetzt werden, um mehr Tastenpositionen bereitzustellen, und kann somit in Kombination mit den Interpolationstechniken eingesetzt werden, um noch mehr Tastenpositionen bereitzustellen.
Die Gittermuster können gemäß Fig. 10 mit gleichmäßigem Abstand angeordnet sein, aber gleichermaßen kann jedes Vier- mal-vier-Muster (A-D, W-Z) mit gutem Grund an jeder beliebigen Stelle der Touchpad-Oberfläche oder einer anderen Oberfläche angeordnet sein, womit 16 separate und unterschiedliche Viermal-vier-Anordnungen bereitgestellt werden. Im Extremfall könnte jede Anordnung bzw. jedes Array so aufgebaut sein, dass es eine einzige Taste ist, wobei das gezeigte Beispiel somit 256 Tasten an entfernten Stellen, jedoch nicht notwendigerweise in einem festgelegten Muster bereitstellt.
Bei einer sehr großen Tastatur kann es erforderlich sein, die Elemente schneller abzutasten. Dies kann auf 5 einfache Weise durch Abtasten mehrerer Elemente gleichzeitig erzielt werden. Somit könnten für ein 16 · 8-Array die Reihen 1 und 9, 2 und 10, 3 und 11, usw. gleichzeitig abgetastet werden. Falls nur eine Tastatur zu einer bestimten Zeit zu betätigen ist, kann eine eindeutige Bestimmung erhalten werden, da die Reihen ausreichend weit voneinander entfernt sind, so dass kein Streusignal möglich ist.
Die Ausgänge können verschiedenen Eingängen einer Multiplexerschaltung zugeführt werden, und dann einer gemeinsamen Detektorschaltung. Im Fall des Empfangs von zwei gültigen Ausgaben wird ein Vergleich gezogen, um das beste Signal zu bestimmen, oder ein Fehler angegeben, der einen weiteren Tastenanschlag erfordert.
Es ist leicht erkennbar, dass die Verwendung mehrerer Schichten von dielektrischen Membranen auf einfache Weise durch mehrere miteinander in Verbindung stehende Detektorschaltungen abgetastet werden können.
Ferner ist anzumerken, dass die Verwendung einer ersten Reihe dünner Leiterelemente, wie sie hier beschrieben wurde, effektiv eingesetzt werden kann, um diskrete Tastenbereiche zu bilden, beispielsweise das Element 42 in Fig. 9, jedes mit einer separaten Verbindungsleitung zum Abtastmechanismus und ohne den Einsatz einer zweiten Reihe von Leiterelementen.

Claims

1. Touchpad bzw. Tastfläche mit einer elektrisch isolierenden Membran (10) mit einer ersten Reihe voneinander beabstandeter Leiter (12) auf einer ersten Fläche der Membran (10) und einer zweiten Reihe voneinander beabstandeter Leiter (14) auf diesen oder proximal zu diesen, wobei kein elektrischer Kontakt zwischen der ersten und zweiten Reihe von Leitern (12, 14) besteht, und jeder Leiter in der Reihe gegenüber der Nähe eines Fingers empfindlich ist, um die Kapazität bzw. den kapazitiven Blindwiderstand des Leiters zu ändern, um die Präsenz des nahe dieses Leiters befindlichen Fingers zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leiter (12, 14) feine leitende, mit einer Isolierung beschichtete Drähte zwischen 10 und 25 Mikron Durchmesser aufweisen, die im Wesentlichen unsichtbar sind, wenn das Touchpad als Berührungsbildschirm (touch screen) benutzt wird.

2. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die feinen Drähte mit Email bzw. Schmelzglasur beschichtet sind.

3. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die zweite Reihe voneinander beabstandeter Leiter (14) auf einer zweiten Fläche der Membran (10) ausgebildet sind.

4. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die zweite Reihe voneinander beabstandeter Leiter (14) an einer zweiten Isoliermembran (13) angebracht ist.

5. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die zweite Reihe voneinander beabstandeter Leiter (14) an der ersten Fläche bzw. Seite der isolierenden Membran (10) angebracht ist, und die erste Reihe von Leitern (12) von der zweiten Reihe von Leitern (14) durch diskrete Bereiche eines Isoliermaterials (13') isoliert ist.

6. Touchpad-System mit einem Touchpad nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Abtastsystem, das so arbeiten kann, dass es jeden der Leiter sowohl der ersten als auch der zweiten Reihe von Leitern (12, 14) der Reihe nach abtastet, um einen dem betreffenden Leiter zugeordneten Kapazitätswert zu messen und zu speichern.

7. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Reihe von Leitern (12, 14) so angeordnet sind, dass sie mehrere Überschneidungen bzw. Schnittbereiche (20) bilden.

8. Touchpad nach Anspruch 7, wobei die Leiter eine erste Breite (22) für den größeren Teil ihrer Länge und eine zweite Breite (24) aufweist, die im Wesentlichen kleiner ist als die erste Breite an jeder Überschneidung (20).

9. Touchpad-System nach Anspruch 6, wobei das Abtastsystem so arbeiten kann, dass alle Leiter (12-n, 14-n) auf einem gemeinsamen Potential gehalten werden, wenn die Leiter nicht aktiv von dem Abtastsystem abgetastet werden.

10. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die Leiter jeweils aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen, leitenden Elementen gebildet sind.

11. Touchpad-System nach Anspruch 6 und 9, wobei das Abtastsystem die Position des Fingers relativ zu zwei oder mehr Leitern mittels einer Interpolation zwischen den Leitern zu bestimmen vermag.

12. Touchpad-System nach Anspruch 9, wobei der Touchpad- Oberflächenbereich in mehrere Boxen (60, 61) unterteilt ist, wobei die Präsenz eines auf irgendeiner der Boxen positionierten Fingers durch das System von einem Finger auf irgendeiner anderen Box unterscheidbar ist.

13. Touchpad nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Membran (10, 13, 13') und die erste und zweite Reihe von Leitern (12, 14) zwischen Kunststoff- oder dielektrischen Schichten (50) laminiert bzw. geschichtet sind.

14. Touchpad nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, wobei mehrere dielektrische Membranen (10), von denen jede mindestens eine Reihe von Leiterelementen (12) aufweist, und von denen jede der anderen überlagert ist, durch mehrere Abtastmechanismen abgetastet werden.

15. Touchpad nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Touchpad mit einer aktiven Hintergrund- bzw. "Backplane"- Vorrichtung versehen ist.

16. Touchpad nach Anspruch 15, wobei das Abtastsystem so arbeiten kann, dass alle Leiter auf demselben Potential wie die aktive Hintergrundvorrichtung gehalten werden, wenn die Leiter nicht aktiv durch das Abtastsystem abgetastet werden.

17. Touchpad nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Draht im Zick-Zack verlegt ist, um zu ermöglichen, dass die feinen Drähte eine große Fläche bedecken.

18. Mehrfacheingang-Näherungsdetektor mit mindestens einem Touchpad bzw. einer Tastfläche nach Anspruch 1, wobei die Nebeneinanderstellung zweier oder mehrerer unabhängiger Sensoreingänge dazu verwendet wird, die Nähe eines Fingers zu ermitteln bzw. zu bestimmen, wobei eine solche Erfassung nur als gültig akzeptiert wird, wenn alle Sensoreingänge eine gültige Erfassung anzeigen, wobei solche Eingänge neben einem Bereich anderer Eingänge in eindeutiger Kombination derart angeordnet sein können, dass, wenn irgendeine Kombination eine richtige Erfassung für alle ihre individuellen Eingänge ergibt, eine eindeutig gültige Erfassung bestimmt wird.