DE102011085528A1

DE102011085528A1 - Kapazitives Berührungsbildschirmsystem mit Berührungs- oder Objektpositionscodierung während Analog-Digital-Wandlung

Info

Publication number: DE102011085528A1
Application number: DE102011085528A
Authority: DE
Inventors: Vitali Souchkov
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2010-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: DE102011085528B4; US20120105355A1; US8508502B2

Abstract

Es werden verschiedene Ausführungsbeispiele von Schaltkreisen und Verfahren in einem kapazitiven Berührungsbildschirmsystem offenbart, die das Bedürfnis, eine komplette Anordnung von von einem Berührungsbildschirm erhaltenen Pixelsignalen zu digitalisieren, befriedigen. Stattdessen, werden interessierende Bereich, oder Projektionen von Objekt oder Berührungssignalclustern, eines Berührungsbildschirms 90 verwendet, um die Koordinaten oder Positionen von Objekten oder Berührungen in einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zu erhalten. Das Codieren von Objektpositionen passiert während des Digitalisierens der Analogsignalcluster, wodurch die Notwendigkeit des separaten Digitalisierens der einzelnen Berührungsbildschirmsignale wegfällt. Die offenbarten Schaltkreise und Verfahren reduzieren die Anzahl von Signalprozessorkanälen, welche sonst ggf. nsreduktion in dem kapazitiven Berührungsbildschirmsystem und auch zu einer Verringerung der zur Implementierung der Schaltkreisarchitektur in einem integrierten Schaltkreis benötigten Fläche.

Description

Gebet der Erfindung
Eine Vielzahl der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf das allgemeine Gebiet der kapazitiven Abtasteingabegeräte und spezieller auf Mittel und Verfahren des Codierens von Berührungs- oder Objektposition während einer Analog-Digital-Wandlung.
Hintergrund
Hauptsächlich zwei kapazitative Abtast- und Messtechnologien werden aktuell in den meisten Berührungsflächen und Berührungsbildschirmgeräten eingesetzt. Die erste solche Technologie ist die der Eigenkapazität. Viele Geräte, die von SYNAPTICS^TM hergestellt werden, verwenden Eigenkapazitätsmesstechniken, so wie integrierte Schaltkreis(IC)geräte wie der CYPRESS PSOC^TM. Eigenkapazität bedingt Messen der Eigenkapazität einer Reihe von Elektrodenpads mit Techniken wie denjenigen, die in US 5 543 588 von Bisset et al. mit dem Titel ”Touch Pad Driven Handheld Computing Device” vom 6. August 1996 beschrieben worden sind.
Eigenkapazität kann durch die Detektion der auf einem bei einer bestimmten Spannung gehaltenen Objekt gesammelten Ladung gemessen werden (Q = CV). Eigenkapazität wird üblicherweise durch Anlegen einer bekannten Spannung an eine Elektrode und anschließendes Verwenden eines Schaltkreises zur Messung, wie viel Ladung zur gleichen Elektrode fließt, gemessen. Wenn externe Objekte in die Nähe der Elektrode gebracht werden, wird zusätzliche Ladung zu der Elektrode gezogen. Als Folge erhöht sich die Eigenkapazität der Elektrode. Viele Berührungssensoren sind so eingerichtet, dass das geerdete Objekt ein Finger ist. Der menschliche Körper ist im Wesentlichen eine Kapazität gegenüber einer Oberfläche, an welcher das elektrische Feld verschwindet, und hat normalerweise eine Kapazität von ca. 100 pF.
Elektroden in Eigenkapazitätsberührungsflächen sind üblicherweise in Zeilen und Spalten angeordnet. Durch Abtasten erst der Reihen und dann der Spalten können die Orte der individuellen, beispielsweise durch die Präsenz eines Fingers induzierten Störungen bestimmt werden. Um eine genaue Mehrfachberührungsmessung durchführen zu können, kann es jedoch notwendig sein, dass mehrere Fingerberührungen simultan gemessen werden. In einem solchen Fall können Reihen-und-Spalten-Techniken zu uneindeutigen Ergebnissen führen.
Ein Weg, mit welchem die Anzahl der Elektroden in einem Eigenkapazitätssystem reduziert werden kann, ist die Verschachtelung der Elektroden in einem Sägezahnmuster. Die Verschachtelung erzeugt einen größeren Bereich, in welchem ein Finger bei einer begrenzten Anzahl benachbarter Elektroden erkannt wird, wodurch eine bessere Interpolation und daher weniger Elektroden ermöglicht werden. Solche Muster können insbesondere in eindimensionalen Sensoren effektiv sein, wie solchen, die in IPOD Klick-Rädern verwendet werden. Vgl. z. B. US 6 879 930 von Sinclair et al. mit dem Titel ”Capacitance touch slider” vom 12. April 2005.
Die zweite wesentliche in Berührungsflächen und Berührungsbildschirmgeräten verwendete kapazitive Abtast- und Messtechnologie ist die der wechselseitigen Kapazitäten, wo Messungen unter Verwendung eines Kreuzgitters von Elektroden durchgeführt werden. Vgl. z. B. US 5 861 875 von Gerpheide mit dem Titel ”Methods and Apparatus for Data Input” vom 19. Januar 1999.
Wechselseitige Kapazitätstechnologie wird in von CIRQUE^TM hergestellten Berührungsflächengeräten verwendet. Bei wechselseitigen Kapazitätsmessungen wird die Kapazität zwischen zwei Leitern gemessen, im Gegensatz zur Eigenkapazitätsmessung, in welcher die Kapazität eines einzelnen Leiters gemessen wird, und welche von anderen in der Nähe befindlichen Objekten beeinflusst werden kann.
In einigen wechselseitigen Kapazitätsmessungssystemen wird ein Raster von Abtastelektroden auf einer ersten Seite eines Substrats und ein Raster von Ansteuerelektroden auf einer zweiten Seite des Substrats, welche der ersten Seite gegenüber liegt, zur Verfügung gestellt, eine Spalte oder Reihe von Elektroden in dem Ansteuerelektrodenraster wird auf eine bestimmte Spannung gebracht, die wechselseitige Kapazität in Bezug auf eine einzelne Reihe (oder Spalte) des Abtastelektrodenrasters wird gemessen und die Kapazität an einer einzelnen Reihe-Spalte-Kreuzung wird bestimmt. Durch das Abtasten aller Reihen und Spalten kann eine Karte von Kapazitätsmessungen für alle Knoten des Gitters erstellt werden. Wenn ein Finger eines Benutzers oder ein anderes elektrisch leitfähiges Objekt sich einem bestimmten Gitterpunkt annähert, werden einige der von dem Gitterpunkt oder Nahe des Gitterpunktes ausgehenden elektrischen Feldlinien abgelenkt, wodurch die wechselseitige Kapazität zwischen den zwei Elektroden am Gitterpunkt verringert wird. Weil durch jede Messung nur ein einzelner Gitterkreuzungspunkt geprüft wird, treten keine Messungszweideutigkeiten auf bei Mehrfachberührungen wie in dem Fall von einigen Eigenkapazitätssystemen. Darüber hinaus ist es möglich ein Gitter mit m × n Kreuzungen mit nur m + n Anschlüssen auf einem integrierten Schaltkreis zu messen.
Es ist bekannt, dass kapazitive Berührungsbildschirmsysteme aufgrund ihres häufigen Einsatzes in batteriebetriebenen mobilen elektronischen Geräten beachtliche Herausforderungen darstellen, um deren Stromverbrauch zu reduzieren. Es ist ebenso bekannt, dass es einen erheblichen Marktdruck gibt, solche mobilen elektronischen Geräte und die zu deren Herstellung verwendeten Bauelemente zu miniaturisieren und noch kleiner zu machen.
Was benötigt wird, ist ein kapazitives Berührungsbildschirmsystem, welches eine reduzierte Leistungsaufnahme bietet und welches kleiner gemacht werden kann.
Zusammenfassung
In einem Ausführungsbeispiel wird ein kapazitives Berührungsbildschirmsystem bereitgestellt mit: einem Berührungsbildschirm, der eine erste Vielzahl von elektrisch leitfähigen Ansteuerspuren und eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Abtastspuren aufweist, wobei wechselseitige Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Spuren an Orten existieren, an denen sich die erste und zweite Vielzahl von Spuren kreuzen, um Pixel zu bilden, wobei sich die wechselseitigen Kapazitäten in der Präsenz von einem oder mehrerer Finger oder Berührungsgeräte, die in die Nähe davon gebracht werden, ändern; einem betriebsbereit an die erste Vielzahl von Ansteuerspuren angeschlossenen Ansteuerungsschaltkreis; einem betriebsbereit an die zweite Vielzahl von Abtastspuren angeschlossenen und einen Ladungserfassungsschaltkreis aufweisenden Abtastschaltkreis, wobei der Abtastschaltkreis dazu eingerichtet ist, um die wechselseitigen Kapazitäten entlang jeder der zweiten Vielzahl von Abtastspuren abzutasten und eine Vielzahl von Abtastspannungen korrespondierend zu den Abtastspuren zu generieren; eine Vielzahl von Komparatoren, die dazu eingerichtet sind, als Inputs eine Schwellspannung und die Abtastspannungen zu empfangen, wobei die Komparatoren Komparatoroutputsignale bereitstellen; einen analogen Multiplexer mit den Abtastspannungen als einen ersten Input; eine Vielzahl von logischen AND-Gattern, die dazu eingerichtet sind, als Inputs die Komparatoroutputsignale zu empfangen und als Outputs logische AND-Outputsignale bereitzustellen, wobei die AND-Outputsignale Inputs eines digitalen Multiplexers sind, der an die Outputs der Vielzahl von logischen AND-Gattern betriebsbereit angeschlossen ist, wobei der analoge Multiplexer als digitalen Input einen digitalen Output des digitalen Multiplexers empfängt; einen ersten Addierschaltkreis, welcher dazu eingerichtet ist, als Input einen Ouput des analogen Multiplexers zu empfangen und als Output eine Analog-Digital-Wandler-Referenzspannung repräsentierend eine Summe der Abtastspannungen korrespondierend zu wenigstens einem mit mindestens einer Berührung des Berührungsbildschirms assoziierten Pixelcluster bereitzustellen, einen zweiten gewichtenden Addierschaltkreis, welcher dazu eingerichtet ist, als Input den Output des analogen Multiplexers zu empfangen und als Output einen Input dem Analog-Digital-Wandler (ADC) bereitzustellen, welcher die gewichtete Summe der Abtastspannungen korrespondierend zu den Pixeln des Clusters repräsentiert, wobei die Outputs der Komparatoren und der AND-Gatter wenigstens ein zu einer gespürten Berührung auf dem Berührungsbildschirm korrespondierendes Pixelcluster repräsentieren, der Output des zweiten gewichtenden Addierschaltkreises eine gewichtete Summe der Abtastspannungen korrespondierend zu Pixeln des Clusters repräsentiert, und der Analog-Digital-Wandler als Output einen Positionscode korrespondierend zu einem interpolierten Ort der gespürten Finger oder Geräteberührung generiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Codieren von detektierten Berührungen oder Objektpositionen in einem in einem kapazitiven Berührungsbildschirmsystem enthaltenen Analog-Digital-Wandler (ADC) bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von Ansteuersignalen zu einer ersten Vielzahl von elektrisch leitfähigen Ansteuerspuren, wobei eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Abtastspuren in der Nähe der ersten Vielzahl von Ansteuerspuren angeordnet ist, so dass wechselseitige Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Spuren an Orten entstehen, wo die erste und zweite Vielzahl von Spuren sich kreuzen, um Pixel zu bilden, wobei sich die wechselseitigen Kapazitäten bei Präsenz eines oder mehrerer Finger(s) oder Berührungsgerätes, die in die Nähe gebracht werden, ändern; Abtasten der wechselseitigen Kapazitäten entlang jeder der zweiten Vielzahl von Abtastspuren und Generieren einer Vielzahl von Abtastspannungen korrespondierend zu jeder der Abtastspuren; Bereitstellen einer Schwellspannung und der Abtastspannungen zu einer Vielzahl von Komparatoren als Inputs dafür, wobei die Komparatoren Komperatoroutputsignale bereitstellen, wobei die Komparatoren die Inputabtastspannungen als multiplexte Inputsignale unter der Steuerung eines betriebsbereit mit der Vielzahl von Komparatoren verbundenen ersten Multiplexers empfangen; Bereitstellen der Komparatoroutputsignale zu einer Vielzahl von AND-Gattern als dafür eingerichtete Inputs und Generieren als Outputs von den AND-Gattern AND-Outputsignale, wobei die AND-Outputsignale unter der Steuerung eines betriebsbereit mit den Outputs der Vielzahl von AND-Gatters verbundenen zweiten Multiplexers multiplext werden, wobei der erste Multiplexer als Input den Output des zweiten Multiplexers empfängt; Bereitstellen eines Outputs von dem ersten Multiplexers zu einem ersten Addierschaltkreis als Input, wobei der erste Addierschaltkreis als Output eine ADC-Referenzspannung generiert; Bereitstellen des Outputs von dem ersten Multiplexers einem zweiten gewichtenden Addierschaltkreis als Input und Generieren als Output davon einen Input für den ADC; wobei die Outputs von den Komparatoren und den AND-Gattern wenigstens ein Cluster von Pixeln, das zu wenigstens einer gespürten Finger- oder Geräteberührung auf dem Berührungsbildschirm korrespondiert, repräsentieren, wobei der Output des zweiten gewichtenden Addierschaltkreises eine gewichtete Summe der Abtastspannungen, die zu den Pixeln des Clusters korrespondieren, repräsentiert, wobei der ADC als Output einen Positionscode korrespondierend zu einem interpolierten Ort des gespürten Objektes oder der Berührung generiert.
Weitere Ausführungsbeispiele sind hierin offenbart oder werden den Fachleuten nach dem Lesen und Verstehen der Beschreibung und der Zeichnungen deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Unterschiedliche Aspekte der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung werden deutlich von der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines kapazitiven Berührungsbildschirmsystems zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Berührungsbildschirmcontrollers zeigt;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Blockdiagramm eines kapazitiven Berührungsbildschirmsystems und eines Hostcontrollers zeigt;
4 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines kapazitiven Berührungsbildschirmsystems zeigt;
5 die X-Achsen Positionen und die korrespondierenden Inputspannungen zeigt;
6 eine zweidimensionale Darstellung eines Pixelclusters zeigt;
7 ein Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandler(ADC)-Positionscodierungsschaltkreises zeigt;
8 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) Positionscodierungsschaltkreises zeigt;
9 und 10 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel erlangte, simulierte Pixelraster X, Y-Trajektorien zeigen; und
11 die Variation in der detektierten Anzahl von Clustern gegen die Komparatorschwellspannungen zeigt.
Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgängig auf gleiche Teile oder gleiche Schritte in den Zeichnungen.
Ausführliche Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
Wie in 1 dargestellt besteht ein kapazitives Berührungsbildschirmsystem 110 typischerweise aus einem unterliegenden LCD- oder OLED-Bildschirm 112, einem darüberliegenden berührungsempfindlichen Feld oder Berührungsbildschirm 90, einer schützenden Abdeckung oder einer dielektrischen Platte 95 über dem Berührungsbildschirm 90 und einem Berührungsbildschirmcontroller, Mikroprozessor, einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder einer CPU 100. Es ist zu beachten, dass sich von LCDs oder OLEDs unterscheidende Bildschirme unter dem Bildschirm 112 angeordnet sein können.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Berührungsbildschirmcontrollers 100. In einem Ausführungsbeispiel kann der Berührungsbildschirmcontroller 100 ein in Übereinstimmung mit der hierin beschriebenen Lehre modifizierter Avago Technologies TM AMRI-5000 ASIC oder Chip sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der Berührungsbildschirmcontroller ein zum Bereitstellen eines Berührungsbildschirms mit hochgenauer, on-screen Navigation eingerichteter stromsparender kapazitiver Berührungsbildschirmcontroller.
In den 3 und 4 gezeigte kapazitive Berührungsbildschirme oder Berührungsflächen 90 können durch Aufbringen eines leitfähigen Materials wie Indiumzinnoxid (ITO) auf die Oberfläche(n) einer dielektrische Platte gebildet werden, welche typischerweise Glas, Plastik oder ein anderes geeignetes elektrisch isolierendes und vorzugsweise optisch durchlässiges Material aufweist und welche üblicherweise in Form eines Elektrodengitters aufgebaut sind. Die Kapazität des Gitters hält eine elektrische Ladung und Berühren der Fläche mit einem Finger stellt einen Leitungspfad zum Körper des Benutzers dar, was zu einer Änderung der Kapazität führt.
Der Berührungsbildschirmcontroller 100 erkennt und analysiert die Koordinaten dieser Änderungen der Kapazität. Wenn der Berührungsbildschirm 90 an einem Bildschirm mit einer graphischen Benutzeroberfläche befestigt ist, ist eine on-screen-Navigation durch Nachverfolgen der Berührungskoordinaten möglich. Oft ist es notwendig Mehrfachberührungen zu detektieren. Die Größe des Gitters wird gesteuert durch die gewünschte Auflösung der Berührungen. Typischerweise gibt es eine zusätzliche Deckplatte 95, um die obere ITO-Schicht des Berührungsbildschirms 90 zu schützen, um eine vollständige Berührungsbildschirmlösung zu bilden (vgl. z. B. 1).
Ein Weg, um einen Berührungsbildschirm 90 zu kreieren, ist ein ITO-Raster nur auf einer Seite einer dielektrischen Platte oder eines dielektrischen Substrats aufzubringen. Wenn der Berührungsbildschirm 90 mit einem Bildschirm verbunden wird, besteht kein Bedarf an einer zusätzlichen schützenden Abdeckung. Dies hat den Vorteil der Erzeugung eines dünneren Bildschirmsystems mit verbesserter Durchlässigkeit (> 90%), wodurch hellere und leichtere Handgeräte ermöglicht werden. Anwendungen für Berührungsbildschirmcontroller 100 umfassen Smartphones, portable Abspielgeräte, mobile Internetgeräte (MIDs) sowie GPS-Geräte, sind aber nicht auf diese beschränkt.
In Bezug auf die 3 und 4 weist in einem Ausführungsbeispiel der Berührungsbildschirmcontroller 100 ein analoges Frontend mit 9 Abtast- und Ansteuersignalleitungen und 16 mit einem ITO Gitter auf einem Berührungsbildschirm verbundene Ansteuer- und Abtastleitungen auf. Der Berührungsbildschirmcontroller 100 beaufschlagt die Steuerelektroden mit einer Anregung wie einer Rechteckwelle, einem Mäandersignal oder einem anderen geeigneten Typ von Ansteuersignal, dessen Frequenz in einem Bereich von ca. 40 kHz bis ca. 200 kHz gewählt werden kann. Das Wechselstromsignal wird über wechselseitige Kapazitäten an die Abtastleitungen angekoppelt. Das Berühren der Platte 90 mit einem Finger ändert die Kapazität am Ort der Berührung. Der Berührungsbildschirmcontroller 100 kann mehrere Berührungen gleichzeitig auflösen und verfolgen. Eine hohe Wiederholrate erlaubt dem Hauptrechner (Host), schnelle Berührungen und jedwede weitere Bewegungen ohne merkbare Verzögerung zu verfolgen. Der eingebettete Prozessor filtert die Daten, identifiziert die Berührungskoordinaten und meldet sie dem Hauptrechner. Die eingebettete Firmware kann durch Laden eines Patches aktualisiert werden. Andere Anzahlen von Ansteuer- und Abtastleitungen sind natürlich ebenfalls denkbar, so z. B. 8 × 12 und 12 × 20 Anordnungen.
Der Berührungsbildschirmcontroller 100 kann sich durch mehrere Betriebsarten mit unterschiedlichen Stromverbrauchshöhen auszeichnen. In einem Ruhemodus schaut der Controller 100 periodisch nach Berührungen mit einer durch das Ruheratenregister programmierten Rate. Es gibt mehrere Ruhemodi, jeder mit einem immer niedriger werdenden Stromverbrauch. In Abwesenheit einer Berührung für eine gewisses Zeitintervall kann der Controller 100 automatisch zu dem nächst niedrigeren Stromverbrauchsmodus schiften. Allerdings erhöht sich die Antwortzeit auf Berührungen typischerweise mit der Reduzierung des Stromverbrauchs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel und wie in 4 gezeigt weist ein ITO-Gitter auf dem Berührungsbildschirm 90 Reihen 20a–20p (oder Y-Leitungen 1–16) und Spalten 10a–10i (oder X-Leitungen 1–19), wobei die Reihen 20a–20p betriebsbereit mit Ansteuerschaltkreisen 40 verbunden sind und die Spalten 10a–10i betriebsbereit mit Abtastschaltkreisen 50 verbunden sind. Eine Konfiguration für die Leitungsführung von ITO-Ansteuer- und -abtastleitungen zu einem Berührungsbildschirmcontroller 100 wird in 4 gezeigt.
Es ist zu beachten, dass die Reihen in einem Berührungsbildschirm dazu eingerichtet sein können, um als Abtastleitungen zu arbeiten, und die Spalten in einem Berührungsbildschirm dazu eingerichtet sein können, um als Ansteuerleitungen zu arbeiten. Ebenso können unter der Steuerung einer geeigneten Multiplexing- und Kontrollsteuerungen Ansteuerleitungen wählbar geschaltet werden, um als Abtastleitungen zu arbeiten, und Abtastleitungen können wählbar geschaltet werden, um als Ansteuerleitungen zu arbeiten. Weiter können Ansteuer- und Abtastleitungen in anderen Mustern als Reihen und Spalten oder anders als senkrechte Reihen und Spalten angeordnet sein. Den Fachleuten wird klar sein, dass andere Berührungsbildschirmcontroller, Mikroprozessoren, ASICs oder CPUs an Stelle eines modifizierten AMRI-5000-Chips oder Berührungscontrollers 100 in einem Berührungsbildschirmsystem 110 verwendet werden können, und das unterschiedliche Anzahlen von Ansteuer- und Abtastleitungen, und das unterschiedliche Anzahlen und Konfigurationen von Ansteuer- und Abtastelektroden, andere als diejenigen die explizit hier gezeigt sind, verwendet werden können, ohne von dem Bereich oder Gedanken der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung abzuweichen.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den Spuren 10 und 20 ca. 90° (vgl. z. B. 4), aber auch jedweder andere geeignete Winkel so wie z. B. ca. 15°, ca. 30°, ca. 45°, ca. 60°, ca. 75° ist möglich. Die elektrisch leitfähigen Spuren 10 und 20 können in einer im Wesentlichen parallelen aber vertikal beabstandeten ersten bzw. zweiten Ebene angeordnet sein, oder sie können im Wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel weisen die elektrisch leitfähigen Spuren 10a–10i und 20a–20p Indiumzinnoxid (ITO) oder ein beliebiges anderes geeignetes elektrisch leitfähige Material. Die elektrisch leitfähigen Spuren 10a–10i und 20a–20p werden bevorzugt auf einem ein elektrisch isolierendes Material, welches im Wesentlichen optisch transparent ist, aufweisendes Substrat aufgebracht.
Es ist zu beachten, dass das Berührungsbildschirmsystem 110 in ein LCD, einen Computerbildschirm, einen Laptop-Computer, einen PDA (personal data assistant), ein Mobiltelefon, ein Radio, einen MP3-Player, eine tragbares Musikabspielgerät, ein stationäres Gerät, einen Fernseher, eine Stereoanlage, eine Trainingsmaschine, eine industrielle Steuerung, in eine Schalttafel, in einer Außensteuerung, in einem Haushaltsgerät oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrischen Gerät integriert sein oder einen Teil dessen bilden kann.
Die am weitesten verbreitete Implementierung von Berührungsbildschirmen mit Anordnungen von kapazitiven Sensoren verwendet entlang orthogonaler Achsen angeordneten Gruppen von Elektroden. Zahlreiche Variationen von Berührungsbildschirmelektrodenanordnungen existieren, welche eine kapazitive Kopplung von Elektroden ermöglichen, um gewünschte Signalcharakteristiken zu erzielen. Wenn ein ladendes elektrisches Potential an eine Gruppe von, z. B. entlang einer X-Achse angeordnete, Elektroden angelegt wird, wird die kreuzgekoppelte Kapazität in den Überlappregionen zu den entlang einer senkrechten Y-Achse angeordneten Elektroden geändert aufgrund der Präsenz des Objektes an der Sensorplatte. Dies erlaubt die Bestimmung der Objektposition durch Verarbeitung der an den Elektroden mittels Laden der Elektrodenkapazitäten auf ein bekanntes elektrisches Potential erlangten elektrischen Ladungssignale. In einem Zeitmultiplexingverfahren wird die Objektposition in einer oder zwei Koordinaten auf dem Berührungsbildschirm 90 mittels der Koordinate einer mit einem Ansteuerpotential verbunden Linie bestimmt, eine Linie nach der anderen. Alternativ können in Frequenzmultiplexingverfahren oder ”coded time sequence modulation”-Verfahren die Ansteuerleitungssignale unter Verwendung einer ausgewählten Methode der Ansteuersignalmodulierung codiert werden, wobei alle zu einer Gruppe von Elektroden gehörenden Leitungen simultan angesteuert werden können und die Position einer speziellen angesteuerten Leitungen in einem Ausleseschaltkreis decodiert wird, nachdem das erhaltene Signal demoduliert worden ist.
In kapazitiven Sensoranordnungen oder Berührungsbildschirmen sammelt eine Ladungssammelschaltkreis elektrische Ladung (welche durch die Elektrodenkapazitäten bestimmt ist). Während eine der obigen Gruppen von Elektroden geladen wird, werden von einer anderen, in der Regel orthogonalen Gruppe von Elektroden Ladungssignale gesammelt, was zu einer Bildung einer die Anzahl und Position der zu der Gruppe von Elektroden, die geladen wird, gehörenden Leitungen oder Elektroden wiederspiegelnden Projektion der Signale von dem Berührungsbildschirm 90 führt. Eine Projektion entlang der Richtung der orthogonalen Leitungen kann durch Wiederholen der Ladungssammlung unter Verwendung multiplexter Gruppen von Ansteuer- und Sammelleitungen oder -elektroden erlangt werden.
In der unten offenbarten Schaltungsarchitektur wird die Digitalisierung einer kompletten Anordnung von Pixelsignalen des Berührungsbildschirms 90 durch die Digitalisierung von interessierenden Regionen, oder Projektionen von Signalclustern, im Berührungsbildschirm 90 mittels des Codierens von Berührungskoordinaten durch die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) als ein Positionscodierungsmodul. Das Codieren der Objektposition passiert während der Digitalisierung der analogen Signalcluster, was es entbehrlich macht, die einzelnen Berührungsbildschirmsignale separat zu digitalisieren. Die unten beschriebene Schaltungsarchitektur reduziert die Anzahl der für die weitere digitale Signalfilterung und -verarbeitung notwendigen Signale. Die bereitgestellte Auslesung des Berührungsbildschirms reduziert die Anzahl von Signalprozessorkanälen, welche sonst benötigt würden, und führt sowohl zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs des kapazitiven Berührungsbildschirmsystems als auch in einer Reduzierung der benötigten Fläche, um die Schaltungsarchitektur auf Silizium in einem integrierten Schaltkreis zu implementieren.
Das Positionscodierungsprinzip
Zu existierenden Berührungssignalen korrespondierende Pixel auf dem Berührungsbildschirm 90 können durch Verwendung einer Schwellwerttechnik ausgewählt werden, während die erhaltenen Signale in analoger Form existieren. Wenn z. B. ein Cluster von berührten Pixeln 3×3 Pixel ist, dann hat jede Projektion 3 Signale, die Anzahl der zu verarbeitenden Signale für das gewählte Cluster ist 6 und das ganze Cluster stellt 9 einzelne Signale dar. Obwohl durch ein Pixelcluster von 3×3 Pixeln repräsentierte Berührungen häufig am praktischsten zu implementieren sind, können die hier offenbarten Vorrichtungen und Verfahren für Pixelcluster jeder geeigneten Größe angewendet werden.
Zu betrachten ist zunächst eine eindimensionale Anordnung von an Positionen Xi angeordneten Pixeln oder Sensoren, wo zu einem Zeitpunkt Signale Vi erlangt werden, wo die Pixel Xi + 1 und Xi durch eine Distanz Si getrennt sind, so wie in 5 gezeigt.
Während Einzelheiten der durch ein Berührungsobjekt wie ein der Pixel- oder Sensoranordnung dargebotener menschlicher Finger oder Stift hervorgerufenen Signalverteilung unbekannt sein können, kann ein Schwerpunktsalgorithmus erfolgreich verwendet werden, um das Zentrum einer Berührung zu bestimmen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Schwerpunktsalgorithmus auf folgende Weise formelhaft ausgedrückt werden:
wobei Xc eine durch den Algorithmus von Formel (1) bereitgestellte Positionsschätzung des Objektes ist und die Xi Positionen der Sensoren Vi die erlangten Sensor- oder Pixelsignale darstellen (welche sich normalerweise als Spannungen über einer Kapazität zeigen).
Nur Signalverteilungen von sich direkt unter dem Berührungsobjekt befindlichen Pixeln werden für die Berührungsdetektion benötigt. Signale, welche von den Ruhewerten Vio (wenn kein Objekt an der Sensor- oder Pixelanordnung vorhanden ist) abweichen, können in der Formel 1 verwendet werden, um die Objektposition Xc zu finden. Angenommen die Objektberührungsfläche und der Pixelanordnungsabstand sind bekannt, ist die Pixelclustergröße Nc, welche zu verarbeiten ist, definiert als die Anzahl von Pixeln in einer Dimension, die für die Verarbeitung durch den Schwerpunktsalgorithmus oder einem anderen Algorithmus benötigt wird, um eine Positionsschätzung für eine gegebene Berührung abzuleiten. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Pixelcluster von 3 bis 5 Pixeln (N = Nc) in einer Dimension typischerweise ausreichend, um eine Positionsschätzung Xc zu erlangen, welche bis zu zehn mal genauer sein kann als die Ergebnisse, welche bei der Verwendung des Pixelanordnungsabstand allein erhalten werden. Die benötigte Signalverarbeitung, um die Position eines mit einem Pixelcluster der Größe Nc assoziierten Objektes zu codieren, wird durch die untenstehende Formel 2 gezeigt. Zunächst wird angenommen, dass die Pixelanordnung gleichmäßig ist (ungleichmäßige Pixelanordnungen werden in größerem Detail unten besprochen). In 5 sind alle Abstände S_i gleich (S_i = S). Die Formel 1 reduziert sich dann zur Formel 2 wie folgt:
wobei die Schwerpunktspositionsabschätzung eine auf eine Position korrespondierend zu dem am weitesten links liegenden Pixel des Clusters Xi₀ bezogene Referenzkoordinate verwendet. Während die Position jedes Pixels im Berührungsbildschirm 90 durch das Berührungsfelddesign bestimmt wird, ist die Positionsschätzung des Clusterzentrums algorithmusabhängig und benötigt typischerweise eine Kalibrierung für ein angemessene Anordnungscharakterisierung. Eine Referenzposition kann ebenso eingesetzt werden, um mit der Signalsammelelektronik verbundene Verschiebungen oder Ungenauigkeiten zu berücksichtigen. In einem Ausführungsbeispiel einer Kalibrierungsprozedur ähnlich der in ”dark frame” Signalsammeltechniken verwendeten kann es notwendig sein, dass die Abweichung einer angenommenen Position, wenn kein Objekt an der Sensoranordnung vorhanden ist, in Übereinstimmung mit den vorgenannten Verschiebungen und Ungenauigkeiten kompensiert wird, es sei denn solche, mit der Berührungsbildschirmpixelanordnung und der Signalsammelelektronik verbundene Verschiebungen und Ungenauigkeiten sind vernachlässigbar.
Zweidimensionale Pixelanordnungen werden ähnlich wie oben beschrieben verarbeitet. Ein direkter Weg, um X-Y-Cluster-Verarbeitung zu bewältigen, ist, Projektionen der Clustersignale in einer Dimension (X und Y separat) zu verwenden und Koordinaten Xc und Yc auf eine ähnliche Weise abzuleiten, wie sie durch Formel 2 ausgedrückt wird. 6 zeigt ein zweidimensionales Cluster referenziert auf ein Eckpixel mit den Indices I₀, J₀. Die Projektionen der Cluster von Nc Pixeln auf eine Dimension wird durch die Formeln 3 und 4 wie folgt ausgedrückt:
so dass die Projektionen mit den Indices I und J für korrespondierende X und Y-Achsen Signalverarbeitung verwendet werden. Um z. B. eine Y-Projektion zu erlangen, können die Signale für das Pixelcluster für jeden Index in der X-Richtung summiert werden. Solch ein Projektionsverarbeitungsverfahren ist ähnlich zu dem, welches in der Computertomographiebildrekonstruktion eingesetzt wird, wo projizierte Ebenenbilder eine dreidimensionale Rekonstruktion eines Objektbildes ermöglichen. Die X-Y-Projektionen der Pixelcluster werden auf ähnliche Weise verarbeitet wie die Cluster-Projektionen für eine Dimension, wobei die mit der X- und Y-Richtung assoziierten Projektionen separat berechnet werden. In einer Weise ähnlich zu derjenigen repräsentiert durch die Formel 2 werden die Formeln 5 und 6 wie folgt benutzt, um Clusterkoordinaten Xc, Yc zu erhalten:
wobei die Nenner die Summe der prozessierten einzelnen Clustersignale darstellen. Solche Clusterprojektionen können auch während der Signalsammlung gebildet werden, so wie oben besprochen.
Das Codierungsprinzip
Der am weitesten verbreitete Weg, Signale von einer Pixelanordnung zu verarbeiten, ist es, jedes Pixelsensorsignal des Berührungsbildschirms 90 zu digitalisieren und die digitalen von unterschiedlichen Ansteuerleitungen (drive lines) erlangten Codes mittels digitaler Filterung weiterzuverarbeiten. Die Digitalisierungsprozedur mit N-Bit Analog-Digital-Wandlern (ADC) wird formal durch die Formel 7 wie folgt beschrieben:
wobei D die Digitalisierungsoperation bezeichnet. Das Divisionsergebnis in Formel 7 wird für jedes Inputsignal unter Verwendung des Wertes des niedrigstwertigen Bit (LSB) gebildet. Der LSB-Analog-Wert kann unter Verwendung einer stabilen Referenz Vref berechnet werden als LSB = Vref/2^N. Das Divisonsergebnis wird in eine Summe binär gewichteter Bit Status b₀ bis b_N-1 zerlegt (b_i ist entweder 0 oder 1). Ein multiplikativer ADC geht davon aus, dass die LSB-Größe dem analogen Referenzwert Vref folgt. Diese Eigenschaft des ADC kann genutzt werden, um einen Binärcode für die Schwerpunktsabschätzung des Pixelclusters zu generieren, welche zu einer auf der Pixelsensoranordnug (Berührungsbildschirm 90) detektierter Berührung korrespondiert. In Übereinstimmung mit dem obigen Prinzip kann der ADC eine gewichtete Summe von Pixelclustersignalen digitalisieren und eine nicht gewichtete Summe der Pixelclustersignale als analoge Referenz für die ADC-Wandlung verwenden. Z. B. kann ein Schwerpunktsbinärcode für das Pixelcluster erlangt werden, indem als Referenz oder Bezugswert das am weitesten linke Pixel der Pixelanordnung als Referenz oder Bezugswert verwendet wird. In einer zu der durch Formel 7 dargestellten vergleichbaren Weise, kann in Formel 8 ein Binärcode für die Clusterposition wie folgt erlangt werden:
wobei Vref aus der Formel 7 durch eine Summe der mit der Pixelcluster assoziierten Signale ersetzt wird, während eine gewichtete Summe der gleichen Signale als ein Input für den ADC verwendet wird.
Im Falle eines zweidimensionalen Pixelclusters können die Projektionen der Clustersignale V_PI, V_PJ von den Formeln 3 und 4 anstelle der Signale Vi verwendet werden.
Im Falle einer eindimensionalen Pixelclustergröße von 3 (Nc = 3) kann die Formel 8 gemäß der nachfolgenden Formel 9 in eine geeignete Implementierung überführt werden.
Die Digitalcodes der Positionsschätzungen werden direkt am ADC-Output generiert. Multiplikation der analogen Signale am ADC-Wandler-Input mit Konstanten (so z. B. 1 und 2 für eine Clustergröße von 3) kann durch Verwendung passender Kondensatoren präzise in den integrierten Schaltkreis implementiert werden. Die Kenntnis der Objektgröße (wie die Größe eines Fingers oder Stiftes) in Bezug auf die Pixelgröße erlaubt die Unterdrückung von durch den Schwerpunktsalgorithmus induzierten Positionsinterpolationsverschiebungen durch die Verwendung von Nachprozessieren von Rohpositionsschätzung. Die nachfolgende digitale Filterung, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, ist ähnlich zur Einzelpixelsignalfilterung.
Implementierung mittels eines integrierten Schaltkreises
Ein Ausführungsbeispiel des Schaltkreises 300, der Berührungspositionen unter Verwendung von von einer linearen Anordung erlangten Signalen codiert, wird in 7 gezeigt. In der folgenden den Schaltkreis 200 betreffenden Diskussion wird eine Berührung durch eine Pixelclustergröße repräsentiert, obwohl größere Pixelcluster auf die gleiche Weise verarbeitet werden können. Erlangte Analogsignale Vi (205) werden mit einem vorbestimmten Schwellpotential V_th verglichen. Wenn drei benachbarte Signale die Schwelle überschreiten, wird eine zu der detektierten Berührung korrespondierende Adresse des Pixelclusters unter Verwendung eines Koinzidenzschaltkreises (d. h. der logische, drei Inputs aufweisende Schaltkreis 215 der 7) und eines digitalen Decoderschaltkreis-MUXc (225) decodiert. In einer einfachen Version von Schaltkreis 200 wird die Detektion nur eines die hohe Schwelle überschreitenden Signals gezeigt. Der Outputcode des MUXc (225) wird verwendet, um die zu dem Pixelcluster korrespondierenden Analogsignale zu decodieren und dem Positionscodierungsschaltkreis (ADC 240) Signale Vi durch den MUXv (220) bereitzustellen. Vor dem Beginn des ADC-Prozesses wird eine analoge Summe von Vi Signalen für das Pixelcluster in dem Addiermodul 230 gebildet (was zu dem Nenner der Formel 9 korrespondiert), während eine analoge Summe für die gewichteten Signale im Wsum-Modul gebildet wird (was zu dem Zähler in der Formel 9 korrespondiert)). Weitere Zusätze zu den hier beschriebenen Codierungsprinzipien können Verbesserungen von codierten Positionen unter Verwendung von Referenzinformationen beinhalten. Wenn z. B. die Pixelanordnung der Berührungsbildschirm 90 ungleichmäßig ist, kann der Code für eine bestimmte codierte Position unter Verwendung eines „dark frame”-Codes korrigiert werden, welcher generiert wird, wenn keinObjekt auf der Pixelanordnung des Berührungsbildschirm 90 anwesend ist. Solche Korrekturen können mit in dem Verschiebungsframekompensationsmodul 245 der 7 durchgeführten arithmetischen Operationen ermöglicht werden. Der gespeicherte Kompensierungscode wird dem Verschiebungskompensationsmodul 245 unter Verwendung der im MUXc (225) decodierten Clusteradresse durch Decodieren von gespeicherten ”dark frame”-Codes im MUX₀ bereitgestellt. Ein Clusterreferenzcode (der am Output des MUXc (225) generierte Pixelcode) und die kompensierten Positionsinterpolationscodes charakterisieren vollständig die codierte Position des Berührungsobjektes. Mehrere Cluster können unter Verwendung von First-In/First-Out-Prinzipien verarbeitet werden. Komponentenanpassung und Kalibrationsgenauigkeit mit Referenzframecodes (wenn sie benutzt werden) bestimmen die Positionscodierungsgenauigkeit. In 7 wird die Pixelsignalinformation für die gesamte Pixelanordnung oder den Berührungsbildschirm 90 unter Verwendung von Projektionen über X-Leitungen erhalten.
Ein alternativer Ansatz, welcher einen gleitenden Koinzidenzschalterkreis verwendet, dessen Anzahl an Inputs gleich der Clustergröße ist, kann ebenfalls genutzt werden, so wie es im Schaltkreis 300 der 8 gezeigt ist. Mit entlang der Y-Richtung verteilten Ansteuerleitungen und entlang der X-Leitungen gesammelten Ladungsdaten kann der Clusterauswahlschaltkreis 210 für viele Inputs wiederverwendet werden wie in 4 gezeigt. Berührungsdetektion wird ermöglicht durch Bereitstellen von Codes von Rasteradressengenerator 270, der zu in Ladungssammelschaltkreisen gespeicherten X-Leitungssignalen, welche den Inputs der Komparatoren im Schaltkreis 210 präsentiert werden, korrespondierende Spannungspotentiale multiplext. Die Detektion von Berührungskoinzidenzen ermöglicht es Clusteradressen weiterzuleiten, was es dem Positionscodierungsprozess erlaubt, wie oben beschrieben zu beginnen.
Evaluierung durch Simulationen
Ein beispielhafter Codieralgorithmus wurde modelliert, und seine Funktionalität evaluiert, in Simulationen unter Einsatz von Rohframedaten von einer 12 × 8 kapazitiven Sensoranordnung. Ein einen Finger nachahmendes Objekt wurde entlang der Anordnung bewegt. Für jeden Frame wurden die ungefilterten Daten unter Verwendung eines 8-Bit-ADC digitalisiert und eine Suche nach einem Pixelcluster von 3×3 Pixeln durchgeführt. Sobald es detektiert wurde, wurde das Pixelcluster unter Verwendung der oben beschriebenen Projektionsmethode mit einer durch den voranstehend beschriebenen Schwerpunktsalgorithmus bereitgestellten Positionscodierung verarbeitet. Jede detektierte Pixelclusterposition wurde unter Verwendung von Pixelkoordinaten (oder Leitungsnummern) zu der Pixelanordnung in Bezug gesetzt. Die 9 und 10 zeigen codierte Trajektorieschriebe (Trajectory plots), wobei Inputdaten als Analogsignale mit davon entfernten ”dark frames” repräsentiert werden. Ein simulierter Pfad über die Pixelanordnung wurde unter Verwendung einer Berührungspixelclusterextraktion erhalten, wo die detektierten Signale einen Schwellwert von 52 mV überschritten. Die nacheinander abgeleiteten Positionskoordinaten sind in den X-Y-Plots der 9 und 10 gezeigt, wo die Einheiten auf den dargestellten Graphen zu den einzelnen Pixelgrößen korrespondieren. 9 zeigt einen von Framedaten unter Verwendung von Positionscodierung mit einem 8-Bit-ADC abgeleiteten codierten Trajektorieschrieb. 10 zeigt einen Vergleich von mit 8-, 7-, 6- und 5-Bit-ADCs codierten Trajektorien. 10 zeigt, dass je höher die verwendete Anzahl an Bits ist, desto genauer werden die codierten Trajektorien. Die Effizienz der Pixelclusterauswahl unter Verwendung eines einzelnen Schwellwertes wurde unter Verwendung von Rohdaten korrespondierend zu 604 Frames für das simulierte bewegte Objekt evaluiert. Der Anteil an Frames, wo Pixelcluster nicht detektiert wurden, wurde gegen Komparatorschwellwerte gemessen. 11 zeigt die Variation der detektierten Anzahl an Clustern gegen Komparatorschwellwertspannungen und zeigt, dass eine Schwellwertvariation von 5 mV über einem korrekten Wert zu einem Verlust von 5% von Berührungsdetektionen führt, wenn die Clusterdetektion unter Verwendung eines einzelnen Schwellwertes durchgeführt wird. Eine Änderung in der Clusterdetektionseffizienz mit hinzugefügtem Rauschen kann auf der Basis von Daten ähnlich den in der 11 gezeigten abgeschätzt werden.
Es ist zu beachten, dass verschiedene hier gezeigte Lehren auf optisch transmissive oder nicht optisch transmissive Berührungsflächen z. B. eine gedruckte Leiterplatte, eine flexible Leiterplatte oder ein anderes geeignetes Substrat, angewendet werden können. Während der primäre Einsatzzweck des kapazitiven Berührungsbildschirms 90 hauptsächlich im Kontext von relativ kleinen portablen Geräten, und Berührungsflächen oder Berührungsschirmen dafür, vermutet wird, kann er ebenso im Kontext von größeren Geräten, darunter z. B. Tastaturen für Schreibtischcomputer oder andere weniger portable Geräte wie Trainingsequipment, industrielle Steuertafeln, Haushaltsgeräte und ähnlichem, von Wert sein. Ähnlich können, obwohl viele Ausführungsbeispiele der Erfindung hauptsächlich als für die Manipulation mit Finger eines Benutzerseingerichtet vermutet werden, einige Ausführungsbeispiele ebenso für die Manipulation mit anderen Mechanismen oder Körperteilen eingerichtet sein. Die Erfindung kann z. B. auf oder in der Handauflage einer Tastatur angeordnet sein und mit dem Ballen der Hand eines Benutzers aktiviert werden. Darüber hinaus sind verschiedene Ausführungsbeispiele des kapazitiven Berührungsbildschirmsystems 110 und des kapazitiven Berührungsbildschirms 90 nicht auf in Reihen angeordnete Ansteuerelektroden und in Spalten angeordnete Abtastelektroden beschränkt.
Stattdessen können Reihen und Spalten in Bezug auf Abtast- und Ansteuerelektroden ausgetauscht werden. Viele Ausführungsbeispiele des kapazitiven Berührungsbildschirmsystems 110 und des kapazitiven Berührungsbildschirms 90 sind ebenso in der Lage, zusammen mit einem Stift zu arbeiten, so dass Stiftberührung auf dem Berührungsbildschirm 90 detektiert werden. Das System 110 und der Berührungsbildschirm 90 können weiter dazu eingerichtet sein, um sowohl die Detektion einer Fingerberührung als auch einer Stiftberührung zu erlauben.
Es ist weiter zu beachten, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Herstellung und des Hergestellt-Haben der verschiedenen Komponenten, Geräte und Systeme enthalten sind.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen eher als Beispiele der vorliegenden Erfindung verstanden werden und nicht als den Rahmen der Erfindung begrenzend. Zusätzlich zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Begutachtung der detaillierten Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen zeigen, dass es auch andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gibt. Dementsprechend fallen auch viele hierin nicht explizit aufgeführte Kombinationen, Permutationen, Variationen und Modifikationen der vorstehenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dennoch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5543588 [0002]
US 6879930 [0005]
US 5861875 [0006]

Claims

Ein kapazitives Berührungsbildschirmsystem mit: einem Berührungsbildschirm, der eine erste Vielzahl von elektrisch leitfähigen Ansteuerspuren und eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Abtastspuren aufweist, wobei wechselseitige Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Spuren an Orten existieren, an denen sich die erste und zweite Vielzahl von Spuren kreuzen, um Pixel zu bilden, wobei sich die wechselseitigen Kapazitäten in der Präsenz von einem oder mehrerer Finger oder Berührungsgeräte, in die Nähe davon gebracht werden, ändern; einem betriebsbereit an die erste Vielzahl von Ansteuerspuren angeschlossenen Ansteuerungsschaltkreis; einem betriebsbereit an die zweite Vielzahl von Abtastspuren angeschlossenen und einen Ladungserfassungsschaltkreis aufweisenden Abtastschaltkreis, wobei der Abtastschaltkreis dazu eingerichtet ist, um die wechselseitigen Kapazitäten entlang jeder der zweiten Vielzahl von Abtastspuren abzutasten und eine Vielzahl von Abtastspannungen korrespondierend zu den Abtastspuren zu generieren, eine Vielzahl von Komparatoren, die dazu eingerichtet sind, als Inputs eine Schwellspannung und die Abtastspannungen zu empfangen, wobei die Komparatoren Komparatoroutputsignale bereitstellen; einen analogen Multiplexer mit den Abtastspannungen als einen ersten Input; eine Vielzahl von logischen AND-Gattern, die dazu eingerichtet sind, als Inputs die Komparatoroutputsignale zu empfangen und als Outputs logische AND-Outputsignale bereitzustellen, wobei die AND-Outputsignale Inputs eines digitalen Multiplexers sind, der an die Outputs der Vielzahl von logischen AND-Gattern angeschlossen ist, wobei der analoge Multiplexer als digitalen Input einen digitalen Output des digitalen Multiplexers empfängt; einen ersten Addierschaltkreis, welcher dazu eingerichtet ist, als Input einen Output des analogen Multiplexers zu empfangen und als Output eine Analog-Digital-Wandler-Referenzspannung repräsentierend eine Summe der Abtastspannungenkorrespondierend zu wenigstens einem mit mindestens einer Berührung des Berührungsbildschirms assoziierten Pixelcluster zu generieren, einen zweiten gewichtenden Addierschaltkreis, welcher dazu eingerichtet ist, als Input den Output des analogen Multiplexers zu empfangen und als Output einen Input dem Analog-Digital-Wandler (ADC) bereitzustellen, welcher die gewichtete Summe der Abtastspannungen korrespondierend zu den Pixeln des Clusters repräsentiert, wobei die Outputs der Komparatoren und der AND-Gatter wenigstens ein Pixelcluster repräsentieren, welches zu wenigstens einer gespürten Berührung auf dem Berührungsbildschirm korrespondiert, wobei der Output des zweiten gewichtenden Addierschaltkreises eine gewichtete Summe der Abtastspannungen korrespondierend zu den Pixeln des Clusters repräsentiert, und wobei der Analog-Digital-Wandler als Output einen Positionscode korrespondierend zu einem interpolierten Ort der gespürten Finger oder Geräteberührung generiert.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebene Positionscode einem Verschiebungsframekompensationsschaltkreis als erster Input bereitgestellt wird.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 2, wobei der Verschiebungsframekompensationsschaltkreis als zweiten Input Notouch-Daten empfängt.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 3, wobei die No-touch-Daten unter Verwendung des Outputs des zweiten Multiplexers als Input zu einem dritten Multiplexer und von Verschiebungsframecodes als zweiter Input zu dem dritten Multiplexer generiert werden und der dritte Multiplexer als Output die No-touch-Daten bereitstellt.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 4, wobei die No-touch-Daten dem Verschiebungsframeschaltkreis als Input bereitgestellt werden.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 1, weiter aufweisend einen Decodierschalterschaltkreis mit einem betriebsbereit mit Steuerungsanschlüssen von Schaltern verbundenen Output, wobei die Schalter betriebsbereit mit den Inputs der Vielzahl von Komparatoren verbunden sind und/oder, wobei ein Input des Decodierschalterschaltkreises betriebsbereit mit dem Input des zweiten Multiplexers verbunden ist.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 6, weiter aufweisend einen mit dem Input des Decodierschalterschaltkreises und dem Input des zweiten Multiplexers betriebsbereit verbundenen Rasteradressengenerator.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 1, wobei das Pixelcluster ein Cluster von 2×2 Pixeln, 3×3 Pixeln, 4×4 Pixeln oder 5×5 Pixeln ist.
Das kapazitive Berührungsbildschirmsystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der interpolierte Ort der gespürten Berührung unter Verwendung eines in den Hardwareschaltkreisen des Analog-Digital-Wandlers implementierten Schwerpunktsalgorithmus bestimmt wird.
Ein Verfahren zum Codieren von detektierten Berührungen oder Objektpositionen in einem in einem kapazitiven Berührungsbildschirmsystem enthaltenen Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweisend: Bereitstellen von Ansteuersignalen zu einer ersten Vielzahl von elektrisch leitfähigen Ansteuerspuren, wobei eine zweite Vielzahl von elektrisch leitfähigen Abtastspuren in der Nähe der ersten Vielzahl von Ansteuerspuren angeordnet ist, so dass wechselseitige Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Spuren an Orten entstehen, wo die erste und zweite Vielzahl von Spuren sich kreuzen, um Pixel zu bilden, wobei sich die wechselseitigen Kapazitäten bei Präsenz eines oder mehrerer Finger(s) oder Berührungsgeräte, die in die Nähe dazu gebracht werden, ändern; Abtasten der wechselseitigen Kapazitäten entlang jeder der zweiten Vielzahl von Abtastspuren und Generieren einer Vielzahl von Abtastspannungen korrespondierend zu jeder der Abtastspuren; Bereitstellen einer Schwellspannung und der Abtastspannungen zu einer Vielzahl von Komparatoren als Inputs dafür, wobei die Komparatoren Komparatoroutputsignale bereitstellen, wobei die Komparatoren die Inputabtastspannungen als multiplexte Inputs unter der Steuerung eines betriebsbereit mit der Vielzahl von Komparatoren verbundenen ersten Multiplexers empfangen; Bereitstellen der Komparatoroutputsignale zu einer Vielzahl von AND-Gattern als dafür eingerichtete Inputs und Generieren von AND-Outputsignalen als Outputs der AND-Gatter, wobei die AND-Outputsignale unter der Steuerung eines betriebsbereit mit den Outputs der Vielzahl von AND-Gattern verbundenen zweiten Multiplexers multiplext werden, wobei der erste Multplexer als Input einen Output des zweiten Multiplexers empfängt; Bereitstellen eines Outputs des ersten Multiplexers zu einem ersten Addierschaltkreis als Input, wobei der erste Addierschaltkreis als Output eine ADC-Referenzspannung generiert; Bereitstellen des Outputs des ersten Multiplexers einem zweiten gewichtenden Addierschaltkreis als Input und Generieren als Output davon einen Input für den ADC; wobei die Outputs der Komparatoren und der AND-Gatter wenigstens ein Cluster von Pixeln, das zu wenigstens einer gespürten Finger- oder Geräteberührung auf dem Berührungsbildschirm korrespondiert, repräsentiert, wobei der Output des zweiten gewichtenden Addierschaltkreises eine gewichtete Summe der Abtastspannungen, die zu Pixeln des Clusters korrespondieren, repräsentieren, wobei der ADC als Output einen Positionscode korrespondierend zu einem interpolierten Ort des gespürten Objektes oder der Berührung generiert.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10, weiter aufweisend zur Verfügung stellen des von dem ADC ausgegebenen Positionscodes einer Verschiebungsframekompensationseinheit als erster Input.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 11, weiter aufweisend der Verschiebungsframekompensationseinheit Bereitstellen eines zweiten No-touch-Daten repräsentierenden Input.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10, weiter aufweisend Generieren von No-touch-Daten, unter Verwendung der Ausgangsdaten des zweiten Multiplexers, als ersten Input für einen dritten Multiplexer und Ausgleichsframecodes als zweiten Input für den dritten Multiplexer, wobei der dritte Multiplexer als Output No-touch-Daten zur Verfügung stellt.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 13, weiter aufweisend Bereitstellen von No-touch-Daten dem Verschiebungsframekompensationsschaltkreises als Input und/oder.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10, weiter aufweisend Betriebsbereit-Verbinden, eines Outputs eines Decodierschalters, mit Steueranschlüssen von Schaltern, wobei die Schalter betriebsbereit mit Inputs der Vielzahl von Komparatoren verbunden werden.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 13, weiter aufweisend Betriebsbereites-Verbinden eines Inputs des Decodierschalterschaltkreises mit einem Input des zweiten Multiplexers.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 16, weiter aufweisend Betriebsbereit-Verbinden eines Rasteradressengenerators mit einem Input des Decodierschalterschaltkreises und dem Input des zweiten Multiplexers
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10, weiter aufweisend Bereitstellen eines Pixelclusters von 2×2, 3×3, 4×4 oder 5×5 Pixeln.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10, weiter aufweisend Festellen des interpolierten Ortes der gespürten Berührung unter Verwendung eines in den Hardwareschaltkreisen des Analog-Digital-Wandlers implementierten Schwerpunktsalgorithmus.