DE69032101T2

DE69032101T2 - Vorrichtung für datenspeicherung

Info

Publication number: DE69032101T2
Application number: DE69032101T
Authority: DE
Inventors: George E Gerpheide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2010-08-15
Also published as: ATE203608T1; DE69033769D1; DE69033769T2; EP0486617A1; EP0814423B1; EP0814423A3; WO1991003039A1; ATE163782T1; DE69032101D1; EP0486617B1; JP3181581B2; EP0486617A4; EP0814423A2; JPH04507316A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Dateneingabe. Insbesondere betrifft diese Erfindung berührungsempfindliche Eingabe-Einrichtungen zur Dateneingabe für Computer und andere Geräte.

Hintergrund der Erfindung

Eingabe-Einrichtungen für Computer sind in der Technik bereits bekannt. Es gibt verschiedene Typen von Eingabe-Einrichtungen, wie beispielsweise die allgemein bekannte "Maus", die seit langem verwendet werden und im allgemeinen praktisch sind, um "benutzerfreundliche" Computersysteme für sowohl technische als auch nicht-technische Anwendungen zuschaffen. Es kann davon ausgegangen werden, daß die Popularität, die diese Einrichtungen in der Technik erreicht haben, zu einem explosionsartigen Wachstum der Personalcomputer-Industrie geführt haben, da sie für den Benutzer eine einfache Einrichtung zur Eingabe von Daten in Computer darstellen.
Derzeit sind etwa 95% aller Eingabe-Einrichtungen oder "Zeiger-Einrichtungen" Mäuse. Eine Maus benötigt allgemein eine ebene Rollfläche, mit der sie zusammenwirken kann. Abhängig von der jeweils verwendeten Maus wirkt die Einrichtung mit der ebenen Rollfläche zusammen und überträgt Bewegungen über diese Fläche als eine Eingabe zu einem Computer. Daher ist die Maus für jegliche Eingabe-Anwendungen ungeeignet, bei denen kein Platz für eine solche Rollfläche geschaffen werden kann. Die derzeitige und wachsende Popularität von "Laptop"-Computern hat zu einem beträchtlichen Problem für die Maus-Technologien geführt, bei denen eine Rollfläche erforderlich ist. Laptops werden oft in kleinen und begrenzten Bereichen verwendet, wie zu Beispiel in Flugzeugen, wo kein ausreichender Platz für eine Rollfläche ist. Daher besteht in der Technik seit langem die Forderung nach Zeiger-Lösungen ohne Maus für Computer und andere Geräte.
Außerdem besteht in der Technik seit langem die Forderung nach Eingabe- und Zeiger-Einrichtungen, die einfach zu benutzen sind und leicht in vorhandene Computer integriert werden können. Diese seit langem bestehende Forderung wurde nicht durch frühere mechanische Kugel- oder Walzen-Rolltechnologien gelöst, wie zum Beispiel durch Track-Balls. Außerdem sollten die neuen Zeiger- Einrichtungen zuverlässig und unempfindlich sein, mit der Fähigkeit, an eine Vielzahl von Orten transportiert werden zu können. Derzeitige Track-Ball-Einrichtungen erfüllen diese Forderungen nicht und sind außerdem relativ unhandlich, da sie dem Benutzer einige Geschicklichkeit abverlangen, wenn dieser die Einrichtung betätigt.
Andere Typen von Zeiger- oder Eingabe-Einrichtungen wurden in der Technik verwendet. Das US-Patent Nr. 3,886,311, Rodgers et al., offenbart einen Schreibstift zum Erfassen von zeitveränderlichen, elektrostatischen Feldkomponenten. Dieser in Rodgers et al. offenbarte Schreibstift wird zusammen mit einer Schreibtafel verwendet, die ein elektrostatisches Feld erzeugt. Das Rodgers et al.-Patent beschreibt ein X-Y-Gitter mit einer über dem Gitter angeordneten Schreibfläche und einem aktiven Schreibgerät, mit dem auf dem Gitter geschrieben werden kann, wie mit einem Kugelschreiber. Siehe Spalte 2, Zeile 63 bis Spalte 3, Zeile 7. Andere Beispiele von Stift- oder "Tafel"- Eingabe-Einrichtungen sind in dem US-Patent Nr. 4,672,154 offenbart, ebenfalls Rodgers et al. Das zweite Rodgers et al.-Patent zeigt einen drahtlosen Stift, der ein gerichtetes elektrisches Feld von der Spitze einer konduktiven Stiftpatrone aussendet. Die Stiftspitze ist kapazitiv mit einer Digitalisierungstafel gekoppelt, die ein X-Y-Koordinatensystem aufweist. Die Zeiger- Einrichtung, die in dem zweiten Rodgers et al.-Patent offenbart ist, kann ebenfalls wie eine Maus funktionieren. Siehe Spalte 1, Zeilen 65 bis 68. Sowohl das Stift-Ausführungsbeispiel als auch das Maus-Ausführungsbeispiel, die in dem zweiten Rodgers et al.- Patent offenbart sind, sind aktive Einrichtungen, die elektrostatische Felder aussenden, die mit der Digitalisierungstafel zusammenwirken.
Die Rodgers et al.-Patente offenbaren Digitalisierungsstifte und Maus-Zeiger-Einrichtungen, die eine separate Rollfläche benötigen. Darüber hinaus sind in diesen beiden Patenten Einrichtungen offenbart, die aktiv sind und elektrostatische Felder aussenden, um mit der Digitalisierungstafel zusammenzuwirken, um Daten in einen Computer einzugeben. Da die in beiden Rodgers et al.-Patenten offenbarten Einrichtungen aktiv sind, ist der Stift entweder über ein Kabel mit der Tafel verbunden, oder er enthält eine austauschbare Energiequelle, wie beispielsweise eine Batterie. In jedem Fall ist der Benutzer genötigt, einen sperrigen Gegenstand zu greifen, um die Einrichtung benutzen zu können. Durch die in den Rodgers et al.-Patenten offenbarten Einrichtungen wird daher eine in der Technik seit langem bestehende Forderung nach Zeiger- und Eingabe-Einrichtungen nicht erfüllt, die bequem und wirksam für eine Vielzahl von tragbaren Computern verwendet werden können.
Es ist in der Technik bekannt, zur Eingabe von Daten berührungsempfindliche Einrichtungen zu verwenden. Siehe US-Patent Nr. 4,680,430, Yoshikawa et al. Das Yoshikawa et al.-Patent offenbart ein Koordinaten erfassendes Gerät zum Bestimmen der Koordinatenpositionsdaten eines Punktes auf einer Fläche, der durch Berührung mit einem Finger oder einer anderen Kraft angegeben wird. Yoshikawa et al. lehrt eine analoge Einrichtung, bei der eine widerstandsbehaftete Folie verwendet wird, mittels derer die Koordinatenposition eines Punktes erfaßt wird. Die Koordinatenposition des Punktes wird angegeben, indem an der Position eine Last-Impedanz erzeugt wird. Siehe Spalte 3, Zeilen 8 bis 22.
Berührungsempfindliche Einrichtungen, wie diese, die in Yoshikawa et al. offenbart sind, haben einen großen Nachteil, da sie einen elektrischen Kontakt zwischen der Fingerspitze und der Einrichtung benötigen. Wenn der Benutzer lange Fingernägel oder andere Gegenstände an den Fingern und Händen hat, wird ein guter elektrischer Kontakt verhindert, und die Einrichtung arbeitet nicht einwandfrei.
In der Technik gibt es noch weitere analoge berührungsempfindliche Einrichtungen. Siehe, z.B., US-Patent Nr. 4,103,252, Bobick. Das Bobick-Patent beschreibt Elektroden, die an den Rändern eines Meßbereichs angeordnet sind. Durch Berührung des Benutzers an einer Kante einer Elektrode wird eine kapazitive Ladung erzeugt, durch die die Zeitkonstante eines RC-Netzwerks verändert wird, die Teil eines Oszillators ist. Durch die Veränderung der Kapazität des Sensors ändert sich die Zeitkonstante des RC-Netzwerkes, was zu einer Veränderung der Frequenz im Ausgangssignal des Oszillators führt. Siehe Spalte 2, Zeilen 8-20.
Das US-Patent Nr. 4,736,191, Matzke, offenbart eine durch Berührung aktivierbare Steuereinrichtung mit einzelnen leitfähigen Platten, die Sektoren eines Kreises bilden. Eine Berührung der über den Platten angeordneten dielektrischen Schicht durch den Benutzer wird durch das jeweilige Aufladen und Entladen von jedem der Sektoren in den Platten der Reihe nach erfaßt, um das Ansteigen der Kapazität des Sektors zu bestimmen. Siehe Spalte 2, Zeilen 26 bis 40.
Auch berührungsempfindliche Display-Einrichtungen wurden in der Technik verwendet. Siehe US-Patent 4,476,463, Ng et al. Das Ng et al.-Patent zeigt eine Display-Einrichtung, durch die eine Berührung an irgendeiner Stelle auf einem Display-Bildschirm lokalisiert wird, indem eine Vielzahl elektrischer Impedanzen auf der konduktiven Beschichtung des Bildschirms gemessen wird. Die Impedanzen stehen mit Elektroden in Beziehung, die an verschiedenen Kanten des Bildschirmes angeordnet sind. Siehe Spalte 2, Zeilen 7 bis 12. Die in Ng et al. offenbarten berührungsempfindlichen Einrichtungen sind allgemein dazu ausgestaltet, um ein Computer-Display zu überdecken, und erzeugen Positions- Informationen.
Die berührungsempfindlichen Eingabe-Einrichtungen, die in dem Bobick-, Matzke et al.- und Ng et al.-Patent offenbart sind, befriedigen nicht eine seit langem bestehende Forderung in der Technik nach berührungsempfindlichen Einrichtungen, die genau und wirksam eine Dateneingabe für Computer und andere Geräte bewirken. Die Einrichtungen, die in den obengenannten Patenten offenbart sind, befriedigen nicht diese seit langem bestehende Forderung, da sie die Position eigentlich nur als ein Verhältnis des Abstandes zwischen Elektroden messen, die an den Rändern des Meßbereiches angeordnet sind. Dies führt zu Meßungenauigkeiten, da der Abstand zwischen den Elektroden relativ groß ist, wodurch in dem gemessenen Verhältnis kleine Fehler erzeugt werden, die zu großen Positionsfehlern führen.
Wieder andere berührungsempfindlichen Einrichtungen verwenden ein Gitter aus Elektroden, um die Position eines Gegenstandes irgendwo auf dem Gitter digital zu bestimmen. Siehe US-Patent Nr. 4,550,221, Mabusth, und US-Patent Nr. 4,639,720, Rympalski et al. Das Mabusth-Patent offenbart eine berührungsempfindliche Steuereinrichtung, die eine Berührungsposition in Ausgangssignale umwandelt und die einen Träger aufweist, auf dem erste und zweite, verschachtelte, eng beabstandete, sich nicht überdeckende, leitfähige Platten gehalten sind. Die Platten sind in Zeilen und Spalten ausgerichtet, so daß sich Kanten von jeder Platte eines Feldes nahe, aber davon beabstandet, zu den Kanten der Platten des anderen Feldes befinden. Die ersten und zweiten Felder werden gemäß eines Multiplex-Verfahrens periodisch mit einem Kapazitätsmeßschaltkreis verbunden, durch den die Veränderung der Kapazität in den Feldern gemessen wird. Das Mabusth- Patent offenbart also ein Gitter aus Pixeln, die kapazitiv gekoppelt sind.
Auf ähnliche Art und Weise offenbart das Rympalski et al.- Patent eine elektronische Zeichenplatte, die eine graphische Eingabe-Platte mit einem Feld aus transparenten, kapazitiven Pixeln enthält, wobei sich deren kapazitiven Eigenschaften in Reaktion auf das Entlangführen eines Stiftes mit konduktiver Spitze über die Oberfläche der Platte verändern. Die Änderung der Kapazität wird mit Hilfe von Puffern erfaßt, die entlang der Spalten der Pixelmatrix angeordnet sind, während die Zeilen mit einer vorbestimmten Abtast-Geschwindigkeit abgetastet werden.
Weder das Mabusth-Patent noch das Rympalski et al.-Patent erfüllen eine seit langem bestehende Forderung in der Technik nach berührungsempfindlichen Eingabe-Einrichtungen, die eine gute Positionsauflösung eines Gegenstandes bewirken. Da die obengenannten Patente Vorrichtungen offenbaren, bei denen ein Gitter aus Elektroden verwendet wird und die in einem "Binär"- Modus arbeiten, d.h. Messen der Position durch Überprüfen von jeder Elektrode und Bestimmen, ob sich ein Gegenstand auf einem Punkt des Gitters befindet oder nicht, ist die Auflösung der Positionsmessung bestenfalls auf ein geringes Vielfaches der Gitterauflösung begrenzt. Dies erfordert ein sehr feines Elektrodenmuster, um eine akzeptierbare Positionsauflösung zu erreichen. Ein feines Elektrodenmuster ist jedoch sehr teuer und in den meisten Fällen nicht praktisch. Daher wird weder durch das Mabusth-atent noch durch das Rympalski et al.-Patent ein seit langem bestehendes Erfordernis in der Technik nach berührungsempfindlichen Einrichtungen befriedigt, mit Hilfe derer Daten in Computer oder andere Geräte eingegeben werden können.
Eine weitere Eingabe-Einrichtung ist in der EP-A-0 299 204 (Rupp) gezeigt, wobei diese Einrichtung einen isolierenden Träger enthält, der auf einer Fläche eine Vielzahl von Leiterbahnen trägt, die in parallel beabstandeter Beziehung angeordnet sind. Ein mittlerer Leiter, der mit einem Wechselstrom angesteuert wird, ist mit den beiden Leiterbahnen an jeder Seite der mittleren Leiterbahn gekoppelt, und hinter den beiden Leiterbahnen sind geerdete Leiterbahnen vorgesehen. Ein Operationsverstärker ist mit den beiden Leiterbahnen an jeder Seite der mittleren Leiterbahn verbunden, und die Position eines Gegenstandes wird bestimmt, indem die Veränderung der kapazitiven Kopplung zwischen der mittleren Leiterbahn und den beiden Leiterbahnen erfaßt wird.
Das Leiterbahnen-Feld der EP-A-0 299 204 ist uniplanar auf einer Fläche des isolierenden Trägers.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obengenannten, seit langem bestehenden Forderungen werden durch eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung erfüllt. Es ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines passiven, konduktiven Gegenstandes vorgesehen, mit:
- einer Platte, die eine Isolierungseinrichtung aufweist, auf der eine Anzahl von voneinander beabstandeten Elektroden so angeordnet ist, daß zwischen diesen Gegenkapazitäten vorhanden sind;
- einer Einrichtung zum Messen einer Veränderung der Gegenkapazitäten zwischen den Elektroden in Reaktion auf das Anordnen eines Gegenstandes auf der Platte; und
- einer auf die Meßeinrichtung ansprechenden Einrichtung zur Bestimmung der Position des Gegenstandes relativ zu den Elektroden.
Die Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist bei der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß:
- die Elektroden so angeordnet sind, daß zumindest eine erste Elektrode auf einer Seite der Isolierungseinrichtung angeordnet ist und eine Anzahl von zweiten Elektroden auf einer gegenüberliegenden Seite der Isolierungseinrichtung angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden angeordnet sind, um die zumindest eine erste Elektrode zu überkreuzen, um eine Anzahl von Überkreuzpunktbereichen zu bilden, so daß zwischen der zumindest einen ersten Elektrode und jeder der zweiten Elektroden Gegenkapazitäten vorhanden sind;
- die Meßeinrichtung dazu ausgestaltet ist, um das Absinken von Gegenkapazitäten zwischen der zumindest einen ersten Elektrode und jeder der zweiten Elektroden in Reaktion auf das Anordnen eines Gegenstandes auf der Platte zu messen, wobei die Position des Gegenstandes relativ zu den Überkreuzpunktbereichen durch die Bestimmungseinrichtung bestimmt wird.
Eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist in der Lage, ein Verfahren durchzuführen, bei dem die Gegenkapazität zwischen einer Elektrode auf einer Seite der Isolierungseinrichtung und der Anzahl von Elektroden auf der anderen Seite der Isolierungseinrichtung durch Verwendung einer Syntheseeinrichtung, die dazu dient, um diese eine Elektrode aus der Anzahl dieser Elektroden auszuwählen und dann die Gegenkapazität zwischen der ausgewählten Elektrode und den ausgewählten Elektroden auf der anderen Seite der Isolierungseinrichtung zu bestimmen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer berührungsempfindlichen Steuereinrichtung gemäß dieser Erfindung.
Figur 2 zeigt eine Computer-Tastatur mit einer berührungsempfindlichen Steuereinrichtung.
Figur 3 zeigt die Anordnung von virtuellen Elektroden.
Figur 4 zeigt die Anordnung von virtuellen Dipolelektroden aus virtuellen Elektroden.
Figur 5(a) zeigt eine einfache virtuelle Dipolelektrode.
Figur 5(b) zeigt eine einfache virtuelle Dipolelektrode, die umgewickelt ist.
Figur 6 zeigt zyklische, virtuelle Dipolelektroden.
Figur 7 ist ein Blockdiagramm einer virtuellen Elektrodenplatte und eines Zeilen- und Spalten-Syntheseschaltkreises.
Figur 8(a) zeigt eine Seitenansicht einer virtuellen Elektrodenplatte.
Figur 8(b) ist eine Draufsicht auf eine virtuelle Elektrodenplatte entlang der Linie 8(b) aus Figur 8(a).
Figur 9 ist ein Blockdiagramm eines Zeilen- und Spalten- Syntheseschaltkreises.
Figur 10(a) stellt eine Gegenstandspositionserfassung mit einer berührungsempfindlichen Steuereinrichtung dar, die gemäß dieser Erfindung vorgesehen ist.
Figur 10(b) zeigt eine Gestandspositionserfassung entlang der Linie 10(b) aus Figur 10(a).
Figur 11 ist eine graphische Darstellung des elektrischen Gleichgewichtes über der Position eines gemessenen Gegenstandes.
Figur 12 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Schaltkreises zur Messung des elektrischen Gleichgewichts aus Figur 1.
Figur 13 ist eine virtuelle Dipolelektrodenplatte, auf der eine einzelne virtuelle Zeilen-Dipolelektrode und zwei virtuelle Spalten-Dipolelektroden angeordnet sind.
Figur 14 ist eine graphische Darstellung des Gleichgewichts über der Gegenstandsposition für die Anordnung aus Figur 13.
Figur 15 zeigt eine virtuelle Ziel- und Basis-Dipolelektrode, die sich mit aktualisierten Indizes erstrecken, die die gemessene Gegenstandsposition wiedergeben.
Figur 16 ist ein Flußdiagramm eines Steueralgorithmus.
Figur 17 ist ein Flußdiagramm zur Bestimmung des Abstands eines Gegenstands zu einer virtuellen Dipolelektrodenplatte.
Figur 18 ist ein Flußdiagramm zur Bestimmung der x-Position eines Gegenstandes.
Figur 19 ist ein Flußdiagramm zur Bestimmung der y-Position eines Gegenstandes.
Figur 20 ist ein Flußdiagramm, um eine Aktualisierung des x-Positions-Index zu erreichen.
Figur 21 ist ein Flußdiagramm, um eine Aktualisierung des y-Positions-Index zu erreichen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachfolgend wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, bei denen gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei Figur 1 eine berührungsempfindliche Eingabe-Einrichtung gemäß dieser Erfindung ist, die eine virtuelle Elektrodenplatte 20, eine Einrichtung 30 zum Messen des elektrischen Gleichgewichts, einen Gleichgewichtsverhältnis-Bestimmungsschaltkreis 40 und einen Steuerschaltkreis 50 enthält. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen hat die virtuelle Elektrodenplatte 20 die Form einer Scheibe. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die virtuelle Elektrodenplatte 20 an verschiedenen Stellen der oberen und unteren Fläche davon "virtuelle Elektroden" haben. Die Elektroden werden als "virtuelle Elektroden" bezeichnet, da getrennte, konduktive Streifen auf beiden Flächen der Platte 20 verwendet werden, um einzelne Elemente zu bilden, die als "virtuelle Elektroden" bezeichnet werden. Die virtuellen Elektroden sind mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden, der das elektrische Gleichgewicht zwischen ausgewählten oberen virtuellen Elektroden und ausgewählten unteren virtuellen Elektroden zu messen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist ein Gleichgewichtsverhältnis-Bestimmungsschaltkreis 40 vorgesehen, um das Verhältnis einer Gleichgewichtsmessung zu einer anderen zu bestimmen. Der Steuerschaltkreis 50 wählt für die Gleichgewichtsmessung und die Verhältnisbestimmung geeignete Elektroden aus. Der Steuerschaltkreis 50 reagiert auf Gleichgewichtsverhältnisse, um Positions-Informationen des erfaßten Gegenstandes 60 zu berechnen. Diese Informationen können eine Position entlang einer oder zwei Achsen parallel zu der Elektrodenplattenfläche enthalten. Zusätzliche "Abstands"-Informationen entlang einer Achse senkrecht zur Fläche der Elektrodenplatte 20 können ebenfalls durch eine geeignete Gleichgewichtsmessung bestimmt werden. Die Positionsinformationen, die durch den Steuerschaltkreis 50 bestimmt werden, werden einer Verwendungseinrichtung 70 zugeführt, die irgendeine von einer Vielzahl elektronischer Einrichtungen oder Computern sein kann.
Ein Finger 60 ist gezeigt, der sich mit seiner Spitze in geringem Abstand zu der oberen Fläche der Elektrodenplatte 20 befindet. Mittels der virtuellen Elektrodenplatte 20 kann die Position der Fingerspitze über einen Bereich in der x- und y- Richtung sowie der Abstand in der z-Richtung erfaßt werden. Der gemessene Gegenstand 60 kann auch eine Daumenspitze oder ein anderer leitfähiger Gegenstand sein. Die Koordinatenachse 80 ist zur Bezugnahme dargestellt.
Nun wird auf Figur 2 Bezug genommen, in der eine berührungsempfindliche Eingabe-Einrichtung 90 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, die Informationen, durch die die Position eines Fingers des Benutzers dargestellt sind, erzeugen und an einen Computer weiterleiten kann, als eine Alternative zu der Funktion, die üblicherweise durch eine Computer-Maus bewirkt wird. Ein Benutzer kann mit Hilfe der berührungsempfindlichen Eingabe-Einrichtung gemäß dieser Erfindung an einem Computer Zeichnen, Befehle auswählen oder graphische Objekte handhaben. Die Einrichtung 90 kann eine separate Platte sein, die in der Hand gehalten, auf einem Schreibtisch angeordnet oder in bevorzugten Ausführungsbeispielen in einer Computer-Tastatur 100 unterhalb der Leertaste 110 eingebaut sein kann, so daß ein Benutzer sie mit einem Daumen betätigen kann. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Elektroden und der Isolator aus transparenten Materialien hergestellt sein, um auf der Sichtfläche eines Computer-Bildschirms angebracht zu werden.
Die Einrichtung 90 erzeugt Fingerpositions-Informationen für irgendein elektronisch gesteuertes Gerät. Ein Benutzer kann auch die Lautstärke einer Stereoanlage, die Temperatur eines Ofens, die Zeit für den Zyklus einer Maschine, die Auswahl bei einem Verkaufsautomaten, ein "Videospiel" elektronisches Unterhaltungsspiel, oder die Funktionen einer elektronischen Überwachungs- oder Meßeinrichtung steuern, wie zum Beispiel ein Oszilloskop. Wenn für eine Anwendung eine einachsige Ausgestaltung der Vorrichtung gewünscht ist, kann die Elektrodenplatte eine gerade, lineare Geometrie haben. Sie kann aber auch kreisförmig oder zylindrisch sein, wobei sie die Funktion einer üblichen Wählscheibe oder eines Potentiometers hat.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der zu erfassende Gegenstand ein im wesentlichen konduktiver Gegenstand sein. Mit einer Elektrodenplatte, die mit einer geeigneten Einteilung ausgebildet ist, kann die Vorrichtung die Position einer nahegelegenen Hand, einer Person, eines Autos oder eines Maschinenteils erfassen. Die berührungsempfindlichen Steuereinrichtungen gemäß dieser Erfindung können außerdem zur Verwendung als eine "elektronische Anzeigetafel" ausgestaltet sein.
Unter Bezugnahme auf Figur 3 enthält eine virtuelle Elektrode 120 eine Anzahl von Elektrodenstreifen 130, die über einer Fläche angeordnet sind. Ein Elektrodenstreifen ist ein konduktiver, lamellenartiger Abschnitt. Die Streifen sind durch isolierende Zwischenräume 140 getrennt, jedoch durch einen Elektrodensyntheseschaltkreis 150 elektrisch miteinander verbunden. Die Fläche, über der die verbundenen Streifen 130 angeordnet sind, einschließlich des Bereiches zwischen den Streifen 140, ist als die Fläche der virtuellen Elektrode definiert.
Die Bezeichnung A B wird als A Modulo B definiert und durchgehend verwendet, das heißt, als der Rest, wenn A durch B geteilt wird. Eckige Klammern werden verwendet, um Indizes einzuklammern, normalerweise um einen von einer Anzahl ähnlicher Gegenstände oder Punkte auszuwählen. Zum Beispiel bezeichnet C[i] die "i-te-Spalte". Alle Indizes beziehen sich auf eine Zeile oder Spalte. Wenn beispielsweise M "Spalten" vorgesehen sind, dann wird C[i+1] als C[(i+1) M] interpretiert.
Figur 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der virtuellen Elektrodenplatte mit zwei virtuellen "Zeilen"-Elektroden 160 auf der oberen Fläche der Platte und mit zwei virtuellen "Spalten"-Elektroden 170 auf der unteren Fläche. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen hat jede virtuelle Elektrode eine rechteckige Form. Die virtuellen Elektroden haben eine "Länge" und eine "Breite". Die Breite der Zeilen-Elektroden 160 verläuft bezüglich des Koordinatensystems 80 in der y-Richtung, während die Breite der Spalten-Elektroden 170 in x-Richtung verläuft. Die beiden virtuellen Zeilen-Elektroden 160 bilden eine "virtuelle Zeilen-Dipolelektrode" (VDE), die bei 180 mit R[j] bezeichnet wird. Außerdem ist eine Spalten-VDE vorgesehen, die bei 190 als C[i] bezeichnet wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen enthält eine VDE zwei virtuelle Elektroden gleicher Größe, die seitlich nebeneinander angeordnet sind. Eine virtuellen Elektrode, die sich bis zur Plattenkante hin erstreckt, kann auf die Kante der gegenüberliegenden Fläche "umgeklappt" werden. Die virtuellen Elektrodenkomponenten der VDE werden als die "positiven" und "negativen" Hälften der VDE bezeichnet. Der Ort (entlang der Achse in Richtung der Breite in dem vorliegenden Beispiel ist für die positive Hälfte größer als für die negative Hälfte der VDE. Die positive Hälfte von C[i] wird bei 200 als C[i] und die negative Hälfte bei 210 als C[i]< n> bezeichnet. C[i] ist bei 220 mit dem Draht CP und C[i]< n> bei 230 mit dem Draht CN verbunden. Auf ähnliche Art und Weise ist R[j] bei 240 mit RP bei 250 und R[i]< n> bei 260 mit RN bei 270 verbunden.
Die "Position" einer VDE ist als die Koordinate in Richtung der Breite einer Positionslinie definiert, d.h., mit gleichem Abstand zwischen den beiden virtuellen Elektrodenkomponenten. Die Spalten-VDEs C[0]...C[M-1] befinden sich jeweils bei x[0] ...x[M-1]. Die Zeilen-VDEs R[0]...R[N-1] befinden sich jeweils bei y[0]...y[N-1]. Der "VDE-Abstand" ist der Abstand zwischen benachbarten Zeilen (oder Spalten) der VDE-Positionen. Normalerweise ist die VDE-Breite größer als der VDE-Abstand und daher können sich VDEs an benachbarten Positionen überlappen.
Unter Bezugnahme auf Figuren 5(a) und 5(b) ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von zwei einfachen Spalten-VDEs gezeigt, wie sie vorstehend beschrieben sind. Es ist ein einfache Positionslinie 280 mit einer negativen VDE-Hälfte 290 auf der linken Seite und eine positive Hälfte 300 auf der rechten Seite vorgesehen. Jede VDE überdeckt im wesentlichen die gesamte virtuelle Elektrodenplatte 20. In Figur 5(b) liegt die Positionslinie nicht in der Mitte der Platte. Die virtuelle < n> -Elektrode 290 erstreckt sich bis zur linken Kante der Platte und ist bei 310 um die rechte Kante herumgeklappt. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine VDE lediglich eine positive Hälfte haben, wobei der Bereich der negativen Hälfte und irgendwelche Gegenkapazitäten bezüglich der negativen Hälfte als Null definiert sind.
Figur 6 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer VDE, die als eine "zyklische" Spalten-VDE bezeichnet wird. Eine zyklische VDE enthält eine "Basis"-VDE und zusätzliche VDEs, die periodisch entlang der Achse angeordnet sind. Alle virtuellen < n> -Elektroden 290 sind über den CN-Draht 230 elektrisch miteinander verbunden. Auf ähnliche Art und Weise sind alle virtuellen -Elektroden 300 über CP bei 220 verbunden. Die Anzahl der Komponenten-VDEs (einschließlich der Basis-VDE) in einer zyklischen VDE wird als die "Multiplizität" definiert. Für das gezeigte Beispiel ist die Multiplizität drei. Die Position 280 der Basis-VDE wird als die Position der gesamten zyklischen VDE angenommen. Diese Position hat die kleinste Koordinate von allen Komponenten-VDEs. Einfache und zyklische Zeilen-VDEs sind analog zu den hier beschriebenen Spalten-VDEs.
Einfache VDEs mit einer Multiplizität von eins können als ein Spezialfall der zyklischen VDEs betrachtet werden. Der Vorteil der Verwendung einer höheren Multiplizität besteht in der höheren Genauigkeit im Vergleich zu einer virtuellen Elektrodenplatte mit gleicher Größe und gleicher Anzahl von zyklischen VDEs, aber mit einer geringeren Multiplizität. Es sei angenommen, daß die frühere eine Multiplizität A und die spätere eine Multiplizität B hat, wobei A größer ist als B. Der VDE-Abstand der früheren ist der Quotient von B/A der späteren. Eine größere Genauigkeit kann mit der früheren realisiert werden, und zwar wegen des kleineren VDE-Abstandes.
Eine Multiplizität, die größer eins ist, impliziert, daß die gemessene absolute Position des Gegenstandes nicht eindeutig bestimmt werden kann. Die Position kann relativ zu der Position einer Komponenten-VDE bestimmt werden, aber es besteht keine Möglichkeit, die genaue Komponenten-VDE zu bestimmen. In vielen Fällen muß lediglich die relative Position bestimmt werden (das heißt, eine Veränderung der Position). Bei einer Multiplizität von größer als eins sollte die Position häufig genug gemessen werden, so daß sich der gemessene Gegenstand von einer Messung zur nächsten nie über mehr als die Hälfte des VDE-Abstandes bewegt. Auf diese Art und Weise kann eine relative Positionsveränderung eindeutig bestimmt werden. Eine Multiplizität von eins kann verwendet werden, wenn die absolute Position gemessen werden muß. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei verschiedene periodische VDEs mit verschiedenen VDE-Abständen zu verwenden.
Unter Bezugnahme auf Figur 7 enthält die virtuelle Elektrodenplatte 20 einen Träger 320 und eine Anzahl elektrischer Streifen 130 auf beiden Seiten des Trägers 320. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Träger 320 ein Isolator. Ein Elektrodensyntheseschaltkreis 150 enthält einen Zeilen-Syntheseschaltkreis 330 und einen Spalten-Syntheseschaltkreis 340. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Elektrodenplatte 20 über Leitungen A1 bis A8, allgemein bei 350 gezeigt, mit dem Zeilen-Syntheseschaltkreis 330 verbunden. Auf ähnliche Art und Weise ist die Elektrodenplatte 20 durch Leitungen B1 bis B8, allgemein bei 360 gezeigt, mit dem Spalten-Syntheseschaltkreis 340 verbunden. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen sind auf der Oberseite der Platte 20 acht Elektrodenstreifen vorgesehen.
Bei Anforderung von der Steuereinrichtung 50 verbindet der Elektrodensyntheseschaltkreis 150 ausgewählte Elektrodenstreifen mit den Drähten CN, CP, RN und RP, um auf jeweiligen Seiten der virtuellen Elektrodenplatte eine Zeilen- und eine Spalten-VDE zu bilden. Ein Signal S von der Steuereinrichtung 50 wird zu dem Zeilen-Syntheseschaltkreis 330 und zu dem Spalten-Syntheseschaltkreis 340 geleitet und steuert die virtuelle Elektrodenplatte 20 so an, um eine Zeilen-VDE und eine Spalten-VDE auszuwählen. Die Position von jeder VDE verändert sich gemäß den Anforderungen eines Steueralgorithmus. Beide Hälften von jeder VDE sind mit der Einrichtung 30 zum Messen des elektrischen Gleichgewichts verbunden. Diese Verbindung erfolgt über die Drähte RN und RP, die mit den positiven bzw. negativen Hälften der Zeilen-VDE verbunden sind; und über Drähte CN und CP, die mit den positiven und negativen Hälften der Spalten-VDE verbunden sind. Die elektrische Messung ist dann eine Kapazitätsmessung zwischen den Elektrodenstreifen.
Figuren 8(a) und 8(b) zeigen eine virtuelle Elektrodenplatte 20. Unter Bezugnahme auf Figur 8(a) befinden sich flache Elektrodenstreifen 130 auf der Oberseite und der Unterseite eines isolierenden Trägers, der allgemein durch 370 bezeichnet ist. Auf der oberen Fläche der Elektrodenplatte 20 ist ein dünner überdeckender Isolator 380 vorgesehen, durch den verhindert wird, daß ein gemessener Gegenstand einen elektrischen Kontakt mit den Elektrodenstreifen 130 und dem Träger 370 bewirkt. Er schützt die Elektrodenstreifen außerdem gegen Korrosion und Abnutzung.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen hat die Platte 20 Gesamtabmessungen von etwa 2,54 cm Höhe × 8,89 cm Breite × 0,20 cm Dicke. Der überdeckene Isolator 380 ist eine 0,051 cm dicke MYLAR-Folie, und der Trennisolator 370 ist eine 0,15 cm dicke Platinenplatte aus Epoxyd-Glas-Material. Die Elektrodenstreifen 130 sind 0,10 cm breite Kupferbahnen auf 0,51 cm Zentrierungen, die unter Verwendung eines üblichen Platinenherstellungsverfahrens auf beiden Seiten des Trennisolators hergestellt sind. Die Abmessungen können beträchtlich variieren, wobei eine gute Funktionalität erreicht wird. Die Breite der Bahnen, die Abstände zwischen den Bahnen und die Dicke des Platinenisolators und des überdeckenden Isolators können für bestimmte Anwendungen und zu messende Gegenstände verändert werden. Die obengenannten Abmessungen führen bei einer menschlichen Fingerspitze zu guten Ergebnissen.
Unter Bezugnahme auf Figur 8(b) befinden sich auf der oberen Seite des Trennisolators 370 senkrecht zu der y-Achse acht Elektrodenstreifen. Drähte, die mit A0 bis A7 bezeichnet sind, sind an diesen acht Elektrodenstreifen angebracht. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen sind 24 Elektrodenstreifen an der Unterseite des Trennisolators 370 senkrecht zu der x-Achse vorgesehen. Die 24 Elektrodenstreifen sind mit Drähten verbunden, die als B0 bis B7 bezeichnet sind, wie gezeigt ist. Eine Verbindung von drei Spalten-Elektrodenstreifen mit jedem Spaltendraht entspricht einer Multiplizität von drei. Für die Zeilen beträgt die Multiplizität eins.
Figur 9 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Implementierung von einem virtuellen Zeilen-Elektrodensyntheseschaltkreis 330. Jeder Elektrodenstreifendraht A0 bis A7, allgemein bei 290 gezeigt, ist mit einem Paar elektronischer Schalter 400 verbunden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die elektronischen Schalter 400 analoge CMOS-Schalter. Der eine oder der andere Schalter von jedem Paar ist elektrisch leitend. Über den elektrisch leitenden Schalter wird der zugehörige Elektrodenstreifen entweder mit dem Draht RN oder RP verbunden, und zwar abhängig davon, ob der Streifen Teil der negativen oder positiven VDE-Hälfte ist.
Jeder Schalter 400 wird durch einen Auswahllogikblock gesteuert, der bei 410 gezeigt ist. Der Auswahllogikblock 410 reagiert auf ein Zeilen-Auswahlsignal 420, das eine Komponente des Signals S ist. Die nachfolgende Auswahltabelle zeigt die Auswahllogik für die Synthese aller möglichen Zeilen-VDEs in der Platte aus Figur 8. Auswahltabelle
Auf diese Weise wird einer von acht möglichen VDEs, R[0] bis R[7], ausgewählt, um eine Synthese von den Elektrodenstreifen auf der Platte zu bewirken. Der Schaltkreis für die Spalten kann identisch zu dem für die Zeilen sein.
Die Plattenabmessungen, Anzahl von Elektrodenstreifen zum Ausbilden eine VDE und die Multiplizität der VDEs entlang jeder Achse können variiert werden. Einige Elektrodenstreifen können nicht angeschlossen sein, wenn die Synthese einer VDE erfolgt. Dadurch wird ein zusätzlicher Abstand zwischen den VDE-Hälften geschaffen. Die Platte kann kugelförmig, tassenförmig, zylinderförmig, keilförmig sein oder eine andere nicht-planare Form haben. Die Achsen auf den beiden Seiten der Platte müssen nicht orthogonal zueinander verlaufen. Achsensysteme, die anders sind als rechtwinklige Koordinaten, können ebenfalls verwendet werden. Mit einem radialen Koordinatensystem sind "ringförmige" virtuelle Elektroden (direkt analog zu den oben beschriebenen virtuellen Zeilen-Elektroden) als Ringe ausgebildet, während "keilförmige" virtuelle Elektroden (direkt analog zu den oben beschriebenen virtuellen Spalten-Elektroden) als "Tortenstücke" ausgebildet sind.
Mit dem Schaltkreis 30 zum Messen des elektrischen Gleichgewichts wird die Gegenkapazität zwischen virtuellen Zeilen- und Spalten-Elektroden in der virtuellen Elektrodenplatte 20 gemessen, was als das "Gleichgewicht" definiert ist. Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist der Schaltkreis zum Messen des elektrischen Gleichgewichts über Drähte RP, RN, CP und CN mit der Platte 20 verbunden. Der Schaltkreis zum Messen des elektrischen Gleichgewichts mißt das kapazitive Gleichgewicht zwischen virtuellen Zeilen- und Spalten-Elektroden. Daher können die Begriffe elektrische Gleichgewichtsmessung und kapazitive Gleichgewichtsmessung durchgehend austauschbar verwendet werden.
Der Schaltkreis zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts gibt ein Signal aus, das eine Antwort auf das kapazitive Gleichgewicht darstellt. Dieses Signal wird von dem Gleichgewichtverhältnis-Bestimmungsschaltkreis 40 und dem Steuerschaltkreis 50 verwendet. Das Ausgangssignal kann eine Spannung sein, die direkt in analoger Spannungsform verwendet wird, oder durch einen Analog/Digital-Wandler in digitale Form umgewandelt werden.
Um das kapazitive Gleichgewicht zu verstehen, wie es durchgehend verwendet wird, wird zunächst M(A,B) definiert, um die bekannte Gegenkapazität zwischen den virtuellen Elektroden A und B zu bestimmen, wenn alle anderen Elektroden in der Platte geerdet sind. M(C[i] , R(j)< n> ) gibt beispielsweise die Gegenkapazität zwischen der positiven Hälfte von VDE C[i] und der negativen Hälfte von VDE R[j] an. Das kapazitive Gleichgewicht zwischen den VDEs C[i] und R[j], L(C[i], R[j]), ist:
Kfg ist ein konstanter Skalarfaktor, der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von der Referenzsignalamplitude und dem Verstärkergewinn des Schaltkreises 30 zum Messen des elektrischen Gleichgewichts abhängt. Das Gleichgewicht ist eine praktische elektrische Größe, da sie die Position eines konduktiven Gegenstandes angibt, wie hier beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 10(a) befindet sich der gemessene Gegenstand 60 oberhalb der virtuellen Elektrodenplatte 20 wobei die VDEs ungefähr an der x-Position des Gegenstandes aktiviert sind. Die Position des Gegenstandes befindet sich bei den Koordinaten (xF, yF, zF). Die Position des Gegenstandes steht mit einer gewichteten Durchschnittsposition aller Punkte auf der Fläche des Gegenstandes in Beziehung, wobei die Punkte eine größere Gewichtung haben wird, die sich näher an der Platte 20 befinden. Eine Zeilen-VDE, R[j], ist angeordnet, wobei deren positive Hälfte R[j] 240 in der y-Richtung etwa unter dem gemessenen Gegenstand zentriert ist.
Eine Spalten-VDE, C[i], ist bei x[i] nahe der x-Position des gemessenen Gegenstandes angeordnet. R[j] wird als das "Basis"- VDE bezeichnet, und C[i] ist die "Ziel"-VDE bezüglich dieser Messung. Die Zeilen- und Spalten-VDEs sind mit RN und RP bzw. CN und CP verbunden. Der Trennisolator zwischen Basis und Ziel hat eine Dicke D. Die Überlappung zwischen C[i] und R[j] hat eine Fläche A, wie bei 430 gezeigt, die gleich der Fläche von jeder der anderen drei Überlappungen zwischen den C[i]- und R[j]-Elektrodenhälften ist.
Figur 10(b) zeigt die Situation von einer Seitenansicht entlang der x-Achse. Die Fingerspitze 60 ist als ein repräsentativer gemessener Gegenstand gezeigt, der sich bei xF befindet. Wie aus der Theorie paralleler Plattenkondensatoren bekannt ist, ist M(C[i] , R(j] ) = A*E/D, ungefähr, wobei E die dielektrische Konstante des Trennisolators ist. Der gleiche Ausdruck läßt sich für die drei anderen Gegenkapazitäten zwischen den C[i]- und R[j]-Elektrodenhälften anwenden. Alle vier Gegenkapazitäten sind ungefähr gleich. Diese Annäherungen vernachlässigen eine Addition auf A*E/D infolge der Kopplung von elektrostatischen Streufeldlinien, die bei 440 gezeigt sind. Wenn keine Fingerspitze vorhanden wäre, wäre das Streufeld für alle vier gleich. Dieses Gleichgewicht würde zu der genauen Gleichung führen:
L(C[i], R[j]) = 0.
Ein konduktiver Gegenstand, wie beispielsweise eine Fingerspitze 60, in direkter Nähe bringt dieses Gleichgewicht durcheinander. Die Fingerspitze, die sich hier bei xF > x[i] bei 450 befindet, unterbricht einen größeren Teil des Streufeldes von C[i] als von C[i]< n> , was zu der Ungleichung führt:
M(C[i] , R[j] ) < M(C[i] , R[j]< n> ).
Die Fingerspitze beeinflußt nicht wesentlich die Felder, die mit R[j]< n> gekoppelt sind, da die y-Position der Fingerspitze bei R[j] ist, und nicht bei R[j]< n> . Daher gilt:
M(C[i]< n> , R[j] ) < M(C[i]< n> , R[j]< n> ).
Die Netzwirkung ist die, daß
L(C[i], R[j]) > 0
für die Fingerspitze, die sich bei xF > x[i] befindet. Durch eine ähnliche Analyse für xF = x[i] wird ein Gleichgewicht beibehalten und L(C[i], R[j]) = 0. Auf ähnliche Weise ist für xF < x[i], L(C[i], R[j]) < 0.
Figur 11 zeigt das Gleichgewicht L zwischen der Basis- und Ziel-VDE für die Situation der Figuren 10(a) und 10(b) als eine Funktion der Fingerspitzenposition xF. Der Graph 460 ist für den Fall, daß die Fingerspitze über der positiven Hälfte der Basis- VDE (yF = y0) zentriert ist und sich so nahe wie möglich an der Platte befindet (zF = z0). Dieser Fall führt zur größten Amplitudenveränderung mit der Position. Andere Graphen 470 und 480 zeigen andere y oder größere z. Der Wert der Veränderung ist in diesen Fällen geringer, da der Finger weniger Streufeldlinien unterbricht. In allen Fällen gibt es einen Bereich von xF um xF = x[i], in dem L im wesentlichen eine lineare Funktion von xF ist. Das bedeutet, daß L = K(yF,zF)*(XF-x[i]) für einige geneigte K, was von yF, zF und Kfg sowie von der Elektrode und den gemessenen Gegenstandsgeometrien abhängt.
Figur 12 ist ein Blockdiagramm von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises 30 zum Messen des elektrischen Gleichgewichts. Ebenfalls gezeigt ist ein vereinfachtes elektrisches Modell der virtuellen Elektrodenplatte 20, die über die Drähte RP 250, RN 270, CP 220 und CN 230 mit dem Schaltkreis 30 zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts verbunden ist. Dieses Modell enthält vier Kondensatoren, die die Gegenkapazitäten M(C< n> , R ) 490, M(C , R ) 500, M(C< n> , R< n> ) 510 und M(C , R< n> ) 520 zwischen den Hälften der Basis- und Ziel-VDEs haben. Die Referenzsignalquelle 530 erzeugt ein Wechselstrom(AC)-Referenzsignal F mit einer Frequenz, die wesentlich größer ist als die Frequenz, mit der die Positionsmessung durchgeführt wird.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt diese Frequenz etwa 140 kHz. Für die Messung einer menschlichen Fingerspitze führen Frequenzen von 20 kHz bis 500 kHz zu akzeptierbaren Ergebnissen. Mögliche breitere Frequenzbereiche sind möglich, wenn andere Gegenstände gemessen werden. Das Referenzsignal 530 wird zu einem Paar von Treibern geführt. Ein Treiber 540 ist ein invertierender Typ und treibt über den Draht CP die positive Hälfte der ausgewählten Spalten-VDE. Der andere Treiber 550 ist ein nicht-invertierender Typ und treibt über den Draht CN die negative Hälfte. CN 230 wird dadurch mit einer In-Phase-Version von F getrieben, während CP 220 mit negativem F (-F) getrieben wird.
Die Drähte RP 250 und RN 270 verbinden die positiven und negativen Hälften der Zeilen-VDE mit nicht-invertierenden bzw. invertierenden Eingängen eines Differentialladungsverstärkers 560. Der Differenzladungsverstärker 560 hält RP und RN auf einer virtuellen AC-Erdung, so daß die AC-Spannung über jeder Gegenkapazität 500 oder 520 gleich -F und die AC-Spannung über jeder Gegenkapazität 490 oder 510 gleich +F ist. Der Betrag der Ladung, der auf RP gekoppelt ist, beträgt F*M(C< n> , R ) - F*M(C , R ). Der Wert auf RN beträgt F*M(C< n> , R< n> ) - F*M(C , R< n> ).
Der Ladungsverstärker 540 erzeugt eine AC-Differentialausgangsspannung Vo, die gleich einem Gewinnfaktor G ist, multipliziert mit der Ladung, die auf RP gekoppelt ist, abzüglich der auf RN. Dies führt zu folgender Beziehung:
Vo ist das Gleichgewicht zwischen C und R, hier als L(C,R) bezeichnet. Sowohl G als auch der Wert von F sind konstante Skalarfaktoren. Das Produkt (F * G) ist der Skalarfaktor Kfg in der obigen Definition des Gleichgewichtes L.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird Vo zu Meßzwecken einem Doppelgleichgewichtssynchrondetektor 570 geführt. Der Detektor 570 verwendet ebenfalls das Eingangssignal F als eine Referenz. Der Detektor 570 gewinnt die Amplitude eines Signals zurück, das mit dem Referenzsignal F bei Vorkommen von elektrischen Rauschsignalen synchronisiert ist, die eine sehr viel größere Amplitude haben. Diese Geräuschminderung ist wichtig, da der Betrag der Ladung, der über die Gegenkapazitäten 490, 500, 510 und 520 der virtuellen Elektrodenplatte 20 gekoppelt ist, einen sehr viel kleineren Wert haben kann. Die Ausgabe von dem Ladungsverstärker 560 enthält daher zusätzlich zu dem gewünschten Signal eine beträchtliche Rauschkomponente N. Die Ausgabe von dem Ladungsverstärker 560 kann daher geschrieben werden als:
Vo' = Vo + N = L(C,R) + N.
Die Ausgabe des Detektors 570 ist ein Signal, das proportional zu der Komponente von Vo ist, die synchron zu dem Referenzsignal F ist. Da das Rauschen N nicht synchron zu F ist, hat dies keine Wirkung auf das Detektorausgangssignal 575, welches daher eine direkte Messung von L(C,R) ist. Das Signal L bei 575 kann durch eine Anzahl bekannter Einrichtungen kodiert werden, beispielsweise in ein digitales Format oder in eine Eintakt- oder Doppeltakt-Spannung, -Strom oder -Ladung. Die Verwendung eines Doppelgleichgewichtdetektors (double balanced detector) 570 minimiert das Rauschen und Ungenauigkeiten. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Einzelgleichgewichtsdetektor (double balanced detector) verwendet werden.
Bezogen auf Figur 13 hat eine virtuelle Elektrodenplatte 20 an benachbarten Positionen zwei Spalten-VDEs, C[i] 580 und C[i+1] 590, die auf der Unterseite der Platte ausgebildet sind. Eine Zeilen-VDE R[j] 595 ist auf der Oberseite ausgebildet. Die Position eines gemessenen Gegenstandes ist ebenfalls angegeben, obwohl der Gegenstand selbst nicht gezeigt ist. Die x-Position des Gegenstandes, xF, liegt zwischen den Positionen der beiden Spalten-VDEs, x[i] und x[i+1].
Figur 14 zeigt die Veränderung der beiden Gleichgewichte, die bei der Platte 20 in Figur 13 gemessen wird. Jedes Gleichgewicht verändert sich mit der xF-Position des gemessenen Gegenstandes. L[i] ist das Gleichgewicht zwischen der Basis R[j] und dem Ziel C[i]. L[i+1] ist das Gleichgewicht zwischen R[j] und C[i+1]. Figur 11 zeigte die im wesentlichen lineare Prägung des kapazitiven Gleichgewichts L abhängig von der xF-Position des Gegenstandes. Die Steigung K der allgemeinen Antwort verändert sich mit der yF- und zF-Position des Gegenstandes und beinhaltet außerdem die Wirkung der vorstehend beschriebenen skalaren Konstante Kfg. Sowohl L[i] als auch L[i+1] in Figur 14 sind im wesentlichen linear in dem Bereich zwischen x[i] und x[i+1]. Die Steigungskonstante K ist im wesentlichen für beide Messungen gleich. Die Messungen werden ausgedrückt durch:
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Gleichgewichtsverhältnis Q[i] definiert werden als:
Q[i] = L[i]/(L[i]-L[i+1]).
Andere Ausdrücke für Q[i] können entwickelt werden, die aber funktional äquivalent sind. Aus dem obigen Ausdruck für L kann Q[i] auch geschrieben werden als:
Q[i] = (xF-x[i])/(x[i+1]-x[i]).
Q[i] variiert linear von einem Wert Null für einen Gegenstand bei xF = x[i] bis hin zu Eins bei xF = x[i+1]. Die algebraische Neuanordnung führt zu einem Ausdruck der Position xF:
xF = Q[i]*(x[i+1]-x[i]) + x[i].
Es ist vorteilhaft, Q[i] zu berechnen, daß die Position xF unabhängig von yF oder zF bestimmt werden kann. Das Gleichgewichtsverhältnis Q[i] wird durch den Gleichgewichtsverhältnis- Bestimmungsschaltkreis 40 unter Verwendung der aufeinanderfolgenden Messungen L[i] und L[i+1] des kapazitiven Gleichgewichts berechnet.
Die Diskussion bezüglich der Figuren 13 und 14 und die Definition der Gleichgewichtsverhältnisse, die alle in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten sind, bei dem zwei benachbarte VDEs, mit Indizes [i] und [i+1], verwendet werden, um ein Gleichgewichtsverhältnis zu entwickeln. Zwei nicht-benachbarte VDEs, z.B. mit Indizes [i] und [i+n], können ebenfalls verwendet werden, wobei n als eine Indexverlagerung betrachtet wird.
Jetzt wird wieder auf Figur 1 Bezug genommen, wobei der Steuerschaltkreis 50 die Gleichgewichtsmessungen L und die Verhältnisse Q von dem Gleichgewichtsmeßschaltkreis 30 und dem Verhältnis-Bestimmungsschaltkreis 40 empfängt. Der Steuerschaltkreis 50 erzeugt ein Auswahlsignal S, das der virtuellen Elektrodenplatte 20 zugeführt wird. Das Signal S enthält Zeilen- und Spalten-Auswahlkomponenten. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Steuerschaltkreis 50 ein Mikroprozessor, Mikrocontroller oder eine andere digitale Logikschaltung.
Das Steuersignal S gibt eine Zeilen-VDE und eine Spalten-VDE an, die zu irgendeinem bestimmten Moment auf der Platte 20 ausgebildet sind. Der Steuerschaltkreis spezifiziert oder wählt zu vorgegebenen Zeitpunkten diese bestimmten Spalten- und Zeilen- VDEs. Der Steuerschaltkreis 50 erzeugt außerdem Signale für den Gleichgewichtsmeßschaltkreis 30 und den Gleichgewichtsverhältnis-Bestimmungsschaltkreis 40, die diese beiden Komponenten zur Durchführung von Messungen und Berechnungen benötigen. Außerdem erzeugt er Positionssignale P für die Verwendungseinrichtung 70.
Wie hier definiert ist, bedeutet die "ungefähre" Position des Gegenstandes die Position mit einer Auflösung, die gleich dem Abstand zwischen benachbarten VDEs ist. Die "genaue" Position des Gegenstandes bedeutet eine Position mit einer Auflösung, die einige Male größer ist als die ungefähre Position. Das bestimmte Vielfache der ungefähren Auflösung ist eine Funktion der kapazitiven Gleichgewichtsmessungsauflösung, der Gleichgewichtsverhältnis-Bestimmungsauflösung und der negativen Auswirkungen des elektronischen Rauschens. In bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt dieses Vielfache 128.
Es sei angenommen, daß eine von M Spalten-VDEs und eine von N Zeilen-VDEs von der Platte 20 ausgewählt werden können. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist M = 8 und N = 8. Jede VDE bedeckt die gesamte Fläche der Platte, indem sie um diese herum geklappt ist, wie in Figur 5(b) gezeigt und beschrieben ist.
Es sei angenommen, daß i und j VDE-Indizes sind, die aus einem Satz von "normalen" Indizes ausgewählt sind. Die Zeilen- VDE R[i+N/2] ist die gleiche wie R[i], wobei die positive und negative Hälfte vertauscht sind. Auf ähnliche Weise ist C[j+M/2] eine ausgetauschte Version von C[j]. Die vertauschten positiven und negativen Hälften von sowohl den Zeilen- als auch den Spalten-VDEs haben keine Wirkung auf eine Gleichgewichtsmessung. Dies wird deutlich, indem man sich an die Definition des Gleichgewichtes L erinnert. Da die Operation auf Gleichgewichtsmessungen basiert, können alle normalen Spalten- und Zeilen-Indizes durchgehend um M/2 bzw. N/2 erhöht werden, um zu alternativen Indizes zu führen. Alternative Indizes entsprechen ungefähren Positionen, die durchgehend um das M/2-fache des Spalten-VDE- Abstandes und das N/2-fache des Zeilen-VDE-Abstandes versetzt sind.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist es nicht möglich, zu bestimmen, ob normale oder alternative Indizes zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet werden, aber der Typ von Indizes, der verwendet wird, wird nicht gewechselt, während ein gemessener Gegenstand in der Nähe der Platte verbleibt. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Positionsänderung die gleiche wie mit normalen oder alternativen Indizes. Glücklicherweise ist bei vielen Anwendungen nur eine Veränderung der Position wichtig. Wenn eine absolute Position bestimmt werden muß, kann eine zusätzliche Messung L' erfolgen, die auf die ausgetauschten positiven und negativen Hälften anspricht, und durch den Ausdruck definiert ist:
Der Meßschaltkreis zur Bestimmung von L' ist eine Abwandlung des Schaltkreises, der zur Bestimmung von L verwendet wird. Die Steuereinrichtung kann zur Verwendung von L' angepaßt werden und unterscheidet normale Indizes von alternativen Indizes in bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Ein Ziel des Steuerschaltkreises besteht darin, eine wiederholte Aktualisierung der Basis-Indizes IB und JB sowie der Ziel- Indizes IT und JT durchzuführen, so daß die Position des gemessenen Gegenstandes etwa in den positiven Hälften der VDEs C[IB] und R[JB] zentriert und in den Intervallen x[IT] bis x[IT+1] und y[JT] bis y[JT+1] angeordnet ist. Dies gehört zu der ungefähren Position des Gegenstandes.
Unter Bezugnahme auf Figur 15 wird eine mögliche xF-Gegenstandsposition und die Erweiterung von geeigneten Spalten-VDEs gezeigt. In diesem Beispiel ist IB = 1 und IT = 3. Die Position xF befindet sich zwischen x[3] und x[4], die jeweiligen Positionen der Ziel-VDEs sind C[3] und C[4]. Weiterhin ist xF etwa in der positiven Hälfte der Basis-VDE C[1] zentriert. Ein Beispiel für die y-Position und die Zeilen-VDEs ist analog.
Unter Bezugnahme auf Figur 16 wird ein Flußdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Algorithmus gezeigt, der durch die Steuereinrichtung durchgeführt wird. Bei Schritt 600 bestimmt die Steuereinrichtung die Entfernung W des gemessenen Gegenstandes von der Platte allgemein in der z-Richtung. Die Position des Gegenstandes wird bei Schritt 610 bestimmt, und die y-Position des Gegenstandes wird bei Schritt 620 bestimmt. Die Steuereinrichtung aktualisiert bei Schritt 630 die x-Indizes IB und IT und in Schritt 640 die y-Indizes JB und JT.
Die Signalfilterung zur Reduzierung des Rauschens in der übertragenen Position zur Veränderung der Geschwindigkeit der Übertragung, abhängig von der Positionsveränderungsaktivität, oder zur Löschung der Störpositionsveränderung oder Ungenauigkeiten, wenn der gemessene Gegenstand sich durch die Nähe des Grenzwertübergangs bewegt, wird bei Schritt 650 durchgeführt. Das Signal P wird bei Schritt 660 zu einer Verwendungseinrichtung gesendet. Eine Komponente von P gibt die Entfernung W oder die Entfernung des Kontaktes zwischen dem zu messenden Gegenstand und der Platte an. Wenn der Abstand ausreichend klein ist, dann geben andere Komponenten von P die x- und y-Position des Gegenstandes an. Diese Information kann auf verschiedene Arten kodiert werden, beispielsweise als absolute Position oder als Relativposition, das heißt, die Veränderung der Position des Gegenstandes seit dem letzten Signal.
Der Wert von W, wie er vorstehend bei Schritt 600 bestimmt wurde, kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Gegenstand sich in ausreichender Nähe zu der Platte befindet, so daß die x- und y-Position, die in Schritten 610 und 620 bestimmt wurde, sinnvoll ist. Dies erfolgt durch einen Vergleich von W mit einem Grenzwert Wth > 0. Wenn W > Wth, dann befindet sich der Gegenstand in ausreichender Nähe, so daß die Positionsinformationen sinnvoll sind. Wenn W ≤ Wth, dann befindet sich der Gegenstand nicht in ausreichender Nähe, und die Positionsinformationen sind nicht sinnvoll. Der Wert Wth kann empirisch bestimmt werden, indem der zu messende Gegenstand in einer Entfernung angeordnet wird, die größere ist als die, bei der eine Positionsmessung gewünscht ist. Der Wert von W, der auf diese Weise bestimmt wurde, ist ein geeigneter Wert für Wth.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen macht die Steuereinrichtung jeweils alle 5,5 Millisekunden einen kompletten Zyklus durch diesen Algorithmus. Andere Perioden können ohne beträchtliche Veränderung der Operation erreicht werden. Die Periode kann außerdem für bestimmte von dem System verwendete Verwendungseinrichtungen angepaßt werden. Wenn die Platten-Multiplizität größer als Eins ist, sollte die Periode ausreichend kurz sein, um sicherzustellen, daß sich der gemessene Gegenstand während einer Periode nie über mehr als die halbe Breite der Basis-VDE bewegt.
In Figur 17 ist ein Flußdiagramm zur Bestimmung von W gezeigt. Bei Schritt 670 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IB ausgewählt, und eine Zeilen-VDE wird entsprechend JB ausgewählt. Bei Schritt 680 wird die Einrichtung zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts angesteuert, um das Gleichgewicht L zwischen den Zeilen- und Spalten-VDEs zu messen, die ausgewählt worden sind. Bei Schritt 690 wird der Abstand bestimmt und als eine Konstante definiert, die gleich LNOM minus L ist. LNOM wird so eingestellt, daß W = 0 ist, wenn kein zu messender Gegenstand vorhanden ist. W steigt an, wenn der Gegenstand in größere Nähe zu der Platte kommt.
Figur 18 zeigt die genaue Bestimmung der x-Position des Gegenstandes. Bei Schritt 700 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IT ausgewählt, und eine Zeilen-VDE entsprechend JB wird ausgewählt. Bei Schritt 710 wird der Schaltkreis zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts angesteuert, um das Gleichgewicht L zwischen C[IT] und R[JB] zu messen. Bei 720 wird die Auswahl einer Spalten-VDE entsprechend dem Index IT+n und einer Zeilen- VDE entsprechend dem Index JB durchgeführt. Die Zahl n ist eine Ziel-Index-Verschiebung. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist n = 1. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann n ein Integer-Wert sein, der größer als 1 ist.
Bei Schritt 730 mißt der Schaltkreis zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts das Gleichgewicht Ln zwischen C[IT+n] und R[JB]. Bei Schritt 740 berechnet der Gleichgewichtsverhältnis- Bestimmungsschaltkreis Qx = L/(L-Ln), wobei L und Ln die beiden Gleichgewichtswerte sind, die zuvor gemessen wurden.
Qx wird bei Schritt 750 auf einen Bereich von Null bis einschließlich Eins begrenzt. Wenn Qx kleiner als Null ist, wird er auf Null eingestellt. Wenn Qx größer als Eins ist, wird er auf Eins eingestellt.
Bei Schritt 760 wird die x-Position = x[IT] + Qx*XD berechnet. XD ist der Abstand zwischen Spalten-VDE-Positionen x[IT] und x[IT+n]. Durch die Berechnung von X wird eine Position zwischen diesen beiden Spalten-VDE-Positionen interpoliert.
Unter Bezugnahme auf Figur 19 ist die Bestimmung der y-Position eines Gegenstandes gezeigt. Bei Schritt 770 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IB ausgewählt, und eine Zeilen- VDE entsprechend JT wird ausgewählt. Bei Schritt 780 wird das kapazitive Gleichgewicht L zwischen C[IB] und R[JT] gemessen. Die Auswahl einer Spalten-VDE entsprechend dem Index IB und einer Zeilen-VDE entsprechend JT+n wird bei Schritt 790 durchgeführt.
Bei Schritt 800 mißt die Einrichtung zum Messen des kapazitiven Gleichgewichts das Gleichgewicht Ln zwischen C[IB] und R[JT+n]. Die Gleichgewichtsverhältnis-Bestimmungseinrichtung berechnet Qy = L/(L-Ln) bei Schritt 810, wobei L und Ln die beiden Gleichgewichte sind, die gerade gemessen wurden. Bei Schritt 820 wird Qy auf einen Bereich von Null bis einschließlich Eins begrenzt. Wenn Qy kleiner als Null ist, wird er auf Null eingestellt, wenn Qy größer als Eins ist, wird er auf Eins eingestellt.
Bei Schritt 830 wird die y-Position des Gegenstandes = y[JT] + Qy*YD berechnet. YD ist der Abstand zwischen der Zeilen-VDE- Position y[IT] und y[IT+n]. Durch die Berechnung der y-Position wird eine Position zwischen den beiden Zeilen-VDE-Positionen interpoliert.
Unter Bezugnahme auf Figur 20 werden die X-Indizes aktualisiert. Bei Schritt 840 wird das Qx-Verhältnis überprüft. Wenn Qx gleich Null ist, befindet sich die gemessene x-Position bei oder möglicherweise links von C[IT]. In diesem Fall wird von dem aktuellen IT der Wert Eins subtrahiert. Das Ergebnis wird einer Modulo-M-Operation unterzogen, wobei M die Anzahl der Spalten- VDEs ist. Dadurch wird IT entsprechend der nächsten Spalte zur linken aktualisiert.
Bei Schritt 850 wird Qx erneut überprüft. Wenn Qx gleich Eins ist, ist die gemessene x-Position bei oder möglicherweise rechts von C[IT+n]. In diesem Fall wird Eins zu IT Modulo M addiert. Dadurch wird IT zur rechten aktualisiert.
Bei Schritt 860 wird der Wert IT + 1/2 + n/2 + M/4 auf den nächstgelegenen Integer-Wert gerundet. Der gerundete Wert wird einer Modulo-M-Operation unterzogen und als IB bezeichnet. Dadurch wird sichergestellt, daß die positive Hälfte von C[IB] etwa oberhalb des Bereiches zwischen den aktualisierten Werten von x[IT] und x[IT+n] zentriert ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 21 werden die y-Indizes aktualisiert. Bei Schritt 870 wird das Qy-Verhältnis überprüft. Wenn Qy gleich Null ist, liegt die gemessene y-Position bei oder möglicherweise unterhalb von R[JT]. In diesem Fall wird von dem aktuellen Wert JT der Wert Eins substrahiert. Das Ergebnis wird einer Modulo-N-Operation unterzogen, wobei N die Anzahl der Zeilen-VDEs ist. Dadurch wird IT entsprechend der nächsten darunterliegenden Zeile aktualisiert.
Qy wird bei Schritt 880 erneut überprüft. Wenn Qy gleich Eins ist, liegt die gemessene Y-Position bei oder möglicherweise oberhalb von R[JT+n]. In diesem Fall wird zum Wert JT Modulo-N der Wert eins addiert. Dadurch wird JT auf die nächsthöhere Zeile aktualisiert. Bei Schritt 890 wird der Wert JT + 1/2 + n/2 + N/4 auf den nächsten Integer-Wert gerundet. Der gerundete Wert wird einer Modulo-N-Operation unterzogen und als IB bezeichnet. Dadurch wird sichergestellt, daß die positive Hälfte von R[IB] etwa über dem Bereich zwischen den aktualisierten Werten y[JT] und y[JT+n] zentriert ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein Bruch von A + 1/2 auf den Integer-Wert A abgerundet. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen wird A + 1/2 auf A + 1 aufgerundet.
Die Schaltung zur Durchführung der obigen Flußdiagramme kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Der gesamte Schaltkreis oder Teile davon können ein oder mehrere Application Specific Integrated Circuits (ASICs) enthalten. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Schaltung unter Verwendung von integrierten Standard-Schaltkreisen, Mikroprozessoren, Mikrocomputern oder anderen elektronischen Komponenten implementiert werden.
Damit wurden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, um die Position eines Gegenstandes zu messen. Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele offenbart wurden, sind für den Fachmann Modifikationen erkennbar, die innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung liegen, der durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines passiven, konduktiven Gegenstandes (60), mit:

- einer Platte (20), die eine Isolierungseinrichtung (370) aufweist, auf der eine Anzahl von voneinander beabstandeten Elektroden so angeordnet ist, daß zwischen diesen Gegenkapazitäten vorhanden sind;

- einer Einrichtung (30) zum Messen einer Veränderung der Gegenkapazitäten zwischen den Elektroden in Reaktion auf das Anordnen eines Gegenstandes (60) auf der Platte; und

- einer auf die Meßeinrichtung (30) ansprechenden Einrichtung (40) zur Bestimmung der Position des Gegenstandes (60) relativ zu den Elektroden;

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Elektroden so angeordnet sind, daß zumindest eine erste Elektrode (200 oder 210) auf einer Seite der Isolierungseinrichtung angeordnet ist und eine Anzahl von zweiten Elektroden (240, 260) auf einer gegenüberliegenden Seite der Isolierungseinrichtung angeordnet ist, wobei die zweiten Elektroden angeordnet sind, um die zumindest eine erste Elektrode zu überkreuzen, um eine Anzahl von Überkreuzpunktbereichen (430) zu bilden, so daß zwischen der zumindest einen ersten Elektrode und jeder der zweiten Elektroden Gegenkapazitäten vorhanden sind;

- die Meßeinrichtung dazu ausgestaltet ist, um das Absinken von Gegenkapazitäten zwischen der zumindest einen ersten Elektrode (200 oder 210) und jeder der zweiten Elektroden (240, 260) in Reaktion auf das Anordnen eines Gegenstandes (60) auf der Platte zu messen, wobei die Position des Gegenstandes (60) relativ zu den Überkreuzpunktbereichen (430) durch die Bestimmungseinrichtung (40) bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Anzahl erster Elektroden (200, 210) vorgesehen ist und bei der jede zweite Elektrode (240, 260) angeordnet ist, um alle ersten Elektroden zu überkreuzen, so daß an jedem dieser Überkreuzpunktbereiche (430) Gegenkapazitäten vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die außerdem eine Elektrodensyntheseeinrichtung (150) aufweist, die mit einer Anzahl von ersten und zweiten Elektrodenelementen (130) verbunden ist, die auf den Seiten der Isolierungseinrichtung angeordnet sind, um die ersten Elektroden (200, 210), die aus der Anzahl von ersten Elektrodenelementen (130) ausgewählt sind, und die zweiten Elektroden (240, 260) zu definieren, die aus der Anzahl von zweiten Elektrodenelementen (130) ausgewählt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Meßeinrichtung (30, 40) eine Signalzuführeinrichtung (530, 540, 550) enthält, durch die den ersten Elektroden (200, 210) ein Signal zugeführt wird, um dadurch zwischen den ersten und zweiten Elektroden (200, 210, 240, 260) ein elektrisches Feld zu erzeugen, wobei die Meßeinrichtung (30, 40) funktional mit den zweiten Elektroden (240, 260) verbunden ist, um den Grad der elektrischen Symmetrie des mit den zweiten Elektroden in Beziehung stehenden Feldes zu messen, wobei diese Symmetrie in Reaktion auf die Position eines Gegenstandes (60) auf der Platte (20) variiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Meßeinrichtung eine Symmetrieverhältnismeßeinrichtung (30) zum Bestimmen der elektrischen Symmetrieverhältnisse aus den Gegenkapazitäten zwischen den ersten und den zweiten Elektroden sowie eine Einrichtung (40) enthält, um aus den gemessenen Symmetrieverhältnissen die Position des Gegenstandes zu bestimmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der eine Steuereinrichtung (50) vorgesehen ist, um der Syntheseeinrichtung (150) Steuersignale zuzuführen, um die ersten Elektroden (200, 210) aus der Anzahl ersten Elektrodenelemente (130) zu bestimmen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Steuereinrichtung (50) außerdem der Syntheseeinrichtung (150) Steuersignale zuführt, um die zweiten Elektroden (240, 260) aus der Anzahl zweiter Elektrodenelemente (130) zu bestimmen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, bei der die Signalzuführeinrichtung (530, 540, 550) den ersten Elektroden (200, 210) Signale entgegengesetzter Polaritäten zuführt, wodurch die ersten Elektroden als ein Dipol-Elektrodenpaar dienen, das eine positive Elektrode und eine negative Elektrode enthält, so daß zwischen dem Dipol-Elektrodenpaar und den zweiten Elektroden elektrische Felder erzeugt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der jedes Elektrodenelement (130) ein länglicher Streifen ist, bei der die ersten Elektrodenstreifen parallel zueinander angeordnet sind und bei der die zweiten Elektrodenstreifen parallel zueinander und bezüglich der ersten Elektrodenstreifen in einem rechten Winkel angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Isolierungsschicht (380) vorgesehen ist, die über den zweiten Elektroden (240, 260) auf einer Seite der Isolierungseinrichtung (370) vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit einer Computer-Tastatur, an der die Vorrichtung angebracht und dazu ausgestaltet ist, um einem Computer, mit dem zusammen die Tastatur verwendet wird, Daten zuzuführen.