DE69033769T2

DE69033769T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Dateneingabe

Info

Publication number: DE69033769T2
Application number: DE69033769T
Authority: DE
Inventors: George E Gerpheide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2010-08-15
Also published as: ATE203608T1; DE69033769D1; DE69032101T2; EP0486617A1; EP0814423B1; EP0814423A3; WO1991003039A1; ATE163782T1; DE69032101D1; EP0486617B1; JP3181581B2; EP0486617A4; EP0814423A2; JPH04507316A

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen für die Dateneingabe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung berührungsempfindliche Eingabevorrichtungen für die Dateneingabe in Computer und andere Geräte.

Hintergrund der Erfindung

Eingabevorrichtungen für Computer sind in der Technik gut bekannt. Es gibt verschiedene Typen von Eingabevorrichtungen, wie zum Beispiel die allgemein bekannte "Maus", die angewendet wurden und allgemein praktisch sind, um "benutzerfreundliche" Computersysteme für sowohl technische als auch nicht-technische Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Das explosive Wachstum der Personalcomputerindustrie ist in hohem Maße der Popularität dieser Vorrichtungen zu verdanken, da sie für die Benutzer ein einfaches Mittel für die Eingabe von Daten in Computer zur Verfügung stellen.
Zur Zeit sind etwa 95% aller Eingabevorrichtungen oder "Zeigevorrichtungen" Mäuse. Eine Maus erfordert im allgemeinen eine freie Rollfläche, mit der sie in Kontakt treten kann. Abhängig von der speziellen Maus, die verwendet wird, ist die Vorrichtung mit der freien Rollfläche gekoppelt und überträgt die Bewegung über die Fläche als eine Eingabe zu einem Computer. Somit ist die Maus für jede Eingabeanwendung ungeeignet, die keinen Platz für die Rollfläche bietet. Die gegenwärtige und anwachsende Popularität der tragbaren Computer (Laptops) hat daher ein wesentliches Problem für die Maustechniken hervorgerufen, die eine Rollfläche erfordern. Tragbare Computer werden im allgemeinen in kleinen, begrenzten Bereichen verwendet, wie zum Beispiel in Flugzeugen, wo nicht ausreichend Platz für eine Rollfläche zur Verfügung steht. Es besteht daher in der Technik ein dringender Bedarf nach anderen Zeige-Lösungen für Computer und andere Geräte, die keine Mauslösungen sind.
In der Technik besteht ein weiterer dringender Bedarf für Eingabe- und Zeigevorrichtungen, die einfach anzuwenden sind und die leicht in die gegenwärtigen Computer integriert werden können. Dieser dringende Bedarf ist durch die früheren Kugel- oder Wellen-Rolltechniken, wie zum Beispiel Rollkugeln, nicht befriedigt worden. Weiterhin sollten neue Zeigevorrichtungen zuverlässig und robust sein und die Fähigkeit besitzen, zu einer Vielzahl von Orten transportiert werden zu können. Die gegenwärtigen Rollkugelvorrichtungen befriedigen diese dringenden Bedarfsanforderungen nicht und sind auch recht mühsam zu handhaben, da sie von dem Benutzer bei seinem Zusammenwirken mit der Vorrichtung praktische Geschicklichkeit erfordern.
Es sind auch andere Typen von Zeige-oder Eingabevorrichtungen in der Technik verwendet worden. US-Patent Nr. 3,886,311, Rodgers et al., offenbart einen Schreibstift für das Erfassen von über die Zeit variablen Komponenten eines elektrostatischen Feldes. Der in dem Patent von Rodgers et al. offenbarte Schreibstift wird in Verbindung mit einem Schreibtablett verwendet, das ein elektrostatisches Feld erzeugt. Das Patent von Rodgers et al. offenbart ein X-Y-Gitter mit einer Schreibfläche, die dem Gitter überlagert ist, und einem aktiven Schreibstift, der auf dem Gitter in derselben Art und Weise schreibt, wie ein Kugelschreiber. Siehe Spalte 2, Zeile 63 bis Spalte 3, Zeile 7. Andere Beispiele von Eingabevorrichtungen vom Schreibstift- oder "Tablett"-Typ sind in dem US-Patent Nr. 4,672,154 offenbart, ebenfalls Rodgers et al. Das zweite Patent von Rodgers et al. offenbart einen kabellosen Schreibstift, der ein gerichtetes elektrisches Feld von der Spitze einer konduktiven Schreibstiftpatrone ausstrahlt. Die Schreibstiftspitze ist kapazitiv mit einem Digitalisierungstablett gekoppelt, das ein X-Y-Koordinatensystem hat. Die in dem zweiten Patent von Rodgers et al. offenbarte Zeigevorrichtung kann auch als Maus funktionieren.
Siehe Spalte 1, Zeilen 65 bis 68. Sowohl die Schreibstiftausführung als auch die Mausausführung, die in dem zweiten Patent von Rodgers et al. offenbart sind, sind aktive Vorrichtungen, die elektrostatische Felder ausstrahlen, die mit dem Digitalisierungstablett kommunizieren.
Die Patente von Rodgers u. a. offenbaren Digitalisierungs- Schreibstifte und Mauszeigevorrichtungen, die eine separate Rollfläche erfordern. Weiterhin offenbaren diese beiden Patente Vorrichtungen, die aktiv sind und elektrostatische Felder ausstrahlen, um mit dem Digitalisierungstablett zusammenzuwirken, um Daten in einen Computer einzugeben. Da die in den beiden Patenten von Rodgers et al. offenbarten Vorrichtungen aktiv sind, ist der Schreibstift entweder durch einen Leiter an dem Tablett befestigt oder er enthält eine austauschbare Stromquelle, wie zum Beispiel eine Batterie. In jedem Fall muß der Benutzer einen unhandlichen Gegenstand ergreifen, um die Vorrichtung zu verwenden. Somit befriedigen die in den Patenten von Rodgers et al. offenbarten Vorrichtungen nicht den dringenden Bedarf in der Technik nach Zeige- und Eingabevorrichtungen, die zweckdienlich und effizient für eine Vielzahl von tragbaren und Tischanwendungen verwendet werden können.
Es ist in der Technik auch bekannt, für die Dateneingabe Berührungsabtastvorrichtungen zu verwenden. Siehe US-Patent Nr. 4,680, 430, Yoshikawa et al. Das Patent von Yoshikawa et al. zeigt eine Koordinatenerkennungsvorrichtung für die Bestimmung der Koordinatenpositionsdaten eines Punktes auf einer Ebene, angezeigt durch die Berührung mit einer Fingerspitze oder einer anderen Belastung. Yoshikawa et al. offenbaren eine Analog- Vorrichtung, die eine widerstandsbehaftete Folie verwendet, mittels derer die Koordinatenposition eines Punktes erkannt wird. Die Koordinatenposition des Punktes wird durch Aufbringen einer Belastungsimpedanz auf die Position angezeigt. Siehe Spalte 3, Zeilen 8 bis 22.
Berührungsvorrichtungen, wie jene, die von Yoshikawa et al. offenbart sind, haben einen wesentlichen Nachteil, da sie einen elektrischen Kontakt zwischen der Fingerspitze und der Vorrichtung erfordern. Wenn Personen lange Fingernägel haben oder andere Gegenstände an den Fingern und Händen haben, wird ein guter elektrischer Kontakt verhindert und die Vorrichtung funktioniert nicht ordnungsgemäß.
Es gibt auch andere Berührungsvorrichtungen in der Technik. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 4,103,252, Bobick. Das Bobick-Patent offenbart Elektroden, die an den Grenzen eines Abtastbereiches angeordnet sind. Eine Berührung von einer Kante vov einer Elektrode durch einen Menschen erzeugt eine kapazitive Ladung, um die Zeitkonstante einer RC-Schaltung zu verändern, die Teil eines Oszillators ist. Die Veränderung der Kapazität des Sensors verändert die Zeitkonstante der RC-Schaltung und führt zu einer Veränderung der Frequenz im Ausgangssignal des Oszillators, Siehe Spalte 2, Zeilen 8 bis 20.
US-Patent Nr. 4,736,191, Matzke, offenbart eine berührungsaktivierte Steuervorrichtung, die einzelne konduktive Platten aufweist, die Sektoren eines Kreises bilden. Die Berührung einer dielektrischen Schicht, die über die Platten gelegt ist, durch einen Benutzer wird durch einzelnes Aufladen und Entladen jeder der Sektoren in den Platten in einer sequentiellen Art und Weise erkannt, um die erhöhte Kapazität des Sektors zu bestimmen. Siehe Spalte 2, Zeilen 26 bis 40.
Es sind auch berührungsempfindliche Anzeigevorrichtungen in der Technik angewendet worden. Siehe US-Patent Nr. 4,476,463, Ng et al. Das Patent von Ng et al. offenbart eine Anzeigevorrichtung, die eine Berührung an irgendeiner Stelle an einer konduktiven Frontplatte lokalisiert, indem die mehrfachen elektrischen Impedanzen der konduktiven Frontplattenbeschichtung gemessen werden. Die Impedanzen befinden sich an Elektroden, die an verschiedenen Rändern der Frontplatte angeordnet sind. Siehe Spalte 2, Zeilen 7 bis 12. Die berührungsempfindlichen Vorrichtungen, die in Ng et al. offenbart sind, sind im allgemeinen dazu ausgestaltet, um einen Computerbildschirm zu überdecken und Positionsinformationen zur Verfügung zu stellen.
Die Berührungs-Eingabevorrichtungen, die in den Patenten von Bobick, Matzke et al. und Ng et al. offenbart sind, befriedigen nicht den dringenden Bedarf in der Technik nach Berührungs-Eingabevorrichtungen, die genau und effizient die Dateneingabe für Computer und andere Geräte gewährleisten. Die in den vorher angeführten Patenten offenbarten Vorrichtungen befriedigen diesen dringenden Bedarf nicht, da sie die Position nur als Bruchteil der Entfernung zwischen den Elektroden messen, die an den Grenzen des Abtastbereiches angeordnet sind. Das führt zu Meßungenauigkeiten, da die Entfernung zwischen den Elektroden relativ groß ist und dadurch kleine Fehler in dem gemessenen Bruchteil entstehen, die sich in großen Positionsfehlern äußern.
Noch andere Berührungs-Abtastvorrichtungen verwenden ein Gitter von 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 Steuervorrichtung, die den Berührungsort in Ausgangsignale umsetzt und die ein Substrat aufweist, das erste und zweite verschachtelte, nahe beabstandete, nichtüberlappende, konduktive Platten trägt. Die Platten sind in Zeilen und Spalten ausgerichtet, so daß die Ränder jeder Platte eines Feldes den Rändern der Platten des anderen Feldes naheliegen, jedoch von ihnen beabstandet sind. Die ersten und zweiten Felder sind periodisch in multiplexer Art und Weise mit einer Kapazitätsmeßschaltung verbunden, welche die Kapazitätsveränderung in den Feldern mißt. Tatsächlich offenbart das Patent von Mabusth ein Gitter von Pixeln, die kapazitiv gekoppelt sind.
Gleichermaßen offenbart das Patent von Rympalski et al. eine elektronische Skizzierplatte, die eine Grafik-Eingabefläche enthält, die ein Feld von transparenten kapazitiven Pixeln aufweist, deren Kapazitätskennwerte in Reaktion auf das Führen eines konduktiven spitzen Schreibstiftes über die Fläche verändert werden. Die Veränderung der Kapazität wird durch Puffer erfaßt, die entlang den Spalten der Pixelmatrix angeordnet sind, wenn die Zeilen mit einer vorgeschriebenen Abtastgeschwindigkeit abgetastet werden.
Weder das Patent von Mabusth noch das Patent von Rympalski et al. befriedigt einen dringenden Bedarf in der Technik nach Berührungs-Eingabevorrichtungen, die eine gute Positionsauflösung eines Gegenstandes sichern. Da die vorher erwähnten Patente Vorrichtungen beinhalten, die ein Gitter von Elektroden verwenden und die in "binärer" Betriebsweise funktionieren, d. h. die Position durch Überprüfen jeder Elektrode messen und die feststellen, daß ein Gegenstand an einem Punkt des Gitters angeordnet ist oder nicht, ist die Auflösung der Positionsmessung bestenfalls auf ein kleines Vielfaches der Gitterauflösung begrenzt. Um eine akzeptable Positionsauflösung zu erreichen ist jedoch ein äußerst feines Elektrodenmuster erforderlich. Ein feines Elektrodenmuster ist jedoch äußerst teuer und in den meisten Fällen nicht praktisch. Daher befriedigen die Patente von Mabusth und Rympalski et al. nicht den dringenden Bedarf in der Technik nach Berührungs-Eingabevorrichtungen, die Daten in Computer oder andere Geräte eingeben können.
Eine andere Eingabevorrichtung ist in der EP-A-0 299 204 (Euchner) aufgezeigt, wobei diese Vorrichtung ein isolierendes Substrat aufweist, das auf einer Fläche eine Vielzahl von beabstandeten Leitern trägt, die in einem koplanaren Array angeordnet sind. Ein mittlerer Leiter wird mit Wechselstrom betrieben und ist mit den beiden Leitern an jeder Seite des mittleren Leiters gekoppelt und geerdete Leiter sind jenseits der beiden Leiter angeordnet. Ein Betriebsverstärker ist an jeder Seite des mittleren Leiters an die beiden Leiter angeschlossen, und die Position eines Gegenstandes wird durch Erkennen der Zunahme der kapazitiven Kopplung zwischen dem mittleren Leiter und den beiden Leitern bestimmt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen zu verbessern, um die Eingabe von Informationen in einen Computer zu erleichtern. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position von einem konduktiven passiven Gegenstand, wie einem Finger von einer Person, einer Hand oder einem konduktiven Gegenstand, der in der Hand der Person gehalten wird, zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Elektroden, die so angeordnet sind, daß dazwischen Gegenkapazitäten vorhanden sind, eine Einrichtung zum Messen von Veränderungen der Gegenkapazitäten und eine Einrichtung aufweist, die auf die Meßeinrichtung anspricht, um die Position des Gegenstandes relativ zu den Elektroden zu bestimmen;
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Elektroden zumindest eine erste streifenähnliche Elektrode und zumindest eine zweite streifenähnliche Elektrode beinhalten, die in der Nähe zu der ersten Elektrode angeordnet ist, um darüber zu kreuzen und einen Überkreuzungsbereich zu bilden;
- die Meßeinrichtung eine Einrichtung aufweist, um der zumindest einen ersten Elektrode und der zumindest einen zweiten Elektrode elektrische Ladungen zuzuführen, um dadurch elektrische Felder zu erzeugen, so daß eine Gegenkapazität zwischen den ersten und den zweiten Elektroden vorhanden ist, wobei die Gegenkapazität abnimmt, wenn sich der Gegenstand in der Nähe des Überkreuzungsbereiches befindet, und das Ausmaß dieser Abnahme von der relativen Position des Gegenstandes bezüglich des Überkreuzungsbereiches abhängt;
- die Meßeinrichtung dazu ausgestaltet ist, um die Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden zu messen; und
- die Einrichtung, die auf die Meßeinrichtung anspricht, dazu ausgestaltet ist, um die Position des Gegenstandes relativ zu dem Überkreuzungsbereich zu bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen einer Position eines Gegenstandes unter Verwendung einer bevorzugten Form der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wie sie vorher beschrieben ist, zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren umfaßt:
- wiederholtes Steuern der Syntheseeinrichtung, um die ersten und zweiten Elektroden zu synthetisieren, um geeignete Elektrodenstreifen auszuwählen, wobei das elektrische Feld zwischen den ersten und zweiten Elektroden durch das Vorhandensein des Gegenstandes beeinflußt wird;
- Messen der Abnahme der Gegenkapazität zwischen den ersten und zweiten Elektroden;
- Berechnen einer ungefähren Position des Gegenstandes basierend auf zumindest einem Zielindex, wobei der Zielindex die Position der ersten und zweiten Elektroden wiedergibt;
- Berechnen der genauen Position des Gegenstandes basierend auf der gemessenen Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden; und
- Berechnen der Gesamtposition des Gegenstandes basierend auf der berechneten ungefähren und genauen Position des Gegenstandes.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer berührungsempfindlichen Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine berührungsempfindliche Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Computertastatur.
Fig. 3 erläutert den Aufbau der virtuellen Elektroden.
Fig. 4 zeigt die Synthese von virtuellen Dipolelektroden aus virtuellen Elektroden.
Fig. 5(a) stellt eine einfache virtuelle Dipolelektrode dar.
Fig. 5(b) stellt eine einfache virtuelle Dipolelektrode in gewickelter Form dar.
Fig. 6 stellt eine zyklische virtuelle Dipolelektrode dar.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer Platte mit virtuellen Elektroden und einer Zeilen- und Spalten-Syntheseschaltung.
Fig. 8(a) zeigt einen Aufriß einer Platte mit virtuellen Elektroden.
Fig. 8(b) zeigt eine Draufsicht einer Platte mit virtuellen Elektroden, gesehen entlang der Linie 8(b) von Fig. 8(a).
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm der Zeilen- und Spalten-Syntheseschaltung.
Fig. 10(a) erläutert das Abtasten der Gegenstandsposition mit einer berührungsempfindlichen Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10(b) zeigt das Abtasten der Gegenstandsposition, gesehen entlang der Linie 10(b) von Fig. 10(a).
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung des elektrischen Gleichgewichtes, dargestellt über der Position eines abgetasteten Gegenstandes.
Fig. 12 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Meßschaltung für das elektrische Gleichgewicht von Fig. 1.
Fig. 13 ist eine Platte mit virtuellen Elektroden, auf der eine virtuelle Einzeilen-Dipolelektrode und eine virtuelle Zweispalten-Dipolelektrode synthetisiert sind.
Fig. 14 ist eine grafische Darstellung der Gleichgewichte, dargestellt über der Gegenstandsposition für die Anordnung von Fig. 13.
Fig. 15 zeigt das Ausmaß der virtuellen Ziel- und Basis-Dipolelektrode mit den aktualisierten Indices, welche die Position des abgetasteten Gegenstandes wiedergeben.
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm eines Steueralgorithmus.
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm für die Bestimmung der Nähe eines Gegenstandes zu einer Platte mit virtuellen Dipolelektroden.
Fig. 18 ist ein Flußdiagramm für die Bestimmung der x-Position eines Gegenstandes.
Fig. 19 ist ein Flußdiagramm für die Bestimmung der y-Position eines Gegenstandes.
Fig. 20 ist ein Flußdiagramm für die Aktualisierung des x-Positions-Indexes.
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm für die Aktualisierung des y-Positions-Indexes.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungen

Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen sich gleiche Zahlen auf gleiche Elemente beziehen, stellt Fig. 1 eine berührungsempfindliche Eingabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar, mit einer Platte mit virtuellen Elektroden 20, einer Meßschaltung 30 für das elektrische Gleichgewicht, einer Bestimmungsschaltung 40 für das Gleichgewichtsverhältnis und einer Steuerschaltung 50. In den bevorzugten Ausführungen hat die Platte mit den virtuellen Elektroden 20 die Form einer Tafel. In weiteren bevorzugten Ausführungen ist die Platte mit den virtuellen Elektroden 20 in der Lage, "virtuelle Elektroden" an verschiedenen Positionen an ihrer oberen und unteren Fläche zu bilden. Die Elektroden werden als "virtuelle Elektroden" bezeichnet, weil getrennte konduktive Streifen an den beiden Seiten der Platte 20 verwendet werden, um Einzelelemente auszubilden, die als "virtuelle Elektroden" bezeichnet werden. Die virtuellen Elektroden sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die in der Lage ist, das elektrische Gleichgewicht zwischen ausgewählten oberen virtuellen Elektroden und ausgewählten unteren virtuellen Elektroden zu messen.
In noch weiteren bevorzugten Ausführungen, ist die Bestimmungsschaltung 40 für das Gleichgewichtsverhältnis vorgesehen, um das Verhältnis einer Gleichgewichtsmessung zu einer anderen zu bestimmen. Die Steuerschaltung 50 wählt die entsprechenden Elektroden für die Gleichgewichtsmessung und die Bestimmung des Gleichgewichtsverhältnisses aus. Die Steuerschaltung 50 spricht auf die Gleichgewichtsverhältnisse an, um die Positionsinformation des abgetasteten Gegenstandes 60 zu berechnen. Diese Information kann die Position entlang einer oder zweier Achsen parallel zu der Oberfläche der Elektrodenplatte enthalten. Eine zusätzliche "Nähe"-Information entlang einer Achse senkrecht zu der Fläche der Elektrodenplatte 20 kann ebenfalls aus einer entsprechenden Gleichgewichtsmessung bestimmt werden. Die Positionsinformation, die durch die Steuerschaltung 50 bestimmt ist, wird einer Verwendungseinrichtung 70 zur Verfügung gestellt, die jede aus einer Vielzahl von elektronischen oder Computervorrichtungen darstellen kann.
Dargestellt ist ein Finger 60, der mit seiner Spitze in enger Nähe zu der oberen Fläche der Elektrodenplatte 20 angeordnet ist. Die Position der Fingerspitze über den gesamten Bereich in x- und y-Richtung, wie auch die Nähe in z-Richtung, kann durch die Platte mit den virtuellen Elektroden 20 abgetastet werden. Der abgetastete Gegenstand 60 könnte auch die Spitze eines Daumens sein oder die Spitze eines jeden anderen konduktiven Gegenstandes. Die Koordinatenachsen 80 sind als Bezugsachsen dargestellt.
Bezug auf Fig. 2 nehmend, ist eine berührungsempfindliche Eingabevorrichtung 90 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die, als eine Alternative zu der im allgemeinen durch eine von einer. Computermaus ausgeführten Funktion, Information über die Fingerposition eines Operators einem Computer zur Verfügung stellen kann. Ein Operator kann mit den gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen berührungsempfindlichen Eingabevorrichtungen zeichnen, Befehle auswählen oder grafisch auf dem Computer dargestellte Gegenstände manipulieren. Die Vorrichtung 90 kann eine separate Platte sein, die in der Hand gehalten, auf einem Schreibtisch angeordnet oder, in den bevorzugten Ausführungen, in eine Computertastatur 100 eingebaut werden könnte, die unter der Leertaste 110 angeordnet ist, so daß ein Operator sie mit seinem oder ihrem Daumen handhaben kann. In anderen bevorzugten Ausführungen könnten die Elektroden und der Isolator aus transparenten Materialien für eine Befestigung an der Sichtfläche eines Computerbildschirmes sein.
Die Vorrichtung 90 stellt die Fingerpositions-Information jedem Typ von elektronisch gesteuerter Ausrüstung zur Verfügung. Ein Operator könnte die Lautstärke einer Stereoanlage, die Temperatur eines Ofens, die Zeit für einen Gerätezyklus, die Auswahl aus einem Verkaufsautomaten, elektronische "Videospiel"- Einrichtungen oder die Funktionen von elektronischer Prüf- oder Meßausrüstung, zum Beispiel eines Oszilloskops steuern. Wenn für eine Anwendung eine einachsige Form der Vorrichtung gewünscht wird, kann die Elektrodenplatte eine rein lineare Geometrie aufweisen. Sie könnte auch kreisförmig oder zylindrisch sein, mit einer Funktionsweise wie eine gewöhnliche Wählscheibe oder ein Potentiometerknopf.
In den bevorzugten Ausführungen kann det abgetastete Gegenstand im wesentlichen jeder konduktive Gegenstand sein. Mit einer Elektrodenplatte, die in einem entsprechenden Maßstab ausgeführt ist, könnte die Vorrichtung die Position einer nahe dazu befindlichen Hand, Person, eines Automobils oder eines Maschinenteils erfassen. Die berührungsempfindlichen Steuervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung könnten weiterhin für die Verwendung als "elektronische Wandtafel" ausgestaltet sein.
Bezug auf Fig. 3 nehmend, weist eine virtuelle Elektrode 120 eine Anzahl von Elektrodenstreifen 130 auf, die über eine Fläche angeordnet sind. Ein Elektrodenstreifen ist ein konduktiver Tafelbereich. Die Streifen sind durch Isolierräume 140 getrennt, jedoch durch die Elektroden-Syntheseschaltung 150 elektrisch miteinander verbunden. Die Fläche, über welche die verbundenen Streifen 130 verteilt sind, einschließlich der Fläche zwischen den Streifen 140, ist als die Fläche der virtuellen Elektrode definiert.
Wie definiert und durchgehend verwendet, bedeutet die Notation AIB A modulo B, d. h. der Rest, wenn A durch B dividiert wird. Eckige Klammern werden verwendet, um Indices einzuschließen, die normalerweise einen aus einer Anzahl von gleichen Gegenständen oder Punkten auswählen. So bezeichnet zum Beispiel C[i] die "i.- Spalte". Alle Indices sind in bezug auf einen angenommenen Zeilen- oder Spaltenmodul anzunehmen. Wenn zum Beispiel M "Spalten" vorhanden sind, dann ist C[i + 1] als C [(i + 1] IM] zu interpretieren.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer Platte mit virtuellen Elektroden 20 mit zwei virtuellen "Zeilen"-Elektroden 160 auf der Oberseite der Tafel und zwei virtuellen "Spalten"- Elektroden 170 auf der Unterseite. In weiteren bevorzugten Ausführungen ist jede virtuelle Elektrode in der Form rechteckig. Die virtuellen Elektroden haben eine "Länge" und eine "Breite". Die Breite der Zeilenelektroden 160 erstreckt sich in bezug auf das Koordinatensystem 80 in y-Richtung, während sich die Breite der Spaltenelektroden 170 in x-Richtung erstreckt. Die beiden virtuellen Zeilenelektroden 160 bilden eine Zeilen-"virtuelle Dipolelektrode" (VDE) 180, gekennzeichnet mit R[j]. Eine Spalten-VDE 190, gekennzeichnet mit C[i] wird ebenfalls gebildet.
In noch weiteren bevorzugten Ausführungen besteht eine VDE aus zwei virtuellen Elektroden gleicher Fläche, die längsseits zueinander angeordnet sind. Eine virtuelle Elektrode, die sich bis zum Rand der Platte erstreckt, kann bis zum Rand der gegenüberliegenden Seite "herumgewickelt" sein. Die virtuellen Komponentenelektroden der VDE werden als "positive" und "negative" Hälften der VDE bezeichnet. Der Ort entlang der Achse in Richtung der Breite ist für die positive Hälfte größer als für die negative Hälfte der VDE. Die positive Hälfte von C[i] wird bei 200 mit C[i] bezeichnet und die negative Hälfte bei 210 mit C[i]< n> . C[i] ist bei 220 mit dem Leiter CP verbunden und C[i]< n> bei 230 mit dem Leiter CN. Gleichermaßen ist R[j] bei 240 ist bei 250 mit RP verbunden und R[j]< n> bei 260 mit RN bei 270.
Der "Ort" einer VDE ist als die Koordinate in Breitenrichtung einer Ortslinie definiert, d. h. abstandsgleich zwischen den virtuellen Zweikomponenten-Elektroden. Die Spalten-VDEn C[0] ... C[M - 1] sind jeweils bei x[0] ... x[M - 1] angeordnet. Die Zeilen- VDEn R[0] ... R[N - 1] sind j eweils bei y[0] ... y[N - 1] angeordnet. Der "VDE-Abstand" ist die Entfernung zwischen benachbarten Zeilen- (oder wenn es zutrifft Spalten-) VDE-Orten. Normalerweise ist die VDE-Breite größer als der VDE-Abstand und daher können sich VDEn an benachbarten Orten überlagern.
Bezug auf Fig. 5(a) und 5(b) nehmend, ist dort eine bevorzugte Ausführung von zwei einfachen Spalten-VDEn, wie sie vorher · beschrieben wurden, dargestellt. Es gibt eine einzige Ortslinie 280 mit einer negativen VDE-Hälfte 290 auf der linken und einer positiven Hälfte 300 auf der rechten Seite. Jede VDE überdeckt im wesentlichen die gesamte Platte mit den virtuellen Elektroden 20. In Fig. 5(b) befindet sich die Ortslinie nicht in der Mitte der Platte. Die virtuelle < n> -Elektrode 290 erstreckt sich bis zum linken Rand der Platte und ist bei 310 um den rechten Rand gewickelt. In anderen bevorzugten Ausführungen kann eine VDE nur eine positive Hälfte haben, wobei die Fläche der negativen Hälfte und alle Gegenkapazitäten zu der negativen Hälfte als Null definiert sind.
Fig. 6 zeigt eine andere bevorzugte Ausführung einer VDE, bezeichnet als "zyklische" Spalten-VDE. Eine zyklische VDE besteht aus einer "Fundamental"-VDE und zusätzlichen VDEn, die periodisch wiederkehrend entlang der Achse angeordnet sind. Alle virtuellen < n> -Elektroden 290 sind elektrisch mit dem Leiter CN 230 verbunden. Gleichermaßen sind alle virtuellen -Elektroden bei 220 mit CP verbunden. Die Anzahl der Komponenten-VDEn (einschließlich der Fundamental-VDE) in einer zyklischen VDE ist als die "Multiplizität" definiert. Die Multiplizität ist für das dargestellte Beispiel drei. Der Ort 280 der Fundamental-VDE wird als Ort der gesamten zyklischen VDE angesehen. Dieser Ort hat die kleinste Koordinate aller Komponenten-VDEn. Einfache und zyklische Zeilen-VDEn sind den hier beschriebenen Spalten-VDEn analog.
Einfache VDEn können als Spezialfall von zyklischen VDEn mit einer Multiplizität von eins betrachtet werden. Der Vorteil der Verwendung einer höheren Multiplizität ist eine erhöhte Genauigkeit im Vergleich zu einer Platte mit virtuellen Elektroden, welche dieselben Abmessungen und die dieselbe Anzahl von zyklischen VDEn aufweist, jedoch eine geringere Multiplizität hat. Angenommen, die erstere hat eine Multiplizität A und die letztere eine Multiplizität B, wobei A größer als B ist. Der VDE-Abstand der ersteren ist gleich dem Bruch B/A. Eine größere Genauigkeit kann wegen des kleineren VDE-Abstandes mit der ersteren realisiert werden.
Eine Multiplizität größer als eins bringt mit sich, daß die absolute Position des abgetasteten Gegenstandes nicht eindeutig bestimmt werden kann. Die Position kann relativ zu dem Ort einer Komponenten-VDE bestimmt werden, aber es gibt keinen Weg zu bestimmen, um welche Komponenten-VDE es sich dabei handelt. In vielen Fällen braucht nur die relative Position (d. h. eine Veränderung der Position) abgetastet zu werden. Bei einer Multiplizität größer als eins, sollte die Position häufig genug gemessen werden, um zu gewährleisten, daß sich der abgetastete Gegenstand von einer Messung zur nächsten niemals um mehr als die Hälfte des VDE-Abstandes bewegt. Auf diese Weise kann eine relative. Positionsveränderung eindeutig bestimmt werden. Eine Multiplizität von eins kann verwendet werden, wenn die absolute Position gemessen werden muß. Eine andere Lösung ist, zwei unterschiedliche periodische VDEn mit verschiedenen VDE-Abständen zu verwenden.
Bezug auf Fig. 7 nehmend, weist die Platte mit den virtuellen Elektroden 20 ein Substrat. 320 und eine Vielzahl von Elektrodenstreifen 130 an beiden Seiten des Substrats 320 auf. In den bevorzugten Ausführungen ist das Substrat 320 ein Isolator. Eine Elektroden-Syntheseschaltung 150 weist die Zeilen-Syntheseschaltung 330 und die Spalten-Syntheseschaltung 340 auf. In weiteren bevorzugten Ausführungen ist eine Elektrodenplatte 20 mit der Zeilen-Syntheseschaltung 330 über die Leitungen A1 bis A8 verbunden, die allgemein bei 350 dargestellt sind. Gleichermaßen ist die Elektrodenplatte 20 mit der Spalten-Syntheseschaltung 340 durch die Leitungen Bl bis B8 verbunden, die allgemein bei 360 dargestellt sind. In noch weiteren Ausführungen sind acht Elektrodenstreifen auf der oberen Seite der Platte 20 vorhanden.
Auf Befehl von der Steuereinrichtung 50 verbindet die Elektroden-Syntheseschaltung 150 ausgewählte Elektrodenstreifen mit den Leitern CN, CP, RN und RP, um eine Zeilen- und eine Spalten- VDE auf den jeweiligen Seiten der Platte mit den virtuellen Elektroden zu bilden. Ein Signal S von der Steuereinrichtung 50 wird in die Zeilen-Syntheseschaltung 330 und in die Spalten- Syntheseschaltung 340 eingegeben und weist die Platte mit den virtuellen Elektroden an, eine Zeilen-VDE und eine Spalten-VDE auszuwählen. Der Ort jeder VDE wird gemäß den Forderungen eines Steueralgorithmus variiert. Beide Hälften jeder VDE sind mit der Meßeinrichtung für das elektrische Gleichgewicht 30 verbunden. Diese Verbindung erfolgt über die Leiter RN und RP, die mit den positiven bzw. negativen Hälften der Zeilen-VDE verbunden sind und über die Leiter CN und CP, die mit den positiven bzw. negativen Hälften der Spalten-VDE verbunden sind. Die elektrische Messung ist dann eine kapazitive Messung zwischen den Elektrodenstreifen.
Fig. 8(a) und 8(b) zeigen die Platte mit den virtuellen Elektroden 20. Bezug auf Fig. 8(a) nehmend, sind flache Elektrodenstreifen 130 an der Ober- und Unterseite des Trennisolatorsubstrats vorhanden, allgemein bei 370 dargestellt. Auf der oberen Fläche der Elektrodenplatte 20 befindet sich ein dünner überlagerungsisolator 380, der verhindert, daß ein abgetasteter Gegenstand elektrischen Kontakt mit den Elektrodenstreifen 130 und dem Substrat 370 bekommt. Er schützt die Elektrodenstreifen auch gegen Korrosion und Verschleiß.
In weiteren bevorzugten Ausführungen hat die Platte 20 Gesamtabmessungen von etwa 2,54 cm in der Höhe · 8,89 cm in der Breite · 0,20 cm in der Dicke. Der Überlagerungsisolator 380 ist eine 0,051 cm dicke MYLAR-Tafel und der Trennisolator 370 ist eine 0,15 cm dicke glasfaserverstärkte Platte aus Leiterplattenmaterial. Die Elektrodenstreifen 130 sind 0,10 cm breite Leiterzüge aus Kupfer auf 0,51 cm breiten Mittelleitern, die an beiden Seiten des Trennisolators unter Verwendung von Standard-Leiterplattentechnologien erzeugt sind. Die Abmessungen können beträchtlich variiert werden und erreichen dabei noch eine gute Funktionalität. Die Breite der Leiterzüge, der Abstand zwischen den Leiterzügen und die Dicke des Leiterplattenisolators können für die spezielle Anwendung und den speziellen Gegenstand, der abgetastet wird ausgewählt werden. Die vorher angeführten Abmessungen ergeben gute Ergebnisse für die Fingerspitze eines Menschen.
Bezug auf Fig. 8(b) nehmend, sind dort acht Elektrodenstreifen auf der oberen Seite des Trennisolators 370 senkrecht zu der y-Achse vorhanden. Mit A0 bis A7 bezeichnete Leiter sind an diesen acht Elektrodenstreifen befestigt. In noch weiteren bevorzugten Ausführungen sind vierundzwanzig Elektrodenstreifen an der unteren Seite des Trennisolators 370 senkrecht zu der x-Achse befestigt. Die vierundzwanzig Elektrodenstreifen sind mit Leitern verbunden, die mit B0 bis B7 bezeichnet sind, wie es dargestellt ist. Die Verbindung der drei Spalten-Elektrodenstreifen mit jedem Spaltenleiter stimmt mit der Multiplizität von drei überein. Für die Zeilen ist die Multiplizität eins.
Fig. 9 stellt eine bevorzugte Ausführung einer Anwendung einer Syntheseschaltung für die virtuellen Zeilenelektroden 330 dar. Jeder Elektrodenstreifen A0 bis A7, allgemein bei 390 dargestellt, ist bei 400 mit einem paar von elektronischen Schaltern verbunden. In den bevorzugten Ausführungen sind die elektronischen Schalter 400 CMOS-Analogschalter. Der eine oder der andere Schalter jedes Paars ist elektrisch leitend. Der elektrisch leitende Schalter verbindet, in Abhängigkeit davon, ob diese Streifen ein Teil der negativen oder der positiven Hälfte der VDE sind, den zugehörigen Elektrodenstreifen entweder mit dem Leiter RN oder RP.
Jeder Schalter 400 wird durch den Auswahllogikblock gesteuert, der bei 410 dargestellt ist. Der Auswahllogikblock 410 spricht auf das Zeilenauswahlsignal 420 an, das eine Komponente des Signals ist. Die folgende Auswahltabelle zeigt die Auswahllogik für die Synthese aller möglichen Zeilen-VDEn in der Platte von Fig. 8. Auswahltabelle Auswahlsignal
Auf diese Weise wird eine von acht möglichen VDEn R[0] bis R[7] ausgewählt, um aus den Elektrodenstreifen auf der Platte synthetisiert zu werden. Die Schaltung für die Spalten kann der Schaltung für die Zeilen identisch sein.
Die Plattenabmessungen, die Anzahl der Elektrodenstreifen für das Ausbilden einer VDE und die Multiplizität der VDEn entlang jeder Achse kann variiert werden. Einige Elektrodenstreifen können beim Synthetisieren einer VDE unverbunden bleiben. Das ergibt einen zusätzlichen Abstand zwischen den VDE-Hälften. Die Platte könnte zu einer Kugel, Schale, zu einem Zylinder, zu Abschnitten jeder von diesen oder zu einer nicht-ebenen Form geformt werden. Die Achsen auf den beiden Seiten der Platte brauchen nicht orthogonal verlaufen. Es können Achsensysteme verwendet werden, die kein rechtwinkliges Koordinatensystem darstellen. In einem radialen Koordinatensystem würden virtuelle "Ring"-Elektroden (direkt analog zu den vorher beschriebenen virtuellen Zeilenelektroden) als Ringe ausgebildet werden, während virtuelle "Keil"-Elektroden (direkt analog zu den vorher beschriebenen virtuellen Spalten-Elektroden) in die Form eines Kreisdiagramm-Abschnitts gebracht werden.
Die Meßschaltung 30 für das elektrische Gleichgewicht mißt die Gegenkapazität zwischen den virtuellen Zeilen- und Spaltenelektroden in der Platte mit den virtuellen Elektroden 20, definiert als "Gleichgewicht". Bezug auf Fig. 1 nehmend ist die Meßschaltung für das elektrische Gleichgewicht mit der Platte 20 durch die Leiter RP, RN, CP und CN verbunden. Die Meßschaltung für das elektrische Gleichgewicht mißt das kapazitive Gleichgewicht zwischen den virtuellen Zeilen- und Spaltenelektroden. Somit werden die Ausdrücke Messung des elektrischen Gleichgewichts und Messung des kapazitiven Gleichgewichts durchgehend und austauschbar verwendet.
Die Meßschaltung für das kapazitive Gleichgewicht gibt ein Signal aus, das auf das kapazitive Gleichgewicht anspricht. Dieses Signal wird durch die Bestimmungsschaltung 40 für das Gleichgewichtsverhältnis und durch die Steuerschaltung 50 verwendet. Das Ausgangssignal könnte eine Spannung sein, die direkt in einer analogen Spannungsform verwendet wird, oder sie könnte durch einen Analog-Digital-Wandler in eine digitale Form umgewandelt sein.
Um das kapazitive Gleichgewicht, wie es durchgehend verwendet wird, zu verstehen, wird zunächst M(A, B) definiert, um die allgemein bekannte Gegenkapazität zwischen den virtuellen Elektroden A und B zu bezeichnen, wenn alle anderen Elektroden in der Platte geerdet sind. M(C[i] , R[j]< n> bezeichnet zum Beispiel die Gegenkapazität zwischen der positiven Hälfte der VDE C[i] und der negativen Hälfte der VDE R[j]. Dann wird das kapazitive Gleichgewicht zwischen den VDEn C[i] und R[j], L(C[i], R[j]) definiert durch:
L(C[i], R[j)] = Kfg·{M(C[i] , R[j]< n> ) - M(C[i] ,R[j] ) + M(C[i] < n> , R[j] ) - M(C[i]< n> , R[j]< n> )}.
Kfg ist ein konstanter Maßstabsfaktor, der in einer bevorzugten Ausführung von der Bezugssignalamplitude und von dem Verstärkungsfaktor der Meßschaltung 30 für das elektrische Gleichgewicht abhängt. Das Gleichgewicht ist eine elektrische Nutzmenge, weil es die Position eines konduktiven Gegenstandes anzeigt, wie es hierin beschrieben ist.
Bezug auf Fig. 10(a) nehmend, befindet sich der abgetastete Gegenstand 60 über der virtuellen Elektrodenplatte 20 mit VDEn, die entsprechend der x-Position des Gegenstandes synthetisiert sind. Der Ort des Gegenstandes entspricht den Koordinaten (xF, yF, zF). Die Position des Gegenstandes ist auf einen gewichteten Durchschnittsort aller Punkte auf der Oberfläche des Gegenstands bezogen, wobei den Punkten, die näher zu der Platte 20 liegen, mehr Gewicht zugemessen wird. Eine Zeilen-VDE, R[j], ist mit ihrer positiven Hälfte R[j] 240 etwa in der Mitte in der y-Richtung unterhalb des abgetasteten Gegenstandes angeordnet.
Eine Spalten-VDE, C[i], ist bei x[i] nahe der x-Position des abgetasteten Gegenstandes angeordnet. R[j] wird als "Basis"-VDE bezeichnet und C[i] ist die "Ziel"-VDE hinsichtlich der vorliegenden Messung. Die Zeilen- und Spalten VDEn sind mit RN und RP bzw. mit CN und CP verbunden. Der Trennisolator zwischen Basis und Ziel hat eine Dicke D. Die Überlappung zwischen C[i] und R[j] ist auf einer Fläche A vorhanden, die bei 430 dargestellt ist und die gleich der Fläche jeder der anderen drei Überlappungen zwischen den C[i] - und R[j] -Elektrodenhälften ist.
Fig. 10(b) stellt die Situation aus einer Seitenansicht entlang der x-Achse dar. Die Fingerspitze 60 ist als ein repräsentativer abgetasteter Gegenstand dargestellt, der bei Xf positioniert ist. Wie aus der Theorie der Parallelplattenkondensatoren gut bekannt ist, gilt annäherungsweise, daß M(C[i] , R[j] ) = A·E/D, wobei E die dielektrische Konstante des Trennisolators ist. Der gleiche Ausdruck gilt für jede der drei anderen Gegenkapazitäten zwischen den C[i] - und R[j] -Elektrodenhälften. Alle vier Gegenkapazitäten sind annähernd gleich. Diese Annäherungen vernachlässigen eine Addition zu A·E/D wegen der Kopplung der Randfeldlinien des elektrostatischen Feldes, die bei 440 dargestellt sind. Wenn dort keine Fingerspitze vorhanden sein würde, würde das Randfeld für alle vier gleich sein. Dieses Gleichgewicht würde die exakte Gleichheitsbedingung ergeben:
L(C[i], R[j]) = 0
Ein leitender Gegenstand, wie zum Beispiel eine Fingerspitze 60 in enger Nähe, hebt dieses Gleichgewicht auf. Die Fingerspitze, hier bei xF > x[i] bei 450 positioniert, schneidet mehr von dem Randfeld von C[i] ab, als von C[i]< n> . Das ergibt die Ungleichung:
M(C[i] , R[j] ) < M(C[i] , R[j]< n> ).
Die Fingerspitze beeinflußt die Felder, die mit R[j]< n> gekoppelt sind, nicht wesentlich, da die y-Position der Fingerspitze sich über R[j] anstatt R[j]< n> befindet. Somit ist:
M(C[i]< n> , R[j] ) = M(C[i]< n> , R[j]< n> ).
Der Gesamteffekt ist, daß
L(C[i], R[j]) > 0
für die Fingerspitze gilt, die bei xF > x[i] positioniert ist. Durch eine gleiche Analyse, für xF = x[i], wird das Gleichgewicht beibehalten und L(C[i], R[j]) = 0. Gleichermaßen gilt:
xF < x[i], L(C[i], R[j]) < 0.
Fig. 11 zeichnet das Gleichgewicht L zwischen den Basis- und den Ziel-VDEn für die Situation der Fig. 10(a) und 10(b) als eine Funktion der Fingerspitzenposition xF auf. Die Kurve 460 gilt für den Fall, daß die Fingerspitze in der Mitte über der positiven Hälfte der Basis-VDE liegt (yF = y0) und so nahe wie möglich zu der Platte liegt (zF = 20). Dieser Fall ergibt den größten Veränderungsbetrag mit der Position. Die anderen Kurven 470 und 480 zeigen verschiedene y oder größere z. Der Veränderungsbetrag ist in diesen Fällen kleiner, da der Finger weniger Randfeldlinien schneidet. In allen Fällen ist ein Bereich von xF rund um xF = x[i] vorhanden, wo L im wesentlichen eine lineare Funktion von xF ist. Das bedeutet, daß L = K (yF, zF)·(xF - x[i]) für eine gewisse Neigung K ist, die von yF, zF und Kfg sowie von der Elektrode und der Geometrie des abgetasteten Gegenstandes abhängig ist.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführung der Meßschaltung 30 für das elektrische Gleichgewicht. Weiterhin ist ein vereinfachtes elektrisches Modell der Platte mit den virtuellen Elektroden 20 gezeigt, die über die Leiter RP 250, RN 270, CP 220 und CN 230 mit der Meßschaltung 30 des kapazitiven Gleichgewichts verbunden ist. Dieses Modell besteht aus 4 Kondensatoren, welche 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 der Ziel VDE darstellen. Die Bezugssignalquelle 530 erzeugt ein Wechselstrom (AC)-Bezugssignal F mit einer Frequenz, die wesentlich höher ist als die Frequenz, bei der die Positionsmessungen durchzuführen sind.
In den bevorzugten Ausführungen beträgt diese Frequenz etwa 140 kHz. Für das Abtasten der Fingerspitze eines Menschen ergeben Frequenzen von 20 kHz bis 500 kxz akzeptable Resultate. Möglich sind breitete Frequenzbereiche, wenn andere Gegenstände abgetastet werden. Das Bezugssignal 530 gelangt zu einem Treiberpaar. Ein Treiber 540 ist ein Treiber vom invertierenden Typ und er treibt die positive Hälfte der synthetisierten Spalten-VDE über den Leiter CP. Der andere Treiber 550 ist ein Treiber eines nicht-invertierenden Typs und er treibt die negative Hälfte über den Leiter CN. CN 230 wird somit mit einer gleichphasigen Version von F getrieben, während CP 220 mit negativem F (-F) getrieben wird.
Die Leiter RP 250 und RN 270 verbinden die positiven und negativen Hälften der Zeilen-VDE mit den nicht-invertierenden bzw. mit den invertierenden Eingängen eines Differentialladungsverstärkers 560. Der Differentialladungsverstärker 560 hält RP und RN bei einer virtuellen Wechselstromerdung, so daß die Wechselstromspannung über jede Gegenkapazität 500 oder 520 gleich -F ist und die Wechselstromspannung über jede Gegenkapazität 490 oder 510 gleich +F ist. Der Betrag der an RP gekoppelten Ladung ist F·M(C< n> , R ) - F·M(C , R ). Der an RN gekoppelte Betrag ist F·M(C< n> , R< n> ) - F·M(C , R< n> ).
Der Ladungsverstärker 560 erzeugt eine Differential-Wechselstrom-Ausgangsspannung Vo, die gleich einem Verstärkungsfaktor G ist, mit dem die Ladung, die an RP gekoppelt ist minus der, die an RN gekoppelt ist, verstärkt wird. Das ergibt die folgende Beziehung:
Vo = (F·G)·{M(C< n> , R ) - M(C , R ) + M(C , R< n> ) - M (C< n> , R< n> )} = L (C, R).
Vo ist das Gleichgewicht zwischen C und R und wird hierin als L(C, R) bezeichnet. Sowohl G als auch der Betrag von F sind konstante Maßstabsfaktoren. Das Produkt (F·G) ist der Maßstabsfaktor Kfg in der vorher angeführten Definition des Gleichgewichts L.
In den bevorzugten Ausführungen, wird Vo für die Messung einem doppelt symmetrischen Synchrondetektor 570 zugeführt. Der Detektor 570 verwendet ebenfalls das Eingangssignal F als Bezugssignal. Der Detektor 570 stellt die Amplitude eines zu dem Bezugssignal F synchronisierten Signals wieder her, wenn elektrische Rauschsignale vorhanden sind, die eine viel größere. Amplitude aufweisen. Diese Rauschunterdrückung ist wichtig, weil die Menge der Ladung, die über die Gegenkapazitäten 490, 500, 510 und 520 der virtuellen Elektrodenplatte 20 gekoppelt ist, im Betrag sehr klein sein kann. Der Ausgang des Ladungsverstärkers 560 besteht daher zusätzlich zu dem gewünschten Signal aus einer signifikanten Rauschkomponente N. Der Ausgang des Ladungsverstärkers 560 kann somit wie folgt geschrieben werden:
Vo' = Vo + N = L(C, R) + N.
Der Ausgang des Detektors 570 ist ein Signal, das der Komponente von Vo proportional ist, die mit dem Bezugssignal F synchron ist. Da das Rauschen N bezüglich F nicht synchronisiert ist, beeinflußt es nicht das Ausgangssignal des Detektors 575, welches daher eine direkte Messung von L(C, R) darstellt. Das Signal L bei 575 kann durch jedes einer Anzahl von gut bekannten Hilfsmitteln verschlüsselt sein, zum Beispiel in digitalem Format oder mit einer einfach oder doppelt symmetrischen Spannung, einem einfach oder doppelt symmetrischen Strom oder mit einer einfach oder doppelt symmetrischen Ladung. Die Verwendung des doppelt symmetrischen Detektors 570 minimiert das Rauschen und die Ungenauigkeit. In weiteren bevorzugten Ausführungen kann ein einfach symmetrischer Detektor verwendet werden.
Bezug auf Fig. 13 nehmend, weist dort die Platte mit den virtuellen Elektroden 20 zwei Spalten-VDEn, C[i] 580 und C[i + 1] 590 an benachbarten Orten auf, die an der Unterseite der Platte ausgebildet sind. Auf der oberen Seite ist eine Zeilen-VDE R[j] 595 ausgebildet. Die Position eines abgetasteten Gegenstandes ist ebenfalls angezeigt, obwohl der Gegenstand selbst nicht dargestellt ist. Die x-Position des Gegenstandes xF befindet sich zwischen den Orten der beiden Spalten-VDEn x[i] und x[i + 1].
Fig. 14 stellt die Veränderungen der beiden in der Platte 20 von Fig. 13 gemessenen Gleichgewichte dar. Jedes Gleichgewicht verändert sich mit der xF-Position eines abgetasteten 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]. Fig. 11 zeigt den allgemein linearen Charakter des kapazitiven Gleichgewichts L, das auf die xF-Position des Gegenstandes anspricht. Die Neigung K des allgemeinen Ansprechens verändert sich mit der yF- und zF-Position des Gegenstandes und schließt auch den Einfluß der vorher beschriebenen Maßstabskonstanten Kfg ein. Sowohl L[i] als auch L[i + 1] in Fig. 14 sind über den Bereich zwischen x[i] und x[i + 1] im wesentlichen linear. Die Neigungskonstante K ist für beide Messungen im wesentlichen dieselbe. Die Messungen werden ausgedrückt als:
L[i] = K·(xF - x[i]), und
L[i + 1] = K·(xF - x [i + 1]).
In den bevorzugten Ausführungen kann ein Gleichgewichtsverhältnis Q[i]) definiert werden als:
Q[i] = L [i]/(L [i] - L [i + 1]).
Es können andere Ausdrücke für Q[i]) entwickelt werden, die funktionell äquivalent sind. Aus den oben angeführten Ausdrücken für L kann Q(i) geschrieben werden als:
Q [i] = (xF - x[i])/x[i+1] - x [i]).
Q[i] verändert sich linear von einem Wert Null für einen Gegenstand bei xF = x[i] bis zu einem Wert bei xF = x[i + 1]. Eine algebraische Umformung ergibt für die Position xF den Ausdruck:
xF = Q[i]·x(i + 1] - x[i]) + x[i].
Es ist vorteilhaft, Q[i] zu berechnen, da auf diese Weise xF unabhängig von yF oder zF bestimmt werden kann. Das Gleichgewichtsverhältnis Q[i] wird durch die Gleichgewichtsverhältnis- Bestimmungsschaltung 40 unter Verwendung aufeinanderfolgender Messungen von L [i] und L [i + 1] berechnet.
Die Diskussion der Fig. 13 und 14 und die Definition der Gleichgewichtsverhältnisse ist insgesamt in einer bevorzugten Ausführung beinhaltet, in der zwei benachbarte VDEn mit den Indices [i] und [i + 1] zur Entwicklung des Gleichgewichtsverhältnisses benutzt werden. Zwei nicht-benachbarte VDEn könnten z. B. ebenfalls verwendet werden, wobei n als ein Indexversatz betrachtet wird.
Erneut auf Fig. 1 Bezugnehmend, nimmt die Steuerschaltung 50 die Messungen des Gleichgewichts L und der Verhältnisse Q von der Gleichgewichtsmeßschaltung 30 und Gleichgewichtsverhältnis- Bestimmungsschaltung 40 an. Die Steuerschaltung 50 erzeugt ein Auswahlsignal S. welches der virtuellen Elektrodenplatte 20 zugeführt wird. Das Signal S enthält Zeilen und Spalten-Auswahlkomponenten. In den bevorzugten Ausführungen ist die Steuerschaltung 50 ein Mikroprozessor, eine Mikrosteuereinrichtung oder eine andere digitale logische Schaltung.
Das Steuersignal 5 spezifiziert, das eine Zeilen-VDE und eine Spalten-VDE zu einem speziellen Zeitpunkt auf der Platte 20 auszubilden ist. Somit spezifiziert die Steuerschaltung die speziellen Spalten- und Zeilen-VDEn zu vorgegebenen Zeiten oder wählt sie aus. Die Steuerschaltung 50 liefert auch Signale zu der Gleichgewichtsmeßschaltung 30 und zu der Schaltung 40 für die Bestimmung des Gleichgewichtsverhältnisses und steuert diese beiden Komponenten so, daß sie Messungen und Berechnungen ausführen. Sie liefert auch die Positionssignale P zu den Verwendungseinrichtungen 70.
Wie hierin definiert, bedeutet die "ungefähre" Position des Gegenstandes eine Position mit einer Auflösung gleich der Entfernung zwischen den benachbarten VDEn. Die "genaue" Position des Gegenstandes bedeutet eine Position mit einer Auflösung, die um ein Mehrfaches größer ist als die Auflösung der ungefähren Position. Das spezielle Mehrfache der ungefähren Auflösung ist eine Funktion der Meßauflösung des kapazitiven Gleichgewichts, der Bestimmungsauflösung des Gleichgewichtsverhältnisses und der Abschwächungseinflüsse des elektronischen Rauschens. In den bevorzugten Ausführungen beträgt dieses Mehrfache 128.
Angenommen, von der Platte 20 kann eine von M-Spalten-VDEn und eine von N-Zeilen-VDE ausgewählt werden. In den bevorzugten Ausführungen ist M = 8 und N = 8. Jede VDE bedeckt die gesamte Oberfläche der Platte durch Herumwickeln, wie es in Fig. 5(b) beschrieben und dargestellt ist.
Angenommen, i und j sind VDE-Indices, die aus einem Satz ausgewählt sind, der als Satz von "Normal"-Indices bezeichnet werden kann. Die Zeilen-VDE R[i + N/2] ist dieselbe wie R[i] mit vertauschten positiven und negativen Hälften. Gleichermaßen ist C[j + M/2] eine vertauschte Version von C[j]. Das Vertauschen der positiven mit den negativen Hälften sowohl der Zeilen- als auch der Spalten-VDEn hat keinen Einfluß auf die Gleichgewichtsmessung. Das ist zu erkennen, wenn man sich die Definition des Gleichgewichts in. Erinnerung ruft. Da der Vorgang auf den Gleichgewichtsmessungen basiert, können Spalten- und Zeilen- Indices übereinstimmend um M/2 bzw. N/2 vergrößert werden, um versetzte Indices zu ergeben. Versetzte Indices entsprechen den ungefähren Positionen, die übereinstimmend um das M/2-fache der Spalten VDE und das N/2-fache des Zeilen-VDE-Abstandes versetzt sind.
In weiteren bevorzugten Ausführungen ist eine Bestimmung, ob zu einem speziellen Zeitpunkt normale oder versetzte Indices verwendet werden, nicht möglich. Der Typ der verwendeten Indices stellt sich jedoch während der Zeit, in der ein abgetasteter Gegenstand in der Nähe der Platte bleibt, nicht um. In noch weiteren Ausführungen, ist die Positionsveränderung bei normalen und versetzten Indices dieselbe. Glücklicherweise ist bei vielen Anwendungen nur eine Positionsveränderung von Bedeutung. Wenn die absolute Position bestimmt werden muß, kann eine zusätzliche Messung L' durch den folgenden Ausdruck definiert werden, die gegenüber dem Vertauschen der positiven und der negativen Hälften empfindlich ist:
L'(C[i], R[j]) = Kf·{M(C[i] , R[j]< n> ) + M(C[i] , R[j] ) - M(C[i]< n> , R[j] ) - M(C[i]< n> , R[j]< n> )}.
Die Meßschaltung für die Bestimmung von L' ist eine Variation der Schaltung, die für die Bestimmung von L verwendet wird. Die Steuereinrichtung kann an die Verwendung für L' angepaßt werden und kann in den bevorzugten Ausführungen zwischen normalen Indices und versetzten Indices unterscheiden.
Ein Vorteil der Steuerschaltung ist, daß sie ein wiederholtes Aktualisieren der Basis-Indices IB und JB und der Ziel- Indices LT und JC durchführen kann, so daß die abgetastete Position des Gegenstandes etwa in der Mitte innerhalb der positiven Hälften der VDEn C[IB] und R[JB] und in den Intervallen x[IT] bis x[T + 1] und y [JT] bis y [JT + 1] liegt. Das bezieht sich auf die ungefähre Position des Gegenstandes.
Bezug auf Fig. 15 nehmend, ist eine mögliche xF-Position des Gegenstandes und das Ausmaß der geeigneten Spalten-VDEn dargestellt. In diesem Beispiel ist IB = 1 und IT = 3. Die Position xF liegt zwischen x[3] und x[4], die jeweiligen Orte der Ziel-VDEn bei C[3] und C[4]. Ferner liegt xF etwa in der Mitte innerhalb der positiven Hälfte der Basis-VDE C[1]. Ein Beispiel für die y-Position und die Zeilen-VDEn ist analog.
Bezug auf Fig. 16 nehmend, ist dort ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführung für einen Algorithmus dargestellt, der von der Steuereinrichtung ausgeführt wird. In Schritt 600 bestimmt die Steuereinrichtung die Nähe W des abgetasteten Gegenstandes zur Platte allgemein in z-Richtung. Die x-Position des Gegenstandes wird in Schritt 610 und die y-Position des Gegenstandes in Schritt 620 bestimmt. Die Steuereinrichtung aktualisiert die x-Indices IB und IT in Schritt 630 und die y- Indices JB und JT in Schritt 640.
Das Filtern des Signals, um das Rauschen in der angezeigten Position zu verringern, um die Anzeigerate in Abhängigkeit von der Positionsveränderungsaktivität zu verändern, oder um eine falsche Positionsveränderung oder Ungenauigkeiten zu eliminieren, wenn sich der abgetastete Gegenstand durch den Nachbarschaftsrelation-Schwellenübergang bewegt, wird in Schritt 650 ausgeführt. In Schritt 660 wird das Signal P zu einer Verwendungseinrichtung gesendet. Eine Komponente von P zeigt die Nähe W oder die Enge der Nachbarschaft des Kontaktes zwischen dem abzutastenden Gegenstand und der Platte an. Wenn die Nähe ausreichend eng ist, zeigen die anderen Komponenten von P die x- und y-Position des Gegenstandes an. Diese Information könnte in einer Vielzahl von Wegen kodiert sein, zum Beispiel als eine absolute Position oder als eine relative Position, d. h. die Veränderung der Position des Gegenstandes seit dem letzten Signal.
Der Wert von W, wie er in Schritt 600 vorher bestimmt wurde, kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Gegenstand eine ausreichend enge Nähe zu der Platte aufweist und ob die in den Schritten 610 und 620 bestimmte x- und y-Position von Bedeutung ist. Das erfolgt durch Vergleichen von W mit einem gewissen Schwellenwert Wth > 0. Wenn W > Wth ist, ist der Gegenstand ausreichend nahe, so daß die Positionsinformation von Bedeutung ist. Wenn W < Wth ist, ist der Gegenstand nicht nahe und die Positionsinformation ist bedeutungslos. Der Wert von Wth kann empirisch durch Anordnen des abzutastenden Gegenstandes in einer Nähe, die einen geringfügig größeren Abstand aufweist, als die Nähe der Position, an der das Abtasten erfolgen soll, bestimmt werden. Der bei dieser Anordnung bestimmte Wert von W ist für Wth ein geeigneter Wert.
In den bevorzugten Ausführungen führt die Steuereinrichtung alle 5,5 Millisekunden einen vollständigen Zyklus durch diesen Algorithmus aus. Andere Perioden können ohne bedeutende Veränderung des Betriebes erreicht werden. Die Periode kann ferner an die spezielle Verwendungseinrichtung angepaßt werden, die vom System verwendet wird. Wenn die Plattenmultiplizität größer als eins ist, sollte die Periode ausreichend kurz sein, um zu sichern, daß der abgetastete Gegenstand sich in einer Periode niemals um mehr als die Hälfte der fundamentalen VDE-Breite bewegt.
Bezug auf Fig. 17 nehmend, ist dort ein Flußdiagramm für die Bestimmung von W dargestellt. In Schritt 670 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IB und eine Zeilen-VDE entsprechend dem Index JB ausgewählt. In Schritt 680 wird die Meßeinrichtung für das kapazitive Gleichgewicht angewiesen, das Gleichgewicht L zwischen den ausgewählten Zeilen- und Spalten- VDEn zu messen. In Schritt 690 wird die Nähe bestimmt und als eine Konstante gleich LNOM minus L definiert. LNOM wird so eingestellt, daß W gleich Null ist, wenn kein abzutastender Gegenstand vorhanden ist. W vergrößert sich, wenn der Gegenstand in eine engere Nähe zu der Platte kommt.
Fig. 18 detailliert die Bestimmung der x-Position des Gegenstandes. In Schritt 700 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IT und eine Zeilen-VDE entsprechend dem Index JB ausgewählt. In Schritt 710 wird die Meßschaltung für das kapazititive Gleichgewicht angewiesen, das Gleichgewicht L zwischen C[IT] und R[JB] zu messen. Die Wahl einer Spalten-VDE entsprechend dem Index IT + n und einer Zeilen-VDE entsprechend dem Index JB wird in Schritt 720 ausgeführt. Die Zahl n ist ein Zielindex- Versatz. In den bevorzugten Ausführungen ist n = 1. In anderen bevorzugten Ausführungen kann n eine ganze Zahl größer als eins sein.
In Schritt 730 mißt die Meßschaltung für das kapazitive Gleichgewicht das Gleichgewicht Ln zwischen C [IT + n] und R[JB]. In Schritt 740 berechnet die Bestimmungsschaltung für das Gleichgewichtsverhältnis Qx = L/(L - Ln), wobei L und Ln die beiden vorher gemessenen Gleichgewichte sind.
Qx wird in Schritt 750 so eingegrenzt, das es in der Größenordnung von 0 bis eins liegt. Wenn Qx kleiner als Null ist, wird es auf Null eingestellt. Wenn Qx größer als eins ist, wird es auf eins eingestellt.
In Schritt 760 wird die x-Position = x[IT] + Qx·XD berechnet. XD ist die Entfernung zwischen den Spalten-VDE-Orten x[IT] und x [IT + n]. Die Berechnung von x interpoliert eine Position zwischen diesen beiden Spalten-VDE-Orten.
Bezug auf Fig. 19 nehmend, ist dort die Bestimmung der y-Position des Gegenstandes dargestellt. In Schritt 770 wird eine Spalten-VDE entsprechend dem Index IB und eine Zeilen-VDE entsprechend dem Index JT ausgewählt. In Schritt 780 wird das kapazitive Gleichgewicht L zwischen C[IB] und R[JT] gemessen. In Schritt 790 erfolgt das Auswählen einer Spalten-VDE gemäß dem Index IB und einer Zeilen-VDE entsprechend dem Index JT + n.
In Schritt 800 mißt die Meßeinrichtung für das kapazitive Gleichgewicht das Gleichgewicht Ln zwischen C[IB] und R[JT + n]. In Schritt 810 berechnet die Bestimmungseinrichtung für das Gleichgewichtsverhältnis Qy = L/(L - Ln), wobei L und Ln die beiden gerade gemessenen Gleichgewichte sind. In Schritt 820 wird Qy so eingegrenzt, das es in der Größenordnung von 0 bis eins liegt. Wenn Qy kleiner als Null ist, wird es auf Null eingestellt. Wenn Qy größer als eins ist, wird es auf eins eingestellt.
In Schritt 830 wird die y-Position des Gegenstandes = y[JT] + Qy·YD berechnet. YD ist die Entfernung zwischen den Zeilen- VDE-Orten y[IT] und y[IT + n]. Die Berechnung y-Position interpoliert eine Position zwischen den beiden Spalten-VDE-Orten.
Bezug auf Fig. 20 nehmend, werden dort die x-Indices aktualisiert. In Sehritt 840 wird das Qx-Verhältnis überprüft. Wenn Qx gleich Null ist, ist die abgetastete x-Position bei, oder möglicherweise links von C[IT]. In diesem Fall wird eins von dem gegenwärtigen IT subtrahiert. Das Ergebnis wird als modulo M genommen, wobei M die Anzahl der Spalten-VDEn ist. Das aktualisiert IT entsprechend der nächsten Spalte nach links.
In Schritt 850 wird Qx erneut überprüft. Wenn Qx gleich eins ist, ist die abgetastete x-Position bei, oder möglicherweise rechts von C [IT + n]. In diesem Fall wird eins zu IT, modulo M, addiert. Das aktualisiert IT nach rechts.
In Schritt 860 wird der Wert IT + 1/2 + n/2 + M/4 auf die naheliegendste ganze Zahl gerundet. Der gerundete Wert wird als modulo M genommen und IB zugeordnet. Das sichert, daß die positive Hälfte von C[IB] nahezu in der Mitte über dem Bereich zwischen den aktualisierten x[IT] und x[IT + n] liegt.
Bezug auf Fig. 21 nehmend, werden dort die y-Indices aktualisiert. In Schritt 870 wird das Qy-Verhältnis überprüft. Wenn Qy gleich Null ist, ist die abgetastete y-Position bei, oder möglicherweise unter C[IT]. In diesem Fall wird eins von dem gegenwärtigen JT subtrahiert. Das Ergebnis wird als modulo N genommen, wobei N die Anzahl der Zeilen-VDEn ist. Das aktualisiert JT entsprechend der nächsten Zeile darunter.
In Schritt 880 wird Qy erneut überprüft. Wenn Qy gleich eins ist, ist die abgetastete y-Position bei, oder möglicherweise über R[JT + n]. In diesem Fall wird eins zu JT, modulo N addiert. Das aktualisiert JT zu der nächsten Zeile darüber. In Schritt 890 wird der Wert JT + 1/2 + n/2 + N/4 auf die naheliegendste ganze Zahl gerundet. Der gerundete Wert wird als modulo N genommen und IB zugeordnet. Das sichert, daß die positive Hälfte von R[IB] nahezu in der Mitte über dem Bereich zwischen den aktualisierten y[JT] und y[JT + n] liegt. In den bevorzugten Ausführungen wird eine Bruchzahl A + 1/2 auf die ganze Zahl A abgerundet. In weiteren bevorzugten Ausführungen wird A + 1/2 auf A + 1 aufgerundet.
Die Schaltung für die Ausführung der Schritte in den vorher angeführten Flußdiagrammen kann in vielfältiger Weise ausgeführt sein. Die gesamte Schaltung oder ein Teil davon könnte in einem oder in mehreren anwendungsspezifischen Schaltkreisen (ASICs) enthalten sein. In den bevorzugten Ausführungen kann die Schaltung unter Verwendung von integrierten Standardschaltkreisen, Mikroprozessoren oder anderen elektronischen Komponenten ausgeführt sein.
Es wurden bestimmte bevorzugte Ausführungen von Verfahren und Vorrichtungen zum Abtasten der Position eines Gegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn auch bevorzugte Ausführungen offenbart sind, ist von Fachleuten auf diesem Gebiet zu erkennen, daß Modifikationen in dem Schutzumfang der Erfindung liegen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Position von einem konduktiven passiven Gegenstand (60), wie einem Finger von einer Person, einer Hand oder einem konduktiven Gegenstand, der in der Hand der Person gehalten wird, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Elektroden, die so angeordnet sind, daß dazwischen Gegenkapazitäten vorhanden sind, eine Einrichtung (30) zum Messen von Veränderungen der Gegenkapazitäten und eine Einrichtung (40) aufweist, die auf die Meßeinrichtung anspricht, um die Position des Gegenstandes (60) relativ zu den Elektroden zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet, daß

- die Elektroden zumindest eine erste streifenähnliche Elektrode (160; 200, 210) und zumindest eine zweite streifenähnliche Elektrode (170; 240, 260) beinhalten, die in der Nähe zu der ersten Elektrode (160; 200, 210) angeordnet ist, um darüber zu kreuzen und einen Überkreuzungsbereich (430) zu bilden;

- die Meßeinrichtung eine Einrichtung (530, 540, 550) aufweist, um der zumindest einen ersten Elektrode (160; 200, 210) und der zumindest einen zweiten Elektrode (170; 240, 260) elektrische Ladungen zuzuführen, um dadurch elektrische Felder zu erzeugen, so daß eine Gegenkapazität zwischen den ersten und den zweiten Elektroden vorhanden ist, wobei die Gegenkapazität abnimmt, wenn sich der Gegenstand in der Nähe des Überkreuzungsbereichs befindet, und das Ausmaß dieser Abnahme von der relativen Position des Gegenstandes (60) bezüglich des Überkreuzungsbereichs abhängt;

- die Meßeinrichtung (30) dazu ausgestaltet ist, um die Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden (160, 170; 200, 210, 240, 260) zu messen; und

- die Einrichtung (40), die auf die Meßeinrichtung (30) anspricht, dazu ausgestaltet, um die Position des Gegenstandes (60) relativ zu dem Überkreuzungsbereich zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden (160, 170; 200, 210, 240, 260) länglich und wesentlich länger als die Länge oder Breite des Überkreuzungsbereichs sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, außerdem mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten zweiten Elektroden (240, 260), die in der Nähe der ersten Elektrode (160) angeordnet sind, um darüber zu kreuzen und definieren:

- eine Vielzahl von Überkreuzungsbereichen, so daß Gegenkapazitäten zwischen der ersten Elektrode und jeder der zweiten Elektroden vorhanden sind;

- wobei die Meßeinrichtung (30) die Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen der ersten Elektrode und jeder der zweiten Elektroden mißt; und

- wobei die Einrichtung (40), die auf die Meßeinrichtung anspricht, die Position des Gegenstandes (60) relativ zu den Überkreuzungsbereichen bestimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die zweiten Elektroden (240, 260) allgemein parallel zueinander und allgemein in rechten Winkeln bezüglich der ersten Elektrode angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, außerdem mit:

- einer Vielzahl von voneinander beabstandeten ersten Elektroden (200, 210), die benachbart zu den zweiten Elektroden (240, 260) angeordnet sind, um darunter zu kreuzen und einen Überkreuzungsbereich an jeder Stelle zu definieren, an der eine der zweiten Elektroden eine der ersten Elektroden überkreuzt, so daß Gegenkapazitäten zwischen jeder der ersten Elektroden und jeder der zweiten Elektroden vorhanden sind;

- wobei die Meßeinrichtung (30) die Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden mißt; und

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die ersten Elektroden (200, 210) allgemein parallel zueinander angeordnet sind, die zweiten Elektroden (240, 260) allgemein parallel zueinander angeordnet sind, und sich die ersten und zweiten Elektroden allgemein in rechten Winkeln überkreuzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 6, außerdem mit einer Isolatoreinrichtung (370), die zwischen der oder jeder ersten Elektrode und der oder jeder zweiten Elektrode angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der jede der ersten und zweiten Elektroden (200, 210, 240, 260) eine Vielzahl von Elektrodenstreifen (130) enthält, die funktional miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem mit:

- einer Syntheseeinrichtung (150), die funktional mit den Elektrodenstreifen (130) der ersten Elektroden (200, 210) und mit den Elektrodenstreifen (130) der zweiten Elektroden (240, 260) verbunden ist, wobei die Syntheseeinrichtung auf Steuersignale (S) anspricht, um bestimmte der Elektrodenstreifen (130) der ersten und zweiten Elektroden auszuwählen, um die Elektroden zu synthetisieren, zwischen denen Veränderungen bezüglich der Gegenkapazitäten durch die Meßeinrichtung (30) zu messen sind; und

- einer Steuereinrichtung (50), die funktional mit der Syntheseeinrichtung (150) gekoppelt ist, um dieser Steuersignale (S) zuzuführen, um dadurch zu spezifizieren, welche der Elektrodenstreifen (13·0) die ersten Elektroden ausmachen und welche der Elektrodenstreifen (130) die zweiten Elektroden ausmachen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Meßeinrichtung (30) aufweist:

- eine Gleichgewichtsverhältnismeßeinrichtung (560, 570) zum Bestimmen der elektrischen Gleichgewichtsverhältnisse aus den gegenseitigen Kapazitäten unter den ausgewählten ersten und zweiten Elektrodenstreifen (130); und

- eine Einrichtung (40) zum Bestimmen der Position des passiven Gegenstandes aus den Gleichgewichtsverhältnissen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der die Einrichtung (530, 540, 550) zum Zuführen von Ladungen zu den ausgewählten ersten und zweiten Streifen Ladungen zuführt, und die Meßeinrichtung außerdem eine Einrichtung (560, 670, F) aufweist, um die zugeführte Ladung zu messen, um dadurch die Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ausgewählten Elektrodenstreifen (130) zu bestimmen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Ladungszuführeinrichtung außerdem eine Einrichtung aufweist, um elektrische Ladungen ausgewählten Paaren von ersten und zweiten Elektroden, die zwei Hälften von einer ersten Dipolelektrode definieren, und ausgewählten Paaren von ersten und zweiten Elektroden zuzuführen, die zwei Hälften von einer zweiten Dipolelektrode definieren, so daß elektrische Felder zwischen den Paaren von Elektroden erzeugt werden, die die Dipolelektroden bilden.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Elektroden (160, 170; 200, 210, 240, 260) in der Form einer Platte (20) angeordnet sind, auf die der Gegenstand (60) zubewegt werden kann oder die der Gegenstand berühren kann, um in jedem Fall die Gegenkapazitäten zu beeinflussen.

14. Verfahren zum Messen einer Position eines Gegenstandes unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9 oder nach einem von diesem abhängigen Anspruch, wobei das Verfahren umfaßt:

- wiederholtes Steuernder Syntheseeinrichtung (150), um die ersten und zweiten Elektroden (160, 170; 200, 210, 240, 260) zu synthetisieren, um geeignete Elektrodenstreifen (130) auszuwählen, wobei das elektrische Feld zwischen den ersten und zweiten Elektroden durch das Vorhandensein des Gegenstandes (160) beeinflußt wird;

- Messen der Abnahme der Gegenkapazität zwischen den ersten und zweiten Elektroden (160, 170; 200, 210, 240, 260);

- Berechnen einer ungefähren Position des Gegenstandes (60) basierend auf zumindest einem Zielindex (IT, JT), wobei der Zielindex die Position der ersten und zweiten Elektroden wiedergibt;

- Berechnen einer genauen Position des Gegenstandes (60) basierend auf der gemessenen Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden; und

- Berechnen (760, 830) der Gesamtposition des Gegenstandes basierend auf der berechneten ungefähren und genauen Position des Gegenstandes.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Berechnung der Gesamtposition des Gegenstandes durch Addition der ungefähren Position des Gegenstandes und der genauen Position des Gegenstandes gefunden wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, außerdem mit dem Schritt des Aktualisierens des Zielindex.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Schritt des Berechnens der genauen Position des Gegenstandes außerdem umfaßt:

- Berechnen (700, 710) eines ersten elektrischen Gleichgewichts zwischen einer ersten Elektrode (160; 200, 210), die durch ausgewählte erste Elektrodenstreifen (130) definiert ist, und einer zweiten Elektrode (170; 240, 260), die durch ausgewählte zweite Elektrodenstreifen (130) definiert ist, wobei die ausgewählten ersten und zweiten Elektrodenstreifen (130) durch den Zielindex bestimmt sind;

- Berechnen (720, 730) eines zweiten elektrischen Gleichgewichts zwischen einer weiteren ersten Elektrode, die durch weitere ausgewählte erste Elektrodenstreifen (130) definiert ist, und einer zweiten Elektrode, die durch zweite Elektrodenstreifen (130) definiert ist, wobei die weitere erste Elektrode durch einen Zielindex-Versatz bestimmt ist;

- Berechnen (740) eines elektrischen Gleichgewichtsverhältnisses zwischen den ersten und zweiten elektrischen Gleichgewichten; und

- Berechnen (760) der genauen Position des Gegenstandes basierend auf dem elektrischen Gleichgewichtsverhältnis und dem Abstand (Xp) zwischen den ausgewählten Elektrodenstreifen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Schritte des Berechnens des ersten und zweiten elektrischen Gleichgewichts das Messen der Abnahme der Gegenkapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden und das algebraische Summieren der gemessenen Abnahmen der Kapazitätswerte zwischen den Elektroden umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das elektrische Gleichgewichtsverhältnis der Beziehung folgt:

wobei

Q = elektrisches Gleichgewichtsverhältnis,

L&sub1; = das erste elektrische Gleichgewicht und

LN = das zweite elektrische Gleichgewicht ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die genaue Position des Gegenstandes gemäß der folgenden Beziehung berechnet wird:

Genaue Position = (XN - X)·Q

wobei

X = eine Position der ersten Elektrode und

XN = eine Position der weiteren ersten Elektrode ist.