DE69105457T2

DE69105457T2 - Berührungsempfindlicher Überzug.

Info

Publication number: DE69105457T2
Application number: DE69105457T
Authority: DE
Inventors: Andrew Fabian Kozik; Dennis Morgan Taylor
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: DE69105457D1; JPH0820925B2; US5149918A; JPH06324786A; EP0483519B1; EP0483519A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine berührungsempfindliche Vorrichtung, die dazu geeignet ist, die Koordinaten eines Punktes auf einer auf einem Substrat befindlichen Leitung zu lokalisieren, und insbesondere eine Vorrichtung zur Lokalisierung eines Punktes, der durch eine Impedanzstörung in der Leitung gekennzeichnet ist, die durch den Kontakt der Leitung mit einer Fingerspitze oder einem leitenden Teil hervorgerufen wird.
Der Dialog des Bedieners mit einem Computersystem wird zum großen Teil durch die Verwendung von Eingabevorrichtungen wie Tastaturen, Berührungsbildschirmgeräte und dergleichen vereinfacht. Für einige Benutzer, insbesondere für die visuell orientierten Benutzer, hat die Technik visuelle Dialogmittel zur Verfügung gestellt, die es dem Benutzer erlauben, direkt über die Bildanzeige mit dem Computersystem zu kommunizieren. Es gibt heute in der Tat viele auf Berührung beruhende Steuerungsverfahren, unter denen der Benutzer wählen kann.
Eine Geräteart zur Berührungssteuerung, die normalerweise als kapazitive Berührungsvorrichtung bezeichnet wird, verwendet eine widerstandsbehaftete Oberfläche mit einem abgegrenzten Bereich, der für die Koordinatenermittlung verwendet wird. In einer solchen kapazitiven Berührungsvorrichtung, die in der US-Patentschrift 4 293 734, Erfinder Pepper Jr., offenbart wird, ist der abgegrenzte Bereich eine widerstandsbehaftete Oberfläche mit gleichmäßiger Widerstandsdichte, einer rechteckigen Form und einein Anschluß an jeder Kante. In der zweiachsigen Ausführung der Vorrichtung von Pepper Jr. sind Eingabe-Ausgabe-Stellen für eine x-Achse und eine y-Achse vorgesehen. Das Verhältnis der Summe der Ströme durch zwei der Anschlüsse zur Summe der Ströme durch alle vier Anschlüsse ist proportional zur Entfernung von einer Kante. Entsprechend werden gleichzeitig die Ausgangsspannungen ermittelt, die proportional zu den x- und y-Koordinaten des berührten Punktes sind.
Wie der Fachmann erkennen kann, verwendet der Aufbau von Pepper Jr. zur Ortsermittlung auf Stromverhältnissen basierende Mittel, wie es im wesentlichen auch eine Brückenschaltung tun würde. Auf ähnliche Art werden Messungen mit einer kapazitiven Berührungsvorrichtung durchgeführt, die in der US-Patentschrift 4 680 430, Erfinder Yoshikawa et al., offenbart wird, in der auf Stromverhältnissen basierende Mittel verwendet werden, um getrennte x- und y-Positionen zu bestimmen.
Eine weitere kapazitive Berührungsvorrichtung wird in der US-Patentschrift 4 476 463, Erfinder Ng et al., offenbart. Das System von Ng et al. verwendet eine mit einem berührungsempfindlichen, elektrisch leitenden Überzug versehene Oberfläche mit vier länglichen Elektroden, die mit dem Überzug verbunden sind, wobei jeweils eine Elektrode auf jeder Seite des berührungsempfindlichen Überzugs angeordnet ist. Es wird die Anderung der elektrischen Impedanz gemessen, die eine kapazitive Berührung in einer Widerstands-Kapazitanz-Schaltung mit der berührungsempfindlichen Oberfläche bewirkt. Die Lage der Berührungsstelle wird ermittelt, indem die Messungen für die x- und y-Position mit den entsprechenden Änderungen der Kapazitätsverhältnisse korreliert werden.
Noch eine weitere Berührungsbildschirmvorrichtung mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche wird in der US-Patentschrift 4 680 429, Erfinder Murdock et al., offenbart. Das Patent von Nurdock et al. erlaubt die Impedanzabtastung relativ zu Mehrfachkontakten. Beim Murdock-System kann ein Berührungsort auf der Oberfläche durch die Wechselwirkung eines Fingers mit Berührungsströmen festgestellt werden, die durch das selektive Anlegen von Wechselstromspannungs-Bildschirmabtastsignalen an die berührungsempfindliche Oberfläche erzeugt werden.
Kapazitive Berührungsvorrichtungen zur Ermittlung von Lagekoordinaten auf einer widerstandsbehafteten Oberfläche sind mit deutlichen Nachteilen behaftet. Insbesondere muß der Abstand zwischen den Signallinien bei einer typischen kapazitiven Berührungsvorrichtung ziemlich groß sein, um die Auswirkungen von Streukapazitäten zu minimieren. Dementsprechend ist die Zahl der berührungsempfindlichen Bereiche je Überzug stark eingeschränkt, was wiederum das Datenfeld auf der Anzeige begrenzt.
Darüber hinaus umfaßt die Koordinatenermittlung in mehr als einer Dimension normalerweise die Verarbeitung von zwei oder mehr Signalen, wozu zwei oder mehr entsprechende Schaltungen verwendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems von Murdock et al. müssen beispielsweise wenigstens drei Ströme ermittelt werden, um den Berührungsort festzustellen. Die Messung einer Anzahl von Strömen und/oder Spannungen als Voraussetzung für die Bestimmung der Lagekoordinaten leistet nicht nur der Komplexität der Hardwareanforderungen Vorschub, sondern ist auch sehr fehleranfällig.
Ein weiteres auf Berührung basierendes Steuerungsverfahren bedient sich des Konzepts der Wellenausbreitung für die Koordinatenerfassung. Zum Beispiel betrifft die US-Patentschrift 4 689 448, Erfinder Snyder et al., eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Lagekoordinatenerfassung mit einer U-förmigen Laufzeitleitung. Zusammen mit der U-förmigen Laufzeitleitung, die aus einem ersten und zweiten linearen Teil besteht, wird ein PC-Gitter mit elektrischen Leitern verwendet. Wenn das Gitter von einem Zeiger mit einem einen Kreisfluß erzeugenden Element berührt wird, werden vom ersten und zweiten linearen Teil Deformationswellen erzeugt. Die Deformationswellen breiten sich auf der U-förmigen Verzögerungsleitung zu einer Sensorspule aus. Die zu den x- und y-Koordinaten gehörigen Laufzeiten werden von einer logischen Schaltung verarbeitet, um die x- und y-Koordinate zu erhalten.
Eine weitere Wellenausbreitungsvorrichtung, die in der US- Patentschrift 4 506 354, Erfinder Hansen, offenbart wird, offenbart eine Vorrichtung, die ein Ultraschallwandler-Paar benutzt, um die Lage irgendeines aus einer Vielzahl von Objekten zu bestimmen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Wandler mit verschiedenen Frequenzen getaktet, und ein Empfängermittel nimmt von jedem Impuls die Echos auf. Ausgewählte Echos werden verwendet, um die Entfernung des Objekts zum Wandler zu messen und so die Lage des Objekts zu bestimmen.
Noch eine weitere Wellenausbreitungsvorrichtung, die in der US- Patentschrift 4 700 176, Erfinder Adler, offenbart wird, benutzt die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen in Verbindung mit Eingabe-Ausgabe-Wandlern, um den Berührungsort festzustellen. Die Anordnung von Adler kann im weitesten Sinn als Absorptions- Entfernungsmeßsystem angesehen werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Wellen über eine Berührungsoberfläche von einer Seite zu einer anderen, gegenüberliegenden Seite übertragen. Wenn die Berührungsfläche mit der Fingerspitze berührt wird, wird Energie der akustischen Oberflächenwelle absorbiert, und die Amplitude des Oberflächenwellenbursts, der sich durch den Berührungsbereich ausbreitet, wird gedämpft. Die Dämpfung wird gemessen, und die dabei gewonnenen Daten über den zeitlichen Verlauf werden verwendet, um festzustellen, an welcher der vielen Burst-Ausbreitungsstellen eine Störung aufgetreten ist, wodurch die Berührungsstelle ermittelt werden kann.
Obwohl die oben erörterten Wellenausbreitungsvorrichtungen einen großen Bereich des Dialogbetriebs mit Computersystemen zur Verfügung stellen, der normalerweise nicht mit kapazitiven Berührungsvorrichtungen erreicht werden kann, besitzen Wellenausbreitungsvorrichtungen doch gewisse Eigenschaften, durch die ihr Einsatz in einer erheblichen Zahl von Situationen besonders nachteilig ist. Zum Beispiel kann es schwierig sein, die Aufbauten gemäß den Patentschriften von Snyder et al., Hansen und Adler richtig zu implementieren. Bei allen drei Patentschriften erfordert die Implementierung eine präzise Positionierung der Komponenten, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Eine ungenaue Anordnung der Wandler bei den Patentschriften von Adler und Hansen oder der Verzögerungsleitung bei der Patentschrift von Snyder et al. kann die Funktion schwer beeinträchtigen und fehlerhafte Ergebnisse erzeugen. Darüber hinaus ist der Aufbau für das jeweilige Netz aufwendig, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
Die Schriften EP-A-0 322 675 und US-A-4 061 966 offenbaren weitere Berührungsbildschirmsysteme, die ein Abtastelement auf einer Tafel lokalisieren.
Angesichts der obigen Erörterung besteht das Bedürfnis nach einer berührungsempfindlichen Vorrichtung, die sich der vorteilhaften Signalverarbeitungseigenschaften der Wellenausbreitungsvorrichtungen bedient, aber nicht schwieriger zu implementieren ist als die kapazitiven Berührungsvorrichtungen. Gleichzeitig sollte die verbesserte berührungsempfindliche Vorrichtung nur so viele Komponenten enthalten, wie für einen befriedigenden Betrieb absolut notwendig sind, aber dennoch einen hohen Grad an Flexibilität hinsichtlich Ausgestaltung und Betriebsweise aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine Koordinatenbestimmung durchführen kann. Die Vorrichtung zur Koordinatenbestimmung umfaßt eine Signalleitung mit einem ersten und zweiten Ende. An das erste Ende der Signalleitung ist ein Signalgenerator angeschlossen, um ein Meßsignal auf der Signalleitung zu erzeugen. Das Meßsignal hat während einer Vielzahl von Zeitintervallen, in denen das Meßsignal ungestört ist, festgelegte Eigenschaften. Die Signalleitung ist so ausgelegt, daß darauf an räumlich voneinander getrennten Orten Impedanzänderungen möglich sind. Das Meßsignal wird zum Beispiel durch die Berührung einer Stelle auf der Signalleitung mit einer Fingerspitze gestört. Mit dem ersten Ende der Signalleitung ist funktionell eine Verarbeitungsschaltung verbunden, um das Zeitintervall zu bestimmen, in dem das Meßsignal gestört wird. Die Verarbeitungsschaltung enthält Korrelationsmittel, um das Zeitintervall zu dem Ort in Beziehung zu setzen, an dem die Signalleitung berührt worden ist. Bei einem weiteren Beispiel umfassen die Korrelationsmittel einen Zähler, wobei der Zähler einen dem Zeitintervall entsprechenden, für ein Programm erkennbaren Zählwert ermittelt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Signalleitung ein Kupferstreifen, der in einem Serpentinenmuster auf ein Kunststoffmaterial geätzt ist. Neben der Signalleitung und parallel zu ihr ist eine Masseleitung geätzt, so daß eine Störung erzeugt werden kann, indem die beiden Leitungen mit einem Finger oder einem leitenden Gegenstand berührt werden. Darüber hinaus hat die Signalleitung einen Wellenwiderstand, und an das zweite Ende der Signalleitung ist eine an den Wellenwiderstand angepaßte Last angeschlossen. Durch die Impedanzanpassung werden unerwünschte Reflexionen auf der Signalleitung minimiert.
In einer bevorzugten Betriebsart wird am ersten Ende der Leitung ein Impuls erzeugt, und ein erster Teil der Impulsenergie breitet sich entlang der Leitung aus, und ein zweiter Teil der Impulsenergie durchläuft den Zähler, um eine Zählung einzuleiten. Wenn durch eine Berührung der Oberfläche der Vorrichtung mit dem Finger eine Impedanzstörung erzeugt wird, wird ein Impuls reflektiert, der die Leitung in entgegengesetzter Richtung zurück zum Zähler entlangläuft. Der reflektierte Impuls stoppt den Zähler bei einem Wert, der von einem Programm erkannt werden kann, so daß ein Computersystem in Abhängigkeit des für ein Programm erkennbaren Werts spezielle Schritte durchführen kann.
Der Fachmann wird zahlreiche Vorteilen erkennen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie überaus ökonomisch ist. Insbesondere ist die Erfindung leicht herzustellen, da sie im wesentlichen nur das einfache Ätzen eines leitenden Materials auf ein Kunststoffsubstrat erfordert. Liegt die geätzte Platte vor, sind nur wenige leicht erhältliche Komponenten erforderlich, um den Aufbau zur Koordinatenbestimmung zu implementieren. Tatsächlich kann die zur Implementierung des Aufbaus verwendete Logik auf einem einzigen Chip untergebracht werden. Die Implementierung der vorliegenden Erfindung ist billiger als die kapazitiven Arten oder die auf der Wellenausbreitung basierenden Arten, und die Erfindung kann optional mit einem Tastatur-Abtastcode benutzt werden, der von der vorhandenen Software und den vorhandenen Befehlen leicht erkannt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie aufgrund ihres flexiblen Designs viele Eigenschaften aufweist, die in der Technik der Berührungsüberzüge normalerweise nicht vorzufinden sind. Erstens kann die vorliegende Anordnung mit einem dünnen Kunststoffmaterial hergestellt werden, das vorzugsweise ein unpolares Material wie Polyethylenterephthalat ist, das dann direkt auf bereits vorhandene Bildschirme aufgetragen werden kann. Nach dem Auftragen auf den Schirm kann die vorliegende Vorrichtung als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme zur Verhinderung von Implosionen dienen. Zweitens kann der Überzug wegen der serpentinenförmigen Anordnung der Signalleitung auf dem Überzug als Blendschutzfilter dienen. Drittens gibt es praktisch keine Einschränkungen für die Abmessungen bei der Anwendung des Überzugs, da die Signalleitung ohne weiteres auf jede dielektrische Oberfläche geätzt werden kann. Das heißt, daß der Überzug genauso gut auf kleine Schirme wie auf große Schirme aufgetragen werden kann. Schließlich kann der Überzug an die Verwendung bei dreidimensionalen Objekten angepaßt werden, wo er es ermöglicht, dreidimensionale Koordinaten mit einem einzigen Signal genau zu ermitteln.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie ein hohes Leistungsvermögen hat. Die Zahl der Koordinatenpunkte, die auf dem Überzug angeordnet werden können, ist groß genug, um praktisch jeder Anforderung gerecht zu werden, die im Rahmen einer beliebigen Anordnung mit einem Berührungsbildschirm gewünscht wird. Tatsächlich ist ein minimaler Meß- und Verarbeitungsaufwand erforderlich, um absolut zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Da das Verfahren einfach anzuwenden ist und auf einer soliden theoretischen Grundlage steht, können mit ihm Ergebnisse mit minimalen Fehlern erzielt werden.
Diese und weitere Eigenschaften, Vorteile und Aufgaben der Erfindung können vom Fachmann in Verbindung mit der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen besser verstanden und gewürdigt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine grundlegende Darstellung des erfindungsgemäßen Überzugs für einen Berührungsbildschirm in Form eines Diagramms;
Fig. 2a ist eine Aufsicht auf eine gedruckte Leiterplatte, die für den Aufbau eines Prototyps des Überzugs für einen Berührungsbildschirm verwendet wurde;
Fig. 2b ist eine perspektivische Seitenansicht der gedruckten Leiterplatte in Fig. 2a;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Impulse, die auf dem Überzug für einen Berührungsbildschirm erzeugt werden;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung, die im Laufe der Anwendung des Überzugs für einen Berührungsbildschirm entwickelt wurde;
Fig. 5 ist eine Aufsicht auf eine Kurzschlußplatte, auf die ein berührungsempfindlicher Überzug gelegt ist;
Fig. 6 zeigt graphisch den zeitlichen Verlauf einer sich auf dem berührungsempfindlichen Überzug ausbreitenden Referenzspannung;
Fig. 7 zeigt graphisch den zeitlichen Verlauf der Referenzspannung auf einem Teil des berührungsempfindlichen Überzugs;
Fig. 8 zeigt das Referenzsignal von Fig. 7, das an einem ersten Punkt auf dem berührungsempfindlichen Überzug gestört wird;
Fig. 9 zeigt das Referenzsignal von Fig. 7, das an einem zweiten Punkt auf dem berührungsempfindlichen Überzug gestört wird;
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung von sowohl einer Schaltung zum Aufbau eines Impulsverstärkers und -formers als auch eines torgesteuerten Schwingungszählers für den berührungsempfindlichen Überzug;
Fig. 11 ist eine graphische Analog-Darstellung, wenn der berührungsempfindliche Überzug durch eine Fingerspitze gestört wird;
Fig. 12 zeigt die Kurve von Fig. 11 nach der Verarbeitung in Amplitudenabtastwerte;
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung des internen Aufbaus des Analog-Digital-Wandlers, der in dem Aufbau von Fig. 10 verwendet wird;
Fig. 14 zeigt die Kurve von Fig. 12 in digitalisierter Form;
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung der Hardware, die zur Implementierung des Speichers bei dem Aufbau von Fig. 10 verwendet wird; und
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines Netzes, das zur Zusammenschaltung des berührungsempfindlichen Überzugs mit einem Computer verwendet wird.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein berührungsempfindlicher Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Zahl 10 gekennzeichnet. Der berührungsempfindliche Überzug 10 schließt ein Substrat 12 ein, auf dem eine Signalleitung 14 und eine Masseleitung 16 angeordnet sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leitungen 14, 16 durch Ätzen oder anders ausgeführtes "Zeichnen" eines Mikrostreifen-Serpentinenmusters auf einem transparenten Medium hergestellt, wozu ein mit Kupfer beschichteter Kunststoff verwendet wird. Die vorliegende Erfindung sieht auch die Verwendung eines anderen Materials als Kupfer für die Herstellung der Leitungen 14, 16 vor. Obwohl das Substrat 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Polyethylenterephthalat ist, kann das Substrat 12 aus anderen flexiblen oder starren dielektrischen Materialien hergestellt werden, ohne die Funktion des berührungsempfindlichen Überzugs 10 zu beeinträchtigen.
Jedes Serpentinenmuster setzt sich aus einer Vielzahl länglicher, zusammenhängender Segmente 17 zusammen. Für experimentelle Zwecke (Fig. 2a und 2b) kann ein mikroskopisches Serpentinenmuster wie das oben genannte erhalten werden, indem die geätzten Drähte einer gedruckten Leiterplatte (printed circuit board, PCB) 19 durch gewöhnliche Verbindungsstücke 20 miteinander verbunden werdfen.
Wie es in Fig. 1 am besten dargestellt ist, hat die Signalleitung 14 ein erstes Ende 22, wobei das erste Ende 22 mit dem Signalgenerator 24 verbunden ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Signalgenerator 24 ein gewöhnlicher Impulsgenerator. Ein zweites Ende 26 der Signalleitung 14 ist mit einer Impedanzlast 28 verbunden.
Die Impedanz ZLast der Last 28 ist vorzugsweise an den Wellenwiderstand Z&sub0; der Signalleitung 14 angepaßt. Die Größe von Z&sub0; (Wellenwiderstand) hängt neben anderen Faktoren von der Eingangsimpedanz des Signal- oder Impulsgenerators 24, Zs sowie vom Widerstandsbelag der Signalleitung 14, ZLeitung, ab. Durch Angleich von ZLast an Z&sub0; werden alle am zweiten Ende 26 der Signalleitung 14 erzeugten Reflexionen minimiert. Obwohl die Anpassung von ZLast an Z&sub0; wünschenswert ist, ist sie für den Betrieb des berührungsempfindlichen Überzugs 10 nicht entscheidend. Das heißt, die Erfindung kann sogar befriedigend implementiert werden, wenn das zweite Ende 26 offen gelassen wird, so daß die Impedanz von ZLast unendlich ist.
Die masseleitung 16 mit einem ersten Ende 32 und einem zweiten Ende 34 ist physisch parallel und benachbart zur Signalleitung 14 angeordnet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Masseleitung 16 relativ dicht an der Signalleitung 14, so daß einzelne Teile der Leitung 14, 16 selektiv durch eine Fingerspitze oder einen beliebigen geeigneten leitenden Gegenstand verbunden werden können. Um eine optimale Erdung zu erreichen, werden beide Enden 32, 34 der Masseleitung 16 direkt an Masse angeschlossen.
Nach wie vor mit Bezug auf Fig. 1 ist die Signalleitung 14 über einen Koppler 37 und eine Leitung 38 an einem Impulsverstärker und -former 36 gekoppelt wird. In einem Beispiel umfaßt der Impulsverstärker und -former 36 einen Operationsverstärker (nicht abgebildet) und eine Impulsformerschaltung (nicht abgebildet). (Natürlich können andere bekannte Impulsformerschaltungen verwendet werden.) Der Impulsverstärker und -former 36 steht über die Leitung 41 mit dem Zähler 40 in Verbindung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Zähler 40 ein torgesteuerter Schwingungszähler, der über die Leitung 42 mit dem Signalgenerator 24 in Verbindung steht. Wie unten ausführlicher dargestellt werden wird, wird auf eine von einem Programm erkennbare Endzahl hin, die eine Reflexionsverzögerung darstellt, ein Befehlssignal über eine der Leitungen 44 an ein Computersystem geleitet. Das Rahmenkonzept der Hardware, die für die Implementierung der Schnittstelle zwischen den Leitungen 44 und dem Computersystem benutzt wird, wird unten beschrieben.
Die Theorie der Funktionsweise eines berührungsempfindlichen Überzugs 10 wird mit Hilfe von Fig. 3 allgemein verständlich. Ein steil ansteigender Zeitimpuls der Gröse EO mit der Bezugsziffer 46 wird am ersten Ende 22 der Signalleitung 14 eingespeist. Der Impuls 46 wandert die Signalleitung 14 hinunter zum zweiten Ende 26, wo er von der Last 28 absorbiert wird, sofern keine Störung, d. h. ZStör, in der Signalleitung 14 zwischen den Enden 22, 26 auftritt. Durch die Störung, die als Folge der Berührung von einer oder beiden Leitungen 14, 16 mit einem Finger oder leitenden Gegenstand entsteht, stellen die Leitungen 14, 16 eine Schaltung mit zwei parallelen Impedanzen dar (Fig. 4), die mit einer gemeinsamen Masse verbunden sind. Eine der Impedanzen, ZStör, wird durch die Fingerspitze oder den verbindenden Gegenstand gebildet, und die andere Impedanz, ZLast, wird durch die Last 28 gebildet.
Die Änderung der Impedanz der Signalleitung 14 durch ZStör führt zu einer reflektierten Welle oder einem reflektierten Impuls 48 der Größe ER. Wie Fig. 3 am besten zeigt, entspricht die Reflexionsverzögerung T zwischen den Anstiegsflanken der Impulse 46, 48 dem Ort oder dem Zeitintervall, wo der Finger oder der berührende Gegenstand eine der beiden Leitungen 14, 16 zuerst berührt. Die Erfindung kann ohne die Masseleitung 16 implementiert werden, da ZStör durch einen menschlichen Körper oder mit kapazitiven Berührungsbildschirmen verwirklicht werden kann. Die Verwendung der Masseleitung 16 erlaubt jedoch eine Signalauflösung, die nicht ohne weiteres erreicht wird, wenn der menschliche Körper als Masseleitung 16 dient.
Die Theorie der Funktionsweise steht zumindest in zweierlei Hinsicht im Gegensatz zu einem typischen Berührungsbildschirmaufbau. Erstens entspricht die Berührungsstelle einer Reflexionsverzögerung, die einfach durch das gleichzeitige Berühren von Teilen der Leitungssegmente 17 mit einer Fingerspitze oder einem leitenden Gegenstand hervorgerufen wird. Zweitens wird die Reflexionsverzögerung wegen der vorhandenen Masseleitung 16 im Rahmen der Nachweisbarkeit nicht von der Impedanz des Körpers beeinflußt. Das heißt, daß der Strom bei der Bildung des parallelen Zweigs mit ZStör mit der Fingerspitze durch die Fingerspitze und nicht durch den ganzen Finger fließt. Also wird die Auflösung des reflektierten Signals nicht durch die Impedanz des gesamten Fingers und Körpers beeinflußt, die beide vom Benutzer abhängen können.
Die Auflösung des reflektierten Signals kann erhöht werden, indem der berührungsempfindliche Überzug 10 auf eine Kurzschlußplatte 49 (Fig. 5) mit einem Substrat 50, auf dem parallele Leitungen 51 angeordnet sind, aufgebracht wird. Die Leitungen 51 Stehen im wesentlichen senkrecht zu den langgestreckten Segmenten 17. Dadurch kann ein Kurzschluß zwischen einzelnen Teilen der langgestreckten Segmente 17 herbeigeführt werden, wenn auf einen Teil des Substrats 12 Druck ausgeübt wird, so daß die einzelnen Teile der langgestreckten Segmente 17 mit einem Segmentteil einer der Leitungen 51 in Kontakt treten.
Die Funktionsweise des Berührungsbildschirmaufbaus wird weiter mit Bezug auf die Fig. 1 und 6-10 erläutert. Anfangs wird ein Referenzimpuls (Fig. 6) entlang der Signalleitung 14 übertragen, um auf ihr ein Referenzsignal aufzubauen. Fig. 6 zeigt den Wert der Spannung über der gesamten Länge der Leitung 14 gemäß der Spannungsanzeige auf einem an die Leitung 38 angeschlossenen Oszillographen. Wie dem Fachmann bekannt ist, entspricht die Zeitabszisse der Referenzspannung gleichzeitig der Länge der Leitung 14. Unter idealen Bedingungen wäre die Referenzspannung glatter als die Kurve in Fig. 6, aber die Verwendung der PCB 19 mit ihren Verbindern 20 führt zu einer Kurve, die etwas hinter dem Ideal zurückbleibt. Im bevorzugtesten Ausführungsbeispiel liefert der berührungsempfindliche Überzug 10 mit zwei durchgehenden Mikrostreifen 14, 16, die in einem Serpentinenmuster auf ein Substrat 12 geätzt oder auf andere Weise darauf angebracht sind, eine viel glattere Kurve für die Referenzspannung.
Bei dem experimentellen Aufbau können kleine von den Verbindern 20 erzeugte Störungen benutzt werden, um die Signalleitung 14 zu "markieren". In Fig. 7 wird die Referenzspannung für ein relativ kurzes Zeitintervall (als Bahn 55) gezeigt; die Referenzspannung in dem Graphen von Fig. 7 wird durch zwei Reflexionen 56 und 58 (Fig. 7) gestört, die im oberen Teil der PCB 19 (Fig. 2a) angebracht sind. Bei dem experimentellen Aufbau wird eine Bahn als ein einzelnes Segment 17 der Signalleitung 14 definiert. Jede Bahn ist mit der nächsten benachbarten Bahn durch einen der Verbinder 20 (Fig. 2b) verbunden.
Die Auswirkung von zwei Verbindern 20 (Fig. 2b) auf die Referenzspannung ist durch die Pfeile 56 und 58 (Fig. 7) gekennzeichnet. Die leichten, aber erkennbaren Störungen von den Verbindern 20 im Kurvenverlauf (reflektierte Impulse) der Referenzspannung dienen dazu, die Lage eines der Verbinder 20 zu markieren. Es sollte beachtet werden, daß die Signalleitung 14 gemäß dem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel, d. h. dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, mit Marken versehen werden kann, indem in Leitung 14 an vorher festgelegten Stellen einfach Impedanzen angebracht werden.
Fig. 8 zeigt die Auswirkung einer Störung an einem Punkt auf der Bahn 18, die durch die Berührung der Signalleitung 14 und der Masseleitung 16 mit einer Fingerspitze verursacht wird. Eine auf Bahn 55 auftretende Störung führt zu einer reflektierten Störung des Meßsignals, wobei die Störung durch die Bezugsnummer 60 kenntlich gemacht ist. Die Störung 60 im Meßsignal entspricht einem Zeitintervall. Wie Fig. 9 zeigt, führt die Berührung an einem weiteren Punkt auf der Bahn 55 zu einer Störung der Referenzspannungskurve an einem Punkt, der durch die Bezugsnummer 64 bezeichnet ist, wobei diese Störung weiter unten auf der Bahn liegt als die Störung 60 in Fig. 8.
In einem Ausführungsbeispiel kann ein Zeitintervall einer gegebenen Störung graphisch auf dem Oszillographen ermittelt werden. Alternativ kann das Zeitintervall durch die Analyse der gestörten Referenzspannungskurve mit einem digitalen Signalprozessor, der an die Leitung 38 angeschlossen ist, ermittelt werden, wobei die Zeit ermittelt wird, die dem Punkt auf der Bahn entspricht, auf der die Störung erfolgt.
Im bevorzugtesten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) wird das Zeitintervall, d. h. der Moment, in dem das Referenzsignal gestört wird, durch Verwendung eines Aufbaus ermittelt, der den Impulsgenerator 24, den Impulsformer und -verstärker 36 wie auch den Zähler 40 umfaßt. Wie aus obiger Erörterung hervorgeht, berücksichtigt die Verwendung dieser Anordnung die Korrelation der Reflexionsverzögerungen mit speziellen Computerfunktionen. In dem Aufbau gemäß Fig. 1 wird dem Impulsgenerator 24 vom Zähler 40 über Leitung 41 signalisiert, den Impuls 46 (Fig. 3) auf die Signalleitung 14 zu geben. Der übertragene Impuls 46 wird am Koppler 37 abgetastet, wo ein Teil des Impulses 46 zum Impulsformer und -verstärker 36 übertragen wird, und der andere Teil des Impulses 46 wird entlang der Signalleitung 14 übertragen. Der Impulsformer und -verstärker 36 wird dazu benutzt, um den reflektierten Signalimpuls 48 nötigenfalls zu verstärken, wodurch dessen Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
In Fig. 10 werden eine Implementierung des Impulsverstärkers und -formers 36 wie auch des torgesteuerten Schwingungszählers 40 gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 10 sind ein Abtastgatter 70, ein Analog-Digital-Wandler (analog-to-digital converter, ADC) 72 und ein Speicherbereich 74 mit der Leitung 14 und einer Zeitbasis 76 verbunden. Die Zeitbasis 76 kann durch einen Taktgeber auf einem Chip dargestellt werden, und der Impulsverstärker und -former 36 dient als Abtastgatter. Das Abtastgatter 70 kann mit einem Operationsverstärker und einem Schmitt-Trigger implementiert werden, während der ADC 72 aus konventionellen Komponenten aufgebaut werden kann. Der torgesteuerte Schwingungszähler 40 wird aus dem ADC 72 und dem Speicherbereich 74 aufgebaut. Es ist ersichtlich, daß die Zeitbasis als virtueller "Herzschlag" für den Impulsverstarker und -former 36 wie auch den torgesteuerten Schwingungszähler 40 dient.
In Fig. 11 wird der oben erörterte steil ansteigende Zeitimpuls 46 für die impedanzangepaßte Signalleitung 14 in einem gestörten Zustand gezeigt. Das heißt, der Referenzimpuls 46 wird von einer Fingerspitze mit RCL-Eigenschaften gestört, so daß der Referenzimpuls und der reflektierte Impuls zusammen ein Meßsignal mit einem Schwingungsanteil bilden. Der Schwingungsanteil des Meßsignals gibt den Einfluß der Fingerspitze wieder. Fig. 12 zeigt die Kurve von Fig. 11 in Form von Amplitudenabtastwerten, wie sie das Abtastgatter 70 ausgibt. Die Amplitudenabtastwerte von Fig. 12 werden vom ADC 72 verarbeitet, dessen Blockstruktur in Fig. 13 gezeigt wird.
Fig. 14 zeigt eine Darstellung der Amplitudenabtastwerte in digitalisierter Form, wie sie der ADC 72 ausgibt. Das Zählen der digitalisierten Amplitudenabtastwerte wird im Speicherbereich 74 durchgeführt, dessen interner Aufbau in Fig. 15 dargestellt wird. Der Ringzähler 78 in Fig. 15 ist eine "Serien"-Komponente, und die Gatter 80 sind in einem Beispiel Kaskadenflipflops 82. Der Speicherunterbereich 82 des Speicherbereichs 72 ist aus konventionellen Komponenten aufgebaut.
Während des Betriebs werden die digitalisierten Impulse von Fig. 14 während vorgegebener Zeitintervalle tD gezählt, die bei der Zacke beginnen, die den Anfangszeitpunkt des Anstiegs der Kurve von Fig. 12 darstellt. Für jedes gezählte Intervall wird ein Intervallzählwert NINT ermittelt, und wenn die Zählung sequentiell von einem Gatter zum nächsten fortschreitet, wird eine Summe oder Gesamtzahl NGES erzeugt. NGES wird beim Voranschreiten des Prozesses an jedem Gatter tabelliert. Der Zählprozeß wird so lange fortgesetzt, bis sich der Intervallzählwert NINT von einem vorgegebenen Intervallzählwert NVORGABE unterscheidet oder bis ein festgelegter Wert von NGES erreicht ist. Wenn der vorgegebene Wert für NGES erreicht ist, beginnt der Zählprozeß von neuem. Wenn sich NINT in einem beliebigen Zeitintervall von NVORGABE um einen vorgegebenen Grenzwert, d. h. eGRENZ unterscheidet, wird der Zählprozeß angehalten und NGES, d. h. der Zählwert, der dem für ein Programm erkennbaren Zählwert entspricht, wird im Speicher abgelegt, damit ihn der E/A-Teil eines Computers oder dergleichen benutzen kann.
Ein Beispiel für die Arbeitsweise läßt sich anhand von Fig. 14 begreifen. In jedem Intervall tD ist der Intervallzählwert NINT drei, solange die Größe des Impulses amAbtastgatter (Fig. 10) gleich E&sub0; ist, d. h. gleich der Größe des Impulses 46. Wenn E&sub0; von der Gräße der reflektierten Welle ER überlagert wird, wächst der Intervallzählwert um eGRENZ auf vier. Sobald sich der Wert von NINT von NVORGABE um eGRENZ unterscheidet, wird der Zähler 40 ausgeschaltet, und die Summe bzw. der von einem Programm erkennbare Zählwert, d. h. NCES, wird bis zu diesem Moment tabelliert. Der von einem Programm erkennbare Zählwert wird dann zur Erzeugung von E/A-Daten für einen Computer verwendet. Wie deutlich geworden sein dürfte, sind die im obigen Beispiel für die Intervallzählwerte gewählten Werte willkürlich und können im wirklichen Betrieb deutlich anders sein.
In Fig. 16 ist ein Netz, daß einen großen Teil der oben erörterten Schaltung enthält, durch die Bezugsnummer 86 gekennzeichnet. Das Netz 86 umfaßt eine Abtastschaltung 88, eine Zählerschaltung 90 und eine E/A-Schnittstellenschaltung 92. Die Abtastschaltung 88 umfaßt den Koppler 37, der mit der Leitung 14 verbunden ist, sowie einen Trigger 94 und den Impulsgenerator 24.
Die Zählerschaltung 90 umfaßt einen Zeitablenkgenerator, ein Abtastgatter und eine "Schaltung 96 zur Umwandlung des Zeitintervalls in einen Abstand", die alle zusammenarbeiten, um die Funktionen des Impulsverstärkers und -formers 36 wie auch des torgesteuerten Schwingungszählers 40 zur Verfügung zu stellen. Um die Äquivalenz der Schaltung 90 und der Implementierung von Fig. 10 deutlich zu machen, sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugsziffern versehen.
Die Schaltung 96 erzeugt einen für ein Programm erkennbaren Zählwert, der dem Zeitintervall entspricht, in dem die Leitung 14 von einer Fingerspitze berührt wird. Die Schaltung 96 verwendet die folgende Gleichung, um den für ein Programm erkennbaren Zählwert in eine Länge L umzuwandeln, die den Abstand vom Anfangspunkt der Leitung 14 zu dem Punkt darstellt, an dem die Leitung 14 von der Fingerspitze berührt wird:
L = [(c)(t)]/[2,0(&epsi;R)½]
wobei:
c Vakuumlichtgeschwindigkeit
t = Zeit (zwischen Ausgangsimpuls und reflektiertem Impuls)
&epsi;R = relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante)
Die Schaltung 96 kommuniziert mit der E/A-Schnittstellenschaltung 92, um den Abstandsparameter in geeignete E/A-Daten für die Benutzung durch einen Computer umzuwandeln. Es sollte beachtet werden, daß es nicht notwendig ist, diese Daten in Koordinatenform zu bringen, um E/A-Daten zu erzeugen. Dies steht in direktem Gegensatz zu Ausführungsbeispielen gemäß dem Stand der Technik, bei denen für mehrere Achsen Daten gesammelt werden müssen.
Die E/A-Schnittstellenschaltung 92 erlaubt es der rechnerseitigen Hardwarelogik und der Programmsoftware, den durch ein Programm erkennbaren Zählwert bzw. den Abstand als E/A-Bedingung zu behandeln. Es sollte beachtet werden, daß ein PC-Steuerungsprogrammblock 97 mit der Cursorposition-Rückmeldelogik 98 zusammenarbeitet, um beim Computer eine Unterbrechung zu bewirken, so daß Impulse auf der Signalleitung 14 übermittelt werden können und die Berührungslokalisierungslogik 100 durch eine Cursorposition-Rückmeldelogik 98 koordiniert werden kann.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf einen außerordentlich einfachen und doch leistungsfähigen berührungsempfindlichen Überzug. Der Überzug kann einfach hergestellt werden und besitzt ein besonders flexibles Design. Darüber hinaus ist die Zahl der Koordinatenpunkte, die auf einem Überzug untergebracht werden können, groß genug, um praktisch jeder bei einer Berührungsbildschirmanordnung gewünschten Ausführung Rechnung zu tragen. Schließlich kann der Überzug mit den gleichen Eigenschaften auf zweidimensionalen Oberflächen und dreidimensionalen Objekten verwendet werden, ohne daß seine Fähigkeit zur Koordinatenbe-Stimmung berührt wird. Vor allen Dingen sollte klar sein, daß, obwohl der Überzug zur Koordinatenbestimmung in mehreren Dimensionen in der Lage ist, er doch nur einen Meßwert verwendet, nämlich die Zeit, um diese Leistung zu vollbringen.

Claims

1. Vorrichtung zur Koordinatenermittlung, die folgendes umfaßt:

eine Signalleitung (14) mit einem ersten Ende (14) und einem zweiten Ende (26), wobei die Signalleitung (14) so aufgebaut ist, daß sie entlang ihrer Länge an durch Abstände getrennten Orten Impedanzänderungen ermöglicht;

Trägermittel (12), um einen Teil der Signalleitung (14) zu tragen;

einen Signalgenerator (24), der funktionsfähig mit dem ersten Ende (22) der Signalleitung (14) verbunden ist, wobei der Signalgenerator (24) ein Meßsignal auf der Signalleitung (14) erzeugt, wobei das Meßsignal während einer Vielzahl von Zeitintervallen eine vorgegebene Charakteristik hat, solange das Meßsignal ungestört ist, wobei die Charakteristik des Meßsignals beim Auftreten einer Störung des Meßsignals in einem der Zeitintervalle von der vorgegebenen Charakteristik um einen Differenzwert abweicht, der größer als eine festgelegte Abweichung ist; und

Verarbeitungsmittel (36, 40), die funktionsfähig mit dem ersten Ende (22) der Signalleitung (14) verbunden sind, um das Zeitintervall zu ermitteln, in welchem das Meßsignal gestört wurde, wobei die Verarbeitungsmittel (36, 40) Korrelationsmittel enthalten, um das Zeitintervall einem der durch einen Abstand getrennten Orte zuzuordnen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Charakteristik des Meßsignals entweder ein Stromwert oder ein Spannungswert ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Signalleitung (14) einen Streifen aus einem leitenden Material enthält und wobei das Trägermittel ein dielektrisches Substrat enthält, auf das das leitende Material aufgebracht ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Streifen aus leitendem Material in einem Serpentinenmuster auf dem dielektrische Substrat (12) angeordnet ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das leitende Material Kupfer ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das leitende Material auf das Substrat geätzt wird.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das dielektrische Substrat ein Kunststoffmaterial ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Kunststoffmaterial ein unpolares Material ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Signalleitung (14) einen Wellenwiderstand hat, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Last (28) umfaßt, die funktionsfahig mit dem zweiten Ende (26) der Signalleitung (14) verbunden ist, wobei die Last (28) eine Impedanz hat und wobei die Impedanz der Last (28) im wesentlichen an den Wellenwiderstand angepaßt ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Wert der Impedanz bei etwa 100 Ohm liegt.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Signalgenerator (24) ein Impulsgenerator ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner Mittel (36) zur Signalformung und -verstärkung enthält, um das Meßsignal zu formen und zu verstärken.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Mittel (36) zur Impulsformung und -verstärkung folgendes einschließen:

einen Operationsverstärker (70) , wobei der Operationsverstärker das Meßsignal verstärkt; und

Formungsschaltung.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Verarbeitungsmittel ferner einen torgesteuerten Schwingungszähler (78) umfassen, wobei der Zähler eine oder mehrere Gruppen von Impulsen während einer Vielzahl von Zeitintervallen zählt, um das Zeitintervall zu ermitteln, in dem das Meßsignal gestört wird.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner folgendes umfaßt:

eine Masseleitung (16) mit einem ersten (32) und zweiten (34) Ende, wobei zumindest eines der beiden Enden (32, 34) geerdet ist; und

wobei ein Hauptteil der Masseleitung (16) von einem Trägermittel (12) getragen wird und wobei der Hauptteil parallel und benachbart zu einem Hauptteil der Signalleitung (14) angeordnet ist.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Masseleitung (16) einen Streifen aus einem leitenden Material einschließt und wobei das Trägermittel ein dielektrisches Substrat (12) einschließt auf dem sich das leitende Material befindet.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, die ferner Mittel zur Verbesserung der Auflösung des Meßsignals enthält.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Mittel zur Verbesserung der Auflösung ein leitendes Segment (49) umfassen, das so ausgelegt ist, daß es gleichzeitig mit einem Punkt auf der Signalleitung (14) und einem Punkt auf der Masseleitung (16) Kontakt hat, und wobei die Signalleitung (14) mit der Masseleitung (16) kurzgeschlossen wird, wenn das leitende Segment (49) mit den Punkten in Kontakt gebracht wird.

19. Verfahren zur Koordinatenbestimmung, das folgende Schritte umfaßt:

Vorsehen einer Signalleitung (14) mit einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (26);

Konfigurieren der Signalleitung (14), um Impedanzänderungen an durch einen Abstand getrennten Orten entlang der Leitung zu ermöglichen;

Erzeugung eines Meßsignals auf der Signalleitung, wobei das Meßsignal während einer Vielzahl von Zeitintervallen eine vorgegebene Charakteristik hat, solange das Meßsignal ungestört ist;

wobei die Charakteristik des Meßsignals beim Auftreten einer Störung des Meßsignals in einem der Zeitintervalle von der vorgegebenen Charakteristik um einen Differenzwert abweicht, der größer als eine festgelegte Abweichung ist;

Ermittlung des Zeitintervalls, in dem das Meßsignal gestört wird; und

Zuordnung des Zeitintervalls zu einem der durch einen Abstand getrennten Orte.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Charakteristik eine Größe ist.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Leitung einen Wellenwiderstand hat und das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt:

funktionsfähige Verbindung einer Last (28) mit dem zweiten Ende (26) der Signalleitung (14); und

Anpassung der Impedanz der Last (28) an den Wellenwiderstand der Signalleitung (14).

22. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt zur Ermittlung des Zeitintervalls das Zählen einer oder mehrerer Gruppen von Impulsen einschließt, bis eines der Meßsignale gestört wird und eine vorgegebene Zeitspanne abgelaufen ist.