Способ ввода координат (варианты), емкостный сенсорный экран (варианты), емкостная сенсорная панель (варианты) и электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)
METHOD OF INPUTTING COORDINATES (VERSIONS), A CAPACITIVE TOUCH SCREEN (VERSIONS), A CAPACITIVE TOUCH PANEL (VERSIONS) AND AN ELECTRIC CAPACITY CONVERTER FOR DETERMINING COORDINATES OF A GEOMETRIC CENTER OF A TWO-DIMENSIONAL AREA (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к сенсорной технике и может найти применение в устройствах, имеющих емкостный сенсорный экран или сенсорную панель, где необходимо вводить в устройство координаты для выбора графических элементов, создания рисунков и вводить команды с помощью жестов. Такими устройствами, в частности, являются некоторые персональные компьютеры, ноутбуки, планшетные компьютеры, промышленные сенсорные панели, электронные книги, спутниковые навигаторы, смартфоны, мобильные телефоны и сенсорные панели бытовой техники.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ приема пользовательского ввода, причем способ содержит: прием ряда карт глубин, формирующих изображение сцены, каждая карта глубин включает в себя множество пикселей, каждый из упомянутого множества пикселей задает глубину поверхности, изображение которой формируется посредством этого пикселя; идентификацию набора нестатичных пикселей, имеющих самую малую глубину, в пределах ряда карт глубин; и отображение позиции набора нестатичных пикселей на позицию курсора. [Патент RU 2644520] Способ относится к бесконтактному пользовательскому вводу. Бесконтактный ввод является вводом (например, указанием пальцем), который не требует физического контакта с экраном. Недостатком способа является то, что позиция курсора, используемого для визуального контроля ввода координат, согласно этому способу формируется путем измерения глубин с помощью камеры глубин, формирования карт глубин состоящих из множества пикселей и анализа множества пикселей карт глубин в вычислительном устройстве, что уменьшает быстродействие устройства ввода координат.
Известен способ управления устройством с помощью жестов и 3D сенсор для его осуществления. Способ управления устройством с помощью жестов, включает подачу жеста пользователем, захват трехмерного изображения, распознавание жеста и выдачу на управляемое устройство соответствующей жесту команды. [Патент RU 2455676 С2] Недостатком способа является сложность его использования для мобильных приложений, т.к. для реализации способа необходима видеокамера, с помощью которой вводят в устройство изображение человека осуществляющего жесты, и вычислительного устройства для анализа этого изображения, для выделения жестов.
Широко известны смартфоны фирмы «Apple». Например, модель «iPhone 8». В модели смартфона используется сенсорный емкостный экран на основе технологии с взаимной емкостью электродов, с электродами в виде матрицы тонких проводников пересекающих друг друга на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины. В смартфоне предусмотрен графический режим для рисования, в котором в области соприкосновения пальца руки с чувствительной поверхностью смартфона формируется изображение точки с координатами, практически совпадающими с координатами геометрического центра двумерной области, при одиночном прикосновении. В случае перемещения пальца руки по поверхности смартфона формируется кривая, которая отслеживает геометрический центр двумерной области. Недостатком данной модели смартфона является использование геометрического центра двумерной области только для ввода координат для одиночного прикосновения в графическом режиме. А также относительно невысокое быстродействие определения геометрического центра, связанное с реализацией вычислений координат геометрического центра с помощью компьютерного алгоритма на основе анализа всех точек двумерной области в микроконтроллере устройства. Дополнительные недостатки - наличие тонкой и непрочной пластины (стекла) для защиты сенсорного экрана от механических повреждений и практическая невозможность реализации бесконтактного ввода координат.
Известен электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами первой и второй измерительных частей. Причем, суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно. Электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты. [Патент РФ RU 2087873 С1 20.08.1997].
Система электродов электроемкостного преобразователя уровня подходит для использования в электроемкостном преобразователе для определения геометрического центра части двумерной области по одной оси.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В 1994 г. разработан электроемкостный преобразователь для измерения уровня с использованием печатных электродов с изменяющейся шириной вдоль направления высоты. В последствии на преобразователь был получен патент РФ RU 2087873 С1. Проведенный анализ показал, что выходной сигнал электроемкостного преобразователя для измерения уровня пропорционален координате геометрического центра по одной оси для двумерной области части плоской фигуры из однородного диэлектрического материала, расположенной на поверхности измерительной области преобразователя. Для варианта электроемкостного преобразователя уровня с изоляцией электродов выходной сигнал пропорционален координате по одной оси геометрического центра части двумерной области соприкосновения, образованной, например, в результате деформации электропроводящего тела при его соприкосновении с измерительной поверхностью преобразователя.
В 2017 г. подана заявка RU 2017140925 на изобретение - электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. Один из вариантов электроемкостного преобразователя, по существу, является использованием электроемкостного преобразователя уровня по другому назначению.
Электроемкостный преобразователь по заявке предназначен для применения в составе устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в соответствии с назначениями вариантов электроемкостного преобразователя. Предлагаемое изобретение, по существу, является применением по конкретному назначению электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области в устройствах, содержащих сенсорный экран или сенсорную панель.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В формуле изобретения и описании приведена группа изобретений. Группа включает в себя варианты способа ввода координат, соответствующие варианты емкостного сенсорного экрана и сенсорной панели, с использованием которых реализован способ, и варианты электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, на основе которого выполнены сенсорный экран и сенсорная панель.
Сущность изобретения связана с использованием электроемкосного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области в сенсорных экранах и в сенсорных панелях, а также в устройствах содержащих сенсорный экран или сенсорную панель, для цели ввода координат с помощью пальцев рук или стилуса.
В изобретении предусмотрен бесконтактный ввод координат с помощью приближений, а также ввод координат с помощью прикосновений пальцев рук или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели или сенсорного экрана. В этих случаях при приближении или прикосновении на поверхности измерительной области образуется двумерная область приближения или прикосновения. Способ ввода координат заключается в использовании координат геометрического центра двумерной области, в качестве координат места приближения или прикосновения пальца руки к поверхности измерительной области.
При этом электроемкостный преобразователь, а также, соответственно, сенсорный экрана или сенсорная панель, реализуют функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей, образованных пальцами рук или стилусом при приближении и прикосновении.
Область применения изобретения - в устройствах содержащих емкостный сенсорный экран или сенсорную панель. Такими устройствами, в частности, являются некоторые персональные компьютеры, ноутбуки, планшетные компьютеры, промышленные сенсорные панели, электронные книги, спутниковые навигаторы, смартфоны, мобильные телефоны и панели управления бытовой техники.
В изобретении предусмотрена реализация ввода координат мест приближений и прикосновений для работы с графическими приложениями, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд с помощью жестом. При этом в устройствах предусмотрено использование координат геометрического центра двумерной области во всех основных функциях в указанных приложениях, а также для реализации других функций сенсорных устройств.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности ввода координат и обеспечения стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Дополнительный технический результат - повышение быстродействия, снижение электропотребления, повышение помехоустойчивости, увеличение прочности сенсорного экрана и сенсорной панели и снижение стоимости.
Термин «сенсорный», который использован в описании и формуле изобретения, в соответствии с толковым словарем Ефремовой, означает «связанный с устройствами, основанными на повышенной чувствительности к внешнему воздействию». В рамках изобретения используют сенсорное устройство, которое можно отнести к классу емкостных сенсорных панелей. В соответствии с изобретением емкостная сенсорная панель характеризуется тем, что имеет повышенную чувствительность к приближению и к прикосновению к чувствительной поверхности панели пальцев руки или стилуса.
Емкостная сенсорная панель имеет два основных варианта. В первом варианте диэлектрическая пластина и электроды электроемкостного преобразователя сенсорной панели выполнены практически прозрачными. Этот вариант может использоваться в качестве сенсорного экрана, установленного на поверхность дисплея, на которую выведено изображение. При этом через диэлектрическую пластину и электроды видно изображение, которое выведено на дисплей. Сенсорную панель, выполненную по этому варианту, называют «сенсорным экраном». Устройство, в котором используется сенсорная панель такого типа, дополнительно называют «сенсорным дисплеем», «сенсорным столом», «сенсорной доской» и другими терминами, в зависимости от названия конечного устройства.
Во втором варианте, сенсорная панель выполнена отдельно от дисплея. В компьютерной системе, например в ноутбуке, такую сенсорную панель обычно используют для управления курсором, который выведен на дисплей. Сенсорная панель в этом варианте также содержит электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области и наследует все его свойства. Обеспечение прозрачности для этой панели не является обязательным.
В данном изобретении для обозначения емкостной сенсорной панели, которая устанавливается на поверхность дисплея или интегрирована с дисплеем, использовано название «емкостный сенсорный экран». Для варианта с отдельной от дисплея сенсорной панелью - «емкостная сенсорная панель». Также использованы более короткие названия «сенсорный экран» и «сенсорная панель». Названия выбраны в связи необходимостью терминологической совместимости с широко известными устройствами.
Сущность изобретения подробно рассмотрена на примере сенсорного экрана. Для сенсорной панели в описании изобретения приведены отличительные особенности способа ввода координат и особенности конструкции.
Известен способ ввода координат места прикосновения стилуса для графических приложений. Способ заключается в использовании сенсорного экрана резистивного типа, характеризующегося расположенными на краях экрана датчиками тока. Для ввода координат используют стилус из проводящего материала, имеющий относительно небольшую площадь поверхности кончика стилуса, который при соприкосновении с чувствительной поверхностью экрана замыкает электрическую цепь. При этом в качестве координат места прикосновения используют координаты точки прикосновения стилуса с поверхностью экрана. Такой экран имеет высокую точность определения координат точки прикосновения. Недостаток связан со сложностью реализации ввода координат для нескольких одновременных прикосновений.
Известен способ ввода координат мест прикосновений для цели выбора объектов, заключающийся в следующем. С помощью дисплея выводят изображения объектов, которые можно выбрать. Объекты характеризуются заданными с помощью компьютерной программы границами и соответствующими графическими изображениями на экране. Для выбора объекта осуществляют приближение пальца руки или стилуса к чувствительной поверхности сенсорного экрана с надавливанием подушечкой пальца или стилуса на поверхность сенсорного экрана в области изображения объекта. Подушечка пальца или стилус деформируется и образует двумерную область соприкосновения. В области прикосновения изменяется электрическая емкость электродов. Затем измеряют электрическую емкость электродов и на основе измерений определяют положение мест прикосновений и выбранный объект.
Известны два типа емкостных сенсорных экранов и панелей, которые можно использовать для графических приложений, для выбора объектов и ввода команд с помощью жестов. В емкостных сенсорных экранах и панелях первого типа положение места прикосновения определяют на основе измерения взаимной емкости электродов. Такие экраны и панели называются экранами и панелями на основе технологии с взаимной емкостью. В сенсорных экранах и панелях другого типа осуществляют непосредственное измерение электрической емкости электродов. Эти сенсорные экраны и панели называются экранами и панелями с собственной емкостью электродов.
Широко известны сенсорные экраны с взаимной емкостью электродов, электроды в которых расположены на двух слоях диэлектрической пластины в виде двух множеств пересекающихся электродов небольшой ширины. Принцип действия экранов основан на измерении взаимной емкости пересекающихся электродов. В этом случае прикасающийся к экрану палец руки или стилус шунтирует электроды и уменьшает их взаимную емкость. Такие сенсорные экраны, в частности, использованы в смартфонах и планшетах фирмы «Apple». Сенсорные экраны характеризуются возможностью выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, путем множественных одновременных прикосновений пальцев рук. Экраны с взаимной емкостью электродов имеют высокую разрешающую способность. В графическом режиме смартфоны и планшеты фирмы «Apple» в состоянии определить координаты геометрического центра двумерной области соприкосновения для одиночного прикосновения, на основе расчета этих координат в микроконтроллере устройства, с применением соответствующего алгоритма, на основе данных по координатам множества точек двумерной области соприкосновения.
Емкостные сенсорные экраны и сенсорные панели с взаимной емкостью электродов имеют следующие недостатки. Экраны и панели характеризуются низкой чувствительностью, которая объясняется тем, что при определении взаимной емкости электродов электрическое поле распространяется вблизи поверхности между электродами. В связи с чем, для этих экранов и панелей невозможно использовать толстую и прочную защитную диэлектрическую пластину, например из стекла. Также, нельзя выполнять выбор объектов пальцами рук в перчатках. Дополнительно, экраны и панели с взаимной емкостью характеризуются относительно низким быстродействием, которое связано с использованием последовательного сканирования электродов и с расчетом координат центров мест прикосновений на основе координат множества точек с помощью компьютерного алгоритма. Недостаточное быстродействие и плохая чувствительность ограничивают функциональные возможности сенсорного экрана или панели и, соответственно, ухудшают эксплуатационные характеристики.
В сенсорных экранах и панелях с собственной емкостью электродов электрическое поле направлено от электродов к пальцу руки или стилусу, в результате сенсорные экраны и панели обладают высокой чувствительностью. В связи с тем, что измерение емкостей электродов осуществляется за один такт работы сенсорного экрана или панели по всей чувствительной поверхности без сканирования электродов, сенсорные экраны и панели этого типа имеют относительно высокое быстродействие. Недостатком является ограничение на распознавание нескольких одновременных прикосновений при расположении электродов в виде матрицы с взаимным пересечением электродов. В варианте, в котором электроды выполнены по отдельности (не в виде матрицы пересекающихся электродов), сенсорный экран или панель имеют относительно большое количество электрических выводов, что затрудняет их подключение к микроконтроллеру.
В данном изобретении использованы емкостный сенсорный экран и емкостная сенсорная панель, которые относятся к сенсорным устройствам с непосредственной емкостью электродов, выполненных на основе электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. Сенсорный экран и панель позволяют реализовать варианты способа ввода координат для графических приложений, выбора объектов которые выведены на дисплей и для ввода команд с помощью жестов, основываясь на свойствах электроемкостного преобразователя.
1. Способ ввода координат для емкостного сенсорного экрана и емкостной сенсорной панели
Сущность способа ввода координат раскрыта для нескольких вариантов способа.
1.1 Способ ввода координат мест одиночных прикосновений пальца руки или стилуса для емкостного сенсорного экрана
Способ соответствует п. 1 формулы изобретения. На фиг. 1 и фиг. 2 показан смартфон, с использованием которого реализован способ. Способ предназначен для ввода координат мест прикосновений пальца или стилуса к поверхности сенсорного экрана для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при одиночных прикосновениях. Способ характеризуется следующими признаками изобретения.
Способ ввода координат мест прикосновений для емкостного сенсорного экрана, содержащего электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды. Причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой измерительной части электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных частей. Способ заключается в том, что в качестве координат места прикосновения используют координаты геометрического центра двумерной области, образованной прикосновением пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
На фиг. 1 и фиг. 2 показан смартфон 101, в котором реализован способ. Смартфон содержит сенсорный экран, который расположен поверх LCD дисплея смартфона. Сенсорный экран выполнен на основе электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. На фиг. 1 показан палец руки 105, который прикасается к поверхности измерительной области 110, при этом в области соприкосновения образуется двумерная область соприкосновения 106. Изображение смартфона на фиг. 1 и фиг. 2 также применимо для пояснения варианта способа под номером 1.2.
Способ имеет следующие особенности для ввода координат для цели выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. При реализации способа сначала визуально определяют объект, например букву 103 на сенсорной клавиатуре 104 и место соприкосновения пальца или стилуса с поверхностью измерительной области 110 электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, затем выполняют движение руки и пальца 105 руки с тем, чтобы совместить условный центр подушечки пальца с условным центром изображения объекта 103. При соприкосновении подушечки пальца или стилуса с поверхностью электроемкостного преобразователя сенсорного экрана в области соприкосновения образуется двумерная область 106 прикосновения. Далее, с помощью электроемкостного преобразователя экрана определяют координаты геометрического центра 107 двумерной области 106 соприкосновения, затем сопоставляют положение координат геометрического центра с границами области объекта. Если точка с координатами геометрического центра попадает в границы области объекта, фиксируют наличие выбора объекта и вводят код выбранного объекта в компьютерную программу устройства.
В случае ввода координат мест прикосновений пальца руки или стилуса для графических приложений, например, при создании рисунка при помощи смартфона или планшета, в процессе создания рисунка сначала визуально определяют место соприкосновения пальца руки или стилуса с поверхностью измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, которая в данном случае является графическим полем рисунка. Затем выполняют соответствующее движение руки, обеспечивающее прикосновение к поверхности пальца или стилуса, чтобы обозначить координаты начальной точки фрагмента рисунка. При соприкосновении подушечки пальца или стилуса с поверхностью электромкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области сенсорного экрана, в области прикосновения образуется двумерная область прикосновения. Затем путем перемещения по поверхности пальца или стилуса рисуют непрерывную часть графического фрагмента рисунка. При этом электроемкостный преобразователь формирует сигнал, который отслеживает координаты геометрического центра двумерной области прикосновения, которая перемещается вслед за пальцем или стилусом и непрерывно вводит эти координаты в устройство, например в планшет, для дальнейшей обработки. Устройство также непрерывно выводит координаты на дисплей в виде изображения нарисованного фрагмента рисунка. В итоге, результат ввода координат запоминают в памяти устройства и подтверждают соответствующим графическим изображением на дисплее.
Технический результат, заключающийся в повышении точности ввода координат и обеспечении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, достигается тем, что в качестве координат мест прикосновений используют координаты геометрического центра двумерной области прикосновения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
Особенностью способа является использование для реализации способа емкостного сенсорного экрана, который содержит электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена в описании соответствующего емкостного сенсорного экрана и в описании вариантов электроемкостного преобразователя.
1.2 Способ ввода координат мест множественных прикосновений пальцев рук или стилуса для емкостного сенсорного экрана
Способ ввода координат для емкостного сенсорного экрана соответствует п. 2 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат мест прикосновений пальцев рук или стилуса к поверхности сенсорного экрана для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд с помощью жестов при множественных одновременных прикосновениях. Способ характеризуется следующими признаками изобретения.
Способ ввода координат мест прикосновений для емкостного сенсорного экрана, содержащего электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных областей с измерительными электродами. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической пластине в границе соответствующей измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой измерительной части электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом, реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей. Способ ввода координат заключается в том, что в качестве координат мест прикосновений используют координаты геометрических центров двумерных областей, образованных прикосновениями пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
Способ ввода координат для множественных прикосновений отличается от способа ввода координат для одиночных прикосновений тем, что электроемкостный преобразователь сенсорного экрана содержит множество измерительных областей с измерительными электродами, форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области электроемкостного преобразователя.
Применение для реализации способа электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей позволяет реализовать ввод координат геометрических центров двумерных областей для множества одновременных прикосновений с разделением этих координат для каждой двумерной области. Такое разделения становится возможным за счет использования множества измерительных областей. Способ разделения координат приведен в описании варианта 4.2 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
Технический результат варианта способа - повышение точности ввода координат и обеспечение стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, достигается тем, что в качестве координат мест прикосновений используют координаты геометрических центров двумерных областей соприкосновений пальцев руки или стилуса с общей измерительной областью электроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
Технический результат для вариантов способа связан со следующим.
В физике и математике геометрический центр дискретного множества точек эвклидова пространства это точка, в которой минимизируются сумма расстояний до точек множеств. Геометрический центр является средним арифметическим положений всех точек фигуры. Для плоской фигуры, выполненной из однородного материала, линии, проходящие через геометрический центр, будут осями равновесия фигуры. При этом точка геометрического центра будет точкой равновесия всей фигуры или центром тяжести фигуры. Геометрический центр эквивариантен для эвклидового подобия, параллельного переноса и поворота. Это означает, что получится один и тот же результат, если найти образ центра при преобразовании, либо, применив то же преобразование ко всем точкам выборки, а затем уже найдя геометрический центр. Это свойство вытекает из факта, что геометрический центр определяется лишь исходя из попарных расстояний и не зависит от системы ортогональных декартовых координат. [https://ru.wikipedia.org/wiki/Геометрический_центр]
Для сенсорного экрана это означает, что координаты геометрического центра двумерной области не изменятся в случае пропорционального увеличения двумерной области, например, в результате увеличения силы нажатия пальца на поверхность сенсорного экрана. Также, координаты геометрического центра не изменятся в случае поворота двумерной области, например, при выборе объекта на экране с разворотом экрана смартфона, в том числе, когда форма двумерной области отличается от формы круга. В случае смещения двумерной области ее геометрический центр сместится, как и остальные точки двумерной области. В итоге, для соматосенсорной системы человека результаты опытов по выбору изображений объектов путем прикосновения пальца к сенсорному экрану становятся в высокой степени прогнозируемыми, что упрощает адаптацию и, соответственно, повышает точность и стабильность выбора объектов.
Анализ конструкции электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, который использован в составе сенсорного экрана показал, что принцип ее действия близок принципу действия сенсорной системы кожи человека.
Известно, что сенсорная система кожи человека выполнена на основе рецептивных полей. Рецептивное поле кожи состоит из множества рецепторов, которые реагируют на какой-либо конкретный стимул, например на давление на кожу. Рецепторы каждого рецептивного поля соединены с помощью афферентного волокна и его отростков с первичным афферентным нейроном. При этом многие из этих нейронов возбуждаются стимулами в центре рецептивного поля, но тормозятся стимулами, попадающими в его периферическую зону, размеры и форма которой у разных нейронов неодинаковы. Это торможение - результат соединений первичных афферентов с интернейронами, образующими тормозные синапсы на вторичных нейронах. Поскольку торможение направлено «вбок» и осуществляется нейронами того же сенсорного пути, где происходит и возбуждение, оно называется латеральным (боковым). [Физиология человека, в 3-х томах, т. 1, перевод с англ. / под редакцией Р. Шмидта и Г, Тевса - М, Мир 1996 - 323 с.]
Система электродов электроемкостного преобразователя и сенсорная система кожи человека имеют функционально похожие элементы и работают на схожих принципах. Измерительная часть измерительной области являются функциональным аналогом рецептивного поля. Рецептивное поле включает в себя множество рецепторов, которые соединены с аффрентным волокном афферентного нейрона. Измерительная часть электроемкостного преобразователя состоит из множества электродов, которые соединены между собой и подключены к соответствующему электрическому выводу. В сенсорной системе кожи отдельные рецептивные поля частично перекрывают друг друга. В электроемкостном преобразователе электроды измерительных частей расположены с перекрытием. Принцип действия при определении координат места соприкосновения в сенсорной системе кожи основан на сопоставлении сумм сигналов от рецепторов рецептивных полей, которые расположены с перекрытием и имеют отличающиеся поверхности профиля чувствительности. В случае электроемкостного преобразователя, принцип действия также основан на сопоставлении сумм сигналов от электродов измерительных частей (нахождении относительных разностей сигналов на выводах измерительных частей), которые расположены с перекрытием и имеют отличающиеся поверхности профиля чувствительности. Отличие заключается в том, что за счет обратных связей с соседними афферентными нейронами (за счет бокового торможения), поверхность профиля чувствительности отдельного рецептивного поля может динамически меняться. В связи с чем, одно и то же рецептивное поле с разделением по времени способно генерировать сигналы, которые эквивалентны сигналам нескольких рецептивных полей с разными профилями чувствительности. Поэтому одно и то же рецептивное поле может соответствовать нескольким измерительным частям электроемкостного преобразователя.
Близость принципа действия позволяет считать, что соматосенсорная система кожи человека определяет центральную точку двумерной области соприкосновения как точку геометрического центра двумерной области. Этот фактор, потенциально, также может способствовать увеличению точности ввода координат и повышению стабильности выбора объектов. В этом случае для достижения высокой точности могут быть в полной мере задействованы тактильные ощущения пальца руки при соприкосновении. При этом положение геометрического центра области соприкосновения совпадает с естественным ощущением этого центра у человека.
Востребованность повышения точности и стабильности при выборе объектов на сенсорном экране можно проиллюстрировать на примере ввода букв с использованием сенсорной клавиатуры смартфона. В связи с тем, что размер двумерной области соприкосновения, при полноценном нажатии пальца 105 на чувствительную поверхность смартфона как показано на фиг. 1 и фиг. 2, обычно больше размера областей букв, двумерная область 106 может покрыть одновременно несколько изображений соседних букв. При этом, в случае соприкосновения, палец закрывает вид на эти буквы. Отсутствие вида на буквы в некоторых сенсорных экранах приводит к неоднозначному и нестабильному их выбору. На практике, при работе с сенсорной клавиатурой смартфона пользователи эту проблему решают тем, что стараются уменьшить размер двумерной области соприкосновения за счет уменьшения силы нажатия пальца на чувствительную поверхность смартфона. Иногда, для прикосновения используют часть подушечки пальца, которая расположена на кончике пальца, или сбоку пальца (при наличии длинных ногтей), размеры которой минимальны. В этих случаях, прикосновение пальца к чувствительной поверхности смартфона плохо ощущается, а также затрудняется координация движений, особенно при прикосновении сбоку. Для реализации обратной связи вместо тактильных ощущений соприкосновения разработчики смартфонов используют вибрацию смартфона в момент прикосновения или звуковой сигнал. В случае отсутствия вибрации или звукового сигнала такие прикосновения требуют хорошей координации движений, т.к. палец необходимо с высокой точностью остановить вблизи поверхности экрана. В тоже время, высокая точность координации движений характерна не для всех людей, особенно пожилого возраста. Для более устойчивого ввода текста в алгоритме микроконтроллера смартфона применяют дополнительные методы. Для исключения «дребезга» при вводе букв используют гистерезис, который выражается в том, что граница области объекта расширяется. Такое расширение зачастую приводит к преимущественному выбору буквы, которая была выбрана ранее. Дополнительно используют алгоритм предугадывания букв и слов, который, также затрудняет произвольный ввод. В результате, процесс ввода букв становится плохо прогнозируемым, что затрудняет адаптацию соматосенсорной системы человека к процессу ввода.
В описанных вариантах способа ввода координат задача повышения стабильности выбора объектов решается за счет использования геометрического центра двумерной области и его свойств, а также за счет использования обратной связи на основе тактильных ощущений от соприкосновения. Эти факторы позволяют повысить степень прогнозируемости результатов соприкосновений. При этом упрощается адаптация соматосенсорной системы человека, что позволяет повысить стабильность в выборе объектов.
1.3 Способ бесконтактного ввода координат мест приближений пальца руки или стилуса для емкостного сенсорного экрана
Способ бесконтактного ввода координат мест приближений для емкостного сенсорного экрана соответствует п. 3 формулы изобретения. На фиг. 3 и фиг. 4 показан смартфон, используемый для реализации способа. Способ предназначен для ввода координат мест приближений пальца руки или стилуса к поверхности сенсорного экрана для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при одиночных приближениях. Способ характеризуется следующими признаками изобретения.
Способ бесконтактного ввода координат мест приближений для емкостного сенсорного экрана, содержащего электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды. Причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных частей.
Способ заключается в том, что в качестве координат места приближения используют координаты геометрического центра двумерной области, образованной на поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана в результате приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области, при этом для ввода координат реализуют следующие действия:
- на дисплее сенсорного экрана выбирают место ввода координат;
- приближают подушечку пальца руки или конец стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, при этом в ближайших к пальцу или стилусу точках на этой поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область приближения;
- с помощью электроемкостного преобразователя сенсорного экрана определяют координаты геометрического центра двумерной области приближения;
- выводят на дисплей курсор, координаты которого связаны с координатами геометрического центра двумерной области;
- путем перемещения пальца руки или стилуса перемещают курсор на позицию с лучшим совмещением курсора с заданными координатами;
- вводят в устройство координаты курсора с помощью соответствующей команды.
На фиг. 3 и фиг. 4 показан смартфон 101, в котором реализован способ. Смартфон содержит сенсорный экран, который расположен поверх LCD дисплея смартфона. Сенсорный экран выполнен на основе электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. Поверхность измерительной области электроемкостного преобразователя образует чувствительную поверхность смартфона. На фиг. 3 показан палец руки, который приближен к поверхности измерительной области 110. В случае приближения пальца руки 105, на поверхности измерительной области 110 в области сгущения силовых электрических линий 113 образуется двумерная область приближения 112. На фигурах дополнительно показаны изолинии 115 одинакового сгущения силовых электрических линии, и участки 116 измерительной области, для пояснения принципа действия сенсорного экрана. Изображение смартфона на фиг. 3 и фиг. 4 также применимо для пояснения варианта способа под номером 1.4
В случае применения способа для ввода координат для цели выбора объекта, изображение которого выведено на дисплей, сначала визуально определяют объект и место приближения пальца 105 или стилуса к поверхности 110 измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, затем выполняют приближение пальца руки или стилуса к месту ввода координат, таким образом, чтобы курсор 111, который связан с координатами геометрического центра 114 двумерной области 112, при сближении разместился в границах области изображения объекта 113. Далее отдают команду ввода координат объекта, например, путем быстрого приближения пальца 105 руки к поверхности сенсорного экрана 110. Если курсор 111, попадает в границы области объекта 113, фиксируют наличие выбора объекта и вводят код выбранного объекта в компьютерную программу устройства.
Рисунок может быть создан с использованием фрагментов, которые образованы кривой линией имеющей разную толщину, цвет и фактуру и другие особенности, которые, например, могут имитировать карандаш или художественную кисть. В этих случаях в устройство необходимо вводить координаты кривой произвольной формы. Ввод координат кривой с использованием способа осуществляют путем ввода соответствующей команды, например, путем быстрого приближения пальца руки или стилуса к поверхности сенсорного экрана. При этом на дисплее возникает изображение соответствующего курсора в начальной точке изображения рисунка. Далее, перемещают палец или стилус таким образом, чтобы нарисовать кривую фрагмента рисунка. При этом электроемкостный преобразователь формирует сигнал, который отслеживает координаты геометрического центра двумерной области приближения, которая перемещается вслед за пальцем или стилусом и непрерывно вводит эти координаты в устройство для дальнейшей обработки. Устройство также непрерывно выводит координаты на дисплей в виде движения курсора с выводом изображения нарисованного фрагмента рисунка. По завершении рисования фрагмента вводят соответствующую команду завершения рисования.
Технический результат, заключающийся в повышении точности ввода координат и обеспечении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, достигается тем, что в качестве координат места приближения используют координаты геометрического центра двумерной области, образованной на поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, в результате приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области.
1.4 Способ бесконтактного ввода координат мест множественных приближений пальцев рук для емкостного сенсорного экрана
Способ бесконтактного ввода координат мест для емкостного сенсорного экрана соответствует п. 4 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат множественных приближений пальцев рук или стилуса к поверхности сенсорного экрана для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при множественных приближениях.
Способ бесконтактного ввода координат характеризуется следующими признаками изобретения.
Способ бесконтактного ввода координат мест приближений для емкостного сенсорного экрана, содержащего электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных областей с измерительными электродами. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической пластине в границе соответствующей измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей.
Способ заключается в том, что в качестве координат мест приближений используют координаты геометрических центров двумерных областей, образованных на поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана в результате приближений пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области, при этом для ввода координат реализуют следующие действия:
- на дисплее сенсорного экрана выбирают место ввода координат;
- приближают подушечку пальца руки или конец стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, при этом в ближайших к пальцу или стилусу точках на этой поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область приближения;
- с помощью электроемкостного преобразователя сенсорного экрана определяют координаты геометрического центра двумерной области приближения;
- выводят на дисплей курсор, координаты которого связаны с координатами геометрического центра двумерной области;
- путем перемещения пальца руки или стилуса перемещают курсор на позицию с лучшим совмещением курсора с заданными координатами;
- вводят в устройство координаты курсора с помощью соответствующей команды;
- для одновременного ввода координат нескольких мест приближений описанные действия для ввода координат выполняют одновременно с использованием нескольких пальцев рук, при этом на дисплей выводят заданный набор курсоров, которые связаны с разными пальцами рук.
Способ ввода координат для множественных приближений отличается от способа ввода координат для одиночного приближения тем, что электроемкостный преобразователь сенсорного экрана содержит множество измерительных областей с измерительными электродами, форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области электроемкосного преобразователя.
Применение для реализации способа электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей позволяет реализовать ввод координат геометрических центров двумерных областей для множества одновременных приближений с разделением этих координат для каждой двумерной области. Такое разделения становится возможным за счет использования множества измерительных областей. Способ разделения координат приведен в описании варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
Технический результат, заключающийся в повышении точности ввода координат и обеспечении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, достигается тем, что в качестве координат мест приближений используют координаты геометрических центров нескольких двумерных областей, образованных на поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, в результате приближения пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области, за счет свойств геометрического центра.
Главной особенностью вариантов способа является бесконтактное определение координат геометрического центра двумерной области.
Как показано на фиг. 3 и фиг. 4 ввод координат бесконтактным способом осуществляют путем приближения пальца 105 руки или стилуса к поверхности измерительной области 110 электроемкостного преобразователя сенсорного экрана смартфона. Место ввода координат сопровождается курсором 111 и не затеняется пальцем руки или стилусом, т.к. палец или курсор удален на некоторое расстояние от поверхности измерительной области 110 сенсорного экрана. В результате упрощается рисование мелких фрагментов рисунка пальцем руки или стилусом, размеры которых меньше размеров пальца или стилуса. При этом для уменьшения возможного затенения, курсор 111 может быть выведен на заданном расстоянии вдоль плоскости поверхности измерительной области 110 электроемкосного преобразователя сенсорного экрана от геометрического центра 114 двумерной области приближения.
В случае ввода координат для выбора объектов, которые выведены на дисплей, с использованием сенсорного экрана имеется возможность осуществлять выбор объектов, например изображения 113 автомобиля на дисплее смартфона, с учетом корректировки движения пальца руки на основе визуальной обратной связи по положению курсора 111. В одном из вариантов, выбор объектов может быть реализован без отключения курсора, путем перетаскивания курсора с объекта на объект и ввода команд выбора объектов.
С использованием способа бесконтактного ввода координат наличие длинных ногтей не мешает выбору объектов на сенсорной клавиатуре, т.к. палец руки может находиться на удалении от поверхности сенсорного экрана. При этом наличие ногтей практически не изменяет координаты геометрического центра двумерной области приближения, т.к. ногти практически не вносят искажения в электрическое поле пальцев.
С использованием способа бесконтактного ввода координат расширяются возможности ввода команд с помощью жестов. Для реализации жестов появляется возможность использовать третью координату. Дополнительно возможны команды с использованием измерения скорости и ускорения движения пальцев при приближении или удалении. Например, становятся доступны команды манипулирования трехмерными объектами с помощью пальцев рук, путем поворота в трех плоскостях кисти руки с приближенными к сенсорному экрану пальцами руки.
Положительным свойством бесконтактного ввода координат является увеличение скорости ввода координат и ввода команд. Увеличение скорости ввода связано с возможностью одновременного ввода координат и команд с помощью нескольких пальцев рук, с использованием для контроля мест ввода координат нескольких курсоров, которые «привязаны» к пальцам рук.
Варианты сенсорных экранов, в которых использован электроемкстный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области позволяют реализовать соответствующие варианты способа ввода координат с использованием как прикосновений, так и на основе приближений пальцев рук к поверхности сенсорного экрана. В этом случае появляется возможность реализации варианта способа, который является совмещением ввода координат с использованием прикосновений и приближений. Например, для выбора объектов, на участке приближения к выбираемому объекту для подвода пальца руки можно использовать курсор, а для формирования команды ввода координат и выбора объекта использовать соприкосновение с чувствительной поверхностью сенсорного экрана.
1.5 Способ ввода координат для емкостного сенсорного экрана, предназначенного для одиночных прикосновений или приближений, с совмещением двух вариантов способа ввода координат
Способ соответствует п. 5 формулы изобретения и характеризуется следующими признаками изобретения.
Способ ввода координат по п. 1, предназначенный для емкостного сенсорного экрана, отличающийся тем, что для ввода координат для графических приложений, выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей и формирования команд с помощью жестов дополнительно используют приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. При этом выполняют действия в соответствии со способом ввода координат по п. 3 формулы изобретения, причем для реализации соответствующих действий используют приближения и прикосновения в любом сочетании.
1.6 Способ ввода координат для емкостного сенсорного экрана, предназначенного для множественных прикосновений или приближений с совмещением двух вариантов способа ввода координат
Вариант способа ввода координат соответствует п. 6 формулы изобретения.
Способ ввода координат по п. 2, предназначенный для емкостного сенсорного экрана, отличающийся тем, что для ввода координат дополнительно используют приближения пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей. При этом выполняют действия в соответствии со способом ввода координат по п. 4 формулы изобретения. Для реализации соответствующих действий используют приближения и прикосновения в любом сочетании.
1.7 Способ ввода координат мест одиночных прикосновений пальца руки или стилуса для емкостной сенсорной панели
Способ соответствует п. 7 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат мест прикосновений пальца руки или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при одиночных прикосновениях.
Для реализации способа ввода координат мест прикосновений используют сенсорную панель, содержащую электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. Способ заключается в том, что в качестве координат места прикосновения используют координаты геометрического центра двумерной области, образованной прикосновением пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели.
1.8 Способ ввода координат мест множественных прикосновений пальцев рук или стилуса для емкостной сенсорной панели
Способ ввода координат для емкостной сенсорной панели соответствует п. 8 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат мест прикосновений пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при множественных прикосновениях.
Для реализации способа ввода координат мест прикосновений используют сенсорную панель, содержащую электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей. Способ заключается в том, что в качестве координат мест прикосновений используют координаты геометрических центров двумерных областей, образованных прикосновениями пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели.
1.9 Способ бесконтактного ввода координат мест приближений пальца руки или стилуса для емкостной сенсорной панели
Способ соответствует п. 9 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат приближений пальца руки или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд, при одиночных приближениях.
Для реализации способа ввода координат мест приближений используют сенсорную панель, содержащую электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. Способ заключается в том, что в качестве координат места приближения используют координаты геометрического центра двумерной области, образованной на поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели в результате приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области, при этом для ввода координат реализуют следующие действия:
- на дисплее выбирают место ввода координат;
- приближают подушечку пальца руки или конец стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели, при этом в ближайших к пальцу или стилусу точках на этой поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область приближения;
- с помощью электроемкостного преобразователя сенсорной панели определяют координаты геометрического центра двумерной области приближения;
- связывают координаты геометрического центра двумерной области приближения и координаты курсора;
- путем перемещения пальца руки или стилуса перемещают курсор на позицию с лучшим совмещением курсора с заданными координатами;
- вводят в устройство координаты курсора с помощью соответствующей команды.
1.10 Способ бесконтактного ввода координат мест множественных приближений пальцев рук или стилуса для емкостной сенсорной панели
Способ бесконтактного ввода координат для емкостной сенсорной панели соответствует п. 10 формулы изобретения. Способ предназначен для ввода координат множественных приближений пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели для графических приложений, для выбора объектов, которые выведены на дисплей и ввода команд.
Для реализации способа используют сенсорную панель, содержащую электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей. Способ заключается в том, что в качестве координат мест приближений используют координаты геометрических центров двумерных областей, образованных на поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели в результате приближений пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области, при этом для ввода координат реализуют следующие действия:
- на дисплее выбирают место ввода координат;
- приближают подушечку пальца руки или конец стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели, при этом в ближайших к пальцу или стилусу точках на этой поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область приближения;
- с помощью электроемкостного преобразователя сенсорной панели определяют координаты геометрического центра двумерной области приближения;
- связывают координаты геометрического центра двумерной области приближения и координаты курсора;
- путем перемещения пальца руки или стилуса перемещают курсор на позицию с лучшим совмещением курсора с заданными координатами;
- вводят в устройство координаты курсора с помощью соответствующей команды;
- для одновременного ввода координат нескольких мест приближений описанные действия для ввода координат выполняют одновременно с использованием нескольких пальцев рук, при этом на дисплей выводят заданный набор курсоров, которые связаны с разными пальцами рук.
1.11 Способ ввода координат для емкостной сенсорной панели, предназначенной для одиночных прикосновений или приближений, с совмещением двух вариантов способа ввода координат
Вариант способа соответствуют п. 11 формулы изобретения.
Способ ввода координат по п. 7, предназначенный для емкостной сенсорной панели, отличающийся тем, что для ввода координат дополнительно используют приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. При этом выполняют действия в соответствии со способом ввода координат по п. 9 формулы изобретения. Для реализации соответствующих действий используют приближения и прикосновения в любом сочетании.
1.12 Способ ввода координат для емкостной сенсорной панели, предназначенной для множественных прикосновений или приближений с совмещением двух вариантов способа ввода координат
Вариант способа соответствуют п. 12 формулы изобретения.
Способ ввода координат по п. 8, предназначенный для емкостной сенсорной панели, отличающийся тем, что для ввода координат дополнительно используют приближения пальцев рук или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, и выполняют действия в соответствии со способом ввода координат по п. 10 формулы изобретения, при этом для реализации соответствующих действий используют приближения и прикосновения в любом сочетании.
Отличия вариантов способа для сенсорной панели от вариантов способа для сенсорного экрана связаны с тем, что сенсорная панель в компьютерной системе выполнена отдельно от дисплея. В простейшем варианте сенсорная панель может использоваться в качестве устройства управления курсором и для ввода команд. Сенсорная панель, предназначенная для множественных приближений и прикосновений, может использоваться в качестве сенсорной клавиатуры или устройства ввода координат, где каждой точке панели соответствует определенная точка на дисплее. В этом случае, реализация вариантов способа для сенсорной панели практически не отличается от соответствующих вариантов для сенсорного экрана. При этом сохраняются все положительные свойства, описанные для сенсорного экрана. Дополнительным положительным свойством является то, что нет необходимости держать руки навесу как в случае использования сенсорного экрана с расположением поверхности дисплея в вертикальной плоскости. Учитывая высокую чувствительность сенсорной панели, на ее основе может быть разработана сенсорная клавиатура, для которой предусмотрена специальная рельефная накладка для формирования тактильных ощущений. Для графических приложений или игр эту накладку можно легко заменить на другую специализированную накладку, ориентированную на рисование или игры.
Технический результат заключается в повышении точности ввода координат, для графических приложений, повышении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Технический результат достигается тем, что в качестве координат мест приближений и прикосновений используют координаты геометрических центров двумерных областей приближений и прикосновений пальцев рук к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя сенсорной панели.
Дополнительные положительные свойства изобретения приведены в описании конструкции вариантов сенсорного экрана и сенсорной панели. Основные положительные свойства, которые нашли отражение в техническом результате, в сочетании с дополнительными положительными свойствами изобретения создают синергетический эффект, который позволяет реализовать сенсорные экраны и сенсорные панели с улучшенными потребительскими качествами и расширить область их применения.
2. Емкостный сенсорный экран и сенсорная панель
Емкостный сенсорный экран и сенсорная панель выполнены в двух вариантах.
Первый вариант предназначен для ввода координат и выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, с помощью одной измерительной области. Во втором варианте ввод координат и выбор объектов реализован с помощью множества измерительных областей. Второй вариант предусматривает возможность одновременного ввода координат геометрических центров нескольких двумерных областей. Принцип действия сенсорного экрана пояснен с помощью изображений на фиг. 1-4. Сенсорный экран и сенсорная панель выполнены на основе электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. Особенности конструкции варианта электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области с использованием множества измерительных областей показаны на фиг. 5 и фиг. 6.
2.1 Емкостный сенсорный экран для ввода координат геометрического центра двумерной области
Емкостный сенсорный экран для ввода координат соответствует п. 13 формулы изобретения. Емкостный сенсорный экран характеризуется следующими признаками изобретения.
Емкостный сенсорный экран, содержащий электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды. Причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат, выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных частей. Диэлектрическая пластина и расположенные на ней электроды выполнены практически прозрачными.
Емкостный сенсорный экран для ввода координат геометрического центра отличается тем, что содержит электроемкостный преобразователь, который содержит одну измерительную область. Эта область является общей измерительной областью для этого варианта электроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
Емкостный сенсорный экран для ввода координат геометрического центра двумерной области по этому варианту может найти применение, например, в дигитайзерах, где необходима высокая точность ввода координат.
Технический результат варианта сенсорного экрана заключается в повышении точности ввода координат мест прикосновений или приближений пальца руки или стилуса и обеспечении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Дополнительный технический результат - повышение быстродействия, снижение электропотребления, повышение помехоустойчивости, увеличение прочности сенсорного экрана и снижение стоимости. Технический результат достигается за счет применения в составе сенсорного экрана электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области.
С помощью варианта сенсорного экрана возможна реализация вариантов способа ввода координат геометрического центра двумерной области для одиночных прикосновений или приближений.
2.2 Емкостный сенсорный экран для ввода координат геометрических центров множества двумерных областей
Емкостный сенсорный экран для ввода координат соответствует п. 14 формулы изобретения. Емкостный сенсорный экран характеризуется следующими признаками изобретения.
Емкостный сенсорный экран, содержащий электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, который содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных областей с измерительными электродами, форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической пластине в границе соответствующей измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Выводы измерительных частей измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей. Диэлектрическая пластина и расположенные на ней электроды выполнены практически прозрачными.
Емкостный сенсорный экран для ввода координат геометрических центров множества двумерных областей отличается тем, что содержит электроемкостный преобразователь с использованием множества измерительных областей. За счет этой особенности обеспечивается одновременный ввод координат нескольких мест прикосновений или приближений. Множество измерительных областей образуют общую измерительную область элекроемкостного преобразователя сенсорного экрана.
Особенности конструкции варианта электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области с использованием множества измерительных областей показаны на фиг. 5 и фиг. 6. На фиг. 5 показана диэлектрическая пластина 202, на поверхности слоя которой расположено множество измерительных областей 210 с системами измерительных электродов. Измерительные области выполнены в форме шестиугольников, границы которых практически примыкают друг к другу. Множество измерительных областей образуют общую измерительную область 211 электроемкостного преобразователя. Дополнительно, на фиг. 5 показана двумерная область 212 приближения пальца руки к поверхности общей измерительной области и расположение геометрического центра 213 этой области. На фиг. 6 показана структура системы электродов 204 одной измерительной области 210, расположенная в границах шестиугольной измерительной области. Система электродов состоит из трех измерительных частей, электроды которых соединены между собой, и имеет три электрических вывода 206. Выводы измерительных областей образуют выводы электроемкостного преобразователя. Выводы предназначены для подключения к микроконтроллеру устройства. Для подключения использованы шлейфы 207 проводников выводов.
Емкостный сенсорный экран по этому варианту может найти применение в разнообразных устройствах, например в некоторых персональных компьютерах, в ноутбуках, планшетных компьютерах, электронных книгах, спутниковых навигаторах, смартфонах, мобильных телефонах, в промышленных сенсорных панелях или сенсорных панелях управления бытовой техники.
Технический результат изобретения для варианта сенсорного экрана заключается в повышении точности ввода координат мест приближений и прикосновений пальцев рук или стилуса и обеспечении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Дополнительный технический результат - повышение быстродействия, снижение электропотребления, повышение помехоустойчивости, увеличение прочности сенсорного экрана и снижение стоимости. Технический результат достигается за счет применения в составе сенсорного экрана электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
С помощью варианта сенсорного экрана возможна реализация любого из вариантов способа ввода координат геометрического центра двумерной области.
В составе емкостного сенсорного экрана выполненного по любому из вариантов использован электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. Электроемкостный преобразователь это специализированное устройство, которое реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области. В общем случае, электроемкостный преобразовать предназначен для использования в составе устройств, где есть необходимость в определении геометрического центра двумерной области. Сенсорный экран является одним из этих устройств. Электроемкостный преобразователь формирует на своих выводах систему сигналов емкостей измерительных частей электродов, в которой выражены координаты геометрических центров двумерных областей, которая удобна для дальнейшей обработки. Система сигналов может восприниматься микроконтроллером сенсорного экрана или микроконтроллером конечного устройства. Общая измерительная область электроемкостного преобразователя имеет тоже функциональное назначение, что и чувствительная поверхность сенсорного экрана.
Особенностью электроемкостного преобразователя является то, что преобразователь содержит диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части электроды каждой из которых электрически соединены между собой. При этом измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам, выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя.
Количество измерительных частей, с использованием которых может быть реализовано назначение электроемкостного преобразователя, в минимальном варианте составляет три. В описании приведены варианты реализации измерительных областей, которые имеют три, четыре, шесть и восемь измерительных частей в одной измерительной области. Дальнейшее увеличение количества измерительных частей нецелесообразно. В связи с этим, электроемкостный преобразователь в минимальном варианте имеет три вывода от измерительных частей измерительной области. Наличие трех выводов от измерительной области существенно сокращает количество выводов электроемкостного преобразователя, чем нивелируется один из основных недостатков емкостных сенсорных экранов с собственной емкостью электродов. В тоже время, небольшое количество выводов не ограничивает количество электродов в измерительных частях, что позволяет реализовать сенсорный экран с очень большим количеством отдельных электродов, размеры которых в сторону уменьшения ограничены только качеством технологического процесса нанесения электродов на поверхность слоя диэлектрической пластины. В результате обеспечивается заданная точность в определении координат геометрического центра двумерной области с использованием относительно небольшого количества электрических выводов.
Другая особенность заключается в том, что измерительные электроды измерительных частей совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Данный функциональный признак характеризует систему измерительных электродов электроемкостного преобразователя, заменяя характеристику конструктивных особенностей системы электродов выполняемой функцией. Измерительные электроды измерительной области реализует функцию в той области, где есть пересечение (взаимное перекрытие) с двумерной областью прикосновения или приближения. Пересечение областей может быть полным, например, когда двумерная область располагается внутри измерительной области или частичным, например, когда соприкосновение произошло на краю измерительной области, и часть двумерной области вышла за край.
Измерительная область образована системой измерительных электродов расположенных на поверхности слоя диэлектрической пластины, в границе системы электродов измерительной области. Поверхность электроемкостного преобразователя сенсорного экрана, связанная с измерительной областью или множеством измерительных областей, составляет соответствующую чувствительную поверхность сенсорного экрана.
Особенности двумерных областей приближения и прикосновения показаны на фиг. 1-4. При прикосновении пальца руки или стилуса с поверхностью общей измерительной области (см. фиг. 1 и 2) в границах прикосновения образуется двумерная область 106 прикосновения. В случае приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области (см. фиг. 3 и 4), на поверхности общей измерительной области образуется сгущение силовых электрических линий 113, которые распространяются между кончиком пальца руки 105 или стилусом и поверхностью общей измерительной области 110 с электродами. Сгущение силовых линий образует двумерную область 112 приближения пальца руки или стилуса. Максимальное сгущение_силовых линий 113 формируется в местах, которые в максимальной степени приближены к кончику пальца 105 или стилусу. Двумерная область приближения, в отличие от области прикосновения, имеет нечеткие границы. Для варианта сенсорного экрана с использованием множества измерительных областей, для разделения двумерных областей множественных приближений, каждая конкретная двумерная область может быть ограничена путем отсечения измерительных областей, в которых величина сгущения силовых линий является относительно низкой.
Особенность реализации функции определения координат двумерной области, которая образуется в случае приближения пальца руки или стилуса к поверхности измерительной области, заключаться в том, что функция вычисления геометрического центра двумерной области реализуется с учетом весов точек двумерной области. Для удобства математических выкладок и пояснения взамен множества точек можно использовать множество участков одинаковой площади 115, величина площади каждого из которых выбрана такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости этих участков. В области сгущений силовых линий, где палец приближен на минимальное расстояние, электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области является доминирующей при определении координат геометрического центра. В случае определения координат двумерной области для прикосновений, веса всех участков являются приблизительно одинаковыми. Более подробное описание особенностей двумерной области прикосновения с математическими выкладками приведено в разделе описания электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, под номером 3.15.
Система электродов измерительной области, по существу, выполняет функцию преобразования информации о координатах множества точек двумерной области с учетом их весов в информацию о координатах одной точки, которая является геометрическим центром двумерной области соприкосновения или приближения. Причем преобразование реализуется «аппаратным» способом. В результате реализации функции определения координат геометрического центра двумерной области на выводах электроемкостного преобразователя формируются величины координат геометрического центра двумерной области, которые выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей, в удобной для дальнейшей обработки форме. Для вычисления координат геометрического центра на основе системы величин емкостей измерительных частей дополнительно необходимо выполнить небольшое количество арифметических операций, которые могут быть реализованы в микроконтроллере сенсорного экрана или микроконтроллере конечного устройства. Формулы для вычисления координат геометрического центра на основе системы емкостей приведены в описании вариантов электроемкостного преобразователя. В связи с этой особенностью существенно повышается быстродействие сенсорного экрана, т.к. нет необходимости для определения координат геометрического центра измерять координаты множества точек двумерной области и их веса, а также использовать компьютерный алгоритм, в котором анализируются координаты и веса множества точек двумерной области. Увеличению быстродействия электроемкостного преобразователя также способствует использование в электроемкостном преобразователе технологии с собственной емкостью электродов.
Высокое быстродействие и высокая точность позволяет использовать координаты геометрического центра двумерной области в качестве меры центральной тенденции для реализации всех функций сенсорного экрана, в том числе для графических приложений, а также для выбора объектов и для ввода команд.
В предлагаемом сенсорном экране доступно несколько режимов ввода координат. Режим ввода координат, характеризующийся соприкосновением пальцев руки или стилуса с чувствительной поверхностью сенсорного экрана, режим бесконтактного ввода координат путем приближения пальцев рук и совмещенный режим, который предусматривает использование двух указанных режимов ввода координат. Например, при совмещенном режиме ввода координат подвод пальца к месту ввода координат может быть выполнен на удалении от поверхности сенсорного экрана с использованием курсора, а формирование команды ввода координат с помощью прикосновения пальца к поверхности экрана.
Реализация ввода команд, в которых используют величину приближения пальца к поверхности сенсорного экрана, а также скорость движения и ускорение пальца, основана на нахождении суммарных емкостей электродов для каждой измерительной области и анализа величин емкостей для группы областей. Для определения наличия прикосновения и определения усилия нажатия пальца на экран также используют сумму емкостей на электрических выводах группы измерительных областей. Сумма емкостей характеризует величину приближения пальца к поверхности сенсорного экрана, наличие соприкосновения и величину силы нажатия пальца на экран. По динамике изменения этой емкости можно определить скорость и ускорение приближения или удаления пальца от поверхности экрана.
2.3 Емкостная сенсорная панель для ввода координат геометрического центра двумерной области
Сенсорная панель соответствует п. 15 формулы изобретения. Сенсорная панель характеризуется теми же признаками изобретения, что и сенсорный экран по п. 13 формулы изобретения. Использование практически прозрачной диэлектрической пластины и электродов в этом случае не является обязательным.
Отличие емкостной сенсорной панели от емкостного сенсорного экрана в компьютерной системе заключатся в том, что дисплей для отображения информации выполнен отдельно от сенсорной панели. При этом панель используется для управления постоянно выведенным на дисплей курсором, с помощью которого выполняют указания координат для графических приложений и для выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Сенсорная панель, также как и сенсорный экран, может быть использована для осуществления управления курсором и ввода команд с помощью прикосновений и приближений пальца руки к чувствительной поверхности панели. Описание сенсорной панели аналогично описанию емкостного сенсорного экрана для ввода координат геометрического центра двумерной области.
2.4 Емкостная сенсорная панель для ввода координат геометрических центров множества двумерных областей
Емкостная сенсорная панель соответствует п. 16 формулы изобретения. Сенсорная панель характеризуется теми же признаками изобретения, что и сенсорный экран по п. 14. Использование практически прозрачной диэлектрической пластины и электродов в этом случае не является обязательным.
Отличие емкостной сенсорной панели от емкостного сенсорного экрана в компьютерной системе в том, что дисплей для отображения информации выполнен отдельно от сенсорной панели.
Емкостная сенсорная панель может найти применение в разнообразных устройствах, например в некоторых персональных компьютерах, в ноутбуках, в промышленных сенсорных панелях или сенсорных панелях управления бытовой техники.
В персональных компьютерах и ноутбуках сенсорной панель по этому варианту может использоваться в качестве сенсорной клавиатуры или устройства ввода координат, где каждой точке панели соответствует определенная точка на дисплее. В этом случае, реализация вариантов способа для сенсорной панели практически не отличается от соответствующих вариантов для сенсорного экрана. При этом сохраняются все описанные для сенсорного экрана положительные свойства. Дополнительным положительным свойством является то, что при работе с сенсорной панелью нет необходимости держать руки навесу как в случае использования сенсорного экрана с расположением поверхности дисплея в вертикальной плоскости. Учитывая высокую чувствительность сенсорной панели, сенсорную панель можно использовать в качестве универсальной платформы для ввода информации в компьютер, которую легко адаптировать для разных условий применения. Например, для сенсорной клавиатуры может быть разработана специальная рельефная накладка для формирования тактильных ощущений при нажатии клавиш. Для игр и графических приложений - другие специализированные накладки.
Технический результат для сенсорной панели заключается в повышении точности ввода координат для графических приложений, в повышении стабильности выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей, и ввода команд с помощью жестов. Технический результат достигается за счет применения в составе сенсорной панели электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
2.5 Положительные свойства сенсорного экрана и сенсорной панели
Сенсорный экран и сенсорная панель характеризуются повышенной точностью ввода координат и высокой стабильностью выбора объектов, изображения которых выведены на дисплей. Высокая точность ввода координат и повышенная стабильность определяются следующими факторами. Первый фактор связан с применением в составе сенсорного экрана и сенсорной панели электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области. Применение электроемкостного преобразователя позволяет использовать координаты геометрического центра двумерной области в качестве координат мест приближений и прикосновений при реализации всех соответствующих функций сенсорного устройства и увеличить точность ввода за счет свойств геометрического центра двумерной области. Второй фактор связан с высокой линейностью и разрешающей способностью системы электродов электроемкостного преобразователя сенсорного экрана и сенсорной панели. Основная погрешность электроемкостного преобразователя - погрешность аппроксимации границы двумерной области может быть уменьшена практически до любой заданной величины, за счет улучшения технологического процесса нанесения электродов на диэлектрическую пластину. При этом уменьшение размеров электродов и увеличение их количества не приводит к возрастанию количества электрических выводов электроемкостного преобразователя. Дополнительно, за счет расположения системы электродов и их выводов на одной поверхности одного слоя диэлектрической пластины, нет необходимости в совмещении систем электродов, расположенных на двух слоях диэлектрической пластины, что также увеличивает точность. Для сенсорного экрана повышению точности ввода координат и повышению стабильности выбора объектов на дисплее способствует возможность ввода координат бесконтактным способом, при котором место ввода координат сопровождается курсором, привязанным к пальцу руки.
Сенсорный экран и сенсорная панель обладают относительно высоким быстродействием. Высокое быстродействия связано с тем, что функция определения координат геометрического центра реализуется непосредственно системой электродов электроемкостного преобразователя. При этом микроконтроллер устройства, для расчета координат геометрического центра, выполняет небольшое количество арифметических операций. В альтернативном варианте, геометрический центр определяют алгоритмическим способом, путем измерения и анализа координат всего множества точек двумерной области соприкосновения, на что необходимо больше времени. Например, такой алгоритм реализован в смартфоне модели «iPhone 8» фирмы «Apple», сенсорный экран которого выполнен по технологии с взаимной емкостью. Повышению быстродействия способствует то, что сенсорный экран выполнен на основе технологии с собственной емкостью электродов, которая позволяет определить координаты мест прикосновений или приближений за один такт работы устройства одновременно по всей поверхности сенсорного экрана. В альтернативном варианте, при использовании экрана с взаимной емкостью, необходимо применять последовательное сканирование электродов, что замедляет работу сенсорного экрана.
Сенсорные экраны и панели, выполненные по технологии с собственной емкостью электродов, обладают высокой чувствительностью. Высокая чувствительность объясняется тем, что электрическое поле направлено от измерительных электродов, расположенных на слое диэлектрической пластины, к пальцам рук или электропроводящему стилусу.
Положительным свойством системы электродов электроемкостного преобразователя сенсорного экрана или панели является реализация функции определения координат геометрического центра двумерной области, как с одинаковыми весами точек двумерной области, так и с учетом разных весов точек двумерной области. Причем веса точек связаны с величиной приближения точек к поверхности пальца или стилуса.
Сенсорный экран и сенсорная панель обладают относительно высокой помехоустойчивостью. Высокая помехоустойчивость объясняется с тем, что координаты геометрического центра двумерной области вычисляют с помощью функции, в которой разность емкостей измерительных частей электродов электроемкостного преобразователя сенсорного экрана или панели выражена в виде относительной величины. В результате чего, в значительной степени компенсируются мультипликативная и аддитивная составляющая помехи, действующей на электроды.
Сенсорный экран и сенсорная панель, потенциально, имеют низкую стоимость. Низкая стоимость объясняется тем, что система электродов может быть размещена на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. Что значительно удешевляет технологический процесс изготовления.
2.6 Сочетание положительных свойств
Сочетание положительных свойств позволяет улучшить характеристики устройств, которые содержат сенсорный экран или сенсорную панель.
Сочетание высокого быстродействия, высокой чувствительности сенсорного экрана или панели со свойством системы электродов электроемкостного преобразователя сенсорного экрана выполнять функцию определения геометрического центра двумерной области с учетом весов точек на поверхности измерительной области, позволяет реализовать бесконтактный способ ввода координат. Эти же свойства позволяют реализовать ввод команд с помощью жестов с использованием для реализации жестов движений пальцев рук или стилуса в трех координатах. Причем высокое быстродействие позволяет реализовать команды, которые формируются за счет разной скорости и ускорения движения пальцев рук в трех координатах.
Сенсорный экран и сенсорная панель позволяют использовать способ ввода команд с помощью разного усилия нажатия пальца на сенсорный экран или панель. Эта возможность связана с тем, что увеличение усилия нажатия пальца приводит к увеличению размеров двумерной области прикосновения, что может быть измерено. При этом увеличение или уменьшение силы нажатия на экран в результате применения электроемкостного преобразователя не ухудшает точность и стабильность ввода координат.
Сочетание высокой чувствительности, быстродействия и ввода команд различными способами (с помощью соприкосновения с сенсорной поверхностью или бесконтактным способом) позволяет создать сенсорные экраны и панели для игровых приложений, которые характеризуются высокой прочностью за счет использования толстого защитного пластика или стекла. Сенсорные экраны, потенциально, будут иметь преимущество в сравнении с персональными компьютерами, оснащенными манипулятором «мышь» в скорости выбора объектов, за счет возможности бесконтактного ввода координат, выбора объектов и ввода команд одновременно всеми пальцами рук и удобного отслеживания нескольких курсоров, которые всегда будут вблизи кончиков пальцев рук.
Для сенсорных экранов сочетание возможности использования прочного защитного пластика или стекла, относительно высокая помехоустойчивость, повышенная стабильность ввода координат и наличие курсоров вблизи пальцев рук позволяет реализовать устройства для сложных условий эксплуатации.
Повышение стабильности выбора небольших объектов, изображения которых выведены на дисплей, позволяет для их выбора использовать подушечку пальца руки, а не ее часть. Для пользователей смартфонов, обладающих длинными ногтями, доступен выбор объектов бесконтактным способом, с помощью пальцев рук, на удалении от поверхности смартфона. Что облегчает использование смартфонов. При этом возможно использование сенсорного экрана в устройствах, отличающихся небольшим дисплеем, например в сенсорных часах.
Высокая чувствительность и использование геометрического центра расширяет условия применения сенсорного экрана и сенсорной панели. Например, возможна реализация ввода координат путем прикосновений или приближений с помощью пальцев рук в перчатках. Такая возможность появляется в связи с тем, что геометрический центр является устойчивой мерой центральной тенденции, при которой наличие до пятидесяти процентов недостоверных результатов измерений емкостей для точек двумерной области, не приводят к срыву координат геометрического центра. Недостоверные результаты могут быть связаны с использованием перчаток с неровной поверхностью материала или с сырой поверхностью. Для экранов больших размеров возможна реализация бесконтактного способа ввода координат с использованием указания координат, выбора объектов и ввода команд с помощью кистей рук на относительно большом удалении от поверхности экрана.
В связи с высокой чувствительностью сенсорного экрана и панели, высокого быстродействия и хорошей помехоустойчивости, можно снизить частоту и величину напряжения на электродах электроемкостного преобразователя сенсорного экрана или панели. Реализация функции определения геометрического центра системой электродов «аппаратным способом» разгружает микроконтроллер устройства. В результате достигается более низкое электропотребление сенсорного экрана и сенсорной панели. Что важно для мобильных приложений.
Недостаток сенсорного экрана и сенсорной панели, содержащих электроемкостный преобразователь для определения координат геометрических центров множества двумерных областей связан с наличием минимального расстояния между двумерными областями, при котором электроемкостный преобразователь не разделяет эти области и определяет общий геометрический центр для двух прикосновений или приближений. В тоже время, в случае выбора измерительной области с максимальной шириной приблизительно 6 мм этот недостаток не будет проявляться, т.к. между границами двумерных областей соприкосновений при сближении пальцев при выполнении жеста, как правило, имеется промежуток, который больше 6 мм.
Следует отметить, что в сенсорной системе кожи человека также есть расстояние между двумя стимулами - так называемый двухточечный порог, при котором испытуемый может определить, что стимулируются две точки, а не одна. Например, для кожи на кончиках пальцев руки это расстояние составляет приблизительно 3 мм. На ладони - приблизительно 14 мм. Что, впрочем, не воспринимается человеком как недостаток, т.к., несмотря на наличие двухточечного порога, человек может определить координаты одиночного прикосновения к коже с существенно более высокой разрешающей способностью, чем величина двухточечного порога.
3. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
В описании изобретения приведены несколько вариантов электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для разных условий применения. Сущность конструкции электроемкостных преобразователей рассмотрена с приведением доказательств реализации назначений вариантами электроемкостных преобразователей.
Электроемкосный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области соответствует п. 17 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного в общем виде на фиг. 7 и фиг. 13. Фигуры 8-12 приведены для пояснения принципа действия и конструкции измерительных электродов.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области.
Электроемкостный преобразователь характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину общий электрод измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 13 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 302, второй измерительной части первого множества цифрой 303, первой измерительной части второго множества цифрой 304, второй измерительной части второго множества цифрой 305. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам, системах координат. Причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс, при этом каждая из групп расположена в границе соответствующей измерительной области группы. Измерительные области групп имеют одинаковую ширину в направлении оси абсцисс и расположены без промежутков между соседними измерительными областями групп вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
Как показано на фиг. 7 и фиг. 13 для изоляции электродов, в варианте электроемкостного преобразователя, предусмотрена изолирующая диэлектрическая пластина 311, расположенная поверх электродов 314. Электроемкостный преобразователь 301 для определения координат геометрического центра двумерной области, содержит диэлектрическую пластину 202, общий электрод 322 и измерительные электроды 314, которые образуют систему электродов, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 310, форма, размеры и расположение которой заданы. Дополнительно, на фиг. 7 показано электропроводяще тело - палец руки 105, подушечка которого прикасается к поверхности измерительной области 310 электроемкостного преобразователя.
В общем виде способ определения координат двумерной области характеризуется следующими действиями. К поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя в месте ввода координат прикасаются пальцем 105 руки. При соприкосновении с поверхностью электроемкостного преобразователя подушечка пальца деформируется и образует двумерную область соприкосновения 323 с поверхностью измерительной области. В связи с тем, что между проводящей поверхностью пальца и электродами измерительных частей имеется изолирующая пластина 311, а палец руки через тело человека имеет гальваническую или емкостную связь с общим электродом 322, между двумерной поверхностью прикосновения пальца и измерительными электродами образуются плоские конденсаторы. При этом изменяются электрические емкости измерительных частей электродов в области пересечения двумерной области и измерительной области электродов. Электрические емкости измерительных частей образуют систему, в которой величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах 306, 307, 308, 309 измерительных частей электроемкостного преобразователя. С помощью электронной схемы выполняют измерение электрических емкостей измерительных частей, затем вычисляют координаты геометрического центра двумерной области. При этом измерительные электроды, совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области.
Для пояснения принципа действия рассмотрена система электродов, которая показана на фиг. 8. Электроды системы принадлежат к одному множеству электродов. Система электродов реализует функцию, которая заключается в определении геометрического центра двумерной области по одной оси.
Данная система электродов характеризуется следующими признаками формулы изобретения.
Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. Группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс, при этом каждая из групп расположена в границе соответствующей измерительной области группы. Измерительные области групп имеют одинаковую ширину в направлении оси абсцисс и расположены без промежутков между соседними измерительными областями групп вдоль оси абсцисс. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.
Из состава системы электродов сначала рассмотрим отдельно взятую группу измерительных электродов, например, которая обозначена на фиг. 8 номером 325, и относящиеся к этой группе следующие признаки изобретения. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно. Измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.
На фиг. 8 показана двумерная область 323 соприкосновения при соприкосновении пальца руки или стилуса к измерительной области 331 электроемкостного преобразователя сенсорного экрана. Измерительная область 331 не совпадает с измерительной областью 310 и показана условно, для удобства пояснения сущности изобретения. Двумерная область 323 на фиг. 8 приведена с увеличением, без соблюдения пропорций в относительных размерах. В двумерной области соприкосновения между электропроводящей поверхностью пальца руки или стилуса и электродами измерительных частей группы электродов образуются плоские конденсаторы. При этом электрическая емкость электродов 302 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные электроды 302 первой измерительной части и поверхность общего электрода 322. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости электродов. Емкость соответствует емкости электродов первой измерительной части в отсутствии прикосновения. Вторая составляющая емкости связана с прикосновением пальца руки. Емкости второй составляющей образована конденсатором, одной из обкладок которого являются проводящая двумерная поверхность соприкосновения пальца руки, образующая двумерную область соприкосновения, вторая обкладка образована электродами первой измерительной части. Эта составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость».
Полная емкость электродов 302 первой измерительной части равна
Где:
1
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части;
01
C - величина суммы электрических емкостей электродов первой измерительной части в отсутствии тела, для которого производится определение координаты геометрического центра двумерной области;
1
S - площадь электродов первой измерительной части, в области пересечения двумерной области соприкосновения с измерительной областью группы электродов;
1
К - коэффициент пропорциональности между площадью электродов и избыточной электрической емкостью.
Для варианта преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области с изоляцией электродов с помощью изолирующей пластины или изолирующего слоя диэлектрической пластины
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
3
d - толщина изолирующей измерительные электроды диэлектрической пластины в области соприкосновения;
3
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующей измерительные электроды диэлектрической пластины.
Аналогичную зависимость можно записать для емкости электродов 303 второй измерительной части
Где:
2
C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части;
02
C - величина суммы электрических емкостей электродов второй измерительной части в отсутствии тела, для которого производится определение координаты геометрического центра двумерной области;
2
S - площадь измерительных электродов второй измерительной части, в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью;
Суммарная величина площади электродов первой измерительной части, ограниченная сверху и снизу двумя параллельными направлению оси абсцисс X отрезками линий 327 и 328, равна
Где:
1
S' - площадь ограниченной области электродов первой измерительной части;
- длина трапеций электродов;
- суммарная ширина больших оснований трапеций электродов первой измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций электродов первой измерительной части;
2
1
Δy=y-y.
Координата y определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат 315 совпадает с положением нижних оснований трапеций электродов по оси Y, как показано на фиг. 8
Величина площади электродов второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равна
Где:
2
S' - площадь ограниченной области электродов второй измерительной части;
- суммарная ширина больших оснований трапеций электродов второй измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций электродов второй измерительной части.
На основе условия формулы изобретения, согласно которому измерительные электроды первой и второй измерительных частей дополняют друг друга до образования постоянной ширины, можно записать равенство
Анализ выражений (4) и (6) с учетом (7) показывает, что координата центра ограниченной области по оси Y может быть выражена через ограниченные площади электродов первой и второй измерительных частей
В связи с тем, что суммарная фигура, составленная из ограниченных площадей электродов первой и второй измерительных частей, имеет постоянную ширину вдоль оси X в функции расстояния вдоль оси Y и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 327 и 328, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.
Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражение
Где:
Отрезки линий 327 и 328 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхнего и нижнего участков границы 324 двумерной области 323 соприкосновения.
Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерной области соприкосновения, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы электродов группы и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте электродов. При этом верхний и нижний участки границы двумерного тела приближаются к отрезкам кусочно-постоянной аппроксимации. В связи с чем, для системы электродов с относительно небольшой суммарной шириной, можно пренебречь погрешностью аппроксимации и записать следующие равенства
С учетом выражений (1), (3) и (12) площади электродов можно выразить в следующем виде
1
2
Подставляя S' и S' в выражение (9) получаем формулу для вычисления координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области соприкосновения тела
Где:
Y
G - величина координаты геометрического центра двумерной области тела по оси ординат в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
a
1
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат, зависящий от конструкции измерительных электродов;
а
2
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат по оси ординат относительно измерительных электродов.
Для варианта преобразователя, в котором суммарные площади электродов первой и второй измерительной частей равны между собой, коэффициенты имеют следующие значения
02
01
В случае равенства площадей электродов первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей C-C равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в виде
или
а
а
2
2
Коэффициент , определяющий начало координаты геометрического центра относительно электродов по оси ординат Y, в выражениях (4) и (6) задан относительно расположения оси абсцисс X системы координат 315 множества измерительных электродов, проходящей через линию нижних оснований трапеций (см. фиг. 8). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Y относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещением от оснований трапеций. Такая запись не меняет вид формулы (15). Поэтому формула (15) отражает общий случай, когда выбрана система координат с произвольно заданным значением коэффициента .
а
2
На практике удобно принять коэффициент  равным нулю. В этом случае ось абсцисс X проходит через сечение электродов, в котором суммарная ширина электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Эта система координат обозначена как «локальная система координат» множества электродов. Локальная система координат на фиг. 8 обозначена номером 316.
При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Кусочно-постоянная аппроксимация является источником погрешности в определении координат геометрического центра. Величина погрешности стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины участков кусочно-постоянной аппроксимации по оси абсцисс. На фиг. 8 показаны отрезки линий 327 и 328, которые параллельны оси абсцисс и соответствующие отрезки линий для другой группы. Эти линии являются участками кусочно-постоянной аппроксимации границы 324 двумерной области 323. Кусочно-постоянная аппроксимация задана для измерительных областей 312 и 313 групп, внутри которых расположены электроды соответствующих групп. На фиг. 8 приведены только две группы электродов, каждая из которых расположена в границе соответствующей измерительной области группы. В практической реализации количество используемых измерительных областей групп ограничено только разрешающей способностью фотолитографического процесса нанесения электродов на диэлектрическую пластину 202 и может достигать в измерительной области 331 нескольких сотен. При этом ширина измерительной области группы может составлять несколько десятков микрометров. За счет использования множества измерительных областей групп и, соответственно, множества участков кусочно-постоянной аппроксимации обеспечивается размещение всей области 323 соприкосновения внутри измерительной области 331. При этом обеспечивается относительно низкая погрешность кусочно-постоянной аппроксимации. Поэтому отдельные электроды группы могут располагаться по оси абсцисс в произвольном месте измерительной области соответствующей группы, совместно с электродами других множеств и их выводов, размещение которых также возможно в границе измерительной области этой группы, с обеспечением допустимой погрешности аппроксимации границы двумерной области.
a
а
1
2
Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 332 вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. В связи с тем, что измерительные электроды расположены в границе измерительной области, которая не обязательно является прямоугольной, измерительные электроды групп, находящиеся вблизи границы измерительной области могут быть обрезаны по границе, при этом находящаяся с краю группа в сечении параллельной оси абсцисс линией будет иметь неполный состав электродов. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины электродов измерительных частей групп, группы с неполным составом электродов в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу электродов можно условно дополнить частями, которые были обрезаны, до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы считаются полными группами и используются для характеристики электродов групп в данном признаке изобретения. Рассмотренные признаки, по существу, ограничивают конструкцию электродов в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты  и  в формуле (15) равны между собой для всех групп. Это означает, что измерительные электроды всех групп имеют одинаковую чувствительность, и что начало системы координат по оси ординат для всех групп множества совпадает.
В соответствии с формулой изобретения группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс. Интервалы между электродами групп заданы условием расположения электродов групп в границах соответствующих измерительных областей групп. Измерительные области групп имеют одинаковую ширину в направлении оси абсцисс и расположены без промежутков между соседними измерительными областями групп вдоль оси абсцисс. С учетом того, что суммарная ширина вдоль оси абсцисс в функции расстояния вдоль оси ординат для электродов групп является постоянной величиной, площадь пересечения электродов группы с двумерной областью можно связать с площадью соответствующей измерительной области группы, с введением коэффициента пропорциональности
где:
S'' - площадь пересечения двумерной области 323 с измерительной областью группы электродов 312;
2
К - коэффициент пропорциональности.
1
2
S+S - площадь области пересечения двумерной области 323 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы.
В связи с тем, что системы электродов каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены на диэлектрической пластине в одной системе координат, с учетом выражения (20), для геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно записать
Где:
Y
G - координата геометрического центра двумерной области по оси ординат Y;
- координата геометрического центра области пересечения двумерной области соприкосновения 323 тела и измерительной области группы электродов с номером i, по оси ординат Y;
- площадь области пересечения двумерной области 323 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы, для группы с номером i.
На основе выражения (21), путем замены  правой частью выражения (21) с учетом выражений (9) и (12), для координаты геометрического центра двумерной области получаем
С учетом выражений для емкостей электродов (1) и (3)
Суммы емкостей электродов измерительных частей групп равны соответствующим суммам емкостей электродов измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя. Поэтому справедливы следующие равенства
В результате подстановки этих сумм в выражение (23) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15).
Таким образом, реализация функции определения координаты двумерной области по одной оси, осуществляемой с помощью двух измерительных частей множества измерительных электродов, считается доказанной.
В соответствии с формулой изобретения, измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат 316 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат 317 измерительных электродов второго множества. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
В этом случае геометрический центр двумерной области находится на пересечении двух линий. Первая линия перпендикулярна оси ординат системы координат первого множества электродов и имеет измеренную с помощью первого множества электродов координату геометрического центра, вторая линия перпендикулярна оси ординат системы координат второго множества и имеет координату, равную измеренной величине координаты геометрического центра по оси ординат посредством второго множества электродов. Первая и вторая линии тождественны двум осям равновесия двумерной области, пересечение которых определяет расположение геометрического центра двумерной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
Таким образом, назначение электроемкостного преобразователя, заключающееся в определении геометрического центра двумерной области, образованной соприкосновением электропроводящего тела - пальца руки или стилуса с поверхностью электроемкостного преобразователя считается доказанным.
В соответствии с изобретением, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя. Электроемкостный преобразователь допускает использование множества схем соединений электродов и подключений выводов. Варианты схем приведены в вариантах электроемкостного преобразователя. Координаты геометрического центра двумерной области связаны системой емкостей измерительных частей математическими зависимостями. Математические зависимости приведены в описании вариантов схем соединений электродов и подключений выводов.
В электроемкостном преобразователе, который показан на фиг. 13, для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 316 и 317, соответствующих первому и второму множествам электродов. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 316 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 317 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений электродов и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 316 и 317 отдельных множеств электродов в систему координат измерительной области выполняют по известным формулам. Соответственно, в системе координат измерительной области можно определить форму, размеры и расположение измерительных электродов.
Наиболее удобной для применения является система координат 320 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой пересечения осей абсцисс 321 локальных систем координат 316 и 317 первого и второго множеств. Такая система координат электроемкостного преобразователя относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг. 13, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической пластины 202.
Анализ показывает, что существуют системы электродов, в которых электроды двух множеств, а также их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. Варианты этих систем электродов приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Эти варианты основаны на свойствах системы электродов, в которой электроды выполнены в соответствии с признаками изобретения, в виде трапеций. Особенности вариантов показаны на фиг. 9 и фиг. 10. Трапеции могут быть выполнены с наклоном на заданный угол относительно оси ординат Y системы координат 316, как показано на фиг. 9. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси X абсцисс их суммарная ширина, определенная вдоль оси X абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси Y ординат электродов 302 или 303 измерительных частей не изменяется. С таким наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Поэтому наклоненные электроды для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным электродам. Измерительные электроды измерительных частей, как показано на фиг. 10, могут быть вписаны в заданную измерительную область группы электродов 329 на диэлектрической пластине путем их обрезки на границе области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области группы. При этом вписанные и удлиненные измерительные электроды в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение электродов не вносят изменения в признаки изобретения, не меняют систему координат множества электродов и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной емкости с использованием участков измерительных электродов только в области пересечения двумерной области с измерительной областью.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области имеет следующие варианты.
3.1 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 18 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного на фиг. 11-13.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
1
2
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающийся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины, измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Как показано на фиг. 11, для групп электродов 318, входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 316 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 319 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 317 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу. Дополнительно на фиг. 11 показаны измерительные области 329 и 330 для групп электродов. Измерительные области групп 239 и 330 составляют измерительную область 310.
Группы измерительных электродов (см. фиг. 12) первого и второго множества расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области с чередованием и не пресекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Электроды измерительных частей (см. фиг. 12 и фиг. 13) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области 310, обрезаны по границе измерительной области. Геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка 321 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 316 и 317 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 310.
Реализация назначения для варианта электроемкостного преобразователя обеспечивается тем, что для каждого множества электродов, находящиеся с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс, выполнены с наклоном на заданные углы, которые не равны друг другу, поэтому ось ординат электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат электродов второго множества, что соответствует существенному признаку независимого пункта п. 17 формулы электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области.
В связи с тем, что группы электродов первого множества и группы электродов второго множества расположены с заданными интервалами, с параллельным расположением сторон трапеций находящихся на краях групп электродов первого и второго множеств, измерительные электроды групп не пересекают друг друга и могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. Как показано на фиг. 13, 15, 18, 21 и фиг. 27-28 в вариантах изобретения, выполнение системы электродов в соответствии с признаками изобретения этих вариантов электроемкостного преобразователя, позволяет расположить измерительные электроды, соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической пластины.
Расположение измерительных электродов и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины позволяет увеличить точность электроемкостного преобразователя и уменьшить его стоимость. Повышение точности связано с тем, что в данном случае нет необходимости в совмещении электродов, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины, в результате может быть уменьшена ширина групп электродов и уменьшена погрешность кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Уменьшение стоимости связано с упрощением технологического процесса изготовления, при котором необходимо наносить электроды только на одну поверхность слоя диэлектрической пластины.
В варианте изобретения измерительные электроды расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области. Совмещение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат множеств электродов с геометрическим центром измерительной области может быть осуществлено путем выбора соответствующего расположения двух множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. При этом каждое множество рассматривается как целое. Необходимое расположение множеств относительно друг друга, как показано на фиг. 12, может быть осуществлено путем перемещения множеств измерительных электродов в направлении, совпадающем с направлением боковых сторон трапеций групп электродов двух множеств, где они параллельны друг другу. Получившуюся фигуру затем вписывают в границу измерительной области 310 путем обрезки боковых сторон трапеций по границе измерительной области, для трапеций, которые выходят за границу измерительной области и удлинения боковых сторон трапеций, которые не доходят до границы измерительной области, как показано на фиг. 12 и фиг. 13.
Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре измерительной области, по существу, означает равенство площадей электродов измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость электроемкостного преобразователя.
Признак изобретения «точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области» может быть заменен признаком «начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области», т.к. точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множество совпадает с началом локальной системы координат измерительной области.
3.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 19 формулы изобретения. В этом варианте в дополнение к признакам электроемкостного преобразователя по п. 17 или п. 18 конкретизирована схема соединений электродов и подключений выводов. Особенности схемы соединений по варианту показаны на фиг. 13.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов, измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
Величины координат геометрического центра двумерной области связаны с системой величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя следующими зависимостями.
Где:
Y1
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
Y2
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
a
1,Yl
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y1 системы координат первого множества;
a
1,Y2
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y2 системы координат второго множества;
a
2,Y1
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первого множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y1;
a
2,Y2
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второго множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y2;
1,M1
C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части первого множества;
2,M1
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части первого множества;
01,M1
02,M1
С, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела;
1,M2
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части второго множества;
2,М2
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части второго множества;
01,M2
02,М2
C, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.
01,M1
02,M1
01,М2
02,М2
1,M1
2,М1
1,М2
2,М2
Величины C, C, C и C находят в процессе калибровки электроемкостного преобразователя, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают. Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей С, С, C и C в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.
Каждая из зависимостей (25) и (26) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств электродов. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат, с привязкой к множествам.
С использованием признаков изобретения, приведенных в варианте 3.1, обеспечивается расположение электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины.
Анализ показывает, что при определении координат геометрического центра двумерной области одна из четырех измерительных частей является зависимой от других измерительных частей. Для реализации назначения достаточно использования трех измерительных частей. При этом система из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы электродов состоящей из четырех измерительных частей, без изменения конструкции измерительных электродов этих частей, путем использования схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов. При этом образуется система электродов измерительной области, состоящая из трех измерительных частей, в которой в каждой измерительной части измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных электродов элекроемкостного преобразователя для измерения геометрического центра двумерной области имеет три вывода. Схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов приведены в вариантах 3.3, 3.4 и 3.5. В описании вариантов доказана реализация назначения электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы электродов имеющей три измерительные части. При этом система измерительных электродов измерительной области имеет три вывода.
3.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 20 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг. 11. На фиг. 14 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 15 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
В этом случае, для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом емкости электродов измерительных частей, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов, которые не соединены. Эта возможность связана с тем, что трапеции первой и второй измерительных частей любой группы электродов дополняют друг друга до образования постоянной ширины, величина которой известна, при этом величину воздействия тела, для которого определяют геометрический центр, на две ближайшие группы электродов принимают условно одинаковой. Погрешность, связанная с этим допущением, относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области тела.
2,M1
1,М2
Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов С, C. При этом для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
3
2,M1
1,М2
C=C+C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
Σ
2,М2
1,M1
3
C=С+C+C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,M1
01,M2
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины C и C определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти микроконтроллера, а при вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (27) и (28) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
3.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 21 формулы изобретения. На фиг. 16 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 17 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 18 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
2,M1
2,М2
В данном варианте для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом величины электрических емкостей электродов, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов, которые не соединены. Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов C и С. При этом для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
4
2,M2
2,М1
С=C+C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
Σ
1,M2
1,М1
4
С=С+С+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,M1
02,М2
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины C и С определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (29) и (30) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
3.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 22 формулы изобретения. На фиг. 19 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 20 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 21 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем что, в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
2,М2
2,M2
В связи с тем, что в данном варианте не подключены измерительные электроды одной из измерительных частей одного множества, например, второй измерительной части второго множества, значение электрической емкости измерительных электродов C неизвестно. Поэтому непосредственно использовать выражение (26) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных электродов C может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных электродов других измерительных частей
02,М2
Необходимую для вычисления по формулам (26) величину C определяют в процессе калибровки и записывают в блок памяти. При вычислении координат геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление электрической емкости исключенной измерительной части по формуле (31) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
Варианты 3.3, 3.4 и 3.5 электроемкостного преобразователя обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 3.2. Дополнительное положительное свойство вариантов - сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в электроемкостном преобразователе множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.
3.6 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
В электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра двумерной области в формуле изобретения по п. 17 можно исключить конструктивные признаки, относящиеся к системе измерительных электродов измерительной области, и заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана. Также возможно обобщить признаки вариантов, в которых измерительная область выполнена с использованием разного количества измерительных частей. Электроемкостный преобразователь в вариантах 3.3, 3.4, 3.5 и 4.3 имеет три измерительные части, в вариантах 3.2, 4.2 - четыре, в варианте 4.4 - шесть и восемь. Измерительные части характеризуются тем, что измерительные электроды каждой из измерительных частей соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использование обобщения вариантов и функционального признака соответствует п. 23 формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом измерительные электроды измерительных частей совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат, выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя.
Признак формулы изобретения - «измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической пластине в границе соответствующей измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части, электроды в каждой из которых электрически соединены между собой» объединяет варианты электроемкостного преобразователя, которые соответствуют пунктам формулы изобретения пп. 19-22. В описании вариантов 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 доказана реализация назначения электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы электродов имеющей три измерительные части. При этом нет принципиальных ограничений в увеличении количества измерительных частей в одной измерительной области. Поэтому признаки изобретений по этим пунктам можно объединить обобщающим признаком.
Признак формулы изобретения - «измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом, реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области» заменяет конструктивные признаки системы электродов функциональным признаком.
3.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 24 формулы изобретения. На фиг. 22 показана схема микроконтроллера и схема подключений выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру, для варианта 3.2. Схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру для вариантов 3.3, 3.4 и 3.5 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей, в остальном аналогичны.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что с целью формирования выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 350, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 336 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 339 и процессор 337, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы 338 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 336 поступают на вход процессора 337 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 340 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
3.8 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с изоляцией электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 25 и п. 40 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 7.
Вариант характеризуется тем, что электроемкостный преобразователь 301 содержит изолирующую пластину 311 из диэлектрического материала, расположенную на поверхности стороны диэлектрической пластины 202 с измерительными электродами 314. Причем изолирующая диэлектрическая пластина выполнена из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях пластины. Изолирующая пластина также может быть выполнена в виде наружного диэлектрического слоя диэлектрической пластины. Изолирующая пластина может быть выполнена из прозрачного материала.
Функция изолирующей пластины заключается в изоляции электродов от прямого соприкосновения с электропроводящим предметом и защиты электродов от механических повреждений.
1
1
Коэффициент пропорциональности К между электрической емкостью и площадью электродов для этого варианта соответствуют выражению (2). При этом увеличение толщины изолирующей пластины и соответственно коэффициента К практически не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя, т.к. коэффициент в формулах для определения координат геометрического центра двумерной области сокращается. В связи с чем, изолирующая защитная пластина может быть относительно большой толщины и прочности. Дополнительное положительное свойство изолирующей пластины - снижение погрешности дискретизации. Если толщину изолирующей диэлектрической пластины выбрать в несколько раз больше ширины электродов, то электрическое поле от границы тела на уровне слоя диэлектрической пластины с электродами распределяется на большую площадь. При этом проекция границы тела на измерительные электроды становится менее четкой и охватывает в направлении ширины электродов большее количество электродов. В результате среднее значение границы определяется преобразователем более точно.
3.9 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением общего электрода со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 26 и п. 41 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 7.
На фиг. 7 общий электрод 322 показан в виде тонкого электрода, расположенного на поверхности диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Конструкция общего электрода имеет множество вариантов. Экранирующий электрод может быть расположен на поверхности стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами, или в виде отдельного от диэлектрической пластины электрода, поверхность которого параллельна поверхности с измерительными электродами. В состав общего электрода могут входить другие элементы, например боковые стороны смартфона, выполненные из электропроводящего материала. Общий электрод подключен к общей точке аналого-цифрового преобразователя контроллера смартфона. Общий электрод должен обеспечивать электрическое соединение или емкостную связь с электропроводящим телом, например с пальцем руки 105 через тело человека. В отсутствии экранирующего электрода общий электрод должен обеспечить реализацию функции экранирования измерительных электродов от помех и выравнивания электрического поля со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с электродами.
Конструкции общего электрода имеет множество вариантов.
3.10 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим электродом
Вариант соответствует п. 27 и п. 42 формулы изобретения. Экранирующий электрод расположен со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами, и выполнен в виде тонкого электрода или в виде электропроводящей пластины, имеющих обращенную в сторону измерительных электродов поверхность, параллельную поверхности слоя диэлектрической пластины с электродами.
Вариант электроемкостного преобразователя 301 для смартфона с экранирующим электродом показан на фиг. 23. Экранирующий электрод 333 выполнен в виде тонкого электрода расположенного на стороне диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Общий электрод 322 выполнен в виде электропроводящих боковых поверхностей смартфона. Диэлектрическая пластина 202 с электродами расположена поверх поверхности LCD дисплея 334. Под дисплеем расположены элементы 335 электронной схемы емкостного сенсорного экрана или смартфона.
В измерительной технике известен способ уменьшения «паразитной» емкости проводника измерительной цепи за счет изоляции экранирующего проводника и его подключения к источнику возмущающего измерительную цепь напряжения. В этом случае потенциал на экранирующем проводнике синфазно изменяется с потенциалом в проводнике измерительной цепи, в результате уменьшается взаимная емкость. В данном случае, с помощью способа можно уменьшить пассивную емкость измерительных электродов. Для этой цели в вариант электремкостного преобразователя введен экранирующей электрод 333. В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использован преобразователь на основе измерения RC-параметров. Экранирующий электрод подключают к выводу источника возмущающего RC-цепь напряжения. Экранирующий электрод, дополнительно реализует функцию экранирования электродов от помех со стороны LCD дисплея и выравнивания электрического поля. С введением экранирующего электрода, в качестве общего электрода 322 могут быть использованы электропроводящие конструкции смартфона, которые подключены к общей точке аналого-цифрового преобразователя емкость - цифровой код. Возмущающее напряжение подается на электрод 333 по проводнику 384 от схемы аналого-цифрового преобразователя. Гальваническая или емкостная связь 385 с телом человека обеспечивается путем контакта руки с общим электродом через боковые поверхности смартфона.
Конструкция экранирующего электрода имеет множество вариантов.
3.11 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 28 и п. 43 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 24.
В электроемкостных преобразователях группы изобретений используются измерительные электроды из электропроводящего материала, толщина которых много меньше размеров электродов, например, печатные электроды. Измерительные электроды расположены на поверхности диэлектрической платины или на поверхности слоя диэлектрической пластины.
С использованием варианта с расположением измерительных электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины, диэлектрическая пластина с измерительными электродами выполнена многослойной, при этом измерительные электроды 314 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины. На фиг. 24 показано размещение электродов на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины. Дополнительный слой с электродами обозначен цифрой 383. Конструктивно измерительные электроды могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической пластины с разных сторон слоя, например, на слой 383 или с одной стороны отдельных слоев 382 и 383, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные электроды, расположенные на разных поверхностях слоев пластины, изолированы друг от друга.
Вариант с расположением электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины может найти применения в случае необходимости пересечения измерительных электродов или их выводов на диэлектрической пластине. Например, такая конструкция диэлектрической пластины может использоваться в электроемкостном преобразователе с расположением измерительных областей с электродами в виде строк и столбцов.
3.12 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что диэлектрическая пластина и расположенные на ней электроды выполнены практически прозрачными
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 29 и п. 44 формулы изобретения.
Вариант характеризуется тем, что изолирующая пластина, диэлектрическая пластина и электроды выполнены практически прозрачными. В этом варианте изолирующая и диэлектрическая пластина, например, может быть изготовлена из стекла, а электроды из оксида индия-олова. Вариант электроемкостного преобразователя используется в случае расположения диэлектрической пластины с электродами поверх поверхности дисплея, в составе сенсорного экрана. Прозрачность электродов может быть реализована не только за счет использования практически прозрачного проводника. Например, экранирующий или общий электрод, расположенный со стороны пластины, противоположной стороне с электродами, может быть выполнен в виде сетки из непрозрачного проводника.
3.13 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической пластиной имеющей плоскую или цилиндрическую поверхность
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 30 и п. 45 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая пластина имеет плоскую поверхность или поверхность в форме поверхности цилиндра или ее части.
Вариант с цилиндрической поверхностью может найти применение для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область в области соприкосновения образуется за счет деформации электропроводящего тела. В этом случае двумерная область принимает форму цилиндрической поверхности диэлектрической пластины. При этом для расположения электродов может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая поверхность цилиндра. На практике целесообразно использовать диэлектрическую пластину, которая выполнена в виде части полого цилиндра.
Диэлектрическая пластина с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания пластины с плоской поверхностью по поверхности пластины с электродами. Координатная сетка системы координат измерительной области пластины, оси которой связаны с поверхностью диэлектрической пластины, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности пластины не изменяются геометрическая форма, размеры и расположение фигур измерительных электродов. Следовательно, не меняются признаки формулы изобретения, которые определяют форму, размеры и относительное расположение измерительных электродов.
1
В зависимостях (1) и (3) между электрической емкостью и площадью измерительных электродов использована формула для плоского конденсатора, с обкладками, имеющими плоскую поверхность. В случае использования пластины с цилиндрической поверхностью необходимо применять формулу для цилиндрического конденсатора. Общий вид зависимостей между емкостью и площадью измерительных электродов (1) и (3) не изменяется, при этом выражение для вычисления коэффициента К для варианта электроемкостного преобразователя для электропроводящих тел имеет вид
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
3
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующей измерительные электроды пластины;
3
d - толщина изолирующей измерительные электроды диэлектрической пластины;
1
R - радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные электроды диэлектрической пластины.
В конечных формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области этот коэффициент сокращается, поэтому выполнение диэлектрической пластины с цилиндрической поверхностью не влияет на реализацию целевой функции электроемкостного преобразователя, в соответствующей области применения.
3.14 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с деформируемой диэлектрической пластиной
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 31 и п. 46 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 25. На фиг. 26 дополнительно показан палец руки и схема соединений общего электрода 326.
В этом варианте электроемкостный преобразователь дополнительно содержит деформируемую диэлектрическую пластину 386, которая выполнена с возможностью упругой деформации по толщине в отдельных областях пластины. Деформируемая диэлектрическая пластина расположена поверх слоя с измерительными электродами 314 диэлектрической пластины 202. На наружной стороне деформируемой пластины 386 нанесен растягивающийся электрод 387, который подключен к общему электроду 333.
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключатся в следующем.
К измерительной области диэлектрической пластины прикасаются электропроводящим или диэлектрическим телом, например пальцем руки 105, который деформирует пластину 386 до заданной глубины. В этом случае, с уменьшением толщины диэлектрического слоя в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами 314 измерительных частей и растягивающимся электродом 386.
Деформируемая экранирующая пластина 386 может быть выполнена в виде дополнительной накладки, которая устанавливается поверх защитной изолирующей пластины электроемкостного преобразователя сенсорного экрана или панели. Поверх растягивающегося электрода может быть расположен защитный диэлектрический слой.
Вариант может найти применение в сенсорных экранах или панелях для жестких условий эксплуатации, когда возможно попадание на сенсорный экран или сенсорную панель воды, а также в условиях сильных электромагнитных помех. Сенсорный экран или панель по этому варианту также может найти применение в системах, где важна конфиденциальность информации, т.к. в сенсорном экране или панели обеспечено экранирование электромагнитного излучения от дисплея, а также от самого сенсорного экрана или сенсорной панели.
3.15 Особенности принципа действия электроемкостного преобразователя при реализации способа бесконтактного ввода координат мест приближений пальца руки или стилуса для емкостного сенсорного экрана
Анализ конструкции системы электродов электроемкосного преобразователя показывает, что система электродов в общем случае реализует определение координат геометрического центра двумерной области с учетом весов точек двумерной области. Способ определения координат геометрического центра двумерной области с помощью прикосновения является частным случаем общего способа определения координат двумерной области с помощью приближения пальца и прикосновения руки или стилуса к поверхности измерительной области.
Как показано на фиг. 3 и фиг. 4, в случае приближения электропроводящего тела - пальца руки 105 или стилуса к поверхности измерительной области 110, на поверхности измерительной области образуется двумерная область 112 приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. Двумерная область 112 приближения образуется на поверхности измерительной области 110 в области сгущения силовых электрических линий 113, которые распространяются между поверхностью общей измерительной области с электродами и кончиком пальца руки или стилуса. Максимальное сгущение силовых линий формируется в местах, которые приближены на минимальное расстояние к кончику пальца руки или стилусу. Для удобства математических выкладок можно использовать множество квадратных участков 116 одинаковой площади. Величина площади каждого участка выбрана такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости соответствующих участков измерительных электродов измерительной области. В области сгущений силовых линий, где палец приближен на минимальное расстояние, электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области приближения является доминирующей для нахождения координат геометрического центра. С другой стороны, в частях двумерной области, которые удалены от поверхности пальца, емкость участков существенно снижается, и снижаются веса этих участков. Поэтому эти части не оказывают большого влияния на координаты геометрического центра и ими можно пренебречь. В связи с этим можно условно ограничить двумерную область приближения.
Для того, чтобы учесть величину  - приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области с электродами введем для участков поверхности весовые коэффициенты
Где:
- весовой коэффициент, учитывающий величину приближения электропроводящего тела к участку поверхности двумерной области;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью участка и площадью электродов участка двумерной области с номером i;
1CP
K - коэффициент пропорциональности между средней электрической емкостью участков и средней площадью участков двумерной области.
Где:
- величина избыточной электрической емкости электродов участка двумерной области с номером i;
- площадь электродов участка двумерной области с номером i;
CP
C - среднеарифметическая величина избыточной электрической емкости электродов участков двумерной области;
CP
S - среднеарифметическая величина площади электродов участков двумерной области;
i
d - величина расстояния между участком двумерной области приближения и поверхностью электропроводящего тела;
CP
d - средняя величина расстояния между участками поверхности двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;
0
ε - диэлектрическая постоянная;
В
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха;
ИП
ε - относительная диэлектрическая проницаемость изолирующей пластины.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y1 и Y2 с введение весовых коэффициентов справедливы следующие выражения
Где:
Y1
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества измерительных электродов в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y1 участка двумерной области под номером i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей первого множества электродов для участка с номером i;
Y2
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области под номером i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей второго множества электродов для участка с номером i.
CP
Во вторых частях выражений (36) и (37) площади электродов участков  сокращаются, сумма средних величин C по всей двумерной области заменена на пропорциональную этой сумме величину избыточной емкости суммы электродов первой и второй измерительной части соответствующего множества электродов, величина емкости участка  заменена на сумму избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей соответствующего множества, в границах соответствующего участка с номером i.
После подстановки правых частей выражений (25) и (26) для координат геометрического центра для участка двумерной области под номером i взамен  и  в соответствующие выражения (36) и (37) получим выражения для вычисления координат геометрического центра всей двумерной области, идентичные (25) и (26). Поэтому введение весовых коэффициентов не меняет вид формулы (25) и (26) для вычислений координат геометрического центра.
Выражения (25) и (26) используется для вычисления координат геометрических центров для всех систем электродов в рамках данного изобретения. Поэтому, в случае введения весовых коэффициентов  для вычисления координат геометрического центра двумерной области, вид формул для вычисления координат геометрических центров для всех вариантов электроемкостного преобразователя не меняется. В связи этим, электроемкостный преобразователь в общем случае выполняет функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области.
Весовые коэффициенты имеют величину больше единицы в части двумерной области, которая в наибольшей степени приближена к поверхности электропроводящего тела и меньше единицы в части двумерной области с наименьшим приближением. В случае если для всех участков двумерной области соблюдается равенство , весовой коэффициент равен 1. Этот случай соответствует варианту, когда двумерная область формируется за счет прикосновения пальца руки к поверхности измерительной области.
Весовые коэффициенты приблизительно пропорциональны относительной глубине соответствующих участков поверхности электропроводящего тела, которая обращена в сторону поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя. При этом с удалением тела от поверхности измерительной области масштаб глубины уменьшается. Т.е. поверхность тела с удалением выглядит более плоской. А с приближением - более выпуклой. Тем не менее, определение мест приближений частей тела к поверхности измерительной области с таким изменением масштаба глубины не является недостатком, т.к. ввод координат, при использовании экрана большой величины на относительно большом удалении, может быть осуществлен рукой, вытянутой в сторону экрана. Детали поверхности пальцев здесь не важны. А для ввода деталей можно приблизить руку к поверхности измерительной области и ввести координаты с помощью пальцев. В последнем случае форма выпуклости кончиков пальцев будет учитываться с большим масштабом глубины.
4. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей соответствует п. 32 формулы изобретения. Варианты конструкции электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 27-36.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и расположенное на диэлектрической пластине множество измерительных областей с измерительными электродами. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит два множества измерительных электродов, причем измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. В каждой из измерительных областей форма, размеры и расположение измерительных электродов первого и второго множеств определены в отдельных соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительной области измерительные электроды разделены на соответствующие множеству однообразные группы электродов, при этом группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп расположена в границе соответствующей измерительной области группы. Измерительные области групп имеют одинаковую ширину в направлении оси абсцисс и расположены без промежутков между соседними измерительными областями групп вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Для каждой измерительной части измерительной области измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему электрическому выводу. Выводы измерительных частей измерительных областей, совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей электроемкостного преобразователя.
В соответствии с изобретением отдельные измерительные области могут быть произвольной формы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Такое расположение напоминает расположение измерительных областей в виде элементов мозаики. Заданные промежутки между измерительными областями необходимы для размещения соединительных проводников. С промежутками связана погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которая относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы измерительной области, поэтому ширину промежутков необходимо выбирать минимально возможной. Промежутки между измерительными областями могут иметь постоянную ширину, например, с целью повышения симметрии расположения измерительных областей.
Возможен вариант, в котором соединительные проводники и выводы размещены внутри измерительных областей групп измерительных электродов. В этом случае границы измерительных областей расположены с промежутками нулевой величины, с примыканием друг к другу. Вариант соответствует п. 38 формулы изобретения.
Расположенные в промежутках между измерительными областями групп или в пространстве измерительных областей групп соединительные проводники также могут быть источником погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.
Электроемкосный преобразователь с использование множества измерительных областей имеет следующие преимущества в сравнении с электроемкостным преобразователем с одной измерительной областью.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с одной измерительной областью, в случае определения координат геометрического центра для относительно небольшой по размерам двумерной области имеет относительно большую погрешность определения координат. Погрешность связана с относительно большой величиной пассивной электрической емкости измерительных электродов, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области диэлектрической пластины электродов снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей диэлектрической пластины систему координат. В связи с этим снижается температурная стабильность и точность определения координат геометрического центра. Этот недостаток в данной разновидности электроемкостного преобразователя практически исключен за счет расположения на диэлектрической пластине множества измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определения геометрического центра с использованием группы измерительных областей, покрывающей двумерную область тела. В этом случае, для определения геометрического центра используется минимальное количество электродов, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, для каждой относительно небольшой измерительной области имеется возможность выполнить систему электродов с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей.
Ниже, в варианте 4.1 описан электроемкосный преобразователь, измерительная область которого содержит три измерительные части и, соответственно, три электрических вывода. В вариантах 4.2 и 4.3, приведены примеры реализации электроемкостного преобразователя с измерительными областями в виде прямоугольников и шестиугольников. В варианте 4.4 использованы измерительные области, распложенные на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов. Расположенные на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины измерительные электроды измерительных областей строк и столбцов также разделены промежутками. Дополнительно, в этом случае для размещения соединительных проводников строк с условием не затенения измерительных электродов столбцов, измерительные электроды измерительных областей столбцов и сами области разделены по оси ординат на части (см. фиг. 31 - фиг. 35) с промежутками между частями. При этом расположенные напротив друг друга на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины части измерительных областей столбцов и части строк, можно рассматривать как отдельные измерительные области 429, отделенные заданными промежутками.
С целью обеспечения использования в разных условиях применения, электроемкостный преобразователь может быть выполнен в нескольких вариантах, отличающихся конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода по вариантам 3.8-3.14. Особенности электроемкостного преобразователя данной разновидности связаны, в основном, с особенностями выполнения измерительных областей с измерительными электродами. Ниже описана сущность нескольких таких вариантов.
4.1 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с тремя выводами от измерительных частей измерительной области
Вариант соответствует п. 33 формулы изобретения и характеризуется следующими признаками.
Электроемсокотсный преобразователь отличающийся тем, что в системе электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей, измерительные электроды любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные электроды соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных электродов измерительной части.
Данная система электродов получается с использованием вариантов схем соединений измерительных электродов и подключением выводов, описанных в вариантах 3.3, 3.4, 3.5 и соответствующих пунктах п. 20, п. 21 и п. 22 формулы изобретения.
4.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 34 формулы изобретения. На фиг. 27 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 28 приведена система измерительных электродов, схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, которые расположены на диэлектрической пластине в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
Вариант электроемкостного преобразователя 401 содержит диэлектрическую пластину 202, на которой расположены множество измерительных областей 410 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической пластине с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области 404 диэлектрической пластины.
В данном варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в вариантах 3.1 и 3.2 раздела «сущность изобретения».
В каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. Совмещение начала системы координат измерительной области с геометрическим центром измерительной области, как показано в описании варианта 3.1, может быть осуществлено путем соответствующего расположения множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. На фиг. 28 локальные системы координат первого и второго множеств обозначены цифрами 416 и 417, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.
Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины 202. Схема соединений электродов может быть применена для любого количества электродов без пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 27 и фиг. 28 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической пластины в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.
Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей электроемкостного преобразователя.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей заключается в следующем.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность общей измерительной области диэлектрической пластины помещают тело, которое образует с поверхностью двумерную область соприкосновения. Для каждой измерительной области на основе измерения емкостей измерительных частей электродов определяют геометрические центры в области пересечения двумерной области и измерительной области, в локальной для измерительной области системе координат. Затем, для вычисления координат геометрического центра двумерной области, координаты геометрических центров пересечения измерительных областей с двумерной областью переводят в общую систему координат общей измерительной области и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат, на основе следующих формул.
Где:
Y
G - величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i в системе координат общей измерительной области;
- площадь электродов измерительной области с номером i, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела;
- суммарная величина избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i;
X
G - величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i.
Значение  емкости суммарной величины избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i связано с величиной площади  пересечения электродов каждой измерительной области с двумерной областью тела выражением, аналогичным выражению (1) или (3)
Где:
1
К - коэффициент пропорциональности между электрической емкостью и площадью электродов.
Для системы электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей величина  равна
Где:
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i.
1
1
Коэффициент пропорциональности К между электрической емкостью и площадью электродов может быть найден по формуле (2) для плоской диэлектрической пластины, или по формуле (32) для диэлектрической пластины изогнутой в форме части цилиндра. При вычислении геометрического центра по формулам (38) и (39) этот коэффициент К сокращается, поэтому использование вариантов диэлектрической пластины не оказывает влияния на реализацию назначения электроемкостного преобразователя. В связи с тем, что группы измерительных электродов, из которых состоит измерительная часть измерительной области, имеют постоянную ширину и содержат заданное количество однообразных измерительных групп электродов, расположенных в границах измерительных областей групп, площадь измерительной области пропорциональна площади измерительных электродов измерительной области. В выражениях (38) и (39) коэффициент пропорциональности также сокращается. Поэтому, в формулах (38) и (39) использована площадь электродов измерительной области в области их пересечения с измерительной областью, взамен площади поверхности измерительной области в области пересечения измерительной области с двумерной областью.
Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (38) и (39) по всем измерительным областям измерительной области общей измерительной области диэлектрической пластины. В тоже время, такое суммирование для небольшой двумерной области приводит к погрешности, обусловленной большой величиной пассивной емкости электродов.
Величину этой емкости можно уменьшить следующим способом.
На основе информации о величинах  суммарной избыточной емкости измерительных частей электродов измерительной области находят измерительные области с величиной избыточной емкости больше заданной пороговой величины. Эти измерительные области считают полностью или частично покрытыми двумерной областью тела. Из числа этих областей выделяют группу измерительных областей, связанных между собой границами. Затем, вычисляют координаты общего геометрического центра двумерной области для связанных измерительных областей по формулам (38) и (39) с включением в суммы только измерительных областей входящих в группу измерительных областей.
Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на измерительной поверхности диэлектрической пластины с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые покрывают двумерные области разных тел. Для этих групп, с использованием выражений (38) и (39), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. На основе координат геометрических центров отдельных измерительных областей каждой группы определяют координаты геометрического центра двумерной области.
Разделение измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп по замкнутым цепочкам измерительных областей, окружающих группы измерительных областей, избыточная емкость которых ниже заданного порога.
Возможен алгоритм вычисления геометрических центров двумерных областей нескольких тел, имеющих двумерные области в форме кругов приблизительно одинаковых размеров, которые могут быть расположены на измерительной поверхности диэлектрической пластины без промежутков относительно друг друга. Этот алгоритм заключается в том, что с использованием информации о положении геометрических центров всех двумерных областей строят двумерный сплайн избыточной емкости по измерительной поверхности диэлектрической пластины, определяют точки максимумов, которые, в первом приближении, считают центрами двумерных областей. Затем, измерительные области, лежащие в лощинах сплайна, с учетом того, что форма двумерных областей тел, как и форма и расположение измерительных областей известны, условно разделяют на части, для которых по отдельности вычисляют геометрические центры. С учетом координат геометрических центров частей разделенных областей и площадей этих частей, находят геометрические центры двумерных областей.
На основании этого, реализация назначения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющего множество измерительных областей, считается доказанной.
4.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 35 формулы изобретения. На фиг. 29 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 30 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Вариант имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
Вариант 4.3 отличается от варианта 4.2 тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов. В дополнение к этому, в варианте использована система электродов с тремя выводами от измерительных частей по варианту 3.3. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя аналогичен варианту 4.2.
В сравнении с вариантом 4.2, в этом варианте использована система электродов с тремя выводами от измерительных частей, в результате чего уменьшается количество выводов от измерительных областей, что позволяет уменьшить промежутки между измерительными областями, уменьшить количество проводников в шлейфах и количество каналов преобразования «емкость - цифровой код» в микроконтроллере.
4.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 36 формулы изобретения. На фиг. 31 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине. На фиг. 32 и фиг. 33 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.
Вариант электроемкостного преобразователя характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, отличающийся тем, что измерительные области расположены на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины, причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки, а на другой поверхности диэлектрической пластины выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы. При этом в области пересечений измерительных областей строк и столбцов боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что на виде на поверхность диэлектрической пластины не пересекают друг друга, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей строк и столбцов.
Группы электродов измерительных областей строк и столбцов расположены на разных поверхностях слоев с чередованием и не пересекают друг друга. В связи с чем, измерительные электроды измерительных областей на виде сверху на поверхность диэлектрической пластины не затеняют друг друга. Поэтому, измерительные области, расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины можно рассматривать как вариант системы измерительных областей электроемкостного преобразователя, описанного в варианте 4.2.
При определении координат двумерной области могут использоваться как измерительные области столбцов, так и измерительные области строк, взятые по отдельности. При этом, в случае определения геометрического центра с использованием измерительных областей строк и столбцов, повышается точность определения геометрического центра до уровня точности, сопоставимого с точностью для варианта, например, 4.2, с не пересекающимися измерительными областями. Повышение точности связано с тем, что в локальной системе координат столбца или строки, вдоль направления ширины столбца или ширины строки, чувствительность преобразования может быть увеличена до величины, сопоставимой с чувствительностью отдельной, относительно небольшой по размерам измерительной области, а при вычислении координат геометрического центра может быть использована информация о положении геометрического центра по осям координат с наибольшей чувствительностью.
Возможность определения геометрических центров двумерных областей, как с использованием строк, так и столбцов расширяет степени свободы для раздельного определения геометрических центров двумерных областей, что увеличивает количество двумерных областей, для которых электроемкостный преобразователь способен по отдельности определить геометрические центры. Например, в случае пересечения двух или более двумерных областей с измерительной областью одного столбца, система электродов этого столбца позволит определить только общий геометрический центр частей этих двумерный областей. В тоже время имеется возможность независимого определения геометрических центров этих областей по отдельности с использованием измерительных областей строк.
При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 36, где измерительная область диэлектрической пластины, содержит восемь областей строк и восемь столбцов. Оси системы координат показаны только для измерительных областей крайних строк и столбцов. Расположение осей систем координат других строк и столбцов аналогично.
На фиг. 34 и фиг. 35 показан вариант электроемкостного преобразователя с тремя выводами от каждой измерительной области. На фиг. 34 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 35 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.
В варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов измерительной области с тремя выводами, по варианту 3.3. Преимуществом варианта является уменьшение общего количества выводов от измерительных областей и уменьшение ширины промежутков между измерительными областями.
4.5 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличается от электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра с использованием одной измерительной области тем, что в этом преобразователе использовано множество измерительных областей с измерительными электродами. Формула изобретения электроемкостного преобразователя для каждой из измерительных областей включает в себя все соответствующие признаки для одной измерительной области, описанные в разновидности электроемкостного преобразователя с одной измерительной областью. Поэтому в формуле изобретения можно исключить конструкционные признаки, относящиеся к измерительной области, заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с введением функционального признака соответствует п. 37 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных областей с измерительными электродами, форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической пластине в границе соответствующей измерительной области и образуют, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Выводы измерительных частей измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей электроемкостного преобразователя.
4.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, в котором промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины
Вариант электроемкстного преобразователя соответствует п. 38. Вариант характеризуется тем, что промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины, при этом соединительные проводники для соединения измерительных электродов измерительных частей и выводы измерительных частей расположены в границах измерительных областей групп электродов.
4.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с выходными сигналами в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 39 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 36.
В этом варианте электроемкостный преобразователь дополнительно снабжен микроконтроллером, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти и процессор. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
4.8 Особенности принципа действия электроемкостного преобразователя с использованием множества измерительных областей при реализации способа бесконтактного ввода координат мест приближений пальца руки или стилуса для емкостного сенсорного экрана
Для вычисления координат геометрического центра двумерной области приближения можно воспользоваться выражениям (38) и (39) с введением весовых коэффициентов для каждой измерительной области, по аналогии с выражениями (33), (34) и (35). Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области с электродами введем для группы измерительных областей следующие весовые коэффициенты.
Где
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, для измерительной области с номером i;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью электродов измерительной области и площадью измерительной области под номером i.
CP
K - коэффициент пропорциональности между средней избыточной электрической емкостью электродов группы измерительных областей и средней площадью электродов группы измерительных областей.
Где:
- величина избыточной электрической емкости электродов двумерной области с номером i;
- площадь электродов измерительной области с номером i;
CP
C - среднеарифметическая величина избыточных электрических емкостей электродов группы измерительных областей;
CP
S - среднеарифметическая величина площадей электродов группы измерительных областей;
i
d - средняя величина расстояния между поверхностью двумерной области с номером i и поверхностью электропроводящего тела;
CP
d - средняя величина расстояния между поверхностью группы измерительных областей и поверхностью электропроводящего тела;
0
ε - диэлектрическая постоянная;
В
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха;
ИП
ε - относительная диэлектрическая проницаемость изолирующей пластины.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y и X получаем следующие выражения
Где:
Y
G - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.
X
G - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.
В правых частях выражений (45) и (46) площади  сокращаются. В результате подстановки весовых коэффициентов , определенных в соответствии с выражением (42), правые части выражений (45) и (46) и выражений (38) и (39) получаются соответственно одинаковыми. В связи с этим, система электродов электроемкостного преобразователя с использованием множества измерительных областей реализует функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей с учетом весовых коэффициентов, которые учитывают величину приближения участков поверхности электропроводящего тела - пальца руки или стилуса к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя. В результате обеспечивается реализация определения координат одного или нескольких геометрических центров двумерных областей сформированных с помощью соприкосновений и приближений пальцев рук или стилуса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 и фиг. 2 - чертеж смартфона для пояснения сущности способа ввода координат мест прикосновений пальцев рук или стилуса.
Фиг. 3 и фиг. 4 - чертеж смартфона для пояснения сущности бесконтактного способа ввода координат мест приближений пальцев рук или стилуса.
Фиг. 5 и фиг. 6 - конструкция электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области сенсорного экрана.
Фиг. 7 - электромкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя вывода изумительных частей. Вид на диэлектрическую пластину сбоку.
Фиг. 8 - электромкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей. На фигуре показана система групп электродов одной измерительной части для пояснения принципа действия.
Фиг. 9 и фиг. 10 - вариант конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области на диэлектрической пластине.
Фиг. 11, фиг. 12 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов. На фиг. 11 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности. На фиг. 12 приведены эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине.
Фиг. 13 - электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей со схемой соединения электродов и подключения выводов.
Фиг. 14, фиг. 15 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества электродов. На фиг. 14 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 15 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов
Фиг. 16, фиг. 17 и фиг. 18 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества электродов. На фиг. 16 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 17 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 18 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Фиг. 19, фиг. 20 и фиг. 21 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов. На фиг. 19 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 20 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 21 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Фиг. 22 - на фигуре показан вариант электроемкостного преобразователя с микроконтроллером для формирования выходных сигналов в виде цифрового кода.
Фиг. 23 - вариант электроемкостного преобразователя с экранирующим электродом.
Фиг. 24 - вариант выполнения диэлектрической пластины с расположением электродов на двух слоях диэлектрической пластины.
Фиг. 25 и фиг. 26 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с деформируемой диэлектрической пластиной.
Фиг. 27 и фиг. 28 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме прямоугольников и четырьмя выводами от измерительной области. На фиг. 27 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 28 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 29 и фиг. 30 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме шестиугольников и тремя вывода от измерительной области. На фиг. 29 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 30 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 31, фиг. 32 и фиг. 33 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде матрицы. На фиг. 31 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине и их выводов. На фиг. 32 и фиг. 33 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений.
На фиг. 34 и фиг. 35 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений электродов для варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов и тремя выводами от измерительной области.
На фиг. 36 показан пример осуществления изобретения с использованием множества измерительных областей расположенных в виде восьми строк и восьми столбцов, с выходным сигналом в виде цифрового кода.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Осуществление изобретения раскрыто на примерах разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя, составляющих группу изобретений. Номера разновидностей электроемкостных преобразователей и их вариантов в разделе «осуществление изобретения» совпадают с номерами соответствующих разновидностей и вариантов, приведенных в разделе «сущность изобретения».
3. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта 3.1 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, который соответствует п. 18 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 17. Для пояснения сущности и осуществления изобретения на фиг. 7 показан вид на электроемкостный преобразователь сбоку. На фиг. 8 приведена конструкция электродов первого множества. На фиг. 11 показаны измерительные электроды первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 12 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 13 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений электродов и подключений выводов.
Электроемкостный преобразователь 301 для определения координат геометрического центра двумерной области, содержит диэлектрическую пластину 202, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 310, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 13 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 302, второй измерительной части первого множества цифрой 303, первой измерительной части второго множества цифрой 304, второй измерительной части второго множества цифрой 305. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат. Система координат первого множества обозначена цифрой 316, система координат второго множества цифрой 317. Причем ось ординат Y1 системы координат 316 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат Y2 системы координат 317 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы 318 или 319 измерительных электродов, при этом группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 332 вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.
1
2
Измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Измерительные электроды совместно с соединительными проводниками и выводами расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. Как показано на фиг. 11 для групп 318 измерительных электродов, входящих в первое множество, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 316 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 319 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 317 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу.
На фиг. 12. показаны измерительные электроды первого и второго множеств в совмещенном виде. При этом группы измерительных электродов первого и второго множества расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 310 с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Измерительные электроды первого и второго множеств расположены таким образом, что точка 321 пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 310.
На фиг. 13 дополнительно показана локальная система координат 320 измерительной области 310. При этом начало локальной системы координат измерительной области совпадает с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат 316 и 317 множеств электродов с геометрическим центром измерительной области 310.
Для того чтобы измерительные электроды были расположены в границе измерительной области 310, части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области. Измерительные электроды, расположенные в границе измерительной области, полученные путем обрезки и удлинения, показаны на фиг. 13.
Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений и подключений выводв имеет несколько вариантов. Особенности вариантов схемы соединений и подключений приведены в описании вариантов 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5 электроемкостного преобразователя. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области приведен в разделе «сущность изобретения».
3.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 19 формулы изобретения. Для этого варианта на фиг. 13 показана конструкция и расположение измерительных электродов первого и второго множества и схема соединений электродов и подключений выводов. Описание конструкции системы измерительных электродов варианта приведено в описании варианта 3.1, дальнейшим развитием которого является вариант 3.2.
Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов, отличается особенностями схемы соединений электродов и подключений выводов измерительных электродов измерительных частей. В схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 306, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 307, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 308, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 309, дополнительный вывод 326 подключен к общему электроду.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 3, 3.1 и 3.2.
3.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, с тремя выводами от системы измерительных электродов с соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 20 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности, аналогично варианту 3.2, показанному на фиг. 11. На фиг. 14 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине, с обозначением границы измерительной области. На фиг. 15 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений электродов и подключений выводов. На фиг. 14 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 342, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 343, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 344, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 345.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 341 по варианту 3.3 отличается тем, что измерительные электроды 343 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 344 первой измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 347. Измерительные электроды 342 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 346, измерительные электроды 345 второй измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 348, дополнительный вывод 326 подключен к общему электроду.
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 15, находящиеся на краях групп измерительные электроды, которые относятся к разным множествам, принадлежат к разноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды разноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп, как показано на фиг. 15. Выполнение такого соединения не обязательно. Например, в варианте электроемкостного преобразователя под номером 4.4 эти измерительные электроды отделены друг от друга промежутками и соединены только с помощью соединительных проводников.
3.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 21 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности показано на фиг. 16. На фиг. 17 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 16 и фиг. 21 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 352, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 353, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 354, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 355. На фиг. 18 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 351 по варианту 3.4 отличается тем, что измерительные электроды 353 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 355 второй измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 357, измерительные электроды 352 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 356, измерительные электроды 354 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 358, дополнительный вывод 326 подключен к общему электроду.
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 17, находящиеся на краях групп измерительные электроды, которые относятся к разным множествам, принадлежат к одноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды одноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп, как показано на фиг. 18. Выполнение такого непосредственного соединения полезно с точки зрения уменьшения ширины групп, но не обязательно.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номерами 3, 3.1 и 3.4.
3.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 22 формулы изобретения. На фиг. 19 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 20 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 19 и фиг. 20 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 362, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 363, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 364, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 365. На фиг. 21 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 361 по варианту 3.5 отличается тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды 362 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 366, измерительные электроды 363 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 367, измерительные электроды 364 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 368, дополнительный вывод 326 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Как показано на фиг. 21, измерительные электроды 365 второй измерительной части второго множества, обозначенные штриховой линией, не подключены к выводам электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 3.8-3.14 выполнения диэлектрической пластины и общего электрода. Описание конструкции электроемкостного преобразователя по вариантам приведено в разделе «сущность изобретения».
3.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 24 формулы изобретения. На фиг. 22 показана схема соединений и подключений выводов электроемкостного преобразователя для варианта 3.2 и схема микроконтроллера. Схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру для вариантов 3.3, 3.4 и 3.5 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей, в остальном аналогичны.
Вариант характеризуется следующими признаками.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что с целью формирования выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 350, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 336 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 339 и процессор 337, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы 338 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 336 поступают на вход процессора 337 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, а также формирует выходные сигналы 340 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
4. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей 4.2,4.3.
4.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 34 формулы изобретения. В описание осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 32. На фиг. 27 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 28 приведена система измерительных электродов и схема соединений электродов и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.
Электроемкостный преобразователь 401 для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей содержит диэлектрическую пластину 202 на которой расположено множество измерительных областей 410 с электродами в форме геометрических фигур прямоугольников, в виде регулярной структуры. Измерительные области 410 расположены на диэлектрической пластине с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области 404 диэлектрической пластины 202.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 3.2. Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины 202. Схема соединений электродов может быть продолжена для любого количества электродов, без взаимного пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем.
Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 27 и фиг. 28 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границ диэлектрической пластины в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.
Как показано на фиг. 28 пересечение оси абсцисс локальной системы координат 416 первого множества электродов и оси абсцисс системы координат 417 второго множества электродов измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области. Также показана локальная система координат 408 измерительной области, начало которой совпадает с пересечением осей абсцисс систем координат 416 и 417. При этом координаты геометрического центра, определенные в системах координат 416 и 417 двух множеств электродов, могут быть пересчитаны в рамках локальной системы координат измерительной области 408. В дальнейшем описании для измерительных областей будут использоваться только системы координат измерительных областей. На фиг. 27 и фиг. 29-35 показаны локальные системы координат измерительных областей.
В варианте 4.2 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 4.2.
4.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант соответствует п. 35 формулы изобретения. Расположение измерительных областей и их выводов показано на фиг. 29. На фиг. 30 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.
Вариант 4.3 электроемкостного преобразователя 411 отличается от варианта 4.2 тем, что измерительные области 420 выполнены в форме правильных шестиугольников. При этом в измерительных областях использована система электродов с тремя выводами, по варианту 3.3 (фиг. 15). Отличие измерительной области в форме шестиугольника, от показанной на фиг. 14 и фиг. 15 в том, что в данном случае измерительные электроды вписаны в границу шестиугольной измерительной области. В этом варианте групповые линии 414 от каждой измерительной области содержат три проводника. Групповые линии 414 объединены в групповые линии шлейфов 415. Показанная на фиг. 30 схема соединений электродов применима для любого количества измерительных электродов, без увеличения количества выводов и с максимальным количеством соединительных проводников 419, проходящих вдоль одной стороны шестиугольника, равным двум. Начало локальной системы координат 418 измерительной области расположено в геометрическом центре соответствующей измерительной области.
В варианте 4.3 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 4.3.
4.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 36 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 31, фиг. 32 и фиг. 33. На фиг. 31 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине. На фиг. 32 и фиг. 33 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных электродов.
Электроемкостный преобразователь содержит многослойную диэлектрическую пластину, общий электрод и множество расположенных на пластине измерительных областей 429 с измерительными электродами. Измерительные электроды расположены на двух изолированных друга от друга поверхностях слоев диэлектрической пластины 402. Причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки 430, а на другой поверхности диэлектрической пластины выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы 431.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов, описанная в разделе «сущность изобретения» в вариантах 3.1 и 3.2 и показанная на фиг. 13. При этом в области пересечений измерительных областей строк 430 и столбцов 431 боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что при их совмещении на перпендикулярном виде на поверхность диэлектрической пластины измерительные электроды не пересекают друг друга. Для размещения соединительных проводников, измерительные области расположены с промежутками, в которых проложены соединительные проводники. В варианте электроемкостного преобразователя промежутки между измерительными областями столбцов можно исключить, выполнив подключение крайнего правого электрода измерительной области столбца с помощью отдельного проводника. Начало локальной системы координат 435 каждой измерительной области строк и локальной системы координат 436 каждой измерительной области столбцов совпадает с геометрическим центром соответствующей измерительной области. Выводы 437 измерительных областей строк и выводы 438 измерительных областей столбцов показаны в виде групповых линий. Выводы измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 36, где измерительная область диэлектрической пластины содержит матрицу из восьми измерительных областей строк и восьми столбцов.
На фиг. 34 и фиг. 35 показаны измерительные электроды для варианта электроемкосного преобразователя с тремя выводами от измерительных частей. На фиг. 34 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 35 показано расположение измерительных областей столбцов, со схемами соединений измерительных электродов и подключений выводов.
Электроемкостный преобразователь отличается тем, что в нем использована система электродов измерительной области с тремя выводами, соответствующая варианту 3.3.
В варианте 4.4 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 4.4.
4.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей и выходными сигналами в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 39 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 36.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 441 дополнительно снабжен микроконтроллером 450, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 421 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 423 и процессор 427. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 326 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. На фиг. 36 выводы измерительных областей показаны в виде групповых линий и отдельных шлейфов от измерительных областей строк 452 и столбцов 451. Сигналы 425 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 421 поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров нескольких двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 440 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 4.7.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 3.8-3.14 выполнения диэлектрической пластины и общего электрода.
Осуществление изобретений по пунктам формулы изобретения п. 23 и п. 37, в формулах которых использованы функциональные признаки, раскрыто в описании осуществления соответствующих разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя под номерами 3.1-3.5 для п. 23 и 4.2-4.4 для п. 37 формулы изобретения.