СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕМКОСТНОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
TOUCH DETECTION SYSTEM USING CAPACITIVE EFFECT FOR ELECTRONIC DEVICES

Изобретение относится к системе определения прикосновений с помощью емкостного эффекта для электронных устройств, а именно к такой системе, в которой электромагнитные воздействия между примыкающими точками касания ограничены.
Электронная система, параметры функционирования которой изменяются физическим воздействием пользователя, включает в себя, главным образом, одну или несколько электронных карт, управляющих функционированием данной электронной системы. Для удобства использования такой электронной системы и по соображениям безопасности, одна или несколько электронных карт системы не доступны пользователю напрямую и защищены корпусом. Таким образом, пользователь взаимодействует с одной из электронных карт электронной системы, используя панель управления, часто - на передней панели вышеупомянутого корпуса (т.е. панель управления - это передняя панель), выступающую в качестве человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) между электронной системой и пользователем.
В этом случае необходимо распознать и передать информацию пользователя с вышеупомянутой панели управления одной или нескольким электронным картам.
В настоящее время существуют несколько типов интерфейсов взаимодействия между изоляционной панелью управления и электронной картой.
Одни являются механическими, другие - сенсорными. Нас, в особенности, интересуют интерфейсы, используемые в рамках способов опорного сенсорного определения, например, с помощью емкостного эффекта, позволяющие преодолеть расстояние между изоляционной панелью управления и электронной картой.
Первый тип интерфейса состоит из пружин модели Philipp Spring, расположенных между электронной картой и клавишей управления, которые являются пружинами, имеющими первую концевую часть для прикрепления к электронной карте, центральную цилиндрическую часть и вторую концевую коническую часть, расширяющуюся от центральной части пружины, к другой концевой части, предназначенной для установления контакта с клавишей, данная вторая часть предназначена, в тот момент, когда пружина сжата со своей второй сжатой частью, для формирования пятна контакта в области клавиши, для облегчения определения воздействия на клавишу. Пружина обеспечивает электрический привод с панели управления на электронную карту, вбирая в себя, в некоторой степени, механические допуски сборки.
Данный первый тип интерфейса имеет, между тем, два недостатка. Во-первых, чувствительность является слабой, поскольку активная область представляет собой провод, а не поверхность. Даже когда коническая поверхность пружины сжата, площадь контакта с внутренней поверхностью передней панели является незначительной. Кроме того, в случае высокой плотности клавиш на панели управления, имеет место воздействие клавиш друг на друга. Действительно, электронная карта генерирует сигнал для каждой из клавиш с целью определения возможного нажатия. Одним из проявлений воздействия клавиш друг на друга является наличие на примыкающих клавишах остаточного сигнала, созданного «передачей» сигнала, поданного с клавиатуры, с целью детектирования нажатия на нее, что предполагает шум (то есть бесполезный сигнал) на примыкающих клавишах, следовательно, наложение полезного сигнала на ослабленный шум, что, в целом, выражается в снижении точности детектирования для каждой из клавиш и/или в вероятности неверного ненулевого детектирования.
Второй тип интерфейса представляет собой Z-образый элемент, который является компонентом устройства с сенсорной клавиатурой европейской заявки на патент ЕР 0780865 А1. Этот Z-образный элемент, проводящий электричество, расположен между электронной картой и стеклянной или стеклокерамической панелью управления. Контакт пользователя со стеклянной или стеклокерамической панелью управления определяется посредством емкостного воздействия на Z-образный элемент, и передается на электронную карту Z-образным элементом. Z-образный элемент обеспечивает электрическое задействование с панели управления на электронную карту, вбирая в себя, в некоторой степени, механические допуски сборки.
Данный второй тип интерфейса требует, между тем, чтобы поверхность панели управления (передняя плоскость) при контакте с клавиатурой Z-типа была плоской, в противном случае, пятно контакт с верхней частью Z-образной клавиатуры, также плоской, уменьшается, и, соответственно, снижается чувствительность детектирования соответствующей клавиши. Как и для другого описанного ранее существующего уровня техники, по причине того, что Z-образная клавиатура является металлической, плотная компоновка элементов порождает взаимодействие между клавишами, а следовательно, также способствует снижению чувствительности детектирования каждой клавиши. Таким же образом, остаточный сигнал создается на примыкающих клавишах «передачей» сигнала, поданного на клавиатуру, с целью детектирования нажатия на нее, что, в целом, выражается в снижении чувствительности детектирования для каждой из клавиш и/или в вероятности неверного ненулевого детектирования.
Также можно отметить, что клавиатура Z-типа обеспечивает эффективное включение механических допусков только по вертикальной оси.
Кроме этого, существует проводящий пеноматериал, например, тот, который стал предметом европейской заявки на патент ЕР 0859467. Пеноматериал имеет достаточную в некоторых случаях электрическую проводимость, его эластичная структура позволяет эффективно включать в себя допуски сборки и не придерживаться плоскостности панели управления, контактирующей с пеноматериалом.
Между тем, данный тип проводящего пеноматериала имеет, как и в двух других вариантах существующего уровнях техники, показанных выше, недостаток, выраженный в снижении чувствительности детектирования каждой отдельной клавиши в случае большой плотности клавиш. Таким же образом, остаточный сигнал создается на примыкающих клавишах «передачей» сигнала, поданного на клавиатуру, с целью детектирования нажатия на нее, что, в целом, выражается в снижении чувствительности детектирования для каждой из клавиш и/или в вероятности неверного ненулевого детектирования.
В патентных заявках ЕР 2597774 А1, от имени заявителя, 20119700 U1, ЕР 1030536 А2 и ЕР 1416636 А2 также описаны системы определения прикосновений, согласно предшествующему уровню техники.
Следовательно, необходимо получить проводящий механический интерфейс, который исключает недостатки существующего уровня техники, то есть проводящий механический интерфейс, обеспечивающий высокую электрическую проводимость, использующий высоту между изоляционной панелью управления и электронной картой, позволяющий включать в себя механические допуски сборки между ними, не снижая чувствительность детектирования каждой клавиши в случае высокой плотности клавиш и минимизируя остаточные сигналы, порождаемые передачей от каждой примыкающей клавиши, каждого полезного сигнала для каждой из этих примыкающих клавиш, с целью детектирования нажатия на них.
Решение, предложенное в настоящем изобретении - это элемент, обеспечивающий электрическую проводимость между поверхностью панели управления, предназначенной для контакта с элементом и электронной картой (или печатной схемой на электронной карте) с помощью электрической проводимости, предоставляющей минимальную площадь электрической проводимости параллельно поверхностям электрической проводимости подобных средств электрической проводимости примыкающих полей и/или другого (-их) проводимого (-ых) поля (-ей).
Целью изобретения является создание проводящего механического интерфейса простой структуры, легкой в изготовлении и включении в электронную систему, параметры функционирования которой изменяются физическим воздействием пользователя на панель управления этой системы. Кроме того, чувствительность детектирования каждой клавиши панели управления повышена путем оптимизации способа передачи нагрузок между клавишами панели управления электронной системы и электронной картой этой электронной системы, за счет снижения воздействия клавиш друг на друга. Следовательно, уменьшение воздействия клавиш друг на друга означает, что полезный сигнал опорного детектирования каждой клавиши меньше искажен другими клавишами системы, а, значит, увеличивается соотношение полезного сигнала к шуму каждой из клавиш, следовательно, функционирование опорного детектирования является более надежным и в меньшей степени подвержено неверным срабатываниям.
Элементы, предусмотренные в настоящем изобретении, являются трехмерными, так как они захватывают высоту между изоляционной панелью управления и электронной картой, позволяя включать в себя механические допуски сборки между ними.
Элементы, позволяющие добиться цели изобретения, следовательно, не могут иметь единообразную проводимость в трех измерениях проводящей модели пеноматериала, не считая обнаружения недостатков предшествующего уровня техники.
Элементы, согласно изобретению, обеспечивают, следовательно, в части, находящейся в наибольшем контакте с другими элементами, то есть в части, расположенной между изоляционной панелью управления и электронной картой, поверхностную проводимость, с целью минимального взаимодействия различных элементов между собой в случае высокой плотности расположения элементов.
Между тем, чтобы сохранить высокую чувствительность детектирования на уровне панели управления и хорошую передачу на уровне электронной карты, элементы по изобретению имеют максимальную площадь контакта с данными двумя элементами.
Следовательно, предметом настоящего изобретения является система обнаружения прикосновений с помощью емкостного эффекта для электронного устройства, которая включает в себя изоляционную панель управления, обеспечивающую по меньшей мере две области контактного детектирования, электронную карту, управляемую с изоляционной панели управления и управляющую электронным устройством, электронную карту, обеспечивающую по меньшей мере две проводящие области измерения, емкость которых измеряется вышеупомянутой электронной картой, причем изоляционная панель управления и электронная карта установлены на расстоянии друг от друга и почти параллельно таким образом, чтобы каждая область контактного детектирования изоляционной панели управления находилась справа от проводящей области измерения, где система контактного детектирования включает в себя, помимо прочего, проводящий элемент интерфейса между каждой областью определения прикосновений и соответствующей проводящей областью измерения, расположенной справа от него, каждый проводящий элемент интерфейса является основной частью, обеспечивающей верхнюю проводящую поверхность при контакте с областью определения прикосновений, нижнюю проводящую поверхность - при контакте с проводящей областью измерения, проводник электричества, находящийся между проводящими нижней и верхней поверхностями, для обеспечения между ними электрической проводимости, и по меньшей мере одну непроводящую поверхность между проводящими нижней и верхней поверхностями.
Предпочтительными являются изоляционные панели управления из пластика, стекла или стеклокерамики.
Областью определения прикосновений изоляционной панели управления называют каждую область, установленную или неустановленную на верхней поверхности изоляционной панели управления, в отношении которой пользователь осуществляет контактное воздействие. Таким образом, если в настоящей заявке говорится о том, что проводящая элемент интерфейса находится в контакте с областью определения прикосновений, это означает, что проводящая элемент интерфейса находится в контакте с частью поверхности изоляционной панели управления, обращенной к электронной карте, находящейся справа от области определения прикосновений противоположной поверхности изоляционной панели управления.
Таким образом, в соответствии с изобретением, проводящая элемент интерфейса имеет максимальную контактную поверхность, с одной стороны, с изолирующей панелью управления, для увеличения площади и, следовательно, повышения чувствительности определения прикосновений, а, с другой стороны, с электронной картой, для облегчения передачи определения прикосновения на электронную карту, имея по меньшей мере одну непроводящую поверхность между проводящими нижней и верхней поверхностями для обеспечения минимальной проводящей поверхности рядом с проводящим примыкающим элементом интерфейса.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, проводящий элемент создается двумя промежуточными плоскими проводящими поверхностями, параллельными между собой и перпендикулярными по отношению к изоляционной панели управления и электронной карте, соединяя проводящим способом верхнюю и нижнюю проводящие поверхности, верхняя и нижняя проводящие поверхности расположены между двумя промежуточными проводящими поверхностями, таким образом, чтобы проводящий элемент интерфейса имел по существу О-образный профиль, непроводящие поверхности образованы полыми наружными поверхностями между проводящими верхней, нижней и промежуточными поверхностями.
Согласно другому варианту осуществления, проводящий элемент создается двумя промежуточными плоскими проводящими поверхностями, параллельными между собой и перпендикулярными по отношению к изоляционной панели управления и электронной карте, соединяя проводящим способом верхнюю и нижнюю проводящие поверхности, верхняя и нижняя проводящие поверхности расположены между двумя промежуточными проводящими поверхностями, таким образом, чтобы проводящий элемент интерфейса имел по существу О-образный профиль, проводящий элемент интерфейса дополнительно имеет электрически изоляционный пеноматериал, занимающий пространство между четырьмя проводящими поверхностями, внешние поверхности электрически изоляционного пеноматериала перпендикулярны промежуточным проводящим поверхностям, образующим две непроводящие поверхности.
Проводящие поверхности могут быть заключены в металлическую оплетку. Эластичность металлической оплетки, связанной или не связанной с изоляционным пеноматериалом, обеспечивает перекрытие высоты между панелью управления и электронной картой.
Предпочтительными являются электрически изоляционные уретановые пеноматериалы.
Согласно одному варианту осуществления, промежуточные проводящие поверхности двух проводящих примыкающих элементов интерфейса являются перпендикулярными.
Таким образом, мы ограничиваем электромагнитные помехи между двумя проводящими примыкающими элементами интерфейса.
Изобретение имеет многочисленные преимущества, в том числе:
- отсутствие рекуперации заряда на клавише при нажатии на примыкающую клавишу, что позволяет получать почти нулевой уровень определения на клавише при нажатии на примыкающую клавишу;
- отсутствие смещения заряда к примыкающей клавише при нажатии на клавишу, что обеспечивает лучшую чувствительность;
- более четкое различение между нажатием и отсутствием нажатия на клавишу;
- более высокую степень электромагнитной совместимости;
- меньшее количество ложных срабатываний;
- благодаря лучшему детектированию, программные требования обработки определения касания минимальны, что позволяет обеспечить лучший отклик и снижение риска ошибок;
- резкое снижение воздействия между примыкающими сенсорными клавишами позволяет большее плотно располагать клавиши, а следовательно, больше различных технических решений;
- более высокая чувствительность детектирования также позволяет значительно увеличить толщину изоляционной панели управления;
- включение высоты, обеспечиваемое трехмерным проводящим полем интерфейса между изоляционной панелью управления и электронной картой, позволяет, кроме прочего, повысить надежность и добиться отсутствия воздушных пузырьков на передней стороне.
Для лучшей иллюстрации предмета настоящего изобретения ниже приводится описание вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На данных чертежах:
фиг.1А-1В - виды в перспективе проводящего элемента интерфейса, согласно двум вариантам осуществления изобретения,
фиг.2 - вид в перспективе системы определения прикосновений, в соответствии с изобретением, и
фиг.3 - схематический вид сверху расположения проводящих элементов интерфейса, который ограничивает взаимодействие клавиш между собой в системе контактного детектирования, в соответствии с изобретением.
На фиг.1А представлен проводящий элемент 1 интерфейса для системы определения прикосновений, согласно первому варианту осуществления изобретения.
Проводящий элемент 1 интерфейса имеет форму прямоугольного полого параллелепипеда с проводящей поверхностью 2, имеющей четыре плоскости 2а, 2b, 2с, 2d, соединенные между собой, противоположные и параллельные попарно, являющиеся проводниками и создающие четыре из внешних поверхностей проводящего поля интерфейса 1. В представленном варианте осуществления проводящие поверхности 2а, 2b, 2с, 2d имеют металлическую оплетку.
Электрически изоляционный пеноматериал 3 также имеет форму прямоугольного параллелепипеда, занимает внутреннюю часть проводящего элемента 1 интерфейса, две внешние противоположные поверхности электрически изоляционного пеноматериала 3 создают две крайние внешние поверхности проводящего элемента 1 интерфейса.
На фиг.1В представлен проводящий элемент 11 интерфейса для системы определения прикосновений, согласно второму варианту осуществления изобретения.
Проводящий элемент 11 интерфейса имеет форму прямоугольного полого параллелепипеда с проводящей поверхностью 12, имеющей четыре плоскости 12а, 12b, 12с, 12d, соединенные между собой, противоположные и параллельные попарно, являющиеся проводниками и создающие четыре из внешних поверхностей проводящего элемента 11 интерфейса. В представленном варианте осуществления проводящие поверхности 12а, 12b, 12с, 12d имеют металлическую оплетку.
Две из плоскостей проводящего элемента 11 интерфейса открыты таким образом, чтобы проводящий элемент 11 интерфейса имел по существу прямоугольную форму (О-образного типа) в поперечном сечении.
На фиг.2 в качестве иллюстрации, а не исчерпывающе, представлен проводящий элемент 1 интерфейса, согласно первому варианту осуществления изобретения, в положении использования в электронном устройстве с тактильной функцией, включающая в себя изоляционную панель 4 управления, на которой пользователь осуществляет контактное воздействие, и электронную карту 5, параллельную изоляционной панели 4 управления, и содержащая, для каждого проводящей части 1 интерфейса проводящую область 6 измерения, предназначенную для детектирования изменения напряжения на проводящей поверхности 2 проводящего элемента 1 интерфейса, в целях определения прикосновений и осуществления действия, соответствующего контакту через отправление сигнала другим электронным элементам (не отображены) на электронной карте 5.
В электронном устройстве с контактным управлением каждый проводящий элемент 1 интерфейса соответствует клавише или контактной области, находящейся на внешней поверхности изоляционной панели 4 управления, на которой пользователь осуществляет контактное воздействие, поверхности напротив верхней проводящей поверхности 2а проводящего элемента 1 интерфейса.
Основная функция проводящего элемента 1 интерфейса - передача контакта, осуществленного пользователем на внешней поверхности изоляционной панели управления 4 через проводящую область измерения 6. Электронная карта 5 измеряет емкость каждой проводящей области 6 измерения для определения прикосновений.
Контакт на внешней поверхности изоляционной панели 4 управления, в действительности, с помощью емкостного эффекта приведет к изменению напряжения на проводящей поверхности 2а проводящего элемента 1 интерфейса, которое распространится по всей проводящей поверхности 2 проводящего элемента 1 интерфейса, чтобы, в конечном счете, быть распознанным в проводящей области измерения 6. Также функцией проводящего элемента 1 интерфейса является включение высоты между электронной картой 5 и изоляционной панелью 4 управления, позволяющее обеспечить постоянный взаимный контакт обеих проводящих поверхностей 2а и 2с проводящего элемента 1 интерфейса с внутренней стороной изоляционной панели 4 управления, обращенной к электронной карте 5 и проводящей области 6 измерения, для обеспечения наилучшего определения прикосновений на изоляционной панели управления 4 и хорошей передачи изменения напряжения на проводящей поверхности 2 в проводящей области 6 измерения.
Хотя это и не указано для проводящего элемента 11 интерфейса, оно также имеет те же функции передачи изменения напряжения, вызванного контактом с изоляционной панелью 4 управления, и захватывания высоты между изоляционной панелью 4 управления и электронной картой 5. Проводящий элемент 11 интерфейса может быть использовано тем же способом, который упомянут для проводящего элемента 1 интерфейса на фиг.2.
Фиг.3 показывает размещение проводящих элементов 1 и 11 интерфейса, согласно первому и второму вариантам осуществления изобретения, соответственно, когда несколько примыкающих сенсорных клавиш предусмотрены на электронном устройстве.
На фиг.3 показан в разрезе вид сверху расположения в проводящих областях 6 измерения электронной карты 5 нескольких проводящих элементов 1 и 11 интерфейса, согласно первому и второму вариантам осуществления изобретения, когда несколько примыкающих сенсорных клавиш предусмотрены на электронном устройстве.
Таким образом, в первом ряду фиг.3 показаны два проводящих элемента 1 интерфейса, согласно первому варианту осуществления изобретения, расположенных рядом, таким образом, чтобы поверхности 2b и 2d одного проводящего элемента 1 интерфейса были перпендикулярны поверхностям 2b и 2d другого проводящего элемента 1 интерфейса.
Таким образом, проводящие поверхности, расположенные в плоскости, перпендикулярной плоскостям изоляционной панели 4 управления и электронной карты 5, смещены на 90° по отношению к двум проводящим примыкающим элементам 1 интерфейса, таким образом, чтобы проводящая поверхность 2b или 2d проводящего элемента 1 интерфейса была напротив непроводящей поверхности 3 проводящего примыкающего элемента 1 интерфейса. Таким образом, мы ограничиваем возможные электромагнитные помехи между двумя проводящими примыкающими элементами 1 интерфейса.
На фиг.3, в целях упрощения, показаны оба проводящих элемента 1 интерфейса первого варианта осуществления в одном ряду. Расположение будет одинаковым для двух проводящих элементов 1 интерфейса на одной опоре, принцип заключается в том, чтобы одна проводящая поверхность в плоскости, перпендикулярной плоскостям изоляционной панели 4 управления и электронной карты 5 проводящего элемента 1 интерфейса, была напротив непроводящей поверхности 3 проводящего примыкающего элемента 1 интерфейса. Таким образом, если у нас есть несколько рядов и опор клавиш, следовательно, несколько рядов и опор проводящих элементов 1 интерфейса, то два проводящих примыкающих элемента 1 интерфейса, в ряду или на опоре, смещены, как упомянуто выше, с целью ограничения электромагнитных помех между двумя проводящими примыкающими элементами 1 интерфейса, а следовательно, улучшения определения прикосновений на сенсорной клавише изоляционной панели 4 управления.
Во втором ряду на фиг.3 показаны два проводящих элемента 11 интерфейса, согласно второму варианту осуществления изобретения.
Как и для первого варианта осуществления, они смещены на 90°, таким образом, чтобы проводящая поверхность 12b или 12d проводящего элемента 11 интерфейса была напротив полого проводящего примыкающего элемента 11 интерфейса. Расположение будет одинаковым для двух проводящих элементов 11 интерфейса на одной опоре, принцип заключается в том, чтобы одна проводящая поверхность в плоскости, перпендикулярной плоскостям изоляционной панели 4 управления и электронной карты 5 проводящего элемента 11 интерфейса, была напротив непроводящей поверхности проводящего примыкающего элемента 11 интерфейса.
Настоящее изобретение также включает в себя случай, когда проводящие поверхности между изоляционной панелью управления и электронной картой проводящих элементов интерфейса первого и второго вариантов осуществления параллельны, в то время как примыкающие сенсорные клавиши находятся либо в ряду клавиш, либо на опоре, а расстояние между вышеупомянутым рядом или вышеупомянутой опорой и рядом или следующей опорой сенсорных клавиш достаточно большое, чтобы пренебрегать воздействием ряда или опоры на ряд или примыкающую опору.
Таким образом, в вышеупомянутом случае, когда два ряда клавиш или две опоры достаточно удалены, чтобы пренебречь воздействием сенсорных клавиш одного ряда или одной опоры на другую, внутри ряда или опоры, расположение двух проводящих примыкающих элементов интерфейса первого и второго вариантов осуществления, с проводящими поверхностями между параллельными изоляционной панелью управления и электронной картой, позволяет ограничить воздействие сенсорных клавиш на примыкающую или примыкающие сенсорные клавиши.