DE69534218T2

DE69534218T2 - Berührungsschirm mit verringertem Rauschen

Info

Publication number: DE69534218T2
Application number: DE69534218T
Authority: DE
Inventors: William K. Reno Bertram; Logan L. Reno Pease
Original assignee: International Game Technology
Current assignee: International Game Technology
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2015-07-27
Also published as: EP1158393A2; ES2173136T3; US20030058226A1; ZA956964B; EP0698858B1; KR960008494A; CA2154648C; DE69526471T2; CA2154648A1; DE69526471D1; EP0698858A1; EP1174788A1; BR9503742A; US6476798B1; EP1158393B1; EP1158393A3; AU2495795A; ES2241727T3; AU718499B2; US6734843B2

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Berührungsschirm-Benutzereingabegerät für einen Computer und insbesondere auf einen Berührungsschirm gerichtet, der bei Bereitstellung einer hohen Auflösung verringertes Rauschen aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Berührungsschirme für eine Computereingabe erlauben es einem Benutzer, Information auf einen Computerbildschirm zu schreiben oder zu zeichnen oder zwischen verschiedenen Bereichen einer von einem Computer erzeugten Anzeige, typischerweise durch die Finger des Benutzers oder durch einen freien oder angebundenen Stift, auszuwählen. Die Kosten von Berührungsschirm-Anzeigevorrichtungen hängen teilweise von der gewünschten Auflösung ab. Wenn die Anwendung nur eine grobe Auflösung erfordert (beispielsweise die Bestimmung der Position des Fingers oder Stiftes auf dem Bildschirm innerhalb von ungefähr zwei Zoll oder mehr), bringt dies typischerweise nur mäßige Kosten mit sich. Wenn jedoch eine feine Auflösung erforderlich ist (d.h. eine Auflösung, die kleiner als ungefähr 1 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) ist, vorzugsweise kleiner als ungefähr ½ Zoll, stärker bevorzugt kleiner als ungefähr ¼ Zoll und am stärksten bevorzugt kleiner als ungefähr 1/8 Zoll), sind die Kosten von Berührungsschirmen, die gemäß früheren Ansätzen bereitgestellt wurden, relativ hoch gewesen. Ein Grund für die Kosten ist, dass zusätzliche Bauteile oder Verfahren notwendig waren, um die kleinen Signale, die Positionen oder Bewegungen mit feiner Auflösung darstellen, von Rauschen (d.h. Signalen, die keine Position des Fingers oder Stiftes angeben) zu unterscheiden. Viele frühere Geräte sind auch relativ teuer zu linearisieren gewesen (d.h. eine Angabe des Ortes des Fingers oder Stiftes auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem Gerät abzuleiten). Typischerweise ist die Position eine nichtlineare Funktion des Ausgangssignals. Man glaubt, dass das Linearisierungsverfahren bei manchen früheren Geräten ein manuelles Abändern der Größe oder Form von Bildschirmelektroden umfasst. Da dies individuell für jede Bildschirmauflage, die hergestellt wird, vorgenommen werden muss, können die Kosten hoch sein.
Ein weiterer Beiträger für die hohen Kosten von Bildschirmen mit hoher Auflösung ist die Notwendigkeit, bei manchen Prozessen Elektroden oder andere abgeschiedene Schichten auf sowohl der Vorder- als auch der Rückfläche und/oder zwei oder mehr separate Vakuumverarbeitungsschritte vorzusehen. Wenn ferner das Endprodukt hergestellt wird, indem eine getrennte Auflage auf einem Computerbildschirm (typischerweise einer Kathodenstrahlröhre oder CRT) angeordnet oder mit diesem verbunden wird, erhöht dieser zusätzliche Schritt die Kosten für das Endprodukt weiter.
US-A-4,853,498 offenbart ein Berührungsschirmsystem, das eine rechteckige Stirnseitenplatte mit einer elektrisch leitenden Schicht umfasst. Die leitende Schicht weist einen konsistenten spezifischen Widerstand auf, bedeckt die gesamte äußere Hauptfläche der Stirnseitenplatte und trägt vier Stabelektroden.
Die US-A-4,293,734 offenbart Berührungsschirme, die genau das Vorhandensein eines Fingers eines Benutzers auf der Oberfläche eines Berührungsschirms detektieren und Ausgangssignale gemäß der Position der Finger in einer oder mehreren Achsen erzeugen.
Es wäre daher zweckmäßig, einen Berührungsschirm bereitzustellen, der eine feine Auflösung liefert, während er bei reduzierten oder niedrigen Kosten Rauschen verringert oder beseitigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Berührungsschirm mit geringem Rauschen und hoher Auflösung bereit. Um gemäß einer Vorrichtung zum Abtasten von Signalen von einem Berührungsschirm eine Verringerung oder Beseitigung von Rauschen bereitzustellen, welches besonders für Vorrichtungen mit hoher Auflösung problematisch ist, wird eine relativ hohe Abtastrate zusammen mit einem Filter vorgesehen, das das (typischerweise niederfrequente) Rauschen unterscheidet. Darüber hinaus kann eine weitere Vorrichtung zum Abtasten von Signalen von einem Berührungsschirm das gewünschte Signal von unerwünschten Signalen, wie etwa Erdungs- oder statische Entladung, unter Verwendung einer Automatic Gain Control unterscheiden.
Eine Linearisierung des Signals umfasst eine Messung von Signalen aus Berührungen an verschiedenen bekannten Bildschirmstellen und eine Umwandlung aus dem Ausgangssignal in den abgeleiteten Ort des Fingers oder Stiftes unter Verwendung der gemessenen Daten, wodurch die Notwendigkeit für ein manuelles oder individuelles Ändern oder "Abstimmen" von Elektroden oder anderen Merkmalen des Bildschirms beseitigt wird.
Erfindungsgemäß werden Elektroden direkt auf einer CRT platziert. Mit "direkt" ist gemeint, dass die Elektroden vielmehr in Kontakt mit der CRT stehen, als auf einer Auflage, die später mit dem Bildschirm verbunden wird. Eine Ausführungsform erlaubt es, dass die Elektroden derart angeordnet werden können, dass Elektroden oder Schichten an der Rückfläche beseitigt werden können, so dass einer oder mehrere Vakuumverarbeitungsschritte beseitigt werden, wobei vorzugsweise nur ein einziger Vakuumverarbeitungsschritt erforderlich ist, um aus einem Computer-Bildschirm einen Berührungsschirm herzustellen.
Berührungsschirme gemäß der vorliegenden Erfindung können für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden. Ein Zweck umfasst die Verwendung für eine elektronische Spielmaschine, wie etwa einen elektronischen Spielautomaten, eine elektronische Keno-Maschine und dergleichen. Andere Verwendungen umfassen Verwendungen für gewöhnliche Datenverarbeitung an Computern, wie etwa Datenverarbeitung an einem Personal-Computer, einem Laptop-Computer, einem Palmtop-Computer, einem Notepad-Computer, einem Gerät für personenbezogenen Kommunikation, einem Telefon, bei interaktivem Fernsehen und dergleichen, worauf Software läuft, wie etwa Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Nachrichtenübermittlung, Datenbanken, Programmierung, Vernetzung und andere allgemein bekannte Software. Die Erfindung kann in Verbindung mit kundenspezifisch geschriebener Software oder in Verbindung mit Computer-Betriebssystemen verwendet werden, die für Datenverarbeitung an Computern mit einem Stift entworfen sind, wie etwa Penpoint^TM von GO Corporation, Windows for Pencomputing^TM von Microsoft Corporation oder mit Betriebssystemen und anderer Software, die zur Verwendung mit einem Zeigegerät, wie etwa einer Maus, einem Trackball, einem Joystick und dergleichen, vorgesehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Frontansicht eines Berührungsschirms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist ein Flussdiagramm eines früheren Herstellungsverfahrens für Berührungsschirme,
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Berührungsschirms gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 ist ein schematisches Schaubild einer Signalverarbeitungsvorrichtung für einen Berührungsschirm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ist ein schematisches Schaubild einer Analogsignalverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 ist ein Blockdiagramm eines Berührungsschirms und eines zugehörigen Verarbeitungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
7 ist ein Flussdiagramm einer Kalibrierungs- und Linearisierungsprozedur, die für eine Berührungsschirmvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie es in 1 gezeigt ist, sorgt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Computeranzeigegerät, wie eine CRT, das derart ausges taltet ist, dass Elektroden 102a–102d über Umfangsbereichen des Bildschirmsliegen. Es ist eine Anzahl von Ausgestaltungen für die Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d möglich. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform liegen die Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d in der Form von leitenden Sammelschienen vor, die entlang des Hauptabschnitts von jedem der vier Ränder des Bildschirms 104 angeordnet sind, vorzugsweise ohne sich bis in die Eckenbereiche des Bildschirms hinein zu erstrecken. Leitfähige Drähte 106a, 106b, 106c, 106d stehen in elektrischem Kontakt mit jeder der Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d, um einen Kommunikationskanal mit der unten beschriebenen Schaltung bereitzustellen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden am besten im Kontext von früheren Verfahren zur Bereitstellung eines Berührungsschirms verständlich werden. 2 zeigt ein Verfahren, das in Verbindung mit der Herstellung eines Berührungsschirms gemäß früheren Geräten verwendet wird. Wie es in 2 gezeigt ist, stellten frühere Geräte Berührungsschirme bereit, indem bestimmte Elemente auf einer Glasauflage platziert wurden, die später mit der Vorderfläche des Computerbildschirms, wie etwa einer CRT, unter Verwendung eines transparenten Klebstoffes verbunden wurde. Bei früheren Prozessen wurde zunächst auf der Rückfläche 212 (d.h. der Oberfläche, die mit der Oberfläche der CRT in Kontakt oder mit dieser zu verbinden war) der Glasauflage eine leitfähige Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung wurde typischerweise durch einen Verdampfungsprozess gewöhnlich in einem Vakuumofen vorgesehen. Als nächstes wurde eine ähnliche leitfähige Beschichtung auf der Vorderseite der Glasauflage ebenfalls über einen Verdampfungsprozess 214 platziert. Nach diesen Schritten wurde eine weitere Schicht auf der Rückfläche der Glasauflage platziert. In manchen Fällen wurde eine Schutzschicht auf der Rückfläche vorgesehen. In den meisten Fällen war es notwendig, eine Elektrode auf der Rückfläche zu platzieren, oft über einen Siebdruckpro zess. Es wird angenommen, dass die Rückelektrode in früheren Geräten als Teil einer Rauschverringerungstechnik vorgesehen wurde, d.h. einer Technik zum Unterscheiden des gewünschten Positionssignals von ungewollten Signalen oder Rauschen. Als nächstes wurden Elektroden auf der Vorderfläche des Glases platziert, typischerweise über einen Siebdruckprozess 218. Es wird angenommen, dass an diesem Punkt frühere Techniken einen Schritt zum Abändern oder Verändern der Form der Elektroden, um das Linearisieren des Geräts 220 zu unterstützen, umfassten. Es wird angenommen, dass dies auf einer individuellen Grundlage vorgenommen wurde, um jeden einzelnen Bildschirm "abzustimmen", so dass dieser ein bekanntes oder lineares elektrisches Feld für die Auflage bereitstellt. Es wird angenommen, dass dieses Abstimmen umfasste, dass elektrische Eigenschaften des Bildschirms gemessen wurden und Abschnitte der Elektroden oder anderer Teile der Einrichtung abgeschabt oder abgerieben wurden, um die gemessenen Eigenschaften derart abzuändern, dass sie zu vorbestimmten Parametern passen.
Schließlich wurde nach der "Handabstimmung" 220 eine Schutzbeschichtung, wie etwa SiO₂, über mindestens der Vorderfläche des Bildschirms in einem Prozess platziert, der in einem Vakuumofen 222 ausgeführt wurde. Wie es zu sehen ist, umfasst der Prozess von 2 eine Anzahl von Schritten, die relativ teuer sind und Verdampfungsprozesse umfassen, die eine Verarbeitung in einem Vakuumofen 212, 214, das Platzieren von mindestens einer abgeschiedenen Schicht, wie etwa einer Elektrode auf der Rückfläche 216, und ein Hand- oder individuelles Abstimmen der Elektroden 220 erfordern können.
3 veranschaulicht einen Prozess zum Bereitstellen eines Berührungsschirmgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform von 3 werden Elektroden direkt auf der Glasvorderfläche eines CRT-Computerbildschirms platziert. Obwohl der Prozess von 3 auch zur Herstellung einer Glas- oder anderen transparenten Auflage für eine CRT verwendet werden könnte, indem die Elektroden direkt auf der CRT platziert werden, ist es nicht länger notwendig, einen Schritt eines Verklebens oder Positionierens einer Auflage über einer CRT einzuschließen. Wenn eine Auflage vorgesehen wird, wird typischerweise vielmehr ein Verkleben statt lediglich ein Positionieren über einer CRT verwendet, da ein Verkleben hilft, die notwendige Festigkeit und Robustheit bereitzustellen, und auch wünschenswerte optische Qualitäten liefert. Indem Elektroden direkt auf der CRT platziert werden, wie es in 3 gezeigt ist, werden jedoch die Kosten des Klebeschrittes (Positionierschrittes) beseitigt.
Gemäß dem Prozess von 3 werden Elektroden (wie etwa die in 1 dargestellten Elektroden) über Siebdruck direkt auf der Vorderseite des Computerbildschirms, wie etwa einer CRT, hergestellt 312. Nach dem Schritt des Siebdruckens wird eine leitfähige Beschichtung über den Elektroden und der Vorderfläche des Bildschirms aufgebracht. Außerdem wird eine schützende Beschichtung, wie etwa SiO₂, auf der Vorderseite des Bildschirms aufgetragen. Vorzugsweise werden sowohl die leitfähige Beschichtung als auch die schützende Beschichtung in einem einzigen Vakuumschritt 314 aufgebracht, d.h. ohne die Notwendigkeit, die CRT zwischen dem leitfähigen und dem schützenden Beschichten aus dem Vakuumofen entfernen zu müssen.
Es kann eine Anzahl von Materialien in Verbindung mit dem in 3 dargestellten Prozess verwendet werden. Die Elektroden können aus einer Anzahl von leitfähigen Materialien hergestellt werden, die Silber und bei niedriger Temperatur schmelzende Glas- und Silberepoxidharze umfassen. Das leitende Beschichten wird vorzugsweise unter Verwendung von Materialien vorgenommen, die in einer im Wesentlichen transparenten Form vorgesehen werden können, wie etwa Indiumzinnoxid oder Zinnantimonoxid. Es wird beispielsweise Indiumzinnoxid verwendet, da es in einem einschrittigen Prozess aufgebracht werden kann.
Bevor die Details einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird ein allgemein in 4 dargestellter Schaltkreis zum Umgang mit Rauschen diskutiert werden. Obwohl der Schaltkreis von 4 in Verbindung mit einer Anzahl von Berührungsschirmgeräten verwendet werden kann, ist er besonders für den Berührungsschirm nützlich, der gemäß dem Verfahren von 3 hergestellt wird, da dieses Verfahren keine Elektrode auf der Rückfläche des Bildschirms umfasst, was ein Merkmal gewesen ist, von dem man annimmt, dass es bei früheren Geräten in Verbindung mit Rauschverringerung verwendet worden ist.
Wenn der Berührungsschirm an den Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d unter normalen (nicht berührenden) Umständen mit einem elektrischen Potential versehen wird, wird das Potential an den Elektroden zeitlich konstant bleiben. Wenn ein Mensch einen Abschnitt des Bildschirms, wie etwa mit einem Finger, berührt, wird ein kleiner Strombetrag, wie ungefähr 5 – 10 Mikroampere pro Volt Ansteuerungspotential durch den menschlichen Körper auf Masse abfließen. Die Vorrichtung von 4 ist dafür vorgesehen, ein Signal bereitzustellen, aus dem der Wert des Stroms von einer der Elektroden durch den menschlichen Körper auf Masse auf eine relativ rauschfreie Weise gemessen werden kann. Das allgemeine Verfahren, das zum Unterscheiden des gewünschten Signals von Rauschen verwendet wird, umfasst eine relativ hochfrequente Abtastung, die ein Herausfiltern einer zu Rauschen gehörenden Niederfrequenzmodulation oder "Umhüllenden" erlaubt. Um auf den Strombetrag, der von einer gegebenen Elektrode fließt, zu schließen (und somit eine Berechnung des Abstandes von der Elektrode zu erlauben, wie es nachstehend beschrieben ist), ist es zweckmäßig, gewisse Annahmen über die elektrischen Eigenschaften des menschlichen Körpers, durch den der Strom fließt, zu machen. Zu diesem Zweck wird angenommen, dass der menschliche Körper elektrische Eigenschaften aufweist, die einem Körpermodell 412 entsprechen, das, in Reihe, einen ersten Kondensator, einen Widerstand und einen zweiten Kondensator aufweist. Diese Gegenstände sind keine Schaltungsgegenstände sondern vielmehr ein Modell von bestimmten Eigenschaften eines menschlichen Körpers. In der tatsächlichen Praxis wird der Gegenstand 412 der Weg durch den menschlichen Körper von dem Punkt aus, wo der Körper den Berührungsschirm berührt, auf Masse 416 sein. Eine der Leitungen 106a von der Elektrode 102a zum Berührungsschirm ist mit dem positiven Eingang eines Verstärkers, wie etwa Operationsverstärker (OPamp) 418, verbunden. Vorzugsweise weist der Operationsverstärker eine relative hohe Verstärkung auf, wie etwa eine Verstärkung von ungefähr 2000, und besitzt bei einer Ausführungsform eine Gleichtaktunterdrückung von 127 dB. Ein Widerstand, wie etwa ein 100 kΩ-Widerstand 420, verbindet den Ausgangsknoten 422 mit dem negativen Eingangsanschluss 424. Ein RC-Filter 426 ist am Ausgang des Operationsverstärkers 418 vorgesehen, um dV/dt zu verringern. Dies beseitigt Schwingen des Filters und ist beim Verringern von Emissionen zweckmäßig, z.B. um Vorschriften, wie etwa Normen der Federal Communication Commission (FCC), zu erfüllen.
Bei einer Ausführungsform weist das Signal, das der Elektrode 102a (über Widerstände 430, 432) sowie dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 418 (über Widerstände 434, 436) geliefert wird, im Allgemeinen eine Sinusform auf, die mit einer Frequenz, wie etwa 10 kHz 438 bereitgestellt wird. Eine ähnliche Schaltung wird dazu verwendet, Signale an die anderen Elektroden 102b, 102c, 102d zu liefern und an diesen Signale abzutasten, obwohl die Phase der vier Signale vorzugsweise um 90° versetzt ist.
Eine Rauschunterdrückung wird durch ein Bandpassfilter 440 bereitgestellt, das das verstärkte Elektrodensignal mit einer relativ hohen Frequenz, wie ungefähr 100 kHz, vorzugsweise ungefähr 200 kHz und stärker bevorzugt ungefähr 250 kHz oder höher abtastet. Bei einer Ausführungsform ist das Bandpassfilter 440 ein Butterworth-Filter 4. Ordnung mit einer Verstärkung von 20 und einem Q-Faktor von 40. Ein Butterworth-Filter stellt das vorteilhafte Merkmal eines relativ schnellen Abfalls von der Spitze bereit und arbeitet mit einem hohen Leistungs/Kosten-Verhältnis. Jedoch kann das Butterworth-Filter in manchen Situationen instabil sein und z.B. Schwingen schaffen. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung auch mit anderen Filtertypen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Bessel-Filter verwendet werden, das dazu neigt, stabiler als ein Butterworth-Filter unter transienten Bedingungen zu sein, aber keinen ebenso schnellen Abfall aufweist. Ein anderer Typ von Filter, der verwendet werden kann, ist ein elliptisches Filter.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden sowohl das Filter 440 als auch der Oszillator 438 von einem Taktsignal, wie etwa einem 20 Mhz-Signal 442, gesteuert. Bei einer Ausführungsform liefert das Filter eine Abtastrate (die den Zeitrahmen definiert, über den eine Filterung angewandt wird) von mindestens dem Dreifachen der Taktsignalrate 442, bei einer Ausführungsform, eine Abtastrate von mindestens 40 kHz. Andere Einrichtungen für eine hohe Abtastrate und Filterung können verwendet werden, wie etwa ein schnell wirkender Gleichrichter oder Integrator.
Die Größe des Ansteuerungssignals 438 wird in Verbindung mit einem Verstärkungs-Controller 446 festgelegt. Eine der Funktionen des Verstärkungs-Controllers 446 ist es, eine Situation auszugleichen, in der es eine schnelle Änderung in der Umgebung gibt, wie sie etwa daraus resultieren kann, dass ein Benutzer ein geerdetes Metallobjekt berührt, wodurch die effektiven elektrischen Eigenschaften des Körpers des Benutzers 412 verändert werden. Der Verstärkungs-Controller 446 empfängt eine Angabe der Größe des von dem Berührungsschirm empfangenen Signals, vorzugsweise aus Information, die von der nachstehend beschriebenen CPU 450 bereitgestellt wird. Wenn irgendeines der vier Signale größer als ein vorbestimmter Betrag wird, wie etwa größer als 4,5 Volt, wird die Systemverstärkung reduziert, wodurch das Ansteuerungssignal abgesenkt wird, d.h. das Signal 452, das vom Oszillator 438 ausgegeben wird. Bei der Ausführungsform von 5 wird das Ansteuerungssignal 452 durch Dämpfungssignale 516, die einen Multiplexer 518 steuern, gedämpft.
Die 5 und 6 zeigen eine Art und Weise der Implementierung der allgemeinen Anordnung von 4 in einem System, das vier Elektroden auf einem Berührungsschirm aufweist, wie es in 1 dargestellt ist. 5 zeigt den Analogteil 512 der Schaltung, in dem jede der Ansteuerungen 106a, 106b, 106c, 106d mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 418a, 418b, 418c, 418d verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist, wahlweise über ein RC-Filter, mit einem Bandpassfilter 440a, 440b, 440c, 440d verbunden. Unter der Steuerung von Steuersignalen mux 0, mux 1 512 wählt ein Multiplexer 514 die Ausgänge von den Filtern 440a, 440b, 440c, 440d aus, um diese einzeln einem Analog/Digital-Wandler 612 (6) zu liefern. Wie es oben angemerkt wurde, sind die Filter 440a, 440b, 440c, 440d in der Lage, sehr schnell abzutasten, und vorzugsweise werden alle vier Kanäle in weniger als 800 Mikrosekunden, vorzugsweise weniger als 400 Mikrosekunden und stärker bevorzugt weniger als 300 Mikrosekunden abgetastet und dem A/D-Wandler 612 geliefert. Bei einer Ausführungsform liefert das System eine digitale Abtastung des gefilterten Analogsignals mit einer Rate von ungefähr 1000 Abtastungen pro Sekunde (für jede der vier Elektroden), vorzugsweise unge fähr 2500 Abtastungen pro Sekunde, stärker bevorzugt ungefähr 3000 Abtastungen pro Sekunde oder mehr. Ein derart schnelles Abtasten wird dazu verwendet, die Rausch- und Abweichungseffekte zwischen Abtastungen zu verringern oder zu beseitigen. Der Analog/Digital-Wandler ist gemäß einer Ausführungsform ein 12-Bit Nachlauf-Anlog/Digital-Wandler.
Wie es in 6 gezeigt ist, wird die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) von einem Kristalloszillator 442 gesteuert, der auch mittels Dividierern 614a, 614b, 614c, 614d Taktsignale 441 und 552 mit jeweils 200 kHz bzw. 10 kHz liefert. Eine Stromversorgung 616 liefert der CPU vorzugsweise über einen Powermanagementschaltkreis 614 Energie, der vorzugsweise derart eingerichtet ist, dass er die CPU 450 zurücksetzt, wenn Vcc unter 4,75 Volt abfällt. Mit der CPU ist ein Kommunikationsschaltkreis 620 gekoppelt, der beispielsweise optische Koppler zum Umwandeln eines TTL-Pegels in einer 20 μA Ansteuerung umfasst. Ein EPROM-Speicher 622 wird dazu verwendet, Dienstprogramme und Urladeprogramme zu speichern, beispielsweise um Programmspeicher herunterzuladen. Der Flash-Speicher 624 wird dazu verwendet, das Hauptprogramm zu speichern, und ist vorzugsweise ein nichtflüchtiger Speicher, so dass die Inhalte intakt bleiben, wenn der Strom abgeschaltet ist. Der Flash-Speicher kann über die Kommunikationseinrichtung neu geladen oder abgeändert werden. Auf diese Weise kann das Programm in dem Flash-Speicher von einem fernen Ort heruntergeladen werden. Das Kommunikations-FrontEnd enthält optische Koppler für serielle Eingangsdaten, serielle Ausgangsdaten und einen globalen Eingang für ein Fernhauptrücksetzen. Ein CMOS-Speicher 626 wird für Zwischenspeicher- und Berechnungszwecke verwendet.
Eine Anzahl von CPUs 450 kann in dieser Hinsicht verwendet werden, obwohl vorzugsweise eine CPU von dem im Umfeld von Personal-Computern verwendeten Typ bevorzugt ist.
Im Betrieb berührt der Benutzer einen Abschnitt des Bildschirms, und der Strom, der von jedem der vier Leiter 102a, 102b, 102c, 102d durch den Körper fließt, ist eine Funktion des Abstandes von der Berührungsstelle zu jedem der jeweiligen Leiter. Vorzugsweise weist der Bildschirm eine Oberfläche mit im Wesentlichen überall gleichem Potential auf. Wenn der Benutzer den Bildschirm genau in der Mitte berühren würde, in gleicher Beabstandung von den vier Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d, wäre somit der Gesamtstromfluss durch den Körper des Benutzers annähernd 8/4 μA oder 2 μA. Für Berührungsstellen, die nicht in der Mitte liegen, d.h. die näher bei irgendwelchen Elektroden als an anderen liegen, wird der Strom von den näheren Elektroden größer sein als der von den weiter entfernten Elektroden. Durch Kenntnis der Beziehung zwischen dem Strombetrag und der Position auf dem Bildschirm kann der Strombetrag, der durch jede der Elektroden durch den Benutzer fließt, dazu verwendet werden, auf die Position der Berührungsstelle zu schließen, wie es nachstehend vollständiger beschrieben wird. Zu dem Beispiel einer Berührungsstelle in der Mitte des Bildschirms zurückgekehrt, wie dies in 4 dargestellt ist, wird der Berührungsstrom über einen 11,3 Ohm-Widerstand gemessen, so dass, wenn er in eine Spannung umgewandelt ist, der Strom 22,6 μV pro Volt Ansteuerspannung wird. Der Verstärker 418 multipliziert die Spannung mit 2000, und das Bandpassfilter 440 fügt eine Verstärkung von 20 hinzu. Wie es in 5 dargestellt ist, wird das von dem Multiplexer 514 ausgewählte Signal einem Pufferverstärker BA 516 geliefert, der in der dargestellten Ausführungsform eine Verstärkung von 2 aufweist. Insgesamt weist das System somit eine Verstärkung von 80000 auf. Das Signal wird dem Analog/Digital-Wandler geliefert. Der Befehl, um das Analogsignal in eine digitale Form umzuwandeln, ist mit dem Ausgangsansteuerungsoszillator synchronisiert. Die Synchronisation ist derart ausgestaltet, dass, wenn die digitalen Daten erhalten werden, sie die Spitzenspannung des Berührungssignals für diesen Kanal darstellen. Mehrere Abtastungen (z.B. vier Abtastungen pro Kanal) werden vorgenommen, um eine Mittelung durchzuführen und jeden DC-Wert zu entfernen, auf dem die Sinuswelle sitzen kann.
Die digitalisierten Spannungen für die vier Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d stellen die Spannungen jeweils an der linken, der oberen, der rechten bzw. der unteren Elektrode dar und sind mit V_L, V_T, V_R und V_B symbolisiert. Die digital dargestellten Werte dieser vier Spannungen werden wie folgt kombiniert, so dass sich zwei Spannungswerte Y_V und X_V ergeben, die Werte in einer vertikalen Richtung (Y_V) und in einer horizontalen Richtung (X_V) darstellen:
Y_V und X_V stehen mit der vertikalen und horizontalen Position jeder Berührungsstelle auf dem Bildschirm in Beziehung, aber die Beziehung ist im Allgemeinen nicht linear. Um die tatsächliche Position auf der Grundlage der Werte von Y_V und X_V zu erhalten, wird eine Umwandlungs- oder eine Linearisierungsprozedur verwendet.
Im Allgemeinen ist die Linearisierungsprozedur eine Prozedur, um von einem Koordinatensystem in ein anderes Koordinatensystem umzuwandeln.
Jedoch ist Umwandlung im Allgemeinen nicht linear und kann für jeden besonderen Berührungsschirm unterschiedlich sein sowie sich möglicherweise zeitlich aufgrund von Alterung, Veränderungen in seiner Umgebung usw. verändern. Gemäß einem Verfahren zum Bestimmen der Position einer Berührungsstelle eines Benutzers auf dem Bildschirm wird eine Anzahl von Messungen von den Werten Y_V und X_V an verschiedenen bekannten Stellen auf dem Bildschirm vorgenommen. Diese Messungen werden dann dazu verwendet, die Parameter des Umwandlungsverfahrens zum Umwandeln der Werte von Y_V und X_V in Werte, die die Stelle der Berührung auf dem Bildschirm angeben, zu bestimmen. Obwohl es im Allgemeinen erwünscht ist, ein Verfahren zum Umwandeln aus dem Y_V-X_V-Koordinatensystem in ein Bildschirmstellen-Koordinatensystem bereitzustellen, beginnt das Verfahren, indem eine Umwandlung in der entgegengesetzten Richtung durchgeführt wird, d.h. indem bestimmte Stellen in dem Bildschirmstellen-Koordinatensystem definiert und die Werte von Y_V und X_V gemessen werden, die aus Berührungen an diesen vordefinierten Stellen resultieren. Diese Werte werden dann dazu verwendet, die Parameter zu berechnen, die dazu verwendet werden können, die Koordinatensysteme in die entgegengesetzte Richtung umzuwandeln, d.h. aus dem Y_V-X_V-Koordinatensystem in den Bildschirmstellen-Koordinatenort.
Es kann eine Anzahl von Verfahren zum Umwandeln zwischen den Koordinatensystemen verwendet werden. Im Allgemeinen erfordern Umwandlungssysteme, die hochgenau sind, ein hohes Niveau an Berechnungsressourcen und/oder -zeit. Es ist jedoch herausgefunden worden, dass das nachstehend beschriebene Umwandlungsverfahren nur mäßige Berechnungsanforderungen besitzt, jedoch zu einem System mit einer relativ hohen Genauigkeit oder feinen Auflösung führt, bei dem die Berührungsstelle, die durch das System berechnet wird, innerhalb eines vorbestimmten Abstandes von der tatsächlichen Berührungsstelle liegt. Bei einer Ausfüh rungsform liegt die berechnete Stelle innerhalb von ungefähr 1/8 Zoll der tatsächlichen Stelle.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein pseudolineares Umwandlungsverfahren verwendet, das die folgenden Umwandlungsgleichungen anwendet: XS = a0 + a1XV + a2YV + a3XVYV (3) YS = b0 + b1YV + b2XV + b3XVYV (4)wobei X_S der berechnete horizontale Abstand vom linken Rand des Bildschirms ist.
Y_S der berechnete vertikale Abstand vom oberen Rand des Bildschirms ist.
Es können andere Umwandlungsverfahren verwendet werden, die eine Umwandlung höherer Ordnung umfassen. Jedoch ist herausgefunden worden, dass das Verfahren der Gleichungen 3 und 4 eine annehmbar hohe Auflösung zumindest für Abschnitte des Bildschirms liefert, die nicht die Ecken des Bildschirms umfassen.
Bei dem in 7 dargestellten Verfahren bestimmt das System, nachdem das Gerät eingeschaltet worden ist 912, ob dies das erste Einschalten ist, das bei diesem System durchgeführt wird 914 (z.B. indem eine Flag geprüft wird). Wenn dies der Fall ist, führt das System eine nachstehend beschriebene Kalibrierungsprozedur durch 916. Sonst wird eine Anzahl von Systemverwaltungsfunktionen durchgeführt 918, wie etwa das Löschen von Registern, das Prüfen von Speichern, das Freigeben von Interrupts und das Einrichten von Datenübertragung. Das System bestimmt dann, ob es eine bereits in dem System gespeicherte gültige Kalibrierung gibt 920. Falls nicht, leitet dann das System die Kalibrierungsprozedur ein 916. Sonst schreitet das System fort, die Signalverstärkung auf einen hohen Pegel einzustellen 922, z.B. unter Verwendung des Verstärkungs-Controllers 446. Beim nächsten Schritt führt das System eine Prüfung durch, um zu bestimmen, ob der Bildschirm berührt wird. Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform wird dies festgestellt, indem eine Prüfung vorgenommen wird, um zu sehen, ob irgendeiner der vier Kanäle 106a, 106b, 106c, 106d eine Spannung anzeigt, die größer als das Doppelte der Umgebungsspannung ist, d.h. die Spannung, die an den vier Elektroden 102a, 102b, 102c, 102d bei Abwesenheit einer Berührung vorliegt. Falls nicht, fährt das System fort, auf eine Berührung zu prüfen 924, bis eine Berührung detektiert wird. Bei einer Ausführungsform wird die Bestimmung des Auftretens einer Berührung vorgenommen, indem detektiert wird, ob eine Spitze eines abgetasteten Signals von dem Filter über einem Schwellenwert liegt. In dem Fall, dass das abgetastete Signal durch die folgende Gleichung dargestellt wird: S = A(ωt + ϕ) + Tsin (ωt + φ) (5)wobei = S das abgetastete Signal darstellt,

A: die Amplitude des abgetasteten Signals ist,
ω: der Phasenwinkel ist,
ϕ: die Phase des abgetasteten Signals ist,
T: die Amplitude des durch die Berührungsvorrichtung fließenden Stromes ist

P = (A2 + B2)½ (6)

Nach dem Detektieren einer Berührung nimmt dann das System Prüfungen vor, um sicherzustellen, dass keiner der Kanäle 106a, 106b, 106c, 106d eine Spannung angibt, die größer als ein vorbestimmter Betrag ist, wie etwa 4,5 Volt, 926. Wie es oben diskutiert wurde, wird diese Prüfung vorgenommen, um plötzliche Änderungen in der Umgebung zu detektieren, wie etwa, dass ein Benutzer einen geerdeten Metallgegenstand oder dergleichen berührt. Wenn eine derart große Spannung detektiert wird, wird die Ansteuerungsspannung reduziert 928, wie etwa, indem der Verstärkungs-Controller 446 verwendet wird, und das System kehrt zum Zustand zurück, dass eine Prüfung vorgenommen wird, um zu sehen, ob es eine Berührung an dem Bildschirm gibt.
Wenn die Spannung innerhalb der vorbestimmten Parameter liegt, nimmt das System eine vorbestimmte Anzahl von Abtastungen, z.B. vier Abtastungen, an jedem der vier Kanäle unter Verwendung des Hochfrequenz-Abtast-Bandpassfilters, des A/D-Wandlers und der weiteren Schaltung, die in den 5 und 6 dargestellt ist, vor 930. Die Umgebungsspannungen werden subtrahiert 932, und die Werte Y_V und X_V werden gemäß den Gleichungen (1) und (2) berechnet 934. Die Y_V- und X_V-Werte werden dann unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) in X_S- und Y_S-Werte umgewandelt 936. Die Positionswerte Y_S und X_S werden dann über einen Kommunikationsschaltkreis 620 zum Host-Computer geschickt. Normalerweise wäre das System derart ausgestaltet, dass es kontinuierlich auf Berührungen überwacht, und somit wäre das System derart ausgestaltet, dass es eine andere Stelle erhält 940, indem zu dem Zustand zurückgekehrt wird, in dem das System feststellt, ob irgendeine Berührung des Bildschirms vorgenommen wird 924. Sonst endet die Routine 942.
Beim Durchführen der Kalibrierung 916 bestimmt das System zunächst, ob der Monitor ausreichend aufgewärmt ist 950 und durchläuft zyklisch aufeinanderfolgend zehnsekündige Warteperioden 952, bis das Aufwärmen abgeschlossen ist. Als nächstes sendet die CPU 450 eine Aufforderung über eine Kommunikationseinrichtung 620 an den Host-Computer, wobei der Host-Computer aufgefordert wird, Anweisungen für den Benutzer an dem Berührungsschirm anzuzeigen 954. Während der Zeit, wenn der Benutzer den Berührungsschirm nicht berührt, misst der Computer die Spannungen an den vier Kanälen 106a, 106b, 106c, 106d und speichert diese Werte, z.B. zur Verwendung bei den Schritten 924 und 932. Die CPU 450 fordert dann den Host-Computer auf, einen Berührungsfleck (ein Fleck oder ein anderes Kennzeichen an dem Berührungsschirm an einer vorbestimmten Stelle) anzuzeigen. Der Computer zeigt auch Anweisungen an, die dem Benutzer sagen, dass er den Bildschirm genau an der Stelle des angezeigten Berührungsfleckes berühren soll, 958. Das System bestimmt dann, ob es eine Berührung gibt, 960, und ob die Spannung in den definierten Grenzen liegt, 962, 964, wie es oben für die Schritte 924, 926 und 928 beschrieben wurde. Die Umgebungsspannungen werden subtrahiert 966, und die gemessenen Werte werden gespeichert 968. Die CPU 450 fordert dann den Host-Computer auf, den nächsten Fleck an dem Bildschirm 970 an der nächsten vorbestimmten Stelle zu platzieren, es sei denn, dass alle Flecke angezeigt worden sind, 972. Bei einer Ausführungsform wird eine Gesamtzahl von neun Berührungsflecken oder Kalibrierungspunkten verwendet, wobei vorzugsweise vier im Wesentlichen rechtwinklige und identische Quadranten oder Bereiche definiert werden.
Nachdem alle Berührungsflecke angezeigt und Spannungswerte Y_V und X_V gemäß einem jeden der Berührungsflecke gespeichert worden sind, errechnet das System die Parameter a₀, a₁, a₂, a₃, b₀, b₁, b₂, b₃, die in den Gleichungen (3) und (4) verwendet werden, 974. Dies kann vorgenommen werden, indem die Gleichungen (3) und (4) für jede der Variablen a₀, a₁, a₂, a₃, b₀, b₁, b₂, b₃, gelöst werden oder eine Anpassung vorgenommen wird (ein „Fit"). Da neun Messungen vorgenommen worden sind, wird dies zu einem System von 18 Gleichungen und acht Unbekannten führen und somit überbestimmt sein. Dementsprechend wird ein "Best-Fit"-Verfahren dazu verwendet, Werte für die Unbekannten a₀, a₁, a₂, a₃, b₀, b₁, b₂, b₃, zu bestimmen, die den besten Fit für die neun gemessenen Werte von X_V und Y_V liefern. Diese Werte der Unbekannten werden zur Verwendung bei der Berechnung von X_S und Y_S bei Schritt 936 gespeichert. Das System kehrt dann zu dem oben beschriebenen Schritt 918 zurück.
Im Lichte der obigen Beschreibung ist es Fachleuten verständlich, dass die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Vorteilen liefert. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, die Stelle einer Berührung an einem Berührungsschirm mit einer feinen Auflösung aber mit relativ niedrigen Kosten und hoher Schnelligkeit zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung reduziert die Kosten, indem Schritte beseitigt werden, wie etwa Schritte der Bereitstellung einer rückseitigen Elektrode und/oder einer rückseitigen leitfähigen Beschichtung, und das Erfordernis für die Anzahl von Schritten reduziert, die in separaten Vakuumkammerprozessen durchgeführt werden müssen.
Eine Anzahl von Variationen und Abänderungen kann verwendet werden. Zusätzlich zur Verwendung in Verbindung mit Spielmaschinen, PCs und anderen Geräten, wie es oben beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen interaktiven Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Standortbestimmungs- oder Navigationsgeräten, automatischen Ansagemaschinen (ATM) in Verbindung mit Fahrzeug- und/oder Maschinensteuergeräten und dergleichen.
Obwohl die Anwendung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und bestimmter Variationen und Abänderungen beschrieben worden ist, können auch andere Variationen und Abänderungen verwendet werden, wobei die Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Berührungsschirmvorrichtung zum Erfassen eines Kontaktes an einer vorgewählten Stelle an einer Berührungsschirmoberfläche, umfassend: einen Kathodenstrahlröhren-(CRT-)Schirm (104), der eine Außenfläche mit einem Außenrand am Umfang des Schirms aufweist; eine Vielzahl von Stabelektroden (102a–102d), die im Wesentlichen nahe bei dem Außenrand des Schirmes angeordnet sind; einen Treiber (512, 612), der eine Vielzahl von Kanälen aufweist, wobei jeder Kanal mit einer der Stabelektroden verbunden ist, um den Stabelektroden Spannungen zu liefern und um Signale zu liefern, die einen Kontakt an der Oberfläche anzeigen, wobei die Signale aus einem Stromfluss durch eine Berührungsvorrichtung, die mit der Oberfläche in Kontakt steht, resultieren, wobei die Signale eine Funktion sind einer Differenz zwischen den Spannungspegeln zu einem ersten Zeitpunkt t₁, wenn kein Kontakt besteht, und zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, der mit dem Zeitpunkt des Kontaktes zusammenfällt, und ein Positionsbestimmungsmittel (450, 622, 624, 626) zum Empfangen der Signale von den Kanälen und zum Bewerten der Signale, um die Position der Berührung in Bezug auf die Vielzahl von Stabelektroden zu identifizieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden direkt auf der Außenfläche des CRT-Schirms angeordnet sind.
Berührungsschirmvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche im Wesentlichen rechteckig ist, ferner umfassend: eine erste Stabelektrode (102b), die im Wesentlichen parallel zu und nahe bei einem oberen Rand des Schirms angeordnet ist; eine zweite Stabelektrode (102d), die im Wesentlichen parallel zu und nahe bei einem unteren Rand des Schirms angeordnet ist; eine dritte Stabelektrode (102a), die im Wesentlichen parallel zu und nahe bei einem linken Rand des Schirms angeordnet ist; eine vierte Stabelektrode (102c), die im Wesentlichen parallel zu und nahe bei einem rechten Rand des Schirms angeordnet ist; wobei die erste und die zweite Stabelektrode als ein Paar fungieren, um eine relative vertikale Position der Berührung zu bestimmen; und die dritte und die vierte Stabelektrode als ein Paar fungieren, um eine relative horizontale Position der Berührung zu bestimmen.
Berührungsschirmvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die relative vertikale Position (P_V) der Berührung als eine Funktion der Spannung, die an der ersten Stabelektrode gemessen wird (V_T), und einer Spannung, die an der zweiten Stabelektrode gemessen wird (V_B), wie folgt bestimmt wird:
und die relative horizontale Position (P_h) der Berührung als eine Funktion einer Spannung, die an der dritten Stabelektrode gemessen wird (V_L), und einer Spannung, die an der vierten Stabelektrode gemessen wird (V_R), wie folgt bestimmt wird:
Berührungsschirmvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Treiber ferner umfasst: einen Oszillator (438), der mit jedem der Kanäle verbunden ist, um Zeitabstimmungsintervalle zum Digitalisieren analoger Signale, die von jedem der Kanäle erzeugt werden, einzustellen, ein Verstärkermittel (418a–d) in jedem der Kanäle, das einen ersten Eingang (424), einen zweiten Eingang (106) und einen Ausgang (422) aufweist, wobei der erste Eingang mit dem Oszillator verbunden ist, der zweite Eingang mit dem Oszillator und mit einer entsprechenden Stabelektrode verbunden ist, so dass, wenn keine Berührung vorhanden ist, das Verstärkermittel sich mit einem im Wesentlichen konstanten Verstärkerausgangssignal in einem Gleichgewicht befindet, und wenn eine Berührung an der Oberfläche auftritt, ein Strom von dem Schirm durch die Berührungsvorrichtung fließt, was einen Spannungsabfall über die Eingänge an dem Verstärkermittel hinweg und ein resultierendes Verstärkerausgangssignal hervorruft; ein Filter (440a–d) in jedem der Kanäle zum Empfangen des resultierenden Verstärkerausgangssignals von dem Verstärkermittei und um Signale, die größer als eine vorbestimmte Frequenz sind, im Wesentlichen durchzulassen; und einen Analog/Digital-Wandler (612) zum Abtasten des gefilterten Ausgangssignals mit zumindest einer vorbestimmten Abtastrate.
Berührungsschirmvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Treiber ferner einen Taktgeber (442) umfasst, der mit dem Filter in jedem der Kanäle verbunden ist, um eine Abtastrate jedes Filters zu synchronisieren.
Berührungsschirmvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Filter in jedem Kanal mit einer Rate von zumindest drei Mal je Takt des Taktsignals abtastet, und/oder wobei der Filter mit einer Rate abtastet, die konfiguriert ist, um eine Bestimmung einer Wechselstromamplitudenkomponente, einer Wechselstromphasenkomponente und einer Gleichstromkomponente zu ermöglichen, wobei die Abtastrate vorzugsweise zumindest 40 kHz beträgt, und/oder wobei auf eine über einem Schwellenpegel liegende Spitze eines abgetasteten Signals von dem Filter hin bestimmt wird, dass eine Berührung aufgetreten ist, wobei das abgetastete Signal durch die folgende Gleichung dargestellt ist: S = A (ωt + ⌀) + Tsin (ωt + ⌀) (9)wobei: S das abgetastete Signal darstellt; A die Amplitude des abgetasteten Signals ist; ω der Phasenwinkel ist; ⌀ die Phase des abgetasteten Signals ist; T die Amplitude des Stromes ist, der durch die Berührungsvorrichtung fließt.