CN101632059A - 电容感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的各种实施例涉及一种电容感测装置。其中公开了一种在位置感测装置中使用的电容感测装置，包括第一电极集合(5)和第二电极集合(6)以及被配置用于在正常操作模式使用中确定每一对电极之间电容的电容感测电路(7)，该每一对电极包含来自第一集合的一个电极和来自第二集合的一个电极，其中该装置进一步具备至少一组开关(11a、11b、14a、14b)，其被配置用于将电极集合内成组的电极选择性地电连接在一起，其中在该装置的低分辨率模式使用中，该组或每组开关将电极组连接在一起并且该电容感测电路被配置用于确定在一个集合内的电极组和另一个集合内的电极或电极组的每一对之间的电容。典型地，该装置与显示器(2)相结合使用以形成一个触摸感应显示器。它可在位置感测装置中使用以用于确定对象对该装置的接近以及位置，并且尤其可在一种在两个乘客座椅(21、22)之间居中具有控制台(20)类型的机动车辆的控制台(20)中使用。

Description

电容感测装置
技术领域
本发明涉及一种在位置感测系统中使用的电容感测装置。
背景技术
电容式接近感测法在现有技术中是众所周知的。通过测量经过两个导体电容的变化，一个合适的电路能够检测电容式对象的接近(proximity)，包括例如人类手指的身体部分。电容的变化一般随着对象靠近导体而增加。这种效应可被用于数据输入设备，例如通过确定导体两端的电容何时与静止状态相比已发生一定数量变化来模拟一个简单的按钮。
No.5565658号美国专利公开了一种触摸感应面板，其中矩阵导体以阵列方式提供。这些导体位于两层：第一层包括多个“横向”延伸的导体；以及第二层包括多个“竖向”延伸的导体，这些导体与横向导体在同一个平面并且其长度方向与横向导体长度方向相垂直。通过测量每一对横向和竖向导体的电容变化，按压在面板上或接近该面板的对象的位置可以被确定。
发明内容
根据本发明的第一方面，我们提供了一种在位置感测装置中使用的电容感测装置，该电容感测装置包括第一电极集合和第二电极集合以及被配置用于在正常操作模式使用中确定每一对电极之间电容的电容感测电路，该每一对电极包含来自第一集合的一个电极和来自第二集合的一个电极，其中该装置还具备至少一组开关，该组开关被配置用于将电极集合内成组的电极选择性地电连接在一起，其中在该装置的低分辨率模式使用中，该组或每组开关将电极组连接在一起并且该电容感测电路被配置用于确定在一个集合内的电极组和另一个集合内的电极或电极组的每一对之间的电容。
因此，发明者已经认识到，通过将电极组连接在一起，对例如人类手指的导电对象的接近可以以对象位置的分辨率为代价而获得更好的感应度。可以记得电容的变化是随着对象与电极的距离而减小，这就允许在仍然考虑一定位置分辨率的同时去感测更远一点距离的对象。
优选地，每一电极组具有一组开关。优选地，第一和第二电极集合都具备电极组和对应的组开关。一个或两个集合的全部、或绝大多数电极可被分成组。同时优选的是，在一个集合中的绝大多数组包含相同数目的电极，而来自第一集合的组和来自第二集合的组也可能具有不同数目的电极。典型地，第个集合的组可以有3、4或5个或可能更多电极。在一个示例中，第一电极集合的组有3个电极且第二集合的组有5个电极。
该装置还可以包括至少进一步的(另外，further)一组开关，其被配置用于将一个或两个集合内至少进一步的一组电极选择性地电连接在一起，该进一步的一组或多组电极各自包含比该组电极更多的电极；在这种情况下，该装置在使用中具有超低分辨率模式，其中该进一步的一组开关将该进一步的一组电极连接在一起并且该电容感测电路被配置用于确定一方面一对电极的该进一步的一组或多组和另一方面该进一步的一组或多组电极、该多组电极或单个电极中的至少一个的每一对之间的电容。
这就允许以分辨率为代价而进一步提高感应度。典型地，两个电极集合都被分成进一步的一组或多组；一个电极集合的该进一步的一组可以包含该集合的所有电极而另一个集合的该进一步的一组或多组可以包含被分成1(最优选)、2或3个进一步的组的该另一个集合的电极。这仍然能提供一些关于该对象位置的有用数据，而同时考虑更远范围的检测。
该电容感测电路可以包括在正常模式中使用的第一子电路，以及在低分辨率模式或超低分辨率模式中使用的第二电路。在超低分辨率模式中，其中一个集合的该进一步的一组包含该集合的所有电极，该电极集合可以被连接至地以及第二子电路可以包含一个传感器，其被连接至另一个电极集合并且被配置用于检测对接地对象的电容。一般来说，身体部分被连接至地，因此这样尤其方便。
该装置还可以进一步包括控制电路，其被配置用于在使用中在不同的分辨率状态之间切换该装置。该控制电路可以被配置成使得在使用中，依据和对象与该装置的距离相关的信息来切换该装置的状态。该信息可以包括电极对的电容变化的幅度，因为这依赖于对象与该装置的距离。如果测量的电容下降低于阈值，则该控制电路可以切换至较低分辨率模式。这样既能应用于从正常模式切换至低分辨率模式，也可以从低分辨率模式切换至超低分辨率模式。
该装置还可以进一步包括显示器，例如有机发光二极管(Organic LightEmitting Diode，OLED)显示器或薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)液晶显示器(Liquid Crystal display，LCD)；典型地该显示器包括选择性照亮部分，以便在使用中选择性地将信息显示给用户。该控制电路还可以在使用中，被配置用于当它感测到对象的靠近时启动(激活)该显示器。优选地，它被配置用于当是超低分辨率模式和/或低分辨率模式时以这种方式启动该显示器。
优选地，第一和第二电极集合的每一个包括多个大体相互平行的延伸电极；第一和第二集合的电极可以相对彼此成一定角度。在一个尤其简便的实施例中，第一和第二集合的电极相互平行。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测对象的接近和确定其位置的位置感测装置，包括根据本发明第一方面的电容感测装置，以及位置确定电路，该位置确定电路被配置用于在使用中根据由电容感测装置测量的电容来确定接近该装置的对象的位置。
根据本发明的第三方面，提供了一种本发明第二方面的位置感测装置的用途，其用在两个乘客座椅之间具有中央控制台类型的机动车辆中，其中放置有该位置感测装置，其中在超低分辨率模式中，该位置感测装置被配置用于确定对象正从该装置的哪一边靠近。
这是通过该装置在一个电极集合上包括两个进一步的电极组而优选获得，其被定位从而形成两个横向间隔组。车辆的每个乘客座椅因此将比另一个进一步的电极组更接近一个进一步的电极组。
该中央控制台典型地是该车辆仪表盘的一部分，其基本上位于乘客座椅的中间位置。
附图说明
接下来，仅仅以示例方式参照所附附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了本发明第一实施例的触摸屏显示器的示意图；
图2示出了图1的触摸屏显示器的电极的相对定位；
图3示出了图1的触摸屏显示器在低分辨率模式中分组的电极；
图4示出了图1的触摸屏显示器在超低分辨率模式中进一步分组(furthergrouped)的电极；
图5示出了安装在车辆中央控制台的图1的显示器。
具体实施方式
触摸屏显示器1在图中示出。这包括显示器面板2，该显示器面板包括一个独立选择性照亮元件的矩阵。这种显示器在本领域是众所周知的，并且典型地该显示器2包括TFTLCD或OLED矩阵。
在显示器面板2之上是电极面板3。这是一个大约0.5mm厚的薄片玻璃，在每一边上安装了透明电极集合。设置了两个电极集合。第一，“X”集合5设置在玻璃片顶部，而第二，“Y”集合6设置在玻璃板底部。每个集合的电极延伸且平行，而两个集合的电极相互垂直。典型地，这些电极由诸如铟锡氧化物(IndiumTin Oxide，ITO)的透明的导电材料形成。
在显示器的顶部之上，有一个保护透明盖4，其功能仅仅是为了防止对下面的层的损害。它典型地包括玻璃或纯聚合物材料。
电极集合5、6被连接至电容感测电路7，如在附图的图2至4中更详细地示出。这样依次将驱动信号施加到第二集合6的每个电极。由此施加于第二电极集合6的信号感应在第一电极集合5中的电流。该第一电极集合5被连接至多路转接器8，其通过放大器9依次将每个电极连接至电容测量电路7，在其中测量了放大的信号水平(signal level)。这个信号水平给出在包括电路7正在驱动的电极和由多路转接器8当前选择的电极的电极对之间的电容水平。很显然，通过顺序步进第二集合6的被驱动的电极和由多路转接器选择的第一集合5的电极可以从第一集合5和第二集合6中获得每一对电极。
此外，如上所述，在电容测量电路7处测量的信号水平将依赖于每一对电极的电容。任何导电对象，例如诸如人类手指的身体的一部分，都会影响该电容以及由此在电容感测电路7处测量的信号水平。
因此，该电路还包括位置感测电路10，其被配置用于根据每一对电极的电容变化来确定接近该触摸屏的对象的位置。该位置感测电路有效地确定电容变化最大的一对电极以及确定那一对电极在显示器上从哪穿过，或者在给定电极对穿过位置的情况下计算出电容变化的质心并且确定对象在那个位置。一种将电容变化转换成位置的示例方法可以在上面讨论的No.5565658号美国专利中了解到。在附图的图2中示出的例子中，如果对象将要接触显示器的示出的区域13，则电极配对5’和6’的电容变化会是最高的，并且这样位置感测电路10就能够根据这个变化来确定该对象已经触及区域13。
这个系统在近距离范围的操作令人满意，其中由于该对象对显示器的近距离接近导致的电容变化足以让电容感测电路7检测到电容的变化。然而，一旦该电容传感器移出该设备的一定范围(大约0.5cm)之外，则电容传感器没有足够的灵敏度以将电容的变化与背景噪声等区分开。因此，该设备具备如在附图的图3中示出的低分辨率模式。
在这种情况下，组开关11a、11b的两个集合已经将每一个集合的电极连接成多组。这些组开关11a、11b在低分辨率模式中将成组的电极电连接在一起，使得每一组充当一个大电极。电容感测电路7、多路转接器8、放大器9以及位置感测电路10以与之前相同的方式操作，除了当有较少的配对组时的更少的通道以外。由配对组定义的新的区域可以在图3中以附图标记12示出。
因此，由于在每一组电极的增加，这就导致感应度的增加，但是是以分辨率的降低为代价。然而，假设在这一阶段，在任何情况下当对象离触摸屏足够远致使相对于该触摸屏难以足够精确地定位该对象，则感应度的减少不是这么重要。
同时附图的图3示出了成对分组的电极，有可能这些组比这个更大。典型地，电极将在一个方向上被分成三组而在另一个方向被分成五组。
这个低分辨率模式在人类手指至多大约5cm的范围内能充分地工作。然而，一旦手指在这个延伸的范围之外，由于延伸的范围产生电容变化的减小而引起的相同问题适用。因此，这个原则可以被进一步延伸至在附图的图4中示出的超低分辨率模式。
在这种情况下，进一步的组开关14a、14b将电极连接成比图3的组更大的进一步的组。在电极的第二集合6情况中，全部电极将连接在一起成为单个的进一步的一组以接地并且现在不再需要单独驱动它们。电极的第一集合5被分成两个进一步的组，每一个大体包含显示器的一半；这将显示器分成左边一半面板15和右边一半面板16。提供了另一类电容感测电路17，被配置用于确定由于接地对象(例如人类手指)靠近显示器导致产生的电容变化。这种电路在接近传感器领域是众所周知的并且被用于确定司机头部与车辆气囊的接近。这种配置允许检测距离为至少10cm的手指。
触摸屏由控制单元18控制。其控制设备在正常、低分辨率和超低分辨率模式之间的切换。它依赖于由电容性的感测电路7、17确定的电容变化水平来实现。如果在所观察的静止状态过程有较小的电容变化，则触摸面板将在图2中所示的超低分辨率模式下操作。如果观察到中等水平的电容变化，则控制单元将触摸屏切换成在图3中所示的低分辨率模式。如果观察到电容变化超过上阈值，则控制单元18将触摸屏切换成在图2中所示的正常模式。
此外，控制单元还可以使显示器面板2仅当对象被检测到时才照亮；如果在超低分辨率模式中没有对象被检测到，则显示器2可被设置成睡眠。一旦对象被检测到并且触摸屏进入低分辨率或正常模式，则显示器2可以被照亮。由于显示器仅在需要的时候被照亮，这样就考虑到节能和保护显示器的寿命；这样还能防止汽车司机分神。
在附图的图5中触摸屏显示器1被示出安装在车辆的中央控制台20上。该控制台20位于司机座椅22和乘客座椅21之间，在选档器24上方，挡风玻璃15下方并且紧挨着方向盘23；所描述的方案是用于右手驱动车辆但是此情况的等效镜像将同样很好地适用于左手驱动汽车。
图4示出在超低分辨率模式中的显示器1。在这种情况下，上面讨论的且在图4中示出的两个区域15和16使能一个简单的左/右指示例如司机/乘客的手指的对象在哪；由于触摸屏接着能够确定对象是从哪边靠近以及因此确定司机或乘客是否正试图使用触摸屏。

Claims (15)

1、一种在位置感测装置中使用的电容感测装置，包括第一电极集合和第二电极集合以及被配置用于在正常操作模式使用中确定每一对电极之间电容的电容感测电路，该每一对电极包含来自第一集合的一个电极和来自第二集合的一个电极，其中该装置还具备至少一组开关，该组开关被配置用于将电极集合内成组的电极选择性地电连接在一起，
其中，在该装置的低分辨率模式使用中，该组或每组开关将电极组连接在一起并且该电容感测电路被配置用于确定在一个集合内的电极组和另一个集合内的电极或电极组的每一对之间的电容。
2、根据权利要求1所述的装置，其中每一电极组具有一组开关。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其中第一和第二电极集合都具备电极组和对应的组开关。
4、根据前面任一项权利要求所述的装置，还包括至少进一步的一组开关，其被配置用于将一个或两个集合内至少进一步的一组电极选择性地电连接在一起，该进一步的一组或多组电极各自包含比该组电极更多的电极；该装置在使用中具有超低分辨率模式，其中该进一步的一组开关或多个开关将进一步的电极组连接在一起并且该电容感测电路被配置用于确定一方面一对电极的该进一步的一组或多组和另一方面该进一步的一组或多组电极、该多组电极或单个电极中的至少一个的每一对之间的电容。
5、根据权利要求4所述的装置，其中两个电极集合都被分成进一步的一组或多组。
6、根据权利要求4或5所述的装置，其中一个电极集合的该进一步的一组可以包含该集合的所有电极，而另一个集合的该进一步的一组或多组可以包含被分成多个进一步的组的该另一个集合的电极。
7、根据前面任一项权利要求所述的装置，其中该电容感测电路可以包括在正常模式中使用的第一子电路，以及在较低分辨率模式中使用的第二电路。
8、根据如权利要求7从属于权利要求4所述的装置，其中在超低分辨率模式中，一个集合的该进一步的一组包含该集合的所有电极，该电极集合被连接至地，和在超低分辨率模式中使用的第二子电路，并且包含一个传感器，该传感器被连接至另一个电极集合并且被配置用于检测由于接地对象产生的电容。
9、根据前面任一项权利要求所述的装置，进一步包括控制电路，被配置用于在不同的分辨率状态之间切换该装置。
10、根据权利要求9所述的装置，其中该控制电蹈可以被配置成在使用中依据和对象与该装置的距离相关的信息来切换该装置的状态。
11、根据权利要求10所述的装置，其中该信息包括电极对的电容变化的幅度。
12、根据权利要求9至11任一项所述的装置，还包括显示器，其中该控制电路在使用中，被配置用于当其感测到对象的靠近时启动该显示器。
13、一种用于检测对象的接近和确定其位置的位置感测装置，包括根据前面任一项权利要求所述的电容感测装置以及位置确定电路，该位置确定电路被配置用于在使用中根据由电容感测装置测量的电容来确定接近该装置的对象的位置。
14、一种在两个乘客座椅之间具有中央控制台类型的机动车辆中使用如权利要求13从属于权利要求4所述的位置感测装置的用途，其用在两个乘客座椅之间具有中央控制台类型的机动车辆中，其中放置有该位置感测装置，其中在超低分辨率模式中，该位置感测装置被配置用于确定对象正从该装置的哪一边靠近。
15、根据权利要求14所述的用途，其中该位置感测装置在一个电极集合上包含两个进一步的电极组，被定位从而形成两个横向间隔组。
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