CN103534948A - 检测物体个数的电容式传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测物体个数的传感器装置，其包括：若干电极配置，其形成传感器表面，各电极配置包括若干测量电极且各电极配置是与至少一传输器电极相关联；及评估装置，其耦合到所述测量电极及所述传输器电极，所述评估装置经调适以使用时分多路复用方法而进行下列动作：将交变信号施加到所述传输器电极的一者且将预定恒定电位施加到其余传输器电极，及在与施加有所述电交变信号的所述传输器电极相关联的所述测量电极处分接指示所述物体相对于所述传感器表面的位置的电信号。本发明进一步涉及一种用于操作根据本发明的传感器装置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器装置，所述传感器装置在电容基础上检测所述传感器装置的检测范围内的物体个数。本发明进一步涉及一种用于凭借根据本发明的传感器装置检测物体个数的方法。本发明进一步涉及一种手持装置，尤其是一种具有根据本发明的传感器装置且可根据根据本发明的方法进行操作的电手持装置。
背景技术
当前发展状况
在电容式传感器装置的当前发展状况中，测量或检测传感器表面与存在于传感器装置的检测范围内的物体之间的电容条件。存在于检测范围内的物体使检测范围内的交变电场发生畸变。测量结果允许引伸出关于传感器表面的测量电极与物体之间的距离及/或物体相对于传感器表面的位置的结论。物体距离或物体的位置与测量结果之间的关系强非线性。
如果在传感器装置的检测范围内存在一个以上物体，那么各个别物体影响单个交变电场的畸变。因为传感器测量值不再仅取决于单个物体的位置或距离，所以当物体个数增加时，测量值或测量结果与物体距传感器表面的距离或物体相对于传感器表面的位置之间的关系变得更加复杂。因此无法再保证精确检测多个物体距传感器表面的距离或多个物体相对于传感器表面的位置。
然而如果假设一些传感器测量值独立于特定物体的距离或位置而估计距离或位置，那么这导致可引起假影的系统测量误差。在最坏的情况下，测量误差可导致再也无法检测或估计物体的距离或位置。
在具有电容式传感器装置的装置的双手操作的具体应用中，期望独立于彼此地检测双手或多个手指相对于传感器装置的位置。
归因于传感器测量值的敏感度(其取决于物体距传感器表面的距离)，第一附近物体的测量值归因于由第二更远物体引起的场畸变的干扰是相对较小，使得能可靠地检测第一物体的距离或位置。然而，相反地，无法可靠地检测第二物体的距离或位置。
在现有技术中，正尝试通过在传感器表面处提供、安置成彼此相距短距离的大量传感器电极来解决此问题。接着，可使用个别传感器电极或多个邻近传感器电极以确定物体的距离或位置，尽管假定可忽视其它物体对所述电极的测量值的影响。然而，此途径的另一先决条件在于物体彼此相距的距离不低于预定值。此尤其适用于物体距传感器表面的更大距离，即，如果传感器电极较不敏感，且由于传感器电极之间的距离相对于物体距传感器表面的距离小，由此产生不利于确定X-Y位置的几何条件。
从现有技术已知的另一解决途径由以下组成：使多个传感器装置或传感器电极在空间上彼此分离，使得各传感器装置或传感器电极形成或界定其自身的检测范围。因此，传感器装置的测量值是与对应物体相关联，而不同传感器装置的测量值是与另一物体相关联。为了确定物体的距离或位置，接着可专门地使用或考虑单个传感器装置的传感器电极，其中在此处须再次假定可忽视其它物体的各者对所述传感器装置的测量值的影响。
然而，仅在存在传感器装置或传感器电极的足够空间分离的情况下，此解决途径才是实际的。
发明内容
本发明的目的
因此，本发明的目的是提供允许确定或检测在电容式传感器装置的检测范围内的若干物体的位置及/或若干物体相对于电容式传感器装置的传感器表面的距离的解决方案。
根据本发明的解决方案
根据本发明通过用于检测物体个数的传感器装置及用于根据独立技术方案凭借根据本发明的传感器装置检测物体个数的方法达成此目的。在对应附属技术方案及进一步独立技术方案中揭示本发明的有利实施例及潜在应用。
因此，揭示一种用于检测物体个数的传感器装置，其中所述传感器装置包括：
-若干电极配置，其形成传感器表面，各电极配置包括若干测量电极且各电极配置是与至少一个发射器电极相关联；及
-评估装置，其耦合到测量电极及发射器电极，所述评估装置经调适以使用时分多路复用方法而进行以下动作
-将交变信号施加到发射器电极的一者，且将预定(优选)恒定电位施加到其余发射器电极，及
-在与施加有电交变信号的发射器电极相关联的测量电极处分接(tapping)指示物体相对于传感器表面的位置的电信号。
因为一次仅一个发射器电极是在作用中(即交变电信号所施加到的发射器电极)，所以一次也仅一个电极配置是在作用中，使得以有利方式显著减小靠近非作用中电极配置的手指对自作用中电极配置分接的电信号的影响。由此可显著更好地确定或估计手指到作用中电极配置的靠近或手指相对于作用中电极配置的位置。
也已发现在电极配置之间安置至少一个第一辅助电极的情况下是有利的，其中评估装置进一步经调适以在时分多路复用程序中将第一辅助电极连接到预定(优选)恒定电位。
以此方式，甚至进一步有利地减小邻近非作用中电极配置(即，靠近非作用中电极配置的物体，例如一个或一个以上手指)对作用中电极配置的影响，使得可更好地确定或估计手指到作用中电极配置的靠近或手指相对于作用中电极配置的位置。
可在各电极配置的边缘处安置至少一个进一步辅助电极，其中评估装置进一步经调适以在时分多路复用程序中将至少进一步辅助电极连接到预定(优选)恒定电位或将交变电信号施加到所述至少一个进一步辅助电极。
传感器表面可与下辅助电极及/或上辅助电极相关联，其中评估装置进一步经调适以将下辅助电极及/或上辅助电极连接到预定(优选)恒定电位或将交变电信号施加到所述下辅助电极及/或所述上辅助电极。
在本发明的一个实施例中，传感器表面可包括两个电极配置，其中所述两个电极配置的各者包括四个测量电极。
可在至少一个电极配置的测量电极之间安置接触检测电极用以检测接触。接触检测电极也可作为测量电极而操作。
本发明进一步涉及一种用于凭借传感器装置检测物体个数的方法，所述传感器装置包括形成传感器表面的若干电极配置，各电极配置包括若干测量电极且各电极配置是与至少一个发射器电极相关联，其中在时分多路复用程序中
-交变电信号施加到发射器电极的一者，
-其余发射器电极连接到预定(优选)恒定电位，及
-在与施加有电交变信号的发射器电极相关联的测量电极处分接指示物体相对于传感器表面的位置的电信号。
至少一个第一辅助电极可安置在电极配置之间且连接到预定(优选)恒定电位。
至少一个进一步辅助电极可安置在各电极配置的边缘处且传感器表面是与下辅助电极及/或上辅助电极相关联，其中所述至少一个进一步辅助电极及/或所述下辅助电极及/或所述上辅助电极连接到预定(优选)恒定电位或交变电信号施加到所述至少一个进一步辅助电极及/或所述下辅助电极及/或所述上辅助电极。
所述预定(优选)恒定电位可为传感器装置的接地电位。
本发明进一步涉及一种具有根据本发明的传感器装置的电手持装置，其中传感器装置的第一电极配置是安置在手持装置的外壳的左区域中且传感器装置的第二电极配置是安置在手持装置的外壳的右区域中。
优选可凭借根据本发明的方法操作传感器装置。
举例来说，电手持装置可为移动电话、计算机鼠标、远程控制器、游戏主控台的输入构件、移动迷你计算机、平板PC等等。
附图说明
结合图式，在以下描述中可发现本发明的进一步细节及特征及本发明的具体实施例。
图1以平面图及剖视图展示根据本发明的电容式传感器装置的电极配置的实例；
图2展示物体影响交变电场的二维静电模拟(等位线)，其中多个传感器电极是与单个发射器电极相关联；
图3展示物体影响交变电场的二维静电模拟(等位线)，其中两个测量电极是与各发射器电极相关联且其中辅助电极是安置在发射器电极与对应测量电极之间；及
图4展示物体影响交变电场的二维静电模拟(等位线)，其中两个测量电极是与各发射器电极相关联且其中撤销启动与所述发射器电极相关联的发射器电极或测量电极的一者。
具体实施方式
图1展示根据本发明的用于检测物体个数(特定来说，物体距传感器表面的距离或物体相对于传感器表面的位置)的电容式传感器装置的电极布置的实例。图1的顶部区域展示电极配置的平面图且底部区域展示电路板上的电极布置的剖视图。
电极布置可实施为双层电路板LP。在电路板LP的顶侧上安置两个电极配置，从而一起形成传感器表面。
左电极配置包括四个左测量电极或传感器电极MEL1到MEL4。右电极配置包括四个测量电极或传感器电极MER1到MER4。取决于对传感器表面的具体要求，左电极配置及右电极配置的各者可包括少于或多于此处所展示的四个测量电极。
此处展示的两个电极配置各形成实质上矩形传感器区域，其中测量电极MEL1到MEL4及MER1到MER4是安置在各传感器区域的角隅区域中。取决于对传感器表面或传感器区域的具体要求，各传感器区域中的测量电极的布置及其形状也可不同于图1中展示的布置。
可凭借电极配置的四个测量电极检测物体到电极配置的靠近，其中可检测或测量物体距传感器区域的距离及/或物体相对于传感器区域的位置。测量电极的各者是耦合到评估装置，所述评估装置由从测量电极分接的电信号确定物体的距离及/或位置。
两个发射器电极GEL及GER是安置在测量电极MEL1到MEL4及MER1到MER4下方。左发射器电极GEL是与左测量电极MEL1到MEL4相关联，且右发射器电极GER是与右测量电极MER1到MER4相关联。发射器电极可安置在电路板LP的底侧上。然而，发射器电极也可安置在电路板LP的顶侧上及测量电极的下方，其中接着须将发射器电极与测量电极流电(galvanically)分离。测量电极是电容式地耦合到对应发射器电极。也在测量电极与靠近测量电极的手指之间形成电容式耦合，其中手指距测量电极的距离的改变引起手指与测量电极之间的电容式耦合或电容的改变。
发射器电极GEL及GER的各者是耦合到信号产生器以便将交变电信号施加到所述发射器电极GEL及GER，使得在所述发射器电极的各者与接地之间产生交变电场，从而界定及形成各电极配置的监测范围。所述信号产生器或所述信号产生器可为现有提及评估装置的部分。
在本发明的实施例中，中央辅助电极EM是安置在左传感器区域与右传感器区域之间，从而将左传感器区域与右传感器区域分离。为此，中央辅助电极EM可连接到预定(优选)恒定电位，例如传感器装置的接地。实质上可在很大程度上防止或减弱在发射器电极处传输的交变电场传播到另一电极配置的区域或传感器区域中。最终，此具有减小或消除靠近左电极配置的物体(例如)对靠近右电极配置的物体的检测的影响的效应。
进一步提供左辅助电极EL、右辅助电极ER及下辅助电极EU，其中左辅助电极EL及右辅助电极ER将来自周围区域的测量电极限制在侧面处，即，从侧面靠近传感器装置的物体实质上不影响存在于电极配置的检测范围内的物体的检测。
下辅助电极EU可安置在产生器电极GEL、GER的下方。还可提供进一步上辅助电极(此处未展示)。取决于下辅助电极EU的布线，即，取决于发射器电极的交变电信号是否施加到下辅助电极EU或所述电极是否连接到预定电位(例如传感器装置的接地)，可增加或从下方限制在发射器电极处传输的交变电场的范围。又，施加到发射器电极GEL、GER的交变电信号还可施加到左辅助电极EL及/或右辅助电极ER以便增加所述范围。
在图1中展示的根据本发明的电极布置的实例中，接触检测电极TEL、TER(触摸电极)是安置在测量电极MEL1到MEL4及MER1到MER4的各者之间，所述接触检测电极TEL、TER可经提供用于仅检测与表面接触的物体。
在下文中详细说明用于凭借根据本发明的传感器装置(例如，其可包括如图1中所展示的电极布置)检测物体个数的方法。
左电极配置及右电极配置是操作于时分多路复用程序中，其中左电极配置在第一步骤中是在作用中，而右电极配置是非作用中。
为了撤销启动右电极配置，右发射器电极GER及视需要中央辅助电极EM连接到预定电位，优选连接到电容式传感器装置的接地。
交变电信号施加到左发射器电极GEL，使得产生交变电场，从而形成及界定左电极配置的检测范围。撤销启动右电极配置实质上引起通过左发射器电极GEL产生的交变电场不跨右电极配置传输。因此，存在于右电极配置的范围内的物体(例如，手指)可仅非显著地扰乱或影响跨左电极配置的交变电场，即，由此在很大程度上“遮蔽”存在于右电极配置的范围内的物体。
在第二步骤中，启动右电极配置，而撤销启动左电极配置。
以类似于第一步骤的方式，由此将左发射器电极GEL连接到预定电位，优选连接到传感器装置的接地。相比之下，中央辅助电极EM的电位保持不变，即，在第二步骤中也保持连接到预定电位，特定来说连接到传感器装置的接地。
在第二步骤中，现将交变电信号施加到右发射器电极GER，使得在所述右发射器电极GER处传输形成及界定右电极配置的检测范围或监测范围的交变电场。撤销启动左电极配置在此处再次实质上引起通过右发射器电极GER产生的交变电场实质上不跨左电极配置而延伸。此尤其引起左电极配置不传输交变电场。因此，存在或移动于左电极配置的范围内的物体(例如，手指)仅非显著地扰乱在右电极配置处传输的交变电场。由此在很大程度上“遮蔽”左电极配置上方的手指。
如果(例如)欲检测或估计仅一个物体(例如，手指)的位置，那么也可使用所描述的根据本发明的用于凭借根据本发明的传感器装置检测物体个数的方法。在所述情况下，可使用全敏感区域(即，电容式传感器装置的全传感器表面)。为此，两个发射器电极均可处于作用中(即，交变电信号可施加到两个发射器电极GEL、GER)，使得在两个发射器电极处传输交变电场，从而一起形成电容式传感器装置的检测范围或观察范围。
交变电场也可施加到安置在两个电极配置之间的中央辅助电极EM。此外，交变电场也可施加到左辅助电极EL及右辅助电极ER。也可将两个接触检测电极TEL、TER用作为测量电极或传感器电极，接着将所述电极以与测量电极MEL1到MEL4及MER1到MER4相同的方式连接到分析装置且因此分析其的电信号。然而，也可将接触检测电极TEL、TER专门用于检测接触。
此外，根据本发明的传感器装置也可用于将整个传感器表面实施为触敏区域。在此情况下，左及右辅助电极以及中央辅助电极皆可连接到接触检测电极TEL、TER。
在上文描述的根据本发明的方法的两个步骤中，可将左辅助电极EL及右辅助电极ER连接到预定电位(优选到电容式传感器装置的接地)，或可将交变电信号施加到所述左辅助电极EL及所述右辅助电极ER。在第一种情况下，由此可限制范围超出传感器装置的侧边缘区域。在第二种情况下，即，如果将交变电信号施加到左辅助电极及右辅助电极，那么可增加所传输的交变电场的范围。此同样适用于下辅助电极EU及上辅助电极(如果提供上辅助电极)。
在根据本发明的方法的第二步骤之后，可在第一步骤继续所述方法，使得实质上循环地执行所述方法的第一步骤及第二步骤。
图2到4各展示物体(例如，手指)对交变电场的影响的2D模拟。四个传感器电极或测量电极的各者沿X轴跨产生器(即，一个或一个以上发射器电极)而安置。在各情况下，观察归因于从右侧的第二传感器电极(与右手指相关联)上的左手指对电位的影响。
在二维静电模拟中，发射器电极的各者是展示为矩形，且在其上的短线表示测量电极。手指是描绘为圆，其中左圆表示左手指且右圆表示右手指。电路板的电介质是假定为空气，因此此处并未明确展示。
图2到4各展示四种情境，其中所述视图的各者实质上对应于图1中展示的剖视图。
在电容式测量装置的检测范围内不存在手指。
(a)在传感器装置的右半部分上存在右手指。所述右手指距右半部分的测量电极的距离大于测量电极之间的距离。
(b)在传感器装置的左半部分上存在左手指。所述左手指距左半部分的测量电极的距离显著小于测量电极之间的距离。
(c)在测量装置的检测范围内存在右手指及左手指两者。由此，手指距传感器装置的测量电极的距离是与(b)及(c)中相同。
在模拟中，接地电位(0V)是与图框及手指(其在此处是展示为圆)两者相关联，而产生器或发射器电极具有1V的电位。模拟的结果是测量电极处的经计算电位。图2到4各展示等位线。
在用于计算物体(手指)的位置的电极处的测量信号是无检测范围内的物体的电极电位与具有检测范围内的物体的电极电位之间的差。如果测量信号是由与电极相关联的物体引起，那么可将所述信号视为期望信号。期望信号越大，可越精确地确定物体的位置。
当检测电容式传感器装置的检测范围内的物体个数时，可将物体对电场的影响视为对彼此的干扰信号。当检测两个手指的位置时，(例如)左手指产生用以测量右手指的位置的所述电极(右测量电极)的干扰信号。左手指对右电极的影响越小(即，干扰信号越小)，可通过右测量电极使用测量数据(即，期望信号)越精确地确定右手指的位置。
仿真结果的解释允许相对于期望信号(来自右手指)确定干扰信号(来自左手指)的量值。使用此些数据，可发现传感器装置的最优可能配置。在模拟中，左手指(干扰源)经安置极接近传感器装置的右半部分，以便调查相对于右手指(其是定位于距传感器装置的较大距离处)的其影响。
图2展示具有产生器电极或发射器电极的情况，其中动态范围在此处是约971mV。动态范围是定义为在测量电极处的最大可能电位差(信号差)。所述电位差是给定为“手指无限远”的电位与“手指触摸测量电极”的电位之间的差，其中在手指触摸测量电极的情况下，触摸手指将传感器电极实质上带到接地电位。在此实例中，左手指的影响是约34mV且右手指的影响(期望信号)是约10.6mV。
图3展示左手指对交变电场的影响的二维静电模拟，其中与图2相比，发射器电极是实施在两部分中且中央辅助电极EM是安置在两个发射器电极之间且连接到电容式传感器装置的接地电位。通过中央辅助电极EM减小动态范围，但还减小左手指对所观察传感器电极(从右侧的第二传感器或测量电极)的电位的干扰效应。在此实例中，左手指的影响是约18.4mV且右手指(期望信号)的影响是约8.7mV。
图4展示对交变电场的影响的二维静电模拟，然而，如图3中所展示，其中左发射器电极还连接到电容式传感器装置的接地电位。由此更进一步减小动态范围，但也进一步减小左手指对所观察传感器电极(从右侧的第二传感器或测量电极)的电位的干扰效应。在此实例中，左手指的干扰是约6.1mV且右手指(期望信号)的影响是约7.6mV。
针对所述实例确定的数值总结于下表中：
表1展示在模拟中确定的所观察传感器电极(从右侧的第二传感器或测量电极)处的电位值。表2展示在所述测量电极处对应于仿真事件的测量信号。
| 电位[mV] | 无手指 | 右手指 | 左手指 | 左手指＆右手指 |
| 图2 | 971.0 | 960.4 | 937.0 | 930.2 |
| 图3 | 819.2 | 810.5 | 800.8 | 794.8 |
| 图4 | 803.3 | 795.7 | 797.2 | 791.3 |
表1：在测量电极处的电位
表2：在测量电极处的测量信号
如从表2可见，当存在左手指及右手指时，测量电极处的测量信号在所有三种情况中是最大的。在左发射器电极连接到电容式传感器装置的接地电位的情况中，尽管左手指是定位成比右手指更接近于所观察的测量电极，但左手指对所述电极的电位的影响小于右手指的影响。
凭借根据本发明的传感器装置及凭借根据本发明的方法，显著更好及更稳健确定电容式传感器装置的观察范围内的多个物体的位置是可能的。
举例来说，电容式传感器装置可用于手持装置(例如，移动电话)中，其中欲确定多个手指距移动电话的距离或手指相对于移动电话的位置。相对于常规电容式传感器，可显著减小电路复杂性，尤其传感器电极的个数。还与此相关联的是：显著减小产生具有电容式传感器装置的电手指装置及产生电容式传感器装置本身的复杂性。
参考列表
Claims (12)
1.一种用于检测物体个数的传感器装置，其包括
若干电极配置，其形成传感器表面，各电极配置包括若干测量电极(MEL1到MEL4、MER1到MER4)；且各电极配置是与至少一个传输器电极(GEL；GER)相关联，及
评估装置，其耦合到所述测量电极及所述传输器电极，所述评估装置经调适以使用时分多路复用方法而进行以下动作
将交变信号施加到所述传输器电极(GEL；GER)的一者且将预定恒定电位施加到其余传输器电极，及
在与施加有所述电交变信号的所述传输器电极相关联的所述测量电极处分接指示所述物体相对于所述传感器表面的位置的电信号。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中至少一个第一辅助电极EM是安置在所述电极配置之间，且其中所述评估装置进一步经调适以在时分多路复用程序中将所述预定电位施加到所述第一辅助电极(EM)。
3.根据前述权利要求中的一者所述的传感器装置，其中至少一个进一步辅助电极(EL；ER)是安置在每一电极配置的边缘处，且其中所述评估装置进一步经调适以在所述时分多路复用程序中将所述预定电位或所述交变电信号施加到所述至少一个进一步辅助电极(EL；ER)。
4.根据前述权利要求中的一者所述的传感器装置，其中所述传感器表面是与下辅助电极及/或上辅助电极(EU)相关联，且其中所述评估装置进一步经调适以将所述预定电位或所述交变电信号施加到所述下辅助电极及/或所述上辅助电极(EU)。
5.根据前述权利要求中的一者所述的传感器装置，其中所述传感器表面包括两个电极配置，所述两个电极配置的各者包括四个测量电极(MEL1到MEL4；MER1到MER4)。
6.根据前述权利要求中的一者所述的传感器装置，其中接触检测电极(TEL；TER)是安置在至少一个电极配置的所述测量电极之间，从而用以检测接触。
7.一种用于凭借传感器装置检测物体个数的方法，所述传感器装置包括形成传感器表面的若干电极配置，各电极配置包括若干测量电极(MEL1到MEL4；MER1到MER4)且各电极配置是与至少一个传输器电极(GEL；GER)相关联，
其中在时分多路复用程序中，
交变电信号施加到所述传输器电极的一者，
其它传输器电极连接到预定恒定电位，及
在与施加有所述电交变信号的所述传输器电极相关联的所述测量电极处分接指示所述物体相对于所述传感器表面的所述位置的电信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中至少一个第一辅助电极(EM)是安置在所述电极配置之间且连接到所述预定电位。
9.根据权利要求7或8所述方法，其中至少一个进一步辅助电极(EL；ER)是安置在每一电极配置的边缘处，且其中所述传感器表面是与下辅助电极及/或上辅助电极(EU)相关联，其中所述交变电信号或所述预定电位施加到所述至少一个进一步辅助电极(EL；ER)及/或所述下辅助电极及/或所述上辅助电极(EU)。
10.根据权利要求7到9中的一者所述的方法，其中所述预定电位是所述传感器装置的接地电位。
11.一种具有根据权利要求1到6中的一者所述的具有传感器装置的电手持装置，其中所述传感器装置的第一电极配置是安置在所述手持装置的外壳的左区域中且所述传感器装置的第二电极配置是安置在所述手持装置的所述外壳的右区域中。
12.根据权利要求11所述的电手持装置，其中所述传感器装置可凭借根据权利要求7到10中的一者所述的方法进行操作。
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