CN105892775A - 电容式接近传感器和移动设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容式接近传感器和移动设备。一种接近传感器，用于基于由多个电极观测到的电容，检测在第一区域中的身体部分的接近，同时避免在第二区域中的身体部分的不需要的检测。一种对移动电话的发明的检测器的应用，当接近传感器确定与身体部分的定向的接近，指示用户已经将电话拿到耳朵处用于进行通话时，由此关断显示器或者采取各种节能措施。

Description

电容式接近传感器和移动设备

技术领域

本发明涉及用于检测身体部分的接近的方法以及接近传感器。本发明的实施例特别地涉及比如蜂窝电话之类的便携式设备，所述便携式设备被配备有发明的传感器，能够检测身体部分的接近并且辨别所检测到的身体部分正从哪个方向接近。

背景技术

经常期望检测身体部分是否处在装置的短距离处。在蜂窝电话和无线连接的移动设备（包括平板和其他类似的终端）的特定的情况下，这可以被用于当检测到用户的头部的接近时关闭背景照明，从而减少在通话期间的功率消耗。

然而，避免错误检测经常也是重要的。特别是在相同或不同的身体部分从与相关的一个方向不同的方向接近装置时。在蜂窝电话中，错误检测可以归因于当操纵电话表面时手指对电话表面的接近，如果其被检测为头部的出现，则将在用户只是在与电话交互时关闭屏幕。

被布置用于检测接近物体的身体的传感器是已知的，所述传感器包括基于电感、光、热以及电容的传感器。在蜂窝电话市场中，现今最常见的方法是具有优良的范围和方向性的红外光学检测。光学系统的主要缺点是其功率消耗、其部件以及其在电话中的集成的成本，以及在电话表面上实现解决方案所需的尺寸。

电容式传感器具有较低的功率消耗，只需要电话表面上的小的区域或不需要区域，并且具有较低的成本。然而，它们相当的无定向，并且因此倾向于生成许多错误肯定（false positive），即来自不相关的方向的身体部分的检测。可以通过严重减小检测的范围来减少错误检测的这种风险。

在WO2013/079267中描述了用于在移动通信设备中的接近感测的电容式传感器的示例，在此通过引用包括其内容。该解决方案需要具有用于触摸输入的电容式触摸敏感区域的设备，其并不总是可利用的。即便当这样的触摸显示器可利用时，其生成的信号也可能不容易访问和/或处理。

在US2010026656A中描述了另一电容式传感器，其也需要触摸面板。

欧洲专利申请EP2876407，以申请人的名字描述了借助于被连接到浮动可变电压参考（floating variable voltage reference）的电荷放大器读取的电容式传感器。同一文档描述了这样的传感器在触摸敏感的显示器中的使用。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种基于电容式传感器的方法和传感器，并且所述方法和传感器具有改进的方向辨别，以便减少错误检测的风险。

此外，本发明提出一种具有改进的检测范围的电容式接近设备。

本发明的另一目标是提供一种方法和传感器以及相应的移动设备，所述方法和传感器可以适用于具有触摸面板的移动设备，而且也适用于缺少这样的面板的那些移动设备。

另一目标是提供一种方法和传感器，其功率消耗远低于基于红外线的系统的功率消耗。

根据本发明的方面，通过所附权利要求书的对象来实现这些目标。

附图说明

在经由示例给出并且通过附图图示的实施例的描述的辅助下，将更好地理解本发明，在附图中：

图1图示了根据本发明的传感器的示例的剖视图。

图2图示了包括根据本发明的接近传感器的无线电话的示例的剖视图。

图3图示了包括根据本发明的传感器的无线电话的正视图。

图4示意性地图示了提供3D接近辨别的多电极布置。

图5a和5b示出了读取图4的电极的方式以及所产生的感测瓣（sense lobe）。

图6图示了当将移动用户带至用户的耳朵时可以如何使用3D接近辨别来检测。

图7和8图示了可以如何选择敏感瓣。

图9a和9b示意性地示出了从侧面查看以及以断面查看的、将本发明的设备布置在移动电话中的两种可能的方式。

图10-13是从正面查看的、在移动电话中的接近电极的可能的部署。

图14和15示意性地示出了检测极限角的选择如何影响感测区域。

具体实施方式

在图1上图示了传感器的示例。其包括一个或多个内部电容式电极20、22，所述电极20、22被布置用于检测电荷，所述电荷指示在第一区域40中与物体的接近，所述物体比如例如用户的身体的一部分，所述第一区域40例如这样的区域：在其处身体部分的出现应该触发动作，所述动作诸如关闭显示器或者显示器的照明。具有横向接地壁的导电屏蔽（shield）30被布置于与中央内部电极20相邻，例如围绕内部电极20，以便减少内部电容式电极对在至少一个第二区域42中的物体的接近的敏感性，所述第二区域42可以例如包括除第一区域40以外的所有可利用的空间。该屏蔽可以具有环形形状，并且优选地可以进一步包括在内部电极之下的底部接地片31，用于防止来自背部（back）的检测。

在该屏蔽的另一侧上提供至少一个第二外部电容式电极22，用于检测电荷，所述电荷指示在不同于第一区域的一个或多个第二区域中与物体的接近。在呈现的示例中，外部电极22包括在导电屏蔽31周围的环形片，所述导电屏蔽31也是环形的，使得外部电极22围绕屏蔽30，其继而围绕中央电极20。然而这不是唯一可能的部署。该外部电极具有对来自第一方向的电荷的低敏感性，所述第一方向被接地壁屏蔽，因此所述外部电极对在检测区域40中的电荷相对不敏感，同时所述外部电极对在拒绝区域42中的电荷高度响应。

电子电路（未示出）从内部电极接收信号并且从外部电极接收信号，并且做出加权的比较以确定所检测的电荷是主要来自第一区域还是主要来自第二区域，或者来自两个区域。

电子电路从每个单独的定向电极获得信号，并且应用对各种电极进行加权的计算以限定在期望的区域中的实际接近。典型的计算可以是位置 = CS2位置 – K * CS1位置，其中K被设置以拒绝来自由CS1观测的区域的信号。

为得到更多定向控制，可以使用若干“阴性”电极并且在计算中对所述若干“阴性”电极进行单独加权。也可以使用多个接地的屏蔽。

因此，不同的电极能够检测来自顶部、来自每个侧部以及来自底部的身体部分的接近。利用具体算法，电子设备将能够区分“阳性”检测与“阴性”检测（来自其他区域），并且能够生成信号，以便当在第一区域中或者仅在第一区域中检测到身体部分时例如关闭显示器或者减少显示器的照明。

图2图示了蜂窝电话50的示例，所述蜂窝电话50包括这样的接近传感器。在该实施例中，外部电极22被安装在接地屏蔽30的环形部分33之下，以便减少其对在朝向电话的正面的区域中的电荷（与来自背侧的电荷相比）的敏感性。内部电极因此面朝电话的屏幕表面侧，而至少一个外部电极面朝电话的侧部和底部。

图3图示了包括根据本发明的传感器的无线电话50的正视图。在该示例中，在移动通信设备的正面的顶部上提供内部电极20，接近于扬声器。在内部电极周围、在显示器15（在这里是LCD显示器）之上提供接地屏蔽22。外部电极可以具有在屏蔽周围、例如在显示器之上的环形形状。

图1和2的电极的部署可以被一般化为接近传感器，所述接近传感器能够进行各种程度的2D或3D辨别。本发明的检测器可以包括多个电容式电极，用于检测在第一区域中的身体部分的接近，同时拒绝在第二区域中的身体部分的接近。电子处理电路被布置用于读取由电极中的每个观测（see）到的电容，并且判定身体部分是否存在于所述第一区域中而不在所述第二区域中。

在大多数情况下，将针对每个测量轴使用一对电极，并且因此3D传感器可以包括六个独立的电极。图4图示了这样的设备的对称实现，所述设备包括根据立方体的面部署的六个电极，但是其他部署是可能的。

可以根据由电极读取的电容获得正在接近的导体身体的位置的估计。例如，电极20x+将更容易地响应于在被指示为x+的方向上的导体的出现，而相对的电极20x-将同样对待被指示为x-的方向上的导体。根据这两个信号，或者根据它们的平均值和差，可以估计沿着x轴的位置。同样，与y轴对准的对20y+/20y-可以提供y位置的估计，并且对20z+/20z-可以提供z位置的估计。在大多数或者所有情况下，至少两个电极限定一个对准轴并且将足以确定在一个方向上的定向接近；在两个维度中的相同确定将需要至少两个独立的对准，可以通过三个或优选地通过四个电极获得所述至少两个独立的对准；全3D应用需要三个独立的对准轴。

图5a和5b以简化和示意性的方式图示了用于多电极布置的可能的读出系统：由适合的读出电路80依次测量由每个电极观测到的电容，而其他电极被保持接地或者被保持到限定的电势。该布置增强了测量的方向性：在图5a中，读取所述电极20x+，并且检测区域40本质上面对该电极。相对地，在图5b中，被读取的是由电极20y-观测到的电容，并且检测区域被相应地移位。

通过读取所有的电极，可以确定正在接近的身体的位置，或者装置可以被编程以检测在预先确定的检测区域40中的物体，拒绝在预先确定的拒绝区域42中的那些物体，如在图6中图示的那样。在该情况下，装置被包括在移动电话中并且被布置用于在电话被拿到耳朵处时进行检测。

在图中表示的读出电路80使用浮动AC电压参考来读取在连接的电极和地之间的电容，在上文记录的公开EP2876407中描述了其操作原理。然而应理解，这不是本发明的必要特征，本发明可以利用任何适当的电容测量电路。

用于确定定向接近，对电极所获得的电容信号进行加权的若干算法是可能的。根据一个示例，其已经被成功地测试，所述确定按如下方式进行：

最初读取由每个传感器观测到的电容的值。这样的值经常是微分值并且被称为XpDiff、XnDiff、YpDiff、YnDiff、ZpDiff和ZnDiff，其中第一个字母指定轴X、Y或Z并且第二个字母指定极性+/-。使用适合的校准变换以从原始值获得加权值XpPond、XnPond、YpPond、YnPond、ZpPond和ZnPond。

其中，针对该示例，变换是线性齐次变换。然而，应理解，校准可以更复杂并且包括偏移项以及非线性变换。变换除了其它之外还允许将传感器响应与物理X/Y/Z轴对准。

通过以下公式获得针对x轴的平均位置估计Xmid：

并且类似地用于Ymid和Ymid。

值Xmid= 0指示物体基本上在x轴上居中，而如果Xmid < 0，则物体主要在轴的负侧上，并且针对相反的符号相反。

可以以若干方式获得基于Xmid、Ymid、Zmid的值的定向接近指示符。一个有效的可能性是计算以下的定向衰减值Xatten、Yatten、Zatten：

并且类似地用于Yatten和Zatten。

最后计算量YpDir

并且将所述量YpDir与阈值比较以确定定向的接近。

图7和8绘制了依赖于Xmid的YpDir的值。对Ymid和Zmid的依赖将是类似的，并且没有被绘制以避免妨碍所述图。XmidLow、相应的XmidHigh，指示定向接近指示符YpDir的下阈值和上阈值，而系数CoefXminLow和CoefXminHigh确定过渡的陡度。图8示出了其中CoefXmidHigh = 0的特殊情况。在该情况下，上阈值是无效的。

图9a和9b图示了在移动电话中的接近电极的可能的部署。设想的应用是当电话接近用户头部时，例如在电话通话期间，自动地调暗显示器或者关闭显示器的应用。在该示例中，认为2D辨别是足够的。因此，检测器包括x对准的电极对201、202以及在x电极之后的一个单个背部电极200。组合201/202的电容被用于检测在y+方向上的接近，所述y+方向是当设备被移动到用户的头部时的接近的方向，而电极200阻碍在y方向上的检测，因此避免来自拿着电话的用户的手的错误肯定。在x方向上的辨别是重要的，以避免当用户的手指接近电话的上边沿或者显示器15的顶部时的错误检测。

背部电极200可以提供对从背部接近设备的物体的定向接近的信号。当不需要时，可以用静态接地平面或屏蔽210替换所述背部电极200，如在图9b中示出的那样。

可以有利地采用柔性PCB技术制造电极201、202和最终的200，但是任何种类的导电电极将是适合的。电极的尺寸具有对传感器的敏感性和范围的直接影响，并且在大部分情况下，它们将覆盖所有可利用的表面。当设备被握住上边沿或侧边时，在图10中可见的具有朝向边沿的几毫米的自由边缘240帮助避免错误检测。电极可以合理地呈现不连续性或孔以允许比如扬声器55、环境光传感器56、照相机物镜53和LED指示器58之类的元件的运转。

可选地，并且在感测区域不被过分减小的范围内，承载电极201、202的PCB还可以包括与电话的其他信号和功能有关的迹线，虽然对干扰检测敏感的快切换信号可能规定（dictate）层的分离以及用接地平面屏蔽。

图11图示了x+电极202大于x-电极201的变型，并且x-电极是具有沿着电话侧边蔓延的薄臂的u形。该布置提供若干优势：首先电极202的增加的区域帮助拒绝归因于朝向显示器15的顶部移动的手指的信号。此外，201电极的侧臂将电极202与z方向上的导体屏蔽，并且帮助拒绝例如归因于握住电话的侧部的手指的信号。

图12图示了另一结构，其中通过将电极200的两条例如通过通孔（vias）带到前面来进一步改进z拒绝。

图12的结构呈现两个区域242，所述两个区域242可以引起错误检测。图13图示了另一实施方式，其中将“U”形应用于电极202，以向上移动区域242，远离显示器。然而这些只是可能的电极的形状的某些示例，并且事实上，本发明可以利用解决具体应用所需的任何形状的电极。

图14示出了设备的检测区域40可以如何通过选择参数XmidLow、XmidHigh以及还有CoefXmidLow、CoefXmidHigh（见图7）的值和检测阈值来适用于具体的应用。减少XmidLow张开角，而增加XmidHigh张开角。

在图15中表示的另一可能的应用中，检测区域40由在电话之上的角定界。该部署对于当用户将电话以倾斜的方式接近耳朵时的检测会是有利的。通过将辨别阈值设置为信号YpDir来实现所述部署。通过适时地选择值YmidLow、CoefYmidLow来确定角。另一方面，值CoefYmidHigh被设置为零，从而在增加y的方向上完全打开检测区域。

本发明的电子处理单元被布置为当接近的身体部分处于预先限定的几何关系中时，例如在被包括在角和之间的方向上时，基于由电极观测到的电容生成定向接近信号。可以通过适时地设置例如XmidLow、XmidHigh的检测算法的参数来动态地选择触发接近信号所需的几何关系。

图15的变型示出了可以如何布置本发明的系统以便检测包括在朝向背侧（或者如有需要则朝向横向侧）的区域中的身体部分的定向接近。

考虑到所期望的检测距离并且考虑到噪声和干扰级别，设置主检测阈值300（阈值越高，检测距离越小）。优选地，引入磁滞现象（hysteresis）以避免不规则的信号。如在本领域中已知的那样，还可以使用各种去抖动算法。

参考标号

15 　 　显示器

20 　　内部电极

20x+、20x-　　x轴电极对

20y+、20y-　　y轴电极对

20z+、20z-　　z轴电极对

30　 　屏蔽

31　　 底部或者环形片

40　 　检测区域

42　 　拒绝区域

50　 　蜂窝电话

53　 照相机

55　　 扬声器

56　 　环境光传感器

58　 　通知LED

80　　 读出电路

200　　 背部电极

201　 　正面电极

202　 　正面电极

210　 　接地平面

240　 　边缘

242　 　错误检测区域

310　 　主阈值

Claims (11)

1.一种接近传感器，用于检测在第一区域中的身体部分的接近，同时避免在第二区域中的身体部分的不需要的检测，其包括：

多个电容式电极，用于检测在相应的检测区域中的所述身体部分；

电子电路，其从所述电容式电极接收信号，所述电子电路被布置用于当所述身体部分处在所述第一区域中并且不在所述第二区域中时，基于由所述电容式电极观测到的电容，产生定向的接近检测信号。

2.如权利要求1所述的接近传感器，其中所述多个电容式电极包括：

内部电容式电极，用于检测在所述第一区域中的所述身体部分；

外部电容式电极，用于检测在所述第二区域中的所述身体部分；

导电屏蔽，用于限制内部电极对在所述第二区域中的身体部分的敏感性并且用于限制外部电极对在所述第一区域中的身体部分的敏感性，

以及电子电路，被布置用于在身体部分处在所述第一区域中时而不是在身体部分处在所述第二区域中时产生检测信号。

3.如权利要求2所述的装置，所述屏蔽包括在所述内部电极周围的至少一个横向壁部分。

4.如权利要求3所述的装置，所述屏蔽包括在所述内部电容式电极之下的至少一个底部壁部分。

5.如权利要求2所述的装置，所述外部电容式电极具有环形形状。

6.如权利要求1所述的装置，所述电子电路被布置用于对所述信号进行加权。

7.一种蜂窝电话，其包括：

根据权利要求1或2的传感器；

显示器；

用于减少所述电话的功率消耗的装置，

由此电子电路被布置为当传感器检测到身体处在定向接近的预先限定的关系中时减少功率消耗。

8.如权利要求7所述的蜂窝电话，包括具有显示器和扬声器的正面，

所述内部电容式电极被布置在所述正面上以检测在接近于所述扬声器的所述第一区域中的所述身体部分。

9.如权利要求7所述的蜂窝电话，所述内部电容式电极的表面小于所述显示器的表面。

10.如权利要求7所述的蜂窝电话，所述电容式电极被布置在所述显示器之上。

11.如权利要求7所述的蜂窝电话，包括横向侧和背侧，

所述电容式电极被布置用于检测在多个区域中的身体部分，所述多个区域包括朝向所述横向侧以及朝向所述背侧的区域。