CN110663183B - 电容式检测接触和致动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对操作者对电容式传感器(1a，1b)的致动和/或接触进行电容式检测的方法，包括以下步骤：提供所述电容式传感器(1a，1b)，所述电容式传感器(1a，1b)限定了面向所述操作者的接触面(11)，并且具有背离所述操作者的对电极(3)和布置在跨越电介质(6)一距离处的传感器电极(2)，所述传感器电极(2)与对电极(3)绝缘并且当所述接触面(11)被致动时更接近所述对电极(3)；以及提供与所述传感器电极(2)和对电极(3)电接触的电子评估系统(20)；向所述电容式传感器(1a，1b)的对电极(3)施加(21)第一恒定电位(VCC)，以在所述传感器电极(2)和对电极(3)之间产生第一电容式测量场，然后确定(22)第一测量值(M1)，所述第一测量值(M1)取决于由所述第一电容式测量场引起的传感器电极(2)的感应电荷转移；向所述电容式传感器(1a，1b)的对电极(3)施加(24)与所述第一电位不同的第二恒定电位，以在所述传感器电极(2)和对电极(3)之间产生第二电容式测量场，然后确定(25)第二测量值(M2)，所述第二测量值(M2)取决于由所述第二电容式测量场引起的传感器电极(2)的感应电荷转移；借助于至少一个第一数学运算，根据所述第一测量值(M1)和第二测量值(M2)计算(26)第一参数(K1)；借助于与所述第一数学运算不同的至少一个第二数学运算，根据所述第一测量值(M1)和第二测量值(M2)计算第二参数K2；将所述第一参数(K1)和第二参数(K2)分别与预定义量进行比较(27，28)，以区分接触和致动。

Description

电容式检测接触和致动的方法
技术领域
本发明涉及电容式接触和致动检测领域。接触面的理想致动应被理解为输入部位(例如操作者的手指)在接触面上伴随着施加致动力的动作，而理想接触应被理解为在没有任何致动力的情况下将输入部位放置在接触面附近。在实践中，并且在本发明的意义上，如果在过程中施加的致动力不超过预定义值，则将在接触面上的动作理解为接触，而如果在过程中施加的致动力匹配或超过预定义值，则将在接触面上的动作理解为致动。
背景技术
到目前为止，上述意义上的接触和致动由不同的检测设备检测。例如，除电容式接触传感器系统之外，还提供了用于检测接触的机电检测设备，例如机电按钮。此外，已知这些设备具有类似或相同的测量原理(例如电容式测量原理)，用于检测接触和致动。例如，除了电容式接触传感器系统之外，还提供了用于检测接触的电容式力传感器。尽管测量原理是一致的，但这些解决方案仍然是不足的，因为不同的电极，在最坏的情况下甚至是用于评估的独立电子电路，都用于检测。例如，对于致动检测，必须检测由一对电极产生的测量容量的变化，该变化是由致动引起的，而对于接触检测，至少必须检测由另一电极产生的测量容量的变化，该变化是由接触引起的。不足的是，这需要具有相应数量测量输入的相应高性能电子评估系统。
研究发现，借助于灵敏的电容式检测方法，不仅可以减少实现接触和致动检测的设计工作量，特别是在过程中使用的电极数量，而且还可以降低对电子评估系统的要求。
在此背景下，本发明所基于的目的在于提供一种用于电容式接触和致动检测的方法，该方法在其设计和/或电子评估系统方面允许简化接触和致动检测。该目的是通过根据权利要求1所述的方法实现的。有利的实施例在每种情况下都是从属权利要求的主题。有利的传感器是权利要求10的主题。需注意的是，权利要求中单独引用的特征可以以任何技术上有意义的方式相互组合，并代表本发明的其他实施例。本说明书，尤其结合附图，额外对本发明进行了特征描述和具体说明。
发明内容
本发明涉及一种对操作者对电容式传感器的致动和/或接触进行电容式检测的方法，包括以下步骤。在提供步骤中，一种电容式传感器得以提供，该电容式传感器限定了面向操作者的接触面，并且具有背离操作者的对电极和与对电极绝缘的传感器电极，该传感器电极布置成与对电极相隔一定距离，二者之间隔着电介质，并在致动时更靠近对电极。本发明还提供了一种与传感器电极和对电极电接触的电子评估系统。优选地，在传感器上，针对每个接触面仅提供一个传感器电极和一个对电极。在第一步骤中，向电容式传感器的对电极施加第一恒定电位，以在传感器电极和对电极之间产生第一电容式测量场，在随后的测量步骤中，确定第一测量值，第一测量值取决于由第一电容式测量场引起的传感器电极的感应电荷转移。在第二步骤中，向电容式传感器的对电极施加与第一电位不同的第二恒定电位，以在传感器电极和对电极之间产生第二电容式测量场，并且在随后的测量步骤中，确定第二测量值，第二测量值取决于由第二电容式测量场引起的传感器电极的感应电荷转移。
在第一和第二步骤以及相关测量步骤之后的第一计算步骤中，借助于至少一个第一数学运算，根据第一和第二测量值计算第一参数。在第一和第二步骤以及相关测量步骤之后的第二计算步骤中，借助于与第一数学运算不同的至少一个第二数学运算，根据第一和第二测量值计算第二参数。在随后的比较步骤中，将第一参数和第二参数分别与预定义量进行比较，以区分接触和致动。
研究发现，使用设计相对简单的具有两个与接触面相关联的电极的力传感器，并且通过使用上述方法，可以以相对简单但仍然可靠的方式将接触与致动区分开。在这种情况下，将接触理解为在接触面上具有低于预定义值的致动力的动作，而将致动理解为在接触面上具有达到或超过预定义值的致动力的动作。
根据优选实施例，使用地电位作为与第一电位不同的第二电位。
优选地，接触面设置成与传感器电极电绝缘。例如，将传感器电极施加到传感器的弹性屈服层的一侧，该弹性屈服层背离操作者。
优选地，传感器由膜层结构构成。
优选地，第一数学运算包括加法，第二数学运算包括减法。例如，将第一和第二测量值相加以确定第一参数，并从第二测量值中减去第一测量值以确定第二参数。在另一个实施例中，对于每个参数计算，将测量值中的至少一个乘以因子，其中对于每个参数计算，因子可以不同。
优选地，第一参数构成对接触的测量，第二参数构成对致动的测量。
在一个简单的实施例中，第一和第二测量值是通过具有预定义电容的测量电容器和传感器电极之间的充电和/或放电行为来测量的。例如，测量电容器被集成到电子评估系统中，并且其充电或放电行为由电子评估系统(例如通过模数转换)检测，以由此确定测量电容器中的或来自测量电容器的相应电荷转移，该电荷转移是由传感器电极和对电极之间的电容变化引起的，而电容变化是由于传感器电极的致动相关形变以及其接近对电极，和/或操作部位(如手指)接近传感器电极引起的。
根据另一实施例，一种电容式传感器的阵列得以提供，其具有相互绝缘的多个传感器电极和公共对电极。因此，布置在阵列中的传感器电极限定了接触面的阵列，公共对电极被分配到整个接触面的阵列上。与具有多个对电极的变型相比，使用公共对电极可以减少电子评估系统所需测量输入的数量。此外，根据该方法的优选实施例，使用公共对电极使得可以至少通过在每种情况下从第一和第二参数中的两个相应参数中的一个来识别多个传感器的接触和/或致动；因此，公共对电极通过相应的参数(例如，第一参数)提供了能够检测力传感器阵列的另一接触面或甚至多个接触面上的另一接触的机会。
例如，可以相互比较多个第一参数和/或多个第二参数，以检测主致动和一个或多个次致动。在这种情况下，主致动应理解为接触面受操作力的最大作用的致动，而次致动应理解为接触面不受操作力的最大作用的致动。通过这种方式，还可以实现更复杂的用户输入，即所谓的手势，其特征在于，用户在每种情况下通过多个操作部位向不同的接触面同时施加致动力。此外，本发明涉及将方法有利地用在机动车辆中的前述配置之一中。
本发明还涉及一种用于对致动和/或接触进行电容式检测的传感器，该传感器限定了面向操作者的接触面，并且具有背离操作者的对电极和传感器电极，传感器电极与对电极绝缘，并布置成跨越电介质与对电极相隔一定距离，其中传感器电极在致动时靠近对电极。根据本发明，还提供了一种电子评估系统，该电子评估系统设计成实施前面描述的任一有利实施例中的方法。
附图说明
通过以下结合附图对本发明的优选示例性实施例的详细描述，本发明的这一目的和其他目的、优点和特征将变得显而易见。
图1示出了根据本发明的传感器的实施例的截面图；
图2示出了用于说明根据本发明的方法的实施例的电路图；
图3示出了用于说明根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电容式传感器1a、1b的实施例的截面图。电容式传感器1a、1b构成传感器1a、1b的阵列1。面向操作者的致动面11被分配给这些传感器1a、1b中的每一个。传感器1a、1b由膜层结构构成，该膜层结构包括：背离操作者并施加在基板上的膜4，以及面向操作者的膜5。膜层结构还包括间隔层7，间隔层7设置在膜4和5之间，形成空腔6，空腔6被分配给致动面11，并且完全或部分充满空气等作为电介质。背离操作者的膜4包括限定对电极3的导电层。对电极3布置成与传感器1a、1b的阵列的所有空腔6相邻，因此限定了与所有传感器1a、1b共有(即相关联)的对电极3。面向操作者的膜5具有多个导电层，这些导电层分别与一个空腔6相关联并与相应的空腔6相邻，导电层的空间尺寸基本上限于空腔6，并且在每种情况下，导电层限定分配给相应接触面11的一个传感器电极2。传感器1a、1b的这些传感器电极2彼此电绝缘，并且在每种情况下电连接到一个相关联的电子评估系统或与电子评估系统相关联的微控制器的输入。如后面将解释的，除其他外，传感器电极2还用于测量致动面11上的致动。致动导致膜5(膜5面向操作者并限定了相应的接触面11)发生弹性形变，从而使膜5更接近背离操作者的膜4，从而更接近对电极3。如果超过了预定义的形变，则达到预定义的致动力，这将导致测量电容(也称为CSENSOR)发生变化，该变化在先前施加电位的情况下，由传感器电极2和对电极3产生。根据本发明，这由后面描述的评估单元或由电子评估系统实施的发明方法来检测，并且如有必要，该检测过程与开关函数相关联。
传感器电极2还用于检测与接触面11的接触，或者甚至可能靠近接触面11。如果施加电位，则在这种情况下，将检测由传感器电极2与操作部位(例如用户的手指10)的电磁相互作用产生的测量电容(也称为CUSER)的变化。传感器1a、1b(其特征在于结构非常简单，实现成本非常低)发明设计存在无法同时检测接触和致动的问题。此外，传感器1a、1b之间的相互电磁影响发生在传感器1a、1b的阵列1中。如下面详细描述的，根据本发明的方法解决了这两个问题。
图2示出了等效电路图，基于此图，下面将说明根据本发明的方法。根据本发明，提供了一种微控制器μC形式的电子评估系统20，借助于该系统，实现了根据本发明的方法。该电子评估系统20包括具有预定义容量的内部测量电容器Ci，其充电或放电行为服务于电子评估系统20，用于在多个测量步骤中确定外部电容CUSER和CSENSOR。不同测量步骤和对内部测量电容器Ci充电的必要步骤通过对应地连接电极2、3和10以及对其施加电位Vcc或地电位来实现。对应连接由开关S1、S2和S3的开关位置产生。因此，在对测量电容器Ci充电之后，通过开关S1、S2和S3的对应开关位置向对电极3施加电位VCC，并且在第一测量步骤中确定传感器电极2和测量电容器Ci之间的电荷转移，从而导致电容器CUSER和CSENSOR串联。在对测量电容器Ci再次充电之后，通过开关S1、S2和S3的对应开关位置将对电极3接地，并且在第二测量步骤中确定传感器电极2和测量电容器Ci之间的电荷转移，从而导致等效电路图中电容器CUSER和CSENSOR并联。
下面参照图3的框图说明根据本发明的方法。在第一步骤20中，通过电位VCC对内部测量电容器Ci充电。在随后的步骤21中，向对电极3施加第一电位VCC，并且将传感器电极2连接到内部测量电容器Ci。在随后的测量步骤22中，确定Ci和传感器电极2之间的电荷转移，并获得与该电荷转移成比例的测量值M1。在随后的步骤23中，通过电位VCC再次对内部测量电容器Ci充电。在随后的步骤24中，将对电极3连接到作为第二电位的地电位，即接地，并且将传感器电极2连接到内部测量电容器Ci。在随后的测量步骤25中，确定Ci和传感器电极2之间的电荷转移，并获得与该电荷转移成比例的测量值M2。不必按时间顺序来确定测量值M1和M2；相反，按相反顺序进行确定也被认为具有创造性。在随后的步骤26中，第一参数K1由测量值M1乘以因子a的积与第二测量值M2之和得到。第二参数k2由第二测量值M2减去第一测量值M1乘以因子b的积得到。例如，因子a和b是固定量，优选为1；例如，在0.5到1.5的范围内。在随后的比较步骤27和28中，将参数K1和K2分别与预定义值进行比较，并且如果这些值与预定义值相应地匹配，或者如果该值接近预定义值，则在步骤29中确定检测到接触，或者在步骤30中确定检测到致动，其中，通过测量值M1和M2的相加获得的参数K1适用于检测接触，而通过测量值M1和M2的相减获得的参数K2适用于检测致动。由电子评估系统引起的开关状态的变化在每种情况下都与例如步骤29和步骤30中的确定检测有关。

Claims (10)

1.一种对操作者对电容式传感器(1a，1b)的致动和接触进行电容式检测的方法，包括以下步骤：
提供所述电容式传感器(1a，1b)，所述电容式传感器(1a，1b)限定了面向所述操作者的接触面(11)，并且具有背离所述操作者的对电极(3)和布置在跨越电介质(6)一距离处的传感器电极(2)，所述传感器电极(2)与对电极(3)绝缘并且当所述接触面(11)被致动时更接近所述对电极(3)；以及提供与所述传感器电极(2)和对电极(3)电接触的电子评估系统(20)；
向所述电容式传感器(1a，1b)的对电极(3)施加第一恒定电位(VCC)，以在所述传感器电极(2)和对电极(3)之间产生第一电容式测量场，然后确定第一测量值M1，所述第一测量值M1取决于由所述第一电容式测量场引起的传感器电极(2)的感应电荷转移；向所述电容式传感器(1a，1b)的对电极(3)施加与所述第一恒定电位不同的第二恒定电位，以在所述传感器电极(2)和对电极(3)之间产生第二电容式测量场，然后确定第二测量值M2，所述第二测量值M2取决于由所述第二电容式测量场引起的传感器电极(2)的感应电荷转移；
借助于至少一个第一数学运算，通过所述第一测量值M1乘以第一因子a的积加上所述第二测量值M2以计算第一参数K1；借助于与所述第一数学运算不同的至少一个第二数学运算，通过所述第二测量值M2减去所述第一测量值M1乘以第二因子b的积以计算第二参数K2；
将所述第一参数K1和第二参数K2分别与预定义量进行比较，以区分接触和致动；
其中，所述第一参数K1构成对所述接触的测量，所述第二参数K2构成对所述致动的测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二恒定电位为地电位。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触面(11)与所述传感器电极(2)电绝缘。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一数学运算包括加法，所述第二数学运算包括减法。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于在具有预定义电容的测量电容器(Ci)和所述传感器电极(2)之间的充电和/或放电行为测量所述第一测量值M1和第二测量值M2。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，提供电容式传感器(1a，1b)的阵列(1)，所述阵列(1)具有相互绝缘的多个传感器电极(2)，以及相关的接触面(11)和公共对电极(3)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，至少分别借助于所述第一参数(K1)和第二参数(K2)的两个参数中的一个识别多个传感器的接触和/或致动。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，通过比较多个第一参数K1和/或第二参数K2来检测主致动和/或手势。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法在机动车中的使用。
10.一种用于致动和接触的电容式检测的传感器(1a，1b)，所述传感器(1a，1b)限定了面向操作者的接触面(11)，并且具有背离所述操作者的对电极(3)和传感器电极(2)，所述传感器电极(2)与所述对电极(3)绝缘，并布置在跨越电介质(6)与所述对电极(3)相隔的一距离处，并且当所述接触面被致动时更接近所述对电极(3)；所述传感器(1a，1b)还包括设计成实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法的电子评估系统(20)。
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