CN110784793A - 一种佩戴检测器和穿戴式电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种佩戴检测器和穿戴式电子设备，包括电容式触摸传感器和电容检测器；其中，电容式触摸传感器由铺设有金属导电层的PCB板组成。当佩戴检测器与人体靠近或接触时，人体与金属导电层构成电容的两个极板。随着人体与金属导电层之间的距离变化，会引起电容式触摸传感器电容值的变化。电容检测器能够准确测出微小的电容变化量，电容检测器与电容式触摸传感器连接，用于检测电容式触摸传感器的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。该佩戴检测器通过检测电容值的变化识别用户的佩戴操作，无需预留红外光线的光路通道，使得佩戴检测功能不再影响结构和ID设计，极大地拓宽了佩戴检测功能的设计领域。

Description

一种佩戴检测器和穿戴式电子设备
技术领域
本发明涉及佩戴检测技术领域，特别是涉及一种佩戴检测器和穿戴式电子设备。
背景技术
随着智能音频产品的普及和推广，其功能也越来越强大。同时，对智能音频类产品的性能及个性化要求也越来越高。对于音频产品，传统的佩戴检测都是通过按键来进行，由于其手感及寿命缺陷，近些年开始流行非按键式模式。
目前针对非按键式的佩戴检测传感，主流都是通过在音频类产品的近耳侧加上红外检测来实现。该方式前提是要预留红外光线的光路通道，保证红外光路不受遮挡，这对结构及工业设计(Industry Design，ID)都会有一定的限制。
可见，如何降低佩戴检测功能对结构和ID设计的影响，是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种佩戴检测器和头戴式电子设备，可以降低佩戴检测功能对结构和ID设计的影响。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种佩戴检测器，包括电容式触摸传感器和电容检测器；其中，所述电容式触摸传感器由铺设有金属导电层的PCB板组成；
所述电容检测器与所述电容式触摸传感器连接，用于检测所述电容式触摸传感器的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。
可选地，在所述金属导电层的外侧包围有接地外圈。
可选地，所述接地外圈的宽度大于0.6毫米；所述金属导电层的外边缘与所述接地外圈的最小距离大于0.15毫米。
可选地，在所述接地外圈上设置有开窗环。
可选地，所述开窗环的宽度大于0.3毫米；所述开窗环与所述金属导电层的外边缘的最小距离大于0.4毫米；相邻两个开窗环的距离小于5毫米。
可选地，所述金属导电层的总面积大于400平方毫米。
可选地，所述电容式触摸传感器通过金属走线与所述电容检测器的输入端口连接；在所述金属走线的两侧设置有接地线，所述金属走线与所述接地线的间距大于或等于所述金属走线的两倍线径。
可选地，还包括与所述电容式触摸传感器连接的静电抑制二极管；与所述金属走线相邻的所有板层均净空铺地。
可选地，所述电容检测器包括电容采集芯片和主控芯片；
所述电容采集芯片与所述电容式触摸传感器的输出端连接，用于检测所述电容式触摸传感器的电容值；并将所述电容值转换为数字电信号存储在内部寄存器中；
所述主控芯片与所述电容采集芯片连接，用于读取所述电容采集芯片内部寄存器的数字电信号，以识别用户的佩戴操作。
本发明实施例还提供了一种穿戴式电子设备，包括穿戴式电子设备本体以及上述任意一项所述的佩戴检测器。
由上述技术方案可以看出，佩戴检测器包括电容式触摸传感器和电容检测器；其中，电容式触摸传感器由铺设有金属导电层的PCB板组成。当佩戴检测器与人体靠近或接触时，人体与金属导电层构成电容的两个极板。随着人体与金属导电层之间的距离变化，会引起电容式触摸传感器电容值的变化。电容检测器能够准确测出微小的电容变化量，电容检测器与电容式触摸传感器连接，用于检测电容式触摸传感器的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。该佩戴检测器通过检测电容值的变化识别用户的佩戴操作，无需预留红外光线的光路通道，使得佩戴检测功能不再影响结构和ID设计，极大地拓宽了佩戴检测功能的设计领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种佩戴检测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种佩戴检测器与人耳接触时产生的电容示意图；
图3为本发明实施例提供的一种平行极板电容的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电容式触摸传感器的外形示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电容式触摸传感器的细节示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电容采集芯片、主控芯片和电容式触摸传感器的电路连接关系的原理图；
图7为本发明实施例提供的一种头戴式耳机上设置佩戴检测器的位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
接下来，详细介绍本发明实施例所提供的一种佩戴检测器。图1为本发明实施例提供的一种佩戴检测器1的结构示意图，包括电容式触摸传感器11和电容检测器12；其中，电容式触摸传感器11由铺设有金属导电层的PCB板组成。
电容式触摸传感器11可以通过金属走线与电容检测器12的输入端连接。
在实际应用中，可以在PCB板上铺设铜箔。电容式触摸传感器11可以通过铜箔走线连接到电容检测器12。
佩戴检测器1可以安装到穿戴式电子设备上，以头戴式耳机为例，可以将佩戴检测器1设置在头戴式耳机的耳壳中。为了便于描述，后续内容均以佩戴检测器1设置于头戴式耳机为例展开介绍。
当佩戴检测器1接近用户的耳朵时，用户的耳朵即构成了电容的第二个极板。由于寄生电容的存在，除了电容式触摸传感器11与人耳之间形成的电容外，还包括有寄生电容。如图2所示为佩戴检测器1与人耳接触时产生的电容示意图，其中，CBS表示电容式触摸传感器11与人耳之间的电容、CSG和CBG表示寄生电容。
电容检测器12与电容式触摸传感器11连接，用于检测电容式触摸传感器11的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。
在本发明实施例中，根据寄生电容以及电容式触摸传感器11与人耳之间形成的电容，可以将电容式触摸传感器11看作如图3所示的平行极板电容，电容值的计算公式如下，
Figure BDA0002252071520000041
其中，εr表示相对介电常数，ε0表示真空介电常数，A表示极板面积，d表示两极板间距。
以头戴式耳机为例，电容检测器12可以检测用户的耳朵接近电容式触摸传感器11所引起的细微电容变化。当用户佩戴耳机时，用户的耳朵靠近于电容式触摸传感器11，用户的耳朵即构成了电容的第二个极板，随着用户的耳朵与电容式触摸传感器11的接近，公式中CBS会增大，从而使得电容检测器12检测到的电容值CTOT变大。当检测到的电容值逐渐增大时，则说明用户在佩戴耳机。
在本发明实施例中，对于电容式触摸传感器11的外观形状没有固定要求，可以根据其所需安装的位置设定其外形。以头戴式耳机为例，可以将电容式触摸传感器11按照图4所示的外形示意图设置。图4中，sensor表示电容式触摸传感器11的输出端。
在实际应用中，为了更加有效的平衡电容检测的灵敏度和误触率，可以将电容式触摸传感器11的金属导电层的总面积设置的大于400平方毫米。
如图5所示为电容式触摸传感器11的细节示意图，图5中SensorArea表示铺设的金属导电层区域，SENSOR表示电容式触摸传感器11的输出端。D1表示电容式触摸传感器11的金属导电层的外边缘距离外侧的距离，当D1小于5毫米时，为了减少手触摸耳机外围引起的误触发，可以在金属导电层的外侧包围接地外圈；接地外圈以及图5中金属导线两侧的接地线可以统称为SHD。通过在金属导电层的外侧包围接地外圈，可以把灵敏度设置的高一些而不至于产生误触。在具体应用中，接地外圈的宽度可以设置的大于0.6毫米；金属导电层的外边缘与接地外圈的最小距离大于0.15毫米。
如果电容式触摸传感器11安装区域在耳机的边缘接缝处，为了有效的预防静电造成的误触或死机问题，可以在接地外圈上设置开窗环。以铺设铜箔为例，开窗环指得是漏铜处理，即在接地外圈上除开窗环之外的其它位置填涂绿油实现接地功能，在开窗环位置露出铺设的铜箔。
其中，开窗环的宽度可以设置的大于0.3毫米；开窗环与金属导电层的外边缘的最小距离大于0.4毫米；相邻两个开窗环的距离小于5毫米。
电容式触摸传感器11通过金属走线与电容检测器12的输入端口连接。金属走线的宽度尽量设置的细一些，从而减少寄生电容。在实际应用中，金属走线的宽度可以设置为0.1毫米。
在金属走线的两侧设置有接地线，金属走线与接地线的间距h可以大于或等于金属走线的两倍线径。线径指的是金属走线的宽度，当金属走线的宽度为0.1毫米时，可以令h＝0.2mm。
在本发明实施例中，为了进一步减少寄生电容对电容值检测带来的干扰，可以将与金属走线相邻的所有板层均净空铺地。净空铺地指的是将金属走线的周围所有板层都不能走线或铺地。
为了进一步降低静电干扰，可以设置与电容式触摸传感器11连接的静电抑制二极管。
在本发明实施例中，电容检测器12主要用于检测电容式触摸传感器11的电容值，根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。在实际应用中，电容检测器12可以包括电容采集芯片和主控芯片。如图6所示为电容采集芯片、主控芯片和电容式触摸传感器11的电路连接关系的原理图。电容采集芯片U1采用CAP Sensor处理芯片。J1为CAPSensor的检测信号CAP_RX及隔离GND(统称SHD)的连接器，通过排线连接到如图6所示的电容式触摸传感器11(Sensor)的相应引脚。在实际应用中，也可以不设置连接器，直接将电容式触摸传感器11的输出引脚和U1的CAP_RX连接。电容采集芯片U1通过I2C总线(I2C_SDA及I2C_SCL)及中断信号(CAP_RDY)连接到主控芯片U2。电容采集芯片U1采用基于电压或基于频率的测量技术直接测量出电容式触摸传感器11的电容值。由于主控芯片U2只能识别电信号，因此，电容采集芯片U1需要将电容值转换为数字电信号存储在内部寄存器中；相应的，主控芯片U2可以读取电容采集芯片内部寄存器的数字电信号，以识别用户的佩戴操作。
以头戴式耳机为例，在实际应用中，可以在主控芯片U2设定第一阈值和第二阈值，当数字电信号的取值超过第一阈值时，则说明用户佩戴上了耳机，此时主控芯片U2可以控制耳机进行播放；当数字电信号的取值低于第二阈值时，则说明用户已经摘掉了耳机，此时主控芯片U2可以控制耳机暂停播放。其中，第一阈值和第二阈值的取值可以根据灵敏度和误触率这两类参数均衡考虑后设定。
由上述技术方案可以看出，佩戴检测器包括电容式触摸传感器和电容检测器；其中，电容式触摸传感器由铺设有金属导电层的PCB板组成。当佩戴检测器与人体靠近或接触时，人体与金属导电层构成电容的两个极板。随着人体与金属导电层之间的距离变化，会引起电容式触摸传感器电容值的变化。电容检测器能够准确测出微小的电容变化量，电容检测器与电容式触摸传感器连接，用于检测电容式触摸传感器的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。该佩戴检测器通过检测电容值的变化识别用户的佩戴操作，无需预留红外光线的光路通道，使得佩戴检测功能不再影响结构和ID设计，极大地拓宽了佩戴检测功能的设计领域。
本发明实施例还提供了一种穿戴式电子设备，包括穿戴式电子设备本体以及上述任意一项的佩戴检测器。
其中，可穿戴电子设备可以为头戴式耳机、VR/AR眼镜、智能手环、智能手表等电子设备。
如图7所示为头戴式耳机上设置佩戴检测器的位置示意图，图7上下两部分是将耳机的前后壳拆开后的两部分结构，可以在图7黑色线圈标注的位置放置佩戴检测器的电容式触摸传感器。在装配佩戴检测器时，可以将电容式触摸传感器安装在靠近耳蜗的区域，以提升电容值检测的灵敏度，并且减少误触发。此外在装配电容式触摸传感器时，尽量将电容式触摸传感器远离耳机周边的金属区域，至少保证在5毫米范围内无大面积金属部件，以减少对电容值检测的干扰。
以上对本发明实施例所提供的一种佩戴检测器和穿戴式电子设备进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种佩戴检测器，其特征在于，包括电容式触摸传感器和电容检测器；其中，所述电容式触摸传感器由铺设有金属导电层的PCB板组成；
所述电容检测器与所述电容式触摸传感器连接，用于检测所述电容式触摸传感器的电容值，并根据电容值的变化趋势识别用户的佩戴操作。
2.根据权利要求1所述的佩戴检测器，其特征在于，在所述金属导电层的外侧包围有接地外圈。
3.根据权利要求2所述的佩戴检测器，其特征在于，所述接地外圈的宽度大于0.6毫米；所述金属导电层的外边缘与所述接地外圈的最小距离大于0.15毫米。
4.根据权利要求2所述的佩戴检测器，其特征在于，在所述接地外圈上设置有开窗环。
5.根据权利要求4所述的佩戴检测器，其特征在于，所述开窗环的宽度大于0.3毫米；所述开窗环与所述金属导电层的外边缘的最小距离大于0.4毫米；相邻两个开窗环的距离小于5毫米。
6.根据权利要求3或5所述的佩戴检测器，其特征在于，所述金属导电层的总面积大于400平方毫米。
7.根据权利要求1所述的佩戴检测器，其特征在于，所述电容式触摸传感器通过金属走线与所述电容检测器的输入端口连接；在所述金属走线的两侧设置有接地线，所述金属走线与所述接地线的间距大于或等于所述金属走线的两倍线径。
8.根据权利要求7所述的佩戴检测器，其特征在于，还包括与所述电容式触摸传感器连接的静电抑制二极管；与所述金属走线相邻的所有板层均净空铺地。
9.根据权利要求1所述的佩戴检测器，其特征在于，所述电容检测器包括电容采集芯片和主控芯片；
所述电容采集芯片与所述电容式触摸传感器的输出端连接，用于检测所述电容式触摸传感器的电容值；并将所述电容值转换为数字电信号存储在内部寄存器中；
所述主控芯片与所述电容采集芯片连接，用于读取所述电容采集芯片内部寄存器的数字电信号，以识别用户的佩戴操作。
10.一种穿戴式电子设备，其特征在于，包括穿戴式电子设备本体以及权利要求1至9任意一项所述的佩戴检测器。
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