CN116157314A - 用于电容性触摸探测的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电容性触摸探测的设备(1)，其具有：至少一个带电容(C)的触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)，用于检测物体(3)接近触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)时的电容变化；信号发生器(4)，用于产生具有预先确定的频率和相位的至少一个预先确定的周期性信号(5)，所述周期性信号被电输送给触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)；以及电子计算单元(6)。信号发生器(4)通过非反应性电阻器(R)电耦合到触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)，使得触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)的电阻器(R)和电容器(C)形成用于提供给触摸电极(2、2'、2"、2'"、21、22)的信号(5)的RC滤波器，其中计算单元(6)被配置为接收由RC滤波器滤波的信号(7)并评估滤波信号(7)与产生的信号(5)的偏差。本发明还涉及一种用于电容式触摸检测的方法，以及一种用于机动车辆的方向盘(20)，其具有形成电阻加热系统的至少一个加热导体(22)和具有触摸电极(22)的用于电容式触摸检测的设备(1)，其中加热导体(22)形成设备(1)的触摸电极(22)。

Description

用于电容性触摸探测的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于电容性触摸探测的设备以及一种根据权利要求14的前序部分所述的用于电容性触摸探测的方法。
背景技术
结合例如触摸传感器、接近传感器等类似物的电容式触摸探测在多个领域中包括汽车领域、娱乐电子器件和医疗技术找到应用。
触摸传感器和接近传感器可以用作例如用户界面的切换面、滑动调节器或开关。这些传感器例如位于车辆中、在电子手持装置、家用电器等上。它们可以通过用手指按压、用触笔触摸屏幕或甚至通过身体的唯一存在而接近传感器来操作。
传感器本身作为电容器或电容起作用。当传感器被按压或当身体接近其时，传感器的电容特性改变。通过确定电容的值或通过与已知的值或之前确定的值进行比较，可以获得信息，例如是否已建立与传感器的接触或已建立接触多长时间。为此，通常使用本身可能已知的所谓的CVD方法(Capacitive Voltage Divider：电容分压器)。这种方法基于在电容的充电和放电时的电流积分。
US10352731B2例如描述了一种用于电容式触控探测的设备。该设备具有多个触摸电极或触摸传感器、用于产生可输送给触摸电极的电信号的信号发生器和电子微控制器单元。微控制器单元控制触摸控制器，该触摸控制器又控制各个触摸传感器。
传统的用于触摸探测的方法(例如CVD方法)通常对噪声敏感并且易受外部电干扰影响。此外，在CVD方法中，触摸传感器被操控用于利用具有陡峭边沿的电流对传感器电容进行充电和放电，这可能与此对应地导致对作为天线起作用的长引线的宽带电磁辐射。
发明内容
在此背景下，本发明基于的任务是，提供一种用于电容性触摸探测的设备和方法，它们以更简单的手段确保触摸传感器(在本文中也称为触摸电极)与物体(例如人的手指)的接近或触摸的可靠探测。此外，它们应对干扰影响(例如噪声)不敏感并且具有改善的、即特别是降低的电磁辐射特性。用于触摸探测的更简单的手段应当使得能够使用成本较低的电子组件(例如计算/控制单元)并且省去例如使用触摸控制器来专门操控触摸传感器(例如电流驱动器)。高探测灵敏度、良好的噪声抑制和非常低比率的误报触摸探测(也称为“Ghost Touch：幽冥触摸”)应当是根据本发明的设备和方法的其它有利特征。
该任务通过一种具有权利要求1的特征的装置以及通过一种具有权利要求14的特征的方法来解决。此外，该任务通过一种具有权利要求23的特征的用于机动车的方向盘来解决。相应的从属权利要求公开本发明的其它特别有利的设计方案。
应当指出的是，在权利要求书中单独列举的特征可以以任意的、在技术上有意义的方式相互组合并且示出本发明的其它设计方案。说明书特别是在与附图结合下附加地表征和具体说明本发明。
此外应当注意的是，在本文中在以下使用的、处于两个特征之间的并且将这两个特征彼此关联起来的连词“和/或”始终应这样理解，即在根据本发明的主题的第一设计方案中仅可以存在第一特征，在第二设计方案中仅可以存在第二特征，并且在第三设计方案中，不仅可以存在第一特征而且可以存在第二特征。
在本文中使用的术语“大约”给出本领域的普通技术人员认为是通常的公差范围。特别是，术语“大约”应理解为所关于的尺寸的公差范围达+/-20％、优选达+/-10％。
根据本发明的用于电容性触摸探测的设备包括至少一个触摸电极(在本文中也称为触摸传感器)，其具有用于检测在物体(例如手指)接近触摸电极时的电容变化的电容。此外，该设备具有信号发生器，用于产生具有预先确定的频率和相位的至少一个预先确定的周期性信号，所述周期性信号被电输送给触摸电极。因此，信号发生器应理解为产生具有典型的时间变化曲线的电压的电子部件、结构组合件或电路。此外，该设备根据本发明具有电子计算单元，该电子计算单元例如是微控制器。
根据本发明，信号发生器借助欧姆电阻与触摸电极电耦合，使得触摸电极的欧姆电阻和电容关于输送给触摸电极的、由信号发生器产生的信号形成RC滤波器。计算单元至少设计为用于接收由RC滤波器滤波的信号并且评估经滤波的信号相对于所产生的信号的偏差。换句话说，电容性触摸电极自身是RC滤波器的一部分，其改变由信号发生器产生的所输送的信号的幅值和/或相位。计算单元与此对应地鉴于与初始由信号发生器产生和输送的信号的偏差来评估经滤波的信号的幅值和/或相位。这也意味着，触摸电极在本发明的意义上提供两个用于触摸探测的电连接点，即在具有触摸电极的RC滤波器之前的第一输入侧连接点(信号发生器或信号发生器输出端连接在该第一输入侧连接点上)，以及在RC滤波器之后的第二输出侧连接点。所述两个连接点能够实现将在输入侧所输送的信号和/或信号形状与在输出侧经滤波的信号和/或信号形状进行比较，以便最终由所述两个信号的探测偏差推导出接近触摸电极和/或触摸该触摸电极。
可以理解的是，信号发生器可以构造成独立的电子的、特别是数字的部件。然而，其同样可以构成为计算单元的一部分或由计算单元本身构成。例如，信号产生可以通过直接数字合成(DDS)的方法产生，但不强制地限制于此。直接数字合成提供如下可能性：产生具有非常精细的频率分辨率的周期性的带限信号。用于产生信号所需的信号参数例如可以通过计算单元提供给信号发生器，但不强制地限制于此。例如，所述计算单元(例如微控制器)可以包括存储单元，诸如RAM、ROM、闪存等，其中可以存储有所述信号参数。此外，信号发生器对信号参数的存储器访问可以通过所谓的DMA机构(Direct Memory Access：直接存储器访问)附加地简化并且特别是加速。在本发明的意义上，对物体接近触摸电极的识别应当同样包括对触摸电极的触摸的识别，从而根据本发明的设备不仅可以实现接近探测和/或(单纯的)触摸探测。
出乎意料地已经确定，所述接近/触摸探测基于由于借助RC滤波器(其电容部件构成接触电机本身)通过物体(例如手指)的接近/接触而导致的触摸电极的电容特性的改变比例如通过常规的CVD方法(“Capacitive Voltage Divider：电容分压器”方法)明显更可靠，其中在传感器的充电/放电期间以已知的方式借助电流积分确定触摸传感器的电容特性。这另外归因于通过RC滤波器滤波的信号的产生相对于电干扰影响(例如噪声等)明显不太易受影响，从而可以更可靠地探测到触摸电极的电容特性的变化，所述变化原则上反映在相对较小的电信号中，所述电信号通常可以通过相对于该电信号相对大的噪声信号叠加。
此外，根据本发明的设备可以以简单的手段实现。例如，作为计算单元可以使用成本有利的标准微控制器，并且RC滤波器除了电容性触摸电极之外仅需要另外的欧姆电阻。在根据本发明的设备中可以省去用于操控触摸电极或多个触摸电极的专门的触摸控制器。对计算单元等的关于其计算能力的要求例如比在基于电流积分的方法中明显更低。由信号发生器产生的信号可以例如在相对长的时间段内或甚至连续地被输送给触摸电极。在所述时间段期间，计算单元可以评估经滤波的信号的幅值和/或相位。
此外，可以提供具有改善的、也就是说显著降低电磁辐射特性的根据本发明的设备。这例如可以通过待产生的信号的可预先确定的频率来实现。与以触摸电极的充电和放电为依据的方法相比，其中，出现具有陡峭的信号边沿的电流，其又导致宽带信号频谱，所述宽带信号频谱特别是包括具有高频的信号分量，根据本发明的设备的所生成的信号具有固定地预先给定的频率，该频率还可以选择得相对低，例如在几千赫至几十千赫的范围内并且具有在千米范围内的相应波长。当这种信号本身在长的电线路上传输时，它们是非常无效率的天线，从而电磁辐射基本上可以被忽略。
总体上，根据本发明的设备因此还实现了高探测灵敏度、效果很大的噪声抑制和小的电磁辐射特性。
本发明的一个有利的设计方案规定，所述信号发生器的用于提供所产生的信号的输出端、所述欧姆电阻和所述触摸电极、即该触摸电极的电容串联连接，由此所形成的RC滤波器具有低通特性，并且输送给所述触摸电极的并且由所述信号发生器产生的信号可以具有相对较低的频率，优选在几千赫或更低的范围内。
本发明主题的一个有利的进一步改进方案规定，所述计算单元设计为用于评估经滤波的信号(即RC滤波器的输出侧电压)的电压(与电流不同)。
此外，根据一个优选的设计方案，由所述计算单元评估的、经滤波的信号相对于所产生的信号的偏差可以是相位移，但不强制地限制于此。经滤波的信号的信号幅值相对于最初产生的信号的偏差同样可以用于探测触摸电极的接近/接触，以便例如在外部的(特别是电磁的)干扰影响和/或固有噪声方面进一步改进所述探测设备，特别是使其更稳健，以便提高信号评估的质量。然而已被证明的是，所述信号的由RC滤波器引起的相位移已经在比幅值变化低的频率下示出，使得对相位移进行评估的计算单元的设计是根据本发明的设备的一个特别优选的变型方案。使用待产生的低频信号改善了该设备的电磁辐射特性，如上面已经进一步阐述的那样。因此，信号发生器与触摸电极之间的输送线路也可以在对辐射性能没有不利影响的情况下设计得更长，从而触摸电极可以布置成进一步远离信号发生器或计算单元(信号评估)，这在使用根据本发明的设备时提供了更大的自由度。此外已被证明的是，经滤波的信号的相位评估对诸如噪声的干扰影响明显不敏感，从而一方面能够实现高探测灵敏度并且另一方面可以明显降低或甚至完全消除假肯定的触摸识别(也称为“幽冥触摸”)的速率。该设备的较高探测灵敏度例如允许使用触摸电极的较厚的保护涂层(例如塑料覆层)，以更好地保护其免受机械影响/磨损。
根据本发明主题的另一个有利的设计方案，所述计算单元设计为用于借助傅里叶变换、例如离散傅里叶变换仅针对所产生的信号的预先确定的频率评估经滤波的信号。由此，一方面能够显著降低计算单元的计算耗费，因为相位和/或幅值确定仅对于一个频率需要数量级O(n)的计算耗费，其中，n表示所产生的信号的每个周期间隔的采样的数量。但另一方面通过当前的傅立叶变换也可以获得有效的噪声抑制，因为通过以上述方式执行的傅立叶变换舍弃了不同于所产生的信号的预先确定频率的噪声信号。
仅对特定频率的傅里叶变换像窄带滤波器那样起作用。在此，所述带是在所产生的信号的周期持续时间内实施的采样数量的函数。特别是，由此通过当前的傅里叶变换有效地滤出静电干扰脉冲(ESD，Electro-Static Discharge：静电放电)和注入电流脉冲(BCI，Bulk Current Injection：大电流注入)，其频率肯定不对应于所产生的信号的频率，使得还进一步改善根据本发明的设备的电磁兼容性。
本发明的还有另一个有利的设计方案规定，所产生的信号是正弦信号。信号发生器与此对应地产生具有预先确定的幅值和频率的正弦信号。可以理解的是，除了纯正弦形状之外也可设想其它信号形状，其中，所述正弦形状然而是关于在本文中提到的有利特性的特别优选的变型方案。
所产生的信号可以与其具体的信号形状无关地具有小于或等于100kHz、优选小于或等于50kHz、还更优选小于或等于10kHz的频率。将大于或等于1kHz并且特别优选大于或等于5kHz的频率视为所产生的信号的频率的优选的下限，然而不强制地限制于这些值。因此，所产生的信号的特别优选的频率范围例如是1kHz至100kHz、或1kHz至50kHz、或1kHz至10kHz、或5kHz至100kHz、或5kHz至50kHz、或5kHz至10kHz。由此，所产生的信号的波长在公里范围内(例如在10kHz时为30km)，使得即使长的引线(所产生的和/或经滤波的信号在该引线上传输)在最好的情况下也可以作为差的、无效率的天线起作用，从而该设备仅产生非常小的电磁辐射。此外，所述触摸电极可以布置成远离信号发生器和/或计算单元，例如几米、几十米或甚至到百米或几百米。
此外，根据本发明的还有另一个有利的设计方案，所述计算单元还可以设计为用于控制用于产生信号的信号发生器。由此，可以实现由信号发生器产生的信号与经滤波的信号的评估之间的极其精确的同步。如上文已经提到的，对于信号发生器必要时可以通过所谓的DMA机构保持对计算单元的可选的存储单元的直接访问(例如用于由计算单元提供的信号参数)，由此此外降低了计算单元的控制耗费。
用于与触摸电极的电容一起形成RC滤波器的欧姆电阻的电阻值可以优选选择为大于或等于100kΩ。由此，能够实现用于触摸探测的RC滤波器的特别优选的滤波器特性，以便最佳地用尽这里所提到的优点。
本发明的另一个有利的设计方案规定，所述触摸电极至少部分地、优选完全地被有源屏蔽电极包围。“有源”意味着，所述屏蔽电极并非一次性静态地调节并且保持在确定的电势上，而是在本设计方案中被施加与输送给触摸电极的信号相同的信号。也就是说，由信号发生器产生的信号也被输送给屏蔽电极。特别是，在此可以在绕过欧姆电阻的情况下、即在没有RC滤波器的作用的情况下将所产生的信号直接输送给屏蔽电极。屏蔽电极还可以通过欧姆耦合电阻(例如在几个100kΩ的范围内)与触摸电极电连接。
所述有源屏蔽电极针对靠近触摸电极的物体为从触摸电极发出的电场产生低欧姆路径(优选方向)。虽然也可以将屏蔽电极静态地置于接地电势(GND)，但在这种情况下可能附加地在触摸电极与屏蔽电极或GND之间出现寄生电容，它们可能对探测灵敏度产生不利影响。因此，利用由信号发生器产生的信号有源加载屏蔽电极是特别优选的。此外，即使当多个相邻的触摸电极部分或完全覆盖有液体(例如水)时，有源屏蔽电极也防止在它们之间(特别是在加载有所产生的信号的(有源)触摸电极与未加载有信号的(无源)触摸电极之间)形成寄生电容。与此对应地特别优选的是，不仅所述屏蔽电极而且所述触摸电极或多个触摸电极有源地加载由信号发生器产生的信号。
根据本发明的还有另一个有利的设计方案，多个触摸电极在栅格状的布置结构中设有多个列并且设有多个行，其中，信号发生器借助欧姆电阻选择性地与所述列之一或所述行之一的(特别是所有的)触摸电极电耦合，并且所述计算单元设计为用于选择性地接收并且评估所述列之一或所述行之一的经滤波的信号。在所述设计方案中，所述触摸电极形成多行的和多列的触摸电极阵列，也就是说不是电容性的传感器栅格，其中相邻的触摸电极相互影响(也称为“Mutual Capacitance：互电容”)。例如，如果所产生的信号被输送给所述列中之一，则当存在对于所述行的经滤波的信号的偏差时，所述列中之一通过被物体接近/触摸而被选择/触摸。如果瞬间的行的经评估的、经滤波的信号例如与原始产生的信号同相和/或如果不能确定幅值偏差，则不存在所述行的接触。以这种方式，针对每个被激活的列能够评估所有的行。所述过程可以对于所有列重复，使得最后评估整个触摸电极阵列。当然，列和行的评估顺序可以颠倒。
根据本发明的另一个有利的设计方案，由信号发生器产生的信号是具有不同频率的至少两个单个信号的叠加。例如，具有不同频率的两个正弦形单个信号可以叠加至输送给触摸电极的总信号。优选地，所述频率在此这样选择，使得在同一个RC滤波器上所述频率之一主要引起经滤波的信号的相位移并且另一个频率主要引起幅值变化。因此，所述触摸电极可以仅用唯一的信号例如测试其按照规定的功能性。借助计算单元对经滤波的信号的评估相应地针对所产生的信号的两个频率进行。
触摸电极可以螺旋形地构造在衬底(例如电路板)上。触摸电极也可以全表面地构造在所述衬底上。例如，在衬底面积相同的情况下，触摸电极的螺旋形设计方案可以为全表面的触摸电极的面积的大约一半。触摸电极的两个实施方案示出基本上与在本文中所描述的相同的有利特性。
根据本发明的另一方面，在用于电容性触摸探测的方法中检测在物体(例如人的手指)接近至少一个具有电容的触摸电极的电容变化，其中，产生具有预先确定的频率和相位的预先确定的周期性的信号并且将其电输送给触摸电极。在此，所产生的信号借助欧姆电阻被输送给触摸电极，使得触摸电极的电阻和电容关于输送给触摸电极的信号形成RC滤波器，通过该RC滤波器对输送给触摸电极的所产生的信号进行滤波。评估经滤波的信号相对于所产生的信号的偏差。
应指出的是，关于方法相关的术语定义以及根据本方法的特征的作用和优点，全方面参考关于根据本发明的设备的符合意义的定义、作用和优点的上述解释。在本文中关于根据本发明的公开内容应当能够以符合意义的方式也被考虑用于定义根据本发明的设备，只要在本文中未明确排除。同样地，在本文中关于根据本发明的公开内容应当能够以符合意义的方式也被考虑用于定义根据本发明的方法，只要这在本文中未同样明确排除。就这点而言，在很大程度上省去对关于在本文中公开的根据本发明的设备以及在本文中公开的根据本发明的方法符合意义相同的特征、其作用和优点的解释的重复，以有利于更紧凑的说明。
所产生的信号例如可以是具有预先确定的频率和幅值的正弦信号，但不强制地限制于正弦形状。
所产生的信号的特别优选的频率在千赫范围内，例如小于或等于100kHz、还更优选小于或等于50kHz、例如小于或等于10kHz。将大于或等于1kHz并且特别优选大于或等于5kHz的频率视为所产生的信号的频率的优选的下限，然而不强制地限制于这些值。因此，所产生的信号的特别优选的频率范围例如是1kHz至100kHz、或1kHz至50kHz、或1kHz至10kHz、或5kHz至100kHz、或5kHz至50kHz、或5kHz至10kHz。
信号的产生可以借助(数字)信号发生器来实施。
对经滤波的信号的评估可以借助计算单元、例如微控制器来实施。
根据本发明的一个有利的设计方案，在所产生的信号被输送给触摸电极之前，首先其引导通过欧姆电阻，从而形成由欧姆电阻和触摸电极的电容组成的串联电路，该串联电路对所输送的信号起到RC低通滤波器的作用。
根据本发明主题的一个特别优选的进一步改进方案，评估经滤波的信号的电压(也就是说RC滤波器的输出侧电压)。
此外，本发明的另一个设计方案规定，将经滤波的信号相对于所产生的信号的相位移作为偏差来评估。虽然在此不必强制地排除对经滤波的信号幅值的评估，但可以特别优选的是，将评估仅限制于相位移，因为由此简化了该方法并且可以节省评估单元(例如微控制器)的计算资源。
根据本发明的还有另一个有利的设计方案，在评估经滤波的信号期间，将所产生的信号连续地输送给触摸电极。由此提供了一种输送给触摸电极的低欧姆信号。
在本发明主题的有利的进一步改进方案中，借助傅里叶变换仅针对所产生的信号的预先确定的频率来评估经滤波的信号。此外，将如用于触摸电极的相同的所产生的信号输送给至少部分地包围所述触摸电极的有源屏蔽电极。
如果提供多个触摸电极，其可以栅格状地布置成多列和多行，则优选将所产生的信号借助欧姆电阻这样输送给其，使得可选地将所产生的信号输送给所述列之一的或(可替代地)所述行之一的触摸电极并且依次评估所述行或(可替代地)所述列的经滤波的信号。
本发明的还有另一个有利的设计方案规定，所产生的信号为具有不同频率的至少两个单个信号的叠加构成。
根据本发明的还有另一个有利的设计方案，可以确定所接收的经滤波的信号的采样的信号值的平均值并且例如将其考虑用于评估相对于最初产生的信号的相位移。以这种方式同样可以进行幅值评估。平均滤波将所接收的信号值的分散/方差减小1/√n的因子，其中，n是所考虑的采样值的数量。因此，以这种方式例如通过16个采样值可以将信号测量值的分散减少1/4。
对于真肯定的触摸事件与假肯定的触摸事件(幽冥触摸)之间的判定的最优阈值可以如下确定。
在对真肯定的触摸事件和假肯定的触摸事件进行相同评估时，所述最佳阈值Th优选如下确定：
Th＝(平均信号零线+平均触摸信号)/2
如果假肯定的触摸信号大于预定义的阈值Th，则将该触摸事件错误地(幽冥触摸)评估为真肯定的触摸事件。假肯定地评估的触摸事件的概率与信噪比SNR成比例，其中，
SNR＝(平均信号零线)/方差
由此，例如得到以下值：
Figure BDA0004108159800000091
根据本发明的另一方面，用于机动车的方向盘包括至少一个形成电阻加热装置的加热导体，所述加热导体具有欧姆电阻以及在探测运行方式中用于电容性触摸探测、特别是非脱手识别的设备，其中，在加热运行方式中可以借助至少一个可控制的开关元件(例如晶体管)选择性地将电能从电源(例如电池)输送给所述加热导体，其中，该设备根据在本文中公开的设计方案构造。根据本发明，所述电阻加热装置的加热导体同时构成具有用于触摸探测的设备的电容C的触摸电极，使得RC滤波器仅由所述至少一个加热导体构成。也就是说，加热导体和触摸电极或RC滤波器由一个并且同一个构件、即所述至少一个加热导体构成。本发明还规定，所述电阻加热装置的加热运行方式和用于触摸探测的设备的探测运行方式周期性地交替切换。换句话说，所述加热运行方式和所述探测运行方式不是同时有源，而是以时间复用方案的方式交替地激活。因此，周期性地设置有用于激活加热运行方式的时间窗(如果例如用户请求加热运行方式)和用于激活触摸探测的时间窗。
所述至少一个开关元件可以构造成本身已知的晶体管开关，其中，所述晶体管开关优选具有尽可能低的寄生电容。这种半导体开关也被称为高端开关或低端开关。优选地，所述电阻加热装置的至少一个加热导体在两侧分别通过一个开关元件与能量源(其例如可以是车辆电池)电分离或与其电连接。通常，所述开关元件具有从约100皮法(pF)或更大到一个或几个(一位数的)纳米法(nF)的范围内的寄生电容，例如从约100pF到1nF、或200pF到约500pF。所述至少一个加热导体例如可具有一个或几个欧姆(例如1Ω至5Ω、或2Ω至4Ω)的欧姆电阻以及约50pF至300pF、更优选约100pF至250pF的电容。
总体上，由电阻加热装置的所述至少一个加热导体和用于切换电阻加热装置的至少一个(优选两个)开关元件组成的装置具有明显高于传统电容性触摸膜的值的电容值。后者通常具有在低pF范围内的电容值，例如1pF至10pF或其数个(一位数的)多倍并且因此完全以因数10至1000低于根据本发明的具有电阻加热装置的方向盘所具有的电容值。
有利地，在本文中公开的根据本发明的用于触摸探测的设备设计为用于在所述明显较大的电容区域中也可靠地且精确地实施触摸传感器(即所述至少一个加热导体)的接近或触摸。
应当理解，关于方向盘相关的术语定义以及根据本方法的特征的作用和优点，可以完全采用根据本发明的用于触摸探测的方法和根据本发明的设备的符合意义的定义、作用和优点的公开内容，并且反之亦然，从而在此不必将这种省略解释为限制性的，而省略了对符合意义地相同的特征的重复解释，这些特征的效果和优点为了更紧凑的描述而被省略。
根据本发明主题的一个有利的进一步改进方案，所述方向盘具有金属的方向盘芯部，该方向盘芯部被加载预先确定的电势或保持无电势。所述预先确定的电势优选是用于触摸探测的设备以及所述电阻加热装置的共同的参考电势，并且可以对应于在车辆中通常提供的接地电势(GND)。
金属方向盘芯部与预先确定的参考电势的电耦合可以直接进行，也就是说没有中间连接附加的有源或无源的结构元件。这种电耦合也可以在中间连接的情况下实现电容，该电容优选可以具有在大约10nF到1pF范围内的电容值。
替代地，所述方向盘芯部也可以保持无电势，也就是说它完全不具有与预先确定的电势的电连接或耦合。出乎意料地已被证明的是，金属方向盘芯的这种无电势的布置还可明显改善可靠的触摸探测，特别是在触摸探测的较高灵敏度以及较少受噪声影响方面。因此，这种设计方案是特别优选的。
本发明的另一个有利的设计方案规定，所述电阻加热装置包括至少五个、优选至少十个加热导体。在这种情况下也被证明，能够实现进一步改善探测能力。附加地或替代地，也可以经由与触摸探测相关的电气不见(例如开关元件)的质量标准(Q因数)和/或经由预先确定的周期信号的频率来影响触摸探测的质量，其中，已发现较大的Q因数(例如约3-5而不是1-1.5)和/或较高的频率(例如20kHz到30kHz而不是5-10kHz)在触摸探测的可靠性和灵敏度方面实现进一步改善。
附图说明
本发明的其它特征和优点从下面对本发明的实施例的描述中得出，所述示例性实施例被理解为非限制性的，并且在下面参照附图进行更详细的说明。在该附图中：
图1示出根据本发明的用于电容性触摸探测的设备的一个实施例；
图2示出一阶RC滤波器的滤波器响应的幅值变化曲线；
图3示出一阶RC滤波器的滤波器响应的相位变化曲线；
图4示出根据本发明的用于电容性触摸探测的设备的另一个实施例的第一应用；
图5示出图4中的设备的第二应用；
图6示出在其第一应用中图4中的设备的运行情况；
图7示出在其第三应用中图6中的设备的运行情况；
图8示出触摸电极的第一实施例；
图9示出触摸电极的第二实施例；
图10示出多个触摸电极的布置的实施例；以及
图11以局部视图示出用于机动车的方向盘的一个实施例。
具体实施方式
在不同的附图中，关于其功能方面相同的部件始终设有相同的附图标记，从而这些部件通常也仅描述一次。
图1示意性地示出根据本发明的用于电容性触摸探测的设备1的一个实施例。如由图1可推断出，设备1包括触摸电极2(在其它实施例中也可以提供多个触摸电极2)，其具有用于检测在物体3、例如人的手指(未示出)接近触摸电极2时电容变化的电容C；信号发生器4，用于产生至少一个预先确定的周期性的信号5(在当前情况下不限于正弦信号)，其具有预先确定的频率和相位，该信号被电输送给触摸电极2；以及电子计算单元6，其在当前情况下实施为包括存储单元(未单独示出)的微控制器。
由信号发生器产生的信号5优选具有小于或等于100kHz、优选小于或等于50kHz、更优选小于或等于10kHz的频率。大于或等于1kHz、更优选大于或等于5kHz的频率被视为尤其优选的下限。由图1还可以推断出，信号发生器4借助欧姆电阻R与触摸电极2电耦合。特别是，设备1的触摸电极2的电阻R和电容C关于输送给触摸电极2的信号5形成RC滤波器，该RC滤波器对所输送的信号5进行滤波并且产生经滤波的信号7的经滤波的电压(即RC滤波器的输出电压)。计算单元6设计为用于接收由RC滤波器滤波的信号7并且评估经滤波的信号7相对于所产生的信号5的偏差，计算单元6在此评估经滤波的信号7的电压。
欧姆电阻R的电阻值优选大于或等于100kΩ。
此外，在设备1中，信号发生器4的用于提供所产生的信号5的输出端(在图1中未单独示出)、电阻R和触摸电极C串联连接。与此对应地，RC滤波器在信号评估方面、即在输入侧所输送的RC滤波器的信号(即输入侧信号形状)与由RC滤波器输出的经滤波的信号(即输出侧信号形状)的比较方面具有低通特性。
此外，所述计算单元在图1中所示的示例中还设计为用于控制用于产生信号5的信号发生器4，但不强制地限制于此。为此，信号发生器4可以从计算单元6获取描述待产生的信号5的信号参数。为此，所述信号参数可以存储在计算单元6的存储单元中。从信号发生器4到计算单元6的存储单元的访问可以通过DMA进行，但不强制地限制于此。
图1中的设备1同样具有有源屏蔽电极8，但不强制地限制于此。屏蔽电极8在此包围触摸电极2，这在图8和图9中可以更清楚地看出。在图1中可以看出，相同的由信号发生器4产生的信号5不仅被输送给触摸电极2而且被输送给屏蔽电极8并且两者因此始终具有相同的电势。
由图1中进一步可以推断出，触摸电极2和屏蔽电极8共同布置在一个传感器膜9上，但不强制地限制于此。在所述传感器膜上当前还布置有接地电极10，但不强制地限制于此。接地电极10、计算单元6和物体3(例如人的手指)参考一个共同的参考电势GND(接地电势)。
示例性的设备1的计算单元6将相位移解释为滤波信号7相对于所产生的信号5的偏差，但不强制地限制于此。替代地或附加地，计算单元6可以探测经滤波的信号7的幅值相对于所产生的信号5的偏差。
为此，计算单元6还设计为用于借助傅里叶变换评估经滤波的信号7，特别是在此仅对于所产生的信号5的预先确定的频率确定傅里叶变换。
为了通过计算单元6进行评估，将所产生的信号5连续地输送给触摸电极2。经滤波的信号7与此同时由计算单元6评估。
图2以对数比例尺示出图1的设备1的一阶RC滤波器的老化响应的幅值变化曲线G(f)。这可以由通过RC滤波器引起的与频率f相关的幅值变化推断出。RC滤波器的带宽在图2中用11来表示，其同时表示RC滤波器的通带12，不同于阻带13。图3以对数比例尺示出图1的设备1的一阶RC滤波器的滤波响应的相位变化曲线
Figure BDA0004108159800000131
。所述图表可以由通过RC滤波器引起的与频率f相关的相位移推断出。
图2和图3的比较表明，相比于幅值变化，相位移在小得多的频率f处就已经开始。
图4示出根据本发明的用于电容性触摸探测的设备的另一个实施例的第一应用，其中，在图4中仅示出在当前构造成电路板的共同的传感器衬底14上的多个触摸电极2'、2"、2'"的布置结构。在其它方面，图4的设备可以具有与图1的设备1基本上相同的部件和构造。
如由图4可以看出，安装在电路板14的上侧上的触摸电极2'、2"、2'"彼此相邻地布置，其中，它们分别在电路板上侧上被屏蔽电极、例如图1中的屏蔽电极8包围。在当前所示的示例中，屏蔽电极8同样全表面地延伸到电路板14的下侧上。在上侧，触摸电极2'、2"、2'"以及包围的屏蔽电极8被由塑料材料构成的、施加在上侧的保护涂层15覆盖。如已经针对图1中的设备1所提及的那样，屏蔽电极8是有源屏蔽电极，其被施加以与触摸电极2'、2"、2'"相同的所产生的信号5。由此对于在图4中从触摸电极2'出发的电场至靠近的手指3产生低欧姆路径、即优选方向。在这种配置中，基本上避免了不希望的附加寄生电容，使得最大探测灵敏度可供使用。
另一方面，图5示出图4中的设备的第二应用，其中屏蔽电极8固定地放置在接地电势GND上。由此在触摸电极2与屏蔽电极8之间出现附加的寄生电容，该寄生电容对于从触摸电极2'发出的电场表示不期望的“短路”，由此减弱了可用于真正的触摸探测的经滤波的信号7。这在图5中通过附加的从触摸电极2'指向接地电势GND的箭头来表示。
因此，根据图4的实施方式与图5相比表示用于触摸探测的设备的特别优选的实施方案，尽管不必强制排除根据图5的实施方案。
图6示出在其第一应用中图4中的设备的运行情况。保护涂层15的上侧在这种情况下被水滴16部分地润湿。水滴16在触摸电极2'的一部分上延伸直至超过触摸电极2”并且此外覆盖布置在所述两个电极之间的有源屏蔽电极8。在图6中所示的第一运行情况中，所有触摸电极2'、2"、2'"以及有源屏蔽电极8被加载相同产生的信号5。水滴16可能基本上不在触摸电极2'与其相邻的电极2”之间产生附加的寄生电容。
与此相对地，图7示出在其第三应用中图6中的设备的运行情况。在这种情况下，触摸电极2”不是有源的，也就是说在所示出的情况下其不被加载由信号发生器4产生的信号5。因此，通过水滴16在有源触摸电极2'与无源触摸电极2"之间产生附加的寄生电容，这在图7中通过相应的附加箭头来表示。
由图6和图7的比较得出，在同时给所有触摸电极(如果存在多个触摸电极)以及屏蔽电极8加载由信号发生器4产生的同一信号5的情况下，可评估的滤波信号7最大并且确保最大的探测灵敏度。因此，图6示出本发明的一个特别优选的实施方案，尽管壁部强制排除根据图7的实施方案。
图8示出触摸电极2.1的第一实施例。触摸电极2.1构造成全表面的电极，并且与包围电极2.1的有源屏蔽电极8以及又包围有源屏蔽电极8的接地电极10一起布置在传感器膜9上。在屏蔽电极8与触摸电极2.1之间有效的欧姆电阻R(参见图1)在该实施例中为470kΩ。
图9示出触摸电极2.2的第二实施例。触摸电极2.2构造成螺旋形的电极，并且与包围电极2.2的有源屏蔽电极8以及又包围有源屏蔽电极8的接地电极10一起布置在传感器膜9上。触摸电极2.2的整个电极面积大致相当于图8中全表面的触摸电极2.1的一半。在屏蔽电极8与触摸电极2.2之间起作用的欧姆电阻R(参见图1)在该实施例中为470kΩ。
图10示出多个触摸电极(例如图1中的多个触摸电极2)的栅格状布置结构的实施例。触摸电极2布置成多个列H0...H5和多个行V0...V4。在所述配置中，触摸电极2形成多行的和多列的触摸电极阵列，其中相邻的触摸电极相互影响(也称为“Mutual Capacitance：互电容”)。触摸探测可以通过将由信号发生器4产生的信号5经由电阻R输送给所有触摸电极2选择性地列H0...H5中的任一列而发生。计算单元6选择性地从行V0...V4之一接收经滤波的信号7。如果所接收的信号7与所输送的信号5基本上没有偏差，则不触摸相应的行。然而，如果所接收的信号7具有偏差，例如相位移，则行被触摸。从在该时刻利用所输送的信号5激活的列中可以确定触摸电极阵列上的触摸的精确坐标。以这种方式，在评估所有行之后激活新的列并且重新评估所有行等。可以理解的是，在评估时也可能混淆行和列，也就是说针对每个行首先评估所有的列。
图11以局部视图示出用于机动车(未进一步示出)的方向盘20的实施例。可以看出，方向盘20具有至少一个加热导体22，其形成具有欧姆电阻R的电阻加热装置，所述加热导体在图11中仅示意性地示出。此外，方向盘20在此具有用于电容式触碰探测的设备，例如图1的示例性的设备1，其中，触碰探测以探测运行模式来实施。触摸探测特别优选用于所谓的非脱手识别，即用于识别车辆的驾驶员(未示出)是否用他们的手或手指3触摸方向盘20。加热导体22在加热运行模式中借助至少一个可控制的开关元件(在此为高端开关23和低端开关24，其在此示例性地构造为晶体管)可选择性地由能量源(例如车辆电池，未示出)输送电能。开关元件23、24可以由在图11中未示出的控制装置控制。所述控制功能例如可以由在图1中示出的计算单元6实现，但不强制地限制于此。在转向盘20的简单且成本有利的设计方案方面有利的是，对加热运行模式和探测运行模式的控制通过唯一的控制装置或计算单元6实现，因为其可以以简单的方式进行相应运行模式的周期性交替的激活。
在图11中所示的方向盘20中，电阻加热装置的加热导体22同时也构成设备1的具有电容C的触摸电极22，如在图11中可看出。换句话说，所述至少一个加热导体22形成设备1的RC滤波器。
在本实施例中，电阻加热装置的加热运行模式和设备1的探测运行模式周期性地交替切换，使得方向盘的加热(如果使用者完全要求加热)和触摸探测(例如非脱手识别)能够以时间上交替的顺序在方向盘20处发生。
根据本发明主题的一个有利的进一步改进方案，所述方向盘具有金属的方向盘芯部，该方向盘芯部被加载预先确定的电势或保持无电势。所述预先确定的电势优选是用于触摸探测的设备以及所述电阻加热装置的共同的参考电势，并且可以对应于在车辆中通常提供的接地电势(GND)。
在图11中还可以看出方向盘20的方向盘芯部21。方向盘芯部21由金属材料制成。金属的方向盘芯部21可以被加载有预先确定的电势(未示出)或保持无电势，如示例性地在图11中所述的那样。
预先确定的电势可以是设备1以及电阻加热装置的共同的参考电势，例如车辆接地或GND。方向盘芯部与预先确定的参考电势的耦合可以直接地、也就是说在没有中间连接附加的电子部件的情况下进行，或在中间连接至少一个附加的电子部件、例如电容在大约10nF至1μF范围内的电容器的情况下进行，但不强制地限制于此。
在图11中仅示出一个唯一的加热导体22。然而可以理解的是，也可以在方向盘20上设置多个加热导体22，例如大约3至20个加热导体或5至10个加热导体，它们因此共同形成设备1的接触电极。加热导体22可以布置在方向盘20的前侧和/或后侧上，或围绕方向盘20或方向盘芯部21周向地布置，例如螺旋形地布置。可以理解的是，一个或多个加热导体22与金属的方向盘芯部21电绝缘地布置在方向盘20上或中。
在本文中公开的根据本发明的设备以及根据本发明的用于电容式触摸探测的方法和方向盘不限于在此分别公开的实施方式，而是也包括相应起相同作用的其它实施方式，这些实施方式由该设备以及该方法的在此描述的特征的技术上符合意义的其它组合得出。特别是，在此在上文中在一般性描述和附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以在分别在此明确说明的组合中、而且也可以在其他组合中或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
在特别优选的实施方案中，根据本发明的用于电容性触摸探测的设备与车辆(例如机动车)中的至少一个触摸电极一起使用，作为车辆的操作元件的一部分，或作为车辆的方向盘上的非脱手识别，其中，在这种情况下，形成电阻加热装置的至少一个加热导体形成触摸电极。
附图标记列表
1 用于触摸探测的设备
2 触摸电极
3 物体/手指
4 信号发生器
5 产生的信号
6 计算单元
7 经滤波的信号
8 屏蔽电极
9 传感器膜
10 接地电极
11 带宽
12 通带
13 阻带
14 传感器衬底/电路板
15 保护涂层
16 水滴
20 方向盘
21 方向盘芯部
22 组合式加热/触摸电极
23 高端开关
24 低端开关
C 电容
DEC 十进位制
f 频率
G 加强部
GND 共同的参考电势/接地电势
H0…5 触摸电极列
Figure BDA0004108159800000171
相位角
R 欧姆电阻
V0…4 触摸电极行

Claims (25)

1.一种用于电容性触摸探测的设备，其具有：至少一个触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)，具有用于检测在物体(3)接近触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)时的电容变化的电容(C)；信号发生器(4)，用于产生具有预先确定的频率和相位的至少一个预先确定的周期性信号(5)，所述周期性信号被电输送给所述触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)；以及电子计算单元(6)，
其特征在于，所述信号发生器(4)通过欧姆电阻(R)电耦合至所述触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)，使得所述触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)的电阻(R)和电容(C)关于输送给触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)的信号(5)形成RC滤波器，其中，所述计算单元(6)设计为用于接收由所述RC滤波器滤波的信号(7)并且评估经滤波的信号(7)相对于所产生的信号(5)的偏差。
2.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号发生器(4)的用于提供所产生的信号(5)的输出端、所述欧姆电阻(R)和所述触摸电极(2、2'、2"、2'"、2.1、2.2、22)串联连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述计算单元(6)设计为用于评估经滤波的信号(7)的电压。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述经滤波的信号(7)相对于所述产生的信号(5)的偏差是相位移。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述计算单元(6)设计为用于借助傅里叶变换、例如离散傅里叶变换仅针对所产生的信号(5)的预先确定的频率评估经滤波的信号(7)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述产生的信号(5)是正弦信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述产生的信号(5)具有小于或等于100kHz、优选小于或等于50kHz、还优选小于或等于10kHz的频率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述计算单元(6)还设计为用于控制产生所述信号(5)的信号发生器(4)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述欧姆电阻(R)的电阻值为大于或等于100kΩ。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)至少部分地由有源屏蔽电极(8)包围，用于触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的相同的由所述信号发生器(4)产生的信号(5)被输送给该有源屏蔽电极。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，多个触摸电极(2、2'、2"、2″′、22)在栅格状的布置结构中设有多个列(H0...H5)并且设有多个行(V0...V4)，其中，所述信号发生器(4)借助所述欧姆电阻(R)选择性地与所述列(H0...H5)之一或所述行(V0...V4)之一的触摸电极(2、2'、2"、2″′、22)电耦合，并且所述计算单元(6)设计为用于选择性地接收并且评估所述列(H0...H5)之一或所述行(V0...V4)之一的经滤波的信号(7)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，由所述信号发生器(4)产生的信号(5)是具有不同频率的至少两个单个信号的叠加。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述触摸电极(2.1、2.2、22)螺旋形地或全表面地构成。
14.一种用于电容性触摸探测的方法，其中包括：检测在物体(3)接近具有电容(C)的至少一个触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)时的电容变化；产生具有预先确定的频率和相位的预先确定的周期性的信号(5)并且将其电输送给所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)，其特征在于，借助欧姆电阻(R)输送所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的所产生的信号(5)，使得所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的电阻(R)和电容(C)关于输送给触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的信号(5)形成RC滤波器，通过该RC滤波器将输送给所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的所产生的信号(5)滤波并且评估经滤波的信号(7)相对于所产生的信号(5)的相位移。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在将所产生的信号(5)输送给所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)之前，首先将所述信号引导通过所述电阻(R)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，对经滤波的信号(7)的电压进行评估。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，将经滤波的信号(7)相对于所产生的信号(5)的相位移作为偏差来评估。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，将所产生的信号(5)连续地输送给所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)，同时评估经滤波的信号(7)。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，借助傅里叶变换仅针对所产生的信号(5)的预先确定的频率来评估经滤波的信号(7)。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，将如用于触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的相同的所产生的信号(5)输送给至少部分地包围所述触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)的有源屏蔽电极(8)。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，将所产生的信号(5)通过所述欧姆电阻(R)输送给在栅格状的布置结构中以多个列(H0...H5)和多个行(V0...V4)提供的多个触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)，使得选择性地将将所产生的信号(5)输送给所述列(H0...H5)之一或所述行(V0...V4)之一的触摸电极(2、2'、2"、2″′、2.1、2.2、22)并且评估所述行(V0...V4)或所述列(H0...H5)的经滤波的信号(7)。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其特征在于，所产生的信号(5)由具有不同频率的至少两个单个信号的叠加构成。
23.一种用于机动车的方向盘(20)，其包括至少一个形成电阻加热装置的加热导体(22)，所述加热导体(22)具有欧姆电阻(R)和在探测运行方式中用于电容性触摸探测、特别是非脱手识别的设备(1)，其中，在加热运行方式中借助至少一个可控制的开关元件(23、24)选择性地将电能从电源输送给所述加热导体，其中，所述设备为根据权利要求1至13中任一项所述的构造并且所述电阻加热装置的加热导体(22)同时构成所述设备(1)的具有电容(C)的触摸电极(22)，其中，所述电阻加热装置的加热运行方式和所述设备(1)的探测运行方式周期性地交替切换。
24.根据前述权利要求所述的方向盘，其特征在于，金属的方向盘芯部(21)，该方向盘芯部被加载预先确定的电势或保持无电势。
25.根据前述两个权利要求中任一项所述的方向盘，其特征在于，所述电阻加热装置具有至少五个、优选至少十个加热导体(22)。
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