DE102008050181A1

DE102008050181A1 - Schaltschwellenerkennung in kapazitiven Schaltern

Info

Publication number: DE102008050181A1
Application number: DE200810050181
Authority: DE
Inventors: Hans Schwaiger; Roland Aubauer
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: DE102008050181B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Berührungs-/Näherungsdetektion, aufweisend eine Elektrodenstruktur, welche mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit einer Detektionseinrichtung koppelbar sind und wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgestaltet ist, für kapazitive Koppelungen C1, C2 zwischen den Elektroden und einem Objekt indikative Signale zu detektieren, und wobei die Flächen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode sowie die Anordnung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zueiander so gewählt sind, dass bei Annäherung des Objektes an die Elektrodenstruktur bis zu einem vorbestimmten Abstand der Quotient zwischen einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung C2 indikativen Signals und einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung C1 indikativen Signals größer 1 ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Berührungs-/Näherungsdetektion, insbesondere eine kapazitive Schaltereinrichtung, welche ausgebildet ist, Schaltzustände durch Annäherung an die Schaltereinrichtung einzustellen, um beispielsweise Schaltvorgänge an einem Gerät vorzunehmen.
Kapazitive Schalter sind in vielfältiger Art und Weise aus dem Stand der Technik bekannt. Um einen Schaltzustand einzustellen, ist es bekannt, als Schaltschwelle anwendungsspezifisch einen fixen Pegel festzulegen, der sich bei Annäherung bzw. Berühren der Oberfläche der kapazitiven Schaltereinrichtung einstellt. Bei Über- oder Unterschreiten dieser Schaltschwelle wird ein Schaltvorgang ausgelöst. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass durch Kopplungsschwankungen der kapazitiven Koppelung, beispielsweise zwischen dem Finger und dem kapazitiven Schalter, die Signalpegel der kapazitiven Schalter schwanken und ein Erreichen der Schaltschwelle nicht immer sichergestellt werden kann. Die Kopplungsschwankungen können beispielsweise aufgrund wechselnden Massebezugs des Menschen oder aufgrund von Umwelteinflüssen verursacht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen kapazitiven Schalter bzw. eine kapazitive Schaltereinrichtung bereitzustellen, bei der ein eindeutiger Schaltpunkt erzeugt werden kann, wobei der Schaltpunkt unabhängig von Kopplungsschwankungen der kapazitiven Koppelung zwischen der Bedienperson und der kapazitiven Schaltereinrichtung ist.
Demnach wird eine Einrichtung für die Berührungs-/Näherungsdetektion bereitgestellt, welche eine Elektrodenstruktur mit mindestens einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode und die zweite Elekt rode mit einer Detektionseinrichtung koppelbar sind und wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgestaltet ist, für kapazitive Koppelungen (C1, C2) zwischen den Elektroden und einem Objekt indikative Signale zu detektieren, und wobei die Flächen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode sowie die Anordnung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zueinander so gewählt sind, dass bei Annäherung des Objektes an die Elektrodenstruktur bis zu einem vorbestimmten Abstand der Quotient zwischen einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung C2 indikativen Signals und einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung C1 indikativen Signals größer 1 ist.
Damit ist in vorteilhafter Weise ein eindeutiger Schaltpunkt ermittelbar.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über Modulationsmittel mit der Detektionseinrichtung koppelbar.
Die Modulationsmittel können mindestens zwei Modulationseinrichtungen umfassen, wobei die Modulationseinrichtungen jeweils kapazitiv mit der Detektionseinrichtung koppelbar sind und wobei jeweils eine Elektrode mit jeweils einer Modulationseinrichtung koppelbar ist.
Die Modulationseinrichtungen können zum Modulieren einer elektrischen Größe der Modulationseinrichtungen in Abhängigkeit von den jeweiligen kapazitiven Koppelungen zwischen den Elektroden und dem Objekt ausgestaltet sein, wobei eine Modulation der elektrischen Größe eine Veränderung der Last an der Detektionseinrichtung bewirkt.
Die Modulation kann eine Amplitudenmodulation umfassen.
Die Modulationseinrichtungen können jeweils einen Schwingkreis oder einen Frequenzteiler umfassen.
Jede der Modulationseinrichtungen kann dazu ausgestaltet sein, eine für die jeweilige Modulationseinrichtung indikative Amplitudenmodulation der elektrischen Größe mit einer vorbestimmten Frequenz zu bewirken.
Damit können die für die Koppelkapazitäten indikativen Signale getrennt werden.
Die Modulationseinrichtungen können eine Koppelelektrode aufweisen, wobei ein von der Detektionseinrichtung abgestrahltes elektrisches Feld an den Koppelelektroden einkoppelbar ist.
Die erste Elektrode ist im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet und die zweite Elektrode ist im Wesentlichen ringförmig um die erste Elektrode herum angeordnet.
Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann eine Schirmelektrode angeordnet sein.
Die zweite Elektrode kann zumindest zwei Elektrodensegmente umfassen, wobei jeweils ein Elektrodensegment mit jeweils einer Modulationseinrichtung koppelbar ist und wobei jede der Modulationseinrichtungen kapazitiv mit der Detektionseinrichtung koppelbar ist.
Des Weiteren wird eine Detektionseinrichtung bereitgestellt, welche zum Zusammenwirken mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestaltet ist, wobei die Detektionseinrichtung aufweist: einen elektrischen Kreis zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, welches an Koppelelektroden der Einrichtung einkoppelbar ist, und Mittel zum Auswerten einer elektrischen Größe, wobei die Auswertung eine Erfassung einer Lastveränderung in dem elektrischen Kreis umfasst.
Die Lastveränderung kann Anteile unterschiedlicher Frequenzen umfassen, wobei die Auswertung ein Trennen der Anteile mit unterschiedlicher Frequenz umfasst und wobei die Detektionseinrichtung Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals aus den getrennten Anteilen mit unterschiedlicher Frequenz umfasst.
Die Detektionseinrichtung kann Mittel aufweisen zum Bilden von Gleichanteilen der Amplituden der getrennten Anteile mit unterschiedlicher Frequenz, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals so ausgestaltet sind, dass eine Pegeländerung des Schaltsignals erfolgt, wenn der Gleichanteil des einen Anteils den Gleichanteil des anderen Anteils überschreitet bzw. unterschreitet.
Der Kreis kann umfassten: einen LC-Schwingkreis mit einer Signalgeberschaltung, vorzugsweise einem LC-Schwingkreis hoher Güte, zur Erzeugung des elektrischen Feldes; und eine parallel zum LC-Schwingkreis geschaltete Sendeelektrode, wobei die Kapazität der Sendeelektrode einen Bestandteil der Schwingkreiskapazität bildet und wobei das vom LC-Schwingkreis erzeugte elektrische Feld an der Sendeelektrode abstrahlbar ist.
Vorzugsweise entsprechen die Gleichanteile der Amplituden der getrennten Anteile den kapazitiven Koppelungen zwischen den Elektroden der kapazitiven Schaltereinrichtung und dem Objekt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kapazitiven Schaltereinrichtung;
2 eine Anordnung von zwei Elektroden einer Schaltereinrichtung, welche ausgestaltet sind, einen eindeutigen Schaltpunkt zu erzeugen;
3 die Signalverläufe von zwei durch zwei Modulationseinrichtungen modulierte Signale in einer Detektionseinrichtung;
4 die Anordnung von zwei Elektroden einer kapazitiven Schaltereinrichtung hinter einem Bedienfeld;
5 einen möglichen Grundaufbau eines Schaltplans für eine Detektionseinrichtung, welche sowohl kapazitiv als auch galvanisch mit den Modulationseinrichtungen gekoppelt ist;
6a eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kapazitiven Schaltereinrichtung mit einer zusätzlichen Schirmelektrode; und
6b bis 6c eine Anordnung von zwei Elektroden einer Schaltereinrichtung, wobei eine Elektrode durch mehrere Elektrodensegmente gebildet werden kann und wobei zwischen den beiden Elektroden eine Schirmelektrode angeordnet ist.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen kapazitiven Schaltereinrichtung. Die Schaltereinrichtung umfasst eine Detektionseinrichtung 200 und ein Schalterelement 110. Das Schalterelement 110 wird von zwei Elektroden E1 und E2 gebildet, welche jeweils mit einer Modulationseinrichtung ZPS1 und ZPS2 gekoppelt sind. Die beiden Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 können dabei entweder kapazitiv (wie die Modulationseinrichtung ZSP2) oder galvanisch (wie die Modulationseinrichtung ZSP1) mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelt sein.
Bei einer kapazitiven Koppelung einer Modulationseinrichtung mit der Detektionseinrichtung 200 weist die Modulationseinrichtung eine Einkoppelelektrode EK auf, an welcher ein von der Detektionseinrichtung 200 abgestrahltes elektrisches Wechselfeld einkoppelbar ist. Mit diesem elektrischen Wechselfeld wird bei entsprechender Ausgestaltung der Modulationseinrichtung diese auch mit Energie versorgt.
Über das eingekoppelte elektrische Wechselfeld wird von der Modulationseinrichtung die Last der Detektionseinrichtung 200 moduliert. Bei einer galvanischen Koppelung der Modulationseinrichtung mit der Detektionseinrichtung 200 wird die Last der Detektionseinrichtung ebenfalls durch die Modulationseinrichtung moduliert. Diese Modulation ist von der Detektionseinrichtung 200 detektierbar.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Detektionseinrichtung 200 sowie das Zusammenspiel mit den Modulationseinrichtungen wird weiter unten mit Bezug auf 5 näher beschrieben.
Wie in 1 ersichtlich, ist jeweils eine Elektrode E1, E2 an jeweils eine Modulationseinrichtung ZPS1, ZPS2 angeschlossen. Die Annäherung eines Objektes, beispielsweise eines Fingers 260, an die Elektroden E1, E2 bewirkt, dass sich die Koppelkapazitäten C1, C2 zwischen den Elektroden E1, E2 und dem Finger 260 ändern. Die Änderungen dieser Koppelkapazitäten bewirken, dass sich auch die Modulation des an der Einkoppelelektrode EK eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes ändert. Diese Änderung wird wiederum durch Detektion der modulierten Last von der Detektionseinrichtung 200 detektiert.
Umwelteinflüsse, welche sich auf die kapazitive Koppelung zwischen dem Finger 260 und den Elektroden E1, E2 auswirken, wirken auf beide von der Detektionseinrichtung 200 detektierten Lastmodulationen und haben daher keinen Einfluss auf die Ermittlung des Schaltpunkts des kapazitiven Schalters.
Um einen eindeutigen Schaltpunkt identifizieren zu können, werden die Elektroden E1 und E2 so angeordnet, dass bei Annäherung des Fingers 260 an die Schaltereinrichtung zunächst die kapazitive Koppelung C2 zwischen der Elektrode E2 und dem Finger 260 größer ist als die kapazitive Koppelung C1 zwischen der Elektrode E1 und dem Finger 260. Dies bewirkt, dass, falls die Modulationseinrichtungen ZPS1, ZPS2 die Last der Detektionseinrichtung 200 amplitudenmodulieren, die Last der Detektionseinrichtung 200 mit jeweils unterschiedlichen Amplituden amplitudenmoduliert wird.
Bei zunehmender Annäherung des Fingers 260 an die Schaltereinrichtung, d. h. bei abnehmendem Abstand zwischen dem Finger 260 und der Schaltereinrichtung nimmt die kapazitive Koppelung C1 zwischen der Elektrode E1 und dem Finger 260 stärker zu als die kapazitive Koppelung C2 zwischen der Elektrode E2 und dem Finger 260. Dadurch wird erreicht, dass bei einem bestimmten Abstand des Fingers 260 zur kapazitiven Schaltereinrichtung die kapazitiven Koppelungen C1 und C2 zwischen den Elektroden E1 und E2 und dem Finger 260 im Wesentlichen gleich groß sind. Dieser Abstand ist in 1 mit dem Bezugszeichen ho versehen.
Bei noch weiterer Annäherung des Fingers 260 an die Schaltereinrichtung übersteigt schließlich die kapazitive Koppelung C1 die kapazitive Koppelung C2. Die Änderungen der kapazitiven Koppelungen C1, C2 bei zunehmender Annäherung des Fingers 260 an die kapazitiven Schaltereinrichtung bewirkt ebenfalls, dass die den Elektroden E1 und E2 zugeordneten Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 das eingekoppelte elektrische Feld mit zunehmenden Amplituden amplitudenmodulieren. Die dadurch bewirkte Modulation der Last in der Detektionseinrichtung wird von der Detektionseinrichtung erfasst. Die Detektionseinrichtung 200 erzeugt dabei für beide Elektroden E1 und E2 ein Signal, wobei die Signalverläufe jeweils von der kapazitiven Koppelung C1 und C2 zwischen den Elektroden E1 und E2 und dem Finger 260 abhängig sind.
Derartige Signalverläufe sind in 3 dargestellt. Der Signalverlauf S1 zeigt den Verlauf der von der Modulationseinrichtung ZPS1 modulierten Last der Detektionseinrichtung. Der Signalverlauf S2 zeigt den Verlauf der von der Modulationseinrichtung ZPS2 modulierten Last der Detektionseinrichtung. Wie aus 3 sichtbar ist, schneiden sich diese beiden Signalverläufe S1 und S2 im Punkt S. Dieser Punkt S entspricht im Wesentlichen der Position des Fingers 260 bei der die kapazitiven Koppelungen C1 und C2 (bei gleicher Verstärkung der Signale) im Wesentlichen gleich groß sind.
Bei einer weiteren Annäherung des Fingers 260 an die Schaltereinrichtung übersteigt der Pegel des Signals S1 den Pegel des Signals S2. Damit kann der Punkt S, in welchem sich beide Signale S1 und S2 schneiden, eindeutig als Schaltpegel für die Schaltereinrichtung identifiziert werden. Dies ist auch noch bei Schwankungen der Koppelkapazitäten möglich, da diese Schwankungen sich auf beide Signalverläufe gleich auswirken.
Im unteren Bereich der 3 ist ein den Signalen S1 und S2 zugeordneter Schaltpegel dargestellt, wobei sich der Schaltzustand dann ändert, wenn die Signalpegel der beiden Signale S1 und S2 im Wesentlichen gleich sind.
Der Verlauf der Koppelkapazitäten C1 und C2 bei sich annäherndem Finger 260 ist von den Flächen der Elektroden E1 und E2 sowie von der Anordnung der Elektroden E1 und E2 zueinander abhängig. Die Anordnung der Elektroden E1 und E2 zueinander sowie die Flächen der beiden Elektroden E1 und E2 sind so zu wählen, dass bei einer Annäherung des Fingers bis zu einem vorbestimmten Abstand ho des Fingers zur Elektrodeneinrichtung, wie oben beschrieben, die Koppelkapazität C2 größer ist als die Koppelkapazität C1. Unterhalb dieses Abstands ist die Koppelkapazität C1 größer als die Koppelkapazität C2.
In einer anderen Ausführungsform, können die von der Detektionseinrichtung detektierten Signale unterschiedlich verstärkt sein, sodass sich die Signale S1 und S2 nicht mehr dann im Punkt S schneiden, wenn die Koppelkapazität C1 der Koppelkapazität C2 entspricht. In diesem Fall sind die Flächen der beiden Elektroden Ei und E2 sowie die Anordnung der Elektroden Ei und E2 zueinander so gewählt, dass sich die Signale S1 und S2 bei unterschiedlichen Koppelkapazitäten C1 und C2 im Punkt S schneiden.
In 2 ist eine mögliche Ausgestaltung der Elektroden E1 und E2 sowie ihre Anordnung zueinander gezeigt. Die Elektrode E1 ist dabei im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet, während die Elektrode E2 im Wesentlichen in einem bestimmten Abstand zur Elektrode E1 um die Elektrode E1 herum angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung und Ausgestaltung der Elektroden E1 und E2 kann beispielsweise durch Veränderung der Fläche der Elektrode E1 der Abstand eingestellt werden, bei welchem die Koppelkapazität C1 größer als die Koppelkapazität C2 wird. Bei der Anordnung und Ausgestaltung der Elektroden E1 und E2 ist lediglich darauf zu achten, dass eine Annäherung eines Fingers 260 dazu führt, dass die Koppelkapazität C1 ab einem bestimmten Abstand des Fingers zur Schaltereinrichtung größer wird als die Koppelkapazität C2.
Anstelle der ringförmig angeordneten Elektroden E2 können beispielsweise zwei ringsegmentförmige Elektroden um die Elektrode E1 angeordnet werden, wobei die beiden ringsegmentförmigen Elektroden über jeweils eine Modulationseinrichtung mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelt sind. Damit lässt sich nicht nur der Schaltpunkt sondern auch die Richtung, aus welcher die Annäherung erfolgt, eindeutig identifizieren.
Wie in 2 zusätzlich ersichtlich ist, kann die Koppelung der Modulationseinrichtungen ZPS1 bzw. ZPS2 mit der Detektionseinrichtung 200 sowohl galvanisch (K2) als auch kapazitiv (K1) erfolgen.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltereinrichtung, bei der die Elektroden E1 und E2 der Schaltereinrichtung hinter einer Bedienblende 100 angeordnet sind.
Bei der Anordnung der Elektroden E1 und E2 hinter einer Bedienblende 100 können die Flächen der Elektroden E1 und E2 bzw. die Anordnung der Elektroden E1 und E2 zueinander so gewählt werden, dass die Koppelkapazität C1 zwischen der Elektrode E1 und dem Finger 260 genau dann größer wird als die Koppelkapazität C2 zwischen der Elektrode E2 und dem Finger 260, wenn der Finger 260 die Bedienblende 100 berührt.
Bis zum Berühren der Bedienblende 100 durch den Finger 260 ist die Koppelkapazität C2 größer als die Koppelkapazität C1. Bei Berühren des Bedienpanels 100 ändert sich durch die Berührung die Auflagefläche des Fingers 260, so dass sich auch die Koppelfläche der Fingerspitze vergrößert. Die Vergrößerung der Koppelfläche an der Fingerspitze 260 fährt dazu, dass sich die Koppelkapazität C1 signifikant erhöht, so dass die Koppelkapazität C1 größer als die Koppelkapazität C2 wird.
Dieser signifikante Anstieg der Koppelkapazität C1 ist, wie bereits oben beschrieben, von der Detektionseinrichtung 200 detektierbar, da der signifikante Anstieg der Koppelkapazität C1 ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg des in 3 gezeigten Signals S1 führt, so dass der Pegel des Signals S1 größer wird als der Pegel des Signals S2. Dies wiederum führt dazu, dass der Schaltpunkt S eindeutig identifiziert werden kann.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen kapazitiven Schaltereinrichtung mit zwei Elektroden E1 und E2 hinter einem Bedienpanel 100 hat den weiteren Vorteil, dass der Verwender des Bedienpanels 100 eine haptische Rückmeldung beim Schalten der Schaltereinrichtung erhält.
Die erfindungsgemäße Schaltereinrichtung hat den weiteren Vorteil, dass mehrere kapazitive Schaltereinrichtungen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden können, wobei das Betätigen einer Schaltereinrichtung von der Detektionseinrichtung 200 eindeutig erkannt werden kann, da von der Detektionseinrichtung 200 jeweils zwei Signale für eine Schaltereinrichtung ausgewertet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden E1 und E2 zueinander sowie der entsprechenden Ausgestaltung der Elektrodenflächen wird effektiv vermieden, dass während der Annäherung eines Fingers an eine ersten Schaltereinrichtung die Koppelkapazität C1 einer zweiten Schaltereinrichtung größer wird als die Koppelkapazität C2 dieser zweiten Schaltereinrichtung.
Ebenso kann das Erzeugen eines Schaltpunkts vermieden werden, wenn sich der Finger 260 genau zwischen zwei Schaltereinrichtungen den Schaltereinrichtungen annähert, da bei keiner der beiden Schaltereinrichtungen die Koppelkapazität C1 größer als die Koppelkapazität C2 wird.
Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Detektionseinrichtung kann zusätzlich ein Abstand zwischen den beiden Signalen S1 und S2 festgelegt werden, ab dem eine Annäherung bzw. Berührung der Schaltereinrichtung als Schaltpunkt erkannt werden soll. Zusätzlich kann festgelegt werden, dass ein Schaltpunkt nur dann als solcher erkannt werden soll, wenn das Signal S1 um einen bestimmten Wert das Signal S2 überschreitet bzw. unterschreitet.
Damit die Detektionseinrichtung 200 die beiden von den Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 amplitudenmodulierten Signale S1, S2 unterscheiden kann, ist es vorteilhaft, wenn beide Modulationseinrichtungen die Signale mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz amplitudenmodulieren. Dies wird näher in der Beschreibung im Zusammenhang mit 5 erläutert.
5 zeigt eine Ausgestaltung (als Ersatzschaltbild) einer kapazitiven Schaltereinrichtung mit einer Detektionseinrichtung 200 und die durch die Elektroden und die Modulationseinrichtungen gebildete Schaltereinheit. Die Schaltereinrichtung ist hinter einem Bedienpanel 100 angeordnet.
Die Detektionseinrichtung 200 besteht im Wesentlichen aus einem Generator 240 und einem aus einer Induktivität 241 und einer Kapazität 242 gebildeten LC-Schwingkreis. Der LC-Schwingkreis kann als Serienschwingkreis oder als Parallelschwingkreis ausgebildet sein. Parallel zum LC-Schwingkreis liegt eine Sendeelektrode 250 sowie eine Auswerteeinrichtung 245.
Der Generator 240 der Serverschaltung erzeugt zunächst eine Wechselspannung, welche dem LC-Schwingkreis 241, 242 zugeführt wird, um anschließend ein elektrisches Feld mit genügend großer Reichweise zu erzeugen. Das erzeugte elektrische Feld fc wird an der Sendeelektrode 250 abgegeben und an der Elektrode 251 (der Einkoppelelektrode EK der Modulationseinrichtung ZPS1) der Modulationseinrichtung ZPS1 eingekoppelt.
Die Modulationseinrichtung ZPS1 ist mit der Elektrode E1 gekoppelt. Die Modulationseinrichtung ZPS2 ist mit der Elektrode E2 gekoppelt. Der Aufbau der Elektrode E1 und E2 entspricht hier dem Aufbau der Elektroden wie er ein 2 gezeigt ist.
Zum Unterschied zur Modulationseinrichtung ZPS1 ist die Modulationseinrichtung ZPS2 nicht kapazitiv mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelt sondern galvanisch. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich dabei jeweils auf eine kapazitiv mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelte Modulationseinrichtung. Die kapazitive Koppelung hat z. B. den Vorteil, dass keine Verkabelung zwischen der Modulationseinrichtung und der Detektionseinrichtung notwendig ist.
Mit der Einkoppelung des an der Sendeelektrode 250 abgestrahlten elektrischen Feldes an der Einkoppelelektrode 251 wird gleichzeitig auch die Modulationseinrichtung ZPS1 mit Energie versorgt. Die kann z. B. mittels eines Gleichrichters erfolgen.
Die Anordnung der Sendeelektrode 250 gegenüber der Einkoppelelektrode 251 ist so zu wählen, dass das von der Sendeelektrode abgestrahlte elektrische Feld an der Einkoppelelektrode 251 einkoppelbar ist.
Über das eingekoppelte elektrische Feld fc wird von der Modulationseinrichtung ZPS1 die Last der Detektionseinrichtung 200 amplitudenmoduliert. Diese Modulation ist von der Detektionseinrichtung 200 detektierbar.
Die von der Modulationseinrichtung ZPS1 vorgenommene Modulation der Last wird von der Auswerteeinrichtung 245 ausgewertet.
Nähert sich, wie in 5 gezeigt, eine Hand oder ein Finger 260 der Elektrodeneinrichtung E1, E2, führt dies dazu, dass sich die Koppelkapazitäten C1 und C2 ändern, sodass sich der Pegel, mit welcher die Last der Detektionseinrichtung 200 amplitudenmoduliert wird ändert.
Die Schaltereinrichtung weist zwei Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 auf, welche bei einer Annäherung des Fingers 260 an die Elektrodeneinrichtung E1, E2 die Last der Detektionseinrichtung 200 amplitudenmodulieren. Um die Modulation durch die beiden Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 für die Detektionseinrichtung 200 unterscheidbar zu machen, werden die einzelnen Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 so ausgestaltet, dass die Detektionseinrichtung 200 die von den jeweiligen Modulationseinrichtungen ZPS1 und ZPS2 amplitudenmodulierte Last trennen und entsprechend den einzelnen Modulationseinrichtungen zuordnen kann.
Hierfür können an den Modulationseinrichtungen unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen werden.
Beispielsweise können die einzelnen Modulationseinrichtungen einen freilaufenden Oszillator vorsehen, welcher jeweils mit einer unterschiedlichen Oszillator-Frequenz betrieben wird (die Last wird also mit unterschiedlichen Oszillator-Frequenzen amplitudenmoduliert), so dass an der Detektionseinrichtung ein Frequenzgemisch mit unterschiedlichen Amplituden anliegt, welches z. B. mit Hilfe einer Fourier-Transformation entsprechend getrennt werden kann.
Anstelle eines freilaufenden Oszillators kann in den Modulationseinrichtungen auch ein Frequenzteiler vorgesehen sein, welcher die Frequenz des von der Detektionseinrichtung abgestrahlten elektrischen Feldes teilt. Vorzugsweise ist das Teilungsverhältnis in den einzelnen Modulationseinrichtungen verschieden, so dass die einzelnen Modulationseinrichtungen jeweils mit unterschiedlicher Frequenz arbeiten und die Last der Detektionseinrichtung jeweils mit unterschiedlicher Frequenz amplitudenmodulieren. Auch hier wird an der Detektionseinrichtung ein Frequenzgemisch mit unterschiedlichen Amplituden detektiert, welches z. B. mit Hilfe einer Fourier-Transformation entsprechend getrennt werden kann. Das Teilungsverhältnis der jeweiligen Modulationseinrichtungen ist der Detektionseinrichtung bekannt, sodass eine eindeutige Zuordnung eines getrennten Signals zu einer Modulationseinrichtung gewährleistet ist.
Die Detektionseinrichtung 200 bzw. die Auswerteeinheit 245 kann mit einer Steuereinheit bzw. Gerätesteuerung 300 gekoppelt sein. In einer Ausführungsform stellt die Auswerteeinheit den Pegel einer Schaltereinrichtung zur Verfügung.
In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform können an die Detektionseinrichtung 200 mehrere Schaltereinheiten gekoppelt sein. Für die Auswertung der Schaltzustände der mehreren Schaltereinrichtungen muss die Detektionseinrichtung lediglich die Frequenzen wissen, mit welcher die Modulationseinrichtungen die Last der Detektionseinrichtung amplitudenmoduliert.
Dadurch, dass für die Bestimmung eines Schaltzustandes einer Schaltereinrichtung die Modulationen von jeweils zwei Modulationseinrichtungen ausgewertet werden und miteinander in Beziehung gesetzt werden, können mehrere Schaltereinrichtungen auch in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden. Werden alle Schaltereinheiten kapazitiv mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelt, kann beispielsweise ein kompaktes Bedienpanel zur Verfügung gestellt werden, welches über keine Anschlüsse zur Koppelung des Bedienpanels mit der Detektionseinrichtung verfügen muss.
6a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kapazitiven Schaltereinrichtung, wobei zwischen den Elektroden E1 und E2 eine zusätzliche Schirmelektrode SE angeordnet ist. Damit werden gegenseitige Einflüsse der Elektroden E1 und E2 weitestgehend vermieden, sodass der Abstand zwischen den Elektroden E1 und E2 weiter verringert werden kann.
Die 6b bis 6c zeigen jeweils eine Anordnung von zwei Elektroden E1 und E2 einer kapazitiven Schaltereinrichtung, wobei eine Elektrode E2 durch mehrere Elektrodensegmente gebildet werden kann und wobei zwischen den beiden Elektroden eine Schirmelektrode SE angeordnet ist.
6b zeigt die in 6a gezeigte Elektrodenanordnung in einer Draufsicht. Die ringförmig ausgestaltete Schirmelektrode SE ist zwischen den Elektroden E1 und E2 angeordnet.
6c zeigt die Elektrodenanordnung aus 6b, wobei anstelle der Elektrode E2 zwei Elektrodensegmente E1a und E2b um die Elektrode E1 bzw. um die Schirmelektrode SE herum angeordnet sind. Bei der Annäherung eines Fingers an die Elektrodenstruktur E1, E2a, E2b ist zunächst die kapazitive Koppelung zwischen den Elektrodensegmenten E2a, E2b und dem Finger größer als die kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E1 und dem Finger. Ab einem gewissen Abstand des Fingers zur Elektrodenstruktur E1, E2a, E2b wird die kapazitive Koppelung des zwischen der Elektrode E1 und dem Finger größer als die kapazitive Koppelung zwischen den Elektrodensegmenten E2a, E2b und dem Finger.
Je nach Richtung aus welcher sich der Finger der Elektrodenstruktur E1, E2a, E2b nähert, kann es vorkommen, dass die Koppelung zwischen der Elektrode E1 und dem Finger zunächst größer wird als die Koppelung zwischen einem Elektrodensegment und dem Finger. Damit kann die Richtung bestimmen werden, aus welcher sich der Finger der Elektrodenstruktur E1, E2a, E2b nähert. Die Detektionseinrichtung 200 kann hierbei hinsichtlich der Erzeugung eines Schaltpegels verschieden ausgestaltet sein. In einer Ausgestaltung kann der Schaltpegel geändert werden, sobald die kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E1 und dem Finger die kapazitive Koppelung zwischen einer der beiden Elektrodensegmente E2a, E2b und dem Finger übersteigt. In einer anderen Ausgestaltung kann der Schaltpegel geändert werden, wenn die kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E1 und dem Finger die kapazitiven Koppelungen zwischen beiden Elektrodensegmenten E2a, E2b und dem Finger übersteigt.
Beide Elektrodensegmente E2a und E2b sind mit jeweils einer Modulationseinrichtung ZPS2a und ZPS2b gekoppelt. Die Modulationseinrichtung ZPS2a und ZPS2b wiederum sind (kapazitiv oder galvanisch) mit der Detektionseinrichtung 200 gekoppelt. Bei Annäherung eines Fingers an die Elektrodenstruktur E2a, E2b, E1 bewirken somit drei Modulationseinrichtungen ZPS2a, ZPS2b und ZPS1 jeweils eine Modulation der Last in der Detektionseinrichtung 200, wie mit Bezug auf 5 beschrieben.
Alle drei Modulationseinrichtungen modulieren die Last der Detektionseinrichtung 200 mit einer für die Annäherung bzw. kapazitiven Koppelung charakteristischen Amplitude und mit einer für die jeweilige Modulationseinrichtung charakteristische Frequenz. Das Amplituden-Frequenz-Gemisch wird in der Detektionseinrichtung 200 in drei Signale getrennt. Der Schaltpunkt S kann dann aus diesen drei Signalen ermittelt werden.
6d zeigt die Elektrodenanordnung aus 6b, wobei anstelle der Elektrode E2 vier Elektrodensegmente E2a, E2b, E2c und E2d um die Elektrode E1 bzw. um die Schirmelektrode SE herum angeordnet sind. Die Funktionsweise entspricht der, wie sie mit Bezug auf 6c beschrieben wurde.
In weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsformen können auch drei oder mehr als vier Elektrodensegmente vorgesehen werden. Die Elektroden können auch anders als kreisförmig bzw. ringförmig ausgestaltet sein. Möglich ist auch, dass die Elektrode E1 aus mehreren Elektrodensegmenten gebildet wird.

Claims

Einrichtung für die Berührungs-/Näherungsdetektion, aufweisend eine Elektrodenstruktur, welche mindestens eine erste Elektrode (E1) und eine zweite Elektrode (E2) umfasst, wobei die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) mit einer Detektionseinrichtung (200) koppelbar sind und wobei die Detektionseinrichtung (200) dazu ausgestaltet ist, für kapazitive Koppelungen (C1, C2) zwischen den Elektroden (E1, E2) und einem Objekt (260) indikative Signale (S1, S2) zu detektieren, und wobei die Flächen der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) sowie die Anordnung der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) zueinander so gewählt sind, dass bei Annäherung des Objektes (260) an die Elektrodenstruktur bis zu einem vorbestimmten Abstand (ho) der Quotient zwischen einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung (C2) indikativen Signals (S2) und einem Signalpegel des für die kapazitive Koppelung (C1) indikativen Signals (S1) größer 1 ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) über Modulationsmittel (ZPS) mit der Detektionseinrichtung (200) koppelbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Modulationsmittel (ZPS) mindestens zwei Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) umfassen, wobei die Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) jeweils kapazitiv mit der Detektionseinrichtung (200) koppelbar sind und wobei jeweils eine Elektrode (E1, E2) mit jeweils einer Modulationseinrichtung (ZPS1, ZPS2) koppelbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) zum Modulieren einer elektrischen Größe der Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) in Abhängigkeit von den jeweiligen kapazitiven Koppelungen (C1, C2) zwischen den Elektroden (E1, E2) und dem Objekt (260) ausgestaltet sind, und wobei eine Modulation der elektrischen Größe eine Veränderung der Last an der Detektionseinrichtung (200) bewirkt.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die Modulation eine Amplitudenmodulation umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) jeweils eines von Schwingkreis und Frequenzteiler umfassen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei jede der Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) dazu ausgestaltet ist, eine für die jeweilige Modulationseinrichtungen indikative Amplitudenmodulation der elektrischen Größe mit einer vorbestimmten Frequenz zu bewirken.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei jede der Modulationseinrichtungen (ZPS1, ZPS2) eine Koppelelektrode (EK) aufweist und wobei ein von der Detektionseinrichtung (200) abgestrahltes elektrisches Feld an den Koppelelektroden (EK) einkoppelbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (E1) im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet ist und die zweite Elektrode (E2) im Wesentlichen ringförmig um die erste Elektrode (E1) herum angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der erste Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) eine Schirmelektrode (SE) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Elektrode (E2) zumindest zwei Elektrodensegmente (E2a, E2b) umfasst, wobei jeweils ein Elektrodensegment (E1, E2) mit jeweils einer Modulationseinrichtung (ZPS2a, ZPS2b) koppelbar ist und wobei jede der Modulationseinrichtungen (ZPS2a, ZPS2b) kapazitiv mit der Detektionseinrichtung (200) koppelbar ist.
Detektionseinrichtung (200), welche zum Zusammenwirken mit einer Einrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, wobei die Detektionseinrichtung (200) aufweist: einen elektrischen Kreis zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, welches an Koppelelektroden (EK) der Einrichtung einkoppelbar ist, und Mittel zum Auswerten einer elektrischen Größe, wobei die Auswertung eine Erfassung einer Lastveränderung in dem elektrischen Kreis umfasst.
Detektionseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Lastveränderung Anteile unterschiedlicher Frequenzen umfasst, wobei die Auswertung ein Trennen der Anteile mit unterschiedlicher Frequenz umfasst und wobei die Detektionseinrichtung (200) Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals aus den getrennten Anteilen mit unterschiedlicher Frequenz umfasst.
Detektionseinrichtung nach Anspruch 13, weiter aufweisend Mittel zum Bilden von Gleichanteilen der Amplituden der getrennten Anteile mit unterschiedlicher Frequenz, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Schaltsignals so ausgestaltet sind, dass eine Pegeländerung des Schaltsignals erfolgt, wenn der Gleichanteil des einen Anteils den Gleichanteil des anderen Anteils überschreitet bzw. unterschreitet.
Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Kreis umfasst: – einen LC-Schwingkreis (241, 242) mit einer Signalgeberschaltung (240), vorzugsweise einem LC-Schwingkreis hoher Güte, zur Erzeugung des elektrischen Feldes; und – eine parallel zum LC-Schwingkreis geschaltete Sendeelektrode (250), wobei die Kapazität der Sendeelektrode einen Bestandteil der Schwingkreiskapazität bildet und wobei das vom LC-Schwingkreis erzeugte elektrische Feld an der Sendeelektrode abstrahlbar ist.
Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei die Gleichanteile der Amplituden der getrennten Anteile den kapazitiven Koppelungen (C1, C2) zwischen den Elektroden (E1, E2) der kapazitiven Schaltereinrichtung und dem Objekt (260) entsprechen.