DE102009057931A1

DE102009057931A1 - Schaltungsanordnung für ein kapazitives Sensorelement

Info

Publication number: DE102009057931A1
Application number: DE200910057931
Authority: DE
Inventors: Claus Kaltner; Reinhard Unterreitmayer; Holger Steffens
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE102009057931B4

Abstract

Bereitgestellt wird eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangsignals, welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches zumindest eines kapazitiven Sensorelementes ist. Das kapazitive Sensorelement weist zumindest eine Sendeelektrode, zumindest eine Kompensationselektrode und zumindest eine Empfangselektrode auf. Eine Signalgebereinrichtung ist zum Beaufschlagen der Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und der Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal vorgesehen. Des Weiteren ist vorgesehen eine Signalaufbereitungseinrichtung, welche mit der Empfangselektrode gekoppelt ist, zum Aufbereiten eines an der Empfangselektrode abgegriffenen Elektrodensignal und zum Bereitstellen eines aufbereiteten Signals, welches einer Auswerteeinrichtung zuführbar ist, zum Erzeugen des Ausgangsignals in Abhängigkeit von der Auswertung. Das kapazitive Sensorelement kann an einem Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, eine Fernbedienung, eine Videokamera, oder dergleichen, angeordnet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangssignals, welches indikativ für dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches zumindest eines kapazitiven Sensorselements ist, um beispielsweise bei einem elektrischen Gerät die Annährung einer Hand an das elektrische Gerät zu detektieren, so dass das elektrische Gerät bei einer Annährung etwa von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus überführbar ist.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, einen kapazitiven Sensor mit einer Sensorelektrode vorzusehen, wobei der kapazitive Sensor ausgestaltet ist, eine Veränderung der dielektrischen Eigenschaften im Observationsbereich der Sensorelektrode zu detektieren.
Nachteilig ist hierbei allerdings, dass lediglich die Annährung an die Sensorelektrode detektiert werden kann, nicht aber ein Umgreifen eines Handgerätes, insbesondere dann nicht, wenn die Sensorelektrode so an dem Handgerät angeordnet ist, dass beim Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand die dielektrischen Eigenschaften des Observationsbereiches der Sensorelektrode nicht verändert werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, sowohl eine Annäherung an ein elektrisches Gerät als auch ein Umgreifen eines elektrischen Gerätes durch eine Hand zuverlässig zu detektieren und ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches indikativ für die Annährung an das elektrische Gerät bzw. das Umgreifen des elektrischen Gerätes durch eine Hand ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangssignals, welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches zumindest eines kapazitiven Sensorelements ist, nach dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangsignals, welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches zumindest eines kapazitiven Sensorelementes ist, wobei das zumindest eine kapazitive Sensorelement zumindest eine Sendeelektrode, zumindest eine Kompensationselektrode und zumindest eine Empfangselektrode umfasst, und wobei die Schaltungsanordnung umfasst

– eine Signalgebereinrichtung zum Beaufschlagen der Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und der Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal, wobei das zweite elektrische Wechselsignal phasenverschoben zum ersten elektrischen Wechselsignal ist,
– eine Signalaufbereitungseinrichtung, welche mit der Empfangselektrode gekoppelt ist, zum Aufbereiten eines an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Elektrodensignal und zum Bereitstellen eines aufbereiteten Signals, und
– einer Auswerteeinrichtung, welcher das aufbereitete Signal zuführbar ist, zum Auswerten des aufbereiteten Signals und zum Erzeugen des Ausgangsignals in Abhängigkeit von der Auswertung.

Die Elektroden des kapazitiven Sensorelementes kann dabei so an einem Handgerät angeordnet werden, dass aufgrund einer kapazitiven Koppelung der Sendeelektrode mit der Empfangselektrode über eine Hand ein Umgreifen des Handgerätes durch die Hand detektiert werden kann.
Die Signalaufbereitungseinrichtung kann

– eine Verstärkereinrichtung zum Bereitstellen eines mit dem an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Elektrodensignal korrespondierenden elektrischen Signals, und
– eine Digitalisierungseinrichtung, welcher das elektrische Signal der Verstärkereinrichtung zugeführt wird, zum Digitalisieren des elektrischen Signals und zum Bereitstellen des aufbereiteten digitalisierten Signals

Die Verstärkereinrichtung kann einen Strom/Spannungswandler mit einem nachgeschalteten Spannungsverstärker umfassen.
Die Spannungsverstärkung des Spannungsverstärkers kann einstellbar sein.
Der Strom/Spannungswandler kann einen Transimpedanzverstärker umfassen.
Die Transimpedanz des Strom/Spannungswandlers kann einstellbar sein.
Die Verstärkereinrichtung kann mit einem ersten Gleichrichter gekoppelt sein.
Die Verstärkereinrichtung kann mit einem zweiten Gleichrichter gekoppelt sein.
Der Ausgang des ersten Gleichrichters und der Ausgang des zweiten Gleichrichters können jeweils mit einem Filter gekoppelt sein, um das am jeweiligen Gleichrichterausgang anliegende Signal zu glätten.
Die Digitalisierungseinrichtung kann zwei Analog-Digital-Wandler aufweisen, wobei die Ausgänge der Filter jeweils mit einem der beiden Analog-Digital-Wandler gekoppelt sind.
Die Digitalisierungseinrichtung kann einen Multiplexer aufweist, um die an den Ausgängen der Filter anliegenden Signale einem Analog-Digital-Wandler zuzuführen, wobei vorzugsweise die an den Ausgängen der Filter anliegenden Signale von jeweils einem Abtast-Halte-Glied abgetastet werden, bevor sie dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden.
Vorzugsweise ist ein Subtrahierer vorgesehen, welchem die gleichgerichteten und geglätteten Ausgangssignale der Filter zugeführt werden und wobei ein Differenzsignal des Subtrahierers der Digitalisierungseinrichtung zugeführt wird.
Der erste Gleichrichter und der zweite Gleichrichter können als elektronisch ansteuerbare Schalter ausgestaltet sein, welche jeweils synchron zu den Flanken des ersten elektrischen Wechselsignals geöffnet und/oder geschlossen werden.
Die Digitalisierungseinrichtung kann synchron zu dem ersten elektrischen Wechselsignal betrieben wird, derart, dass das der Digitalisierungseinrichtung zugeführte elektrische Signal zweimal pro Periode abgetastet wird, wobei die Phase der Abtastung so gewählt wird, dass in der ersten und in der zweiten Halbperiode der Abtastung jeweils ein Spitzenwert des zugeführten elektrischen Signals abgetastet und digitalisiert wird.
Die Signalgebereinrichtung kann eines aus

– einen Signalgenerator, welcher das erste elektrische Wechselsignal erzeugt, und einen Inverter zum Erzeugen des zweiten elektrischen Wechselsignals aus dem ersten elektrischen Wechselsignal, wobei dem Inverter ein Dämpfungsglied nachgeschaltet ist, um das zweite elektrische Wechselsignal zu dämpfen,
– einen ersten Signalgenerator, welcher das erste elektrische Wechselsignal erzeugt, und einen zweiten Signalgenerator, welcher das zweite elektrische Wechselsignal erzeugt, wobei die Frequenz des ersten elektrischen Wechselsignal im Wesentlich der Frequenz des zweiten elektrischen Wechselsignal entspricht, und
– einen Signalgenerator, welcher das erste elektrische Wechselsignal erzeugt, und einen Phasenschieber zum Erzeugen des zweiten elektrischen Wechselsignals aus dem ersten elektrischen Wechselsignal,

Die Auswerteeinrichtung kann zumindest eines aus Mikrocontroller, Komparator, und endlicher Automat, umfassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit den drei Hauptkomponenten, zur Erläuterung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
3 ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
4 ein drittes Beispiel einer konkreten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
5 ein viertes Beispiel für eine konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
6 ein weiteres Beispiel einer konkreten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
7 ein Beispiel für die Anordnung der Elektroden eines kapazitiven Sensorelements am Gehäuse eines elektrischen Handgerätes; und
8 ein Beispiel für eine konkrete Ausgestaltung der Elektroden eines kapazitiven Sensorelements.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangssignals DS, welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches eines kapazitiven Sensorelements ist.
Das kapazitive Sensorelement weist eine Sendelektrode SE, eine Kompensationselektrode KE und eine Empfangselektrode EE auf. Die Sendelektrode SE und die Kompensationselektrode KE sind jeweils mit einer Signalgebereinrichtung SG gekoppelt. Die Signalgebereinrichtung SG ist ausgestaltet, die Sendeelektrode SE mit einem ersten elektrischen Wechselsignal S1 und die Kompensationselektrode KE mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal S2 zu beaufschlagen. Das zweite elektrische Wechselsignal S2 ist dabei vorzugsweise phasenverschoben zu dem ersten elektrischen Wechselsignal S1.
An der Sendelektrode SE und der Kompensationselektrode KE wird jeweils ein elektrisches Wechselfeld emittiert, wobei sich das an der Kompensationselektrode abgestrahlte elektrische Wechselfeld und das an der Sendeelektrode SE abgestrahlte Wechselfeld überlagern. Beide elektrischen Wechselfelder, d. h. das aus den beiden elektrischen Wechselfeldern resultierende elektrische Wechselfeld koppelt in die Empfangselektrode EE ein. Das in die Empfangselektrode EE eingekoppelte elektrische Wechselfeld ist dabei abhängig von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung, d. h. des Observationsbereiches, welcher durch die Elektroden SE, KE und EE definiert wird. Bei einem sich an das Sensorelement annähernden Objekt, etwa einer Hand, wird ein Teil des an der Sendeelektrode SE abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes über die Hand in die Empfangselektrode EE eingekoppelt und entzieht sich dabei dem Einfluss des an der Kompensationselektrode KE abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes.
Das durch die Einkoppelung des elektrischen Wechselfeldes in die Empfangselektrode EE resultierende elektrische Signal ist ebenfalls abhängig von den dielektrischen Eigenschaften des Observationsbereiches. Bei einer sich annähreden Hand an das kapazitive Sensorelement vergrößert oder verkleinert sich beispielsweise der in der Empfangselektrode EE fließende elektrische Strom. Die Empfangselektrode EE ist mit einer Signalaufbereitungseinrichtung SA gekoppelt, welche zum Aufbereiten eines an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Elektrodensignals S3 und zum Bereitstellen eines aufbereiteten Signals S5 ausgestaltet ist. An der Empfangselektrode EE kann dabei ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
Das aufbereitete elektrische Signal S5 wird einer Auswerteeinrichtung AE zugeführt, welche das aufbereitete elektrische Signal S5 auswertet und das Ergebnis der Auswertung als Ausgangssignal DS bereit stellt. Das Ausgangssignal DS ist dabei indikativ für die dielektrischen Eigenschaften des Observationsbereiches des kapazitiven Sensorelements.
2 zeigt ein konkretes Implementierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Ein Signalgenerator G stellt ein erstes elektrisches Wechselsignal S1 bereit, welches an der Sendeelektrode SE beaufschlagt wird. Dieses erste elektrische Wechselsignal S1 wird zudem einem Inverter zugeführt, um ein elektrisches Wechselsignal zu erzeugen, welches im Wesentlichen 180° phasenverschoben zu dem von dem Signalgenerator G bereitgestellten elektrischen Wechselsignal ist. Dieses invertierte elektrische Wechselsignal wird über einen Spannungsteiler, etwa ein Potentiometer an der Kompensationselektrode KE beaufschlagt. Das Potentiometer ist dazu vorgesehen, das an der Kompensationselektrode beaufschlagte elektrische Wechselsignal S2 zu dämpfen. Alternativ zu dem Potentiometer kann bspw. auch ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von kleiner 1 vorgesehen sein. Das an der Kompensationselektrode KE beaufschlagte elektrische Wechselsignal ist also um 180° phasenverschoben zu dem an der Sendeelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals und weist zudem eine kleinere Amplitude als das an der Sendeelektrode beaufschlagte Wechselsignal S1 auf.
An der Empfangselektrode EE wird ein Elektrodensignal S3 abgegriffen und einer Verstärkereinrichtung V zugeführt. Die Verstärkereinrichtung V ist im vorliegenden Fall ein Strom/Spannungswandler mit einem nachgeschalteten Spannungsverstärker. Die Verstärkereinrichtung stellt hier an ihrem Ausgang eine elektrische Spannung S4 zur Verfügung, welche proportional zu dem an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Strom ist. Vorzugsweise ist die Spannungsverstärkung des Spannungsverstärkers einstellbar, damit die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung leicht an verschiedene kapazitive Sensorelemente angepasst werden kann. Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn unterschiedliche Sensorelemente mit jeweils unterschiedlichen Elektrodengeometrien und/oder unterschiedliche Elektrodenflächen an die Schaltungsanordnung anschließbar sein sollen.
In einer anderen hier nicht gezeigten Ausführungsform kann der Strom/Spannungswandler einen Transimpedanzverstärker umfassen, wobei vorzugsweise auch die Transimpedanz des Transimpedanzverstärkers einstellbar ist.
In einer noch weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsform kann die Verstärkereinrichtung V auch so ausgestaltet sein, dass der an der Empfangselektrode EE abgegriffene elektrische Strom direkt verstärkt wird und der nachfolgenden Auswerteeinrichtung zugeführt wird.
Das von der Verstärkereinrichtung V bereitgestellte elektrische Signal S4 wird einer Digitalisierungseinrichtung A/D zugeführt, welche das elektrische Signal S4 digitalisiert und ein digitalisiertes Signal S5 bereitstellt. Das digitalisierte Signal S5 wird einer Auswerteeinrichtung zugeführt, welche das digitalisierte Signal auswertet und als Ergebnis der Auswertung ein Detektionssignal DS zur Verfügung stellt, welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften des Observationsbereiches des kapazitiven Sensorelements ist.
3 zeigt ein weiteres konkretes Implementierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. An der Empfangselektrode EE wird ein elektrisches Signal abgegriffen und einer Verstärkereinrichtung V zugeführt. Die Verstärkereinrichtung V ist hier mit einer ersten Diode und einer zweiten Diode gekoppelt, wobei die erste Diode in Durchlassrichtung für die positiven Halbwellen und die zweite Diode in Durchlassrichtung für die negativen Halbwellen des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals betrieben werden. Die Verstärkereinrichtung V bildet dabei zusammen mit der ersten Diode bzw. zusammen mit der zweiten Diode jeweils einen Einweggleichrichter.
Anstelle der hier gezeigten Dioden können auch elektronisch angesteuerte Schalter vorgesehen sein, welche synchron zu dem ersten elektrischen Wechselsignal (Signal des Generators G1) geöffnet bzw. geschlossen werden, so dass jeweils nur die positiven Halbwellen bzw. die negativen Halbwellen des an der Verstärkereinrichtung V anliegenden elektrischen Signals dem nachfolgenden Filter zugeführt werden.
Die so gleichgerichteten und mit dem Filter geglätteten Gleichsignale werden jeweils einem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt. Die Analog-Digital-Wandler A/D können Bestandteil eines Mikrocontrollers μC sein. Die von den Analog-Digital-Wandlern A/D bereitgestellten digitalen Signale werden von dem Mikrocontrollern μC ausgewertet um beispielsweise eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement und/oder ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zu bestimmen. Das Ergebnis der Auswertung kann als (digitales) Detektorsignal DS von dem Mikrocontroller μC zur weiteren Verarbeitung in einem elektronischen Handgerät bereitgestellt werden.
Der Mikrocontroller μC kann auch vorgesehen sein, die in 3 gezeigten Signalgenerator G1, G2 zu steuern. Die Signalgeneratoren G1 bzw. G2 stellen jeweils ein elektrisches Wechselsignal bereit, wobei das von dem ersten Signalgenerator G1 erzeugte elektrische Wechselsignal an der Sendelektrode SE beaufschlagt wird und das von dem zweiten Signalgenerator G2 erzeugte elektrische Wechselsignal an der Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird. Die von den beiden Signalgeneratoren G1, G2 erzeugten Wechselsignale sind dabei vorzugsweise zueinander phasenverschoben. Vorzugsweise ist das von dem Signalgenerator G2 erzeugte elektrische Wechselsignal um 150° bis 180° phasenverschoben zu dem von dem Signalgenerator G1 erzeugten elektrischen Wechselsignals.
Bei einer Phasenverschiebung von nahe 180° wird eine maximale Dämpfung des an der Sendeelektrode SE abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes durch das an der Kompensationselektrode KE abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes erreicht. Damit wird gewährleistet, dass das an der Empfangselektrode EE eingekoppelte elektrische Wechselfeld in der Empfangselektrode EE nur einen sehr geringen, vorzugsweise nahezu keinen Strom erzeugt.
Bei einer sich annähernden Hand an das Sensorelement wird das an der Sendeelektrode SE abgestrahlte elektrische Wechselfeld zumindest teilweise über die Hand in die Empfangselektrode EE eingekoppelt, wobei sich das über die Hand in die Empfangselektrode eingekoppelte elektrische Wechselfeld im Wesentlich dem Einfluss dem an der Kompensationselektrode KE abgestrahlten elektrischen Wechselfelds entzieht. D. h. der Anteil des an der Sendeelektrode SE abgestrahlten elektrischen Wechselfeldes an dem in die Empfangselektrode EE eingekoppelten elektrischen Wechselfeld nimmt durch die sich annähernde Hand zu. Dadurch wird gewährleistet, dass eine sich an das Sensorelement annähernde Hand zu einem signifikanten Stromanstieg in der Empfangselektrode EE führt.
Vorzugsweise wird das von dem zweiten Signalgenerator G2 erzeugte elektrische Wechselsignal gedämpft, bevor es an der Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird. Damit wird erreicht, dass die Amplitude des von dem zweiten Signalgenerator G2 bereitgestellten elektrischen Signals kleiner ist als die Amplitude des von dem ersten Signalgenerator G1 bereitgestellten elektrischen Signal.
4 zeigt eine weitere Implementierungsvariante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die mit der Empfangselektrode EE gekoppelte Verstärkereinrichtung V sowie die mit der Verstärkereinrichtung V gekoppelten Dioden mit den jeweiligen nachgeschalteten Filter entsprechen dabei im Wesentlich wie bereits mit Bezug auf 3 gezeigt.
Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Ausführungsform werden die an den Filtern anliegenden Ausgangssignale einem Subtrahierer zugeführt, um ein Differenzsignal zwischen den gleichgerichteten, gefilterten Signal der positiven Halbwelle und dem gleichgerichteten, gefilterten Signal der negativen Halbwelle zu erzeugen. Das Differenzsignal wird einer Digitalisierungseinrichtung, z. B. einem Analog/Digitalwandler zugeführt. Der Subtrahierer kann etwa mittels eines als Differenzverstärker ausgebildeter Operationsverstärker realisiert werden. Der Mikrocontroller μC leitet aus dem digitalisierten Differenzsignal ein Detektionssignal DS ab und stellt dieses zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Die Signalgeneratoren G1 und G2 können im Wesentlich wie bereits mit Bezug auf 3 gezeigt ausgestaltet bzw. konfiguriert sein. Signalgeneratoren G1 und G2 können ebenfalls durch den Mikrocontroller μC gesteuert werden.
5 zeigt eine weitere mögliche Implementierungsvariante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Ein Signalgenerator G1 stellt ein elektrisches Wechselsignal bereits, welches an der Sendeelektrode SE beaufschlagt wird. Dieses elektrische Wechselsignal wird zudem einem Phasenschieber Δφ zugeführt. Das daraus resultierende phasenverschobene elektrische Wechselsignal wird an der Kompensationselektrode KE beaufschlagt.
Ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal wird einer Verstärkereinrichtung V zugeführt. Die Verstärkereinrichtung kann beispielsweise ein Strom/Spannungswandler mit einem nachgeschalteten Spannungsverstärker sein. Der Strom/Spannungswandler kann als Transimpedanzverstärker ausgeführt sein. Sowohl die Spannungsverstärkung als auch die Transimpedanz sind vorzugsweise einstellbar.
Das von der Verstärkereinrichtung V bereitgestellte verstärkte Signal, d. h. die bereitgestellte Spannung wird einem Gleichrichter zugeführt, welcher beispielsweise synchron zu dem Generator G1 betrieben werden kann. Das gleichgerichtete Signal wird mittels eines Filters geglättet und anschließend einem Komperator zugeführt, welcher mittels eines Vergleiches des zugeführten Gleichsignals mit einer Gleichspannung ein Ausgangssignal DS erzeugt und dieses Ausgangssignal DS zur weiteren Verarbeitung bereitstellt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die an der Sendelektrode SE und an der Kompensationselektrode KE beaufschlagten elektrischen Wechselsignale werden hier von einem Mikrocontroller bereitgestellt. Das an der Kompensationselektrode KE beaufschlagte elektrische Wechselsignal ist auch hier phasenverschoben zu dem an der Sendelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignal.
Ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal wird einer Verstärkereinrichtung V zugeführt, welche auch hier ein Strom/Spannungswandler mit einem nachgeschalteten Spannungsverstärker sein kann. Der Strom/Spannungswandler kann auch als Transimpedanzverstärker ausgestaltet sein. Das verstärkte Signal wird dann einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Der Analog-Digital-Wandler kann synchron zu dem elektrischen Wechselsignal, welches an der Sendelektrode SE beaufschlagt wird, betrieben werden. Vorzugsweise wird dabei das dem Analog-Digital-Wandler zugeführte verstärkte Signal zweimal pro Periode abgetastet, wobei die Phase der Abtastung vorzugweise so gewählt wird, dass in der ersten und in der zweiten Halbperiode der Abtastung ein Spitzenwert des zugeführten verstärkten elektrischen Signals abgetastet und digitalisiert wird. Die Phase der Abtastung kann beispielsweise während eines Initialisierungsschrittes der Schaltungsanordnung ermittelt werden.
Aus den ermittelten Spitzenwerten, d. h. den positiven Spitzenwerten und den negativen Spitzenwerten kann mittels Differenzbildung eine Gleichrichtung des Eingangssignals bewirkt werden. Ein so erzeugtes Gleichsignal kann dann wiederum von der Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals DS herangezogen werden.
Bei den in 1 bis 6 gezeigten Implementierungsvarianten können die Digitalisierungseinrichtungen, d. h. die Analog-Digital-Wandler jeweils mit Hilfe eines Sample-and-Hold-Glieds realisiert werden, wobei der Ausgang des Sample-and-Hold-Glieds einem Analog-Digital-Wandler zugeführt wird. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform können beispielsweise zwei Sample-and-Hold-Glieder vorgesehen sein, dessen Ausgängen im Zeitmultiplexverfahren mit einem Analog-Digital-Wandler gekoppelt sind. Die Sample-and-Hold-Glieder können synchron zum Signal des Signalgenerators betrieben werden.
In sämtlichen hier gezeigten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, ein Dämpfungsglied vorzusehen, um das an der Kompensationselektrode KE beaufzuschlagende Wechselsignal zu dämpfen, bevor es der Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird.
Bei den in den vorgenannten Figuren gezeigten Ausführungsformen kann eine Strom/Spannungswandlung auch mit Hilfe eines Shunt-Widerstandes realisiert werden. Die digitale Verarbeitung bzw. das Erzeugen eines Detektorsignals DS kann mit einem herkömmlichen Mikrocontroller μC oder aber auch mit Hilfe eines endlichen Automaten (Finite-Statemachine) erfolgen.
Sämtliche der in 1 bis 6 gezeigten Schaltungsanordnungen können so ausgestaltet sein, dass anstelle des Bereitstellens eines Ausgangssignals DS die Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften des Observationsbereiches des kapazitiven Sensorelementes, beispielsweise ein Mobiltelefon direkt in einen Schlafmodus bzw. in einen Aktivmodus versetzt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann beispielsweise als integriertes Bauteil (ASIC) oder unter Verwendung diskreter Bauteile realisiert werden.
7 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und einem damit gekoppelten kapazitiven Sensorelement. Die Schaltungsanordnung und das kapazitive Sensorelement können in einem elektrischen Handgerät 10, etwa einem Mobiltelefon verwendet bzw. angeordnet werden, um eine Annährung an das Mobiltelefon bzw. ein Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand zu detektieren. Die Detektion der Annährung bzw. des Umgreifens kann verwendet werden, um beispielsweise das Mobiltelefon von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu überführen. Der Energieverbrauch des Mobiltelefons kann so drastisch reduziert werden.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Benutzer des Mobiltelefons keinerlei Eingaben aktiv vornehmen muss, um das Mobiltelefon von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu überführen. Der Bedienkomfort kann so deutlich erhöht werden. Weiter vorteilhaft ist es, dass auf Tasten zum Umschalten des Mobiltelefons von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus bzw. von einem Aktivmodus in einen Schlafmodus verzichtet werden kann, was die Freiheitsgrade hinsichtlich des Designs eines Mobiltelefons erhöht. Der verringerte Energieverbrauch des Mobiltelefons wird insbesondere auch dadurch erreicht, dass beim Entfernen einer Hand von dem Mobiltelefon dieses automatisch in einen Schlafmodus verbracht werden kann, weil aufgrund der zu geringen kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE in der Kompensationselektrode nur ein sehr geringer elektrischer Strom fließt, was indikativ für das Fehlen einer Hand an dem Mobiltelefon ist.
Vorteilhaft ist es, die Sendelektrode SE an einer ersten Seitenwandung des Mobiltelefons und die Kompensationselektrode KE sowie die Empfangselektrode EE an einer zweiten Seitenwandung des Mobiltelefons anzuordnen. Dadurch wird gewährleistet, das ein Umgreifen des Mobiltelefons sicher detektiert wird, weil beim Umgreifen des Mobiltelefons die Hand sowohl die Sendelektrode SE an der ersten Seitenwandung und die Empfangselektrode EE bzw. Kompensationselektrode KE an der zweiten Seitenwandung zumindest teilweise überdeckt.
Wie in der rechten Abbildung der 7 erkennbar, sind die Empfangselektrode EE und die Kompensationselektrode KE an der Seitenwandung des Mobiltelefons im Wesentlich parallel zueinander angeordnet. Die Kompensationselektrode KE, die Empfangselektrode EE und die Sendelektrode SE sind mit einer Elektronik E gekoppelt. Die Elektronik E kann hierbei so realisiert werden, wie mit Bezug auf 2 bis 7 gezeigt.
8 zeigt ein Beispiel einer Ausgestaltung der Elektroden SE, EE und KE. Die in 8 gezeigten Elektroden können beispielsweise an der Oberseite eines Mobiltelefons oder eines tragbaren Kleincomputers (PDA) angeordnet werden. Die Sendelektrode und die Empfangselektrode sind hier streifenförmig ausgestaltet, wobei die Länge der Elektroden jeweils etwa die neunfache Breite der Elektrode aufweist. Die Empfangselektrode ist im Wesentlichen parallel zur Sendelektrode angeordnet. Der Abstand der Sendelektrode zur Empfangselektrode kann dabei je nach konkretem Anwendungsfall variieren.
Die Empfangselektrode weist an der der Sendelektrode zugewandten Kante eine Aussparung auf, in welcher die Kompensationselektrode angeordnet ist. Die Kompensationselektrode wird hierbei so in der Aussparung angeordnet, dass sie keinen galvanischen Kontakt zur Empfangselektrode aufweist. Die Aussparung an der Empfangselektrode ist hier im Wesentlich in der Mitte der Empfangselektrode vorgesehen. Selbstverständlich kann die Aussparung auch größer gewählt werden, bzw. an einem anderen Bereich der Empfangselektrode gewählt werden, was wiederum von dem konkreten Anwendungsfall abhängt. Wichtig ist hierbei jedenfalls, dass die Kompensationselektrode im Wesentlich zwischen der Sendelektrode und der Empfangselektrode angeordnet ist.
Die in der 8 gezeigte Ausgestaltung der Empfangselektrode und der darin eingebeteten Kompensationselektrode hat den Vorteil, dass die Herstellung der Empfangselektrode und der Kompensationselektrode besonders einfach dadurch bewerkstelligt werden kann, dass der fehlende Bereich zwischen der Kompensationselektrode und der Empfangselektrode beispielsweise durch Ausstanzen herstellbar ist.
Die in 8 angegeben Maßangaben haben sich für die Anordnung der Elektroden an einem Mobiltelefon bzw. an einem tragbaren Kleinstcomputer (PDA) als besonders vorteilhaft erwiesen. Selbstverständlich können sämtliche der hier gezeigten Elektroden in Abhängigkeit von dem konkreten Anwendungsfall auch andere Abmessungen bzw. Flächen aufweisen.
Die Elektroden können beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer gefertigt sein. Alternativ können die Elektrode auch als elektrisch leitfähige Schicht auf der Oberfläche eines Gehäuses aufgebracht werden. Beispielsweise ist es möglich die Elektroden mittels eines elektrisch leitfähigen Lackes herzustellen.

Claims

Schaltungsanordnung zum Generieren eines Ausgangsignals (DS), welches indikativ für die dielektrischen Eigenschaften eines Observationsbereiches zumindest eines kapazitiven Sensorelementes ist, wobei das zumindest eine kapazitive Sensorelement zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Kompensationselektrode (KE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) umfasst, und wobei die Schaltungsanordnung umfasst – eine Signalgebereinrichtung (SG) zum Beaufschlagen der Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (S1) und der Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (S2), wobei das zweite elektrische Wechselsignal (S2) phasenverschoben zum ersten elektrischen Wechselsignal (S1) ist, – eine Signalaufbereitungseinrichtung (SA), welche mit der Empfangselektrode (EE) gekoppelt ist, zum Aufbereiten eines an der Empfangselektrode (EE) abgegriffenen elektrischen Elektrodensignal (S3) und zum Bereitstellen eines aufbereiteten Signals (S5), und – einer Auswerteeinrichtung (A), welcher das aufbereitete Signal (S5) zuführbar ist, zum Auswerten des aufbereiteten Signals (S5) und zum Erzeugen des Ausgangsignals (DS) in Abhängigkeit von der Auswertung.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Signalaufbereitungseinrichtung (SA) – eine Verstärkereinrichtung (V) zum Bereitstellen eines mit dem an der Empfangselektrode (EE) abgegriffenen elektrischen Elektrodensignal (S3) korrespondierenden elektrischen Signals (S4), und – eine Digitalisierungseinrichtung, welcher das elektrische Signal (S4) der Verstärkereinrichtung zugeführt wird, zum Digitalisieren des elektrischen Signals (S4) und zum Bereitstellen des aufbereiteten digitalisierten Signals (S5) umfasst.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Verstärkereinrichtung (V) mit einem ersten Gleichrichter gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Verstärkereinrichtung (V) mit einem zweiten Gleichrichter gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Ausgang des ersten Gleichrichters und der Ausgang des zweiten Gleichrichters jeweils mit einem Filter gekoppelt sind, um das am jeweiligen Gleichrichterausgang anliegende Signal zu glätten.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Digitalisierungseinrichtung zwei Analog-Digital-Wandler aufweist und wobei die Ausgänge der Filter jeweils mit einem der beiden Analog-Digital-Wandler gekoppelt sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Digitalisierungseinrichtung einen Multiplexer aufweist, um die an den Ausgängen der Filter anliegenden Signale einem Analog-Digital-Wandler zuzuführen, wobei vorzugsweise die an den Ausgängen der Filter anliegenden Signale von jeweils einem Abtast-Halte-Glied abgetastet werden, bevor sie dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein Subtrahierer vorgesehen ist, welchem die gleichgerichteten und geglätteten Ausgangssignale der Filter zugeführt werden und wobei ein Differenzsignal des Subtrahierers der Digitalisierungseinrichtung zugeführt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der erste Gleichrichter und der zweite Gleichrichter als elektronisch ansteuerbare Schalter ausgestaltet sind, welche jeweils synchron zu den Flanken des ersten elektrischen Wechselsignals (S1) geöffnet und/oder geschlossen werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Digitalisierungseinrichtung synchron zu dem ersten elektrischen Wechselsignal (S1) betrieben wird, derart, dass das der Digitalisierungseinrichtung zugeführte elektrische Signal (S4) zweimal pro Periode abgetastet wird, wobei die Phase der Abtastung so gewählt wird, dass in der ersten und in der zweiten Halbperiode der Abtastung jeweils ein Spitzenwert des zugeführten elektrischen Signals (S4) abgetastet und digitalisiert wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalgebereinrichtung (SG) eines aus – einen Signalgenerator (G), welcher das erste elektrische Wechselsignal (S1) erzeugt, und einen Inverter (INV) zum Erzeugen des zweiten elektrischen Wechselsignals (S2) aus dem ersten elektrischen Wechselsignal (S1), wobei dem Inverter (INV) ein Dämpfungsglied nachgeschaltet ist, um das zweite elektrische Wechselsignal (S2) zu dämpfen, – einen ersten Signalgenerator (G1), welcher das erste elektrische Wechselsignal (S1) erzeugt, und einen zweiten Signalgenerator (G2), welcher das zweite elektrische Wechselsignal (S2) erzeugt, wobei die Frequenz des ersten elektrischen Wechselsignal (S1) im Wesentlich der Frequenz des zweiten elektrischen Wechselsignal (S2) entspricht, und – einen Signalgenerator (G1), welcher das erste elektrische Wechselsignal (S1) erzeugt, und einen Phasenschieber (Δφ) zum Erzeugen des zweiten elektrischen Wechselsignals (S2) aus dem ersten elektrischen Wechselsignal (S1), umfasst.