DE102009057934A1

DE102009057934A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Annäherungsdetektion

Info

Publication number: DE102009057934A1
Application number: DE102009057934A
Authority: DE
Inventors: Artem Dr. Ivanov
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Bereitgestellt wird eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung, wobei das Sensorelement zumindest eine Sendeelektrode und zumindest eine Empfangselektrode aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung bringbar sind, wobei sich die kapazitive Koppelung mit zunehmender Annäherung des Objektes an das Sensorelement vergrößert. Die Sensoreinrichtung umfasst einen Signalgenerator zur Beaufschlagung der Sendeelektrode mit einem Wechselsignal, eine Verstärkereinrichtung zum Verstärken eines an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals, wobei Amplitude der Signals abhängig von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ist, und Schwellenwertschalter mit zwei Schaltschwellen, wobei sich der Schaltzustand des Schwellenwertschalters ändert, wenn das Signal die erste Schaltschwelle überschreitet oder die zweite Schaltschwelle unterschreitet, wobei zumindest eine Änderung des Schaltzustandes des Schwellenwertschalters indikativ für die Annäherung des Objektes an das Sensorelement ist. bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement einer Sensoreinrichtung.
Stand der Technik
Bei elektrischen Geräten, insbesondere bei elektrischen Geräten, welche zur Energieversorgung Batterien oder Akkumulatoren vorsehen, besteht der Wunsch, die Energieeffizienz zu verbessern, d. h. den Stromverbrauch der elektrischen Geräte zu minimieren. Mit einem verringerten Stromverbrauch der elektrischen Geräte könnte die Lebensdauer der Batterien und/oder Akkumulatoren wesentlich verlängert werden. Um eine verlängerte Lebensdauer der Batterien bzw. Akkumulatoren zu erreichen bzw. den Stromverbrauch eines elektrischen Gerätes zu verringern, ist es bekannt, das elektrische Gerät nur dann zu aktivieren, wenn es tatsächlich benutzt bzw. bedient wird.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, elektrische Geräte, etwa Computermäuse mit einem sogenannten Schlafmodus (Stand-by-Modus) auszustatten, bei welchem alle Funktionen des elektrischen Gerätes oder zumindest jene Funktionen des elektrischen Gerätes, welche nur während einer Bedienphase benötigt werden, deaktiviert werden. Bei Gebrauch bzw. bei einer Bedienung des elektrischen Gerätes muss dieses allerdings in einen sogenannten Aktivmodus versetzt werden, in welchem die volle Funktionalität bzw. Funktionsfähigkeit des elektrischen Gerätes zur Verfügung steht.
Es sind Lösungen bekannt, um ein Umschalten eines elektrischen Gerätes von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu bewirken. So ist beispielsweise bekannt, bei einem Bewegen einer optischen Computermaus diese von einem Schlafmodus in den Aktivmodus umzuschalten, wobei der optische Bewegungssensor der Computermaus überwacht und ausgewertet wird. Weiter sind Lösungen bekannt, bei welchen die Erschütterung eines elektrischen Gerätes, beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors, detektiert wird, um als Reaktion auf die Erschütterung das elektrische Gerät von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus umzuschalten.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist der hohe Stromverbrauch im Schlafmodus der elektrischen Geräte sowie eine zu lange Reaktionszeit, um das elektrische Gerät von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus umzuschalten, da ein Umschalten erst dann erfolgt, wenn das Gerät bereits bedient wird. So ist es bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten nur möglich, das elektrische Gerät in einen Aktivmodus zu versetzen, nachdem das elektrische Gerät bewegt oder erschüttert wird, also das elektrische Gerät nur mit einer gewissen Verzögerung in einen Betriebszustand umgeschaltet wird.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Lösungen bereitzustellen, mit welchen die Energiebilanz elektrischer Geräte zuverlässig verbessert werden kann und welche es erlauben, ein elektrisches Gerät zuverlässig von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu überführen, wobei der Wechsel des Betriebsmodus davon abhängen soll, ob das elektrische Gerät von einem Benutzer bedient wird oder die Bedienung durch einen Benutzer beendet wird.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung sowie durch ein Verfahren zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement einer Sensoreinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung, wobei das Sensorelement zumindest eine Sendeelektrode und zumindest eine Empfangselektrode aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung bringbar sind, wobei sich die kapazitive Koppelung mit zunehmender Annäherung des Objektes an das Sensorelement vergrößert, wobei die Sensoreinrichtung umfasst

– einen Signalgenerator zur Beaufschlagung der Sendeelektrode mit einem Wechselsignal, wobei das Wechselsignal in die Empfangselektrode einkoppelbar ist,
– eine Verstärkereinrichtung zum Verstärken eines an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals und zum Bereitstellen einer mit dem verstärkten elektrischen Signal korrespondierenden elektrischen Ausgangsspannung, wobei die Amplitude der Ausgangsspannung abhängig von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ist, und
– einen mit einer ersten Schaltschwelle und einer zweiten Schaltschwelle arbeitenden Schwellenwertschalter, welchem die von der Verstärkereinrichtung bereitgestellte Ausgangsspannung zugeführt wird, wobei
– die Schaltschwellen für eine vorbestimmte kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode so gewählt sind, dass die erste Schaltschwelle größer als der Maximalwert der Ausgangsspannung ist und die zweite Schaltschwelle kleiner als der Minimalwert der Ausgangsspannung ist, und
– sich der Schaltzustand des Schwellenwertschalters ändert, wenn die Ausgangsspannung die erste Schaltschwelle überschreitet oder wenn die Ausgangsspannung die zweite Schaltschwelle unterschreitet, wobei zumindest eine Änderung des Schaltzustandes des Schwellenwertschalters indikativ für die Annäherung des Objektes an das Sensorelement ist.

Weil sich durch die Annäherung z. B. einer Hand an das Sensorelement die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ändert und nur ab einer gewissen kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode die Schaltschwellen des Schwellenwertschalters über- bzw. unterschritten werden, kann eine besonders effiziente und genaue Annäherungsdetektion mit nur wenigen Bauteilen realisiert werden, wobei der Energieverbrauch der Sensoreinrichtung ebenfalls sehr gering gehalten werden kann.
Des Weiteren lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der Zeitpunkt des Entfernens eines Objektes von dem Sensorelement detektieren, weil eine Nicht-Änderung des Schaltzustandes des Schwellenwertschalters während eines bestimmten Zeitraumes indikativ dafür ist, dass sich kein Objekt in der Nähe des Sensorelements befindet. So kann etwa das Entfernen einer Hand von einer Computermaus oder einem anderen Handgerät festgestellt werden, was sich erheblich in der Strombilanz des elektrischen Gerätes niederschlägt, weil das Gerät unmittelbar nach dem Entfernen der Hand von dem Gerät in einen Schlafmodus versetzt werden kann.
Der Schwellenwertschalter kann mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt sein, wobei das Wechselsignal ein Rechtecksignal ist, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, den Schaltzustand des Schwellenwertschalters synchron zu den Flanken des Rechtecksignals zu ermitteln. Damit wird eine besonders gute Störunterdrückung erreicht.
Die Anzahl der ermittelten Änderung des Schaltzustandes des Schwellenwertschalters im Verhältnis zur Anzahl der Flanken des Rechtecksignals während eines vorbestimmten Messzeitraumes kann indikativ für die Annäherung des Objektes an das Sensorelement sein. Mit diesem Verhältnis kann die Sensivität der Sensoreinrichtung eingestellt bzw. angepasst werden.
Am Eingang des Schwellenwertschalters können Einstellmittel vorgesehen sein, um den Gleichspannungspegel der von der Verstärkereinrichtung bereitgestellten Ausgangsspannung so einzustellen, dass dieser in der Mitte zwischen der ersten Schaltschwelle und der zweiten Schaltschwelle des Schwellenwertschalters liegt.
Die Verstärkereinrichtung kann ein Transimpedanzverstärker sein.
Die Frequenz des Wechselsignals des Signalgenerators kann zwischen 500 Hz und 5 MHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 1 MHz liegen.
Als Signalgenerator kann ein zweiter Schwellenwertschalter, welcher die gleichen Schaltschwellen wie der erste Schwellenwertschalter aufweist, vorgesehen sein, welcher so mit einem RC-Glied gekoppelt ist, dass bei Überschreiten der Kondensatorspannung der ersten Schaltschwelle ein Entladen des Kondensators eingeleitet wird und bei Unterschreiten der Kondensatorspannung der zweiten Schaltschwelle ein Aufladen des Kondensator eingeleitet wird, wobei durch die Änderungen der Schaltzustände des zweiten Schwellenwertschalters ein Rechtecksignal bereitgestellt wird, dessen Frequenz jener Frequenz entspricht, mit der die Schaltzustände des zweiten Schwellenwertschalters geändert werden. Das RC-Glied bildet zusammen mit dem zweiten Schwellenwertschalter einen RC-Oszillator.
Das von dem zweiten Schwellenwertschalter bereitgestellte Rechtecksignal kann einem Phasenschieber zugeführt wird, wobei durch Einstellen der Phasenlage des Rechtecksignals eine Detektionsschwelle der Sensoreinrichtung einstellbar ist.
Die Kondensatorspannung am Kondensator des RC-Gliedes kann über einen elektrischen Widerstand dem ersten Schwellenwertschalters zugeführt wird.
Dadurch wird es möglich, ein temperaturabhängiges Driften der Schaltschwellen des ersten Schwellenwertschalters zu kompensieren.
Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement einer Sensoreinrichtung, welches zumindest eine Sendeelektrode und zumindest eine Empfangselektrode aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung bringbar sind, wobei während zumindest eines Messzyklus

– ein Wechselsignal einer vorbestimmten Frequenz erzeugt wird, welches an der Sendeelektrode beaufschlagt wird,
– ein an der Empfangselektrode anliegendes Signal einem Schwellenwertschalter zugeführt wird, welcher eine erste Schaltschwelle und eine zweite Schaltschwelle aufweist, und
– an jeder Flanke des Wechselsignals der Schaltzustand des Schwellenwertschalter ermittelt wird, wobei bei einem Schaltzustand, welcher verschieden zu dem an der vorhergehenden Flanke des Wechselsignals ermittelten Schaltzustand ist, ein Konfidenzzähler verändert wird,

Der Tastgrad des Wechselsignals kann auf 50% eingestellt werden.
Die Sensoreinrichtung kann zwischen jeweils zwei Messzyklen in einen Schlafmodus versetzt werden. Damit kann der Stromverbrauch der gesamten Sensoreinrichtung so weit reduziert werden, dass er unterhalb der Selbstentladung einer herkömmlichen Batterie liegt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
2 ein Blockschaltbild einer möglichen Realisierung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit einem Transistorverstärker und einem Mikrocontroller;
3 einen Signalverlauf eines an dem Ausgang eines Schmitt-Triggers und den Signalverlauf einer am Eingang des Schmitt-Triggers anliegenden Spannung;
4 ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, wobei ein temperaturabhängiges Driften der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers kompensiert wird und wobei die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung einstellbar ist;
6a Signalverläufe zu der in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bei einer hohen Empfindlichkeit;
6b Signalverläufe zu der in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bei einer niedrigen Empfindlichkeit;
7 eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einer Computermaus; und
8 eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung auf einer Hauptleiterplatine einer Computermaus.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung.
Das Sensorelement weist eine Sendeelektrode E1 und eine Empfangselektrode E2 auf. Die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 werden so zueinander angeordnet, dass sich zwischen ihnen eine gewisse Grundkoppelung einstellt. Die Grundkoppelung zwischen diesen beiden Elektroden E1 und E2 ist in 1 mit dem Kondensator C_a gezeigt. Die Anordnung der beiden Elektroden zueinander bzw. die Elektrodengeometrie wird vorzugsweise so gewählt, dass die Grundkoppelung C_a sehr klein ist.
Des Weiteren werden die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 so zueinander angeordnet, dass bei einer Annäherung einer Hand eines Nutzers beide Elektroden mit der Hand in eine kapazitive Koppelung kommen. Die Koppelungen der beiden Elektroden mit der Hand sind in 1 jeweils durch die Kondensatoren C_b und C_c dargestellt.
Vorzugsweise wird die Anordnung der Elektroden E1 und E2 zueinander bzw. die Elektrodengeometrie der Elektroden E1 bzw. E2 so gewählt, dass die Koppelkapazität C_a zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 sehr viel kleiner ist als die Koppelkapazitäten C_b und C_c zwischen der Elektrode E1 bzw. E2 und der Hand ist (C_a « C_b, C_c).
Die Sendeelektrode E1 wird mit einem Rechtecksignal, welches von einem Signalgenerator G bereitgestellt wird, beaufschlagt. Bei einer ausreichenden Nähe der Hand eines Nutzers zum Sensorelement bzw. zu den Sensorelektroden E1 und E2 wird dieses Signal mittels der Koppelkapazitäten C_b und C_c über die Hand in die Empfangselektrode E2 eingekoppelt.
Das an der Empfangselektrode E2 anliegende Signal S wird einer Verstärkereinrichtung V zugeführt. Die Verstärkereinrichtung V verstärkt das an dem Eingang der Verstärkereinrichtung V anliegende Signal und stellt an seinem Ausgang eine Ausgangsspannung U zur Verfügung, welche mit dem verstärkten Signal korrespondiert. In einer Ausführungsform kann das der Verstärkereinrichtung V zugeführte elektrische Signal der in der Empfangselektrode E2 fliesende elektrische Strom sein. Die Verstärkereinrichtung V ist dabei so ausgestaltet, dass sie an ihrem Ausgang eine zum Eingangsstrom korrespondierende Ausgangspannung U bereitstellt.
Die an dem Ausgang der Verstärkereinrichtung U anliegende Ausgangsspannung wird dem Eingang eines Schmitt-Triggers ST zugeführt. Mittels eines in Serie zur Verstärkereinrichtung V geschalteten Kondensators C1 und einem Spannungsteiler R1, R2 wird der Gleichspannungspegel der von der Verstärkereinrichtung V bereitgestellten Ausgangsspannung U so eingestellt, dass er in der Mitte zwischen der Einschaltschwelle U_ON und der Ausschaltschwelle U_OFF des Schmitt-Triggers ST liegt.
Die Schaltschwellen U_ON bzw. U_OFF des Schmitt-Triggers ST werden so gewählt, dass ohne eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement bzw. an die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 die dem Schmitt-Trigger zugeführte Ausgangsspannung U der Verstärkereinrichtung V weder die Einschaltschwelle U_ON überschreitet, noch die Ausschaltschwelle U_OFF unterschreitet. D. h, dass ohne eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement der Schmitt-Trigger ST seinen Anfangszustand beibehält.
Bei einem Schmitt-Trigger mit einer festen Einschaltschwelle U_ON bzw. einer festen Ausschaltschwelle U_OFF kann alternativ durch Einstellen der Verstärkung der Verstärkereinrichtung V, durch Einstellen der Signalamplitude des von dem Signalgenerator G bereitgestellten Wechselsignals oder durch Verändern der Größe und/oder Geometrie der Sendeelektrode E1 und/oder der Empfangselektrode E2, die dem Schmitt-Trigger ST zugeführte Spannung U so eingestellt werden, dass ohne eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement die Eingangsspannung U des Schmitt-Triggers ST weder die Einschaltschwelle U_ON überschreitet noch die Ausgangsschwelle U_OFF unterschreitet.
Die Frequenz des von dem Signalgenerator G bereitgestellten Rechtecksignals liegt zwischen einigen hundert Hz und einigen MHz. Versuche haben gezeigt, dass besonders gute Detektionsergebnisse erzielt werden könnten, wenn die Frequenz des Generatorsignals zwischen einigen kHz und einigen hundert kHz liegt.
Die Amplitude der am Verstärkerausgang des Verstärkers V anliegenden Ausgangsspannung U bzw. der am Eingang des Schmitt-Triggers anliegenden Eingangsspannung U hängt von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 ab. Das bedeutet, dass aufgrund einer sich annähernden Hand an das Sensorelement, was zu einer Vergrößerung der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 führt, die Amplitude der am Ausgang des Verstärkers V anliegenden Ausgangsspannung U bzw. der am Eingang des Schmitt-Triggers ST anliegenden Eingangsspannung ebenfalls vergrößert wird.
Ab einer gewissen Annäherung der Hand an das Sensorelement wird die Amplitude der am Eingang des Schmitt-Triggers ST anliegenden Eingangsspannung so groß, dass die Eingangsspannung die Einschaltschwelle U_ON und/oder die Ausschaltschwelle U_OFF des Schmitt-Triggers ST überschreitet bzw. unterschreitet. Damit kann auf besonders einfache Weise festgestellt werden, ob sich eine Hand dem Sensorelement annähert, indem der Wechsel des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers ST detektiert wird.
Der Schmitt-Trigger ST schaltet seinen Ausgang auf HIGH, sobald die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers die Einschaltschwelle U_ON übersteigt. Ein Wechsel des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers ST erfolgt erst, wenn die am Eingang des Schmitt-Triggers ST anliegende Eingangsspannung die Ausschaltschwelle U_OFF unterschreitet. D. h., sobald die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 einen bestimmten Wert übersteigt, ändert sich der Schaltzustand des Schmitt-Triggers ST mit der Frequenz des vom Signalgenerator G bereitgestellten Rechtecksignals. Der Schaltzustand des Schmitt-Triggers ST ändert sich solange, solange die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 einen bestimmten Wert übersteigt, d. h. solange sich eine Hand innerhalb eines vorbestimmten Abstandes zu dem Sensorelement befindet. Damit kann in besonders vorteilhafter Weise auch ein Entfernen einer Hand von dem Sensorelement detektiert werden, da ab einem gewissen Abstand der Hand zu dem Sensorelement die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 unter einen gewissen Wert fällt, so dass kein Änderung des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers ST mehr erfolgt.
Änderungen des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers ST synchron zum Wechselsignal des Signalgenerators G können daher als Detektionskriterium für eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement herangezogen werden. Durch die synchron zum Generatorsignal, d. h. synchron zu den Flanken des Generatorsignals, vorgenommene Auswertung der Schaltzustände des Schmitt-Triggers wird eine besonders gute Störunterdrückung erreicht.
Der Schmitt-Trigger ST kann mit einer Auswerteeinrichtung, etwa einem Mikrocontroller, gekoppelt sein, welcher ausgestaltet ist, bei einem Pegelwechsel des Rechtecksignals des Signalgenerators G zu überprüfen, ob sich auch der Schaltzustand des Schmitt-Triggers ST geändert hat.
Die Auswerteeinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass sie, wenn das Verhältnis von Anzahl der ermittelten Änderungen des Schaltzustandes zur Anzahl der Pegelwechsel des Rechtecksignals einen vorbestimmten Wert übersteigt, ein Signal bereitstellt, welches eine Annäherung einer Hand an das Sensorelement signalisiert. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Verhältnis von 70% bei zehn zeitlich hintereinander folgenden Pegelwechsel sieben Änderungen des Schaltzustandes erfolgt sind bzw. erfolgen müssen. Mit diesem Verhältnis kann auch die Detektionsempfindlichkeit eingestellt werden, so dass beispielsweise nur dann ein Detektionssignal bereitgestellt wird, wenn das Verhältnis größer 70%, vorzugsweise größer 90% ist. Damit kann beispielsweise vermieden werden, dass bei einer bestimmten Annäherung der Hand an das Sensorelement, welche zu einer Eingangsspannung an dem Schmitt-Trigger ST führt, welche um die Einschaltschwelle U_ON bzw. um die Ausschaltschwelle U_OFF schwankt, diese nicht als Annäherung detektiert wird.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Realisierung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit einem Transistorverstärker und einem Mikrocontroller. Der Mikrocontroller μC weist drei Ports auf, wobei ein erster Port PO1 (Ausgang) die Speisespannung für den an den Mikrocontroller μC angeschlossenen externen Teil der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bereitstellt. An einem zweiten Port PO2 (Ausgang) wird ein Rechtecksignal bereitgestellt, welches mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschaltet. Dieses Rechtecksignal wird, wie bereits mit Bezug auf 1 gezeigt, an der Sendeelektrode EI beaufschlagt. Ein dritter Port PI1 (Eingang) ist ein Port, welcher Schmitt-Trigger-Eigenschaften aufweist. Dem Port PI1 wird das an der Empfangselektrode E2 abgegriffene Signal S (gegebenenfalls verstärkt und gegebenenfalls in eine zu dem abgegriffenen Signal S korrespondierende umgewandelte Spannung) zugeführt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist die Verstärkereinrichtung V als Transimpedanzverstärker T1, R3, R4 ausgeführt. Ein in der Empfangselektrode E2 fliesender elektrischer Strom kann damit verstärkt und in eine korrespondierende Ausgangsspannung U gewandelt werden.
Der Spannungsteiler R1, R2 ist zusammen mit dem Kondensator C1 vorgesehen, um den Gleichspannungspegel der von dem Transimpedanzverstärker V bereitgestellten Ausgangsspannung so einzustellen, dass dieser in der Mitte zwischen der Einschaltschwelle U_ON und der Ausgangsschwelle U_OFF des Schmitt-Triggers ST liegt.
Der Transimpedanzverstärker V und der Spannungsteiler R1, R2 werden von dem Port PO1 mit der nötigen Speisespannung versorgt. Damit kann gleichzeitig gesteuert werden, dass die externe Schaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung nur dann mit Energie versorgt wird, wenn eine Messung durchgeführt wird. Damit kann effizient verhindert werden, dass die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zwischen jeweils zwei Messzyklen unnötig Strom verbraucht. Versuche haben gezeigt, dass der in 2 gezeigte Schaltungsaufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung eine Detektion einer Annäherung einer Hand an das Sensorelement bei einem Stromverbrauch von weniger als 2 μA realisiert werden kann, d. h. dass die Sensoreinrichtung mit einem Speisestrom betrieben werden kann, welche in der Größenordnung der Selbstentladung einer Batterie liegt.
Das Ermitteln von Schaltzustandwechsel des Schmitt-Triggers ST bzw. das Auswerten der Wechsel des Schaltzustandes kann vollständig in der Firmware des Mikrocontrollers stattfinden, so dass eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit einer geringen Anzahl an externen Bauteilen realisiert werden kann. Insbesondere sind die Anforderungen an die Peripherie eines Mikrocontrollers μC besonders gering, da lediglich Pins mit einer Port-Funktion benötigt werden.
3 zeigt den Signalverlauf einer am Eingang des Schmitt-Triggers anliegenden Eingangsspannung ST sowie den Signalverlauf des am Ausgang PO2 des Mikrocontrollers μC anliegenden Generatorsignals. Der in 3 gezeigte Signalverlauf entspricht dem in 2 gezeigten Schaltungsaufbau mit einem invertierenden Verstärker V. Sobald die Eingangsspannung am Schmitt-Trigger die Ausschaltschwelle U_OFF unterschreitet, wird der Ausgang des Schmitt-Triggers auf LOW umgeschaltet und, sobald die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers die Einschaltschwelle U_ON des Schmitt-Triggers überschreitet, der Ausgang des Schmitt-Triggers auf HIGH umschaltet. Dies geschieht synchron zu den Flanken des am Ausgang PO2 des Mikrocontrollers μC anliegenden Generatorsignals, wie in 3 erkennbar ist. Die Frequenz der Eingangsspannung bzw. die Frequenz, mit welcher der Schmitt-Trigger seinen Schaltzustand ändert, entspricht hierbei der Frequenz des vom Signalgenerators G bereitgestellten Wechselsignals.
4 zeigt einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Annäherung eines Objektes, etwa einer Hand an ein Sensorelement.
In dem in 4 gezeigten Verfahrensablauf erfolgt innerhalb eines Messzyklus die Messung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement, wobei zwischen zwei Messzyklen die Sensoreinrichtung in einen Schlafmodus versetzt wird. Die Zeit, in welcher sich die Sensoreinrichtung in einem Schlafmodus befindet, wird ΔT_series bezeichnet, welche beispielsweise 100 ms betragen kann, d. h., dass zwischen zwei Messzyklen die Sensoreinrichtung für 100 ms in einen Schlafmodus versetzt wird.
Nach Verstreichen des Zeitraumes ΔT_series wird die Sensoreinrichtung von dem Schlafmodus in einen Messmodus umgeschaltet.
In einem ersten Schritt eines Messzyklus wird der Port PO1 auf HIGH gesetzt, d. h. die externe Elektronik, wie sie beispielsweise mit Bezug auf 2 gezeigt ist, wird mit einer Speisespannung versorgt. Ebenfalls wird der Port PO2 auf HIGH gesetzt, was einer ansteigenden Flanke des an der Sendeelektrode E1 beaufschlagten Wechselsignals entspricht. Des Weiteren werden noch zwei Variable cnt_pulse und cnt_detected initialisiert. Die Variable cnt_pulse wird mit einem Wert N initialisiert, wobei N die Anzahl der Flanken des Generatorsignals an dem Port PO2 angibt. Beispielsweise kann die Variable cnt_pulse mit dem Wert 10 initialisiert werden, d. h., dass während eines Messzyklus fünf Generatorpulse (d. h. mit 10 Flanken) bereitgestellt werden, die mit der Periode ΔT_pulse folgen. Die Periode kann beispielsweise 100 μs betragen. Die Variable cnt_detected wird mit dem Wert 0 initialisiert.
Im nachfolgenden Verfahrensablauf wird für jeden Impuls des Generatorsignals, d. h. an jeder Flanke des Generatorsignals, der Schaltzustand des Schmitt-Triggers überprüft.
Zunächst wird überprüft, ob die Variable cnt_pulse größer 0 ist, d. h. ob noch eine weitere Überprüfung des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers durchzuführen ist.
Wenn die Variable cnt_pulse nicht größer 0 ist, wird in einem weiteren Schritt geprüft, die Variable cnt_detected einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Wird der vorbestimmte Schwellwert überschritten, wird davon ausgegangen, dass eine Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung erfolgt ist, d. h. dass beispielsweise eine Hand detektiert worden ist. Der vorbestimmte Schwellwert kann beispielsweise aus dem Verhältnis des Wertes der Variable cnt_pulse zu dem Wert der Variable cnt_detected gebildet werden. Beispielsweise kann eine Detektion einer Hand an dem Sensorelement angenommen werden, wenn an mindestens 75% der Flanken des Generatorsignals eine Änderung des Schaltzustandes des Schmitt-Triggers erfolgt ist. Überschreitet der Wert der Variable cnt_detected den Schwellwert nicht, wird angenommen, dass sich kein Objekt in der Nähe des Sensorelementes befindet. Nachdem die Entscheidung getroffen worden ist, ob eine Hand detektiert worden ist, oder ob eine Hand nicht detektiert worden ist, wird der Port-Ausgang PO1 auf LOW gesetzt, d. h. die externe Sensorschaltung, wie beispielsweise mit Bezug auf 2 oder 5 gezeigt, wird bis zum nächsten Messzyklus nicht weiter mit Energie versorgt. Dies wirkt sich besonders positiv auf die Gesamtenergiebilanz der Sensoreinrichtung aus.
Ist bei der Überprüfung der Variable cnt_pulse festgestellt worden, dass der Wert dieser Variable größer 0 ist, wird in einem nächsten Schritt überprüft, ob der Pegel an dem Port-Ausgang PO2 auf HIGH liegt. In Abhängigkeit von dieser Überprüfung wird in einem weiteren Schritt der Pegel an dem Port-Eingang PI1 überprüft. Für den Fall, dass an dem Port-Ausgang PO2 ein HIGH-Pegel anliegt, wird geprüft, ob am Port-Eingang PI1 ein LOW-Pegel anliegt, anderenfalls wird geprüft, ob am Port-Eingang PI1 ebenfalls ein HIGH-Pegel anliegt.
Liegt an dem Port-Eingang PI1 ein LOW-Pegel an oder liegt am Port-Eingang PI1 ein HIGH-Pegel an, wird der Wert der Variable cnt_detected inkrementiert, d. h. dass sich an der aktuellen Flanke des Generatorsignals auch der Schaltzustand des Schmitt-Triggers geändert hat.
In beiden Fällen wird in einem nachfolgenden Schritt der Pegel des Port-Ausganges PO2 umgeschaltet, d. h., wenn der Pegel an PO2 auf HIGH liegt, wird er auf LOW umgeschaltet bzw. wenn der Pegel an PO2 auf LOW liegt, wird er auf HIGH umgeschaltet.
Nachdem der Pegel an dem Port-Ausgang PO2 umgeschaltet worden ist, wird der Wert der Variable cnt_pulse dekrementiert.
In einem nächsten Schritt kann der Mikrocontroller bis zur nächsten Flanke des Generatorsignals in einen Schlafmodus versetzt werden, was eine zusätzliche Steigerung der Energieeffizienz mit sich bringt, da der Mikrocontroller während eines Messzyklus jeweils nur an den Flanken des Generatorsignals mit Energie versorgt werden muss.
Im Anschluss an diesen Schlafmodus wird das Verfahren für die nächste Flanke des Generatorsignals fortgesetzt. Das Verfahren kehrt dabei an jene Stelle zurück, an welcher der Wert der Variable cnt_pulse überprüft wird.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die in 5 gezeigte Sensoreinrichtung ermöglicht eine Kompensation von temperaturbedingtem Driften der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST1. Ebenso ermöglicht diese Ausführungsform ein Einstellen der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mittels Firmware des Mikrocontrollers μC. Trotz der vorhandenen Temperaturkompensation und der Möglichkeit, die Empfindlichkeit des Sensors einzustellen, beansprucht diese Ausführungsform lediglich fünf Port-Pins des Mikrocontrollers μC. Die mit Bezug auf 5 gezeigte Ausführungsform lässt sich also besonders Ressourcen schonend realisieren.
Spannungsverläufe der in 5 gezeigten Sensoreinrichtung sind beispielhaft mit Bezug auf 6a und 6b wiedergegeben.
Die Funktionsweise der Detektion einer Annäherung eines Objektes an das Sensorelement, d. h. an die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 entspricht der Funktionsweise, wie mit Bezug auf 2 bereits erläutert. Der wesentliche Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt darin, dass der Gleichspannungspegel der am Eingang des Schmitt-Triggers ST1 anliegenden Eingangsspannung dynamisch angepasst werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anpassung des Gleichspannungspegels, welche mit Hilfe eines weiteren Schmitt-Triggers ST2 und einem RC-Glied R5, C2 realisiert ist, wird einerseits die Kompensation eines temperaturbedingten Driftens der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST1 und andererseits ein Einstellen der Empfindlichkeit des Sensors erreicht. Der Schmitt-Triggers ST2 und das RC-Glied R5, C2 bilden zusammen einen RC-Oszillator.
Der RC-Oszillator kann mit der Firmware des Mikrocontrollers μC gesteuert werden.
Zunächst befindet sich der Ausgang PO3 des Mikrocontrollers μC auf HIGH, so dass ein Aufladen des Kondensators C2 des RC-Oszillators erfolgt. Sobald die Spannung an dem Kondensator C2 die Einschaltschwelle U_ON des zweiten Schmitt-Triggers ST2 übersteigt, wird der Ausgang PO3 auf LOW gesetzt, um die Entladung des Kondensators C2 einzuleiten. Sobald die Spannung des Kondensators C2 die Ausschaltschwelle U_OFF des Schmitt-Triggers ST2 unterschreitet, wird der Pegel des Ausganges PO3 wieder auf HIGH gesetzt und der Aufladevorgang des Kondensators C2 beginnt von Neuem. Damit bewegt sich die Spannung an dem Kondensator C2 immer zwischen dem Einschaltpegel U_ON und dem Ausschaltpegel U_OFF des Schmitt-Triggers ST2. Der Spannungsverlauf an dem Kondensator C2 entspricht im Wesentlichen der in 6a und 6b gezeigten Dreiecksspannung PI2.
Die Spannung an dem Kondensator C2 wird mittels eines Widerstandes R6 an den Eingang PI1 des ersten Schmitt-Triggers ST1 übertragen. Durch das Zusammenspiel von dem Widerstand R6, welcher die übertragene Spannung ein wenig dämpft, und dem Kondensator C1 ist die Amplitude der an dem Eingang PI1 übertragenen Dreiecksspannung stets etwas kleiner als die Amplitude der Dreiecksspannung an dem Kondensator C2.
Weil sich die Spannung an dem Kondensator C2 immer zwischen den Schaltschwellen des zweiten Schmitt-Triggers ST2 befindet und weil das Entladen bzw. Aufladen des Kondensators C2 immer in Abhängigkeit der Schaltschwellen des zweiten Schmitt-Triggers ST2 erfolgt, passt sich der Spannungsverlauf automatisch an etwaige temperaturbedingte Verschiebungen der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST2 an. Befinden sich beide Schmitt-Trigger ST1 und ST2 auf dem gleichen Mikrocontroller μC, kann davon ausgegangen werden, dass eine temperaturbedingte Verschiebung der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST2 auch zu einer entsprechenden Verschiebung der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST1 führt. Damit wird sichergestellt, dass sich das über dem Widerstand R6 an den ersten Schmitt-Trigger ST übertragene Dreiecksignal auch nach einer temperaturbedingten Verschiebung der Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST2 immer zwischen den Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST1 befindet.
Aus der über den Widerstand R6 übertragenen Dreiecksspannung und der am Ausgang der Verstärkerschaltung V anliegenden Ausgangsspannung U ergibt sich ein Summensignal, welches am Eingang PI1 des ersten Schmitt-Triggers ST1 anliegt. Dieses Summensignal ist in den 6a und 6b jeweils mit Bezugszeichen PI1 gekennzeichnet. Das an dem Ausgang der Verstärkerschaltung V anliegende Ausgangssignal U entspricht dabei im wesentlichen dem in 3 gezeigten Signal, welches dem Schmitt-Trigger zugeführt wird.
Bei Fehlen einer Hand an dem Sensorelement, befindet sich auch das Summensignal stets zwischen den Schaltschwellen des Schmitt-Triggers ST1.
Das an dem Ausgang des zweiten Schmitt-Trigger ST2 anliegende Signal wird gleichzeitig dazu benutzt, ein Rechtecksignal bereitzustellen, welches an der Sendeelektrode E1 beaufschlagt wird. Die Frequenz des Rechtecksignals entspricht dabei der Frequenz, mit welcher der Kondensator C2 des RC-Oszillators aufgeladen bzw. entladen wird.
Mit einem Phasenschieber Δφ kann die Phasenlage des an der Sendeelektrode E1 beaufschlagten Rechtecksignals gegenüber dem Rechtecksignal am Ausgang des zweiten Schmitt-Triggers ST2 verändert werden. Die Phasenverschiebung kann vorteilhaft in der Firmware des Mikrocontrollers μC eingestellt werden. Mit Hilfe der Phasenverschiebung kann die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung eingestellt werden. Je kleiner die Phasenverschiebung Δφ ist, desto kleinere Signale am Ausgang der Verstärkereinrichtung V sind ausreichend, um die Einschaltschwelle und/oder die Ausschaltschwelle des Schmitt-Triggers ST1 zu überschreiten bzw. zu unterschreiten.
In 6a ist ein Signalverlauf des am Eingang PI1 des Schmitt-Triggers ST1 anliegenden Eingangssignals bei einer kleinen Phasenverschiebung Δφ gezeigt, während in 6b der Signalverlauf am Eingang PI1 des Schmitt-Triggers ST1 bei einer großen Phasenverschiebung Δφ gezeigt ist. Wie aus den 6a und 6b erkennbar ist, sind die Signalspitzen des am Schmitt-Trigger ST1 anliegenden Eingangssignals bei einer kleinen Phasenverschiebung Δφ deutlich größer als bei einer großen Phasenverschiebung Δφ. Bei den in 6a und 6b gezeigten Signalverläufen der am Eingang PI1 anliegenden Eingangssignale liegt das in 3 gezeigte am Verstärkerausgang V anliegende Signal zugrunde.
Weil die Phasenverschiebung Δφ in der Firmware des Mikrocontrollers μC wählbar eingestellt werden kann, ist das Einstellen der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung auch nach dem Einbau in ein elektrisches Gerät möglich. Es kann so flexibel auf sich ändernde Anforderungen reagiert werden.
Die in 2 und 5 gezeigten Sensoreinrichtungen können jeweils auch mit externen Schmitt-Trigger-Bausteinen realisiert werden. Hierfür können auch Analog-Komparatoren eingesetzt werden.
Bei dem Einbau der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in ein elektrisches Gerät, etwa ein Mobiltelefon, sind die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 vorzugsweise so an dem elektrischen Gerät zu platzieren, dass ohne ein zu detektierendes Objekt, etwa eine Hand, kein oder lediglich ein sehr kleines Signal von der Sendeelektrode E1 in die Empfangselektrode E2 einkoppelt wird und gleichzeitig bei einer Annäherung eines Objektes an die beiden Elektroden eine möglichst gute Koppelung zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 über das sich annähernde Objekt sichergestellt ist. D. h. die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 sind so am Gerät anzuordnen, dass die direkte Koppelung zwischen den beiden Elektroden wesentlich kleiner ist als die Koppelung zwischen den beiden Elektroden über eine Hand.
In 7 und 8 sind Beispiele für die Anordnung der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 an einem elektrischen Gerät angegeben.
7 zeigt schematische eine Computermaus in einer Ansicht von oben. Die Sendeelektrode E1 und die Empfangselektrode E2 befinden sich jeweils an einem seitlichen Bereich der Computermaus, so dass bei der Bedienung der Computermaus der Daumen nahe an die Sendeelektrode E1 gelangt bzw. die Sendeelektrode E1 zumindest teilweise überdeckt und die anderen Finger sehr nahe an die Empfangselektrode E2 gelangen bzw. die Empfangselektrode E2 zumindest teilweise überdecken. Durch die Hand wird so eine Signalübertragungsstrecke zwischen der Sendeelektrode E1 und der Empfangselektrode E2 geschaffen, so dass eine Messelektronik ME, welche mit beiden Elektroden gekoppelt ist, das Vorhandensein der Hand detektieren kann. Die Messelektronik ME ist vorzugsweise so ausgestaltet, wie mit Bezug auf 1, 2 oder 5 beschrieben. Das von der Messelektronik ME durchgeführte Auswerteverfahren kann dabei entsprechend dem in 4 gezeigten Verfahren durchgeführt werden.
Die Elektroden E1 und E2 können sowohl an einer Gehäuseschale der Computermaus als auch auf einer Leiterplatte, welche sich in dem Gehäuse der Computermaus befindet, angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung auch in Mobiltelefonen, Kleincomputern, Fernbedienungen, Eingabeeinrichtungen für Spielekonsolen und sonstiges, vorzugsweise batteriebetriebene elektrische Handgeräte, eingesetzt werden. Denkbar ist auch der Einsatz in größeren, auch netzbetriebenen Geräten, welche nur während einer Bedienphase in einen Aktivmodus versetzt werden sollen.
In 8 ist eine Anordnung der Elektroden auf einer Leiterplatte einer Computermaus in einer Schnittdarstellung entlang einer Querachse dargestellt. Die Fläche GND ist mit dem Massepotenzial der elektrischen Schaltung gekoppelt. Sie kann beispielsweise als eine Schicht auf einem PCB ausgeführt werden und dient zur Minimierung der Grundkoppelung C_a zwischen den Elektroden E1 und E2.
Das erfindungsgemäße Konzept zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Stromverbrauch aus und eignet sich daher insbesondere für batteriebetriebene Geräte. Die Anzahl der für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung notwendigen Bauelemente sowie der für die Sensoreinrichtung erforderliche Platzbedarf sind deutlich geringer als bei herkömmlichen Konzepten. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann vollständig als ASIC ausgeführt sein, wobei der ASIC lediglich Anschlüsse zum Anschließen der Sendeelektrode E1 bzw. der Empfangselektrode E2 vorsehen muss.
Zusammenfassend werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals herausgestellt:

– Die vorgeschlagene Sensoreinrichtung ermöglicht es, eine Nutzung von elektrischen Geräten bereits dann zu erkennen, bevor das elektrische Gerät berührt wird. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung auch die zuverlässige Detektion des Entfernens einer Hand von einem elektrischen Gerät, was zu einer wesentlichen Stromeinsparung beiträgt.
– Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann mit einem Speisestrom arbeiten, der in der Größenordnung der Selbstentladung der Batterie eines elektrischen Gerätes liegt, d. h. dass die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in einem elektrischen Gerät nahezu stromlos arbeitet.
– Die Sensoreinrichtung kann mit einer sehr geringen Anzahl an externen Bauteilen realisiert werden, wobei die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Detektion deutlich besser sind, als bei herkömmlichen Konzepten.
– Bei einem Einsatz eines Mikrocontrollers μC müssen lediglich Pins mit einer Port-Funktion bereitgestellt werden, insbesondere Eingänge mit Schmitt-Trigger-Charakteristik, so dass im Wesentlichen gängige Mikrocontroller zur Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung herangezogen werden können.
– Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann temperaturkompensiert realisiert werden, so dass eine Änderung der Umgebungstemperatur der Sensoreinrichtung und insbesondere der Schmitt-Trigger nicht zu einer Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit führt.
– Ebenfalls kann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit einer frei einstellbaren Detektionsschwelle realisiert werden, so dass die Sensoreinrichtung in verschiedenste elektrische Geräte verbaut werden kann, wobei lediglich ein Anpassen der Detektionsschwelle an die Gegebenheiten des elektrischen Gerätes durchgeführt werden muss.

Claims

Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement der Sensoreinrichtung, wobei das Sensorelement zumindest eine Sendeelektrode (E1) und zumindest eine Empfangselektrode (E2) aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung bringbar sind, wobei sich die kapazitive Koppelung mit zunehmender Annäherung des Objektes an das Sensorelement vergrößert, umfassend einen Signalgenerator (G) zur Beaufschlagung der Sendeelektrode (E1) mit einem Wechselsignal, wobei das Wechselsignal in die Empfangselektrode (E2) einkoppelbar ist, eine Verstärkereinrichtung (V) zum Verstärken eines an der Empfangselektrode (E2) abgegriffenen elektrischen Signals (S) und zum Bereitstellen einer mit dem verstärkten elektrischen Signal korrespondierenden elektrischen Ausgangsspannung (U), wobei die Amplitude der Ausgangsspannung (U) abhängig von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode (E1) und der Empfangselektrode (E2) ist, und einen mit einer ersten Schaltschwelle (U_ON) und einer zweiten Schaltschwelle (U_OFF) arbeitenden Schwellenwertschalter (ST), welchem die von der Verstärkereinrichtung (V) bereitgestellte Ausgangsspannung (U) zugeführt wird, wobei – die Schaltschwellen (U_ON, U_OFF) für eine vorbestimmte kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode (E1) und der Empfangselektrode (E2) so gewählt sind, dass die erste Schaltschwelle (U_ON) größer als der Maximalwert der Ausgangsspannung (U) ist und die zweite Schaltschwelle (U_OFF) kleiner als der Minimalwert der Ausgangsspannung (U) ist, und – sich der Schaltzustand des Schwellenwertschalters (ST) ändert, wenn die Ausgangsspannung (U) die erste Schaltschwelle (U_ON) überschreitet oder wenn die Ausgangsspannung (U) die zweite Schaltschwelle (U_OFF) unterschreitet, wobei zumindest eine Änderung des Schaltzustandes des Schwellenwertschalters (ST) indikativ für die Annäherung des Objektes an das Sensorelement ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwertschalter (ST) mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist, wobei das Wechselsignal ein Rechtecksignal ist, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist den Schaltzustand des Schwellenwertschalters (ST) synchron zu den Flanken des Rechtecksignals zu ermitteln.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Anzahl der ermittelten Änderung des Schaltzustandes im Verhältnis zur Anzahl der Flanken des Rechtecksignals während eines vorbestimmten Messzeitraumes indikativ für die Annäherung des Objektes an das Sensorelement ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Eingang des Schwellenwertschalters (ST) Einstellmittel vorgesehen sind, um den Gleichspannungspegel der von der Verstärkereinrichtung (V) bereitgestellten Ausgangsspannung so einzustellen, dass dieser in der Mitte zwischen der ersten Schaltschwelle (U_ON) und der zweiten Schaltschwelle (U_OFF) liegt.
Sensoreinrichtung nach einem Ansprüche 2 bis 4, wobei die Verstärkereinrichtung (V) ein Transimpedanzverstärker ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des Wechselsignals des Signalgenerators (G) zwischen 500 Hz und 5 MHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 1 MHz beträgt.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Signalgenerator (G) ein zweiter Schwellenwertschalter (ST2), welcher die gleichen Schaltschwellen (U_ON, U_OFF) wie der erste Schwellenwertschalter (ST1) aufweist, vorgesehen ist, welcher so mit einem RC-Glied (R5, C2) gekoppelt ist, dass bei Überschreiten der Kondensatorspannung der ersten Schaltschwelle (U_ON) ein Entladen des Kondensators (C2) eingeleitet wird und bei Unterschreiten der Kondensatorspannung der zweiten Schaltschwelle (U_OFF) ein Aufladen des Kondensator (C2) eingeleitet wird, wobei durch die Änderungen der Schaltzustände des zweiten Schwellenwertschalters (ST2) ein Rechtecksignal bereitgestellt wird, dessen Frequenz jener Frequenz entspricht, mit der die Schaltzustände des zweiten Schwellenwertschalters (ST2) geändert werden.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei das von dem zweiten Schwellenwertschalter (ST2) bereitgestellte Rechtecksignal einem Phasenschieber (Δφ) zugeführt wird, wobei durch Einstellen der Phasenlage des Rechtecksignals eine Detektionsschwelle der Sensoreinrichtung einstellbar ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kondensatorspannung am Kondensator (C2) des RC-Oszillators über einen elektrischen Widerstand (R6) dem ersten Schwellenwertschalters (ST1) zugeführt wird.
Verfahren zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an ein Sensorelement einer Sensoreinrichtung, welches zumindest eine Sendeelektrode (E1) und zumindest eine Empfangselektrode (E2) aufweist, welche in eine kapazitive Koppelung bringbar sind, wobei während zumindest eines Messzyklus – ein Wechselsignal einer vorbestimmten Frequenz erzeugt wird, welches an der Sendeelektrode (E1) beaufschlagt wird, – ein an der Empfangselektrode (E2) anliegendes Signal einem Schwellenwertschalter (ST) zugeführt wird, welcher eine erste Schaltschwelle (U_ON) und eine zweite Schaltschwelle (U_ON) aufweist, und – an jeder Flanke des Wechselsignals der Schaltzustand des Schwellenwertschalter (ST) ermittelt wird, wobei bei einem Schaltzustand, welcher verschieden zu dem an der vorhergehenden Flanke des Wechselsignals ermittelten Schaltzustand ist, ein Konfidenzzähler verändert wird, wobei der Wert des Konfidenzzählers am Ende des Messzyklus indikativ für die Annäherung des Objektes an dem Sensorelement ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Tastgrad des Wechselsignals auf 50% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Sensoreinrichtung zwischen jeweils zwei Messzyklen in einen Schlafmodus versetzt wird.