DE102009057960B4

DE102009057960B4 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes mit zumindest einer Hand

Info

Publication number: DE102009057960B4
Application number: DE200910057960
Authority: DE
Inventors: Dr. Ivanov Artem; Claus Kaltner; Hans Schwaiger
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE102009057960A1

Abstract

Sensoreinrichtung für ein elektrisches Handgerät (HG) zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch zumindest eine Hand, umfassend – ein Gehäuse mit einer an einem Gehäuseboden angeordneten leitfähigen Struktur (GE), welche mit einem Massepotential des elektrischen Handgerätes (HG) gekoppelt ist; – eine im Gehäuse angeordnete Auswerteeinrichtung (A) und – zumindest eine mit der Auswerteeinrichtung (A) koppelbare Sensorelektrode (E1), von welcher ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, welches einen Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung festlegt, wobei die Sensorelektrode (E1) in eine kapazitive Koppelung mit dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) bringbar ist, wobei die zumindest eine Sensorelektrode (E1) derart an einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet ist, dass beim Umgreifen des Handgerätes mit der Hand diese zumindest teilweise in den Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung gelangen kann, um die Kapazität (C1) zwischen der Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) zu verändern, und wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, die Kapazität (C1) zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) zu detektieren und aus der detektierten Kapazität (C1) das Umgreifen des Handgerätes (HG) durch die zumindest eine Hand abzuleiten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für ein elektrisches Handgerät zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch zumindest eine Hand. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch zumindest eine Hand.
Stand der Technik
Bei elektrischen Handgeräten besteht der Wunsch, das Handgerät nur dann in einem Aktivmodus zu versetzen, wenn das Handgerät auch tatsächlich benutzt wird bzw. in einen Schlafmodus zu versetzen, wenn das Handgerät nicht benutzt wird. Um ein Handgerät einerseits in den Schlafmodus zu versetzen und andererseits vom Schlafmodus in den Aktivmodus zu bringen, ist es bekannt, an Handgeräten Schalter bzw. Tasten vorzusehen, mit welchen der jeweilige Modus manuell aktivierbar ist. Weil Handgeräte auch bei Nichtgebrauch, wie etwa einer Computermaus, oft im Aktivmodus verbleiben, da eine manuelle Aktivierung bzw. Deaktivierung des Aktivmodus umständlich erscheint oder einfach vergessen wird, bleibt das Handgerät auch dann im Aktivmodus, wenn es nicht benutzt wird.
Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, nach einer vorbestimmten Zeit, innerhalb welcher kein Tastendruck erfolgt, das Handgerät in einen Schlafmodus zu versetzen. Nachteilig hierbei ist auch, dass in dem Zeitraum zwischen dem letzten Tastendruck und dem Zeitpunkt, in welchem das Handgerät in den Schlafmodus versetzt wird, eine unnötige Leistungsaufnahme erfolgt, was zu einer schlechten Energiebilanz des Handgerätes führt.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2008 044 067 A1 ist ein kapazitiver Annäherungssensor mit einer Sensorelektrode, einer Massefläche und einer zwischen der Massefläche und der Sensorelektrode angeordnete Schirmelektrode bekannt. Die Sensorelektrode, die Massefläche und die Schirmelektrode sind mit einer Steuerschaltung verbunden, die eine Kapazitätsänderung der Sensorelektrode detektieren kann.
Aus der EP 1 093 225 A2 ist ein kapazitiver Näherungsschalter bekannt, der zwei Sensorelektroden, die mit einem Signalgeber gekoppelt sind, und einen Signalempfänger umfasst, wobei zwischen den Sensorelektroden und dem Signalempfänger jeweils ein Signalweg über Erde ausgebildet wird, die jeweils von einem sich annähernden Objekt beeinflussbar sind, was von dem Signalempfänger detektierbar ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Lösungen bereitzustellen, welche es erlauben, ein elektrisches Handgerät zuverlässig von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu überführen, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden sollen.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung für ein elektrisches Handgerät zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch zumindest eine Hand sowie durch ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch zumindest eine Hand nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung für ein elektrisches Handgerät zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch zumindest eine Hand, wobei die Sensoreinrichtung umfasst:

– ein Gehäuse mit einer an einem Gehäuseboden angeordneten leitfähigen Struktur, welche mit einem Massepotential des elektrischen Handgerätes gekoppelt ist,
– eine im Gehäuse angeordnete Auswerteeinrichtung, und
– zumindest eine mit der Auswerteeinrichtung koppelbare Sensorelektrode, von welcher ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, welches einen Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung festlegt, wobei die Sensorelektrode in eine kapazitive Koppelung mit dem Massepotential der Auswerteeinrichtung bringbar ist,

Damit kann in besonders vorteilhafter Weise die Bedienung eines Handgerätes detektiert werden, ohne dass hierfür Schalter oder Taster vorgesehen werden müssen, welche der Benutzer eines Handgerätes betätigen muss, um das Handgerät in einen Aktivmodus zu verbringen bzw. um das Handgerät nach dem Bedienen in einen Schlafmodus zu verbringen. Zudem wird vorteilhafter Weise auch der Stromverbrauch eines elektrischen Handgerätes reduziert, weil ein manuelles Versetzen des Handgerätes in einen Schlafmodus vermieden wird.
Die Auswerteeinrichtung kann ein Mikrocontroller sein, welcher zumindest einen Messeingang aufweist, welcher mit der zumindest einen Sensorelektrode koppelbar ist.
Der zumindest eine Messeingang ein Kapazitätsmesseingang sein, wobei der Mikrocontroller ausgestaltet ist, die Kapazität an dem Kapazitätsmesseingang zu detektieren, d. h. zu messen.
Der zumindest eine Messeingang kann eine Multifunktionsschnittstelle sein, wobei der Mikrocontroller ausgestaltet ist, die Ladezeit des durch die an der Multifunktionsschnittstelle gekoppelten Sensorelektrode und das Massepotential der Auswerteeinrichtung gebildeten Kondensators zu messen, bis eine vorbestimmte Spannung an der Multifunktionsschnittstelle anliegt, wobei die Ladezeit die Kapazität zwischen der Sensorelektrode und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung repräsentiert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kapazität in vorbestimmten Detektionsintervallen detektiert wird, d. h. gemessen wird, wobei die Auswerteeinrichtung zwischen den Detektionsintervallen in einen Inaktiv-Modus versetzbar ist. Ganz besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Auswerteeinrichtung während eines Inaktiv-Modus nur eine sehr geringe Stromaufnahme aufweist. Die Auswerteeinrichtung verbraucht so nur sehr wenig Energie.
Bei Umgreifen des Handgerätes durch die Hand kann dieses von einem ersten Betriebsmodus (z. B. Schlafmodus) in einen zweiten Betriebsmodus (z. B. Bedienmodus) überführbar sein und/oder bei Nicht-Umgreifen des Handgerätes durch die Hand kann dieses in den ersten Betriebsmodus (z. B. Schlafmodus) überführbar ist. Damit kann das Handgerät in einen Schlafmodus versetzt werden, unmittelbar nachdem sich die Hand von dem elektrischen Handgerät entfernt hat. Verzögerungen bis zur Deaktivierung des Handgerätes werden so effizient vermieden.
Bereitgestellt durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines erfindungsgemäßen Handgerätes durch zumindest eine Hand, wobei

– ein Bestimmen der Kapazität zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung durchgeführt wird, wobei durch das Bestimmen der Kapazität eine Anzahl von Messwerte bereitgestellt wird,
– die Messwerte mit einer Anzahl vorbestimmter Referenzwerte verglichen werden, wobei die Referenzwerte eine Anzahl von Detektionskriterien definieren, und
– aus den Messwerten ein Umgreifen des Handgerätes durch die zumindest eine Hand abgeleitet wird, wenn die Messwerte zumindest ein Detektionskriterium erfüllen.

Das Detektionskriterium kann zumindest eines aus

– eine vorbestimmte Kapazität zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential wird überschritten,
– eine vorbestimmte Kapazitätsänderung zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential erfolgt innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes,
– die Kapazitätsänderung zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Schwelle,
– die Summe der Kapazitäten zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Gesamtkapazität,
– die Summe der Kapazitätsänderungen zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential überschreitet innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes einen vorbestimmten Wert,
– die Summe der Kapazitätsänderungen zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Schwelle, und
– die Kapazitäten zwischen den Sensorelektroden und dem Massepotential bilden ein Messmuster, wobei das Messmuster ähnlich zu einem vorbestimmten Referenzmuster ist,

Das Referenzmuster kann durch vorbestimmte Verhältnisse zwischen den Kapazitäten gebildet werden, wobei das Messmuster durch die Verhältnisse zwischen den gemessenen Kapazitäten gebildet wird und wobei das Messmuster ähnlich zum Referenzmuster ist, wenn der Abstand des Messmusters zum Referenzmuster kleiner ist als eine vorbestimmte Distanz. Durch Anpassen bzw. Definition des Referenzmusters kann so flexibel auf verschiedenste Anforderungen reagiert werden. So kann etwa ein Referenzmuster bereit gestellt werden, welches einem vollständigen Umgreifen eines Handgerätes entspricht, oder es kann ein Referenzmuster bereit gestellt werden, welches einem Berühren eines Handgerätes an zwei gegenüberliegenden Gehäusewandungen entspricht. Es können auch Referenzmuster vorgesehen sein, welche einem Ablegen des Handgerätes auf einer Ablagefläche entsprechen. Damit wird vermieden, dass das Ablegen fälschlicherweise als Bedienung interpretiert wird.
Das Bestimmen der Kapazität kann innerhalb zumindest einem vorbestimmten Detektionsintervall durchgeführt werden, wobei die Auswerteeinrichtung zwischen den Detektionsintervallen in einen Inaktiv-Modus versetzt wird.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein elektrisches Handgerät mit einer Auswerteeinrichtung und zwei mit der Auswerteeinrichtung gekoppelte Sensorelektroden;
2 eine Gehäuseunterschale eines elektrischen Handgerätes in einer isometrischen Ansicht mit einer beispielhaften Anordnung von zwei Sensorelektroden an der Gehäuseunterschale;
3 ein elektrisches Handgerät mit einem Mikrocontroller, an welchem zwei Sensorelektroden angeschlossen sind;
4 ein elektrisches Handgerät mit einem Mikrocontroller, an dessen Multifunktionsschnittstelle zwei Sensorelektroden angeschlossen sind;
5 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes mit der Hand als Ablaufdiagramm;
6 den zeitlichen Verlauf der Stromaufnahme einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche mit dem Verfahren nach 5 betrieben wird;
7 ein erstes Beispiel eines Detektionskriteriums anhand dessen ein Umgreifen des Handgerätes mit der Hand abgeleitet werden kann;
8 ein zweites Beispiel eines Detektionskriteriums anhand dessen ein Umgreifen bzw. ein Nicht-Umgreifen eines elektrischen Handgerätes mit der Hand abgeleitet werden kann; und
9 ein drittes Beispiel für ein Detektionskriterium anhand dessen ein Umgreifen des Handgerätes mit der Hand abgeleitet werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt beispielhaft ein Handgerät HG, in welchem eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes mit zumindest einer Hand angeordnet ist. Umgreifen bedeutet ein Aufnehmen des Handgerätes mit einer Hand oder beiden Händen derart, dass das Handgerät in der Hand bzw. in den Händen sich in einer Bedienposition befindet. Umgreifen bedeutet auch, dass sich die Hand derart dem Handgerät annähert, sodass aus der Annäherung der Hand an das Handgerät auf eine der Annäherung nachfolgende Bedienung des Handgerätes geschlossen werden kann.
Die Sensoreinrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung A, an welche zwei Sensorelektroden E1 und E2 gekoppelt sind. Die Sensorelektroden E1 und E2 werden dabei so an dem Handgerät HG platziert, dass die beiden Sensorelektroden E1 und E2 jeweils in eine kapazitive Koppelung mit dem Massepotenzial GE der Auswerteeinrichtung A gebracht werden können. Die kapazitive Koppelung der Sensorelektroden E1 und E2 wird in 1 mit den beiden Kapazitäten C1 bzw. C2 verdeutlicht.
Die Kapazität C1 zwischen der Sensorelektrode E1 und dem Massepotenzial GE sowie die Kapazität C2 zwischen der Sensorelektrode E2 und dem Massepotenzial GE werden von der Auswerteeinrichtung detektiert und ggf. ausgewertet. Um die kapazitive Koppelung bzw. die Kapazität zwischen den Sensorelektroden E1 bzw. E2 und dem Massepotenzial des elektrischen Handgerätes HG zu messen, wird an beiden Sensorelektroden jeweils ein elektrisches Wechselfeld emittiert. Das jeweilige elektrische Wechselfeld koppelt in eine elektrisch leitfähige Struktur GE, welche mit dem Massepotential des Handgerätes HG gekoppelt ist, ein. Die Sensorelektroden E1 und E2 werden von der Auswerteeinrichtung A jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt.
Bei Nicht-Umgreifen des elektrischen Handgerätes HG mit einer Hand ist die kapazitive Koppelung bzw. die Kapazität zwischen den Sensorelektroden E1 bzw. E2 und der elektrisch leitfähige Struktur GE sehr gering. Diese sehr geringe kapazitive Koppelung wird als Grundkoppelung bezeichnet.
Umgreift eine Hand das elektrische Handgerät, sodass die Hand eine Sensorelektrode und die elektrisch leitfähige Struktur GE zumindest teilweise überdeckt oder berührt, wird das an der Sensorelektrode emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand die elektrisch leitfähige Struktur GE eingekoppelt. Die daraus resultierende kapazitive Koppelung ist sehr groß im Verhältnis zur Grundkoppelung.
2 zeigt eine Gehäuseunterschale eines elektrischen Handgerätes HG. Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform ist eine Sensorelektrode E1 an der linken Gehäusewand angeordnet und eine Sensorelektrode E2 an der rechten Gehäusewand. Die Anordnung der Sensorelektroden E1, E2 ist hier so gewählt, dass sie bei einem Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand von dieser zumindest teilweise überdeckt bzw. berührt werden. Vorzugsweise werden die Sensorelektroden E1, E2 so an dem Handgerät angeordnet, dass ein Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand nicht mit einem anderen Ereignis verwechselt werden kann, etwa ein Ablegen des Handgerätes auf einer elektrisch leitfähigen Oberfläche oder in der Nähe eines elektrisch leitfähigen Objektes.
Wird das elektrische Handgerät HG nun mit einer Hand umgriffen, so dass die Hand mindestens eine der beiden Sensorelektroden E1, E2 überdeckt bzw. berührt, wird durch die Hand die kapazitive Belastung an der jeweiligen Sensorelektrode verändert. Die Sensorelektroden E1 und E2 sind jeweils mit einer Auswerteeinrichtung A gekoppelt. Die Auswerteeinrichtung A ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie die kapazitive Belastung an den Sensorelektroden E1 bzw. E2 detektieren und auswerten kann.
Die in 1 gezeigte elektrisch leitfähige Struktur GE, welche mit dem Massepotenzial des elektrischen Handgerätes bzw. der Auswerteeinrichtung gekoppelt ist, kann auch durch die Grundfläche der Leiterplatte, an welcher die Auswerteeinrichtung A angeordnet ist, gebildet werden.
Die Sensorelektroden E1, E2 können auch so am Handgerät HG angeordnet werden, dass eine Änderung der kapazitiven Belastung an einer der Sensorelektroden indikativ für einen Ruhezustand des elektrischen Handgerätes ist. Ruhezustand bedeutet, dass das elektrische Handgerät nicht benutzt wird, bzw. nicht von einer Hand umgriffen wird. So können beispielsweise eine erste Sensorelektrode an der Unterseite und eine zweite Sensorelektrode an der Seitenwandung des elektrischen Handgerätes angeordnet sein. Ändert sich nur die kapazitive Belastung an der ersten Sensorelektrode an der Unterseite, kann dies indikativ für ein Ablegen des Handgerätes auf einer Ablagefläche sein. Damit kann die Wahrscheinlichkeit, dass ein Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand korrekt detektiert wird, weiter erhöht werden.
In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann es ausreichend sein, lediglich eine Sensorelektrode vorzusehen. In einer noch weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform, können auch mehr als die beiden hier gezeigten Sensorelektroden E1, E2 an dem Handgerät angeordnet werden. Die Anzahl der an dem Handgerät angeordneten Sensorelektroden hängt letztlich von dem konkreten Anwendungsfall ab.
3 zeigt ein Handgerät HG, welches einen Mikrocontroller μC aufweist. Der Mikrocontroller μC weist hier zwei Kapazitätsmesseingänge KM1, KM2 auf. Mit den Kapazitätsmesseingängen KM1 und KM2 ist jeweils eine Sensorelektrode E1 bzw. E2 gekoppelt. Die Sensorelektroden E1, E2 können an den Seitenwandungen des elektrischen Handgerätes angeordnet sein. Der Mikrocontroller μC ist so ausgestaltet, dass an den Kapazitätsmesseingängen KM1 bzw. KM2 jeweils eine Kapazitätsmessung vorgenommen werden kann, ohne an den Kapazitätsmesseingängen weitere externe Bauteile vorsehen zu müssen.
Die Sensorelektroden E1 und E2 sind jeweils so an dem Handgerät HG angeordnet, dass sie jeweils in eine kapazitive Koppelung mit einer elektrisch leitfähigen Struktur GE, welche mit dem Massepotenzial des Mikrocontrollers μC gekoppelt ist, gebracht werden können. Diese kapazitiven Koppelungen sind in 3 jeweils durch die Kondensatoren C1 bzw. C2 dargestellt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. In dem Handgerät HG ist ein Mikrocontroller μC vorgesehen, welcher zwei Multifunktionsschnittstellen GPIO1 und GPIO2 aufweist. An den Multifunktionsschnittstellen ist jeweils eine Sensorelektrode E1 bzw. E2 angeschlossen.
Zudem sind die Eingänge der Multifunktionsschnittstellen über einen externen Widerstand R miteinander gekoppelt. Die mit Bezug auf 4 gezeigte Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Mikrocontroller μC keine speziellen Kapazitätsmesseingänge vorsehen muss. Nach der in 4 gezeigten Ausführungsform können Multifunktionsschnittstellen eines Mikrocontrollers zur Kapazitätsmessung verwendet werden, wobei die Multifunktionsschnittstellen auch für andere Zwecke verwendbar sind.
Die Kapazitätsmessung an den Eingängen der Multifunktionsschnittstelle erfolgt durch Messen und Auswerten der Ladezeiten der durch die Sensorelektroden E1 bzw. E2 und das Massepotenzial des Mikrocontrollers GE gebildeten Kondensatoren C1 bzw. C2. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren wird nachfolgend mit Bezug auf 5 näher beschrieben.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen von Kapazitäten an zwei Eingängen einer Multifunktionsschnittstelle. Die beiden Eingänge der Multifunktionsschnittstelle werden im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Verfahren als Port 1 bzw. Port 2 bezeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den Mikrocontroller μC zur Ausführung gebracht. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Ausführung des Verfahrens in dem Mikrocontroller besonders Strom sparend ist.
In einem ersten Schritt S1 wird einer Variable Port X der Port 1 bzw. die Adresse von Port 1 zugewiesen. Einer Variable Port Y wird der Port 2 bzw. die Adresse von Port 2 zugewiesen. Die Werte der Variablen Port X und Port Y können in einem Register des Mikrocontrollers abgelegt werden.
Im nächsten Schritt S2 wird der Port X des Mikrocontrollers μC auf LOW gesetzt, um den durch die Sensorelektrode E1 und das Massepotenzial GE gebildeten Kondensator C1 zu entladen. Sobald der Kondensator C1 entladen ist, wird in einem Schritt S3 der Port Y des Mikrocontrollers auf HIGH gesetzt. In dem Schritt S4 wird der Port X auf die Eingangsfunktion umgeschaltet, um das Laden des Kondensators C1 zu starten. Gleichzeitig wird in einem Schritt S5 eine Zeitmessung gestartet. Wie aus dem Ablaufdiagramm nach 5 ersichtlich, können die Schritte S3 bis S5 parallel zur Ausführung gebracht werden.
Sobald der Port Y auf HIGH gesetzt worden ist und Port X auf die Eingangsfunktion umgeschaltet worden ist, lädt sich der Kondensator C1 über den externen Widerstand R auf. Mit Aufladen des Kondensators C1 steigt auch der Pegel der an dem Port X anliegenden Spannung.
In dem nachfolgenden Schritt S6 wird die Zeit gemessen, bis der Spannungspegel an dem Port X eine vorbestimmte Spannungsschwelle erreicht bzw. überschreitet. Die bis zum Erreichen der vorbestimmten Spannungsschwelle verstrichene Zeit ist indikativ für die Kapazität des Kondensators C1. Die gemessene Kapazität C1 bzw. die für die Kapazität C1 indikative Zeit kann in dem Mikrocontroller μC weiter ausgewertet werden.
Sobald die an dem Port X anliegende Spannung die vorbestimmte Spannungsschwelle erreicht bzw. überschritten hat, wird in einem weiteren Schritt S7 der Mikrocontroller für eine vorbestimmte Zeit in einen Schlafmodus versetzt. Die Zeit, für welche der Mikrocontroller in den Schlafmodus versetzt wird, kann zwischen wenigen Millisekunden und mehreren Sekunden betragen. Die Auswahl der Zeit, in welcher sich der Mikrocontroller im Schlafmodus befindet, ist letztlich abhängig von der konkreten Anwendung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in dem Handgerät bzw. von der gewünschten Reaktionszeit, mit welcher die kapazitive Sensoreinrichtung ein Umgreifen des Handgerätes mit der Hand detektieren soll. So kann beispielsweise bei einer Reaktionszeit von 100 ms die Zeit, in welcher sich der Mikrocontroller im Schlafmodus befindet, auf etwa 50 ms eingestellt werden.
Nachdem die vorbestimmte Zeit, in welcher sich der Mikrocontroller μC in dem Schlafmodus befindet, verstrichen ist, wird der Mikrocontroller wieder in einen Aktivmodus versetzt, um die Messung der Kapazität an dem Port Y durchzuführen. Hierzu werden im nächsten Schritt S8 zunächst die Werte der Variablen Port X und Port Y vertauscht. Hierzu kann in einer Ausgestaltung des Schrittes S8 zunächst der Wert der Variable Port X einer temporären Variable Port T zugewiesen werden. Der Variablen Port X kann sodann der Wert der Variable Port Y zugewiesen werden. Daraufhin kann der Variable Port Y der Wert der temporären Variable Port T zugewiesen werden. Sind die Werte jeweils in einem Register gespeichert, können auch die Registerinhalte vertauscht werden.
Nachdem die Werte der beiden Variablen Port X und Port Y vertauscht worden sind, kann in einem weiteren Schritt S9 geprüft werden, ob die Kapazitätsmessung weitergeführt werden soll oder nicht. In dem Fall, dass die Kapazitätsmessung vorgeführt werden soll, verzweigt das Verfahren wieder zu dem Schritt S2, um die Kapazität an dem nunmehr anderen Port, d. h. Port Y, zu messen.
Gemäß dem in 5 gezeigten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Mikrocontroller zwischen der Messung der Kapazität an dem Port 1 und der Messung der Kapazität an dem Port 2 in einen Schlafmodus versetzt. Alternativ hierzu können aber auch die Kapazitäten sowohl an Port 1 als auch an Port 2 gemessen werden, bevor der Mikrocontroller in den Schlafmodus versetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Kapazitätsmessungen an beiden Ports unmittelbar hintereinander erfolgen, so dass Fehlinterpretationen der Messergebnisse weitestgehend vermieden werden, welche auftreten können, wenn zwischen der Messung der Kapazität an dem ersten Port und der Messung der Kapazität an dem zweiten Port eine substantielle Änderung der kapazitiven Umgebung an dem Handgerät auftreten sollte.
Weil gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Mikrocontroller zwischen zwei Messungen in einen Schlafmodus versetzt wird, kann der mittlere Stromverbrauch des Mikrocontrollers gesenkt bzw. minimiert werden. Durch geeignete Wahl der Dauer, in welcher sich der Mikrocontroller im Schlafmodus befindet, kann der mittlere Stromverbrauch des Mikrocontrollers sogar geringer sein, als die Selbstentladung einer Batterie eines Handgerätes. Hierbei gilt, dass mit zunehmender Länge der Abstände zwischen den einzelnen Messungen der mittlere Stromverbrauch des Mikrocontrollers sinkt.
Versuche haben gezeigt, dass bei einer Dauer von 64 ms zwischen zwei Messungen der mittlere Stromverbrauch eines Mikrocontrollers bei ungefähr 2,8 μA liegt. Der Verlauf eines Stromverbrauches eines Mikrocontrollers über die Zeit, welcher nach dem in 5 gezeigten Verfahren arbeitet, ist in 6 gezeigt.
Das mit Bezug auf 5 beschriebene Verfahren zum Messen von Kapazitäten kann mit entsprechender Abwandlung auch mit den in 1 und 3 gezeigten Ausgestaltungen der Sensoreinrichtung durchgeführt werden. Wichtig ist hierbei, dass zwischen zwei Kapazitätsmessungen die Auswerteeinrichtung bzw. der Mikrocontroller jeweils in einen Schlafmodus versetzt wird.
6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromverbrauches einer konkreten erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Innerhalb der Detektionsintervalle DI, in welchen die Sensoreinrichtung die Kapazitäten an den Sensorelektroden misst, liegt der Stromverbrauch bei ungefähr 100 μA. Zwischen den Detektionsintervallen DI, in welchen sich die Sensoreinrichtung in einem Schlafmodus befindet, liegt der Stromverbrauch bei ungefähr 0,75 μA. Die Länge der Detektionsintervalle beträgt circa 100 μs. Die Länge der Intervalle, in welchen sich der Mikrocontroller im Schlafmodus befindet, beträgt ungefähr 50 ms. Bei dem hier gezeigten Verhältnis von der zeitlichen Dauer eines Detektionsintervalles DI zu der zeitlichen Dauer, in welcher sich die Sensoreinrichtung in einem Schlafmodus befindet, beträgt der mittlere Gesamtstrom I_m ca. 2,8 μA. Der mittlere Gesamtstromverbrauch liegt damit im Bereich einer typischen Größenordnung der Selbstentladung von Batterien.
7 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Kapazität C zwischen einer Sensorelektrode und dem Massepotenzial eines Mikrocontrollers bzw. der Summe von Kapazitäten zwischen mehreren Sensorelektroden und dem Massepotenzial eines Mikrocontrollers. Zunächst weist der Kondensator eine sehr geringe Kapazität auf. Sobald sich eine Hand der Sensorelektrode bzw. den Sensorelektroden an dem Handgerät nähert, steigt die Kapazität des Kondensators bzw. der Kondensatoren an. Die Kapazität steigt noch weiter, sobald die Hand das elektrische Handgerät umgreift, d. h. die Sensorelektroden zumindest teilweise berührt.
Ein vorbestimmter Kapazitätspegel P wird als Detektionskriterium festgelegt, welches indikativ für ein Umgreifen bzw. Nicht-Umgreifen des elektrischen Handgerätes ist. Sobald der Kapazitätspegel P überschritten wird, ist das Detektionskriterium für das Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand erfüllt. Ist das Detektionskriterium erfüllt, kann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung dem Handgerät bzw. der Elektronik des elektrischen Handgerätes ein Signal bereitstellen, welches ein Aufweck-Signal für die Elektronik des Handgerätes repräsentiert.
Unterschreitet die Kapazität wieder den Kapazitätspegel P, wenn sich also die Hand wieder von dem Handgerät entfernt, ist das Detektionskriterium für das Umgreifen des Handgerätes nicht mehr erfüllt, so dass die Sensoreinrichtung ein weiteres Signal bereitstellen kann, welches die Elektronik des Handgerätes wieder in einen Schlafmodus versetzen kann.
8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Detektionskriteriums, welches erfüllt sein muss, damit das Handgerät von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus überführt wird bzw. von einem Aktivmodus wieder in einen Schlafmodus zurückgeführt. wird. Als Detektionskriterium ist eine vorbestimmte Kapazitätsänderung des Kondensators C1 bzw. eine Summe von Kapazitätsänderungen mehrerer Kondensatoren innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes definiert. D. h., wenn innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes eine bestimmte Kapazitätsänderung erfolgt, wird dies als Indikation für das Umgreifen eines Handgerätes mit der Hand interpretiert.
In 8 ist der zeitliche Verlauf der Kapazität an einem Kondensator C1 bzw. der zeitliche Verlauf der Summe der Kapazitäten an mehreren Kondensatoren dargestellt. Beispielhaft sind die drei Zeiträume Δt₁, Δt₂ und Δt₃ gezeigt, für welche die Kapazitätsänderungen innerhalb der Zeiträume gemessen bzw. ausgewertet werden. Die Intervalle, welche die drei Zeiträume definieren, sind jeweils gleich groß. Ebenfalls dargestellt ist in 8 eine Kapazitätsänderung ΔC_D, welche das Detektionskriterium für das Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand repräsentiert. Ist die Kapazitätsänderung innerhalb der Zeiträume Δt₁, Δt₂ bzw. Δt₃ größer als ΔC_D, wird dies als Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand interpretiert.
In dem ersten hier gezeigten Intervall Δt₁ beträgt die Kapazitätsänderung ΔC₁. ΔC₁ ist kleiner als die vorbestimmte Kapazitätsänderung ΔC_D, so dass diese Kapazitätsänderung ΔC₁ kein Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand repräsentiert. In dem zweiten Intervall Δt₂ beträgt die Kapazitätsänderung ΔC₂, wobei die Kapazitätsänderung ΔC₂ größer als die vorbestimmte Kapazitätsänderung ΔC_D ist. Damit ist in dem Intervall Δt₂ das Detektionskriterium ΔC_D erfüllt, so dass die Sensoreinrichtung dies als Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand interpretiert. Die Sensoreinrichtung kann dann der Elektronik des elektrischen Handgerätes ein Signal bereitstellen, mit welchem das elektrische Handgerät von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus überführt werden kann.
Das elektrische Handgerät kann nun solange im Aktivmodus verbleiben, bis wieder eine Kapazitätsänderung innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes eintritt, welche größer ist als das Detektionskriterium ΔC_D. In dem Intervall Δt₃ beträgt die Kapazitätsänderung ΔC₃, wobei die Kapazitätsänderung ΔC₃ bzw. der Betrag der Kapazitätsänderung ΔC₃ größer ist als das Detektionskriterium ΔC_D. Die Sensoreinrichtung kann dies als Nicht-Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand bzw. als Entfernen der Hand von dem Handgerät interpretieren. Die Sensoreinrichtung kann für diesen Fall ein Signal bereitstellen, welches die Elektronik des elektrischen Handgerätes veranlasst, in einen Schlafmodus zurückzukehren.
9 zeigt ein Beispiel eines Detektionskriteriums, welches erfüllt sein muss, um das elektrische Handgerät von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu überführen. Beispielhaft wird hier davon ausgegangen, dass an dem elektrischen Handgerät vier Sensorelektroden E1 bis E4 angeordnet sind. Die vier Sensorelektroden E1 bis E4 sind jeweils mit dem Massepotenzial der Sensorelektronik bzw. mit einer elektrisch leitfähigen Struktur, welche mit dem Massepotenzial der Sensorelektronik gekoppelt ist, koppelbar.
Die Kapazitäten zwischen dem Massepotenzial des Handgerätes und den jeweiligen Elektroden E1 bis E4 betragen hier 2 pF, 4 pF, 3 pF bzw. 5 pF. Diese Kapazitäten sind charakteristisch für ein Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand. Als Detektionskriterium wird hier ein Referenzmuster definiert, welches durch die Verhältnisse zwischen jeweils zwei Kapazitäten gebildet wird. Die Verhältnisse zwischen jeweils zwei Kapazitäten, welche zusammen ein Referenzmuster bilden, sind als Dreiecke in dem Diagramm der 9 eingetragen. Der erste Referenzwert des Detektionskriteriums wird durch das Verhältnis zwischen den Kapazitäten an der Sensorelektrode E1 und an der Sensorelektrode E2 gebildet. Der erste Referenzwert in 9 ist 0,6. Der zweite Referenzwert, welcher aus dem Verhältnis der Kapazität an der Sensorelektrode E2 und der Kapazität der Sensorelektrode E3 gebildet wird, ist 1,25. Der dritte Referenzwert, welcher aus dem Verhältnis der Kapazität an der Elektrode E3 und der Kapazität an der Elektrode E4 gebildet wird, ist 0,65. Diese drei Referenzwerte bilden zusammen das Detektionskriterium.
Ein Muster, welches sich aus den tatsächlich gemessenen Kapazitäten an den Sensorelektroden E1 bis E4 ergibt, ist in dem Diagramm in 9 als punktförmiges Muster aufgetragen. Das Verhältnis der gemessenen Kapazitäten an der Sensorelektrode E1 und der Sensorelektrode E2 ist 0,5. Das Verhältnis der gemessenen Kapazitäten an der Sensorelektrode E2 und der Sensorelektrode E3 ist 1,33 und das Verhältnis der gemessenen Kapazitäten an der Sensorelektrode E3 und der Sensorelektrode E4 ist 0,6.
Ist der Abstand des gemessenen Musters zu dem Referenzmuster kleiner als eine vorbestimmte Distanz, kann dies als Umfassen des Handgerätes mit einer Hand interpretiert werden.
Aus den Referenzwerten und den Verhältnissen, welche sich aus den gemessenen Kapazitäten ergeben, wird jeweils ein Distanzwert ermittelt, aus denen nachfolgend eine Gesamtdistanz d zwischen dem gemessenen Muster und dem Referenzmuster berechnet wird. Die Distanz des ersten Referenzwertes zum ersten gemessenen Wert beträgt hier 0,1. Die Distanz zwischen dem zweiten Referenzwert und dem dazugehörigen Messwert beträgt hier –0,083 und die Distanz zwischen dem dritten Referenzwert und dem dazugehörigen Messwert beträgt 0,05.
Der Gesamtdistanz d zwischen dem gemessenen Muster und dem Referenzmuster kann beispielsweise definiert werden als
wobei d_i die Distanz zwischen dem i-ten Referenzwert und dem dazugehörigen Messwert und n die Anzahl der Referenzwerte sind. In dem vorliegenden Beispiel ergibt sich nach dieser Berechnungsvorschrift eine Gesamtdistanz d von 0,023. Wird die Annahme zugrunde gelegt, dass eine Gesamtdistanz d von kleiner als 0,05 indikativ für ein Umgreifen des Handgerätes mit einer Hand ist, würde hier der Abstand des gemessenen Musters zum Referenzmuster als Umgreifen des Handgerätes mit der Hand interpretiert werden.
Selbstverständlich können für die Definition der einzelnen Distanzen bzw. für die Berechnung einer Gesamtdistanz auch andere Berechnungsvorschriften herangezogen werden. So können für die Berechnung der Gesamtdistanz d auch verwendet werden:
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die mit Bezug auf 7 bis 9 gezeigten Detektionskriterien auch miteinander kombiniert werden, um so eine noch bessere Detektion eines Umgreifen des Handgerätes mit der Hand zu ermöglichen. Bei der Kombination mehrerer Detektionskriterien können Fehlinterpretationen noch besser vermieden werden.
Ein Handgerät kann ein Mobiltelefon, ein tragbarer Kleincomputer (PDA), eine Fernbedienung, eine Eingabeeinrichtung für eine Spielekonsole, oder dgl. sein. Die Handgeräte können mit einer Hand oder mit beiden Händen bedienbar sein, wobei die Unterscheidung zwischen der Bedienung mit einer Hand und der Bedienung mit zwei Händen erfindungsgemäß möglich ist, etwa bei Eingabeeinrichtung für Spielekonsolen. Die Ein-/Zweihand-Unterscheidung kann etwa durch geeignete Anordnung der Sensorelektroden an der Gehäuseoberfläche des Handgerätes und/oder durch geeignete Referenzmuster und Berechnungsvorschriften zum Bestimmten der Distanz zwischen dem gemessenen Muster und dem Referenzmuster bewerkstelligt werden.

Claims

Sensoreinrichtung für ein elektrisches Handgerät (HG) zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch zumindest eine Hand, umfassend – ein Gehäuse mit einer an einem Gehäuseboden angeordneten leitfähigen Struktur (GE), welche mit einem Massepotential des elektrischen Handgerätes (HG) gekoppelt ist; – eine im Gehäuse angeordnete Auswerteeinrichtung (A) und – zumindest eine mit der Auswerteeinrichtung (A) koppelbare Sensorelektrode (E1), von welcher ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, welches einen Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung festlegt, wobei die Sensorelektrode (E1) in eine kapazitive Koppelung mit dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) bringbar ist, wobei die zumindest eine Sensorelektrode (E1) derart an einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet ist, dass beim Umgreifen des Handgerätes mit der Hand diese zumindest teilweise in den Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung gelangen kann, um die Kapazität (C1) zwischen der Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) zu verändern, und wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, die Kapazität (C1) zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) zu detektieren und aus der detektierten Kapazität (C1) das Umgreifen des Handgerätes (HG) durch die zumindest eine Hand abzuleiten.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine weitere Sensorelektrode (E2) an einer der Seitenwand des Gehäuses gegenüberliegenden Seitenwand angeordnet ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ein Mikrocontroller (μC) ist, welcher zumindest einen Messeingang aufweist, welcher mit der zumindest einen Sensorelektrode (E1) koppelbar ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei der zumindest eine Messeingang ein Kapazitätsmesseingang (KM1) ist und wobei der Mikrocontroller (μC) ausgestaltet ist, die Kapazität an dem Kapazitätsmesseingang (KM1) zu detektieren.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei der zumindest eine Messeingang eine Multifunktionsschnittstelle (GPIO1) ist und wobei der Mikrocontroller (μC) ausgestaltet ist, die Ladezeit des durch die an der Multifunktionsschnittstelle (GPIO1) gekoppelten Sensorelektrode (E1) und das Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) gebildeten Kondensators zu messen, bis eine vorbestimmte Spannung an der Multifunktionsschnittstelle (GPIO1) anliegt, wobei die Ladezeit die Kapazität (C1) zwischen der Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) repräsentiert.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, die Kapazität (C1) in vorbestimmten Detektionsintervallen (DI) zu detektieren, wobei die Auswerteeinrichtung (A) zwischen den Detektionsintervallen (DI) in einen Inaktiv-Modus versetzbar ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Umgreifen des Handgerätes (HG) durch die Hand dieses von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus überführbar ist und/oder wobei bei Nicht-Umgreifen des Handgerätes (HG) durch die Hand dieses in den ersten Betriebsmodus überführbar ist.
Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes (HG) durch zumindest eine Hand, welches eine kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei – ein Bestimmen der Kapazität (C1) zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential der Auswerteeinrichtung (A) durchgeführt wird, wobei durch das Bestimmen der Kapazität eine Anzahl von Messwerte bereitgestellt wird, – die Messwerte mit einer Anzahl vorbestimmter Referenzwerte verglichen werden, wobei die Referenzwerte eine Anzahl von Detektionskriterien definieren, und – aus den Messwerten ein Umgreifen des Handgerätes durch die zumindest eine Hand abgeleitet wird, wenn die Messwerte zumindest ein Detektionskriterium erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Detektionskriterium zumindest eines aus – eine vorbestimmte Kapazität zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential wird überschritten, – eine vorbestimmte Kapazitätsänderung zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential erfolgt innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes, – die Kapazitätsänderung zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Schwelle, – die Summe der Kapazitäten zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Gesamtkapazität, – die Summe der Kapazitätsänderungen zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential überschreitet innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes einen vorbestimmten Wert, – die Summe der Kapazitätsänderungen zwischen der zumindest einen Sensorelektrode (E1) und dem Massepotential überschreitet eine vorbestimmte Schwelle, und – die Kapazitäten zwischen den Sensorelektroden (E1) und dem Massepotential bilden ein Messmuster, wobei das Messmuster ähnlich zu einem vorbestimmten Referenzmuster ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Referenzmuster durch vorbestimmte Verhältnisse zwischen den Kapazitäten gebildet wird, wobei das Messmuster durch die Verhältnisse zwischen den gemessenen Kapazitäten gebildet wird und wobei das Messmuster ähnlich zum Referenzmuster ist, wenn der Abstand des Messmusters zum Referenzmuster kleiner ist als eine vorbestimmte Distanz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Bestimmen der Kapazität (C1) innerhalb zumindest einem vorbestimmten Detektionsintervall (DI) durchgeführt wird, wobei die Auswerteeinrichtung (A) zwischen den Detektionsintervallen (DI) in einen Inaktiv-Modus versetzt wird.