DE102010030959B4

DE102010030959B4 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes sowie ein Handgerät

Info

Publication number: DE102010030959B4
Application number: DE102010030959A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Holger (FH) Steffens; Prof. Dr. Faßhauer Peter; Claus Kaltner
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: DE102010030959A1; JP5890406B2; EP2436118A1; US20160285450A1; EP2436118B1; KR20130093518A; CN102959864B; WO2012004176A1; JP2013536608A; CN102959864A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand, wobei das Handgerät eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Detektion des Umgreifens aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät, welches eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aufweist. Die Sensoreinrichtung weist zumindest eine erste Elektrode und zumindest eine zweite Elektrode auf. Die erste Elektrode ist in einem ersten Betriebsmodus betreibbar. Die zweite Elektrode ist in dem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist. In dem ersten Betriebsmodus wird die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Elektrode und zweiten Elektrode ausgewertet. In dem zweiten Betriebsmodus wird eine kapazitive Belastung der zweiten Elektrode gegen eine Bezugsmasse ausgewertet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand, wobei das Handgerät eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Detektion des Umgreifens aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät, welches eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht seit langem der Wunsch, bei Handgeräten, insbesondere bei elektrischen Handgeräten, ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zuverlässig zu detektieren. Bei einer zuverlässigen Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand kann das Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden, welche in Abhängigkeit davon, ob das Handgerät von einer Hand umgriffen wird, ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Mobiltelefon bei Umgreifen durch eine Hand eingeschaltet werden und/oder die Tastensperre aufgehoben werden. Bei Loslassen des Mobiltelefon kann dieses ausgeschaltet werden/oder die Tastensperre aktiviert werden.
Aus der GB 2 398 138 A ist eine Sensoreinrichtung bekannt, mit welcher die Annäherung bzw. Berührung eines Handgerätes durch eine Hand detektierbar ist. Die Sensoreinrichtung umfasst einen kapazitiven Sensor, welcher das Handgerät, etwa eine Computermaus bei Annäherung bzw. Berührung in einen Aktivmodus versetzt und bei Entfernen der Hand von der Computermaus diese automatisch in einen Schlafmodus versetzt.
Zur Detektion der Annäherung an die Computermaus wird die sich mit der Annäherung verändernde Kapazität des kapazitiven Sensors gemessen, wobei eine vorbestimmte Kapazität die Schaltschwelle für einen Aufwachdetektor bildet.
Versuche haben ergeben, dass der in der GB 2 398 138 A beschriebene Aufwachdetektor den Nachteil aufweist, dass eine Annäherung einer Hand an den Aufwachdetektor nicht zuverlässig detektiert wird. Im ungünstigsten Fall wird die Annäherung einer Hand an den Aufwachdetektor sogar falsch detektiert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Änderung der Kapazität des kapazitiven Sensors bei einer Annäherung einer Hand an den Sensor nur sehr gering ist.
Aus der DE 203 07 931 U1 ist ein Sensorkopf für einen kapazitiven Annäherungssensor zur berührungslosen, kantengenauen Detektion von Gegenständen bekannt. Der Sensorkopf weist eine Masseelektrode, eine Sensorelektrode und eine zwischen der Masseelektrode und der Sensorelektrode angeordnete Kompensationselektrode auf. Zwischen der Masseelektrode und der Sensorelektrode sowie zwischen der Kompensationselektrode und der Sensorelektrode bildet sich jeweils eine elektrische Kapazität aus. Die Kompensationselektrode bildet eine Detektionskante, wobei bei Überschreiten der Detektionskante eines zu detektierenden Gegenstandes bei einer Annäherung aus einer Annäherungsrichtung das elektrische Feld zwischen Masseelektrode und Sensorelektrode gegenüber dem elektrischen Feld zwischen der Kompensationselektrode und der Sensorelektrode überwiegt, wodurch in einer Oszillatorschaltung ein Schwingungseinsatz oder ein Schwingungsabriss erfolgt, was detektiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Lösungen bereitzustellen, mit welchen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden und mit welchen eine präzise und sichere Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes, insbesondere eines elektrischen Handgerätes, erreicht werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung, ein Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, sowie ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung, welche zumindest eine erste Elektrode und zumindest eine zweite Elektrode aufweist, welche mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt sind. Die zumindest eine erste Elektrode kann in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden. Die zumindest eine zweite Elektrode kann in dem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. In dem ersten Betriebsmodus ist die kapazitive Kopplung zwischen der zumindest einen ersten Elektrode und der zumindest einen zweiten Elektrode durch die Auswerteeinrichtung auswertbar. In dem zweiten Betriebsmodus ist eine kapazitive Belastung der zumindest einen zweiten Elektrode gegen eine Bezugsmasse durch die Auswerteeinrichtung auswertbar.
Die zumindest eine erste Elektrode kann in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Damit kann auch in dem zweiten Betriebsmodus ein Umgreifen eines Handgerätes detektiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn im ersten Betriebsmodus und im zweiten Betriebsmodus die zweite Elektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, wobei die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch den in der ersten Elektrode fließenden elektrischen Strom repräsentiert wird.
Im zweiten Betriebsmodus kann die erste Elektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar sein, wobei eine kapazitive Belastung der zumindest einen ersten Elektrode gegen eine Bezugsmasse durch die Auswerteeinrichtung auswertbar ist.
Die Auswerteeinrichtung kann ausgestaltet sein, im ersten Betriebsmodus und im zweiten Betriebsmodus jeweils ein Sensorsignal bereitzustellen, welches jeweils indikativ für die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bzw. für die kapazitive Belastung der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode ist.
Die Sensoreinrichtung kann sequentiell in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
Die Sensoreinrichtung kann parallel in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
Die in dem zweiten Betriebsmodus auswertbare kapazitive Belastung kann als Kontrollgröße für ein Anpassen einer Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung im ersten Betriebsmodus verwendet werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Sensoreinrichtung eine dritte Elektrode aufweist, wobei die dritte Elektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, dessen Phase und/oder Amplitude verschieden von der Phase und/oder der Amplitude des an der zweiten Elektrode beaufschlagten elektrischen Wechselsignals ist.
Die Sensoreinrichtung kann auch eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode aufweisen, welche jeweils mit einem Wechselsignal beaufschlagbar sind. Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinrichtung dabei in einem dritten Betriebsmodus betrieben werden kann, in welchem die kapazitiven Kopplungen zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode durch die Auswerteeinrichtung auswertbar sind.
Bereitgestellt wird auch ein Handgerät, welches zumindest eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aufweist.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind vorzugsweise derart relativ zueinander am Handgerät angeordnet, dass sie bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand von dieser zumindest teilweise überdeckt werden.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode könne an zwei gegenüberliegenden Wandungen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen eines Gehäuses des Handgerätes angeordnet sein.
Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, durch eine Hand, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

– Beaufschlagen der zweiten Elektrode mit einem elektrischen Wechselsignal, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird,
– in einem ersten Betriebsmodus, Messen der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und Bereitstellen eines ersten Messsignals,
– in einem zweiten Betriebsmodus, Messen der kapazitiven Belastung der zweiten Elektrode gegen eine Bezugsmasse und Bereitstellen eines zweiten Messsignals,

Die Messschritte können parallel oder sequentiell ausgeführt werden.
Das zweite Messsignal kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung im dem ersten Betriebsmodus anzupassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung, sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Mobiltelefon mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion;
2 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit zwei Sensorelektroden, welche in einem ersten Betriebsmodus (Transmission Mode) betrieben werden;
3 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit zwei Sensorelektroden, welche jeweils in einem zweiten Betriebsmodus (Loading Mode) betrieben werden;
4 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit zwei Sensorelektroden, welche sowohl in einem ersten Betriebsmodus als auch in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden;
5 den Verlauf von zwei Sensorsignalen über die Zeit und in Abhängigkeit davon, ob das elektrische Handgerät geerdet ist oder nicht, wobei ein erstes Sensorsignal dem ersten Betriebsmodus und ein zweites Sensorsignal dem zweiten Betriebsmodus zugeordnet ist;
6 ein Implementierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche sowohl in einem ersten Betriebsmodus als auch in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann;
7 die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung nach 6, wobei zusätzlich eine Kompensationselektrode vorgesehen ist; und
8 die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung nach 6, wobei zusätzlich zwei Kompensationselektroden vorgesehen sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Mobiltelefon, welches einen aus dem Stand der Technik bekannten Annäherungssensor aufweist. Ein solcher Annäherungssensor ist etwa aus der eingangs beschriebenen GB 2 398 138 A bekannt. An der linken Gehäusewandung des Mobiltelefons ist eine Elektrode E des Annäherungssensors angeordnet. Bei einer sich annähernden Hand an das Mobiltelefon bzw. an die Elektrode E verändert sich die Kapazität an der Elektrode E. Diese Kapazitätsänderung kann durch eine mit der Elektrode E gekoppelten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Nachteilig ist allerdings, dass insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten und bei sehr kleinen kapazitiven Koppelungen zwischen der Hand des Benutzers und der Elektrode E auch die Änderungen der Koppelkapazität bei sich annähernder Hand an die Elektrode E sehr gering sind, was dazu führen kann, dass eine Annäherung unter Umständen nicht zuverlässig detektiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 näher beschrieben. Erfindungsgemäß wird die Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben. Dadurch wird eine besonders zuverlässige und genaue Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand ermöglicht. Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung wird zunächst unter Bezugnahme auf 2 der Betrieb der Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus beschrieben. Mit Bezugnahme auf 3 wird sodann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus beschrieben. Anschließend wird mit Bezugnahme auf 4 die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung beschrieben, welche sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. In den nachfolgenden 5 bis 8 werden dann weitere Details zur Implementierung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gezeigt.
2 zeigt die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird. Der erste Betriebsmodus wird nachfolgend als ”Transmission Mode” bezeichnet.
Zum Betrieb der Sensoreinrichtung im Transmission Mode weist die Sensoreinrichtung eine Sensorschaltung TS1 und zwei mit der Sensorschaltung TS1 gekoppelte Elektroden E1 und E2 auf Die Elektrode E2 wird im Transmission Mode als Sendeelektrode und die Elektrode E1 als Empfangselektrode verwendet. Im Transmission Mode wird die kapazitive Koppelung zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 ausgewertet.
Für den Betrieb der Sensoreinrichtung im Transmission Mode wird die Elektrode E2 mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird. Bei einer sich annähernden Hand an die Elektroden E1 und E2 wird das an der Elektrode E2 emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand in die Elektrode E1 eingekoppelt, sodass eine kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E2 und der Elektrode E1 entsteht. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform, kann eine solche (geringe) kapazitive Koppelung auch dann gegeben sein, wenn sich keine Hand der Sensoreinrichtung annähert. Vorzugsweise werden die Elektroden E1 und E2 aber so relativ zueinander angeordnet, dass bei keiner sich annähernden Hand keine kapazitive Koppelung zwischen den Elektroden E1 und E2 auftritt.
Die kapazitive Koppelung zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 verändert sich bei weiterer Annäherung der Hand an die Sensoreinrichtung, so dass eine Änderung der Koppelkapazität zwischen den Elektroden E1 und E2 als Indikator für die Annäherung einer Hand an die Sensoreinrichtung herangezogen werden kann.
Im Ersatzbild nach 2 sind nur die für den Betrieb der Sensoreinrichtung in dem Transmission Mode wesentlichen Kapazitäten berücksichtigt. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Transmission Mode eignet sich besonders gut für batteriebetriebene Geräte, weil in der Mehrzahl der Fälle dort gerade keine oder nur eine sehr geringe Koppelung des Nutzers zur Masse des Gerätes DEVGND und nahezu keine Koppelung des Gerätes selbst zur Erde bestehen.
Besteht nun doch eine kapazitive Koppelung des Benutzers zur Gerätemasse oder des Gerätes zur Erde bzw. wird diese kapazitive Koppelung signifikant, so wird das Empfangssignal an der Elektrode E1, d. h. das an der Elektrode E1 eingekoppelte elektrische Wechselfeld stark gedämpft. Ein signifikanter Anstieg der Koppelung des Gerätes zur Erde kann beispielsweise durch Anschließen von Zusatzgeräten hervorgerufen werden. Beispielsweise ist dies bei Mobiltelefonen der Fall, wenn diese etwa mit einem Ladegerät verbunden werden. Durch eine signifikante Erdkoppelung kann die Genauigkeit der Annäherungsdetektion bzw. der Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand im Transmission Mode verringert werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, welche in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Der zweite Betriebsmodus wird nachfolgend mit ”Loading Mode” bezeichnet. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Loading Mode wird eine kapazitive Belastung zwischen einer Elektrode und einer Bezugsmasse zur Detektion der Annäherung einer Hand an die Elektrode herangezogen.
Eine kapazitive Belastung bedeutet, dass die von der Elektrode zur Bezugsmasse wirkende Stärke eines elektrischen Feldes durch die Annäherung der elektrisch leitfähigen Hand vergrößert wird und somit die Kapazität zwischen Elektrode und Bezugsmasse steigt. Die kapazitive Belastung ist also ein Maß für die von der Elektrode zur Bezugsmasse wirkende Starke eines elektrischen Feldes bzw. ein Maß für die Kapazität zwischen Elektrode und Bezugsmasse.
Es wird also die Kapazität der Elektrode gegen eine Bezugsmasse ausgewertet. Charakteristisch für den Loading Mode ist, dass ein Sender und ein Empfänger an dieselbe Elektrode angeschlossen sind.
Die in 3 gezeigte Sensoreinrichtung weist zwei Sensoren auf, welche jeweils im zweiten Betriebsmodus, d. h. im Loading Mode, betrieben werden. Der erste Sensor weist eine erste Sensorschaltung LS1 und eine damit gekoppelte Sensorelektrode E1 auf. Der zweite Sensor weist eine zweite Sensorschaltung LS2 und eine damit gekoppelte zweite Sensorelektrode E2 auf. Die beiden Sensorschaltungen LS1, LS2 sind jeweils mit einem Mikrokontroller MCU gekoppelt, welcher vorzugsweise die von den beiden Sensorschaltungen LS1, LS2 bereitgestellten Sensorsignale weiterverarbeitet bzw. auswertet und vorzugsweise eine eindeutige Sensorinformation an einen Hauptprozessor eines elektrischen Gerätes, etwa eines Mobiltelefons, weiterleitet.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Loading Mode wird nachfolgend unter Bezugnahme auf den ersten Sensor LS1, E1 beschrieben.
Für den Betrieb des Sensors LS1, E1 wird ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, welches an der Sensorelektrode E1 beaufschlagt wird. Das Erzeugen dieses elektrischen Wechselsignals kann mit an sich aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln, etwa einem Signalgenerator bewerkstelligt werden. Das Beaufschlagen der Sensorelektrode E1 mit einem elektrischen Wechselsignal bewirkt, dass an der Sensorelektrode E1 ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird. Bei sich annähender Hand an die Sensorelektrode E1 vergrößert sich die Kapazität zwischen der Sensorelektrode E1 und der sich annähernden Hand, was zu einer ansteigenden kapazitiven Belastung der Elektrode gegen die Bezugsmasse führt. Die kapazitive Belastung wird an der Sensorschaltung LS1 erfasst. Beispielsweise kann die Änderung der kapazitiven Belastung durch Bestimmen der Änderung des Belastungsstromes über einen Shunt-Widerstand erfolgen.
Nähert sich nunmehr eine Hand der linken Seite des Mobiltelefons G oder fasst der Benutzer die linke Seite des Mobiltelefons G an, vergrößert sich dadurch die kapazitive Koppelung zwischen dem Benutzer und der linken Elektrode E1. Die kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E1 und dem Benutzer ist in 3 als konzentrierte Kapazität C_1R angegeben. Ein Rückstrompfad kann dabei sowohl durch eine direkte Koppelung vom Benutzer in die Masse DEVGND des Mobiltelefons G als auch durch Koppelung des Benutzers zu anderen leitfähigen Gegenständen und zur Erde und der Koppelung zurück zur Gerätemasse DEVGND entstehen. Die Koppelung vom Benutzer in die Gerätemasse ist in 3 als Kapazität C₃ angegeben. Die Koppelung des Benutzers zu anderen leitfähigen Gegenständen und zur Erde in 3 als Kapazität C₂ und die Koppelung zurück zur Gerätemasse als Kapazität C₆ angegeben.
Eine weitere kapazitive Belastung der Elektrode E1 kann sich auch durch die Koppelung der Elektrode E1 zu Erde ergeben, da diese in Serie zur Kapazität C₆ liegt. Die Kapazität zwischen der Elektrode E1 und Erde ist in 3 als Kapazität C₅ angegeben.
Die Kapazitäten C₂ bis C₆ stellen Variable dar, die sich ständig ändern können. Die Änderung kann von der Lage, Handhaltung usw. abhängig sein. Es hat sich gezeigt, dass bei einer zusätzlichen Belastung der Elektrode E1 im Falle der Annäherung einer Hand an die Elektrode E1 bzw. bei Umgreifen der Elektrode E1 durch die Hand die Koppelkapazität C_1R die für eine Signaländerung im Sensor LS1 überwiegend dominierende Kapazität ist, da sie in Serie zu den übrigen Lastkapazitäten C₂ bis C₆ liegt und im Vergleich zu ihnen klein ist. Das bedeutet auch, dass die Signaländerungen bei Betrieb der Sensoreinrichtung im Loading Mode im Wesentlichen unabhängig von verschiedenen Erdungssituationen bleiben.
Durch Vorsehen von zwei Sensoren LS1, E1 bzw. LS2, E2, welche jeweils im Loading Mode betrieben werden, ist es in vorteilhafter Weise möglich, ein Umgreifen des Mobiltelefon G zu detektieren. Voraussetzung für eine zuverlässige Detektion ist lediglich, dass die Sensorelektrode E1 und die Sensorelektrode E2 jeweils so am Mobiltelefon G angeordnet werden, dass sie vorzugsweise nur bei einem Umgreifen des Mobiltelefon G durch die Hand abgedeckt werden. Beispielsweise kann die Sensorelektrode E1 an der linken Seitenwandung eines Gehäuses des Mobiltelefon angeordnet sein, die Sensorelektrode E2 kann an der rechten Gehäusewandung des Gehäuses des Mobiltelefon G angeordnet sein. Selbstverständlich können die Elektroden E1 und E2 je nach gewünschtem Anwendungsfall auch an anderen Stellen am Gehäuse des Mobiltelefons platziert werden.
Für eine Detektion lediglich einer Annäherung einer Hand an das Mobiltelefon ist es jedoch ausreichend, lediglich einen der beiden Sensoren LS1, E1 bzw. LS2, E2 vorzusehen.
Um eine noch präzisere und von der Erdkoppelung weitgehend unabhängige Detektion der Annäherung bzw. eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand zu gewährleisten, wird die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung sowohl in dem ersten Betriebsmodus, d. h. im Transmission Mode und dem zweiten Betriebsmodus, d. h. im Loading Mode betrieben. Eine Sensoreinrichtung, welche in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wird nachfolgend mit Bezug auf 4 näher beschrieben.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit zwei Sensoren LS1, E1 und LS2, E2, welche für den Betrieb der Sensoreinrichtung im Loading Mode vorgesehen sind und einen Sensor TS1, E1, E2, welcher für den Betrieb der Sensoreinrichtung im Transmission Mode vorgesehen ist. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Loading Mode ist in Bezug auf 3 beschrieben worden. Die Funktionsweise der Sensoreinrichtung im Transmission Mode ist mit Bezug auf 2 beschrieben worden.
Wie aus 4 ersichtlich, werden die Elektroden E1 und E2 sowohl für den Betrieb der Sensoreinrichtung im Loading Mode als auch für den Betrieb der Sensoreinrichtung im Transmission Mode verwendet. Selbstverständlich ist es auch möglich, für beide Betriebsmodi jeweils eigene Elektroden vorzusehen. Ebenso kann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in beiden Betriebsmodi betrieben werden, wenn auf eine der beiden in 4 gezeigten Sensorschaltungen LS1 oder LS2 verzichtet wird.
Zur Funktionsbeschreibung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in beiden Betriebsmodi betrieben werden kann, sind in 4 lediglich die auf die Elektrode E2 (Sendeelektrode) wirkende Koppelkapazität C_1T und die auf die Elektrode E1 (Empfangselektrode) wirkende Koppelkapazität C_1R eingezeichnet. Bei Annäherung oder bei einem Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand werden sowohl im Transmission Mode als auch im Loading Mode von den jeweiligen Sensorschaltungen TS1 bzw. LS1, LS2 Sensorsignale generiert. Die von den jeweiligen Sensorschaltungen TS1, LS1 und LS2 generierten Sensorsignale können entsprechend den Ausführungen zu 2 und 3 je nach Koppelungssituation, insbesondere zur Erde unterschiedlich sein.
In 5 sind ein typischer Verlauf eines Sensorsignals, welches von einem im Transmission Mode betriebenen Sensors geliefert wird und eines Sensorsignals, welches von einem im Loading Mode betriebenen Sensors geliefert wird, über die Zeit dargestellt wird. Der zeitliche Verlauf der Pegel der beiden Sensorsignale ist fix verschiedene Belastungsszenarien an unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt. Das Signal T entspricht dem Sensorsignal der Sensoreinrichtung im Transmission Mode, die Sensorsignale L1, L2 entsprechen den Sensorsignalen der Sensoreinrichtung im Loading Mode. Zur besseren Veranschaulichung der zeitlichen Verläufe beider Signale ist das Sensorsignal T gegenüber der Sensorsignale L1, L2 leicht versetzt dargestellt. In einem konkreten Fall können die Pegeländerungen des Sensorsignals T und der Sensorsignale L1, L2 auch zeitgleich stattfinden.
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 ist die kapazitive Sensoreinrichtung nicht geerdet. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t6 sind diese Signalverläufe bei geerdeter Sensoreinrichtung aufgetragen.
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im unbelasteten Ruhezustand, d. h. ohne Annäherung einer Hand an die Sensoreinrichtung bzw. ohne Umgreifen eines Handgerätes mit einer Sensoreinrichtung durch eine Hand und im nichtgeerdeten Zustand betrachtet.
Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 erfolgt eine Annäherung einer Hand an die Sensoreinrichtung bzw. ein Umgreifen eines Handgerätes mit einer Sensoreinrichtung durch eine Hand ohne relevante Koppelung zu Erde. In diesem Fall liefern sowohl die Sensoreinrichtung im Transmission Mode als auch die Sensoreinrichtung im Loading Mode einen eindeutigen Anstieg der jeweiligen Sensorsignale T, L1, L2 wobei im Loading Mode von beiden Sensorteilsystemen LS1, LS2 nahezu gleiche Sensorsignale L1 und L2 bereitgestellt werden.
Zum Zeitpunkt t3 entfernt sich die Hand von der Sensoreinrichtung bzw. das Handgerät wird losgelassen. Die Pegel fallen wieder auf die Ausgangswerte zum Zeitpunkt t1 ab.
Zum Zeitpunkt t4 erfolgt nun eine Erdung des Handgerätes, etwa durch Anschließen eines Ladegerätes an das Handgerät. In diesem Fall erfolgt nunmehr wegen der auftretenden und mit Bezug auf 2 beschriebenen Erdkoppelung eine erhebliche Dämpfung des zwischen der Elektrode E2 und der Elektrode E1 übertragenen Signals im Transmission Mode, so dass auch ein Umgreifen des Handgeräts im Zeitpunkt t5 nur noch zu einer geringen Pegeländerung des Signals T führt. Demgegenüber kommt es in den Sensorschaltungen LS1, LS2 im Loading Mode zu einem verstärkten Anstieg der Sensorsignale L1, L2, weil die Erdung zu einer höheren kapazitiven Belastung an den jeweiligen Elektroden E1 und E2 führt (vgl. 3).
Da bei elektrischen Handgeräten, insbesondere bei batteriebetriebenen Handgeräten in der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungsfälle ein Betrieb ohne relevante Erdkoppelung vorliegt, wird vorzugsweise das Sensorsignal T der Sensoreinrichtung im Transmission Mode zur Erkennung einer Annäherung an ein Handgerät oder eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand verwendet.
Die Sensorsignale L1, L2 der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Loading Mode werden vorzugsweise als Kontrollsignale zur Detektion einer möglicherweise vorliegenden Erdungssituation herangezogen. Für den Fall, dass keine Erdung vorliegt, können die Sensorsignale L1, L2 als redundante Information zu dem Sensorsignal T verwendet werden, um damit eine Erhöhung der Detektionssicherheit zu bieten. Im Fall der Erdung stellen die Sensorsignale L1, L2 in Verbindung mit dem Sensorsignal T ein Erkennungskriterium für die Erdung dar, so dass die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Transmission Mode auf eine erhöhte Empfindlichkeit umgeschaltet werden kann.
Die Korrelation der Sensorsignale kann beispielsweise durch eine Verhältnisbildung L1/T bzw. L2/T oder auch (L1 + L2)/T der Sensorsignale L1, L2 und dem Sensorsignal T erfolgen. Im nicht-geerdeten Fall ist dieses Verhältnis weitgehend konstant, während es aufgrund der in 5 dargestellten Pegel im Erdungsfall stark ansteigt und damit eine Information über den Erdungszustand bereitstellt.
Damit kann die Sensoreinrichtung im Transmission Mode angepasst werden. Beispielsweise kann die Amplitude des an der Elektrode E2 beaufschlagten Wechselsignals in Abhängigkeit von der kapazitiven Belastung der Elektroden im Loading Mode vergrößert oder verkleinert werden. Alternativ oder zusätzlich können auch die Schwellwerte für eine Annäherungs- bzw. Berührungsdetektion im Transmission Mode in Abhängigkeit von den Sensorsignalen L1 und/oder L2 angepasst werden.
Die Kombination der Sensorsignale L1, L2 mit dem Sensorsignal T liefert somit eine erhöhte Detektionssicherheit in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien.
Mit einer in 4 gezeigten erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung kann eine Annäherung eines Nutzers an ein Handgerät oder ein Umfassen eines Handgerätes durch eine Hand mit einer geringen Fehlerrate bei Erkennen und Zurückweisen sowie im Wesentlichen unabhängig von der Erdkoppelung bereitgestellt werden.
6 zeigt ein Implementierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus, d. h. in einem Transmission Mode und in einem zweiten Betriebsmodus, d. h. in einem Loading Mode betrieben werden kann.
In der Schalterstellung T befindet sich die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Transmission Mode, d. h. dass die kapazitive Koppelung zwischen der Elektrode E2 und der Elektrode E1 gemessen und ausgewertet wird. In der Schalterstellung L befindet sich die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Loading Mode, d. h. es wird die kapazitive Belastung an der Elektrode E1 (mit TX1 und RX1) und die kapazitive Belastung an der Elektrode E2 (mit TX2 und RX2) gemessen und ausgewertet.
Mit Hilfe der beiden Schalter S1, S2 kann die Sensoreinrichtung beispielsweise zyklisch in jeweils einen der beiden Betriebsmodi betrieben werden. Im Loading Mode kann die Erdung bzw. die Erdkoppelung der kapazitiven Sensoreinrichtung detektiert und ausgewertet werden. Das Ergebnis der Auswertung kann etwa für den darauffolgenden Betrieb der Sensoreinrichtung im Transmission Mode berücksichtigt werden. Beispielsweise kann das an der Sendeelektrode E2 beaufschlagte elektrische Wechselsignal in Abhängigkeit der kapazitiven Belastung der Sensoren im Loading Mode eingestellt werden. Es kann aber auch ein Schwellwert für die Auswertung einer zweiten Messung im Transmission Mode angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann aber auch parallel oder quasiparallel im Loading Mode und im Transmission Mode betrieben werden.
Die 7 und 8 zeigen zwei weitere Implementierungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung.
In 7 ist eine weitere Elektrode K1 vorgesehen, welche als Kompensationselektrode der Sensoreinrichtung im Transmission Mode verwendet wird. Die Kompensationselektrode K1 wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, welches vorzugsweise eine Phase und/oder Amplitude, welche verschieden von der Phase und/oder Amplitude des an der Elektrode E1 beaufschlagten elektrischen Wechselsignals ist.
Die Kompensationselektrode K1 ist derart relativ zur Elektrode E1 angeordnet, dass das an der Kompensationselektrode K1 emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode E1 einkoppelt. Damit wird eine Kompensation der kapazitiven Umgebung des Handgerätes zumindest im Bereich der Empfangselektrode E1 erreicht.
Bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand koppelt das im Transmission Mode an der Sendeelektrode E2 emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand in die Empfangselektrode E1 ein. Dabei wird die das an der Kompensationselektrode K1 emittierte elektrische Wechselfeld ”überbrückt”. Das in Empfangselektrode E1 eingekoppelte elektrische Wechselfeld wird als Maß für das Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand herangezogen.
8 zeigt die in 7 dargestellte Sensoreinrichtung, wobei zusätzlich zur Kompensationselektrode K1 eine zweite Kompensationselektrode K2 vorgesehen ist. Die Kompensationselektrode K2 ist so relativ zur Sendeelektrode E2 angeordnet, dass ein an der Kompensationselektrode K2 emittiertes elektrisches Wechselfeld in die Sendeelektrode E2 einkoppeln kann.
Im Betrieb wird bei einem Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand im Transmission Mode (Schalterstellung T der beiden Schalter S1 und S2) an den Elektroden E2, K2 und K1 jeweils ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welche über die Hand in die Empfangselektrode E1 einkoppeln. Mit den an den Kompensationselektroden K2 und K1 emittierten elektrischen Wechselfeldern kann eine Kompensation der kapazitiven Umgebung an beiden Geräteseiten erfolgen.
Des Weiteren kann mit Hilfe der Kompensationselektroden K1 und K2 ein vollständiger Systemtest durchgeführt werden. Der Systemtest kann dabei vor Aufnahme des Messbetriebes durchgeführt werden. Ebenso kann der Systemstest in zyklischen Abständen durchgeführt werden, um während des Betriebes eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung zu ermöglichen.
Bei dem Systemtest könne der Mikrokontroller MCU, die Zuleitungen und die Elektroden vollständig getestet werden. Dazu werden die Schalter S1 und S2 in die Schalterstellung L gebracht. An der Kompensationselektrode K1 wird ein elektrisches Wechselsignal (Testsignal) angelegt und an der Empfangselektrode E1 ein Empfangssignal abgegriffen, welches auf Einhaltung vordefinierter Toleranzen geprüft werden kann. Gleichermaßen wird an der Kompensationselektrode K2 ein elektrisches Wechselsignal (Testsignal) angelegt und an der Elektrode E2, welche im Systemtest als Empfangselektrode arbeitet, ein Empfangssignal abgegriffen, welches ebenfalls auf Einhaltung vordefinierter Toleranzen geprüft werden kann.
Erfindungsgemäß können auch mehrere erfindungsgemäße Sensoreinrichtungen an einem Handgerät vorgesehen sein, um beispielsweise verschiedene Positionen der Hand an dem Handgerät während eines Umgreifens des Handgerätes durch die Hand zu detektieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Sensoreinrichtung im Transmission Mode eine Sendeelektrode E2 und mehrere Empfangselektroden E1 vorsehen. Es können auch mehrere Sendeelektroden E2 und eine Empfangselektrode E1 vorgesehen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung im Transmission Mode auch mehrere Sendeelektroden E2 und mehrere Empfangselektroden E1 vorsehen. Bei mehreren Sendeelektroden E2 kann an jeder Sendeelektrode E2 ein verschiedenes elektrisches Wechselsignal beaufschlagt werden, so dass je nach Position der umgreifenden Hand verschiedene elektrische Wechselfelder über die Hand in die Empfangselektrode E1 eingekoppelt werden. Die eingekoppelten elektrischen Wechselfelder in die Empfangselektrode E1 können getrennt werden und der jeweiligen Sendeelektrode E2 zugeordnet werden.
Für den Loading Mode kann die Sensoreinrichtung auch mehr als zwei Elektroden vorsehen. Beispielsweise können bei der in 3 gezeigten Sensoreinrichtung an der Sensorschaltung LS1 weitere Elektroden vorgesehen sein. Dies gilt entsprechend auch für die in 4 gezeigte Sensorschaltung LS2.
Vorstehend ist ein Mobiltelefon stellvertretend für ein elektrisches Handgerät beschrieben worden. Ein Handgerät, welches mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ausgestattet werden kann, kann auch eine Computermaus, eine Gerätefernbedienung, eine Digitalkamera, ein Game-Controller oder dergleichen sein.

Claims

Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand, aufweisend zumindest eine erste Elektrode (E1) und zumindest eine zweite Elektrode (E2), welche mit einer Auswerteeinrichtung (LS1, LS2, TS1, MCU) gekoppelt sind, wobei – die zumindest eine erste Elektrode (E1) und die zumindest eine zweite Elektrode (E2) in einem ersten Betriebsmodus (TM) und in einem zweiten Betriebsmodus (LM) betreibbar sind, – in dem ersten Betriebsmodus (TM) die zweite Elektrode (E2) und in dem zweiten Betriebsmodus (LM) die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, – in dem ersten Betriebsmodus (TM) die kapazitive Kopplung zwischen der zumindest einen ersten Elektrode (E1) und der zumindest einen zweiten Elektrode (E2) durch die Auswerteeinrichtung (TS1, MCU) ausgewertet werden, und – in dem zweiten Betriebsmodus (LM) eine kapazitive Belastung der zumindest einen ersten Elektrode (E1) und der zumindest einen zweiten Elektrode (E2) gegen eine Bezugsmasse (DEVGND) durch die Auswerteeinrichtung (LS1, LS2, MCU) ausgewertet werden.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) durch den in der ersten Elektrode (E1) fließenden elektrischen Strom repräsentiert wird.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, im ersten Betriebsmodus (TM) und im zweiten Betriebsmodus (LM) jeweils ein Sensorsignal bereitzustellen, welches jeweils indikativ für die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) bzw. für die kapazitive Belastung ersten Elektrode (E1) und/oder der zweiten Elektrode (E2) ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung sequentiell in dem ersten Betriebsmodus (TM) und in dem zweiten Betriebsmodus (LM) betreibbar ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensoreinrichtung parallel in dem ersten Betriebsmodus (TM) und in dem zweiten Betriebsmodus (LM) betreibbar ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in dem zweiten Betriebsmodus (LM) auswertbare kapazitive Belastung als Kontrollgröße für ein Anpassen einer Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung im ersten Betriebsmodus (TM) verwendbar ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine dritte Elektrode (K1), welche mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, dessen Phase und/oder Amplitude verschieden von der Phase und/oder der Amplitude des an der zweiten Elektrode (E2) beaufschlagten elektrischen Wechselsignals ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter aufweisend eine dritte Elektrode (K1) und eine vierte Elektrode (K2), welche jeweils mit einem Wechselsignal beaufschlagbar sind, wobei die dritte Elektrode (K1) in eine kapazitive Kopplung mit der ersten Elektrode (E1) und die vierte Elektrode (K2) in eine kapazitive Kopplung mit der zweiten Elektrode (E2) bringbar sind, wobei die Sensoreinrichtung ein einem dritten Betriebsmodus (KM) betreibbar ist, in welchem die kapazitiven Kopplungen zwischen der ersten Elektrode (E1) und der dritten Elektrode (K1) und zwischen der zweiten Elektrode (E2) und der vierten Elektrode (K2) durch die Auswerteeinrichtung auswertbar sind.
Handgerät (G), aufweisend zumindest eine Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Handgerät nach Anspruch 9, wobei die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) derart relativ zueinander am Handgerät angeordnet sind, dass sie bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand von dieser zumindest teilweise überdeckt werden.
Handgerät nach Anspruch 10, wobei die erste Elektrode (E1) und die zweite Elektrode (E2) an zwei gegenüberliegenden Wandungen, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen eines Gehäuses des Handgerätes angeordnet sind.
Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes (G) mit einer ersten Elektrode (E1) und einer zweiten Elektrode (E2), insbesondere mit einer Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, durch eine Hand, umfassend zumindest folgende Schritte: – Beaufschlagen der zweiten Elektrode (E2) mit einem elektrischen Wechselsignal, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, – in einem ersten Betriebsmodus (TM), Messen der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) und Bereitstellen eines ersten Messsignals (T), – in einem zweiten Betriebsmodus (LM), Beaufschlagen der ersten Elektrode (E1) mit einem elektrischen Wechselsignal, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird und Messen der kapazitiven Belastung der ersten Elektrode (E1) und der zweiten Elektrode (E2) gegen eine Bezugsmasse (DEVGND) und Bereitstellen eines zweiten Messsignals (L1, L2), wobei die Messsignale indikativ für das Umgreifen des Handgerätes durch die Hand sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Messschritte parallel oder sequentiell ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das zweite Messsignal verwendet wird, um die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung im dem ersten Betriebsmodus (TM) anzupassen.