DE102010043519B4

DE102010043519B4 - Verfahren und Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes

Info

Publication number: DE102010043519B4
Application number: DE201010043519
Authority: DE
Inventors: Dr. Erkens Holger; Claus Kaltner; Stefan Burger; Andreas Dorfner
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2030-11-06
Also published as: DE102010043519A1

Abstract

Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand unter Verwendung einer kapazitiven Sensoreinrichtung, welche zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Kompensationselektrode (KE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) aufweist, wobei an der Empfangselektrode (EE) ein elektrisches Signal (S1) abgegriffenen wird (S10), und die Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus (BM1) und in einem zweiten Betriebsmodus (BM2) betreibbar ist, wobei – in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und die Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) beaufschlagt werden (S21), wobei das an der Sendeelektrode (SE) und das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar sind und wobei durch das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld der Pegel des an der Empfangselektrode (EE) einwirkenden elektrischen Wechselfeldes reduziert wird, und das Umgreifen des Handgerätes detektiert wird, wenn das elektrische Signal (S1) betragsmäßig einen ersten Schwellenwert...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand unter Verwendung einer kapazitiven Sensoreinrichtung sowie einer Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand. Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind kapazitive Sensoreinrichtungen bekannt, welche beispielsweise an einem Handgerät angeordnet werden können, um ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zu detektieren. Aufgrund einer Veränderung der dielektrischen Eigenschaften im Bereich der Sensorelektroden der kapazitiven Sensoreinrichtung kann auf ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand geschlossen werden. Wird ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand detektiert, kann das Handgerät beispielsweise von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus überführt werden.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensoreinrichtungen zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand besteht das Problem, dass bei einem starken Erdbezug eine Detektion des Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand nicht zuverlässig gewährleistet werden kann.
Im Stand der Technik wird versucht diesem Problem dadurch zu begegnen, dass ein Umschalten der Speisespannung eines elektrischen Handgerätes detektiert wird, wobei bei Detektion des Umschalten der Speisespannung ein alternativer Messmodus aktiviert wird, mit welchem auch bei starker Erdbezug die Detektion eines Umgreifens des Handgerätes ermöglicht werden soll. Ein elektrisches Handgerät ist beispielsweise dann gut geerdet, wenn das Gerät seinen Erdbezug etwa über ein angeschlossenes USB-Kabel erhält. Neben der Datenübertragung stellt der USB-Anschluss eine 5 Volt Spannung zur Stromversorgung von USB-Geräten zur Verfügung, welche detektiert werden kann, um entsprechende Maßnahmen hinsichtlich des Messmodus einzuleiten.
Damit kann zwar ermittelt werden, dass das Gerät, welches die Stromversorgung für das Handgerät zur Verfügung stellt, einen starken Erdbezug aufweist. Allerdings kann damit nicht bestimmt werden, wie stark der Erdbezug tatsächlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Erdbezug auch auf andere Art und Weise verändert werden kann. Beispielsweise kann ein Berühren eines mit Masse verbundenen Teils eines elektrischen Handgerätes zu einer stärkeren Koppelung mit Erde führen. Eine solche Änderung des Erdbezuges kann durch die Detektion einer Änderung der Speisespannung nicht detektiert werden, weil sich die Speisespannung nicht ändert.
Andererseits können auch Geräte mit vergleichsweise geringem Erdbezug, etwa eine USB-Batterie, eine andere Speisespannung zur Verfügung stellen. Die geänderte Speisespannung kann zwar detektiert werden, allerdings dürfte der zuvor beschriebene alternative Messmodus nicht aktiviert werden, weil sich mit der geänderten Speisespannung der Erdbezug nur sehr wenig oder gar nicht ändert. Würde dennoch der alternative Messmodus zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes verwendet werden, wäre die kapazitive Sensoreinrichtung ohne zusätzliche Maßnahmen nicht mehr in der Lage das Umgreifen eines Handgerätes zuverlässig zu detektieren.
Aus der DE 10 2007 042 221 A1 ist eine Elektrohandwerkzeugmaschine mit einem Hauptschalter und mindestens einer Sicherheitseinrichtung bekannt. Die Sicherheitseinrichtung ist zum Freigeben der Funktion der Elektrohandwerkzeugmaschine vorgesehen. Die Sicherheitseinrichtung umfasst einen kapazitiven Schalter, welcher an einem Handgriff der Elektrohandwerkzeugmaschine angeordnet ist. Der kapazitive Schalter umfasst eine Erregerelektrode und eine Empfängerelektrode. Bei Umgreifen des Handgriffes durch eine Hand gibt der kapazitive Schalter die Funktion der Werkzeugmaschine frei, etwa dann, wenn der Spannungspegel an der Empfängergerelektrode des kapazitiven Schalters einen Referenz wert überschreitet. Umgreift ein Benutzer den Handgriff der Werkzeugmaschine, ändert sich eine Kapazität zwischen der Erregerelektrode und der Empfängerelektrode, welche gemessen werden kann.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2009 057 935 A1 ist eine Einrichtung für ein elektrisches Handgerät zur Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch eine Hand bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode, wobei die Sendeelektrode und die Empfangselektrode so an dem Handgerät angeordnet sind, dass sie beim Umgreifen des Handgerätes von der Hand überdeckt werden. Durch das Umgreifen des Handgerätes mit der Hand wird ein Teil des an der Sendeelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes über die Hand in die Empfangselektrode eingekoppelt. Der in die Empfangselektrode eingekoppelte Anteil des elektrischen Wechselfeldes ist ein repräsentatives Merkmal für das Umgreifen des Handgerätes.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, ein Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand auch bei sich änderndem Erdbezug sicher und zuverlässig zu delektieren.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand nach den unabhängigen, Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, welche angepasst ist, gemäß denn erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden;
2 eine Koppelung (Transmission) zwischen einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sowie ein kapazitives Ersatzschaltbild hierzu;
3 die kapazitiven Koppelpfade zwischen einer Kompensationselektrode und einer Empfangselektrode einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sowie ein kapazitives Ersatzschaltbild hierzu;
4 die Reduktion des kapazitiven Streufeldes zwischen einer Kompensationselektrode und einer Empfangselektrode einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in Abhängigkeit vom Abstand einer Hand zur kapazitiven Sensoreinrichtung;
5 die kapazitiven Koppelpfade an einer Kompensationselektrode und einer Empfangselektrode einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke des Erdbezuges;
6 den zeitlichen Verlauf eines Messsignals während eines ersten Betriebsmodus und eines zweiten Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der Signalverläufe bei jeweils unterschiedlichem Erdbezug;
7 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand unter Verwendung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung; und
8 eine mögliche Anordnung einer Kompensationselektrode an einer Feldmesselektrode.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand, welche, wie nachfolgend näher beschrieben wird, in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß sind für die Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand mindestens drei Elektroden vorgesehen. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens eine Sendeelektrode SE, mindestens eine Kompensationselektrode KE und mindestens eine Empfangselektrode EE. Die Empfangselektrode EE ist am Signaleingang einer Auswerteeinrichtung bzw. einer Steuerungseinrichtung (Empfänger R) angeschlossen. Die Sendeelektrode SE und die Kompensationselektrode KE sind jeweils mit einem Signalgenerator G gekoppelt, welcher eine elektrische Wechselgröße einer bestimmten Frequenz und Amplitude bereitstellt. Diese elektrische Wechselgröße wird im Folgenden als Wechselsignal oder elektrisches Wechselsignal WS1, WS2 bezeichnet.
Die Elektroden SE, EE und KE können beispielsweise an einem Gehäuse eines elektrischen Handgerätes angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Elektroden an der Innenseite einer Gehäusewandung eines elektrischen Handgerätes angeordnet. Vorzugsweise ist die Kompensationselektrode KE zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE angeordnet, wie aus 1 deutlich ersichtlich ist. Die Sendeelektrode kann an einer linken Gehäusewandung angeordnet sein und die Kompensationselektrode und die Empfangselektrode können an der rechten Gehäusewandung angeordnet sein.
Bei der Anordnung der Elektroden SE, KE und EE an einem elektrischen Handgerät ist darauf zu achten, dass die Elektroden bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand von dieser zumindest teilweise überdeckt werden können, um ein Einkoppeln eines an der Sendeelektrode SE bzw. an der Kompensationselektrode KE emittierten elektrischen Wechselfeldes über die Hand in die Empfangselektrode EE zu gewährleisten.
Die Sendeelektrode SE wird von dem Signalgenerator G mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt. Das erste elektrische Wechselsignal WS1 kann eine Frequenz von etwa zwischen 10 kHz und 300 kHz haben und kann eine Amplitude aufweisen, welche den Wert von 20 Volt vorzugsweise nicht überschreiten sollte. Die Frequenz kann aber auch höher oder niedriger gewählt werden.
Die Kompensationselektrode KE wird mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt, welches vorzugsweise die Wellenform und die Frequenz des ersten elektrischen Wechselsignals WS1 aufweist. Das zweite elektrische Wechselsignal WS2 kann gegenüber dem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 phasenverschoben sein. Die Phasenverschiebung kann etwa mit einem Phasenschieber Δφ bewerkstelligt werden, welcher zwischen dem Signalgenerator und der Kompensationselektrode KE angeordnet ist. Alternativ kann der Phasenschieber Δφ auch zwischen dem Signalgenerator G und der Sendeelektrode SE angeordnet sein.
Des Weiteren kann alternativ zu dem Phasenschieber Δφ auch ein Inverter vorgesehen sein, welcher das an dem Signalgenerator G bereitgestellte elektrische Wechselsignal WS1 bzw. WS2 invertiert. In diesem Fall ist das an der Kompensationselektrode KE beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS2 um 180° phasenverschoben zu dem an der Sendeelektrode SE beaufschlagten ersten elektrischen Wechselsignal WS1.
Das an der Kompensationselektrode KE beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS2 kann aber auch eine Amplitude aufweisen, welche verschieden von der Amplitude des an der Sendeelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS1 ist.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn

– das Wechselsignal WS1 die gleiche Amplitude aufweist wie das elektrische Wechselsignal WS2 und die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wechselsignalen WS1 und WS2 verschieden von 0° und verschieden von 180° ist, oder
– die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wechselsignalen WS1 und WS2 180° (oder 0°) beträgt und die Amplituden der beiden Wechselsignale WS1 und WS2 verschieden sind. Vorzugsweise ist die Amplitude des zweiten Wechselsignals WS2 kleiner als jene des ersten Wechselsignals WS1.

Die Sendeelektrode SE bzw. das ihr beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS1 ist so ausgelegt, dass das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist, vorzugsweise wenn sich eine Hand den Elektroden der Sensoreinrichtung nähert. Die Kompensationselektrode KE bzw. das an ihr beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS2 ist so ausgelegt, dass das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld ebenfalls in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist. Vorzugsweise koppelt das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld auch dann in die Empfangselektrode EE ein, wenn sich keine Hand der Sensoreinrichtung nähert bzw. wenn ein die Sensoreinrichtung aufweisendes elektrische Handgerät nicht von einer Hand umgriffen wird. Dadurch wird eine gewisse Grundkoppelung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE sichergestellt.
Durch das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld, welches phasenverschoben zum an der Sendeelektrode SE emittierten elektrischen Wechselfeld sein kann und/oder eine andere Amplitude aufweisen kann, wird der Pegel des an der Empfangselektrode EE einwirkenden elektrischen Wechselfeldes reduziert bzw. bei einer gegenphasigen Überlagerung (nahezu) ausgelöscht. Durch die Annäherung einer Hand an die Elektroden bzw. durch ein Umgreifen durch eine Hand wird das an der Empfangselektrode EE einwirkende elektrische Wechselfeld so verändert, dass an der Empfangselektrode EE ein elektrisches Wechselsignal abgreifbar ist, welches repräsentativ für die Annäherung einer Hand an die Elektroden bzw. für ein Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand ist.
Durch die sich annähernde Hand bzw. durch ein das elektrische Handgerät umgreifende Hand wird das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld zumindest teilweise dem Wirkbereich des an der Kompensationselektrode KE emittierten elektrischen Wechselfeldes entzogen und direkt über die Hand in die Empfangselektrode eingekoppelt, was zu einem signifikanten Pegelanstieg des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals S1 führt.
Das Gesamtsystem ist vorzugsweise so ausgelegt, dass, solange keine Hand in der Nähe der Elektroden ist, das an der Empfangselektrode EE abgegriffene elektrische Signal S1 einen vorbestimmten Signalpegel nicht überschreitet. Dies kann etwa durch entsprechende Anordnung der SE, EE und KE relativ zueinander am Gehäuse erreicht werden.
Die genaue Anordnung der einzelnen Elektroden an einem Gehäuse eines elektrischen Handgerätes bzw. die jeweiligen Abmessungen sowie die genauen Eigenschaften (Frequenzen, Amplituden bzw. Phasenlagen) der elektrischen Wechselsignale WS1 bzw. WS2 hängen im Wesentlichen von der konkreten Geräteform und deren Größe ab. Die Elektrodenanordnung, die Elektrodenabmessungen und die Eigenschaften der Wechselsignale WS1 und WS2 können für ein konkretes Gerät beispielsweise empirisch ermittelt werden und gegenseitig so aufeinander abgestimmt werden, dass die oben beschriebenen Voraussetzungen hinsichtlich eines an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals eine zuverlässige Detektion eines Umgreifens des Handgerätes durch eine Hand ermöglichen.
Um eine zuverlässige Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand bei unterschiedlich starkem Erdbezug sicher zu gewährleisten sind zwei Betriebsmodi vorgesehen, mit welchen die kapazitive Sensoreinrichtung betrieben wird. Die beiden Betriebsmodi werden nachfolgend näher beschrieben.
2 zeigt die kapazitiven Koppelpfade zwischen einer Hand und einer Gerätemasse in Bezug auf die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Sendeelektrode wird von einem Signalgenerator G mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt. Dadurch wird an der Sendeelektrode SE ein elektrisches Wechselfeld emittiert. Die Transmission zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE wird über eine kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE, welche durch die Hand hergestellt wird, hergestellt.
In 2a ist der Koppelpfad zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE über die Hand dargestellt. 2b zeigt ein entsprechendes kapazitives Ersatzschaltbild. Die maßgeblichen Kapazitäten sind hierbei die Kapazität C_TH zwischen der Sendeelektrode SE und der Hand sowie die Kapazität C_HR zwischen der Hand und der Empfangselektrode EE. Zusätzlich besteht über den menschlichen Körper eine kapazitive Koppelung C_E gegen die Gerätemasse des Handgerätes. Der Koppelpfad C_E bildet sich entweder direkt über eine kapazitive Koppelung C_HG zwischen der Handfläche und der Massefläche des elektrischen Handgerätes aus. Alternativ oder zusätzlich bildet sich der Koppelpfad C_E indirekt über die Koppelung C_HE des Menschen zur Umgebung und der Umgebung zur Gerätemasse C_EG aus.
Ist die Massekoppelung C_E auf beiden Pfaden C_HG bzw. C_HE, C_EG gering, so ergibt sich im Wesentlichen nur die Koppelung über die Hand. Die Änderung des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Wechselsignals bei Annäherung bzw. bei Umgreifen des Handgerätes durch die Hand ist in diesem Fall maximal und kann daher besonders gut und zuverlässig detektiert werden. Ist allerdings die Massekoppelung C_E auf beiden Pfaden C_HG bzw. C_HE, C_EG hoch, so wird die Transmission über die Hand größtenteils gegen Masse kurzgeschlossen. Die Änderung des Signalpegels des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals kann dabei bei einer Annäherung der Hand an die Sensoreinrichtung bzw. bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand sehr gering ausfallen. Im ungünstigsten Fall, d. h. bei einer nahezu widerstandslosen Ankoppelung des Körpers bzw. der Hand an die Masse bildet sich nahezu keine kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode über die Hand aus, so dass das an der Empfangselektrode EE abgegriffene elektrische Wechselsignal bei einer Annäherung an die Sensoreinrichtung bzw. bei Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand nahezu keine Signalpegeländerung erfährt. Dies würde bedeuten, dass ein Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand im Wesentlichen nicht detektierbar wäre, weil aufgrund einer nahezu widerstandlosen Ankoppelung der Hand an die Masse keine Transmission zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangelektrode EE über die Hand hergestellt wird, sondern größtenteils gegen Masse kurzgeschlossen wird.
Um dennoch eine sichere Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand bei ungünstigen Erdungszuständen zu gewährleisten, wird eine zusätzliche Messung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE durchgeführt, wie mit Bezug auf 3 gezeigt. Im Gegensatz zur Anordnung der Sendeelektrode SE relativ zur Empfangselektrode EE ist die Kompensationselektrode KE hier so relativ zur Empfangselektrode EE angeordnet, dass zwischen den Elektroden KE und EE in jedem Fall eine gewisse Grundkoppelung vorhanden ist. Die Kapazitäten an der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sowie die Koppelung der beiden Elektroden über die Hand sind in 3 gezeigt. Die Kompensationselektrode KE ist an einen Generator G angeschlossen, wie mit Bezug auf 1 bereits erläutert. Die Empfangselektrode EE ist an einen Empfänger R angeschlossen. Die Kapazität C_C stellt die Koppelung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE dar. Die weiteren Koppelpfade C_TH, C_HR und C_E sind bereits mit Bezug auf 2 erläutert worden. Die Koppelung C_E gegen Gerätemasse in 3 ist eine Ersetzung des in 2 dargestellten kapazitiven Netzwerkes C_E.
Die Kompensationselektrode KE und die Empfangselektrode EE sind im Wesentlichen flach ausgestaltete Elektrodensegmente, welche benachbart zueinander angeordnet sind. Die Kompensationselektrode KE und Empfangselektrode EE können eine geringe Höhe aufweisen, sodass zwischen der Kompensationselektrode und der Empfangselektrode eine kapazitive Koppelung nahezu ausschließlich über das Streufeld des so gebildeten Plattenkondensators gebildet wird, wie mit Bezug auf 4 gezeigt. Das Streufeld zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE ist umso stärker, je mehr Raum für die Ausbreitung der Feldlinien zur Verfügung steht. Wird der Raum für das Streufeld eingeschränkt, etwa wenn sich eine Hand in das Streufeld bewegt, so reduziert sich die effektive Kapazität, d. h. die Koppelkapazität bzw. die Grundkoppelung zwischen den Elektroden KE und EE, des Kondensators und es bilden sich andere Koppelpfade aus. Letztere sind in erster Linie die Koppelpfade zwischen den Elektroden KE, EE und der Hand. Die kapazitive Koppelung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE über die Hand kann in Abhängigkeit der Massekoppelung zu einem Pegelanstieg oder zu einem Pegelabfall des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals führen.
Zur Durchführung der Messung zwischen den beiden Elektroden KE und EE wird nur an der Kompensationselektrode KE ein elektrisches Wechselsignal WS2 beaufschlagt. An der Sendeelektrode SE wird kein elektrisches Wechselsignal WS1 beaufschlagt, sodass an der Sendeelektrode SE kein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, welches die Messung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE beeinflussen könnte.
Der Einfluss verschiedener Erdbezüge auf die Koppelung zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE ist mit Bezug auf 5 gezeigt. Verschiedene Erdbezüge beeinflussen die Verteilung der Transmissionseffekte, welche durch die Koppelung der Kompensationselektrode mit der Empfangselektrode über die Hand gebildet werden, und der Reduktionseffekte, welche durch den Massebezug der Hand gebildet werden, maßgeblich. In 5 sind drei Fälle mit unterschiedlichem Erdbezug der Hand gezeigt.
Bei einem im Wesentlichen nicht vorhandenen Erdbezug der Hand (Fall (a)) wird die effektive Kapazität des Kondensators durch die Einschränkung des Streufeldes reduziert. Gleichzeitig wird aber auch der Transmissionseffekt zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE über die Hand verstärkt, so dass der Reduktionseffekt durch die Hand durch den Transmissionseffekt über die Hand im Wesentlichen ausgeglichen wird. Es ist sogar möglich, dass die Transmission über die Hand starker ausgebildet ist als die Reduktion durch die Hand.
Mit zunehmender Erdkoppelung (Fall (b)) prägt sich die Absaugung über den Kondensator zur Gerätemasse aus und reduziert in zunehmenden Maße den Einfluss der Transmission zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE über die Hand.
Bei einer sehr guten Erdkoppelung (Fall (c)) ist der Koppelpfad von der Hand zur Empfangselektrode EE nahezu vollständig durch den Masseschluss kurzgeschlossen, so dass nur noch der Reduktionseinfluss über die Koppelkapazität C_C zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE besteht.
Bei geringem Erdbezug (Fall (a)) ist die Pegeländerung des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals bei einer Annäherung einer Hand an die Elektroden bzw. bei Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand sehr gering. Die Pegeländerung kann unter Umständen sogar uneindeutig bezüglich des Vorzeichens sein, da die Transmission über die Hand stärker sein kann als die Reduktion durch die Hand. Diese Möglichkeit kann aber durch ein geeignetes Elektrodendesign ausgeschlossen werden. Die Pegeländerung des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals nimmt mit zunehmender Erdung zu und ist bei nahezu perfekter Erdkoppelung maximal.
Erfindungsgemäß ist die Pegeländerung des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals ohne Erdkoppelung dann maximal, wenn ein an der Sendeelektrode SE emittiertes elektrisches Wechselfeld über die Hand in die Empfangselektrode EE eingekoppelt wird (vgl. 2). Ferner ist die Pegeländerung des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals im geerdeten Fall dann maximal, wenn das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand nahezu vollständig über den Kondensator zur Gerätemasse abgesaugt wird, wobei die Sendeelektrode mit keinem Signal beaufschlagt wird und somit an der Sendeelektrode SE auch kein elektrisches Wechselfeld emittiert wird.
6 zeigt den Signalverlauf eines an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals während einer ersten Messung, wobei sowohl die Sendeelektrode SE als auch die Kompensationselektrode KE jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal WS1 bzw. WS2 beaufschlagt werden, und einen zeitlichen Verlauf eines an der Empfangselektrode EE abgegriffenen elektrischen Signals einer zweiten Messung, bei welcher nur die Kompensationselektrode mit einem elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt wird.
Während der ersten Messung wird die kapazitive Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus betrieben, in welchem sowohl die Sendeelektrode als auch die Kompensationselektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wie mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Um in dem ersten Betriebsmodus ein Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand zu detektieren, wird ein erster Schwellenwert SW1 definiert. Überschreitet der Signalpegel des an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals diesen ersten Schwellenwert SW1 wird ein Umgreifen des Handgerätes detektiert.
Bei niedrigem Massebezug fährt ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zu einem Pegelanstieg des an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals, wobei der Signalpegel den ersten Schwellenwert SW1 überschreitet. Aufgrund des geringen Massebezuges wird das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld nahezu vollständig über die Hand in die Empfangselektrode eingekoppelt, was zu einem maximalen Pegelanstieg des Empfangssignals an der Empfangselektrode führt.
Bei einem moderaten Massebezug kann im ersten Betriebsmodus der Fall eintreten, dass der Signalpegel des Empfangssignals den ersten Schwellenwert SW1 überschreitet oder nicht überschreitet.
Bei besonders gutem Massebezug ist die Pegeländerung bzw. der Pegelanstieg des Empfangssignals an der Empfangselektrode EE im ersten Betriebmodus besonders gering, insbesondere überschreitet der Signalpegel bei Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand den ersten Schwellenwert SW1 nicht. Um dennoch das Umgreifen des Handgerätes zuverlässig zu detektieren, wird die kapazitive Sensoreinrichtung auch in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in welchem die Reduktionseffekte zwischen der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE durch die Hand gemessen werden.
Für den zweiten Betriebsmodus wird ein zweiter Schwellenwert SW2 definiert, welcher von dem Empfangssignal an der Empfangselektrode unterschritten werden muss, um ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch die Hand zu detektieren.
Bei geringem Massebezug führt ein Umgreifen des Handgerätes dazu, dass sich der Signalpegel des Empfangssignals nur sehr wenig ändert, insbesondere den zweiten Schwellenwert SW2 nicht unterschreitet.
Bei einem moderaten Massebezug kann im zweiten Betriebsmodus der Signalpegel des Empfangssignals der Empfangselektrode den zweiten Schwellenwert SW2 entweder unterschreiten oder nicht unterschreiten.
Bei starkem Massebezug ist die Pegeländerung des Empfangssignals bei einem Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand nahezu maximal, insbesondere unterschreitet der Signalpegel des Empfangssignals den zweiten Schwellenwert SW2. Wird der zweite Schwellenwert SW2 in dem zweiten Betriebsmodus unterschritten, so wird ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand detektiert.
Bei einem moderaten Massebezug kann es vorkommen, dass weder in dem ersten Betriebsmodus der erste Schwellenwert SW1 überschritten wird, noch in dem zweiten Betriebsmodus der zweite Schwellenwert SW2 unterschritten wird. Ebenso kann es vorkommen, dass bei einem moderaten Massebezug sowohl im ersten Betriebsmodus der erste Schwellenwert überschritten wird, als auch im zweiten Betriebsmodus der zweite Schwellenwert SW2 unterschritten wird. Ebenso kann es vorkommen, dass jeweils nur einer der beiden Schwellenwerte über- bzw. unterschritten wird. Durch ein entsprechendes Elektrodendesign und/oder durch Auswahl geeigneter Detektionsschwellen ist aber auch beim moderaten Massebezug eine eindeutige und sichere Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes möglich. Die Auswahl der entsprechenden Detektionsschwellen bzw. die Auswahl eines entsprechenden Elektrodendesigns hängt im Wesentlichen von der Geometrie und der Form des elektrischen Handgerätes ab, in welchem der erfindungsgemäße kapazitive Sensor verbaut wird.
7 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion des Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand. Während der gesamten Messung wird an der Empfangselektrode EE ein elektrisches Signal abgegriffen, S10. Ein Messzyklus gliedert sich im Wesentlichen in zwei Abschnitte, nämlich in eine Messung in einem ersten Betriebsmodus und eine Messung in einem zweiten Betriebsmodus.
Zunächst wird eine Messung in einem ersten Betriebsmodus BM1 durchgeführt, wobei ein an der Empfangselektrode abgegriffenes elektrisches Signal ausgewertet wird. In dem ersten Betriebsmodus BM1 wird die Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und die Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Signal beaufschlagt, wie etwa mit Bezug auf 1 erläutert. Für das an der Empfangselektrode abgegriffene elektrische Signal wird in einem Schritt S22 geprüft, ob der Signalpegel des elektrischen Signals einen ersten Schwellenwert SW1 überschreitet. Überschreitet der Signalpegel den ersten Schwellenwert SW1 kann ein Detektionsinformationssignal erzeugt werden, welches ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand signalisiert. Das Detektionsinformationssignal kann beispielsweise einem Mikrocontroller des elektrischen Handgerätes zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Nach erfolgter Prüfung im Schritt S22 erfolgt ein Wechsel von dem ersten Betriebsmodus BM1 in den zweiten Betriebsmodus BM2. In einem Schritt S31 des zweiten Betriebsmodus BM2 wird nur die Kompensationselektrode KB mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt, wie etwa mit Bezug auf 3 erläutert. In einem Schritt S32 wird geprüft, ob das an der Empfangselektrode abgegriffene elektrische Signal einen zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet. Unterschreitet das an der Empfangselektrode abgegriffene Empfangssignal den zweiten Schwellenwert SW2 wird ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand detektiert. Auch in diesem Fall kann ein Detektionsinformationssignal erzeugt werden und zur weiteren Verarbeitung, etwa einem Mikrocontroller des elektrischen Handgerätes zur Verfügung gestellt werden.
Nach erfolgter Prüfung in dem Schritt S32 kann wieder in den ersten Betriebsmodus BM1 gewechselt werden und das Verfahren mit Schritt S21 fortgeführt werden. Alternativ kann das Verfahren nach Durchführen des Schrittes S32 auch abgebrochen bzw. beendet werden.
In einer in 7 nicht gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Detektion in dem zweiten Betriebsmodus BM2 auch unterbleiben, wenn bereits die Auswertung des Empfangssignals in dem ersten Betriebsmodus BM1 zu einer Detektion eines Umgreifens des Handgerätes geführt hat.
8 zeigt eine Feldmesselektrode FE, welche zusätzlich zur Empfangselektrode EE vorgesehen werden kann. Die Feldmesselektrode FE kann ebenfalls als Empfangselektrode betrieben werden. Um auch eine Annäherung an die Feldmesselektrode im Wesentlichen unabhängig von einem Erdbezug zu detektieren, wird auch der Feldmesselektrode FE eine Kompensationselektrode KE zugeordnet, welche hier um die Feldmesselektrode FE umlaufend angeordnet ist. Wird in dem zweiten Betriebsmodus ein Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand detektiert, so kann in dem zweiten Betriebsmodus das Messverfahren auch für die Feldmesselektrode FE angewandt werden.
Es kann ferner eine weitere Kompensationselektrode vorgesehen sein, welche der Feldmesselektrode FE zugeordnet ist. Für diese weitere Kompensationselektrode kann ein eigener Signalgenerator vorgesehen sein, um die weitere Kompensationselektrode mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen. Die weitere Kompensationselektrode kann so im Wesentlichen unabhängig von der der Empfangselektrode EE zugeordneten Kompensationselektrode KE betrieben werden.
Die in 8 gezeigte Kompensationselektrode muss nicht notwendigerweise umlaufend um die Feldmesselektrode FE angeordnet sein. Sie kann auch teilweise umlaufend um die Feldmesselektrode FE angeordnet sein. Alternativ kann die Kompensationselektrode auch nur an einer Seite der Feldmesselektrode FE angeordnet sein. Die konkrete Anordnung der Kompensationselektrode relativ zu der Feldmesselektrode FE hängt im Wesentlichen von dem konkreten Anwendungsfall ab.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann in jedem Handgerät zum Einsatz kommen, bei welchen ein Umgreifen durch eine Hand detektiert werden muss bzw. detektiert werden soll. Ein Handgerät, welches mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ausgestattet werden kann, kann eine Computermaus, eine Gerätefernbedienung, eine Digitalkamera, ein Game-Controller, ein mobiler Kleincomputer, ein Smartphone, ein Tablett-PC oder dergleichen sein.

Claims

Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand unter Verwendung einer kapazitiven Sensoreinrichtung, welche zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Kompensationselektrode (KE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) aufweist, wobei an der Empfangselektrode (EE) ein elektrisches Signal (S1) abgegriffenen wird (S10), und die Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus (BM1) und in einem zweiten Betriebsmodus (BM2) betreibbar ist, wobei – in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und die Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) beaufschlagt werden (S21), wobei das an der Sendeelektrode (SE) und das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar sind und wobei durch das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld der Pegel des an der Empfangselektrode (EE) einwirkenden elektrischen Wechselfeldes reduziert wird, und das Umgreifen des Handgerätes detektiert wird, wenn das elektrische Signal (S1) betragsmäßig einen ersten Schwellenwert (SW1) überschreitet (S22), und – in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) nur die Kompensationselektrode (KE) mit dem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) beaufschlagt wird (S31), wobei das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar ist, und das Umgreifen des Handgerätes detektiert wird, wenn das elektrische Signal (S1) betragsmäßig einen zweiten Schwellenwert (SW2) unterschreitet (S32).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die Phasenlage des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) verschieden zur Phasenlage des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) gewählt wird und/oder die Amplitude des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) verschieden zur Amplitude des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung von dem ersten Betriebsmodus (BM1) in den zweiten Betriebsmodus (BM2) wechselt, wenn in dem ersten Betriebsmodus (BM1) kein Umgreifen des Handgerätes detektiert worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung zyklisch von dem ersten Betriebsmodus (BM1) in den zweiten Betriebsmodus (BM2) wechselt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung ferner zumindest eine Feldmesselektrode (FE) aufweist, wobei die zumindest eine Feldmesselektrode so relativ zu der Kompensationselektrode (KE) anordenbar ist, dass in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) ein an der Kompensationselektrode (KE) emittiertes elektrisches Wechselfeld in die Feldmesselektrode einkoppelbar ist.
Sensoreinrichtung zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand, aufweisend zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Kompensationselektrode (KE), zumindest eine Empfangselektrode (EE), wobei die Sensoreinrichtung ausgestaltet ist – in einem ersten Betriebsmodus (BM1) die Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und die Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) zu beaufschlagen, wobei das an der Sendeelektrode (SE) und das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar sind und wobei durch das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld der Pegel des an der Empfangselektrode (EE) einwirkenden elektrischen Wechselfeldes reduziert wird, und das Umgreifen des Handgerätes zu detektieren, wenn ein an der Empfangselektrode (EE) abgegriffenes elektrisches Signal (S1) betragsmäßig einen ersten Schwellenwert (SW1) überschreitet, und – in einem zweiten Betriebsmodus (BM1) nur die Kompensationselektrode (KE) mit dem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) zu beaufschlagen, wobei das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar ist, und das Umgreifen des Handgerätes zu detektieren, wenn das an der Empfangselektrode (EE) abgegriffene elektrische Signal (S1) betragsmäßig einen zweiten Schwellenwert (SW2) unterschreitet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, weiter aufweisend einen Signalgenerator (G), welcher mit der zumindest einen Sendeelektrode (SE) und der zumindest einen Kompensationselektrode (KE) koppelbar ist zum Beaufschlagen der Sendeelektrode (SE) mit dem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und der Kompensationselektrode (KE) mit dem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2), wobei zwischen dem Signalgenerator (G) und der Kompensationselektrode (KE) ein Phasenschieber (Δφ) oder ein Inverter angeordnet ist, um in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die Phasenlage des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) gegenüber der Phasenlage des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) zu ändern.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei diese ausgestaltet ist von dem ersten Betriebsmodus (BM1) in den zweiten Betriebsmodus (BM2) zu wechseln, wenn in dem ersten Betriebsmodus (BM1) kein Umgreifen des Handgerätes detektiert worden ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei diese ausgestaltet ist zyklisch von dem ersten Betriebsmodus (BM1) in den zweiten Betriebsmodus (BM2) zu wechseln.
Verwendung einer Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 in einem Handgerät, insbesondere elektrisches Handgerät, wobei die Sensoreinrichtung ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.