DE102010044778B4

DE102010044778B4 - Elektrodeneinrichtung, Schaltungsanordnung sowie Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion

Info

Publication number: DE102010044778B4
Application number: DE102010044778A
Authority: DE
Inventors: Claus Kaltner
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: DE102010044778A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Elektrodeneinrichtung für eine kapazitive Sensoreinrichtung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, wobei die erste Elektrodenstruktur in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist. In dem ersten Betriebsmodus ist an einer Empfangselektrode der ersten Elektrodenstruktur ein erstes elektrisches Signal abgreifbar und eine Sendeelektrode der ersten Elektrodenstruktur mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar. In dem zweiten Betriebsmodus ist zumindest eine Elektrode der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar und an zumindest einer Feldmesselektrode der zweiten Elektrodenstruktur ein zweites elektrisches Signal abgreifbar. Die Elektrodeneinrichtung ermöglicht es, zwischen einem Umgreifen der Elektrodenstruktur durch eine Hand und einer Annäherung an die Elektrodenstruktur zu unterscheiden, wobei nach der Detektion des Umgreifens durch eine Hand die erste Elektrodenstruktur in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Bereitgestellt wird auch eine Schaltungsanordnung zum Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung, sowie ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinrichtung zur Annäherungs- und Berührungsdetektion, insbesondere zur Detektion einer Annäherung an ein elektrisches Gerät bzw. einer Berührung eines elektrischen Gerätes durch ein Objekt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung sowie ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion mit einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung bzw. einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind kapazitive Sensoreinrichtungen bekannt, welche beispielsweise an einem Handgerät angeordnet werden können, um eine Annäherung an das Handgerät durch eine Hand zu detektieren. Aufgrund einer Veränderung der dielektrischen Eigenschaften im Bereich der Sensorelektroden der kapazitiven Sensoreinrichtung kann auf eine Annäherung, beispielsweise einer Hand, an die Sensoreinrichtung geschlossen werden.
Nachteilig ist hierbei, dass nicht eindeutig zwischen einer Annäherung an das Handgerät und einem Berühren des Handgerätes unterschieden werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nach einer Detektion einer Berührung durch eine Hand eine weitere Annäherung an die Sensoreinrichtung, etwa einer zweiten Hand, nicht mehr zuverlässig detektierbar ist.
Aus der DE 10 2009 016 355 B3 ist ein elektrisches Handgerät bekannt, welches auf einer Ablagefläche abgelegt werden kann und welches sich bei Gebrauch von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus überführen lässt. Hierzu sind an dem Gehäuse des Handgerätes eine Sendeelektrode, eine Empfangselektrode und eine Kompensationselektrode angeordnet, mit welchen eine Annäherung einer Hand an das Handgerät detektierbar ist. Die Empfangselektrode ist am Signaleingang einer Auswerteeinrichtung angeschlossen. Die Sendeelektrode und die Kompensationselektrode sind jeweils mit einem Signalgenerator gekoppelt, welcher die Sendeelektrode und die Kompensationselektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt.
Aus der US 2007/0119698 A1 ist ein System bekannt, welches es ermöglicht, als Reaktion auf eine Benutzereingabe einen Betriebsmodus, etwa eines Mobiltelefons, zu ändern. Vorgesehen sind hierzu ein Drucksensor und ein Annäherungssensor, mit denen Benutzereingaben detektiert werden können. Die Benutzereingaben werden detektiert, indem Signale des Drucksensors und des Annäherungssensors ausgewertet werden. Als Annäherungssensor ist ein kapazitiver Sensor vorgesehen, mit dem eine Kapazität zwischen zwei oder mehreren Elektroden detektiert werden kann, wobei einer ersten Elektrode ein Signal beaufschlagt wird, welches an der zweiten Elektrode empfangen wird. Nähert sich ein Objekt den beiden Elektroden, ändert sich die Kapazität und damit das von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode übertragene Signal.
Aus der US 2003/0009273 A1 ist ein Sitzbelegungs-Detektionssystem für Fahrzeug bekannt, das einen kapazitiven Sensor umfasst, der ein elektrisches Feld erzeugt und mit dem eine Beeinflussung des elektrischen Feldes durch eine Person detektiert werden kann.
Aus der US 6,320,282 B1 ist ein Berührungsschalter bekannt, der eine erste Elektrode und eine die erste Elektrode umgebende zweite Elektrode umfasst, die ein elektrisches Feld erzeugen. Durch eine Annäherung, etwa einer Person, wird das elektrische Feld gestört. Die Störung des elektrischen Feldes wird detektiert und ein Kontrollsignal erzeugt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, ein Berühren eines Handgerätes, beispielsweise durch eine Hand, zu detektieren und nach dem Berühren des Handgerätes durch die Hand eine weitere Annäherung an das Handgerät, beispielsweise einer zweiten Hand, zuverlässig zu detektieren.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrodeneinrichtung, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demnach wird in einem ersten Aspekt der Erfindung eine Elektrodeneinrichtung für eine kapazitive Sensoreinrichtung bereitgestellt, welche umfasst

– eine erste Elektrodenstruktur mit zumindest einer Sendeelektrode und zumindest einer Empfangselektrode, wobei die erste Elektrodenstruktur in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, und
– eine zweite Elektrodenstruktur mit zumindest einer Feldmesselektrode, wobei
– in dem ersten Betriebsmodus an der zumindest einen Empfangselektrode ein erstes elektrisches Signal abgreifbar ist und die zumindest eine Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, und wobei in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Feldmesselektrode inaktiv ist, und/oder
– in dem zweiten Betriebsmodus zumindest eine Elektrode der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist und an der zumindest einen Feldmesselektrode ein zweites elektrisches Signal abgreifbar ist.

Damit wird es in vorteilhafter Weise möglich, eine kapazitive Sensoreinrichtung sowohl zur Annäherungs- als auch zur Berührungsdetektion zu verwenden, wobei insbesondere eine weitere Annäherung an die Sensoreinrichtung detektiert werden kann, nachdem ein Berühren der Sensoreinrichtung detektiert worden ist. Weil die erste Elektrodenstruktur in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei die Empfangselektrode in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Wechselsignal beaufschlagt werden kann, kann die Detektionsgenauigkeit der Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus wesentlich verbessert werden. Der Einfluss einer die Sensoreinrichtung berührenden Hand kann für die Detektion der Annäherung nahezu eliminiert werden. Die Detektionsgenauigkeit kann zudem in vorteilhafter Weise durch Auswahl der Elektroden, welche mit einem Wechselsignal beaufschlagt werden, der ersten Elektrodenstruktur angepasst werden.
Die erste Elektrodenstruktur kann zusätzlich zumindest eine Kompensationselektrode umfassen, wobei

– in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, und/oder
– in dem zweiten Betriebsmodus zumindest eine Elektrode der ersten Elektrodenstruktur mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.

Durch das Vorsehen der Kompensationselektrode kann in dem ersten Betriebsmodus die Detektion des Umgreifens durch ein Hand verbessert werden, während im zweiten Betriebsmodus die Detektion der Annäherung verbessert werden kann, wenn neben der Sendeelektrode oder der Empfangselektrode auch die Kompensationselektrode mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird. Es können wahlweise alle Elektroden der ersten Elektrodenstruktur oder nur einige der Elektroden der ersten Elektrodenstruktur mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn

– in dem ersten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld in die Empfangselektrode einkoppelbar ist, und
– in dem zweiten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld und/oder ein an der Empfangselektrode emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld und/oder ein an der Kompensationselektrode emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld in die zumindest eine Feldmesselektrode einkoppelbar sind.

In Abhängigkeit davon, an welchen Elektroden der ersten Elektrodenstruktur ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, kann die Detektionsgenauigkeit und die Sensitivität in dem zweiten Betriebsmodus eingestellt werden.
Das zweite elektrische Wechselsignal ist vorzugsweise so gewählt, dass in dem ersten Betriebsmodus das an der Kompensationselektrode emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode einkoppelbar ist.
Vorzugsweise ist in dem ersten Betriebsmodus das zweite elektrische Wechselsignal phasenverschoben zu dem ersten elektrischen Wechselsignal und weist vorzugsweise eine geringere Amplitude auf als das erste elektrische Wechselsignal. Damit kann sichergestellt werden, dass das an der Sendeelektrode emittierte elektrische Wechselfeld in dem ersten Betriebsmodus nicht vollständig durch das an der Kompensationselektrode emittierte elektrische Wechselfeld ausgelöscht wird.
In dem zweiten Betriebsmodus kann die zumindest eine Kompensationselektrode mit einem vierten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar sein.
In dem zweiten Betriebsmodus kann die zumindest eine Empfangselektrode mit einem dritten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar sein.
In dem zweiten Betriebsmodus kann die zumindest eine Sendeelektrode mit dem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar sein, wobei in dem zweiten Betriebsmodus das zweite elektrische Wechselsignal im Wesentlichen phasengleich zu dem ersten elektrischen Wechselsignal ist.
Vorzugsweise sind

– in dem ersten Betriebsmodus das an der zumindest einen Empfangselektrode abgegriffene erste elektrische Signal, und/oder
– in dem zweiten Betriebsmodus das an der zumindest einen Feldmesselektrode abgegriffene zweite elektrische Signal

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Betrieb einer Elektrodeneinrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung umfasst

– eine Auswerteeinrichtung, welche mit der ersten Elektrodenstruktur und mit der zweiten Elektrodenstruktur koppelbar ist, und
– zumindest eine Signalerzeugungseinrichtung, welche mit der ersten Elektrodenstruktur koppelbar ist,

– in dem ersten Betriebsmodus ein an der zumindest einen Empfangselektrode abgegriffenes erstes elektrisches Signal der Auswerteeinrichtung zuführbar ist und durch die Auswerteeinrichtung auswertbar ist, und die Signalerzeugungseinrichtung ein erstes elektrisches Wechselsignal erzeugt, welches an der zumindest einen Sendeelektrode beaufschlagbar ist, und wobei in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Feldmesselektrode inaktiv ist, und/oder
– in dem zweiten Betriebsmodus die Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, welches zumindest einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur beaufschlagbar ist, und ein an der zumindest einen Feldmesselektrode abgegriffenes zweites elektrisches Signal der Auswerteeinrichtung zuführbar ist und durch die Auswerteeinrichtung auswertbar ist.

In dem ersten Betriebsmodus kann die Signalerzeugungseinrichtung ein zweites elektrisches Wechselsignal erzeugen, welches der zumindest einen Kompensationselektrode beaufschlagbar ist, und in dem zweiten Betriebsmodus kann die Signalerzeugungseinrichtung ein elektrisches Wechselsignal erzeugen, welches zumindest einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur beaufschlagbar ist.
Dem ersten Betriebsmodus kann ein erster Schwellenwert zuordenbar sein, wobei die Auswerteeinrichtung und die Signalerzeugungseinrichtung ausgestaltet sind, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln, sobald das erste elektrische Signal den ersten Schwellenwert überschreitet.
Dem zweiten Betriebsmodus kann ein zweiter Schwellenwert zuordenbar sein, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, den zweiten Schwellenwert in Abhängigkeit von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendelektrode und der Empfangselektrode in dem ersten Betriebsmodus zu wählen.
Vorzugsweise kann die Auswerteeinrichtung ausgestaltet sein

– ein erstes Detektionssignal bereitzustellen, sobald das erste elektrische Signal den ersten Schwellenwert überschreitet, und/oder
– ein zweites Detektionssignal bereitzustellen, sobald das zweite elektrische Signal den zweiten Schwellenwert überschreitet.

Die Schaltungsanordnung kann weiter umfassen einen Phasenschieber oder einen Inverter zum Ändern der Phasenlage des zweiten elektrischen Wechselsignals in dem ersten Betriebsmodus.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion bereitgestellt, welches zumindest folgende Schritte umfasst

– in einem ersten Betriebsmodus
– Auswerten eines an zumindest einer Empfangselektrode abgegriffenen ersten elektrischen Signals,
– Beaufschlagen zumindest einer Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal, und/oder
– in einem zweiten Betriebsmodus
– Beaufschlagen zumindest einer Elektrode einer ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal, und/oder
– Auswerten eines an einer zumindest einen Feldmesselektrode abgegriffenen zweiten elektrischen Signals.

Das Verfahren kann weiter die folgenden Schritte umfassen

– in einem ersten Betriebsmodus, Beaufschlagen zumindest einer Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal, und/oder
– in einem zweiten Betriebsmodus, Beaufschlagen zumindest einer Elektrode der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal.

Vorteilhaft ist es, wenn in dem zweiten Betriebsmodus zumindest zwei Elektroden der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. Ganz besonders vorteilhaft kann es sein, wenn in dem zweiten Betriebsmodus alle Elektroden der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Die Elektrodenstruktur kann in oder an einem elektrischen Handgeräte angeordnet werden. Das elektrische Handgerät kann eine Computermaus, ein Mobiltelefon, eine Fernbedienung, ein Eingabe- bzw. Steuermittel für eine Spielkonsole, ein Kleincomputer, oder dergleichen sein.
Bereitgestellt wird durch die Erfindung auch ein elektrisches Handgerät, insbesondere Computermaus, Mobiltelefon, Fernbedienung, Eingabe- bzw. Steuermittel für Spielkonsolen, Kleincomputer, oder dergleichen, welches eine erfindungsgemäße Elektrodenstruktur aufweist. Vorzugsweise ist die Elektrodenstruktur mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gekoppelt, welche vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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 drei Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, welche in einem ersten Betriebsmodus (Berührungsdetektion bzw. Detektion eines Umgreifens) betrieben werden;
2a–2c Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, welche in einem zweiten Betriebsmodus (Annäherungsdetektion) betrieben werden;
3 eine weitere Ausgestaltung von Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung für den Betrieb in dem ersten Betriebsmodus (Berührungsdetektion bzw. Detektion eines Umgreifens);
4a ein erstes Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
4b ein zweites Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
5 eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät; und
6a, 6b Beispiele für eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Feldmesselektroden für die Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt drei Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden. Als erster Betriebsmodus wird jener Betriebsmodus bezeichnet, in welchem ein Berühren der Sensoreinrichtung durch eine Hand detektiert wird. Die Sensorelektroden können an oder in einem elektrischen Handgerät angeordnet sein, um ein Berühren bzw. ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes zu detektieren. Beispiele einer Anordnung der Sensorelektroden an einem Handgerät werden mit Bezug auf 5 und 6 näher beschrieben.
Die Sensoreinrichtung umfasst eine Sendeelektrode SE, eine Empfangselektrode EE und eine Feldmesselektrode FE. In dem ersten Betriebsmodus, d. h. in dem Betriebsmodus, in welchem das Berühren der Sensoreinrichtung bzw. das Berühren eines elektrischen Handgerätes, in welchem die Sensoreinrichtung angeordnet ist, durch eine Hand detektiert wird, wird die Sendeelektrode SE mit einer ersten elektrischen Wechselgröße einer bestimmten Frequenz und Amplitude beaufschlagt. Die erste elektrische Wechselgröße kann von einem hier nicht gezeigten Signalgenerator bereitgestellt werden. Die erste elektrische Wechselgröße wird im Folgenden als erstes Wechselsignal oder als erstes elektrisches Wechselsignal bezeichnet.
Das an der Sendeelektrode SE beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS1 weist eine Frequenz von etwa zwischen 50 kHz und 300 kHz auf. Bevorzugt weist das an der Sendeelektrode SE beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal eine Frequenz zwischen 75 kHz und 150 kHz auf.
Die Sendeelektrode SE bzw. das an ihr beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal WS1 sind so ausgelegt, dass das von der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist. Insbesondere ist die Sendeelektrode SE bzw. das an ihr beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal WS1 so ausgelegt, dass das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS bei einer Annäherung, etwa einer Hand, an die Sensorelektrode SE und an die Empfangselektrode EE über die sich annähernde Hand in die Empfangselektrode EE einkoppelt. Das in die Empfangselektrode EE eingekoppelte elektrische Wechselfeld WS bewirkt, dass zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein Feldstrom fließt, welcher als Indikator für die Annäherung einer Hand an die Sendelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. für ein Berühren der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE durch eine Hand verwendet wird.
Die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE sind an einem Handgerät vorzugsweise so relativ zueinander angeordnet, dass das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS nur im Wesentlichen dann in die Empfangselektrode einkoppelt, wenn das Handgerät von einer Hand umgriffen wird.
Wenn keine Hand in der Nähe der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ist bzw. wenn die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE nicht von einer Hand berührt werden, weist der in der Empfangselektrode EE fließende elektrische Strom einen Pegel auf, welcher unterhalb eines vorbestimmten Schaltpegels liegt. Erst bei einem ausreichend kleinen Abstand einer Hand zu den Elektroden SE, EE übersteigt der in der Empfangselektroden EE fließende elektrische Strom den vorbestimmten Schaltpegel, so dass eine Annäherung an diese beiden Elektroden detektiert wird. Vorzugsweise wird der vorbestimmte Schaltpegel erst dann überstiegen, wenn die Elektroden SE und EE von einer Hand berührt werden.
In dem ersten Betriebsmodus ist die in 1 gezeigte Feldmesselektrode FE inaktiv, d. h. dass an der Feldmesselektrode FE weder ein Wechselsignal beaufschlagt wird, noch ein elektrisches Signal an der Feldmesselektrode FE abgegriffen wird. Die Feldmesselektrode FE ist dazu vorgesehen, eine Annäherung, beispielsweise einer weiteren Hand, an die Sensoreinrichtung zu detektieren, nachdem in dem ersten Betriebsmodus eine Annäherung an die Sendeelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. ein Berühren der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE durch eine Hand detektiert worden ist.
Sobald der zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE fließende Feldstrom einen vorbestimmten Schwellenwert bzw. einen vorbestimmten Schaltpegel überschreitet, wechselt die Sensoreinrichtung von dem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus. In dem zweiten Betriebsmodus wird eine weitere Annäherung, etwa einer zweiten Hand an die Sensoreinrichtung detektiert. Die Detektion einer weiteren Annäherung an die Sensoreinrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf die 2a, 2b und 2c näher erläutert.
2a zeigt die in 1 gezeigten Sensorelektroden SE, EE, FE, welche in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. In diesem zweiten Betriebsmodus wird die Sendeelektrode SE mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt, so dass an der Sendeelektrode SE ein elektrisches Wechselfeld WS emittiert wird. In dem zweiten Betriebsmodus wird die Empfangselektrode EE ebenfalls als eine Sendeelektrode verwendet, d. h. an der Empfangselektrode EE wird ein zweites elektrisches Wechselsignal WS2 beaufschlagt, so dass an der Empfangselektrode EE ein elektrisches Wechselfeld WE emittiert wird.
Die an der Sendeelektrode SE und an der Empfangselektrode EE beaufschlagten elektrischen Wechselsignale WS1, WS2 sind so ausgelegt, dass die an der Sendeelektrode SE bzw. an der Empfangselektrode EE abgestrahlten elektrischen Wechselfelder WS bzw. WE in die Feldmesselektrode FE einkoppeln. Die elektrischen Wechselsignale WS1, WS2 sind insbesondere so ausgelegt, dass die an der Sendeelektrode SE bzw. an der Empfangselektrode EE abgestrahlten elektrischen Wechselfelder WS und WE dann in die Feldmesselektrode FE einkoppeln, wenn sich ein Objekt, beispielsweise eine Hand, der Sensoreinrichtung annähert, so dass die elektrischen Wechselfelder WS, WE über die sich annähernde Hand in die Feldmesselektrode FE einkoppeln.
Die elektrischen Wechselsignale WS1 und WS2 können identisch sein, d. h. sie können jeweils die gleiche Amplitude, gleiche Frequenz und gleiche Phasenlage aufweisen.
Die elektrischen Wechselsignle WS1 und WS2 können aber auch verschieden sein, wobei die Signalparameter Amplitude, Frequenz und/oder Phasenlage verschieden sein können.
Eine Feldkoppelung zwischen den Elektroden SE, EE und der Feldmesselektrode FE ist in 2b gezeigt. In diesem Beispiel wird die Sensoreinrichtung, welche beispielsweise in einem elektrischen Handgerät angeordnet sein kann, von einem Benutzer an sein Ohr geführt, so dass die elektrischen Wechselfelder WS und WE über den Kopf des Benutzers in die Feldmesselektrode FE einkoppeln. Die an der Feldmesselektrode FE eingekoppelten Wechselfelder WS und WE, d. h. dass aus den Wechselfeldern WS und WE resultierenden Wechselfeld, bewirkt, dass zwischen den Elektroden SE und EE und der Feldmesselektrode FE ein Feldstrom fließt, welcher als Indikator für die Annäherung eines Objektes, beispielsweise eines Kopfes, an die Sensoreinrichtung verwendet werden kann, nachdem eine Annäherung bzw. ein Berühren der Sensoreinrichtung in den ersten Betriebsmodus stattgefunden hat.
Beim Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird die Empfangselektrode EE von einem Empfangsmodus in einen Sendemodus umgeschaltet. Dadurch addieren sich die beiden Koppelkapazitäten zwischen der Sendeelektrode SE und dem Kopf des Benutzers und zwischen der Empfangselektrode EE und dem Kopf des Benutzers. Durch den Betrieb der Empfangselektrode EE in dem zweiten Betriebsmodus als weisere Sendeelektrode wird der Einfluss der Empfangselektrode EE auf die Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus, welcher sich ergeben würde, wenn die Empfangselektrode EE in dem zweiten Betriebsmodus weiterhin als Empfangselektrode betrieben wurde, verringert, weil die Empfangselektrode EE keinen Spannungsteiler bildet, welcher den in der Feldmesselektrode FE fließenden Feldstrom beeinflusst.
Beim Umschalten in den zweiten Betriebsmodus kann auch das erste elektrische Wechselsignal WS1 geändert werden, d. h. es kann z. B. die Frequenz und/oder die Amplitude angepasst werden.
Die Detektion einer Annäherung an die Sensoreinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus wird dabei nahezu vollständig unabhängig von der Berührung der Sensoreinrichtung durch eine Hand, welche in dem ersten Betriebsmodus detektiert worden ist. Die Detektion der Annäherung an die Sensoreinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus wird dabei deutlich robuster und der an der Feldmesselektrode FE gemessene Feldstrom kann als zuverlässiges Maß für die Annäherung des Benutzers an die Sensoreinrichtung herangezogen werden.
Sobald der an der Feldmesselektrode FE fließende Feldstrom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann dies als Indikator für eine bestimmte Annäherung des Benutzers an die Sensoreinrichtung herangezogen werden.
Um die Detektionsgenauigkeit und die Robustheit der Annäherungsdetektion in den zweiten Betriebsmodus noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, den Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit vom Schwellenwert im ersten Betriebsmodus zu wählen. Damit wird erreicht, dass der Abstand eines Benutzers zur Sensoreinrichtung, bei welchem im zweiten Betriebsmodus der Schwellenwert überschritten wird, im Wesentlichen konstant bleibt. Das bedeutet, dass der Abstand, bei welchem der Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus überschritten wird, unabhängig davon ist, wie beispielsweise ein Handgerät mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gehalten wird oder wie fest ein Handgerät von einer Hand umgriffen wird.
Der Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus wird im Wesentlichen in Abhängigkeit von der kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung über den Benutzer zur Erde eingestellt. Bei einer geringen kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung über den Benutzer gegen Erde wird in dem ersten Betriebsmodus zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein großer Feldstrom fließen, so dass der Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus entsprechend angehoben werden kann. Ist die kapazitive Koppelung zwischen der Sensoreinrichtung über den Benutzer gegen Erde besonders gut, wird in dem ersten Betriebsmodus zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein wesentlich kleinerer Strom fließen, so dass der Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus auch entsprechend klein eingestellt wird.
Dem Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus kann beispielsweise eine Gerätefunktion zugeordnet werden, welche ausgelöst wird, sobald der zweite Schwellenwert überschritten wird. Ist beispielsweise die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in einem Mobiltelefon angeordnet, kann dem Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus eine Gerätefunktion des Mobiltelefon zugeordnet sein, welche beim Überschreiten dieses Schwellenwertes das Display des Mobiltelefon ausschaltet. Indem der Schwellenwert in den zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Schwellenwert in dem ersten Betriebsmodus gewählt wird, wird vermieden, dass ein Benutzer unterschiedliche Auslöseschwellen, beispielsweise für das Abschalten des Displays eines Mobiltelefons, bemerkt bzw. wahrnimmt.
Um die Detektionsgenauigkeit und die Robustheit der Annäherungsdetektion in den zweiten Betriebsmodus noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, eine in dem ersten Betriebsmodus vorgesehene Kompensationselektrode ebenfalls als Sendeelektrode in dem zweiten Betriebsmodus zu verwenden, wie in 2c gezeigt. Die Funktion der Kompensationselektrode in dem ersten Betriebsmodus wird mit Bezug auf 3 näher beschrieben.
2c zeigt die mit Bezug auf 2a beschriebenen Elektroden SE, EE und FE, welche in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Zusätzlich zu den SE, EE und FE wird auch die Kompensationselektrode KE in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Die Kompensationselektrode KE wird mit einem dritten elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, sodass an der Kompensationselektrode KE ein drittes elektrisches Wechselfeld WK emittiert wird. Im Gegensatz zum ersten Betriebsmodus ist das dritte elektrische Wechselsignal WS3 nicht phasenverschoben zum ersten elektrischen Wechselsignal WS1, sondern im Wesentlichen phasengleich zum ersten elektrischen Wechselsignal WS1, um eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit zu gewährleisten.
Bei einer sich im zweiten Betriebsmodus an die Sensoreinrichtung annähernden Hand wird nun auch das dritte elektrische Wechselfeld WK über die Hand in die Feldmesselektroden FE eingekoppelt. Eine ausreichende Koppelung zur Detektion der Annäherung in dem zweiten Betriebsmodus kann so noch besser gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß kann aber auch nur eine oder nur zwei der drei Elektroden SE, KE und EE im zweiten Betriebsmodus als Sendelektroden verwendet werden, was letztlich von der kapazitiven Umgebung und von dem konkreten Anwendungsfall abhängt. Beispielsweise können auch nur die Empfangselektrode EE und die Kompensationselektrode KE als Sendeelektroden für den zweiten Betriebsmodus vorgesehen sein (wenn die Kompensationselektrode KE nahe an der Empfangselektrode EE angeordnet ist). In einem weiteren Anwendungsfall kann auch lediglich die Kompensationselektrode KE als Sendeelektrode für den zweiten Betriebsmodus vorgesehen sein. Die in dem zweiten Betriebsmodus nicht als Sendeelektroden verwendeten Elektroden werden vorzugsweise von der Auswerteeinrichtung getrennt, um keinen Spannungsteiler zu bilden, was sich negativ auf die Annäherungsdetektion auswirken würde.
3 zeigt die Sensorelektroden SE, KE, EE einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden. Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Sensorelektroden weist die Sensoreinrichtung eine Kompensationselektrode KE auf.
Die Kompensationselektrode KE wird in dem ersten Betriebsmodus mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, welches vorzugsweise die Wellenform und die Frequenz des elektrischen Wechselsignals WS1 aufweist, mit welchem die Sendeelektrode SE beaufschlagt wird. Das elektrische Wechselsignal WS3, mit welchem die Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird, ist gegenüber dem elektrischen Wechselsignal WS1 an der Sendeelektrode SE phasenverschoben. Die Phasenverschiebung kann beispielsweise mit einem Phasenschieber bewerkstelligt werden, wie mit Bezug auf 4 näher beschrieben wird. Anstelle eines Phasenschiebers kann auch Inverter vorgesehen sein. Zusätzlich zum Phasenschieber bzw. Inverter kann auch ein Dämpfungsglied vorgesehen sein, um die die Amplitude des an der Kompensationselektrode beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS3 zu dämpfen.
Die Kompensationselektrode KE bzw. das ihr beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS3 ist so ausgelegt, dass das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld WK in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist.
Durch das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld WK wird der Pegel des an der Empfangselektrode EE einwirkenden elektrischen Wechselfeldes, welches aus den elektrischen Wechselfeldern WS und WK resultiert, reduziert bzw. bei einer gegenphasigen Überlagerung, d. h. bei einer Phasenverschiebung von 180° (nahezu) ausgelöscht.
Bei einer sich an die Elektroden SE, KE und EE annähernden Hand wird die Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE zunehmend besser, weil das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS teilweise über die sich annähernde Hand in die Empfangselektrode EE einkoppelt und sich somit dem Wirkungsbereich des an der Kompensationselektrode KE emittierten elektrischen Wechselfeldes WK entzieht. Die sich annähernde Hand wirkt dabei quasi als Überbrückung der Kompensationselektrode KE.
Die Anordnung der Sendeelektrode SE, der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE an einem elektrischen Handgerät ist vorzugsweise so gewählt, dass der Überbrückungseffekt zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE nicht mit einem einzelnen Finger herstellbar ist, so dass bei einer entsprechenden Anordnung der Sendeelektrode SE relativ zur Empfangselektrode EE ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zuverlässig detektiert werden kann. Damit wird erreicht, dass ein Umgreifen eines Handgerätes zuverlässig detektiert werden kann, bevor die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird.
4a zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Elektroden FE, EE, KE und SE sind jeweils mit einer Auswerteeinrichtung A gekoppelt. Die Kompensationselektrode KE und die Sendeelektrode SE sind dabei so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass diese von der Auswerteeinrichtung A jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 bzw. WS1 beaufschlagbar sind. Die Feldmesselektroden FE sind so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass ein an den Feldmesselektroden FE anliegendes elektrisches Signal S2 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die Empfangselektrode EE ist so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus der Sensoreinrichtung die Empfangselektrode EE entweder mit einem elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagbar ist oder ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die in 4a gezeigte Schalterstellung der Schalter T1 und T2 entspricht der Schalterstellung in dem zweiten Betriebsmodus. Wie aus 4a erkennbar ist, wird in diesem zweiten Betriebsmodus die Sendeelektrode SE von einem Signalgenerator G mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt und die Empfangselektrode EE mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt. In einer Ausführungsform können die elektrischen Wechselsignal WS1 und WS2 identisch sein.
Alternativ kann das zweite elektrische Wechselsignal WS2 auch verschieden vom ersten elektrischen Wechselsignal WS1 sein. Um dies zu erreichen, kann das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Signal zunächst einem Modulationsglied M zugeführt werden. Das vom Modulationsglied M bereitgestellte modulierte, d. h. verändere Generatorsignal wird dann an der Empfangselektrode EE beaufschlagt. Das Modulationsglied M kann etwa die Amplitude des Generatorsignals ändern. Anstelle des Modulationsgliedes M kann auch ein zweiter Signalgenerator vorgesehen sein, welcher ein vom ersten elektrischen Wechselsignal WS1 verschiedenes zweites elektrisches Wechselsignal WS2 bereitstellt.
Der Schalter T1 befindet sich in geöffneter Stellung, so dass die Kompensationselektrode KE von dem Signalgenerator G nicht mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird. In diesem hier gezeigten Betriebsmodus wird an der Sendeelektrode SE und an der Empfangselektrode EE jeweils ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welches in die Feldmesselektroden FE einkoppelt. Das an der Feldmesselektrode FE abgegriffene Signal S2 wird der Auswerteeinrichtung A zugeführt.
In dem ersten Betriebsmodus, d. h. in dem Betriebsmodus, in welchem die Annäherung an die Sendeelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. die Berührung der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE detektiert wird, befindet sich der Schalter T1 in geschlossener Stellung und der Schalter T2 befindet sich in einer Stellung, in welcher das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Wechselsignal WS2 nicht an der Empfangselektrode EE beaufschlagt wird. In dem ersten Betriebsmodus wird das an der Empfangselektrode EE abgegriffene Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zugeführt. Die Kompensationselektrode KE wird mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, welches phasenverschoben zu dem an der Sendeelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS1 ist. Hierzu kann beispielsweise ein Phasenschieber Δφ vorgesehen sein. Die Phasenverschiebung kann zwischen 0° und 180° eingestellt werden. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass eine Phasenverschiebung zwischen 90° und 180° und besonders bevorzugt eine Phasenverschiebung zwischen 140° und 180° besonders vorteilhaft sind.
In einer weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsform kann anstelle eines Phasenschiebers auch ein Inverter vorgesehen sein, mit welchem das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Wechselsignal invertiert wird. Vorzugsweise wird das elektrische Wechselsignal WS2 gedämpft, so dass an der Kompensationselektrode KE im Wesentlichen ein Wechselsignal WS3 beaufschlagt wird, welches 180° phasenverschoben zu dem Wechselsignal WS1 an der Sendeelektrode SE ist und gleichzeitig eine kleinere Amplitude als das Wechselsignal WS1 aufweist.
Die Auswerteeinrichtung A stellt in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Detektionssignale DS1 und DS2 bereit, wobei das Detektionssignal DS1 als Indikator für ein Überschreiten des ersten Schwellenwertes in dem ersten Betriebsmodus und das zweite Detektionssignal DS2 als Indikator für ein Überschreiten des zweiten Schwellenwertes in dem zweiten Betriebsmodus verwendet werden können.
4b zeigt ein zweites Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Elektroden FE, EE, KE und SE sind jeweils mit einer Auswerteeinrichtung A gekoppelt. Die Kompensationselektrode KE und die Sendeelektrode SE sind dabei so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass diese von der Auswerteeinrichtung A jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal WS2 bzw. WS1 beaufschlagbar sind. Die Feldmesselektroden FE sind so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass ein an den Feldmesselektroden FE anliegendes elektrisches Signal S2 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die Empfangselektrode EE ist so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus der Sensoreinrichtung die Empfangselektrode EE entweder mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagbar ist oder ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die in 4b gezeigte Schalterstellung der Schalter T1, T2, T3 und T4 entspricht der Schalterstellung in dem zweiten Betriebsmodus. Wie aus 4b erkennbar ist, wird in diesem zweiten Betriebsmodus die Sendeelektrode SE von einem Signalgenerator G mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt. Die Empfangselektrode EE wird mit einem elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt. Einer Ausführungsform können die elektrischen Wechselsignale WS1 und WS2 identisch sein.
Alternativ kann das elektrische Wechselsignal WS2 auch verschieden vom elektrischen Wechselsignal WS1 sein. Um dies zu erreichen, kann das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Signal zunächst einem ersten Modulationsglied M1 zugeführt werden. Das vom Modulationsglied M1 bereitgestellte modulierte, d. h. veränderte Generatorsignal wird dann der Empfangselektrode EE beaufschlagt. Das Modulationsglied M1 kann etwa die Amplitude des Generatorsignals ändern. Anstelle des Modulationsgliedes M1 kann auch ein zweiter Signalgenerator vorgesehen sein, welcher ein vom elektrischen Wechselsignal WS1 verschiedenes elektrisches Wechselsignal WS2 bereitstellt.
Der Schalter T1 befindet sich in geöffneter Stellung, so dass die Kompensationselektrode KE nicht mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, welches phasenverschoben zu dem von dem Signalgenerator G bereitgestellten elektrischen Wechselsignal ist. In dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel wird das von dem Signalgenerator G bereitgestellte elektrische Wechselsignal direkt der Kompensationselektrode KE beaufschlagt, weil der Schalter T3 geschlossen ist. Zusätzlich kann ein weiteres Modulationsglied M2 vorgesehen sein, um das von dem Signalgenerator G bereitgestellte elektrische Wechselsignal zu modulieren, bevor es der Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird. Das Modulationsglied M2 kann etwa die Amplitude des Generatorsignals ändern.
Zwischen dem Signalgenerator G und der Sendeelektrode SE ist ebenfalls ein Schalter T4 vorgesehen, welcher sich hier in einer geschlossenen Stellung befindet. Zusätzlich kann auch das an der Sendeelektrode SE beaufschlagte Generatorsignal einem hier nicht gezeigten Modulationsglied zugeführt werden, bevor es der Sendeelektrode SE beaufschlagt wird.
In dem ersten Betriebsmodus, d. h. in dem Betriebsmodus, in welchem die Annäherung an die Sendeelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. die Berührung der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE detektiert wird, befindet sich der Schalter T1 in geschlossener Stellung und der Schalter T2 befindet sich in einer Stellung, in welcher das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Wechselsignal WS2 nicht der Empfangselektrode EE beaufschlagt wird. Der Schalter T3 befindet sich in einer offenen Stellung und der Schalter T4 befindet sich in einer geschlossenen Stellung.
In dem ersten Betriebsmodus wird das an der Empfangselektrode EE abgegriffene Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zugeführt. Die Kompensationselektrode KE wird in dem ersten Betriebsmodus mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, welches phasenverschoben zu dem der Sendeelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS1 ist. Hierzu kann beispielsweise ein Phasenschieber Δφ vorgesehen sein. Die Phasenverschiebung kann zwischen 0° und 180° eingestellt werden. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass eine Phasenverschiebung zwischen 90° und 180° und besonders bevorzugt eine Phasenverschiebung zwischen 140° und 180° vorteilhaft sind. Anstelle des Phasenschiebers Δφ kann auch ein Inverter vorgesehen sein.
Mit Hilfe der Schalter T1, T2, T3 und T4 können im zweiten Betriebsmodus alle Elektroden der ersten Elektrodenstruktur, d. h. die Elektroden EE, KE und SE, jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. In einer entsprechenden Schalterstellung der Schalter T1 bis T4 können auch nur einige der Elektroden EE, KE und SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, lediglich die Empfangselektrode EE und die Kompensationselektrode KE in dem zweiten Betriebsmodus mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen. In diesem Fall würde sich der Schalter T4 in einer geöffneten Stellung befinden, um ein Beaufschlagen der Sendeelektrode SE mit einem Wechselsignal zu verhindern.
Es kann auch vorteilhaft sein, in dem zweiten Betriebsmodus nur die Empfangselektrode EE und die Sendeelektrode SE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen. In diesem Fall würde sich der Schalter T3 in einer geöffneten Stellung befinden. Weiter kann es vorteilhaft sein, lediglich die Empfangselektrode EE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, was durch Öffnen der Schalter T3 und T4 erreicht werden kann.
Welchen Elektroden EE, KE und SE ein elektrisches Wechselsignal beaufschlagt wird, hängt letztlich von dem konkreten Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ab.
Anstelle der in 4b gezeigten Schalter kann zum Bereitstellen der den Elektroden KE, SE und EE zu beaufschlagenden elektrischen Wechselsignale jeweils ein Signalgenerator bereitgestellt werden.
Weil alle Elektroden EE, KE und SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden können oder nur einige der Elektroden EE, KE und SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden können, ist es möglich, die kapazitive Koppelung in dem zweiten Betriebsmodus zwischen den Elektroden EE, KE, SE und den Feldmesselektroden FE über eine sich annähernde Hand einer sich ändernden kapazitiven Umgebung eines elektrischen Handgerätes, etwa ein Mobiltelefon anzupassen. Bei einer starken kapazitiven Koppelung des elektrischen Handgerätes mit Erde kann es vorteilhaft sein, allen drei Elektroden EE, KE und SE ein elektrisches Wechselsignal zu beaufschlagen, um eine ausreichende kapazitive Koppelung über die Hand zu der Feldmesselektrode FE bzw. zu den Feldmesselektroden FE zu gewährleisten und so bei Annäherung einer Hand an die Sensoreinrichtung einen ausreichend großen Pegelanstieg des Signals S2 zu erreichen.
Bei einer geringen kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung gegen Erde kann es hingegen ausreichend sein, nur eine oder nur zwei der drei Elektroden EE, KE, SE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen. Wie vielen bzw. welchen Elektroden EE, KE, SE ein elektrisches Wechselsignal beaufschlagt wird, kann etwa in dem ersten Betriebsmodus ermittelt werden. Vorzugsweise kann dies in dem ersten Betriebsmodus dann ermittelt werden, wenn die Sensoreinrichtung rocht von einer Hand umgriffen wird, wenn also das an der Sendeelektrode SE in dem ersten Betriebsmodus emittierte elektrische Wechselfeld nicht in die Empfangselektrode EE einkoppelt.
Erfindungsgemäß kann die in 4a und 4b gezeigte Sensoreinrichtung auch mit einer ersten Elektrodenstruktur betrieben werden, welche nur eine Sendeelektrode SE und eine Empfangselektrode EE aufweist, wobei die erste Elektrodenstruktur in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann. Dabei weist die zweite Elektrodenstruktur zumindest eine Feldmesselektrode FE auf. In dem ersten Betriebsmodus ist an der zumindest einen Empfangselektrode EE ein erstes elektrisches Signal S1 abgreifbar und die zumindest eine Sendeelektrode ist mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagbar. In dem zweiten Betriebmodus ist zumindest eine der Elektroden EE, SE der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar und an der zumindest eine Feldmesselektrode FE ist ein zweites elektrisches Signal S2 abgreifbar. Damit kann in dem zweiten Betriebsmodus nur die Sendeelektrode SE oder nur die Empfangselektrode EE oder beide Elektroden SE, EE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. Welche der Elektroden SE, EE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, hängt letztlich vom konkreten Anwendungsfall der kapazitiven Sensoreinrichtung ab.
Erfindungsgemäß kann die Elektrodeneinrichtung der in 4a und 4b gezeigten kapazitiven Sensoreinrichtung eine erste Elektrodenstruktur mit zumindest einer Sendeelektrode SE, zumindest einer Empfangselektrode EE und zumindest einer Kompensationselektrode KE aufweisen, wobei die erste Elektrodenstruktur in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann. Die Elektrodeneinrichtung weist ferner eine zweite Elektrodenstruktur mit zumindest einer Feldmesselektrode auf. In dem ersten Betriebsmodus kann an der zumindest einen Empfangselektrode EE ein erstes elektrisches Signal abgegriffen werden und zumindest eine Sendeelektrode SE kann mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. Ferner kann in dem ersten Betriebsmodus auch die Kompensationselektrode KE mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt werden. In dem zweiten Betriebsmodus kann zumindest eine der Elektroden EE, SE, KE der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Erfindungsgemäß ist es also möglich, in dem zweiten Betriebsmodus nur die Sendeelektrode SE oder nur die Empfangselektrode EE oder nur die Kompensationselektrode KE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
Alternativ können in dem zweiten Betriebsmodus auch nur die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können in dem zweiten Betriebsmodus auch nur die Kompensationselektrode KE und die Empfangselektrode EE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Des Weiteren können in einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus nur die Sendeelektrode SE und die Kompensationselektrode KE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Schließlich ist es möglich, in dem zweiten Betriebsmodus alle drei Elektroden SE, KE, EE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
Damit wird ein größtmögliches Maß an Flexibilität erreicht, so dass in dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von den konkreten Anforderungen an die kapazitive Sensoreinrichtung eine unterschiedliche Anzahl der Elektroden EE, SE, KE der ersten Elektrodenstruktur mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden können. Dies hat zudem den Vorteil, dass in Abhängigkeit von der kapazitiven Umgebung der kapazitiven Sensoreinrichtung jeweils nur so viele Elektroden der ersten Elektrodeneinrichtung mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden müssen, welche notwendig sind, um eine ausreichende kapazitive Koppelung zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur über eine das elektrische Handgerät umgreifende Hand sicherzustellen. Damit kann die kapazitive Sensoreinrichtung hinsichtlich ihres Energieverbrauches optimiert werden.
5 zeigt beispielhaft eine Anordnung der Elektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät, etwa ein Mobiltelefon. Im unteren Bereich des Handgeräts sind am linken Randbereich die Sendeelektrode SE und am rechten Randbereich die Empfangselektrode EE und gegebenenfalls die Kompensationselektrode KE angeordnet. Wird nun das elektrische Handgerät im unteren Bereich durch eine Hand umfasst, werden die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE durch die Hand zumindest teilweise überdeckt. Durch das Umgreifen des Handgeräts durch eine Hand kommt es zu einer signifikanten Vergrößerung der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE, was sich auf den in der Empfangselektrode EE fließenden Feldstrom auswirkt. Die Wirkungsweise ist bereits mit Bezug auf 1 und 3 beschrieben worden.
Im oberen Bereich des elektrischen Handgerätes ist hier eine Feldmesselektrode FE angeordnet. Die Feldmesselektrode FE ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei einem Umgreifen des Handgeräts durch eine Hand die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Feldmesselektrode FE nicht wesentlich beeinflusst bzw. nicht wesentlich verbessert wird. Nähert sich nun in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Hand der Feldmesselektrode FE, verbessert sich die kapazitive Koppelung zwischen den Elektroden SE, EE und der Feldmesselektrode FE signifikant, dass sich wiederum auf den in der Feldmesselektrode FE fließenden Feldstrom auswirkt.
Der untere Bereich des Handgerätes wird hier als „Grip-Zone” bezeichnet, der obere Bereich des Handgerätes wird als „Prox-Zone” bezeichnet. Ein mögliches Anwendungsszenario der in 5 gezeigten Elektrodenanordnung besteht darin, dass bei einem Mobiltelefon das Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand und die Annäherung des Mobiltelefons an ein Ohr des Benutzers detektiert werden können, wobei für die Annäherung des Mobiltelefons an das Ohr des Benutzers die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, nach dem ein Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand detektiert worden ist.
Die von der Auswerteeinrichtung bereitgestellten Detektionssignale DS1 bzw. DS2 können dann beispielsweise derart verwendet werden, dass bei einem eingehenden Anruf das Klingeln des Mobiltelefons abgestellt wird, sobald das Mobiltelefon durch eine Hand umgriffen wird und dass die Displaybeleuchtung des Mobiltelefons automatisch abgeschaltet wird, sobald das Mobiltelefon ans Ohr gehalten wird. Ebenso kann beim Umgreifen des Mobiltelefon oder sobald das Mobiltelefon ans Ohr gehalten wird, ein eingehender Anruf automatisch angenommen werden. Es müssen also keinerlei Tasten mehr betätigt werden, um einen eingehenden Anruf anzunehmen. Die Ergonomie und die Benutzerfreundlichkeit des Mobiltelefons können so deutlich verbessert werden. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung erreicht, dass sich die Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus unabhängig von der kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung zur Erde immer gleich verhält, d. h. dass der Abstand, bei welchem eine dem zweiten Schwellenwert zugeordnete Aktion ausgelöst wird, immer derselbe ist.
6a und 6b zeigen zwei weitere Beispiele für die Anordnung der Elektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät.
In 6a sind im unteren Bereich des Handgerätes die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE und gegebenenfalls die Kompensationselektrode KE angeordnet. Im oberen Bereich des Handgerätes sind an beiden Seiten jeweils eine Feldmesselektrode FE angeordnet.
In diesem Beispiel können die Feldmesselektroden FE als Ersatz für herkömmliche mechanische Tasten bzw. Schalter verwendet werden. Beispielsweise können die Feldmesselektroden FE bzw. das den Feldmesselektroden FE zugeordnete Detektionssignal mit einer Telefonbuchfunktion eines Mobiltelefons verknüpft sein. Umgreift ein Benutzer nun das Mobiltelefon mit einer Hand und nähert er sich beispielsweise nach dem Umgreifen mit dem Daumen der rechten oder der linken Feldmesselektrode FE, kann das Mobiltelefon automatisch in den Telefonbuchmodus umgeschaltet werden.
Mit der in 6b gezeigten Anordnung der Feldmesselektroden FE kann die Detektionsgenauigkeit für eine Annäherung an die Sensoreinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus noch weiter erhöht werden, da die Annäherung an das Mobiltelefon in dem zweiten Betriebsmodus auch unabhängig davon detektiert werden kann, ob sich ein Benutzer von rechts oder von links an das Mobiltelefon annähert.
Die hier gezeigte und beschriebene Sensoreinrichtung kann auch dazu verwendet werden, um ein Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, beim Umgreifen des Mobiltelefons von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu überführen. Dadurch kann der Energieverbrauch eines Mobiltelefons deutlich reduziert werden, indem das Mobiltelefon sich nur dann in dem Aktivmodus befindet, wenn es auch tatsächlich von einer Hand umgriffen wird bzw. sich in Benutzung befindet.
Vorstehend ist die Sensoreinrichtung am Beispiel eines Mobiltelefon näher erläutert worden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann auch in einer Computermaus, einer Fernbedienung, einem Eingabemittel für eine Spielkonsole, einem mobilen Kleincomputer, oder dergleichen angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann auch für größere elektrische Geräte vorgesehen sein, bei welchen es beispielsweise notwendig ist, eine Berührung des Gerätes zu detektieren und im Anschluss an die Berührung eine weitere Annäherung an das Gerät zu detektieren.

Claims

Elektrodeneinrichtung für eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend – eine erste Elektrodenstruktur (ES1) mit zumindest einer Sendeelektrode (SE) und zumindest einer Empfangselektrode (EE), wobei die erste Elektrodenstruktur (ES1) in einem ersten Betriebsmodus (BM1) und in einem zweiten Betriebsmodus (BM2) betreibbar ist, und – eine zweite Elektrodenstruktur mit zumindest einer Feldmesselektrode (FE), wobei – in dem ersten Betriebsmodus (BM1) an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) ein erstes elektrisches Signal (S1) abgreifbar ist und die zumindest eine Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) beaufschlagbar ist, und wobei in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die zumindest eine Feldmesselektrode (FE) inaktiv ist, – in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) zumindest eine Elektrode (EE, SE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist und an der zumindest einen Feldmesselektrode (FE) ein zweites elektrisches Signal (S2) abgreifbar ist.
Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrodenstruktur (ES1) zusätzlich zumindest eine Kompensationselektrode (KE) umfasst, wobei – in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die zumindest eine Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) beaufschlagbar ist, und – in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) zumindest eine Elektrode (EE, SE, KE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 2, wobei – in dem ersten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode (SE) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar ist, und – in dem zweiten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode (SE) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) und/oder ein an der Empfangselektrode (EE) emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld (WE) und/oder ein an der Kompensationselektrode (KE) emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld (WK) in die zumindest eine Feldmesselektrode (FE) einkoppelbar sind.
Elektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei das zweite elektrische Wechselsignal (WS2) so gewählt ist, dass in dem ersten Betriebsmodus (BM1) das an der Kompensationselektrode (KE) emittierte elektrische Wechselfeld (WK) im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar ist.
Elektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in dem ersten Betriebsmodus das zweite elektrische Wechselsignal (WS2) phasenverschoben zu dem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) ist und vorzugsweise eine geringere Amplitude aufweist als das erste elektrische Wechselsignal (WS1).
Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die zumindest eine Kompensationselektrode (KE) mit einem vierten elektrischen Wechselsignal (WS4) beaufschlagbar ist.
Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die zumindest eine Empfangselektrode (EE) mit einem dritten elektrischen Wechselsignal (WS3) beaufschlagbar ist.
Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die zumindest eine Sendeelektrode (SE) mit dem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) beaufschlagbar ist, wobei in dem zweiten Betriebsmodus das zweite elektrische Wechselsignal (WS2) im Wesentlichen phasengleich zu dem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) ist.
Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – in dem ersten Betriebsmodus das an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) abgegriffene erste elektrische Signal (S1), und – in dem zweiten Betriebsmodus das an der zumindest einen Feldmesselektrode (FE) abgegriffene zweite elektrische Signal (S2) indikativ für eine Annäherung eines Objektes an die Elektrodeneinrichtung sind.
Schaltungsanordnung für eine kapazitive Sensoreinrichtung zum Betrieb einer Elektrodeneinrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – eine Auswerteeinrichtung (A), welche mit der ersten Elektrodenstruktur (ES1) und mit der zweiten Elektrodenstruktur (ES2) koppelbar ist, und – zumindest eine Signalerzeugungseinrichtung (G), welche mit der ersten Elektrodenstruktur (ES1) koppelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (A) und die Signalerzeugungseinrichtung (G) in einem ersten Betriebsmodus (BM1) und in einem zweiten Betriebsmodus (BM2) betreibbar sind, wobei – in dem ersten Betriebsmodus (BM1) ein an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) abgegriffenes erstes elektrisches Signal (S1) der Auswerteeinrichtung (A) zuführbar ist und durch die Auswerteeinrichtung (A) auswertbar ist, die Signalerzeugungseinrichtung (G) ein erstes elektrisches Wechselsignal (WS1) erzeugt, welches an der zumindest einen Sendeelektrode (SE) beaufschlagbar ist, und wobei in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die zumindest eine Feldmesselektrode (FE) inaktiv ist, – in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) die Signalerzeugungseinrichtung (G) ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, welches zumindest einer Elektrode (EE, SE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) beaufschlagbar ist, und ein an der zumindest einen Feldmesselektrode (FE) abgegriffenes zweites elektrisches Signal (S2) der Auswerteeinrichtung (A) zuführbar ist und durch die Auswerteeinrichtung (A) auswertbar ist,
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, wobei in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die Signalerzeugungseinrichtung (G) ein zweites elektrisches Wechselsignal (WS2) erzeugt, welches an der zumindest einen Kompensationselektrode (KE) beaufschlagbar ist und wobei in dem zweiten Betriebsmodus (BM2) die Signalerzeugungseinrichtung (G) ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, welches zumindest einer Elektrode (EE, SE, KE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) beaufschlagbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei dem ersten Betriebsmodus (BM1) ein erster Schwellenwert zuordenbar ist und wobei die Auswerteeinrichtung (A) und die Signalerzeugungseinrichtung (G) ausgestaltet sind, von dem ersten Betriebsmodus (BM1) in den zweiten Betriebsmodus (BM2) zu wechseln, sobald das erste elektrische Signal (S1) den ersten Schwellenwert überschreitet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, wobei dem zweiten Betriebsmodus (BM2) ein zweiter Schwellenwert zuordenbar ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, den zweiten Schwellenwert in Abhängigkeit von der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendelektrode (SE) und der Empfangselektrode (EE) in dem ersten Betriebsmodus zu wählen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist – ein erstes Detektionssignal (DS1) bereitzustellen, sobald das erste elektrische Signal (S1) den ersten Schwellenwert überschreitet, und – ein zweites Detektionssignal (DS2) bereitzustellen, sobald das zweite elektrische Signal (S2) den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, weiter umfassend einen Phasenschieber oder einen Inverter zum Ändern der Phasenlage des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) in dem ersten Betriebsmodus (BM1).
Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion, umfassend folgende Schritte – in einem ersten Betriebsmodus – Auswerten eines an zumindest einer Empfangselektrode (EE) abgegriffenen ersten elektrischen Signals (S1), – Beaufschlagen zumindest einer Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1), und – in einem zweiten Betriebsmodus – Beaufschlagen zumindest einer Elektrode (EE, SE) einer ersten Elektrodenstruktur (ES1) mit einem elektrischen Wechselsignal, und – Auswerten eines an einer zumindest einen Feldmesselektrode (FE) abgegriffenen zweiten elektrischen Signals (S2), wobei in dem ersten Betriebsmodus (BM1) die zumindest eine Feldmesselektrode (FE) inaktiv ist.
Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend die folgenden Schritte – in einem ersten Betriebsmodus, Beaufschlagen zumindest einer Kompensationselektrode (KE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2), und – in einem zweiten Betriebsmodus, Beaufschlagen zumindest einer Elektrode (EE, SE, KE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) mit einem elektrischen Wechselsignal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei in dem zweiten Betriebsmodus zumindest zwei Elektroden (EE, KE, SE) der ersten Elektrodenstruktur (ES1) mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.