DE102010044820A1

DE102010044820A1 - Sensoreinrichtung sowie Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion

Info

Publication number: DE102010044820A1
Application number: DE102010044820A
Authority: DE
Inventors: Holger Erkens; Claus Kaltner
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2013537327A; DE102010044820B4; US20140118012A1; CN103141027A; KR20130105641A; WO2012031965A1; EP2460272A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Sensoreinrichtung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, wobei die erste Elektrodenstruktur eine Sendeelektrode, eine Kompensationselektrode und eine Empfangselektrode aufweist und wobei die zweite Elektrodenstruktur eine Feldsendeelektrode und zumindest eine Feldmesselektrode aufweist. Die erste Elektrodenstruktur ist ausgestaltet, um ein Umgreifen eines elektrischen Handgerätes zu detektieren, während die zweite Elektrodenstruktur angepasst ist, eine Annäherung eines Fingers, etwa der das Handgerät umgreifenden Hand an die zweite Elektrodenstruktur zu detektieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung, welche an einem elektrischen Handgerät anordenbar ist und welche angepasst ist, ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand und eine Annäherung an das elektrische Handgerät zu detektieren. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Das Handgerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon, eine Computermaus, eine Fernbedienung, ein Eingabemittel für eine Spielkonsole, ein mobiler Kleincomputer oder dergleichen sein.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
An einem elektrischen Gerät, etwa ein elektrisches Handgerät werden stets Mittel zur Bedienung des elektrischen Gerätes benötigt. Bei einem elektrischen Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, ist es üblich, dieses mit einem oder mehreren Fingern zu bedienen.
Es ist bekannt, zur Bedienung elektrischer Handgeräte elektrische Taster vorzusehen, dessen Betätigung mit Hilfe einer mit dem elektrischen Taster gekoppelten Auswerteschaltung ausgewertet wird. Neben der Nutzung von elektrischen Tastern ist es auch bekannt, die Bedienung eines elektrischen Handgerätes mittels kapazitiver Näherungssensoren zu detektieren, wobei einem detektierten Ereignis eine Gerätefunktion zugeordnet ist, welche zur Ausführung gebracht wird.
Nachteilig hierbei ist allerdings, dass die Detektion einer Fingerbewegung bzw. die Auslösung eines Schaltereignisses durch einen Finger in starker Maße von der das Handgerät umgreifenden Hand abhängt. Bei ungünstiger Position der Hand an dem elektrischen Handgerät kann die Hand die kapazitive Umgebung der kapazitiven Näherungssensoren derart beeinflussen, dass eine Annäherung eines Fingers an den kapazitiven Näherungssensor von diesem nicht mehr zuverlässig detektierbar ist. Dies kann dazu führen, dass das elektrische Handgerät nicht mehr bedient werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Bedienung eines elektrischen Handgerätes auf kapazitiver Basis zu detektieren, wobei insbesondere eine zuverlässige Detektion eines Bedienvorganges unabhängig davon gewährleistet sein soll, ob das elektrische Handgerät von einer Hand umgriffen wird oder nicht.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung sowie ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung, umfassend

– zumindest eine erste Elektrodenstruktur, welche zumindest eine Sendeelektrode, zumindest eine Kompensationselektrode und zumindest eine Empfangselektrode aufweist,
– zumindest eine zweite Elektrodenstruktur, welche zumindest eine Feldsendeelektrode und zumindest eine Feldmesselektrode aufweist und
– zumindest eine Signalgebereinrichtung, zur Beaufschlagung der zumindest einen Sendeelektrode, der zumindest einen Kompensationselektrode und der zumindest einen Feldsendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal,

– die zumindest eine Sendeelektrode, die zumindest eine Kompensationselektrode und die zumindest eine Empfangselektrode so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein an der zumindest einen Sendeelektrode emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld und ein an der zumindest einen Kompensationselektrode emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld in die zumindest eine Empfangselektrode einkoppelbar sind, und
– die zumindest eine Feldsendeelektrode und die zumindest eine Feldmesselektrode so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein an der zumindest einen Feldsendeelektrode emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld in die zumindest eine Feldmesselektrode einkoppelbar ist.

Mit der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung werden im Wesentlichen zwei Observationsbereiche definiert, sodass etwa an einem Mobiltelefon ein Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand (mit der ersten Elektrodenstruktur) und gleichzeitig oder anschließend auch eine Annäherung an das Mobiltelefon (mit der zweiten Elektrodenstruktur), etwa eines Fingers der das Mobiltelefon umgreifenden Hand, detektiert werden können. Gleichzeitig wird dadurch vermieden, dass mehrere Sensoreinrichtungen zur Detektion des Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand und zur Detektion der Bedienung des Handgerätes vorgesehen werden müssen, was den baulichen Aufwand erheblich reduziert.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden der beiden Elektrodenstrukturen relativ zueinander wird zudem vermieden, dass die kapazitive Umgebung der zweiten Elektrodenstruktur durch eine das Handgerät umgreifende Hand derart beeinflusst wird, dass eine zuverlässige Detektion einer Annäherung eines Fingers an die zweite Elektrodenstruktur nicht mehr zuverlässig detektierbar ist.
Die zumindest eine Kompensationselektrode und die zumindest eine Feldsendeelektrode können galvanisch gekoppelt sein. Für das Beaufschlagen der Kompensationselektrode bzw. der Feldsendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal müssen somit keine getrennten Signalgeneratoren bereitgestellt werden. Der Fertigungsaufwand kann so erheblich reduziert werden.
Die Sensoreinrichtung kann in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. In dem ersten Betriebsmodus ist die zumindest eine Sendeelektrode, die zumindest eine Kompensationselektrode und die zumindest eine Feldsendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar und in dem zweiten Betriebsmodus ist nur die zumindest eine Feldsendeelektrode mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen und die zumindest eine Kompensationselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, wobei das erste elektrische Wechselsignal phasenverschoben zu dem zweiten elektrischen Wechselsignal ist. Vorzugsweise weist das zweite elektrische Wechselsignal eine geringere Amplitude als das erste elektrische Wechselsignal auf.
Die zumindest eine Sendeelektrode, die zumindest eine Kompensationselektrode und die zumindest eine Feldsendeelektrode können in einem Multiplex-Verfahren (Zeitmultiplex-Verfahren und/oder Frequenzmultiplex-Verfahren und/oder Codemultiplex-Verfahren) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Die Sensoreinrichtung kann weiter eine Auswerteeinrichtung umfassen, welche mit der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur koppelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung angepasst ist, ein an der zumindest einen Empfangselektrode abgegriffenes erstes elektrisches Signal und ein an der zumindest einen Feldmesselektrode abgegriffenes zweites elektrisches Signal auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung umfasst vorteilhafterweise einen Mikrokontroller.
Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinrichtung eine Verstärkerschaltung umfasst, welcher das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal zuführbar sind, wobei die Verstärkung der Verstärkerschaltung vorzugsweise einstellbar ist.
Das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal sind vorzugsweise in einem Zeitmultiplex-Verfahren der Verstärkerschaltung zuführbar, wobei die Verstärkung der Verstärkerschaltung in Abhängigkeit des zugeführten Signals einstellbar ist.
Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion bereitgestellt, welches folgende Schritte umfasst:

– Beaufschlagen zumindest einer Sendeelektrode, zumindest einer Kompensationselektrode und zumindest einer Feldsendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal, so dass ein an der zumindest einen Sendeelektrode emittiertes elektrisches Wechselfeld und ein an der zumindest einen Kompensationselektrode emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld in die zumindest eine Empfangselektrode einkoppelbar sind und ein an der zumindest einen Feldsendeelektrode emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld in die zumindest eine Feldmesselektrode einkoppelbar ist, und
– Auswerten eines an zumindest einer Empfangselektrode abgegriffenes erstes elektrisches Wechselsignal und eines an zumindest einer Feldmesselektrode abgegriffenes zweites elektrisches Signal.

In einem ersten Betriebsmodus können die zumindest eine Sendeelektrode, die zumindest eine Kompensationselektrode und die zumindest eine Feldsendeelektrode mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und in einem zweiten Betriebsmodus kann nur zumindest eine Feldsendeelektrode mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Die Elektroden, an welchen ein elektrisches Wechselsignal beaufschlagt wird, können nach einem Multiplex-Verfahren mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal können in einem Multiplex-Verfahren abgegriffen werden.
Die zumindest eine Sendeelektrode kann mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und die zumindest eine Kompensationselektrode kann mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wobei das erste elektrische Wechselsignal phasenverschoben zu dem zweiten elektrischen Wechselsignal ist.
Des Weiteren wird durch die Erfindung ein Handgerät bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aufweist. Das Handgerät kann ein elektrisches Handgerät, insbesondere Computermaus, Mobiltelefon, Fernbedienung, Eingabe- bzw. Steuermittel für Spielkonsolen, Kleincomputer oder dergleichen sein.
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 ein erstes Anwendungsszenario mit zwei erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen an einem elektrischen Handgerät, welches von einer Hand umgriffen wird;
2 ein zweites Anwendungsszenario mit zwei erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen an einem elektrischen Handgerät, welches von einer Hand umgriffen wird;
3 ein drittes Anwendungsszenario mit zwei erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen an einem elektrischen Handgerät, welches nicht von einer Hand umgriffen wird;
4 ein viertes Anwendungsszenario mit zwei erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen an einem elektrischen Handgerät, welches nicht von einer Hand umgriffen wird;
5 den Einfluss einer ein elektrisches Handgerät umgreifenden Hand auf den Signalpegel an einer Feldmesselektrode mit einem angenäherten Finger einerseits und ohne einen angenäherten Finger andererseits;
6 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
7 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
8 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, wobei die zweite Elektrodenstruktur mehrere Zonen aufweist;
9 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit mehreren Zonen der zweiten Elektrodenstruktur;
10 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Zonen der zweiten Elektrodenstruktur, wobei mit der Mehrzahl von Zonen ein Schieberegler und/oder ein Mehrfach-Button-System realisiert werden kann;
11 ein Blockschaltbild einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, wobei die zweite Elektrodenstruktur eine Mehrzahl von Zonen aufweist, mit welchen ein Schieberegler und/oder ein Multi-Button-System realisiert werden kann; und
12 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Realisierung eines Schiebereglers und eines Drehreglers, bei denen die Sensor-Auflösung bei einer festen Anzahl von Sende-Kanälen erhöht werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein elektrisches Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, an welchem eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur angeordnet ist. Die erste Elektrodenstruktur umfasst eine Sendeelektrode TxM, eine Kompensationselektrode TxC und eine Empfangselektrode RxM. Die zweite Elektrodenstruktur umfasst zwei Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2.
Die erste Elektrodenstruktur ist zur Detektion des Umgreifens des elektrischen Handgerätes durch eine Hand vorgesehen. Die zweite Elektrodenstruktur bzw. die beiden Elektrodenpaare Rx1, Tx1 und Rx2, Tx2 sind zur Detektion der Annäherung eines Fingers an das jeweilige Elektrodenpaar vorgesehen. Die Elektroden Tx1, Tx2 (Feldsendeelektroden) werden als Sendeelektroden betrieben, an welchen ein elektrisches Wechselfeld abstrahlbar ist. Die Elektroden Rx1 und Rx2 (Feldmesselektroden) werden als Empfangselektroden betrieben, an welchen das von der jeweiligen Feldsendeelektrode Tx1, Tx2 abgestrahlte elektrische Wechselfeld einkoppelbar ist, sobald sich der Finger ausreichend nahe an das jeweilige Elektrodenpaar angenähert hat. Die Einkopplung erfolgt hierbei über den sich an das jeweilige Elektrodenpaar annähernden Finger.
An der Sendeelektrode TxM ist ebenfalls ein elektrisches Wechselfeld emittierbar, welches bei Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand über die Hand in die Empfangselektrode RxM einkoppelbar ist. An der Kompensationselektrode TxC wird ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welches in die Empfangselektrode RxM einkoppelbar ist. Wird das Handgerät nicht von einer Hand umgriffen, wird das an der Sendeelektrode TxM emittierte elektrische Wechselfeld durch das an der Kompensationselektrode TxC emittierte elektrische Wechselfeld nahezu ausgelöscht, so dass der elektrische Strom in der Empfangselektrode RxM sehr gering ist.
Vorzugsweise ist die Phasenlage des an der Kompensationselektrode TxC emittierten elektrischen Wechselfeldes verschieden von der Phase des an der Sendeelektrode TxM emittierten elektrischen Wechselfeldes. Vorzugsweise weist das an der Kompensationselektrode TxC emittierte elektrische Wechselfeld eine Phasenverschiebung von ungefähr 180° gegenüber dem an der Sendeelektrode TxM emittierten elektrischen Wechselfeld auf.
Wird das elektrische Handgerät von einer Hand umgriffen, ergibt sich eine starke elektrische Koppelung zwischen der Sendeelektrode TxM über die Hand zu den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2. Bei einer Annäherung eines Fingers an die Elektrodenpaare Tx1, Rx1 bzw. Tx2, Rx2 wird zudem das an der jeweiligen Feldsendeelektrode Tx1 bzw. Tx2 emittierte elektrische Wechselfeld über den Finger in die jeweilige Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 eingekoppelt. Die Koppelung über den Finger bewirkt einen Pegelanstieg des in der jeweiligen Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 fliesenden elektrischen Stroms, welcher indikativ für die Annäherung eines Fingers an das jeweilige Elektrodenpaar Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 ist.
Weil auch das von der Sendeelektrode TxM emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand in die Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 einkoppelt, kann ein ungünstiges Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand dazu führen, dass der Anteil des über die Hand in die Feldmesselektroden Rx1 und Rx2 eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes viel größer ist als der über den Finger in die Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 eingekoppelte Anteil des elektrischen Wechselfeldes, welches an der jeweiligen Feldsendeelektrode Tx1 bzw. Tx2 emittiert wird. Dies kann dazu führen, dass bei einem Handgerät, welches von einer Hand umgriffen wird, der Pegelanstieg des in den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 fliesenden Stromes bei einer Annäherung eines Fingers an das jeweilige Elektrodenpaar Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 nur sehr gering ist, was dazu führen kann, dass eine Annäherung an das jeweilige Elektrodenpaar unter Umständen nicht zuverlässig detektiert wird.
Um dies zu vermeiden ist es vorteilhaft, zunächst das Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand mit Hilfe der ersten Elektrodenstruktur TxM, TxC, RxM zu detektieren und nach erfolgreicher Detektion zumindest die Sendeelektrode TxM zu deaktivieren, sodass nach erfolgreicher Detektion des Umgreifens durch eine Hand an der Sendeelektrode TxM kein elektrisches Wechselfeld mehr emittiert wird, welches über die Hand in die Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 eingekoppelt werden könnte.
2 zeigt ein elektrisches Handgerät mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, wobei das elektrische Handgerät von einer Hand umgriffen wird. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Sendeelektrode TxM der ersten Elektrodenstruktur inaktiv, während die Kompensationselektrode TxC der ersten Elektrodenstruktur aktiv ist, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird. Weil die Kompensationselektrode TxC im Vergleich zur Sendeelektrode TxM klein ist, wirkt sich das an der Kompensationselektrode TxC emittierte elektrische Wechselfeld nur sehr gering auf den in den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 fliesenden elektrischen Strom aus. Um die Annäherung eines Fingers an die Elektrodenpaare Tx1, Rx1 bzw. Tx2, Rx2 sicher zu detektieren, muss die Kompensationselektrode TxC nicht deaktiviert werden.
3 zeigt ein elektrisches Handgerät mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, wobei das elektrische Handgerät nicht von einer Hand umgriffen. Die Hand ist hier nur am Handgerät angenähert. Wie in 1 ist auch hier die Sendeelektrode TxM der ersten Elektrodenstruktur aktiv, d. h. an der Sendeelektrode TxM wird ein elektrisches Wechselfeld emittiert. Weil allerdings das elektrische Handgerät nicht von der Hand umgriffen wird, ist die kapazitive Koppelung der Sendeelektrode TxM über die Hand zu den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 nur sehr gering.
Ein sich an die Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 annähernder Finger führt hier wiederum dazu, dass das an der jeweiligen Feldsendeelektrode Tx1 bzw. Tx2 emittierte elektrische Wechselfeld über den Finger in die Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 einkoppelt. Das über den Finger in die jeweilige Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 eingekoppelte elektrische Wechselfeld führt in der jeweiligen Feldmesselektrode zu einem signifikanten Pegelanstieg des in der jeweiligen Feldmesselektrode fließenden elektrischen Stromes. Weil die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode TxM und den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 nur sehr gering ist, wirkt sich diese kapazitive Koppelung nur sehr wenig auf den Pegelanstieg des in der jeweiligen Feldmesselektrode fließenden Stromes aus. Eine Annäherung eines Fingers an die Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 kann so selbst bei aktiver Sendeelektrode TxM eindeutig detektiert werden.
4 zeigt ein elektrisches Handgerät mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, wobei das elektrische Handgerät nicht von einer Hand umgriffen wird und wobei die Kompensationselektrode TxC aktiv ist, während die Sendeelektrode TxM inaktiv ist. Wie in 3 ist auch hier die am Handgerät angenähert. Wie bereits mit Bezug auf 2 erläutert, wirkt sich das an der Kompensationselektrode TxC, welche im Vergleich zur Sendeelektrode TxM klein ist, emittierte und über die Hand in die Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 eingekoppelte elektrische Wechselfeld nahezu gar nicht auf den in der jeweiligen Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 fließenden elektrischen Strom aus. Die Annäherung eines Fingers an die Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 kann daher eindeutig festgestellt werden.
5 zeigt zwei Diagramme, welche den Einfluss der Hand einmal bei einem angenäherten Finger und einmal ohne angenäherten Finger auf den Signalpegel des in der Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2 fliesenden Stromes zeigt.
Die durchgehende Linie zeigt hierbei den Pegel in Abhängigkeit von der Hand, wenn die Sendeelektrode TxM aktiv ist. Wie hier erkennbar ist, wirkt sich bei aktiver Sendeelektrode TxM die Fläche der Hand stark auf den Signalpegel in der Feldmesselektrode Rx1 und Rx2 aus. Der Einfluss der Hand bei aktiver Sendeelektrode TxM auf den Signalpegel ist dabei groß, unabhängig davon, ob sich ein Finger in der Nähe der zweiten Elektrodenstruktur befindet.
Die gepunktete Linie zeigt den Einfluss einer umgreifenden Hand auf den Signalpegel in der Feldmesselektrode Rx1 bzw. Rx2, wenn die Kompensationselektrode TxC aktiv ist, während die Sendeelektrode TxM inaktiv ist. Wie erkennbar, beeinflusst die Fläche der Hand den Signalpegel in den Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 nur sehr gering, wenn die Kompensationselektrode TxC aktiv ist, während die Sendeelektrode TxM inaktiv ist.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Auswerteeinrichtung umfasst einen Multiplexer MPX, einen Verstärker AMP, einen Mikrokontroller μC und zwei Signalgeneratoren G1 und G2. Die Feldmesselektroden Rx1, Rx2 und die Empfangselektrode RxM sind mit dem Multiplexer MPX gekoppelt. Die an den Feldmesselektroden Rx1, Rx2 und an der Empfangselektrode RxM abgegriffenen Signale werden über den Multiplexer MPX im Zeitmultiplex-Verfahren dem Verstärker AMP bzw. dem Mikrokontroller μC zugeführt. Alternativ können die abgegriffenen Signale jeweils unterschiedlichen Verstärkern zugeführt werden, wobei das jeweilige verstärkte Signal dem Mikrokontroller μC zugeführt wird.
Der Verstärker AMP ist vorzugsweise in seiner Verstärkung während des Betriebes einstellbar, so dass die Verstärkung je nach Stellung des Multiplexers MPX für das jeweilige dem Verstärker AMP zugeführte Signal optimiert werden kann.
Der Signalgenerator G1 erzeugt ein elektrisches Wechselsignal, welches den Feldsendeelektroden Tx1, Tx2 und der Kompensationselektrode TxC beaufschlagt wird. Das von dem Signalgenerator G1 erzeugte elektrische Wechselsignal ist so eingestellt, dass es in dem ersten Betriebsmodus, in welchem das Umgreifen eines Handgerätes durch eine Hand detektiert wird, als Kompensationssignal, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, wirkt.
Das von dem Signalgenerator G1 erzeugte elektrische Wechselsignal ist in dem ersten Betriebsmodus vorzugsweise phasenverschoben zu dem von dem zweiten Signalgenerator G2 erzeugten elektrischen Wechselsignal, welches der Sendeelektrode TxM beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt weist das von dem Signalgenerator G1 erzeugte elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von etwa 180° zu dem von dem zweiten Signalgenerator G2 bereitgestellten elektrischen Wechselsignal auf. Zudem ist es vorteilhaft, wenn das von dem Signalgenerator G1 bereitgestellte elektrische Wechselsignal leicht gedämpft ist, sodass das von der Sendeelektrode TxM emittierte elektrische Wechselfeld durch das von der Kompensationselektrode TxC emittierte elektrische Wechselfeld nicht vollständig ausgelöscht wird.
Die Feldsendelektroden Tx1, Tx2 sind in dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel galvanisch mit der Kompensationselektrode TxC gekoppelt. Dadurch wird der Fertigungsaufwand zum Herstellen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung niedrig gehalten, weil für den Betrieb der Kompensationselektrode TxC kein eigener Signalgenerator vorgesehen sein muss.
Nach der Detektion des Umgreifens des Handgerätes durch eine Hand wird die Sensoreinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in welchem eine Annäherung an die Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 durch einen Finger detektiert wird. Nähert sich beispielsweise ein Finger dem Elektrodenpaar Tx1, Rx1 an, wird das an der Feldsendeelektrode Tx1 emittierte elektrische Wechselfeld über den Finger in die Feldmesselektrode Rx1 eingekoppelt. Das an der Feldmesselektrode Rx1 eingekoppelte elektrische Wechselfeld bewirkt eine Pegeländerung des in der Feldmesselektrode Rx1 fließenden elektrischen Stromes. Der in der Feldmesselektrode Rx1 fließende elektrische Strom bzw. die Pegeländerung des in der Feldmesselektrode Rx1 fließenden elektrischen Stromes ist indikativ für einen sich annähernden Finger an das Elektrodenpaar Rx1, Tx1 ist.
Befindet sich die Sensoreinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus wird der zweite Signalgenerator G2 vorzugsweise deaktiviert, so dass keine Koppelung eines von der Sendeelektrode TxM emittierten elektrischen Wechselfeldes über die Hand in die Feldmesselektroden Rx1 bzw. Rx2 möglich ist. Dadurch wird der Einfluss einer das elektrische Handgerät umgreifenden Hand für die Detektion einer Annäherung eines Fingers an die Elektrodenpaare Rx1, Tx1 bzw. Rx2, Tx2 nahezu vollständig eliminiert.
Alternativ zum Deaktivieren des zweiten Signalgenerators G2 in dem zweiten Betriebsmodus kann auch die Phase des von dem ersten Signalgenerator G1 oder des von dem zweiten Signalgenerator G2 bereitgestellte Signal verändert werden, sodass die Signale der von den Signalgeneratoren G1 und G2 bereit gestellten Signale im Wesentlichen phasengleich sind. Diese Alternative ist vor allem dann vorteilhaft anwendbar, wenn die Elektroden Tx1, Tx2 und TxM im wesentlich die gleiche Elektrodenfläche aufweisen oder wenn die Elektrodenfläche der Elektroden Tx1 und Tx2 größer ist als die Elektrodenfläche der Elektrode TxM.
7 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. In dieser Ausführungsform ist für jede Sendeelektrode TxM, Tx1, Tx2 und TxC jeweils ein eigener Signalgenerator G1, G2, G3 bzw. G4 vorgesehen. Die Empfängerelektroden bzw. Feldmesselektroden RxM bzw. Rx1 und Rx2 werden hier parallel betrieben. Die Signalgeneratoren G1, G2, G3 bzw. G4 werden sequentiell aktiviert, so dass zu jedem Zeitpunkt genau ein Signalgenerator aktiv ist. Die Signalgeneratoren G1, G2, G3 bzw. G4 können auch parallel betrieben werden, wobei vorzugsweise jeder Signalgenerator eine elektrisches Wechselsignal mit einer unterschiedlichen Frequenz bereitstellt, d. h. die Signalgeneratoren im Frequenzmultiplexverfahren betrieben werden. Die Auswerteeinrichtung bzw. der Mikrocontroller μC kann das an den Empfängerelektroden bzw. Feldmesselektroden RxM bzw. Rx1 und Rx2 abgegriffene Signal in seine Frequenzbestandteile zerlegen.
Alternativ kann auch lediglich ein Signalgenerator bereitgestellt werden, welcher über einen Multiplexer mit den Sendeelektroden TxM, Tx1, Tx2 bzw. TxC gekoppelt ist. In dem ersten Betriebsmodus der Sensoreinrichtung werden allerdings die Signalgeneratoren G2 und G4 parallel betrieben, um ein Umgreifen eines elektrischen Handgerätes durch eine Hand zu detektieren. In dem ersten Betriebsmodus ist auch hier das von dem Signalgenerator G4 erzeugte elektrische Wechselsignal vorzugsweise phasenverschoben zu dem von dem Signalgenerator G2 erzeugten elektrischen Wechselsignal.
In dem zweiten Betriebsmodus der Sensoreinrichtung werden vorzugsweise nur die Signalgeneratoren G1 und G3 betrieben. Die Signalgeneratoren G2 und G4 sind in dem zweiten Betriebsmodus inaktiv.
8 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, bei welcher die zweite Elektrodenstruktur mehrere Zonen aufweist, mit welchen ein sogenannter Schieberegler realisiert werden kann. Jede Zone weist ein Elektrodenpaar bestehend aus einer Feldsendeelektrode und einer Feldmesselektrode auf.
Die Arbeitsweise der Sensoreinrichtung entspricht hier im Wesentlichen der Arbeitsweise wie mit Bezug auf 6 beschrieben. Die einzelnen Zonen der zweiten Elektrodenstruktur, d. h. die Elektrodenpaare Tx1, Rx1 bzw. Tx2, Rx2 sind hier allerdings nebeneinander angeordnet, so dass die Bewegung eines Fingers entlang der einzelnen Zonen detektierbar ist. Aufgrund der zeitlichen Abfolge der Aktivierung der einzelnen Zonen durch einen sich über die Zonen bewegenden Finger kann die Richtung der Fingerbewegung detektiert werden. Selbstverständlich können auch mehr als die in 8 gezeigten zwei Zonen vorgesehen sein.
9 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit mehreren Zonen der zweiten Elektrodenstruktur, wobei im Unterschied zu der in 8 gezeigten Sensoreinrichtung die Feldmesselektroden Rx1 und Rx2 parallel betrieben werden, während die Feldsendeelektroden Tx1, Tx2 über einen Multiplexer in sequentieller Abfolge mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
10 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Zonen der zweiten Elektrodenstruktur, wobei mit der Mehrzahl von Zonen ein Schieberegler bzw. ein Mehrfach-Button-System realisiert werden kann.
Die Feldsendeelektroden Tx1, Tx2 bis Txn werden jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, welches jeweils von einem Signalgenerator G1, G2 bis Gn bereitgestellt wird. Die Feldmesselektroden Rx1, Rx2 bis Rxn und RxM werden parallel betrieben, wobei in dem zweiten Betriebsmodus jeweils nur ein Signalgenerator G1, G2 bis G3 aktiv ist. Für den Betrieb der Sensoreinrichtung in dem ersten Betriebsmodus werden die Signalgeneratoren G1, G2 bis Gn parallel betrieben, so dass die Feldsendeelektroden Tx1, Tx2 bis Txn eine große Sendeelektrode TxM bilden, welche als Sendeelektrode für die Detektion des Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand dient.
Gemäß der in 10 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung werden die Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn sowohl als Sendeelektroden für den zweiten Betriebsmodus als auch als Sendeelektroden für den ersten Betriebsmodus verwendet. Dadurch kann der bauliche Aufwand erheblich verringert werden. Eine weitere Verringerung des baulichen Aufwandes lässt sich erreichen, indem für den Betrieb der Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn lediglich ein Signalgenerator bereitgestellt wird, welcher im Zeitmultiplex-Verfahren mit den Feldsendelektroden Tx1 bis Txn gekoppelt wird, wobei für den Betrieb der Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn in dem ersten Betriebsmodus alle Feldsendeelektroden mit dem Signalgenerator gekoppelt sind.
11 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, wobei die zweite Elektrodenstruktur eine Mehrzahl von Zonen aufweist, mit welchen ein Schieberegler und/oder ein Multi-Button-System realisiert werden kann. Die Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn werden hier parallel betrieben, d. h. mit einem elektrischen Wechselsignal eines einzigen Signalgenerators G1 beaufschlagt, während die Feldmesselektroden Rx1 bis Rxn im Zeitmultiplex-Verfahren mit dem Verstärker AMP bzw. mit dem Mikrokontroller μC gekoppelt werden.
Für den Betrieb der Sensoreinrichtung in dem ersten Betriebsmodus können die Feldmesselektroden Rx1 bis Rxn parallel betrieben werden, so dass die Feldmesselektroden Rx1 bis Rxn eine große Empfangselektrode RxM für die Detektion des Umgreifens eines Handgerätes durch eine Hand bilden. Für den Betrieb der Sensoreinrichtung in dem ersten Betriebsmodus kann eine zusätzliche Kompensationselektrode TxC (in 11 nicht gezeigt) vorgesehen sein. Alternativ können auch die Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn in dem ersten Betriebsmodus als Kompensationselektrode betrieben werden. Beim Betrieb der Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn als Kompensationselektrode in dem ersten Betriebsmodus weist das von dem Signalgenerator G1 erzeugte elektrische Wechselsignal eine zu dem von dem Signalgenerator G2 erzeugten elektrischen Wechselsignal verschiedene Phasen auf.
Gemäß der in 11 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung werden die Feldsendeelektroden Tx1 bis Txn und die Feldmesselektroden Rx1 bis Rxn sowohl in dem ersten Betriebsmodus zur Detektion eines Umgreifens als auch in dem zweiten Betriebsmodus zur Detektion der Annäherung eines Fingers an ein Elektrodenpaar verwendet. Der bauliche Aufwand zur Herstellung entsprechender Elektrodenflächen an einem elektrischen Handgerät kann so gering gehalten werden.
12 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Realisierung eines Schiebereglers bzw. eines Drehreglers, bei denen die Sensor-Auflösung bei einer festen Anzahl von Sendekanälen erhöht werden kann.
Der Schieberegler bzw. Drehregler weist jeweils vier verschiedene Sendeelektroden Tx1 bis Tx4 und je eine gemeinsame Empfangselektrode Rx auf. Aufgrund der räumlichen Anordnung der Sendeelektroden Tx1 bis Tx4 relativ zueinander, wie in 12 gezeigt, kann die Richtung eines sich relativ zu den Sendeelektroden bewegenden Fingers detektiert werden. Eine Ortsbestimmung ist hierbei allerdings nicht möglich, da eine Sendeelektrode an mehreren Orten gleichzeitig aktiv ist. Beispielsweise ist in dem in 12 gezeigten Drehregler die Sendeelektrode Tx1 sowohl oben und unten als auch links und rechts gleichzeitig aktiv. Eine Unterscheidung, an welche der vier Sendeelektroden Tx1 sich ein Finger annähert, kann hier nicht getroffen werden.
Eine Ortsbestimmung kann aber dadurch erreicht werden, indem beispielsweise für den Schieberegler acht verschiedene Sendeelektroden und für den Drehregler 16 verschiedene Sendeelektroden vorgesehen werden. Alternativ können die Elektroden auch in einem Zeitmultiplex-Verfahren betrieben werden. Beispielsweise können die in dem Schieberegler gezeigten Elektroden Tx1 in einem Zeitmultiplex-Verfahren mit dem elektrischen Wechselsignal des Signalgenerators G1 beaufschlagt werden, so dass jeweils nur eine der beiden Sendeelektroden Tx1 zu einem Zeitpunkt aktiv ist.

Claims

Sensoreinrichtung, umfassend – zumindest eine erste Elektrodenstruktur (TxM, TxC, RxM), welche zumindest eine Sendeelektrode (TxM), zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und zumindest eine Empfangselektrode (RxM) aufweist, – zumindest eine zweite Elektrodenstruktur (Tx1, Rx1), welche zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) und zumindest eine Feldmesselektrode (Rx1) aufweist, und – zumindest eine Signalgebereinrichtung (G), zur Beaufschlagung der zumindest einen Sendeelektrode (TxM), der zumindest einen Kompensationselektrode (TxC) und der zumindest einen Feldsendeelektrode (Tx1) mit einem elektrischen Wechselsignal, wobei – die zumindest eine Sendeelektrode (TxM), die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und die zumindest eine Empfangselektrode (RxM) so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein an der zumindest einen Sendeelektrode (TxM) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) und ein an der zumindest einen Kompensationselektrode (TxC) emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld (WK) in die zumindest eine Empfangselektrode (RxM) einkoppelbar sind, und – die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) und die zumindest eine Feldmesselektrode (Rx1) so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein an der zumindest einen Feldsendeelektrode (Tx1) emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld (WF) in die zumindest eine Feldmesselektrode (Rx1) einkoppelbar ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) galvanisch gekoppelt sind.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Sendeelektrode (TxM), die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar sind und in dem zweiten Betriebsmodus nur die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei in dem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Sendeelektrode (TxM) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist und die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, wobei das erste elektrische Wechselsignal phasenverschoben zu dem zweiten elektrischen Wechselsignal ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sendeelektrode (TxM), die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und die zumindest einen Feldsendeelektrode (Tx1) in einem Multiplexverfahren mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Auswerteeinrichtung, welche mit der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur koppelbar ist und wobei die Auswerteeinrichtung angepasst ist, ein an der zumindest einen Empfangselektrode (RxM) abgegriffenes erstes elektrisches Signal und ein an der zumindest einen Feldmesselektrode (Rx1) abgegriffenes zweites elektrisches Signal auszuwerten, vorzugsweise mittels eines Mikrocontrollers.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinrichtung eine Verstärkerschaltung (AMP) umfasst, welcher das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal zuführbar sind, wobei die Verstärkung der Verstärkerschaltung (AMP) vorzugsweise einstellbar ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal in einem Zeitmultiplexverfahren der Verstärkerschaltung (AMP) zuführbar sind und wobei die Verstärkung der Verstärkerschaltung (AMP) in Abhängigkeit des zugeführten Signals einstellbar ist.
Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion, umfassend folgende Schritte: – Beaufschlagen zumindest einer Sendeelektrode (TxM), zumindest einer Kompensationselektrode (TxC) und zumindest einer Feldsendeelektrode (Tx1) mit einem elektrischen Wechselsignal, sodass ein an der zumindest einen Sendeelektrode (TxM) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) und ein an der zumindest einen Kompensationselektrode (TxC) emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld (WK) in die zumindest eine Empfangselektrode (RxM) einkoppelbar sind und ein an der zumindest einen Feldsendeelektrode (Tx1) emittiertes drittes elektrisches Wechselfeld (WF) in die zumindest eine Feldmesselektrode (Rx1) einkoppelbar ist, und – Auswerten eines an zumindest einer Empfangselektrode (RxM) abgegriffenes erstes elektrisches Signal und eines an zumindest einer Feldmesselektrode (Rx1) abgegriffenes zweites elektrisches Signal.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei in einem ersten Betriebsmodus die zumindest eine Sendeelektrode (TxM), die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) und die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und in dem zweiten Betriebsmodus nur die zumindest eine Feldsendeelektrode (Tx1) mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Elektroden (TxM, TxC, Tx1) nach einem Multiplexverfahren mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal in einem Multiplexverfahren abgegriffen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zumindest eine Sendeelektrode (TxM) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird und die zumindest eine Kompensationselektrode (TxC) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, wobei das erste elektrische Wechselsignal phasenverschoben zu dem zweiten elektrischen Wechselsignal ist.
Handgerät aufweisend eine Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.