DE102011002446A1

DE102011002446A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur kapazitiven Annäherungsdetektion

Info

Publication number: DE102011002446A1
Application number: DE102011002446A
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-05
Also published as: WO2012093123A1; EP2661812B1; CN106357259B; CN106357259A; KR101829002B1; US20140361795A1; US9733290B2; EP2661812A1; CN103329439A; KR20130135295A; ES2544085T3

Abstract

Bereit gestellt wird eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend – ein Elektrodensystem, aufweisend – eine erste Sendeelektrode und eine erste Empfangselektrode, wobei die erste Sendeelektrode mit der ersten Empfangselektrode in eine kapazitive Koppelung bringbar ist, und – eine zweite Sendeelektrode und eine zweite Empfangselektrode, wobei die zweite Sendeelektrode mit der zweiten Empfangselektrode in eine kapazitive Koppelung bringbar ist, – eine Signalgebereinrichtung zum Beaufschlagen der ersten Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und der zweiten Sendeelektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal, und – eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche mit der ersten Empfangselektrode und mit der zweiten Empfangselektrode gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus der Differenz zwischen einer an der ersten Empfangselektrode abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Empfangselektrode abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden. Bereit gestellt wird auch ein Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden der Sensoreinrichtung sowie ein Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes mittels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches. Gerät, insbesondere ein elektrisches Handgerät mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung, welche ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Bei kapazitiven Abstands- bzw. Annäherungssensoren wird durch Erzeugung und Messung elektrischer Wechselfelder der Abstand zwischen dem Sensor und einem elektrisch leitfähigen Gegenstand berührungsfrei gemessen. Aus dem Messsignal können Funktionen, etwa Schaltfunktionen, abgeleitet werden.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensoren ist, dass diese durch elektrische Störfelder aus der Umgebung des kapazitiven Sensors bzw. der Sensorelektroden des kapazitiven Sensors beeinflussbar sind, was sich auf das Messergebnis negativ auswirken kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Messsignal von den Erdungsverhältnissen des kapazitiven Sensors einerseits und von dem Objekt, welches sich dem kapazitiven Sensor annähert, andererseits abhängt. Sind die konkreten Erdungsverhältnisse des kapazitiven Sensors bzw. des Objekts nicht bekannt, kann eine korrekte Messung des Abstandes zwischen den Sensorelektroden und dem Objekt oder einer Annäherung des Objektes an die Sensorelektroden des kapazitiven Sensors nicht garantiert werden.
Zur berührungsfreien Abstands- bzw. Annäherungsdetektion eines Objektes an einen kapazitiven Sensor sind aus dem Stand der Technik verschiedene Prinzipien bekannt, welche sich in der Art und Weise der Signalerzeugung und der Messung sowie der Anzahl der erforderlichen Sensorelektroden unterscheiden.
Ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Prinzip zur kapazitiven Abstands- bzw. Annäherungsdetektion sieht die Verwendung eines kapazitiven Abstandssensors mit einer einzigen Elektrode vor. Bei diesem Messprinzip wird die Kapazität der Elektrode in Bezug auf das Massepotenzial der Messelektronik des kapazitiven Abstandssensors gemessen. Nähert sich ein Objekt, etwa ein Benutzer der Sensorelektrode, dann erhöht sich die Kapazität an der Sensorelektrode, was entsprechend gemessen und ausgewertet werden kann.
Ein weiteres Messprinzip sieht einen kapazitiven Abstands- bzw. Annäherungssensor mit zwei Sensorelektroden vor. Eine Sensorelektrode wird hierbei als Sendeelektrode und die andere Sensorelektrode wird als Empfangselektrode betrieben. Das an der Sendeelektrode emittierte elektrische Wechselfeld wird in die Empfangselektrode eingekoppelt und über ein an der Empfangselektrode abgegriffenes elektrisches Signal gemessen. Bei Annäherung eines Benutzers an die Sensorelektroden ändert sich das zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ausgebildete elektrische Wechselfeld, was entsprechend gemessen und ausgewertet werden kann.
Ein noch weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Messprinzip sieht einen kapazitiven Sensor mit drei Sensorelektroden vor. Hierbei werden zwei Elektroden als Sendeelektrode und die dritte Elektrode als Empfangselektrode betrieben. Die Sendeelektroden werden gleichphasig oder gegenphasig angesteuert. An der Empfangselektrode wird eine Summe der an den Sendeelektroden emittierten elektrischen Wechselfelder gemessen. Bei Annäherung eines Benutzers ändert sich das in die Empfangselektrode eingekoppelte elektrische Wechselfeld, welches aus den an den Sendeelektroden emittierten elektrischen Wechselfeldern resultiert. Die Änderung des in die Empfangselektrode eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes kann entsprechend ausgewertet werden.
Den drei aus dem Stand der Technik bekannten Messprinzipien sind die beiden bereits erwähnten Probleme gemeinsam, nämlich, dass das Messsignal

– durch externe elektrische Störfelder gestört werden kann, und/oder
– davon abhängig ist, wie die Sensorelektronik und/oder das sich an die Sensorelektroden annähernde Objekt geerdet sind.

Im Stand der Technik wird versucht, diese Probleme durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren, etwa durch

– analoge oder digitale Filterung des Messsignals, und/oder
– geeignete Wahl des Messzeitpunktes und/oder durch geeignete Wahl des Messzyklus, und/oder
– Verarbeitung von Zusatzinformationen und/oder Auswertung des Betriebszustandes.

Diese Maßnahmen erfordern allerdings einen erhöhten und damit einhergehenden komplexeren Schaltungsaufwand der Messelektronik, was sich negativ auf die Herstellung und die Herstellungskosten kapazitiver Sensorelemente auswirkt. Ferner wird durch diese Maßnahmen lediglich die Auswirkung externer Störfelder bzw. der Erdungsverhältnisse der Sensorelektronik bzw. eines sich an die Sensorelektroden annähernden Objektes auf das Messsignal reduziert, sodass eine korrekte Auswertung des Messsignals nicht garantiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kapazitive Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Annäherungsdetektion bereitzustellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeiden und mit denen die Zuverlässigkeit und Robustheit der Sensorfunktion wesentlich erhöht und das Einsatzgebiet der kapazitiven Sensoreinrichtung erweitert werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine kapazitive Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Bestandteil der Lösung ist auch ein elektrisches Gerät, welches eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist.
Bereitgestellt wird demnach eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend

– ein Elektrodensystem, aufweisend
– eine erste Sendeelektrode und eine erste Empfangselektrode, wobei die erste Sendeelektrode mit der ersten Empfangselektrode in eine kapazitive Koppelung bringbar ist, und
– eine zweite Sendeelektrode und eine zweite Empfangselektrode, wobei die zweite Sendeelektrode mit der zweiten Empfangselektrode in eine kapazitive Koppelung bringbar ist,
– eine Signalgebereinrichtung zum Beaufschlagen der ersten Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und der zweiten Sendeelektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal, und
– eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche mit der ersten Empfangselektrode und mit der zweiten Empfangselektrode gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus der Differenz zwischen einer an der ersten Empfangselektrode abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Empfangselektrode abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden.

Die Signalverarbeitungseinrichtung kann weiter angepasst sein eine zweite Messgröße aus der Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Der Wechselspannungsanteil des ersten elektrischen Wechselsignals kann invers zum Wechselspannungsanteil des zweiten elektrischen Wechselsignals sein.
Die Sensoreinrichtung kann weiter eine Auswerteeinrichtung umfassen, welcher die erste Messgröße und/oder die zweite Messgröße zuführbar sind und welche angepasst ist aus der ersten Messgröße und/oder aus der zweiten Messgröße ein Informationssignal abzuleiten.
Vorzugsweise sind die Elektroden so relativ zu einander angeordnet, dass

– ein an der ersten Sendeelektrode emittiertes elektrisches Wechselfeld im Wesentlichen nur in die erste Empfangselektrode einkoppelt, und
– ein an der zweiten Sendeelektrode emittiertes elektrisches Wechselfeld im Wesentlichen nur in die zweite Empfangselektrode einkoppelt.

Die Elektroden können so relativ zueinander angeordnet sein, dass

– die zweite Messgröße ohne Beeinflussung der durch die Elektroden gebildeten Kapazitäten durch ein Objekt, oder
– bei einer im Wesentlichen gleichartigen Beeinflussung

Die erste elektrische Größe und die zweite elektrische Größe kann den in die jeweilige Empfangselektrode (R_x–, R_x+) eingekoppelten elektrischen Strom oder die an der jeweiligen Empfangselektrode (R_x–, R_x+) entstehende elektrische Spannung umfassen.
Bereit gestellt wird auch ein Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:

– Beaufschlagen einer ersten Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und einer zweiten Sendeelektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal, sodass zwischen der ersten Sendeelektrode und einer ersten Empfangselektrode ein erstens elektrisches Wechselfeld ausgebildet wird und zwischen der zweiten Sendeelektrode und einer zweiten Empfangselektrode ein zweites elektrisches Wechselfeld ausgebildet wird,
– Abgreifen einer ersten elektrischen Größe an der ersten Empfangselektrode und einer zweiten elektrischen Größe an der zweiten Empfangselektrode, und
– Erzeugen einer ersten Messgröße durch Bilden der Differenz zwischen der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe.

Vorzugsweise kann eine zweite Messgröße aus der Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe gebildet werden.
Die elektrischen Wechselsignale können so gewählt werden, dass der Wechselspannungsanteil des ersten elektrischen Wechselsignals invers zum Wechselspannungsanteil des zweiten elektrischen Wechselsignals ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden so relativ zu einander angeordnet werden, dass

– das erste elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die erste Empfangselektrode einkoppelt, und
– das zweite elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die zweite Empfangselektrode einkoppelt.

Ferner wird ein elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät bereit gestellt welches eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist.
Das elektrische Handgerät kann ein Smartphone, ein Mobilfunkgerät, eine Computermaus, eine Gerätefernbedienung, eine Digitalkamera, ein Game-Controller, ein mobiler Kleincomputer, ein Tablett-PC, ein Hörgerät 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 Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung;
2 die wirksamen Koppelkapazitäten der kapazitiven Sensoreinrichtung bei Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden der Sensoreinrichtung;
3 eine Elektrodenanordnung der erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät, etwa ein Mobiltelefon; und
4 die Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung an einem Gehäuse eines Hörgerätes.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die kapazitive Sensoreinrichtung weist ein Elektrodensystem auf, welches vier Elektroden aufweist. Die vier Elektroden umfassen zwei Sendeelektroden T_x+ und T_x– sowie zwei Empfangselektroden R_x+ und R_x–, wobei eine erste Sendeelektrode T_x+ mit einer ersten Empfangselektrode R_x+ zusammenwirkt und wobei eine zweite Sendeelektrode T_x– mit einer zweiten Empfangselektrode R_x– zusammenwirkt.
Die Sendeelektroden T_x+ und T_x– werden jeweils mit einem elektrischen Signal beaufschlagt, wobei der Wechselspannungsanteil des an der ersten Sendeelektrode T_x+ beaufschlagten Signals invers zu dem Wechselspannungsanteil des an der zweiten Sendeelektrode T_x– beaufschlagten Signals ist. Die erste Sendeelektrode T_x+ und die erste Empfangselektrode R_x+ werden so zueinander angeordnet, dass sich zwischen ihnen ein kapazitives Wechselfeld ausbilden kann. Die zweite Sendeelektrode T_x– und die zweite Empfangselektrode R_x– werden ebenfalls derart zueinander angeordnet, dass sich zwischen Ihnen ebenfalls ein elektrisches Wechselfeld ausbilden kann.
An den Empfangselektroden R_x+ und R_x– wird jeweils ein elektrisches Signal abgegriffen, welche einer Signalverarbeitungseinrichtung S zugeführt werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung S kann als Differenzverstärker ausgebildet sein und den in die Empfangselektrode R_x+ und R_x– eingekoppelten elektrischen Strom oder die an den Empfangselektroden R_x+ und R_x– entstehende elektrische Spannung messen und dabei die Differenz der beiden Werte bilden. Durch die Differenzbildung der an den Empfangselektroden abgegriffenen elektrischen Signale werden Störeinflüsse durch externe elektrische Störfelder effektiv reduziert bzw. vorzugsweise sogar eliminiert.
Die Elektroden werden vorzugsweise so relativ zueinander angeordnet, dass das zwischen der ersten Sendeelektrode T_x+ und der ersten Empfangselektrode R_x+ ausgebildete elektrische Wechselfeld das zwischen der zweiten Sendeelektrode T_x– und der zweiten Empfangselektrode R_x– ausgebildete elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nicht beeinflusst. Das bedeutet, dass die erste Empfangselektrode R_x+ im Wesentlichen das an der ersten Sendeelektrode T_x+ emittierte elektrische Wechselfeld misst und die zweite Empfängerelektrode R_x– im Wesentlichen das an der zweiten Sendeelektrode T_x– emittierte elektrische Wechselfeld misst.
Ferner sind die Sendeelektroden T_x+ und T_x– jeweils mit einem in 1 nicht gezeigten Signalgenerator gekoppelt, welcher zwei Signale zur Verfügung stellt, welche an jeweils eine Sendeelektrode beaufschlagt werden. Der Wechselspannungsanteil des ersten von dem Signalgenerator bereitgestellten Signals ist dabei invers zu dem Wechselspannungsanteil des zweiten von dem Signalgenerator bereitgestellten Signals. Damit ist die Summe der Wechselspannungsanteile des ersten und des zweiten Signals Null.
Die Signalverarbeitungseinrichtung kann ferner angepasst sein, den in den Empfangselektroden R_x+ und R_x– eingekoppelten elektrischen Strom oder die an den Empfangselektroden R_x+ und R_x– entstehende elektrische Spannung zu messen und dabei die Summe der beiden Werte zu bilden.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden bzw. die an den Sendeelektroden beaufschlagten Signale so gewählt, dass die Kopplung zwischen der ersten Sendelektrode T_x+ und der ersten Empfangselektrode R_x+ genau so groß ist wie die Kopplung zwischen der zweiten Sendelektrode T_x– und der zweiten Empfangselektrode R_x–. Bei dieser Konfiguration können bei der Auswertung des Summensignals folgende Information abgeleitet werden:

– Die Summe der Empfangsignale ist Null, wenn sich kein Objekt den Sensorelektroden annähert.
– Die Summe der Empfangsignale ist Null, wenn sich ein Objekt derart den Sensorelektroden annähert, dass es die elektrischen Wechselfelder zwischen der ersten Sendelektrode T_x+ und der ersten Empfangselektrode R_x+ bzw. zwischen der zweiten Sendelektrode T_x– und der zweiten Empfangselektrode R_x– gleichartig bzw. gleichmäßig beeinflusst. Das kann etwa dann der Fall sein, wenn sich ein Objekt – symmetrisch zu den Elektroden ausgerichtet – den beiden Elektrodenpaaren T_x+, R_x+ bzw. T_x–, R_x– gleichmäßig annähert.
– Die Summe der Empfangsignale ist ungleich Null, wenn sich ein Objekt derart den Sensorelektroden annähert, dass es die elektrischen Wechselfelder zwischen der ersten Sendelektrode T_x+ und der ersten Empfangselektrode R_x+ bzw. zwischen der zweiten Sendelektrode T_x– und der zweiten Empfangselektrode R_x– ungleichmäßig beeinflusst. Das kann etwa dann der Fall sein, wenn sich ein Objekt ungleichmäßig bzw. unsymmetrisch den Sensorelektroden annähert. Die Phasenlage des Summensignals gibt hierbei an, ob die Unsymmetrie mehr in Richtung des ersten Elektrodenpaares T_x+, R_x+ oder mehr in Richtung des zweiten Elektrodenpaares T_x–, R_x– liegt. Die Amplitude des Summensignals gibt an, wie weit die Unsymmetrie in Richtung des ersten Elektrodenpaares T_x+, R_x+ oder des zweiten Elektrodenpaares T_x–, R_x– liegt.

Die Information über Phase und/oder Amplitude des Summensignals kann etwa zur Realisierung eines Schiebereglers (Slider) mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Sensoreinrichtungen verwendet werden.
Die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Konfiguration einer kapazitiven Sensoreinrichtung hat den Vorteil, dass die Detektion bzw. das Messen einer Annäherung eines Messobjektes an die Sensoreinrichtung unabhängig von externen Störfeldern und unabhängig von dem Erdungszustand des sich annähernden Objektes bzw. der Messelektronik ist.
Durch die Differenzbildung der an den Empfangselektroden R_x+ und R_x– abgegriffenen elektrischen Signale werden externe Störsignale, die auf R_x+ und R_x– gleichartig einwirken, weitestgehend eliminiert, weil die externen Störsignale die an den Empfangselektroden R_x+ und R_x– abgegriffenen elektrischen Signale gleichartig beeinflussen. Das Störsignal tritt in dem Messsignal, welches durch Differenzbildung der an den Empfangselektroden abgegriffenen elektrischen Signale gebildet wird, nicht mehr auf.
In der Praxis wird allerdings eine vollständige Eliminierung der Störsignale zwar nicht immer möglich sein, da die Koppelung nicht immer ideal gleichartig sein wird und auch die Differenzbildung und Signalverarbeitung im Messsystem nicht immer ideal sein kann. Durch die Verdoppelung des Messsignals, welches sich aus der Differenzbildung der Signale an den Empfangselektroden ergibt und die weitestgehende Eliminierung der Störsignale in dem Messsignal wird allerdings der Abstand zwischen Nutz- und Störsignal wesentlich erhöht, sodass ein eventuell noch vorhandener sehr kleiner Anteil des Störsignals im Messsignal vernachlässigt werden kann, ohne hierbei die Zuverlässigkeit und Stabilität der kapazitiven Sensoreinrichtung wesentlich zu beeinflussen.
Weil die Sendeelektroden zueinander invers angesteuert werden, d. h. die erste Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, welches invers zum Wechselsignal ist, welches an der zweiten Sendeelektrode beaufschlagt wird, gilt T_x+ + T_x– = 0. Wird ein elektrisch leitfähiges Objekt, etwa eine Hand oder ein Finger dem Sensor so angenähert, dass die Koppelung zwischen dem elektrisch leitfähigen Objekt und der ersten Sendeelektrode T_x+ und der zweiten Sendeelektrode T_x– identisch ist, dann ist die Wirkung, d. h. die Strom- oder Spannungseinkoppelung auf das Objekt ebenfalls Null, d. h. nicht vorhanden. Ist keine Strom- oder Spannungseinkoppelung vorhanden, dann ist auch die Erdung des Benutzers und der Sensorelektronik bzw. Messelektronik ohne Bedeutung bzw. vernachlässigbar. Die wirksamen Koppelkapazitäten bei einer Annäherung eines elektrisch leitfähigen Objekts an die Sensorelektroden der kapazitiven Sensoreinrichtung sind in 2 dargestellt.
Gleichzeitig und unabhängig davon beeinflusst das sich an die Sensorelektroden annähernde elektrisch leitfähige Objekt die kapazitive Koppelung zwischen den Sendeelektroden T_x+ und T_x– und den Empfangselektroden R_x+ und R_x–. Die Sensorfunktion der kapazitiven Sensoreinrichtung wird damit vollständig erfüllt, ohne dass die Erdungsverhältnisse des sich annähernden Objektes bzw. der Messelektronik das Messsignal wesentlich beeinflussen. Die Zuverlässigkeit der Sensorfunktion bzw. des kapazitiven Sensors wird dadurch wesentlich verbessert.
Bei identischer Koppelung des elektrisch leitfähigen Objektes mit der ersten Sendeelektrode T_x+ und der zweiten Sendeelektrode T_x– wird der kapazitive Verschiebungsstrom zwischen dem elektrisch leitfähigen Objekt und der ersten Sendeelektrode T_x+ invers zu dem kapazitiven Verschiebungsstrom zwischen dem elektrisch leitfähigen Objekt und der zweiten Sendeelektrode T_x– sein. Damit ist die Summe der Verschiebungsströme auf dem elektrisch leitfähigen Objekt gleich Null. Das bedeutet, dass kein Strom vom elektrisch leitfähigen Objekt über eine Erdungskapazität abfließen muss, was bedeutet, dass eine Erdungskapazität des elektrisch leitfähigen Objekts ohne Auswirkung auf das Messsignal ist.
Ferner tritt bei identischer Koppelung des elektrisch leitfähigen Objekts mit der ersten Sendeelektrode T_x+ und der zweiten Sendeelektrode T_x– keine Potenzialverschiebung des elektrisch leitfähigen Objekts auf. Das Objekt kann somit als virtuell geerdet angesehen werden. Das bedeutet, dass kein elektrischer Strom vom Objekt über eine Erdungskapazität abfließen muss, was wiederum bedeutet, dass eine Erdungskapazität des Objektes ohne Auswirkung auf das Messsignal ist.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor, welcher differentiell aufgebaut ist, weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensoreinrichtungen wesentlich verbesserte Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich:

– Störfestigkeit gegen externe elektrische Störfelder, und/oder
– Unabhängigkeit vom Erdungszustand des sich an die Sensoreinrichtung annähernden elektrisch leitfähigen Objektes und/oder der Messelektronik.

3 zeigt ein Gehäuse G eines elektrischen Gerätes, etwa ein elektrisches Handgerät. Schematisch dargestellt sind hier zwei Elektrodenpaare, wobei ein erstes Elektrodenpaar an der linken Gehäusewandung angeordnet ist und ein zweites Elektrodenpaar an der rechten Gehäusewandung angeordnet ist. Das erste Elektrodenpaar umfasst die erste Sendeelektrode T_x+ und die erste Empfängerelektrode R_x+. Das zweite Elektrodenpaar umfasst die zweite Sendeelektrode T_x– und die zweite Empfängerelektrode R_x–. Die Anordnung der Elektrodenpaare relativ zueinander ist hier so gewählt, dass über die erste Empfängerelektrode R_x+ im Wesentlichen das elektrische Wechselfeld zwischen der ersten Sendeelektrode T_x+ und der ersten Empfängerelektrode R_x+ gemessen bzw. ausgewertet werden kann und über die zweite Empfängerelektrode R_x– im Wesentlichen das elektrische Wechselfeld zwischen der zweiten Sendeelektrode T_x– und der zweiten Empfängerelektrode R_x– gemessen bzw. ausgewertet werden kann. Die Anordnung der beiden Elektrodenpaare relativ zueinander, wie in 3 gezeigt, gewährleistet zudem, dass sich die elektrischen Wechselfelder sich gegenseitig im Wesentlichen nicht beeinflussen. Das bedeutet, dass das an der ersten Sendeelektrode T_x+ emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die erste Empfängerelektrode R_x+ einkoppelt und das an der zweiten Sendeelektrode T_x– emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die zweite Empfängerelektrode R_x– einkoppelt.
Umgreift ein Benutzer das elektrische Handgerät G mit einer Hand, werden die Elektroden des linken Elektrodenpaares und die Elektroden des rechten Elektrodenpaares von der Hand zumindest teilweise überdeckt. Das führt dazu, dass ein Teil des elektrischen Wechselfeldes der ersten Sendeelektrode T_x+ über die Hand in die erste Empfängerelektrode R_x+ einkoppelt und ein Teil des an der zweiten Sendeelektrode T_x– emittierten elektrischen Wechselfeldes über die Hand in die zweite Empfangselektrode R_x– einkoppelt. Durch die Differenzbildung der an den beiden Empfangselektroden R_x+ bzw. R_x– abgegriffenen elektrischen Signale werden Einflüsse der Erdung des Benutzers bzw. der Messelektronik effektiv eliminiert, sodass nur die tatsächlich an den jeweiligen Sendeelektroden T_x+ bzw. T_x– emittierten elektrischen Wechselfelder in das Messsignal einfließen.
Durch die Summenbildung der an den Empfängerelektroden R_x+ und R_x– abgegriffenen elektrischen Signale kann zudem überprüft werden, ob das elektrische Handgerät tatsächlich so umgriffen wird, dass eine das Handgerät G umgreifende Hand tatsächlich beide Elektrodenpaare zumindest teilweise überdeckt. Ist die Summe der beiden an den Empfängerelektroden R_x+ und R_x– abgegriffenen elektrischen Signale Null bzw. nahe Null, kann davon ausgegangen werden, dass das elektrische Handgerät tatsächlich von einer Hand umgriffen wird. Hierfür kann ein Schwellenwert vorgesehen werden. Ist die Summe der an den Empfangselektroden abgegriffenen elektrischen Signale betragsmäßig kleiner als der Schwellenwert kann von einem Umgreifen des Handgerätes ausgegangen werden. Vorzugsweise ist dieser Schwellenwert einstellbar.
4 zeigt eine Gehäuseschale G eines Hörgerätes. In diesem Beispiel sind die Sensorelektroden der kapazitiven Sensoreinrichtung nebeneinander angeordnet, wobei die Empfängerelektroden R_x+ und R_x– zwischen den Sendeelektroden T_x+ bzw. T_x– angeordnet sind. Die an den jeweiligen Sendeelektroden T_x+ und T_x– beaufschlagten elektrischen Wechselsignale sind so angepasst, dass das an der Sendeelektrode T_x+ emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode R_x+ einkoppelt und das an der Sendeelektrode T_x– emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode R_x– einkoppelt.

Claims

Kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend – ein Elektrodensystem, aufweisend – eine erste Sendeelektrode (T_x+) und eine erste Empfangselektrode (R_x+, wobei wobei die erste Sendeelektrode (T_x+) mit der ersten Empfangselektrode (R_x+) in eine kapazitive Koppelung bringbar ist, und – eine zweite Sendeelektrode (T_x–) und eine zweite Empfangselektrode (R_x–), wobei die zweite Sendeelektrode (T_x–) mit der zweiten Empfangselektrode (R_x–) in eine kapazitive Koppelung bringbar ist, – eine Signalgebereinrichtung zum Beaufschlagen der ersten Sendeelektrode (T_x+) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und der zweiten Sendeelektrode (T_x–) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2), und – eine Signalverarbeitungseinrichtung (S), welche mit der ersten Empfangselektrode (R_x+) und mit der zweiten Empfangselektrode (R_x–) gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus der Differenz zwischen einer an der ersten Empfangselektrode (R_x+) abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Empfangselektrode (R_x+) abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (S) weiter angepasst ist eine zweite Messgröße aus der Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wechselspannungsanteil des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) invers zum Wechselspannungsanteil des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Auswerteeinrichtung (A), welcher die erste Messgröße und/oder die zweite Messgröße zuführbar sind und welche angepasst ist aus der ersten Messgröße und/oder aus der zweiten Messgröße ein Informationssignal abzuleiten.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (T_x+, R_x+, T_x–, R_x–) so relativ zu einander angeordnet sind, dass – ein an der ersten Sendeelektrode (T_x+) emittiertes elektrisches Wechselfeld im Wesentlichen nur in die erste Empfangselektrode (R_x+) einkoppelt, und – ein an der zweiten Sendeelektrode (T_x–) emittiertes elektrisches Wechselfeld im Wesentlichen nur in die zweite Empfangselektrode (R_x–) einkoppelt.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Elektroden (T_x+, R_x+, T_x–, R_x–) so relativ zueinander angeordnet sind, dass – die zweite Messgröße ohne Beeinflussung der durch die Elektroden (T_x+, R_x+, T_x–, R_x–) gebildeten Kapazitäten durch ein Objekt oder – bei einer im Wesentlichen gleichartigen Beeinflussung im Wesentlichen Null ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste elektrische Größe und die zweite elektrische Größe den in die jeweilige Empfangselektrode (R_x–, R_x+) eingekoppelten elektrischen Strom oder die an der jeweiligen Empfangselektrode (R_x–, R_x+) entstehende elektrische Spannung umfasst.
Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes, umfassend zumindest die Schritte: – Beaufschlagen einer ersten Sendeelektrode (T_x+) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) und einer zweiten Sendeelektrode (T_x–) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2), sodass zwischen der ersten Sendeelektrode (T_x+) und einer ersten Empfangselektrode (R_x+) ein erstens elektrisches Wechselfeld ausgebildet wird und zwischen der zweiten Sendeelektrode (T_x–) und einer zweiten Empfangselektrode (R_x–) ein zweites elektrisches Wechselfeld ausgebildet wird, – Abgreifen einer ersten elektrischen Größe an der ersten Empfangselektrode (R_x+) und einer zweiten elektrischen Größe an der zweiten Empfangselektrode (R_x–), und – Erzeugen einer ersten Messgröße durch Bilden der Differenz zwischen der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine zweite Messgröße aus der Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektrischen Wechselsignale (WS1, WS2) so gewählt werden, dass der Wechselspannungsanteil des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) invers zum Wechselspannungsanteil des zweiten elektrischen Wechselsignals (WS2) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Elektroden (T_x+, R_x+, T_x–, R_x–) so relativ zu einander angeordnet werden, dass – das erste elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die erste Empfangselektrode (R_x+) einkoppelt, und – das zweite elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nur in die zweite Empfangselektrode (R_x–) einkoppelt.
Elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät, mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.