DE102011002447B4

DE102011002447B4 - Kapazitiver Annäherungsensor sowie Verfahren zur kapazitiven Annäherungsdetektion

Info

Publication number: DE102011002447B4
Application number: DE102011002447.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Erkens
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: CN103339860B; DE102011002447A1; CN103339860A; US9442143B2; US20140152327A1; KR101830796B1; WO2012093124A2; KR20140040691A; EP2661811A2; WO2012093124A3

Abstract

Kapazitiver Annäherungssensor, umfassend – eine erste Sensorelektrode (E1) und eine zweite Sensorelektrode (E2), – eine Signalgebereinrichtung, zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Wechselsignals und eines zweiten elektrischen Wechselsignals, – ein erstes Lastelement, welches eine erste elektrische Last und eine zweite elektrische Last umfasst, wobei das erste elektrische Wechselsignal über die erste elektrische Last der ersten Sensorelektrode (E1) beaufschlagbar ist und das zweite elektrische Wechselsignal über die zweite elektrische Last der zweiten Sensorelektrode (E1) beaufschlagbar ist, wobei das erste elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° zum zweiten elektrischen Wechselsignal aufweist und wobei die elektrischen Lasten jeweils zusammen mit der an der jeweiligen Sensorelektrode (E1, E2) zu messenden kapazitiven Belastung ein Tiefpassfilter bilden, und – eine Signalaufbereitung (A), welche mit der ersten Sensorelektrode (E1) und mit der zweiten Sensorelektrode (E2) gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus dem Gegentaktanteil einer an der ersten Sensorelektrode (E1) abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Sensorelektrode (E2) abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungssensor zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden des kapazitiven Annäherungssensors sowie ein Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Annäherung eines Objektes an einen erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Handgerät, insbesondere ein elektrisches Handgerät mit zumindest einem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Bei kapazitiven Annäherungssensoren wird durch Erzeugung und Messung elektrischer Wechselfelder die Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden des Annäherungssensors berührungsfrei gemessen. Aus dem Messsignal können Funktionen, etwa Schaltfunktionen eines elektrischen Handgerätes abgeleitet werden.
Zur berührungsfreien Annäherungsdetektion eines Objektes an einen kapazitiven Annäherungssensor sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, welche sich in der Art und Weise der Signalerzeugung und der Messung unterscheiden.
Ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Prinzip zur kapazitiven Annäherungsdetektion sieht die Verwendung eines kapazitiven Annäherungssensors mit einer einzigen Elektrode vor. Bei diesem Messprinzip wird die Kapazität der Elektrode in Bezug auf das Massepotenzial der Messelektronik des kapazitiven Annäherungssensors detektiert und ausgewertet. Dieses Messprinzip wird auch als Loading-Verfahren bezeichnet. Nähert sich ein Objekt, etwa ein Benutzer, der Sensorelektrode, dann verändert sich die Kapazität an der Sensorelektrode, was entsprechend detektiert und ausgewertet werden kann.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Messprinzip sieht einen kapazitiven Annäherungssensor mit zwei Sensorelektroden vor. Eine Sensorelektrode wird hierbei als Sendeelektrode und die andere Sensorelektrode 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. Dieses Verfahren wird auch als Transmissions-Verfahren bezeichnet, da es die Übertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger vermisst. 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.
Das Loading-Verfahren, welches die kapazitive Belastung gegen einen Bezugsknoten (vorzugsweise die Masse eines elektrischen Gerätes) misst, wird vorzugsweise bei erdgebundenen Systemen eingesetzt. Das Transmissions-Verfahren, welches die Übertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger vermisst, wird vorzugsweise für Batterie-betriebene, d. h., erdfreie Systeme verwendet.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Annäherungssensoren ist zum Einen die Abhängigkeit des kapazitiven Annäherungssensors von der parasitären kapazitiven Schleife über den Menschen, etwa eines Benutzers und die Erde. Das bedeutet, dass das Messsignal von den Erdungsverhältnissen des kapazitiven Sensors einerseits und von den Erdungsverhältnissen des Objektes, welches sich dem kapazitiven Annäherungssensor annähert, andererseits abhängt. Sind die konkreten Erdungsverhältnisse des kapazitiven Annäherungssensors bzw. des Objektes nicht bekannt, kann eine korrekte Messung einer Annäherung des Objektes an den kapazitiven Annäherungssensor nicht gewährleistet werden.
Andererseits sind Störeinkoppelungen, etwa durch elektrische Störfelder, aus der Umgebung des kapazitiven Sensors auf die Sensorelektroden des kapazitiven Annäherungssensors problematisch, weil sich solche Störeinkoppelungen negativ auf das Messergebnis auswirken können. Solche Störeinkoppelungen bzw. elektrische Störfelder können beispielsweise durch benachbarte Elektronikbaugruppen in komplexen Systemen, wie Mobiltelefone, verursacht werden. Um solche Störeinkoppelungen bzw. elektrische Störfelder zu vermeiden, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, welche das Einkoppeln externer Störfelder in die Sensorelektroden des kapazitiven Annäherungssensors weitestgehend, idealerweise vollständig vermeiden. Solche Maßnahmen führen allerdings zu einem erhöhten baulichen Aufwand, was sich auf die Material- und Herstellungskosten des kapazitiven Annäherungssensors bzw. des elektrischen Gerätes, in welchem der kapazitive Annäherungssensor integriert wird, führt.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, das Einkoppeln externer elektrischer Störfelder in die Sensorelektrode des kapazitiven Annäherungssensors zu verhindern, besteht darin, die Sensorelektroden des Annäherungssensors gegen andere Elektronikbaugruppen in einem komplexen System abzuschirmen, was beispielsweise mit Hilfe einer Schirmelektrode erfolgen kann. Hierbei ist allerdings nachteilig, dass eine Schirmelektrode sehr viel Platz einnehmen kann bzw. einnehmen muss, um eine Abschirmung sicher zu gewährleisten. Insbesondere bei Verwendung kapazitiver Annäherungssensoren in elektrischen Handgeräten, etwa Mobiltelefone, ist es wünschenswert auf solche Abschirmelektroden zu verzichten, um eine möglichst kompakte Bauweise des elektrischen Handgerätes zu erreichen.
Aus der US 6,664,661 B1 ein kapazitiver Annäherungssensor bekannt. Eine Messanordnung des Annäherungssensors wird über einen Eingang des Empfängers auf ein Bezugspotenzial gebracht und zwei Elektroden werden mit jeweils einem von einem Sender erzeugten Signal beaufschlagt. Der Signalübertragungsweg ist hierbei rein kapazitiv über Masse, wobei die Signalstrecke zwischen den Elektroden und der Masse den eigentlichen Messraum darstellt. Zur Messung bzw. zur Detektion einer Annäherung an die Elektroden wird der Einfluss eines Objektes auf diese Signalübertragungsstrecke gemessen.
Aus der DE 24 17 964 C3 ist ein Messprinzip bekannt, welches ähnlich zu dem aus der US 6,664,661 B1 bekannten Messprinzip ist und bei dem die Übertragungsstrecke durch den Raum zwischen den Sendeelektroden und der Empfangselektrode gebildet wird. Zwischen einer der beiden Sendeelektroden und einem Generator ist eine Last vorgesehen. Am Generator werden Signale abgegriffen. Diese Signale stellen kein Messsignal dar, sondern werden dazu benutzt, einen Phasendetektor zu steuern. Das eigentliche Messsignal wird an der Empfangselektrode abgegriffen und von einem Operationsverstärker verstärkt.
Aus der DE 20 2006 010 813 U1 ist ein Einklemmsensor sowie eine Auswerteschaltung bekannt. Der Einklemmsensor umfasst zwei Messelektroden und eine Gegenelektrode. Die beiden Messelektroden erzeugen jeweils eine elektrisches Feld gegenüber der Gegenelektrode, wobei das elektrische Feld der ersten Messelektrode eine größere Reichweite aufweist als das elektrische Feld der zweiten Messelektrode. Die Messelektroden sind zueinander elektrisch parallel geschaltet und werden mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Mit einer Messbrückenschaltung werden die Messkapazitäten erfasst.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Annäherungssensor und ein Verfahren zur kapazitiven Annäherungsdetektion bereitzustellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeiden und welche eine zuverlässige und robuste Detektion einer Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden eines kapazitiven Annäherungssensors gewährleisten. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Annäherungssensor und ein Verfahren zur kapazitiven Annäherungsdetektion bereitzustellen, welche weitgehend unabhängig von Einflüssen externer Störfelder und von den Erdungsverhältnissen der Sensorelektronik einerseits und eines sich an die Sensorelektroden annähernden Objektes andererseits sind.
Erfindungsgemäße Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Annäherungssensor und ein Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes nach den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Bestandteil der Lösung ist auch ein Handgerät, insbesondere ein elektrisches Handgerät, welches zumindest einen kapazitiven Annäherungssensor aufweist.
Bereitgestellt wird demnach ein kapazitiver Annäherungssensor, welcher

– eine erste Sensorelektrode und eine zweite Sensorelektrode,
– eine Signalgebereinrichtung, zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Wechselsignals und eines zweiten elektrischen Wechselsignals,
– einer erstes Lastelement, welches eine erste elektrische Last und eine zweite elektrische Last umfasst, wobei das erste elektrische Wechselsignal über die erste elektrische Last der ersten Sensorelektrode beaufschlagbar ist und das zweite elektrische Wechselsignal über die zweite elektrische Last der zweiten Sensorelektrode beaufschlagbar ist, wobei das erste elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° zum zweiten elektrischen Wechselsignal aufweist und wobei die elektrischen Lasten jeweils zusammen mit der an der jeweiligen Sensorelektrode zu messenden kapazitiven Belastung ein Tiefpassfilter bilden, und
– eine Signalaufbereitung umfasst, welche mit der ersten Sensorelektrode und mit der zweiten Sensorelektrode gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus dem Gegentaktanteil einer an der ersten Sensorelektrode abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Sensorelektrode abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden.

Die Signalaufbereitung kann eine erste Verstärkerschaltung, welche vorzugsweise als voll differentieller Verstärker ausgebildet ist, umfassen, und welche die Gegentaktanteile der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe selektiert.
Die Signalaufbereitung kann angepasst sein, die erste Messgröße aus der Differenz zwischen der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Das erste elektrische Wechselsignal weist vorzugsweise die gleiche Amplitude wie das zweite elektrische Wechselsignal auf.
Die Signalaufbereitung kann weiter angepasst sein eine zweite Messgröße aus dem Gleichtaktanteil der an den Sensorelektroden abgegriffenen ersten elektrischen Größe und zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Die Signalaufbereitung kann zur Bildung der zweiten Messgröße eine zweite Verstärkerschaltung umfassen, welche vorzugsweise als Impedanzwandler ausgestaltet ist, wobei dem nicht invertierenden Eingang des Impedanzwandlers die Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zuführbar ist.
Der Annäherungssensor kann weiter eine Feldstörelektrode umfassen, welche mit einem dritten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Der Annäherungssensor kann weiter eine dritte Verstärkerschaltung umfassen, welche das erste Lastelement umfasst.
Der Annäherungssensor kann weiter ein zweites Lastelement umfassen, welches mit der Signalgebereinrichtung gekoppelt ist, wobei die Ausgangssignale des zweiten Lastelements der Signalaufbereitung zuführbar sind.
Der Annäherungssensor kann weiter eine vierte Verstärkerschaltung umfassen, welche das zweite Lastelement umfasst.
Die Sensorelektroden und der Ausgang des zweiten Lastelements können derart mit den Eingängen der ersten Verstärkerschaltung gekoppelt sein, dass die erste Verstärkerschaltung an ihren Ausgängen die Differenz zwischen den an den Sensorelektroden abgegriffenen Signalen und den Ausgangssignalen des zweiten Lastelements bereitstellt.
Vorteilhaft ist es, wenn

– die erste Sensorelektrode mit dem invertierenden Ausgang der dritten Verstärkerschaltung gekoppelt ist,
– die zweite Sensorelektrode mit dem nicht invertierenden Ausgang der dritten Verstärkerschaltung gekoppelt ist,
– das erste elektrische Wechselsignal den invertierenden Eingängen der dritten Verstärkerschaltung und der vierten Verstärkerschaltung zuführbar ist,
– das zweite elektrische Wechselsignal den nicht invertierenden Eingängen der dritten Verstärkerschaltung und der vierten Verstärkerschaltung zuführbar sind,
– ein erstes Summensignal, welches aus dem an der ersten Sensorelektrode abgegriffenen elektrischen Signals und dem am nicht invertierenden Ausgang der vierten Verstärkerschaltung anliegenden Signals gebildet wird, dem invertierenden Eingang der ersten Verstärkerschaltung zuführbar ist, und
– ein zweites Summensignal, welches aus dem an der zweiten Sensorelektrode abgegriffenen elektrischen Signals und dem am invertierenden Ausgang der vierten Verstärkerschaltung anliegenden Signals gebildet wird, dem nicht invertierenden Eingang der ersten Verstärkerschaltung zuführbar ist.

Die Verstärkung der vierten Verstärkerschaltung kann einstellbar sein.
Bereit gestellt wird auch ein Verfahren zur Annäherungsdetektion, wobei eine erste Sensorelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und eine zweite Sensorelektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wobei das erste elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° zum zweiten elektrischen Wechselsignal aufweist, wobei die elektrischen Wechselsignale über jeweils eine erste und zweite elektrische Last den jeweiligen Sensorelektroden beaufschlagt werden, und aus dem Gegentaktanteil einer ersten elektrischen Größe, welche an der ersten Sensorelektrode abgegriffen wird, und einer zweiten elektrischen Größe, welche an der zweiten Sensorelektrode abgegriffen wird, eine erste Messgröße gebildet wird, wobei die erste Messgröße indikativ für die Annäherung des Objektes an die Sensorelektroden ist.
Die elektrischen Wechselsignale werden vorzugsweise so gewählt, dass das erste elektrische Wechselsignal vorzugsweise die gleiche Amplitude und Frequenz wie das zweite elektrische Wechselsignal aufweist.
Aus dem Gleichtaktanteil der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe wird eine zweite Messgröße gebildet.
Ein zweites Lastelement kann mit dem ersten elektrischen Wechselsignal und dem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wobei die Ausgänge des ersten Lastelements und des zweiten Lastelements derart mit den Eingängen einer ersten Verstärkerschaltung gekoppelt werden, dass die erste Verstärkerschaltung an ihren Ausgängen die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten Lastelements und den Ausgangssignalen des zweiten Lastelements bereitstellt.
Ferner wird ein Handgerät, insbesondere elektrisches Handgerät bereitgestellt, welches zumindest einen erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor 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, ein Diktiergerät 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 den Verlauf der Feldlinien eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors im Sensorleerlauf;
2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors;
3 die Signalverläufe der an zwei Sensorelektroden des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors abgegriffenen elektrischen Signale sowie das daraus resultierende Differenzsignal;
4 ein kapazitives Ersatzschaltbild eines Menschen;
5 das in 2 gezeigte Schaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors zusammen mit dem kapazitiven Ersatzschaltbild aus 4, wobei der Mensch einen Teil eines Tiefpassfilters erster Ordnung darstellt;
6 Alternativen zu dem in 5 gezeigten Tiefpassfilter erster Ordnung als Tiefpassfilter zweiter Ordnung und Tiefpassfilter dritter Ordnung;
7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors, welcher zusätzlich zur Gegentaktauswertung auch eine Gleichtaktauswertung vorsieht;
8 die Signalverläufe eines Gegentaktsignals und eine Gleichtaktsignals, wie sie von einem kapazitiven Annäherungssensor nach 7 bereitgestellt werden;
9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors, welcher eine Kompensation von Fertigungstoleranzen erlaubt;
10 zwei Anwendungsfälle unter Verwendung von jeweils zwei erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensoren in einem elektrischen Handgerät; und
11 einen erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor, welcher zusätzlich eine Feldstörelektrode vorsieht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt den Verlauf von Feldlinien in einem kapazitiven Annäherungssensor, dessen Aufbau in 2 bis 10 näher beschrieben wird. Die Sensorelektroden E1 und E2 eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors werden mit einem differenziellen Signal beaufschlagt, sodass zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 ein Gegentaktsignal erzeugt wird, welches zu einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden führt und welches die Ausbildung eines elektrischen Wechselfeldes zwischen den beiden Elektroden bewirkt.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors. Der kapazitive Annäherungssensor umfasst im Wesentlichen zwei Sensorelektroden, einen Signalgenerator, ein elektrisches Lastelement und eine elektrische Schaltung zum Trennen eines Gegentakt-Anteils von einem Gleichtakt-Anteil eines elektrischen Signals.
Die Sensorelektroden umfassen eine erste Sensorelektrode E1 und eine zweite Sensorelektrode E2, welche in dem Sensorsystem gleichberechtigt funktionieren und gleichzeitig Sende- und Empfangselektroden darstellen. Der Signalgenerator ist über das elektrische Lastelement L mit den beiden Sensorelektroden E1 und E2 gekoppelt. Der Signalgenerator stellt eine differenzielle Wechselspannung zur Verfügung, welche über das elektrische Lastelement L den Sensorelektroden E1 und E2 beaufschlagt wird. Der Signalgenerator kann zwei unsymmetrische Generatoren G1 und G2 umfassen, welche jeweils ein identisches Signal erzeugen, wobei das Signal des Generators G1 zu dem Signal des Generators G2 einen Phasenunterschied von 180° aufweist. Über die elektrische Last L wird das Signal des ersten Generators G1 der ersten Sensorelektrode E1 beaufschlagt, das um 180° phasenverschobene Signal des Generators G2 wird über das Lastelement L der zweiten Sensorelektrode E2 beaufschlagt.
Die elektrische Last L bildet zusammen mit der zu messenden kapazitiven Last, welche durch ein sich an die Sensorelektroden E1, E2 annäherndes Objekt gebildet wird, ein Tiefpassfilter erster Ordnung. Die elektrische Last L kann beispielsweise mittels Widerstände realisiert werden. Die elektrische Last kann aber auch durch die Last eines vorgeschalteten Differenzverstärkers realisiert werden. Die Last kann dabei Bestandteil des Differenzverstärkers sein.
Die Schaltung zum Trennen des Gegentakt-Anteils vom Gleichtakt-Anteil eines elektrischen Signals kann etwa mittels eines volldifferenziellen Verstärkers A1 realisiert werden. Das von einem elektrisch leitfähigen Objekt beeinflusste Gegentaktsignal zwischen den Sensorelektroden E1 und E2 kann mit Hilfe des volldifferenziellen Verstärkers A1 selektiert und einer Gegentakt-Auswerteeinrichtung (differenzielle Empfangs- und Auswerteeinrichtung) zugeführt werden. Die Gegentakt-Auswerteeinrichtung kann gesondert implementiert sein oder als Teil einer größeren Signalverarbeitungseinheit, etwa ein Mikrocontroller, zur Verfügung gestellt werden. Der Gegentakt-Auswerteeinrichtung kann das differenzielle Ausgangssignal des Verstärkers A1 zugeführt werden. Alternativ kann auch nur einer der beiden Signalleiter zur Weiterverarbeitung der Gegentakt-Auswerteeinrichtung zugeführt werden. In einer noch weiteren Alternative kann das differenzielle Ausgangssignal des volldifferenziellen Verstärkers A1 in ein erdbezogenes Signal gewandelt werden, welches dann der Gegentakt-Auswerteeinrichtung zugeführt wird.
Wie in 2 erkennbar, ist die Last L des volldifferenziellen Verstärkers A1 parallel zu dem Elektrodenpaar E1 und E2 geschaltet. Insgesamt ergibt sich so ein Tiefpass erster Ordnung unter Berücksichtigung des durch den Menschen eingebrachten kapazitiven Netzwerks. Die eingebrachte Kapazität lässt sich durch eine kapazitive Ersatzschaltung approximieren, wie in 4 und 5 gezeigt. Die elektrische Last L wird vorzugsweise so dimensioniert, dass sich bei einer Annäherung eines Menschen an die Sensorelektroden E1, E2 zwischen den Zuständen „kein Mensch im elektrischen Wechselfeld” und „größte Annäherung” eine maximale Betragsänderung in der Übertragungsfunktion des Tiefpassfilters ergibt. Der Pegel wird bei einer Annäherung eines Menschen an die Sensorelektrode stets reduziert, weil die Zeitkonstante des Filters steigt und die Eckfrequenz des Filters fällt.
Wesentliche Merkmale des kapazitiven Annäherungssensors sind das Differenzsignal, mit welchem das Filter angeregt wird sowie die nachgeschaltete Gegentakt-Auswertung, welche mit Hilfe des volldifferenziellen Verstärkers A1 und der Gegentakt-Auswerteeinrichtung bereitgestellt wird. Üblicherweise ist in einem System mit drei Leitern (zwei Signalleiter und Masse), wie bei dem hier beschriebenen kapazitiven Annäherungssensor die Existenz zweier Signalarten möglich, wobei jede Signalart charakteristische Eigenschaften aufweist. Die beiden Signalarten umfassen die sogenannten Gegentaktsignale und die sogenannten Gleichtaktsignale.
Die Gegentaktsignale sind durch eine gleiche Amplitude auf beiden Signalleitern bei einem Phasenversatz von genau 180° gekennzeichnet. Die Signale sind also bis auf die Phasenverschiebung identisch. Weil die Signalspannung gegen den jeweils anderen Signalleiter gerichtet ist, ergibt sich zwischen beiden Signalen eine sogenannte virtuelle Masse, die gewisse Eigenschaften mit der tatsächlichen Erdmasse teilt. So liegen für ein Wechselsignal virtuelle Masse und Erdmasse auf dem gleichen Potenzial, was bedeutet, dass dazwischen kein Stromfluss stattfindet.
Gleichtaktsignale zeichnen sich durch die gleiche Amplitude auf beiden Signalleitern bei vollkommen identischer Phase aus. Da der Gleichtakt-Anteil stets gleiches Potenzial auf beiden Signalleitern aufweist, werden masseunabhängige Schaltungsteile zwischen den Signalleitern nicht von Gleichtakt-Strömen durchflossen.
Die Signale auf einem Leiterpaar lassen sich immer in die beiden oben genannten Anteile (Gegentakt-Anteil und Gleichtakt-Anteil) zerlegen. Wesentlich für den erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor ist das Gegentaktsignal, welches durch die Signalgeneratoren G1 und G2 erzeugt und bereitgestellt wird, den Elektroden E1 und E2 beaufschlagt und anschließend ausgewertet wird. Weil Störsignale meist als Gleichtaktstörer in das Sensorsystem bzw. in die Sensorelektroden E1 und E2 einkoppeln, werden sie bei der Gegentakt-Auswertung (vgl. 3) ausgelöscht und beeinträchtigen die weitere Verarbeitung nicht. Der erfindungsgemäße kapazitive Annäherungssensor ist daher besonders robust gegen Störeinkoppelungen.
3 zeigt Signalverläufe der zu erwartenden Signale an den Sensorelektroden E1 und E2, wenn in unmittelbarer Umgebung der Sensorelektroden weitere Elektronikbaugruppen aktiv sind, wie es etwa in einem Mobiltelefon der Fall sein kann. In diesem Fall ist eine Überlagerung des erwünschten Signals mit Störsignale, welche etwa durch Digitalschaltungen oder Schaltregler erzeugt werden können, möglich. Die Überlagerung der Signale an den Sensorelektroden E1 und E2 mit Störsignalen kann die weitere Signalverarbeitung nachteilig beeinflussen. Die Störsignale treten in Form von Gleichtaktsignalen (gleichsinnige Auslenkung auf beiden Signalleitern) auf einem erwünschten Gegentaktsignal (gegensinnige Auslenkung auf beiden Signalleitern) auf. Durch die nachfolgende Gegentakt-Selektion in der Verstärkerschaltung A1, welche als volldifferenzieller Verstärker ausgebildet sein kann, wird das Sensorsignal von den Störsignalen befreit. Ein solches von Störsignalen befreites Sensorsignal ist in dem unteren Signalverlauf in 3 gezeigt, wobei der Signalverlauf die Signaldifferenz der Sensorsignale an den Elektroden E1 und E2 darstellt. In dem durch die Verstärkerschaltung A1 aufbereiteten Signal sind die Störsignale nicht mehr enthalten, sodass das von der Verstärkerschaltung A1 bereitgestellte differenzielle Sensorsignal weiterverarbeitet werden kann, ohne dass Störsignale die Weiterverarbeitung beeinflussen.
Alternativ kann das Signal auch digital aufbereitet, etwa mit einem Mikrocontroller, und die Störsignale entfernt werden.
4 zeigt in vereinfachter Form das durch einen Menschen erzeugte kapazitive Netzwerk, welches im Wesentlichen aus der Kapazität CL (linke Hand), aus der Kapazität CR (rechte Hand) und aus einer Kapazität CE (Kapazität gegen Erde) besteht. Bei einer Gegentakt-Anregung, d. h. bei Beaufschlagung der Sensorelektroden E1 und E2 mit einem differenziellen Generatorsignal, und unter der Bedingung CL = CR (die Bedingung CL = CR stellt den Idealfall des in 4 gezeigten kapazitiven Netzwerkes dar) stellt sich eine virtuelle Masse über die Kapazität CE ein. Die Kapazität CE ist dann kurzgeschlossen und verändert die Sensorsignale an den Sensorelektroden E1 und E2 nicht mehr. Aufgrund der Eigenschaft der virtuellen Masse liegt die Körperkapazität mm weitgehend (vollkommen, wenn die Kapazitäten an beiden Einkoppelpunkten gleich groß sind, d. h., CL = CR) zwischen Erde und virtueller Masse und ist so kurzgeschlossen. Weil bei einer Annäherung zum Umgreifen, etwa eines Mobiltelefons oder zum Handauflegen, etwa auf einer Computermaus, von einer ähnlich großen Kapazität an beiden Sensorelektroden E1, E2 ausgegangen werden kann, ist die Detektion an den Sensorelektroden E1, E2 und die nachfolgende Auswertung der an den Sensorelektroden E1 und E2 abgegriffenen Signale weitgehend unabhängig von Erdeinflüssen über den Menschen. Es hat sich gezeigt, dass in der Praxis auch unter der Bedingung CL ≠ CR (wobei sich die Differenz zwischen CL und CR innerhalb bestimmter Grenzen bewegt) eine robuste und zuverlässige Detektion gewährleistet ist.
5 zeigt einen kapazitiven Annäherungssensor mit dem durch den Menschen gebildeten kapazitiven Netzwerk. Die elektrische Last L bildet gemeinsam mit diesem Netzwerk einen Tiefpass erster Ordnung, dessen Eckfrequenz mit der Größe der Kapazitäten CL, CR und CE variiert. Ersetzt man die in 5 gezeigten Sinusquellen G1, G2 durch zwei Rechteckgeneratoren, so kann anstelle der frequenzabhängigen Amplitude der Ladestrom in das kapazitive Netzwerk gemessen werden.
Der in 5 gezeigte Tiefpass erster Ordnung kann durch den Einsatz von Spulen, wie in 6 gezeigt, erweitert werden.
6 zeigt Erweiterungen des Tiefpasses erster Ordnung (welche in 6a gezeigt ist) um jeweils eine Filterordnung auf Tiefpässe zweiter Ordnung (welche in 6b und 6c gezeigt sind) und auf Tiefpässe dritter Ordnung (welche in 6d und 6e gezeigt sind). Der Vorteil solcher Erweiterungen auf Tiefpässe höherer Ordnung liegt darin, dass die Flanke des Filters mit jeder Ordnung steiler wird (+20 dB/Dekade pro Filterordnung). Dadurch ergibt sich bei einer festen Messfrequenz und einer sich ändernden Kapazität eine größere Änderung der Signalamplitude, der an den Sensorelektroden E1, E2 abgegriffenen Signale. Der Wesentliche Vorteil liegt darin, dass die Szenarien ”Objekt im elektrischen Wechselfeld” und ”kein Objekt im elektrischen Wechselfeld” wesentlich besser voneinander unterschieden werden können, was zu einer robusteren Detektion führt. Ferner kann mit einem Filter höherer Ordnung auch die Empfindlichkeit des kapazitiven Annäherungssensors erhöht werden.
Weil allerdings Spulen (wie in 6b und 6d gezeigt) vor allem in integrierten Schaltungen aufgrund ihrer immensen Flächenbedürfnisse nachteilig sind, können diese durch Gyratoren oder Impedanz-Inverter (wie in 6c und 6e gezeigt) ersetzt werden, welche die Übertragungsfunktion einer Kapazität in die einer Spule transformieren. Die Verwendung von Gyratoren bzw. Impedanz-Inverter hat zudem den Vorteil, dass die Herstellung kapazitiver Annäherungssensoren wesentlich kosteneffizienter bewerkstelligt werden kann.
6a zeigt einen Tiefpass erster Ordnung, 6b und 6c zeigen jeweils einen Tiefpass zweiter Ordnung und 6d und 6e zeigen jeweils einen Tiefpass dritter Ordnung.
Erfindungsgemäß kann der kapazitive Annäherungssensor um eine Empfangs- und Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung des an den Sensorelektroden E1, E2 abzugreifenden Gleichtaktsignals erweitert werden. Eine Ausführungsform mit einer Gleichtakt-Auswertung ist in 7 gezeigt. Die Sensorfunktionalität, wie sie mit Bezug auf 1 bis 6 beschrieben worden ist, bleibt hier vollständig erhalten und wird durch die Gleichtakt-Auswertung, welche im Wesentlichen parallel zur Gegentakt-Auswertung erfolgen kann, nicht beeinflusst. Erfindungsgemäß kann durch die zusätzliche Gleichtakt-Auswertung neben dem erwünschten Gegentaktsignal auch das durch den Massebezug des Menschen entstehende Gleichtaktsignal ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
Die Gleichtakt-Auswertung, welche Bestandteil der Signalaufbereitung A sein kann, umfasst im Wesentlichen eine zweite Verstärkerschaltung A2, dessen Ausgang mit einer Empfangs- und Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Gleichtaktsignals gekoppelt ist. Die Verstärkerschaltung A2 kann als Impedanzwandler ausgestaltet sein und als Puffer-Verstärker dienen, wobei dem nicht invertierenden Eingang des Impedanzwandlers die Summe der an den Sensorelektroden E1 und E2 abgegriffenen elektrischen Signale zugeführt wird. Die Addition der an den Elektroden E1 und E2 abgegriffenen Signale wird vorzugsweise derart bewerkstelligt, dass die Elektroden E1 und E2 im Wesentlichen nicht belastet werden.
In Kombination mit dem Gegentaktsignal lassen sich nachfolgende Signalzustände extrahieren:

– Gegentaktsignal maximal und Gleichtaktsignal minimal: es befindet sich kein Mensch im elektrischen Wechselfeld der Elektroden E1 und E2.
– Reduktion des Gegentaktsignals ist messbar und die Amplitude des Gleichtaktsignals ist niedrig: ein Mensch nähert sich nahezu gleichmäßig beiden Elektroden an.
– Reduktion des Gegentaktsignals ist messbar und das Gleichtaktsignal weist eine große Amplitude auf: ein Mensch nähert sich den Elektroden E1, E2 an, jedoch verstärkt an eine Elektrode, welche nach der in 7 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung die Elektrode E1 ist.
– Reduktion des Gegentaktsignals ist messbar und die Amplitude des Gleichtaktsignals ist groß und das Gleichtaktsignal ist gegenphasig zum Gegentaktsignal: ein Mensch nähert sich an die Elektroden E1, E2 an, jedoch verstärkt an die andere Elektrode, welche nach der in 7 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung die Elektrode E2 ist.

Unter Zuhilfenahme des Gleichtaktsignals kann also auch die Richtung der Annäherung eines elektrisch leitfähigen Objektes, etwa eines Menschen an die Sensorelektroden E1, E2 erfasst werden. Dadurch lassen sich zusätzliche Funktionen mit Hilfe des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors realisieren, etwa sogenannte Slider oder Wheels (Schieberegler bzw. Drehregler).
Die Auswertung des Gegentaktsignals und des Gleichtaktsignals kann zeitgleich, d. h. im Wesentlichen parallel erfolgen. Die Auswertung beider Signale kann vorzugsweise während des gleichen Messzyklus erfolgen, sodass sich eine Energieersparnis oder bei konstanter Energiebilanz eine höhere Abtastrate erzielen lässt.
In 8 sind die vier zuvor genannten Signalzustände als Signalverläufe des Gegentaktsignals und des Gleichtaktsignals über die Zeit dargestellt.
Im ersten Zeitintervall bzw. zu einem ersten Zeitpunkt ist der Abstand eines Objektes zu den Sensorelektroden groß und der Abstand des Objektes ist zu jeder Sensorelektrode im Wesentlichen identisch. Die Amplitude des Gegentaktsignals ist groß und die Amplitude des Gleichtaktsignals sehr klein.
Im zweiten Zeitintervall bzw. zu einem zweiten Zeitpunkt ist der Abstand eines Objektes zu den Sensorelektroden gering und der Abstand des Objektes ist zu jeder Sensorelektrode im Wesentlichen identisch. Die Amplitude des Gegentaktsignals und die Amplitude des Gleichtaktsignals sind dabei jeweils sehr klein.
Im dritten Zeitintervall bzw. zu einem dritten Zeitpunkt befindet sich ein Objekt im elektrischen Wechselfeld der Sensorelektroden E1, E2, wobei der Abstand des Objektes zur Sensorelektrode E1 kleiner ist als Abstand des Objektes zur Sensorelektrode E2. Die Reduktion der Amplitude des Gegentaktsignals ist messbar und die Amplitude des Gleichtaktsignals ist groß, wobei sich das Gleichtaktsignal in Phase mit dem Gegentaktsignal befindet.
Im vierten Zeitintervall bzw. zu einem vierten Zeitpunkt befindet sich ein Objekt im elektrischen Wechselfeld der Sensorelektroden E1, E2, wobei der Abstand des Objekts zur zweiten Sensorelektrode E2 kleiner ist als der Abstand des Objektes zur ersten Sensorelektrode E1. Auch hier ist die Reduktion der Amplitude des Gegentaktsignals messbar, die Amplitude des Gleichtaktsignals ist groß und das Gleichtaktsignal weist einen Phasenversatz von 180° zum Gegentaktsignal auf.
Der erfindungsgemäße Annäherungssensor kann zur Kompensation von Fertigungstoleranzen erweitert werden. Eine Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen Erweiterung des kapazitiven Annäherungssensors ist in 9 gezeigt.
Hierzu wird der in 7 gezeigte kapazitive Annäherungssensor um eine sogenannte „Nachahmung” erweitert. Mit der Nachahmung wird die in 7 gezeigte elektrische Last L nachgeahmt, d. h. es wird eine weitere elektrische Last vorgesehen, welche im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie die in 7 gezeigte elektrische Last L aufweist. Vorzugsweise sind die elektrische Last L und die nachgeahmte Last jeweils Teil einer Verstärkerschaltung, welche in 9 als Verstärkerschaltung A3 und als Verstärkerschaltung A4 gezeigt sind. Die in 7 gezeigte elektrische Last L ist hierbei Teil der Verstärkerschaltung A3.
Den Verstärkerschaltungen A3 und A4 werden jeweils die Signale der Signalgeneratoren G1 und G2 identisch zugeführt, wobei allerdings die Ausgänge der Verstärkerschaltung A4 nicht mit den Elektroden E1, E2 gekoppelt sind. Die Ausgänge der Verstärkerschaltung A4 und die Ausgänge der Verstärkerschaltung A3 bzw. die Elektroden E1 und E2 werden derart an den nachfolgenden differenziellen Verstärker A1 angeschlossen, dass das differenzielle Ausgangssignal des differenziellen Verstärkers A1 die Differenz der Ausgangssignale der Verstärkerschaltung A3 und der Verstärkerschaltung A4 darstellt.
Dem invertierenden Eingang des differenziellen Verstärkers A1 wird ein Summensignal zugeführt, welches aus dem Signal an dem nichtinvertierenden Ausgang der Verstärkerschaltung A4 und dem Signal aus dem invertierenden Ausgang der Verstärkerschaltung A3 bzw. aus dem an der ersten Sensorelektrode E1 abgegriffenen Signal gebildet wird. Dem nichtinvertierenden Eingang der differenziellen Verstärkerschaltung A1 wird ein Summensignal zugeführt, welches aus dem Signal an dem invertierenden Ausgang der Verstärkerschaltung A4 und aus dem Signal aus dem nichtinvertierenden Ausgang der Verstärkerschaltung A3 bzw. aus dem an der zweiten Sensorelektrode E2 abgegriffenen Signal gebildet wird.
Ohne Annäherung eines Objektes an die Sensorelektroden E1, E2 sind beide Signalpfade identisch, sodass das differenzielle Ausgangssignal des Verstärkers A1 nahezu Null bzw. gleich Null ist. Nähert sich ein elektrisch leitfähiges Objekt den Elektroden E1, E2 an, reduziert sich das Signal an den Elektroden E1, E2, sodass sich eine Differenz an den Eingängen des volldifferenziellen Verstärkers A1 ergibt, was zu einem Signalanstieg an den Ausgängen des Verstärkers A1 führt.
Auf diese Weise können globale Fertigungsschwankungen der Last, wie sie sehr ausgeprägt vor allem in Halbleiterschaltungen auftreten können, kompensiert werden, weil die Last der Verstärkerschaltung A3 und die Last der die Vertärkerschaltung A3 nachahmenden Verstärkerschaltung A4 global im Wesentlichen gleich schwanken.
Vorzugsweise ist die Verstärkerschaltung A4 in ihrer Verstärkung einstellbar, sodass neben der Kompensation von Fertigungsschwankungen auch parasitäre Grundlasten effektiv kompensiert werden können.
10 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors in einem Mobiltelefon bzw. in einer Computermaus. Die Elektrodenpaare E1 und E2 bzw. E3 und E4 stellen jeweils eine Sensorzone dar, welche sowohl zur Detektion des Umgreifens des Mobiltelefon bzw. zur Detektion des Auflegen einer Hand auf die Computermaus dienen können. Gleichzeitig können die Elektrodenpaare auch als Knopf (Button) oder Schieberegler (Slider) verwendet werden. In Kombination beider Sensorzonen (welche vorzugsweise in einem Zeitmultiplexverfahren betrieben werden können) können auch Drehregler (Wheels) implementiert werden.
Die Elektrodenpaare E1, E2 bzw. E3, E4 können mit der gleichen Messelektronik betrieben werden, wobei die Elektrodenpaare im Multiplexverfahren (Zeitmultiplex) an die Messelektronik angeschlossen werden. Im Multiplexverfahren kann auch die elektrische Last entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann die elektrische Last für das erste Elektrodenpaar E1, E2 verschieden zur elektrischen Last für das zweite Elektrodenpaar E3, E4 sein. Die Anpassung bzw. das Einstellen der elektrischen Last kann dann von Vorteil sein, wenn die Anordnung der Elektroden relativ zueinander der jeweiligen Elektrodenpaare jeweils verschieden ist, wobei durch Einstellen der elektrischen Last die Sensorgenauigkeit für beide Elektrodenpaare im Wesentlichen gleich gehalten wird.
11 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors mit einer zusätzlichen Elektrode E3, welche als Feldstörelektrode in das System eingebracht wird. An der Feldstörelektrode E3 wird zum Messzeitpunkt ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welches bei Annäherung eines elektrisch leitfähigen Objektes an die Sensorelektroden über dieses Objekt in eine oder in beide Sensorelektroden E1, E2 einkoppelt. Sobald eine kapazitive Koppelung zwischen der Feldstörelektrode E3 und den Sensorelektroden E1, E2 hergestellt ist, wird das Gleichtaktpotenzial des kapazitiven Annäherungssensors durch die neu hinzukommende Komponente der Feldstörelektrode beeinflusst. Das über das elektrisch leitfähige Objekt in die Sensorelektroden E1, E2 eingekoppelte elektrische Wechselfeld der Feldstörelektrode E3 führt zu einem Anstieg des Gleichtaktpegels der an den Sensorelektroden E1, E2 abgegriffenen elektrischen Signale. Das Signal der Feldstörelektrode kann sich hinsichtlich Amplitude, Phase und/oder Frequenz gegenüber dem differenziellen Signal des kapazitiven Annäherungssensors unterscheiden, sodass es eindeutig der Feldstörelektrode E3 zuordenbar ist.
Zusammenfassend seien nochmals die Vorteile der erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung genannt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors liegt darin, dass dieser zur Detektion einer Annäherung eines menschlichen Körpers an ein Gerät, etwa ein elektrisches Handgerät verwendet werden kann, wobei das Funktionieren des Annäherungssensors sowohl in einem wenig geerdeten als auch in einem stark geerdeten Szenario sowie bei starken Störeinflüssen gewährleistet ist.
Mit Blick auf die Eingangs erwähnten Transmissions-Systeme und Loading-Systeme wird eine Reduzierung des Einflusses der Koppelung zwischen der Gerätemasse und der Erdmasse bzw. eine Reduzierung des Einflusses der Erdmasse über den Menschen erreicht. Bei Batterie-betriebenen Geräten ist die Massekoppelung meist sehr schlecht, sodass dort nur eine geringe Kapazitätsänderung durch eine Annäherung eines elektrisch leitfähigen Objektes erreicht wird, welche schwierig zu messen ist. Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor wird in erster Linie die Kapazität zwischen den Sensorelektroden gemessen, da die Körperkapazität gegen Masse weitgehend durch die virtuelle Masse kurzgeschlossen ist.
Aufgrund der zusätzlichen Möglichkeit der Gleichtakt-Auswertung können zeitgleich zur Gegentakt-Auswertung zusätzliche Funktionen realisiert werden (etwa Knöpfe oder Slider), was ohne Mehraufwand in der Hardware oder der Elektrodenanzahl möglich ist. Die Gleichtakt-Auswertung kann zeitgleich zur Gegentakt-Auswertung erfolgen, was eine Stromersparnis gegenüber einem separaten kapazitiven Sensor bedeutet.
Im Vergleich zu den Eingangs genannten aus dem Stand der Technik bekannten Transmissions-Systemen gibt es bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor nur gleichartige Elektroden. In einem aus dem Stand der Technik bekannten Transmissions-System wird eine Elektrode als Sendeelektrode und eine weitere Elektrode als Empfängerelektrode betrieben. Im Fall einer sehr niederohmigen Verbindung von Mensch und Gerätemasse wird der Sender kurzgeschlossen, was zu einem Totalausfall des Sensorsystems führen kann. Dieser Nachteil wird bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssystem vermieden.
Im Hinblick auf unsymmetrische Sensorsysteme ergibt sich durch den erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor eine wesentlich höhere Störresistenz gegenüber allen Fremdsignalen, deren Wellenlänge größer ist als der Abstand der Elektroden. Mögliche Störsignale bzw. Quellen für Störsignale können etwa Schaltregler, andere Sensorsysteme oder Digitalsysteme sein. Die erhöhte bzw. verbesserte Störresistenz der erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sensorelektroden aus Kosten- oder Implementierungsgründen ohne rückseitige Massefläche aufzubauen sind.

Claims

Kapazitiver Annäherungssensor, umfassend – eine erste Sensorelektrode (E1) und eine zweite Sensorelektrode (E2), – eine Signalgebereinrichtung, zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Wechselsignals und eines zweiten elektrischen Wechselsignals, – ein erstes Lastelement, welches eine erste elektrische Last und eine zweite elektrische Last umfasst, wobei das erste elektrische Wechselsignal über die erste elektrische Last der ersten Sensorelektrode (E1) beaufschlagbar ist und das zweite elektrische Wechselsignal über die zweite elektrische Last der zweiten Sensorelektrode (E1) beaufschlagbar ist, wobei das erste elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° zum zweiten elektrischen Wechselsignal aufweist und wobei die elektrischen Lasten jeweils zusammen mit der an der jeweiligen Sensorelektrode (E1, E2) zu messenden kapazitiven Belastung ein Tiefpassfilter bilden, und – eine Signalaufbereitung (A), welche mit der ersten Sensorelektrode (E1) und mit der zweiten Sensorelektrode (E2) gekoppelt ist, und welche angepasst ist eine erste Messgröße aus dem Gegentaktanteil einer an der ersten Sensorelektrode (E1) abgegriffenen ersten elektrischen Größe und einer an der zweiten Sensorelektrode (E2) abgegriffenen zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Annäherungssensor nach Anspruch 1, wobei die Signalaufbereitung (A1) eine erste Verstärkerschaltung (A1), welche vorzugsweise als voll differentieller Verstärker ausgebildet ist, umfasst, und welche die Gegentaktanteile der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe selektiert.
Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalaufbereitung (A) angepasst ist, die erste Messgröße aus der Differenz zwischen der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste elektrische Wechselsignal die gleiche Amplitude und Frequenz wie das zweite elektrische Wechselsignal aufweist.
Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalaufbereitung (A) weiter angepasst ist eine zweite Messgröße aus dem Gleichtaktanteil der an den Sensorelektroden (E1, E2) abgegriffenen ersten elektrischen Größe und zweiten elektrischen Größe zu bilden.
Annäherungssensor nach Anspruch 5, wobei die Signalaufbereitung (A) zur Bildung der zweiten Messgröße eine zweite Verstärkerschaltung (A2) umfasst, welche vorzugsweise als Impedanzwandler ausgestaltet ist, wobei dem nicht invertierenden Eingang des Impedanzwandlers die Summe der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe zuführbar ist.
Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Feldstörelektrode, welche mit einem dritten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist.
Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine dritte Verstärkerschaltung (A3), welche das erste Lastelement umfasst.
Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein zweites Lastelement, welches mit der Signalgebereinrichtung gekoppelt ist, wobei die Ausgangssignale des zweiten Lastelements der Signalaufbereitung (A) zuführbar sind.
Annäherungssensor nach Anspruch 9, weiter umfassend eine vierte Verstärkerschaltung (A4), welche das zweite Lastelement umfasst.
Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Sensorelektroden und der Ausgang des zweiten Lastelements derart mit den Eingängen der ersten Verstärkerschaltung (A1) gekoppelt sind, dass die erste Verstärkerschaltung (A1) an ihren Ausgängen die Differenz zwischen den an den Sensorelektroden abgegriffenen Signalen und den Ausgangssignalen des zweiten Lastelements bereitstellt.
Annäherungssensor nach Anspruch 11, wobei – die erste Sensorelektrode (E1) mit dem invertierenden Ausgang der dritten Verstärkerschaltung (A3) gekoppelt ist, – die zweite Sensorelektrode (E2) mit dem nicht invertierenden Ausgang der dritten Verstärkerschaltung (A3) gekoppelt ist, – das erste elektrische Wechselsignal den invertierenden Eingängen der dritten Verstärkerschaltung (A3) und der vierten Verstärkerschaltung (A4) zuführbar ist, – das zweite elektrische Wechselsignal den nicht invertierenden Eingängen der dritten Verstärkerschaltung (A3) und der vierten Verstärkerschaltung (A4) zuführbar sind, – ein erstes Summensignal, welches aus dem an der ersten Sensorelektrode (E1) abgegriffenen elektrischen Signal und dem am nicht invertierenden Ausgang der vierten Verstärkerschaltung (A4) anliegenden Signal gebildet wird, dem invertierenden Eingang der ersten Verstärkerschaltung (A1) zuführbar ist, und – ein zweites Summensignal, welches aus dem an der zweiten Sensorelektrode (E2) abgegriffenen elektrischen Signal und dem am invertierenden Ausgang der vierten Verstärkerschaltung (A4) anliegenden Signal gebildet wird, dem nicht invertierenden Eingang der ersten Verstärkerschaltung (A1) zuführbar ist.
Annäherungssensor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Verstärkung der vierten Verstärkerschaltung (A4) einstellbar ist.
Verfahren zur Annäherungsdetektion eines Objektes, wobei – eine erste Sensorelektrode (E1) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal und eine zweite Sensorelektrode (E2) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wobei das erste elektrische Wechselsignal eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 180° zum zweiten elektrischen Wechselsignal aufweist, wobei die elektrischen Wechselsignale über jeweils eine erste und zweite elektrische Last den jeweiligen Sensorelektroden beaufschlagt werden, und – aus dem Gegentaktanteil einer ersten elektrischen Größe, welche an der ersten Sensorelektrode (E1) abgegriffen wird, und einer zweiten elektrischen Größe, welche an der zweiten Sensorelektrode (E2) abgegriffen wird, eine erste Messgröße gebildet wird, wobei die erste Messgröße indikativ für die Annäherung des Objektes an die Sensorelektroden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektrischen Wechselsignale so gewählt werden, dass das erste elektrische Wechselsignal die gleiche Amplitude und Frequenz wie das zweite elektrische Wechselsignal aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei aus dem Gleichtaktanteil der ersten elektrischen Größe und der zweiten elektrischen Größe eine zweite Messgröße gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein zweites Lastelement mit dem ersten elektrischen Wechselsignal und dem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, wobei die Ausgänge des ersten Lastelements und des zweiten Lastelements derart mit den Eingängen einer ersten Verstärkerschaltung (A1) gekoppelt werden, dass die erste Verstärkerschaltung (A1) an ihren Ausgängen die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten Lastelements und den Ausgangssignalen des zweiten Lastelements bereitstellt.
Handgerät, insbesondere elektrisches Handgerät, aufweisend zumindest einen kapazitiven Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13.