DE102011003734B3

DE102011003734B3 - Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung sowie kapazitive Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion

Info

Publication number: DE102011003734B3
Application number: DE102011003734A
Authority: DE
Inventors: Dr. Erkens Holger
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2031-02-08
Also published as: KR101871258B1; WO2012107415A1; EP2673882B1; KR20140052962A; US20140176160A1; CN103404030B; CN103404030A; EP2673882A1; US9989569B2

Abstract

Bereitgestellt wird eine Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode, wobei die Sendeelektrode in eine kapazitive Koppelung mit der Empfangselektrode bringbar ist, wobei die Elektrodenkonfiguration zumindest einen ersten Sensorbereich und zumindest einen zweiten Sensorbereich bildet, wobei die Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im ersten Sensorbereich jeweils klein sind im Vergleich zu den Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich. Bereit gestellt wird auch eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion, umfassend eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration. Ferner wird ein elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät, bereitgestellt, welches zumindest eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung sowie eine kapazitive Sensoreinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zur Annäherungsdetektion, insbesondere zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an die Elektrodenkonfiguration der kapazitiven Sensoreinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Gerät, insbesondere 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 eine Sensorzone im Wesentlichen berührungsfrei gemessen. Aus dem Messsignal können Funktionen, etwa Schaltfunktionen, eines elektrischen Gerätes, insbesondere elektrischen Handgerätes, abgeleitet werden.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Messprinzip zur Detektion einer Annäherung an eine Sensorzone sieht einen kapazitiven Annäherungssensor mit zwei Sensorelektroden vor. Die Sensorelektroden des kapazitiven Annäherungssensors sind dabei kapazitiv koppelbar, d. h., an einer Sensorelektrode wird ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welches bei einem sich an die Sensorelektroden annähernden Objekt über dieses in die andere Sensorelektrode einkoppelt. Dadurch wird ein kapazitiver Pfad zwischen einem Sender und einem Empfänger erzeugt. Dieses Verfahren wird allgemein auch als Transmissionsverfahren bezeichnet. Zwei Elektroden bilden dabei eine Sensorzone.
Es besteht der Bedarf, etwa an einem elektrischen Handgerät mehrere Sensorzonen vorzusehen, wobei jeder Sensorzone bei Annäherung eines Objektes an die Sensorzone eine unterschiedliche Funktion bzw. Funktionalität zugeordnet ist. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinrichtungen, welche nach dem genannten Transmissionsverfahren betrieben werden, ist es notwendig, für jede Sensorzone zwei Elektroden vorzusehen. Das bedeutet, dass für n Sensorzonen zweimal n Sensorelektroden notwendig sind.
Nachteilig bei dem aus der Stand der Technik bekannten Transmissionsverfahren ist, dass für jede Sensorzone, für welche jeweils zwei Sensorelektroden notwendig sind, ein separater bzw. gemultiplexter Sendezweig und Empfangszweig nebst der hierfür erforderlichen elektrischen Schaltung notwendig ist, was sich insbesondere auch auf den Stromverbrauch einer, kapazitiven Sensoreinrichtung, mit welcher mehrere Sensorzonen überwacht werden sollen, auswirkt. Ferner muss bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Transmissionsverfahren für jede Sensorzone eine eigene Transmissionsmessung durchgeführt werden, um eine Annäherung an die jeweilige Sensorzone zu detektieren.
Aus der DE 10 2009 030 775 A1 ist eine kapazitive Sensoranordnung bekannt, welche eine Messelektrode, eine Schirmelektrode und eine Gegenelektrode aufweist, wobei die Schirmelektrode um die Messelektrode angeordnet ist. Die Messelektrode weist eine sensierende Elektrodenfläche auf. Die Schirmelektrode umgibt die Messelektrode derart, dass eine Fläche der Schirmelektrode in einem Abstand gegenüber der Elektrodenfläche der Messelektrode angeordnet ist, wobei in der Fläche der Schirmelektrode ein Fenster vorgesehen ist, welches die Elektrodenfläche der Messelektrode zumindest teilweise überlappt. Durch die Überlappung wird eine entsprechende Richtung der maximalen Messempfindlichkeit des Sensors spezifiziert.
Aus der DE 10 2007 025 947 B4 ist ein integrierter kapazitiver Sensor bekannt, bei dem in einer obersten Metallisierungsschicht der integrierten kapazitiven Sensorschaltung zwei Elektroden des kapazitiven Sensors angeordnet sind. An den Elektroden soll ein Ansteuersignal angelegt werden, sodass sich über den Elektroden ein elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld bildet. Die Änderung der Kapazität des kapazitiven Sensors kann mit einer Auswerteschaltung festgestellt werden.
Aus der WO 03/083492 A1 ist ein mikroelektromechanischer Sensor, insbesondere für Gyroskope oder Beschleunigungssensoren bekannt, welcher zwei Elektrodenplatten aufweist, welche in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Ein Änderung des Abstandes bewirkt eine Änderung der Kapazität des durch die Elektrodenplatten gebildeten Kondensators, welche gemessen werden kann. Die Elektrodenplatten weisen im Wesentliche die gleiche Form, Masse und/oder Volumen auf.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung sowie eine kapazitive Sensoreinrichtung mit einer entsprechenden Elektrodenkonfiguration zur Annäherungsdetektion bereitzustellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeiden und mit welchen der Schaltungsaufwand bzw. die Schaltungskosten, der Stromverbrauch und die Kosten für die Elektroden für die Detektion einer Annäherung eines Objektes, insbesondere bei Vorsehen mehrere Sensorzonen, reduziert werden können.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung und eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion, welche insbesondere eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration aufweist, nach den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Bestandteil der Lösung ist auch ein elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät, welches zumindest eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung mit zumindest einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration aufweist.
Bereitgestellt wird demnach eine Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode, wobei die Sendeelektrode in eine kapazitive Koppelung mit der Empfangselektrode bringbar ist, wobei die Elektrodenkonfiguration zumindest einen ersten Sensorbereich und zumindest einen zweiten Sensorbereich bildet, wobei die Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im ersten Sensorbereich jeweils klein sind im Vergleich zu den Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich, wobei der Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im ersten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im ersten Sensorbereich eine hohe kapazitive Grundkoppelung aufweist, und der Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im zweiten Sensorbereich eine kapazitive Grundkoppelung aufweist, welche kleiner ist als die kapazitive Grundkoppelung im ersten Sensorbereich.
Vorteilhaft ist hierbei, dass gegenüber bekannten Sensorlösungen die Anzahl der Sensorelektroden für die Bereitstellung einer Anzahl von Sensorbereiche erheblich reduziert werden kann. Die Anzahl der notwendigen Leitungen wird dadurch ebenfalls erheblich reduziert. Beides führt schließlich zu erheblich niedrigeren Herstellungskosten. Ferner ist der Platzbedarf für die Bereitstellung einer Anzahl von Sensorbereich geringer, was insbesondere bei kleinen elektrischen Geräten (z. B. Mobiltelefone) von Vorteil ist. Zudem kann der Strom- bzw. Energieverbrauch erheblich reduziert werden, weil die Anzahl von Messungen reduziert werden kann. Insbesondere kann bei einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration mit einer einzigen Messung detektiert werden, an welche der zwei Sensorbereiche eine Annäherung oder Berührung stattgefunden hat.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann die Sendeelektrode und die Empfangselektrode im ersten Sensorbereich jeweils kammförmig auszugestalten, wobei die Sendeelektrode so relativ zur Empfangselektrode angeordnet ist, dass die Kammzähne der Sendeelektrode im Wesentlichen zwischen den Kammzähnen der Empfangselektrode angeordnet sind.
Die Elektrodenkonfiguration kann zusätzlich eine Schirmelektrode umfassen, welche im Wesentlichen zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode, vorzugsweise im zweiten Sensorbereich, angeordnet ist.
Bereit gestellt wird auch eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion, umfassend zumindest eine Elektrodenkonfiguration, insbesondere eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration, wobei

– die Elektrodenkonfiguration
– eine Sendeelektrode, an welcher ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, und
– eine Empfangselektrode, in welche das elektrische Wechselfeld einkoppelbar ist und an welcher ein elektrisches Signal abgreifbar ist, aufweist,
– die Elektrodenkonfiguration zumindest einen ersten Sensorbereich und zumindest einen zweiten Sensorbereich umfasst, und
– die Sendeelektrode und die Empfangselektrode so ausgestaltet sind und so relativ zueinander anordenbar sind, dass eine Annäherung eines Objektes
– an den ersten Sensorbereich eine Pegelreduktion und
– an den zweiten Sensorbereich einen Pegelanstieg des an der Empfangselektrode abgreifbaren elektrischen Signals bewirkt.

Vorteilhaft ist es, wenn sich zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode

– im ersten Sensorbereich ein erster Abschnitt des elektrischen Wechselfeldes und
– im zweiten Sensorbereich ein zweiter Abschnitt des elektrischen Wechselfeldes ausbildet.

Der Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im ersten Sensorbereich kann so gewählt sein, dass die Elektrodenkonfiguration im ersten Sensorbereich eine hohe kapazitive Grundkoppelung aufweist.
Der Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich kann so gewählt sein, dass die Elektrodenkonfiguration im zweiten Sensorbereich im Wesentlichen eine kapazitive Grundkoppelung aufweist, welche kleiner ist als die kapazitive Grundkoppelung im ersten Sensorbereich.
Die Sendeelektrode und die Empfangselektrode können im Wesentlichen planar (flächig) ausgestaltet sein, wobei die Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im ersten Sensorbereich jeweils klein sind im Vergleich zu den Elektrodenflächen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich.
Der Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im ersten Sensorbereich kann gering sein im Vergleich zum Abstand der Sendeelektrode zur Empfangselektrode im zweiten Sensorbereich.
Die Sendeelektrode und die Empfangselektrode können im Bereich des ersten Sensorbereiches jeweils im Wesentlichen kammförmig ausgestaltet sein, wobei die Kammzähne der Sendeelektrode zwischen den Kammzähnen der Empfangselektrode angeordnet sind, und wobei die Sendeelektrode und die Empfangselektrode im Bereich des zweiten Sensorbereiches jeweils im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sind, wobei die Kammrücken jeweils im Wesentlichen rechtwinkelig an der jeweiligen Elektrode angeordnet sind.
Die Sendeelektrode und die Empfangselektrode können jeweils einen großflächigen Bereich und einen kleinflächigen Bereich aufweisen, wobei der kleinflächige Bereich als im Wesentlichen schmalbandiger Fortsatz an dem großflächigen Bereich angeordnet ist (wie in 11 gezeigt). Der großflächige Bereich kann im Wesentlichen eine rechteckige Form aufweisen. Der kleinflächige Bereich kann im Wesentlichen eine streifenförmig ausgestaltet sein. Der großflächige Bereich und der kleinflächige Bereich sind jeweils so zueinander angeordnet, dass bei einer im Wesentlichen spiegelverkehrten Anordnung der Elektroden zueinander entlang einer Spiegelachse der Abstand der kleinflächigen Bereiche zueinander kleiner ist als der Abstand der großflächigen Bereiche zueinander.
Zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode kann eine Schirmelektrode anordenbar sein, wobei die Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist und die Schirmelektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, wobei das ersten elektrische Wechselsignal um 180° phasenverschoben zum zweiten elektrischen Wechselsignal ist.
Die Schirmelektrode kann im zweiten Sensorbereich zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode anordenbar sein.
Ferner wird durch die Erfindung ein elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät, bereitgestellt, welches zumindest eine erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung aufweist.
Das elektrische Gerät bzw. 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, ein Mediaplayer, oder dergleichen sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1a eine schematische Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines Transmissionsverfahrens gemäß der Erfindung sowie ein dazugehöriges Ersatzschaltbild;
1b eine schematische Schaltungsanordnung zur Erläuterung eines Reduktionsverfahrens gemäß der Erfindung sowie ein dazugehöriges Ersatzschaltbild;
2a ein Beispiel zweier Sensorelektroden zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Transmissionsverfahren;
2b ein Beispiel für zwei Elektroden zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Reduktionsverfahren;
3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodengeometrie von zwei Elektroden, mit welchen zwei Sensorzonen realisiert werden können;
4 den Verlauf einer Signalamplitude eines an einer Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals über die Zeit zur Verdeutlichung des Unterschiedes einer Annäherung eines Objektes an eine erste Sensorzone und an eine zweite Sensorzone einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration;
5 die in 3 gezeigte Elektrodenkonfiguration bzw. Elektrodengeometrie mit einer zusätzlichen Schirmelektrode;
6a bis 6c Beispiele für die Verwendung einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Elektrodenkonfigurationen an jeweils unterschiedlichen elektrischen Handgeräten, wobei mit jeder Elektrodenkonfiguration jeweils zwei Sensorbereiche bzw. Sensorzonen bereitgestellt werden;
7 ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration bzw. einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät, wobei mit einer einzigen erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration eine linke Hand/rechte Hand-Erkennung realisierbar ist;
8a ein Anwendungsbeispiel mit mehreren erfindungsgemäßen Elektrodenkonfigurationen zur Realisierung eines sogenannten Sliders;
8b ein Anwendungsbeispiel mit zwei erfindungsgemäßen Elektrodenkonfigurationen zur Realisierung eines sogenannten Drehreglers;
9a eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration, insbesondere zur Realisierung eines sogenannten Sliders;
9b eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration, insbesondere zur Realisierung eines Drehreglers;
10 eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration;
11 eine noch weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration;
12 eine Elektrodenkonfiguration mit drei Elektroden zur Realisierung von vier Sensorbereichen bzw. Sensorzonen; und
13 eine Elektrodenkonfiguration mit fünf Elektroden zur Realisierung von acht Sensorbereichen bzw. Sensorzonen
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1a und 1b zeigen jeweils eine schematische Schaltungsanordnung zur Erläuterung des in einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung bzw. Elektrodenkonfiguration verwendeten Transmissionsverfahren bzw. Reduktionsverfahren sowie jeweils ein dazugehöriges Ersatzschaltbild.
Bei der in 1a gezeigten Schaltungsanordnung mit einer Sendeelektrode TE und einer Empfangselektrode RE wird die Sendeelektrode TE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, welches von einem Signalgenerator bereitgestellt wird. An der Sendeelektrode TE wird ein elektrisches Wechselfeld emittiert. Bei einer Annäherung, etwa einer Hand H an die Sensorelektroden TE, RE wird das an der Sendeelektrode TE emittierte elektrische Wechselfeld über die Hand in die Empfangselektrode RE eingekoppelt, sodass sich ein kapazitiver Pfad zwischen dem Sender T und dem Empfänger R bildet. Bei einer Annäherung einer Hand H an die Sensorelektroden ändert sich ein an der Empfangselektrode RE abgegriffenes elektrisches Signal, wobei die Änderung des abgegriffenen elektrischen Signals indikativ für die Annäherung der Hand H an die Sensorelektroden ist. In dem in 1a gezeigten Ersatzschaltbild stellt die Kapazität C_TH die Kapazität von der Sendeelektrode TE zur Hand H, die Kapazität C_HR die Kapazität von der Hand H zur Empfangselektrode RE und die Kapazität C_E die Erdkapazität des Körpers dar.
Für das erfindungsgemäße Transmissionsverfahren ist es vorteilhaft, wenn die Sendeelektrode TE und die Empfangselektrode RE jeweils eine große Elektrodenfläche aufweisen und einen Abstand zueinander aufweisen, bei dem einerseits eine geringe kapazitive Grundkoppelung zwischen Sendeelektrode und Empfangselektrode vorhanden ist und andererseits eine gute kapazitive Koppelung eines sich an die Sensorelektroden annähernden Körpers zu den Elektrodenflächen der Sensorelektroden begünstigt bzw. gewährleistet wird.
Bei einer sich an die Sensorelektroden annähernden Hand vergrößern sich die Kapazitäten C_TH und C_HR von der Sendeelektrode TE zur Hand H bzw. von der Hand H zur Empfangselektrode RE. Bei einer Annäherung einer Hand H an die Sensorelektrode erhöht sich also die kapazitive Koppelung zwischen dem Sender T und dem Empfänger R bzw. zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE. Aufgrund der sich ändernden kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE ändert sich auch der Signalpegel des an der Empfangselektrode RE abgegriffenen elektrischen Signals. Vorzugsweise erhöht sich der Signalpegel.
Die Elektrodenflächen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE und/oder der Abstand zwischen den beiden Elektroden werden vorzugsweise so gewählt, dass ohne eine sich an die Elektroden annähernde Hand H der Signalpegel des an der Empfangselektrode RE abgegriffenen elektrischen Signals minimal ist und die Pegeländerung des abgegriffenen Signals bei einer annähernden bzw. bei einer vollständig angenäherten Hand maximal ist.
Eine entsprechende günstige Anordnung bzw. Ausgestaltung einer Sendeelektrode TE und einer Empfangselektrode RE ist mit Bezug auf 2a gezeigt. Die Elektroden TE und RE sind flächig ausgestaltet und weisen jeweils eine große Elektrodenfläche auf. Ferner weisen die Elektroden TE, RE einen großen Abstand zueinander auf. Die rechteckige Ausgestaltung der Elektroden TE bzw. RE ist hier lediglich beispielhaft. Es können auch andere Elektrodenformen bzw. Elektrodengeometrien vorgesehen sein, vorausgesetzt, dass bei einem entsprechenden Abstand der Elektroden eine möglichst geringe kapazitive Grundkoppelung und bei einer sich annähernden Hand eine möglichst große Pegeländerung des an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals vorhanden sind.
1b zeigt eine schematische Schaltungsanordnung sowie ein dazugehöriges Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines Reduktionsverfahrens mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration.
Die Sendeelektrode TE wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, um eine kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE zu bewirken. Für das Reduktionsverfahren ist es vorteilhaft, Elektroden mit einer geringen Fläche zu wählen und den Abstand der Elektroden so zu wählen, dass eine relativ starke kapazitive Grundkoppelung zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE möglich ist. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden gering ist. Aufgrund der starken Grundkoppelung weist das an der Empfangselektrode RE abgegriffene elektrische Signal auch ohne Annäherung etwa einer Hand an die Sensorelektroden einen gewissen Signalpegel auf, welcher vorzugsweise größer ist als ein Signalpegel, welcher sich bei einer Elektrodenkonfiguration nach 1a bzw. 2b ohne eine sich annähernde Hand einstellt.
In dem Ersatzschaltbild stellt die zusätzliche Kapazität C_C die kapazitive Grundkoppelung zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE dar. Nähert sich nun eine Hand H den Sensorelektroden an, wird eine relativ schwache kapazitive Koppelung über die Hand H (Kapazitäten C_TH und C_HR) aufgebaut, weil die Elektrodenflächen gering sind und die Hand H das über die Körperbrücke transmittierte Signal teilweise über C_E zur Gerätemasse ableitet.
Wesentlich ausgeprägter ist hier allerdings der Effekt, dass die sich an die Sensorelektroden annähernde Hand H die vorhandene kapazitive Grundkoppelung C_C zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE reduziert. Die Reduktion der kapazitiven Grundkoppelung C_C bei einer sich annähernden Hand H ist die Folge davon, dass dem elektrischen Wechselfeld bei einer Annäherung Raum und damit effektive Kondensatorfläche genommen wird. Durch die sich annähernde Hand wird zwar eine Körperbrücke zwischen den Sensorelektroden aufgebaut, welche die genannte Reduktion der kapazitiven Grundkoppelung teilweise kompensiert. Die Elektrodengeometrie der Elektroden und der Abstand der Elektroden zueinander sind allerdings so zu wählen, dass bereits eine geringe Koppelung zwischen dem Menschen und der Gerätemasse ausreicht, um die Körperbrücke gegen die Gerätemasse kurzzuschließen. Hierzu ist bereits eine Kapazität zwischen dem Menschen und der Gerätemasse von wenigen pF ausreichend. Durch den Kurzschluss der Körperbrücke gegen die Gerätemasse tritt die Reduktion bei einer Annäherung einer Hand an die Sensorelektroden stärker hervor.
Das bedeutet, dass das an der Empfangselektrode RE abgegriffene elektrische Signal ohne eine sich annähernde Hand an die Elektroden einen einstellbaren Grundpegel aufweist, welcher bei einer sich annähernden Hand abnimmt. Der Grundpegel kann etwa durch Änderung der kapazitiven Grundkoppelung zwischen der Sendeelektrode TE und der Empfangselektrode RE geändert werden, was beispielsweise durch unterschiedliche Elektrodengeometrien bzw. unterschiedliche Abstände zwischen den Elektroden erreicht werden kann.
Ein Elektrodendesign bzw. eine Elektrodenkonfiguration, welches für das erfindungsgemäße Reduktionsverfahren geeignet ist, ist mit Bezug auf 2b gezeigt. Die Elektroden weisen jeweils geringe Elektrodenflächen auf. Ferner ist der Abstand zwischen den Elektroden gering gewählt. Durch die kleine Fläche der Elektroden wird der Effekt der oben genannten Körperbrücke reduziert, während der geringe Abstand die kapazitive Grundkoppelung zwischen den Sensorelektroden erhöht. Eine solche Auswahl einer Elektrodenfläche bzw. Elektrodenabstand kann bei Berührungs- bzw. Annäherungssensoren in elektrischen Geräten mit geringer Koppelung zwischen dem Menschen und der Gerätemasse von Vorteil sein. Der Abstand der Elektroden ist unter Berücksichtigung der über den Elektroden angeordneten nicht leitenden Schichten (etwa ein Gerätegehäuse) auf maximale Änderung bei einer Annäherung einer Hand an die Elektrodenfläche zu optimieren.
Sowohl für das erfindungsgemäße Transmissionsverfahren, wie mit Bezug auf 1a erläutert, als auch für das erfindungsgemäße Reduktionsverfahren, wie mit Bezug auf 1b erläutert, sind die jeweiligen Elektrodenflächen bzw. Elektrodenabstände je nach Anforderung entsprechend anzupassen, um

– beim Transmissionsverfahren eine möglichst geringe kapazitive Grundkoppelung und eine möglichst maximale Pegeländerung bei einer sich annähernden Hand und
– beim Reduktionsverfahren eine möglichst gute kapazitive Grundkoppelung und eine möglichst maximale Pegeländerung bei einer sich annähernden Hand zu erreichen.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration mit zwei Elektroden, mit welcher sowohl das Transmissionsverfahren als auch das Reduktionsverfahren implementiert bzw. realisiert werden kann.
Die Elektrodenkonfiguration weist eine erste Sensorelektrode auf, welche als Sendeelektrode TE verwendet wird, und eine zweite Sensorelektrode, welche als Empfangselektrode RE verwendet wird.
Die Sendeelektrode TE und die Empfangselektrode RE sind hier kammförmig ausgestaltet und so relativ zueinander angeordnet, dass die Kammzähne der Sendeelektrode TE zwischen den Kammzähnen der Empfangselektrode RE angeordnet sind. Der Bereich, in welchem die Kammzähne angeordnet sind, bildet einen ersten Sensorbereich und der Bereich, in welchem die Kammgriffe angeordnet sind, bildet einen zweiten Sensorbereich.
Die Sendeelektrode TE wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, welches in die Empfangselektrode RE einkoppelbar ist. In dem ersten Sensorbereich (im Bereich der Kammzähne) bildet sich ein erster Abschnitt FR des elektrischen Wechselfeldes aus und in dem zweiten Sensorbereich (im Bereich der Kammgriffe) bildet sich ein zweiter Abschnitt FT des elektrischen Wechselfeldes aus.
Wichtig ist hierbei, dass die Elektrodenflächen im ersten Sensorbereich (im Bereich der Kammzähne) jeweils klein sind und der Abstand zwischen den Elektroden in dem ersten Sensorbereich ebenfalls klein ist, sodass sich in dem ersten Sensorbereich bzw. in dem Bereich, in welchem sich der erste Abschnitt FR des elektrischen Wechselfeldes ausbildet, der genannte Reduktionseffekt einstellt. Das bedeutet, dass das an der Empfangselektrode RE abgegriffene elektrische Signal bei einer Annäherung einer Hand bzw. eines Fingers an den ersten Sensorbereich der in 3 gezeigten Elektrodenkonfiguration abnimmt bzw. dass der Signalpegel reduziert wird.
Ferner ist wichtig, dass in dem zweiten Sensorbereich (im Bereich der Kammgriffe) die Elektroden großflächig ausgestaltet sind und der Abstand zwischen den Elektroden ebenfalls so groß gewählt wird, dass sich die Bedingungen, wie mit Bezug auf 1a erläutert, einstellen. Bei einer Annäherung eines Fingers bzw. einer Hand an den zweiten Sensorbereich stellt sich ein Transmissionseffekt ein, sodass gemäß dem oben beschriebenen Transmissionsverfahren der Signalpegel des an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals ansteigt.
Damit wird eine Elektrodenkonfiguration bereitgestellt, welche lediglich zwei Sensorelektroden (Sendeelektrode TE und Empfangselektrode RE) aufweist und mit welcher zwei Sensorzonen realisiert werden können, wofür bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mindestens vier Elektroden (zwei Elektroden je Sensorzone) notwendig waren. Zudem muss bei der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration lediglich ein Signalgenerator und ein Empfangspfad bereitgestellt werden, was sich positiv auf den Schaltungsaufwand und die Schaltungskosten auswirkt. Mit einer einzigen Messung kann ermittelt werden, ob eine Annäherung an den ersten Sensorbereich oder an den zweiten Sensorbereich erfolgt ist. Zudem kann der Stromverbrauch einer kapazitiven Sensoreinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration mit zwei Elektroden gegenüber einer kapazitiven Sensoreinrichtung, welche für zwei Sensorzonen mindestens vier Elektroden benötigt, erheblich reduziert werden.
In einem kleinen Bereich U heben sich Transmission und Reduktion im Wesentlichen gegenseitig auf, sodass zwischen ”einer Annäherung in diesem Bereich U” und ”keiner Annäherung an die Sensorelektroden” nicht eindeutig unterschieden werden kann. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Elektrodengeometrien kann dieser Bereich U allerdings minimiert werden.
Auch bei gleichzeitiger und im Wesentlichen gleichmäßigen Annäherung an die beiden Sensorelektroden kann es vorkommen, dass zwischen ”einer Annäherung in diesem Bereich U” und ”keiner Annäherung an die Sensorelektroden” nicht eindeutig unterschieden werden kann. Auch dieses Verhalten kann durch eine entsprechende Ausgestaltung der Elektroden bzw. durch entsprechende Wahl des Abstandes der Elektroden zueinander minimiert bzw. verhindert werden.
In 4 sind mögliche Signalverläufe eines elektrischen Signals gezeigt, welches an der Empfangselektrode RE einer Elektrodenkonfiguration nach 3 abgegriffen wird.
Ohne Annäherung an die Elektroden stellt sich aufgrund der vorhandenen kapazitiven Grundkoppelung im ersten Sensorbereich (vgl. Erläuterung zu 1b) in dem abgegriffenen Signal ein bestimmter Pegel ein. Dieser Pegel bzw. Grundpegel kann durch Anpassen der Elektrodengeometrie im ersten Sensorbereich bzw. durch Anpassen der Abstände der Elektroden in dem ersten Sensorbereich eingestellt werden.
Um eine Annäherung an den ersten Sensorbereich bzw. an den zweiten Sensorbereich sicher und robust zu detektieren, ist es vorteilhaft, Schwellenwerte zu definieren. Ein erster Schwellenwert bildet dabei eine Entscheidungsschwelle für die Transmission und ein zweiter Schwellenwert bildet dabei eine Entscheidungsschwelle für die Reduktion.
Nähert sich eine Hand an den ersten Sensorbereich FR an, verringert sich der Signalpegel des an der Empfangselektrode RE abgegriffenen elektrischen Signals, wie mit Bezug auf 1b beschrieben. Sinkt der Signalpegel unterhalb die Entscheidungsschwelle für die Reduktion, wird eine Annäherung an den ersten Sensorbereich detektiert. Nähert sich eine Hand bzw. ein Finger dem zweiten Sensorbereich FT an, führt dies zu einem Pegelanstieg des an der Empfangselektrode RE abgegriffenen elektrischen Signals. Überschreitet der Pegel die Entscheidungsschwelle für die Transmission, wird eine Annäherung an den zweiten Sensorbereich detektiert. Werden beide Sensorbereiche FT, FR etwa mit zwei Fingern gleichzeitig überdeckt bzw. erfolgt eine Annäherung eines Fingers in dem Bereich U, so heben sich Transmission und Reduktion im Wesentlichen auf, sodass weder eine Annäherung an den ersten Sensorbereich noch eine Annäherung an den zweiten Sensorbereich detektierbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es, die Elektrodengeometrien bzw. die Elektrodenabstände so zu wählen, dass der Signalhub zwischen Reduktion und Transmission maximiert wird. Damit kann auch der Abstand zwischen den beiden Entscheidungsschwellen maximiert werden, womit wiederum die Gefahr einer Fehldetektion bzw. Fehlauslösung reduziert wird. Ferner kann es vorteilhaft sein, die Schwellenwerte der Entscheidungsschwellen einstellbar auszugestalten, um etwa eine dynamische Anpassung an sich ändernde (kapazitiven) Umgebungsbedingungen zu ermöglich.
Des Weiteren kann es auch vorteilhaft mehrere Entscheidungsschwellen für die Transmission und/oder mehrere Entscheidungsschwellen für die Reduktion vorzusehen. Bei einer Annäherung eines Fingers an den ersten Sensorbereich (bei dem sich der Reduktionseffekt einstellt) wird dann zunächst eine erste Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten bevor bei einer weiteren Annäherung eine zweite Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten wird. Dasselbe gilt entsprechend auch für den zweiten Sensorbereich.
Die vorgeschlagenen Elektrodenkonfigurationen, wie mit Bezug auf 3 gezeigt, eignen sich insbesondere für solche Anwendungen, bei denen eine gleichzeitige Annäherung an beide Sensorbereiche aufgrund der durch den Sensor kontrollierten Anwendung ausgeschlossen ist (beispielsweise bei einem Lautstärkeregler, wo durch Annäherung an den ersten Sensorbereich die Lautstärke verringert und durch Annäherung an den zweiten Sensorbereich die Lautstärke erhöht wird).
Die erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration bzw. die erfindungsgemäße kapazitive Sensoreinrichtung eignet sich insbesondere für solche Anwendungen, bei denen nicht gleichzeitig die Annäherung an beide Sensorbereiche bzw. an beide Abschnitte des elektrischen Wechselfeldes detektiert bzw. ausgewertet werden muss.
Bei sich ändernden Erdbezügen elektrischer Geräte muss zusätzlich sichergestellt werden, dass eine Ableitung des Messsignalstroms über den Menschen zur Gerätemasse nicht so groß ist, dass ein signifikanter Transmissionseffekt nicht mehr feststellbar ist.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration. Zusätzlich zur Sendeelektrode TE und Empfangselektrode RE ist eine dritte Elektrode SE vorgesehen. Die Elektrode SE ist hier zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im Bereich des zweiten Sensorbereiches angeordnet und dient als Schirmelektrode. In einer Ausgestaltung wird die Schirmelektrode SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, welches im Wesentlichen um 180° zu dem an der Sendeelektrode TE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals phasenverschoben ist. Dadurch kann eine vorhandene kapazitive Grundkoppelung zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode reduziert werden. Dies ist etwa dann sinnvoll, wenn in dem ersten Sensorbereich zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode eine sehr starke Grundkoppelung vorhanden ist, welche korrigiert werden muss. Damit kann auf einfache Art und Weise der Grundpegel des an der Empfangselektrode RE abgegriffenen elektrischen Signals angepasst werden bzw. eingestellt werden, ohne dass die Elektrodengeometrie bzw. die Elektrodenabstände in dem ersten Sensorbereich verändert werden müssen.
Es ist auch möglich die Schirmelektrode SE im Bereich des ersten Sensorbereiches anzuordnen.
6a bis 6c zeigen mögliche Anwendungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration bzw. einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung.
6a zeigt eine Computermaus, an welcher eine erste Elektrodenkonfiguration 10 und eine zweite Elektrodenkonfiguration 20 angeordnet sind. Mit der ersten Elektrodenkonfiguration 10, welche im Wesentlichen zwei Elektroden, wie mit Bezug auf 3 gezeigt, aufweist, wird ein sogenanntes Scrollrad implementiert. Alternativ zum Scrollrad kann auch ein Slider implementiert werden. Mit der zweiten Elektrodenkonfiguration 20, welche ebenfalls zwei Elektroden aufweist, wird eine linke Maustaste und eine rechte Maustaste realisiert, wobei die linke Maustaste durch den ersten Sensorbereich und die rechte Maustaste durch den zweiten Sensorbereich gebildet wird. Bei der in 6a gezeigten ersten Elektrodenkonfiguration 10 kann bei der Signalauswertung aufgrund der Reihenfolge, in welcher die Entscheidungsschwelle für die Transmission überschritten und die Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten werden, detektiert werden, in welche Richtung der Finger auf der Elektrodenkonfiguration bewegt wird.
6b zeigt einen Mediaplayer, welcher an einer Seitenwandung eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration 30 aufweist. Die Elektrodenkonfiguration 30 kann hier beispielsweise als Lautstärkeregler dienen. Der Lautstärkeregler kann in Form eines Slider implementiert werden. So kann etwa eine Detektion einer Annäherung an den ersten Sensorbereich zu einer Erhöhung der Lautstärke und eine Detektion an den zweiten Sensorbereich zu einer Reduzierung der Lautstärke führen.
6c zeigt beispielhaft eine Digitalkamera, an dessen Gehäusewandung eine sogenannte Zoom-Wippe angeordnet ist, welche hier mit Hilfe einer Elektrodenkonfiguration 40 realisiert ist. Auch hierbei kann zwischen einer Annäherung an den ersten Sensorbereich und einer Annäherung an den zweiten Sensorbereich unterschieden werden, obwohl die Elektrodenkonfiguration lediglich zwei Sensorelektroden aufweist.
7 zeigt als weiteres Beispiel für eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration eine Fernbedienung, an deren Gehäuseoberseite quer zur Langsachse der Fernbedienung eine Elektrodenkonfiguration, wie in 3 gezeigt, angeordnet ist. Die Elektrodenkonfiguration erstreckt sich hier von einer Gehäuseseite bis zur gegenüberliegenden Gehäuseseite. Weil die kapazitiven Koppelungsverhältnisse bei einer Bedienung der Fernbedienung mit der linken Hand verschieden von den kapazitiven Koppelverhältnissen bei einer Bedienung der Fernbedienung mit der rechten Hand sind, kann mit einer Anordnung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration wie in 7 gezeigt eine Bedienung der Fernbedienung mit einer linken Hand von einer Bedienung der Fernbedienung mit einer rechten Hand unterschieden werden. Je nachdem in welcher Hand die Fernbedienung gehalten wird beeinflusst entweder die Transmission oder die Reduktion das an der Empfangselektrode abgegriffene elektrische Signal mehr. Die Elektrodenkonfiguration kann auch so ausgestaltet sein, dass sich die Elektroden zumindest teilweise bis an beide Seitenwandungen des Gehäuses der Fernbedienung erstrecken, was eine verbesserte Links-/Rechtsunterscheidung ermöglichen kann.
8a zeigt eine mögliche Anwendung bzw. Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Elektrodenkonfigurationen für die Realisierung eines sogenannten Sliders. Hierbei bildet jede Elektrodenkonfiguration eine Sensorzone Z1 bis Z3, wobei jede Sensorzone Z1 bis Z3 aufgrund der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration wiederum zwei Sensorbereiche aufweist. Insgesamt können so mit drei erfindungsgemäßen Elektrodenkonfigurationen sechs Sensorbereiche realisiert werden, wobei lediglich sechs Sensorelektroden notwendig sind. Aufgrund der zeitlichen Abfolge der Pegelanstiege bzw. Pegelreduktionen kann auf die Bewegungsrichtung D eines sich über die drei Elektrodenkonfigurationen bewegenden Fingers geschlossen werden.
Die Realisierung eines Sliders mit sechs Sensorbereichen kann erfindungsgemäß auch mit vier Sensorelektroden erfolgen. Beispielsweise können die in 8a gezeigten drei oberen Elektroden galvanisch gekoppelt sein, sodass diese drei Elektroden im Wesentlichen eine einzige Elektrode bilden. Diese Elektrode kann dann etwa als Sendeelektrode betrieben werden. Die drei unteren Elektroden können dann etwa als Empfangselektrode betrieben werden und jeweils Teile eines entsprechenden Empfangspfades sein. Die Empfangselektrode können über einen Multiplexer an eine Auswerteeinheit des kapazitiven Sensors gekoppelt sein.
Alternativ können auch die Empfangelektroden galvanisch gekoppelt werden, sodass im Wesentlichen nur eine einzige Empfangselektrode vorhanden ist. Die drei Sendeelektroden können dann in einem Zeitmultiplexverfahren jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
8b zeigt eine Anwendung von zwei erfindungsgemäßen Elektrodenkonfigurationen, welche so zueinander angeordnet sind, dass damit ein sogenannter Drehregler realisiert werden kann. Auch hierbei weist eine Elektrodenkonfiguration einen ersten Sensorbereich und einen zweiten Sensorbereich auf, sodass durch die zwei Elektrodenkonfigurationen insgesamt vier Sensorbereiche gebildet werden. Aufgrund der zeitlichen Abfolge der Pegelanstiege bzw. Pegelreduktionen an der Empfangselektrode der jeweiligen Elektrodenkonfiguration kann auf die Bewegungsrichtung D geschlossen werden. Eine alternative Ausgestaltung einer Elektrodenkonfiguration, mit welcher vier Sensorbereiche realisiert werden können, ist mit Bezug auf 12 gezeigt.
Bei den zuvor gezeigten Anwendungen bzw. Ausgestaltungen der Elektrodenkonfigurationen wird immer davon ausgegangen, dass eine Berührung bei Über- bzw. Unterschreitung eines Schwellenwertes detektiert wird. Eine alternative Art der Realisierung von Slidern bzw. Drehreglern ist in 9a und 9b gezeigt.
9a zeigt eine alternative Realisierung eines Sliders, bei welcher lediglich eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration mit einer Sendeelektrode TE und einer Empfangselektrode RE verwendet wird. Die Abschnitte FR und FT des elektrischen Wechselfeldes sind hierbei jedoch nicht räumlich voneinander getrennt, sondern gehen ineinander über. Die Elektrodenfläche nimmt hierbei vom äußeren Rand des zweiten Sensorbereiches (in 9a der rechte Rand) in Richtung zum äußeren Rand des ersten Sensorbereiches (in 9a der linke Rand) kontinuierlich ab, sodass bei einer Bewegung eines Fingers über der Elektrodenkonfiguration von rechts nach links der Signalpegel des an der Empfangselektrode abgegriffenen elektrischen Signals ebenfalls kontinuierlich kleiner wird.
In einem Bereich U gleichen sich die Transmissions- und Reduktionseffekte aus, sodass in diesem Bereich nicht zwischen ”einem aufgelegten Finger” und ”keinem aufgelegten Finger” unterschieden werden kann. Durch entsprechende Ausgestaltung der Elektroden bzw. Elektrodenabstände kann dieser Bereich U jedoch minimiert werden. Die Elektroden der in 9a gezeigten Elektrodenkonfiguration könnten prinzipiell auch so ausgestaltet sein, dass letztlich über den gesamten Bereich lediglich der Transmissionseffekt messbar ist. Durch eine Ausgestaltung der Elektroden, wie in 9a gezeigt, kann allerdings eine maximale Änderung zwischen den Signalhüben an der rechten Seite und an der linken Seite erreicht werden.
9b zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Elektrodenkonfiguration mit zwei Elektroden zur Realisierung des Drehreglers. Das Prinzip entspricht hierbei im Wesentlichen der in 9a gezeigten Elektrodenkonfiguration.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration, welche mehrere erste Sensorbereiche und mehrere zweite Sensorbereiche aufweist. Bei der in 10 gezeigten Ausgestaltung, kann es vorteilhaft sein, für die Annäherungsdetektion mehrere Entscheidungsschwellen für die Reduktion und mehrere Entscheidungsschwellen für die Transmission (vgl. 4) vorzusehen. Bei einer Annäherung eines Fingers an einen ersten Sensorbereich (bei dem sich der Reduktionseffekt einstellt) wird eine erste Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten. Nähert sich auch ein zweiter Finger einem weiteren ersten Sensorbereich an, wird der Reduktionseffekt verstärkt, sodass auch eine zweite Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten wird. Nähert sich nun auch noch ein dritter Finger einem noch weiteren ersten Sensorbereich an, wird der Reduktionseffekt noch weiter verstärkt, sodass auch eine dritte Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten wird. Für die Annäherung des/der Finger/s an den/die zweiten Sensorbereiche gilt entsprechendes, wobei der Transmissionseffekt mit zunehmender Fingeranzahl verstärkt wird.
Mit der in 10 gezeigten Ausgestaltung kann beispielsweise ein sogenannter Sicherheitsschalter realisiert werden, mit dem etwa eine Tastensperre eines Mobiltelefons aufgehoben werden kann.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Benutzer zwei Finger zunächst auf zwei erste Sensorbereiche legt und anschließen die beiden Finger in Richtung zweier zweiter Sensorbereiche bewegt. Dieser Bewegungsablauf würde bewirken, dass zunächst die zweite Entscheidungsschwelle für die Reduktion unterschritten wird bevor die zweite Entscheidungsschwelle für die Transmission überschritten wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Benutzer drei Finger zunächst auf drei erste Sensorbereiche legt und anschließen die drei Finger gleichzeitig in Richtung dreier zweiter Sensorbereiche bewegt. Der Abstand der Signalpegel zwischen Reduktion und Transmission kann so maximiert werden, was zu einer robusteren Detektion führt.
Ein so realisierter Sicherheitsschalter hat den Vorteil, dass etwa ein unbeabsichtigtes Aufheben einer Tastensperre eines Mobiltelefons, etwa durch einen Gegenstand in der Nähe des Sicherheitsschalters, effektiv verhindert werden, weil zum einen mehrere erste Sensorbereiche gleichzeitig betätigt werden müssen und zum anderen erst eine vorbestimmte Bewegung an dem Sicherheitsschalters (bewegen der Finger von einem Sensorbereich in den anderen Sensorbereich) zu einer Aufhebung der Tastensperre führt.
11 zeigt eine noch weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration mit einem ersten Sensorbereich und einem zweiten Sensorbereich. Der erste Sensorbereich wird hierbei durch die beiden kleinflächigen Abschnitte der Elektroden gebildet (in 11 links). Der zweite Sensorbereich wird im Wesentlichen durch die beiden großflächigen Abschnitte der Elektroden (in 11 rechts) gebildet. Auch hierbei wird zur Detektion einer Annäherung an den linken Bereich der oben genannte Reduktionseffekt und zur Detektion einer Annäherung an den zweiten Sensorbereich der oben genannte Transmissionseffekt ausgenutzt.
Die mit Bezug auf 5 gezeigte Schirmelektrode SE kann bei dieser Ausgestaltung auch besonders einfach im ersten Sensorbereich zwischen den beiden Elektroden angeordnet werden.
12 zeigt eine noch weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration, wobei mit lediglich drei Elektroden und unter Ausnutzung der genannten Transmissions- und Reduktionseffekte vier Sensorbereiche definiert bzw. implementiert werden können. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, den in 8b gezeigten Drehregler anstelle mit vier Elektroden lediglich mit drei Elektroden zu realisieren, sodass der Schaltungsaufwand noch weiter reduziert werden kann. Vorteilhaft ist hierbei, dass einer gemeinsamen Sendeelektrode TE zwei Empfangselektroden RE₁, RE₂ zugeordnet sind, sodass aufgrund der an den Empfangselektroden abgegriffenen elektrischen Signale ermittelt werden kann, an welchem Sensorbereich eine Annäherung bzw. Berührung erfolgt ist.
13 zeigt eine Weiterbildung der in 12 gezeigten Elektrodenkonfiguration, wobei einer gemeinsamen Sendeelektrode TE vier Empfangselektroden RE₁, RE₂, RE₃, RE₄ zugeordnet sind, sodass mit lediglich fünf Elektroden acht Sensorbereiche realisiert werden können. Die Detektion einer Annäherung an eine der acht Sensorbereiche erfolgt dabei unter Ausnutzung der jeweiligen Transmissions- bzw. Reduktionseffekte in dem jeweiligen Sensorbereich.

Claims

Elektrodenkonfiguration für eine kapazitive Sensoreinrichtung, umfassend eine Sendeelektrode (TE) und eine Empfangselektrode (RE), wobei die Sendeelektrode (TE) in eine kapazitive Koppelung mit der Empfangselektrode (RE) bringbar ist, wobei die Elektrodenkonfiguration zumindest einen ersten Sensorbereich und zumindest einen zweiten Sensorbereich bildet, wobei die Elektrodenflächen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich jeweils klein sind im Vergleich zu den Elektrodenflächen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) im zweiten Sensorbereich, wobei der Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im ersten Sensorbereich eine hohe kapazitive Grundkoppelung aufweist, und wobei der Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im zweiten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im zweiten Sensorbereich eine kapazitive Grundkoppelung aufweist, welche kleiner ist als die kapazitive Grundkoppelung im ersten Sensorbereich.
Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Sendeelektrode (TE) und die Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich jeweils kammförmig ausgestaltet sind, wobei die Sendeelektrode (TE) so relativ zur Empfangselektrode (RE) angeordnet ist, dass die Kammzähne der Sendeelektrode (TE) im Wesentlichen zwischen den Kammzähnen der Empfangselektrode (RE) angeordnet sind.
Elektrodenkonfiguration nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei diese zusätzlich eine Schirmelektrode (SE) umfasst, welche im Wesentlichen zwischen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE), vorzugsweise im zweiten Sensorbereich, angeordnet ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung zur Annäherungsdetektion, umfassend zumindest eine Elektrodenkonfiguration, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Elektrodenkonfiguration – eine Sendeelektrode (TE), an welcher ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, und – eine Empfangselektrode (RE), in welche das elektrische Wechselfeld einkoppelbar ist und an welcher ein elektrisches Signal abgreifbar ist, aufweist, – die Elektrodenkonfiguration zumindest einen ersten Sensorbereich und zumindest einen zweiten Sensorbereich umfasst, und – die Sendeelektrode (TE) und die Empfangselektrode (RE) so ausgestaltet sind und so relativ zueinander anordenbar sind, dass eine Annäherung eines Objektes – an den ersten Sensorbereich eine Pegelreduktion und – an den zweiten Sensorbereich einen Pegelanstieg des an der Empfangselektrode (RE) abgreifbaren elektrischen Signals bewirkt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei zwischen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) – im ersten Sensorbereich ein erster Abschnitt (ER) des elektrischen Wechselfeldes und – im zweiten Sensorbereich ein zweiter Abschnitt (FT) des elektrischen Wechselfeldes ausbildbar sind.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im ersten Sensorbereich eine hohe kapazitive Grundkoppelung aufweist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im zweiten Sensorbereich so gewählt ist, dass die Elektrodenkonfiguration im zweiten Sensorbereich im Wesentlichen eine kapazitive Grundkoppelung aufweist, welche kleiner ist als die kapazitive Grundkoppelung im ersten Sensorbereich.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Sendeelektrode (TE) und die Empfangselektrode (RE) im Wesentlichen planar ausgestaltet sind und wobei die Elektrodenflächen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich jeweils klein sind im Vergleich zu den Elektrodenflächen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) im zweiten Sensorbereich.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im ersten Sensorbereich gering ist im Vergleich zum Abstand der Sendeelektrode (TE) zur Empfangselektrode (RE) im zweiten Sensorbereich.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Sendeelektrode (TE) und die Empfangselektrode (RE) im Bereich des ersten Sensorbereiches jeweils im Wesentlichen kammförmig ausgestaltet sind, wobei die Kammzähne der Sendeelektrode (TE) zwischen den Kammzähnen der Empfangselektrode (RE) angeordnet sind, und wobei die Sendeelektrode (TE) und die Empfangselektrode (RE) im Bereich des zweiten Sensorbereiches jeweils im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sind, wobei die Kammrücken jeweils im Wesentlichen rechtwinkelig an der jeweiligen Elektrode (TE, RE) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei zwischen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) eine Schirmelektrode (SE) anordenbar ist, wobei die Sendeelektrode (TE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist und die Schirmelektrode (SE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagbar ist, wobei das ersten elektrische Wechselsignal um 180° phasenverschoben zum zweiten elektrischen Wechselsignal ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Schirmelektrode (SE) im zweiten Sensorbereich zwischen der Sendeelektrode (TE) und der Empfangselektrode (RE) anordenbar ist.
Elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Handgerät, aufweisend zumindest eine kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.