DE102011075622A1

DE102011075622A1 - Sensor sowie Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten

Info

Publication number: DE102011075622A1
Application number: DE102011075622A
Authority: DE
Inventors: Axel Heim; Dr. Ivanov Artem
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: CN103534948A; US20140210489A1; DE102011075622B4; WO2012152801A1; TW201312085A; TWI628417B; KR20140045378A; US10288657B2; KR101952327B1; CN103534948B; EP2710736A1

Abstract

Bereit gestellt wird eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten, aufweisend – eine Anzahl von Elektrodenkonfigurationen, welche eine Sensorfläche bilden, wobei jede Elektrodenkonfiguration eine Anzahl von Messelektroden aufweist und wobei jeder Elektrodenkonfiguration zumindest eine Geberelektrode zugeordnet ist, und – eine Auswerteeinheit, welche mit den Messelektroden und den Geberelektroden gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, in einem Zeitmultiplexverfahren – jeweils eine der Geberelektroden mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen und die jeweils übrigen Geberelektroden auf ein vorbestimmtes konstantes elektrisches Potential zu legen, und – an den Messelektroden, welche der mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagten Geberelektrode zugeordnet sind, ein elektrisches Signal abzugreifen, welches indikativ für die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche ist. Bereit gestellt wird ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten im Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung auf kapazitiver Basis. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Handgerät, insbesondere elektrisches Handgerät, mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
Stand der Technik
Im Stand der Technik kapazitiver Sensoreinrichtungen werden kapazitive Verhältnisse zwischen einer Sensorfläche und einem sich im Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung befindenden Objekt gemessen bzw. detektiert. Das sich im Erfassungsbereich befindliche Objekt verzerrt das elektrische Wechselfeld im Erfassungsbereich. Die Messergebnisse erlauben Rückschlüsse auf den Abstand zwischen den Messelektroden der Sensorfläche und dem Objekt und/oder auch die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche. Der Zusammenhang zwischen Objektabstand bzw. Position des Objektes und den Messergebnissen ist hierbei stark nicht-linear.
Befindet sich im Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung mehr als ein Objekt, so wirkt sich jedes einzelne Objekt auf die Verzerrung des nur einen elektrischen Wechselfeldes aus. Der Zusammenhang zwischen den Messwerten bzw. Messergebnissen und den Abständen der Objekte zur Sensorfläche bzw. den Positionen der Objekte relativ zur Sensorfläche wird mit zunehmender Anzahl der Objekte komplexer, weil die Sensormesswerte nicht mehr nur von der Position bzw. dem Abstand eines einzelnen Objektes abhängig sind. Eine genaue Detektion der Abstände mehrerer Objekte zur Sensorfläche bzw. der Positionen mehrerer Objekte relativ zur Sensorfläche kann dadurch nicht mehr gewährleistet werden.
Nimmt man bei der Schätzung von Abstand bzw. Position dennoch eine Unabhängigkeit einiger Sensormesswerte von Abstand bzw. Position bestimmter Objekte an, so führt dies zu systematischen Messfehlern, welche zu Artefakten führen können. Im schlechtesten Fall können die Messfehler dazu führen, dass Abstand bzw. Position eines Objektes nicht mehr detektiert bzw. geschätzt werden können.
In einem konkreten Anwendungsfall ist es wünschenswert, bei einer Zweihandbedienung eines Gerätes, welches über eine kapazitive Sensoreinrichtung verfügt, die Positionen der beiden Hände bzw. mehrerer Finger relativ zur Sensoreinrichtung voneinander unabhängig zu erfassen.
Aufgrund der Sensitivität der Sensormesswerte, welche abhängig von dem Abstand der Objekte zur Sensorfläche sind, ist die Störung des Messwertes für ein erstes nahes Objekt durch die Feldverzerrung aufgrund eines zweiten weiter entfernten Objektes verhältnismäßig gering, sodass der Abstand bzw. die Position des ersten Objektes zuverlässig detektiert werden kann. Umgekehrt kann aber der Abstand bzw. die Position des zweiten Objektes nicht zuverlässig detektiert werden.
Im Stand der Technik wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, dass an der Sensorfläche eine große Anzahl von Sensorelektroden vorgesehen wird, welche mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind. Für die Bestimmung des Abstandes bzw. der Position eines Objektes können dann einzelne Sensorelektroden oder mehrere benachbarte Sensorelektroden berücksichtigt werden, allerdings unter der Annahme, dass der Einfluss anderer Objekte auf die Messwerte dieser Elektroden vernachlässigbar klein ist. Eine weitere Voraussetzung für diesen Ansatz ist allerdings, dass der Abstand der Objekte zueinander einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet. Dies gilt insbesondere bei größeren Abständen der Objekte zu der Sensorfläche, wenn also die Sensorelektroden weniger sensitiv sind, sowie bei Abständen zwischen Sensorelektroden, welche klein gegenüber dem Abstand des Objektes zu der Sensorfläche sind und damit ungünstige geometrische Verhältnisse für die Bestimmung der x/y-Position vorliegen.
Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Lösungsansatz besteht darin, mehrere Sensoreinrichtungen bzw. Sensorelektroden räumlich voneinander zu trennen, sodass jede Sensoreinrichtung bzw. Sensorelektrode einen eigenen Erfassungsbereich bildet bzw. definiert. Dadurch können Messwerte einer Sensoreinrichtung einem entsprechenden Objekt zugeordnet werden, während Messwerte einer anderen Sensoreinrichtung dem anderen Objekt zugeordnet werden. Für die Bestimmung des Abstandes bzw. Position eines Objektes können dann ausschließlich Sensorelektroden einer einzelnen Sensoreinrichtung herangezogen bzw. berücksichtigt werden, wobei auch hierbei angenommen werden muss, dass der Einfluss der jeweils anderen Objekte auf die Messwerte dieser Sensoreinrichtung vernachlässigbar klein ist.
Dieser Lösungsansatz ist allerdings nur dann praktikabel, wenn eine ausreichende räumliche Trennung der Sensoreinrichtungen bzw. Sensorelektroden möglich ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Position einer Anzahl von Objekten in einem Erfassungsbereich einer kapazitiven Sensoreinrichtung und/oder den Abstand einer Anzahl von Objekten relativ zu einer Sensorfläche einer kapazitiven Sensoreinrichtung zu bestimmen bzw. zu detektieren.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten sowie ein Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sowie Anwendungsmöglichkeiten sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen bzw. weiteren unabhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten, wobei die Sensoreinrichtung aufweist:

– eine Anzahl von Elektrodenkonfigurationen, welche eine Sensorfläche bilden, wobei jede Elektrodenkonfiguration eine Anzahl von Messelektroden aufweist, wobei jeder Elektrodenkonfiguration zumindest eine Geberelektrode zugeordnet ist, und
– eine Auswerteeinheit, welche mit den Messelektroden und den Geberelektroden gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, in einem Zeitmultiplexverfahren
– jeweils eine der Geberelektroden mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen und die jeweils übrigen Geberelektroden auf ein vorbestimmtes, vorzugsweise konstantes elektrisches Potential zu legen, und
– an den Messelektroden, welche der mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagten Geberelektrode zugeordnet sind, ein elektrisches Signal abzugreifen, welches indikativ für die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche ist.

Weil jeweils nur eine Geberelektrode aktiv ist, nämlich jene, welche mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, ist auch jeweils nur eine Elektrodenkonfiguration aktiv, sodass in vorteilhafter Weise der Einfluss eines sich den nicht aktiven Elektrodenkonfigurationen annähernden Fingers auf das an der aktiven Elektrodenkonfiguration abgegriffenen elektrischen Signals deutlich reduziert wird. Dadurch kann die Annäherung eines Fingers an die aktive Elektrodenkonfiguration bzw. die Position eines Fingers relativ zur aktiven Elektrodenkonfiguration deutlich besser bestimmt bzw. geschätzt werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zwischen den Elektrodenkonfigurationen zumindest eine erste Zusatzelektrode angeordnet ist, wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, in dem Zeitmultiplexverfahren die erste Zusatzelektrode auf das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential zu legen.
Damit wird in vorteilhafter Weise der Einfluss benachbarter, nicht aktiver Elektrodenkonfigurationen, d.h., eines sich den nicht aktiven Elektrodenkonfigurationen annähernden Objektes, etwa ein oder mehrere Finger auf die jeweils aktive Elektrodenkonfiguration noch weiter reduziert, sodass die Annäherung eines Fingers an die aktive Elektrodenkonfiguration bzw. die Position eines Fingers relativ zur aktiven Elektrodenkonfiguration noch besser bestimmt bzw. geschätzt werden kann.
An jeder Elektrodenkonfigurationen kann randseitig zumindest eine weitere Zusatzelektrode angeordnet sein, wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, in dem Zeitmultiplexverfahren die zumindest eine weitere Zusatzelektrode auf das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential zu legen oder mit dem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
Der Sensorfläche kann eine untere Zusatzelektrode und / oder eine obere Zusatzelektrode zugeordnet sein, wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, die untere Zusatzelektrode und / oder die obere Zusatzelektrode auf das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential zu legen oder mit dem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Sensorfläche zwei Elektrodenkonfigurationen umfassen, wobei die beiden Elektrodenkonfigurationen jeweils vier Messelektroden aufweisen.
Zwischen den Messelektroden zumindest einer Elektrodenkonfiguration kann eine Berührungserfassungselektrode angeordnet sein, welche der Berührungsdetektion dient. Berührungserfassungselektrode kann auch als Messelektrode betrieben werden.
Durch die Erfindung bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer Sensoreinrichtung, welche eine Anzahl von Elektrodenkonfigurationen aufweist, welche eine Sensorfläche bilden, wobei jede Elektrodenkonfiguration eine Anzahl von Messelektroden aufweist, und wobei jeder Elektrodenkonfiguration zumindest eine Geberelektrode zugeordnet ist, wobei in einem Zeitmultiplexverfahren

– jeweils eine der Geberelektroden mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird,
– die jeweils übrigen Geberelektroden auf ein vorbestimmtes, vorzugsweise konstantes elektrisches Potential gelegt werden, und
– an den Messelektroden, welche der mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagten Geberelektrode zugeordnet sind, ein elektrisches Signal abgegriffen wird, welches indikativ für die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche ist.

Zwischen den Elektrodenkonfigurationen kann zumindest eine erste Zusatzelektrode angeordnet sein, welche auf das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential gelegt wird.
An jeder Elektrodenkonfigurationen kann randseitig zumindest eine weitere Zusatzelektrode angeordnet sein und der Sensorfläche kann eine untere Zusatzelektrode und / oder eine obere Zusatzelektrode zugeordnet ist, wobei die zumindest eine weitere Zusatzelektrode und / oder die untere Zusatzelektrode und / oder die obere Zusatzelektrode auf das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential gelegt oder mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Das vorbestimmte, vorzugsweise konstante elektrische Potential kann ein Massepotential der Sensoreinrichtung sein.
Ferner wird durch die Erfindung ein elektrisches Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bereit gestellt, wobei eine erste Elektrodenkonfiguration der Sensoreinrichtung in einem linken Bereich einer Gehäuseschale des Handgerätes und eine zweite Elektrodenkonfiguration der Sensoreinrichtung in einem rechten Bereich der Gehäuseschale des Handgerätes angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar.
Das elektrische Handgerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon, eine Computermaus, eine Fernbedienung, ein Eingabemittel für eine Spielkonsole, ein mobiler Kleincomputer, ein Tablet-PC, 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 eine beispielhafte Elektrodenkonfiguration einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung in einer Draufsicht und in einer Schnittansicht;
2 zweidimensionale elektrostatische Simulationen (Äquipotentiallinien) einer Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes durch ein Objekt, wobei mehrere Sensorelektroden einer einzigen Geberelektrode zugeordnet sind;
3 eine zweidimensionale elektrostatische Simulation (Äquipotentiallinien) einer Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes durch ein Objekt, wobei jeweils zwei Messelektroden eine Geberelektrode zugeordnet sind und wobei zwischen den Geberelektroden bzw. den jeweiligen Messelektroden eine Zusatzelektrode angeordnet ist; und
4 eine zweidimensionale elektrostatische Simulation (Äquipotentiallinien) einer Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes durch ein Objekt, wobei jeweils zwei Messelektroden eine Geberelektrode zugeordnet ist, und wobei eine der beiden Geberelektroden bzw. die dieser Geberelektrode zugeordneten Messelektroden deaktiviert sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt beispielhaft eine Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten, insbesondere des Abstandes der Objekte zu einer Sensorfläche bzw. der Positionen der Objekte relativ zur Sensorfläche. Im oberen Bereich der 1 ist eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung gezeigt, im unteren Bereich ist eine Schnittansicht der Elektrodenanordnung auf einer Leiterplatte gezeigt.
Die Elektrodenanordnung kann als eine doppellagige Leiterplatte LP ausgeführt sein. An der Oberseite der Leiterplatte LP sind zwei Elektrodenkonfigurationen angeordnet, welche zusammen eine Sensorfläche bilden.
Die linke Elektrodenkonfiguration weist vier linke Messelektroden bzw. Sensorelektroden ME_L1 bis ME_L4 auf. Die rechte Elektrodenkonfiguration weist vier Messelektroden bzw. Sensorelektroden ME_R1 bis ME_R4 auf. In Abhängigkeit der konkreten Anforderungen an die Sensorfläche können die linke Elektrodenkonfiguration und die rechte Elektrodenkonfiguration jeweils auch weniger oder mehr als die vier hier gezeigten Messelektroden aufweisen.
Die beiden hier gezeigten Elektrodenkonfigurationen bilden jeweils einen im Wesentlichen rechteckigen Sensorbereich, wobei die Messeelektroden ME_L1 bis ME_L4 bzw. ME_R1 bis ME_R4 in den Eckbereichen des jeweiligen Sensorbereiches angeordnet sind. Auch die Anordnung der Messelektroden in dem jeweiligen Sensorbereich sowie deren Form kann in Abhängigkeit von den konkreten Anforderungen an die Sensorfläche bzw. Sensorbereiche verschieden von der in 1 gezeigten Anordnung sein.
Mit den vier Messelektroden einer Elektrodenkonfiguration bzw. eines Sensorbereiches kann eine Annäherung eines Objektes an die Elektrodenkonfiguration detektiert werden, wobei der Abstand des Objektes zu dem Sensorbereich und/oder die Position des Objektes relativ zu dem Sensorbereich detektiert bzw. gemessen werden können. Die Messelektroden sind jeweils mit einer Auswerteeinheit gekoppelt, welche aus den an den Messelektroden abgegriffenen elektrischen Signalen den Abstand und/oder die Position des Objektes ermittelt.
Unter den Messelektroden ME_L1 bis ME_L4 bzw. ME_R1 bis ME_R4 sind zwei Geberelektroden GE_L bzw. GE_R angeordnet. Eine linke Geberelektrode GE_L ist den linken Messelektroden ME_L1 bis ME_L4 zugeordnet, eine rechte Geberelektrode GE_R ist den rechten Messelektroden ME_R1 bis ME_R4 zugeordnet. Die Geberelektroden können an der Unterseite der Leiterplatte LP angeordnet sein. Die Geberelektroden können aber auch an der Oberseite der Leiterplatte LP und unterhalb der Messelektroden angeordnet sein, wobei allerdings die Geberelektroden galvanisch von den Messelektroden zu trennen sind. Die Messelektroden sind kapazitiv mit den jeweiligen Geberelektroden gekoppelt. Zwischen einem sich den Messelektroden annähernden Finger und den Messelektroden bildet sich ebenfalls eine kapazitive Koppelung aus, wobei sich eine Änderung des Abstand des Fingers zu den Messelektroden auf die kapazitive Koppelung bzw. Kapazität zwischen dem Finger und den Messelektroden auswirkt.
Die Geberelektroden GE_L und GE_R sind jeweils mit einem Signalgenerator gekoppelt, um diese mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, sodass zwischen den Geberelektroden und Masse jeweils ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird, welche den Überwachungsbereich der jeweiligen Elektrodenkonfiguration definieren bzw. bilden. Der Signalgenerator bzw. die Signalgeneratoren können Bestandteil der zuvor erwähnten Auswerteeinheit sein.
Zwischen dem linken Sensorbereich und dem rechten Sensorbereich ist eine mittlere Zusatzelektrode E_M angeordnet, welche in einer Ausgestaltung der Erfindung zum Trennen des linken Sensorbereiches von dem rechten Sensorbereich dient. Hierfür kann die mittlere Zusatzelektrode E_M auf ein vorbestimmtes, vorzugsweise konstantes elektrisches Potenzial, etwa auf Masse der Sensoreinrichtung gelegt werden. Damit kann im Wesentlichen eine Ausbreitung des an einer Geberelektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes in den Bereich der jeweils anderen Elektrodenkonfiguration bzw. Sensorbereich weitgehend verhindert bzw. abgeschwächt werden. Letztlich wird damit erreicht, dass der Einfluss eines sich beispielsweise der linken Elektrodenkonfiguration annähernden Objektes auf die Detektion eines sich der rechten Elektrodenkonfiguration annähernden Objektes verringert bzw. vermieden wird.
Ferner sind eine linke Zusatzelektrode E_L, eine rechte Zusatzelektrode E_R und eine untere Zusatzelektrode E_U vorgesehen, wobei die linke und die rechte Zusatzelektrode E_L bzw. E_R die Messelektroden zur seitlichen Umgebung hin abgrenzen, d.h., dass sich der Sensoreinrichtung seitlich annähernde Objekte die Detektion von sich im Erfassungsbereich der Elektrodenkonfigurationen befindlichen Objekte im Wesentlichen nicht beeinflussen.
Die untere Zusatzelektrode E_U kann unterhalb der Generatorelektrode GE_L, GE_R angeordnet sein. Es kann auch eine weitere, hier nicht gezeigte obere Zusatzelektrode vorgesehen sein. Je nach Beschaltung der unteren Zusatzelektrode E_U, d.h., je nachdem, ob die untere Zusatzelektrode E_U mit dem elektrischen Wechselsignal der Geberelektrode beaufschlagt oder auf ein vorbestimmtes elektrisches Potenzial, etwa Masse der Sensoreinrichtung gelegt wird, kann die Reichweite des an den Geberelektroden emittierten elektrischen Wechselfeldes erhöht oder nach unten begrenzt werden. Auch die linke und/oder rechte Zusatzelektrode E_L bzw. E_R kann zur Erhöhung der Reichweite mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, mit dem auch die Geberelektroden GE_L, GE_R beaufschlagt werden.
In dem in 1 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung sind zwischen den Messelektroden ME_L1 bis ME_L4 bzw. ME_R1 bis ME_R4 der beiden Elektrodenkonfigurationen jeweils eine Berührungserfassungselektrode TE_L, TE_R (Touch-Elektrode) angeordnet, welche für eine einfache Detektion einer Oberflächenberührung durch ein Objekt vorgesehen sein können.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche beispielsweise eine Elektrodenanordnung, wie mit Bezug auf 1 gezeigt, aufweisen kann, näher erläutert.
Die linke Elektrodenkonfiguration und die rechte Elektrodenkonfiguration werden in einem Zeitmultiplex-Verfahren betrieben, wobei in einem ersten Schritt die linke Elektrodenkonfiguration aktiv ist, während die rechte Elektrodenkonfiguration inaktiv ist.
Zur Deaktivierung der rechten Elektrodenkonfiguration wird die rechte Geberelektrode GE_R und gegebenenfalls die mittlere Zusatzelektrode E_M auf ein vorbestimmtes elektrisches Potenzial gelegt, vorzugsweise auf Masse der kapazitiven Sensoreinrichtung.
Die linke Geberelektrode GE_L wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, sodass ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird, welches den Erfassungsbereich der linken Elektrodenkonfiguration bildet bzw. definiert. Durch die Deaktivierung der rechten Elektrodenkonfiguration wird im Wesentlichen bewirkt, dass das mit der linken Geberelektrode GE_L erzeugte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nicht über die rechte Elektrodenkonfiguration ausgestrahlt wird. Ein sich im Bereich der rechten Elektrodenkonfiguration befindliches Objekt, etwa ein Finger, kann so das elektrische Wechselfeld über der linken Elektrodenkonfiguration nur unwesentlich stören bzw. beeinflussen, d.h., ein sich im Bereich der rechten Elektrodenkonfiguration befindliches Objekt wird dadurch weitgehend „ausgeblendet“.
In einem zweiten Schritt wird die rechte Elektrodenkonfiguration aktiviert, während die linke Elektrodenkonfiguration deaktiviert wird.
Analog zu dem ersten Schritt wird hierbei die linke Geberelektrode GE_L auf ein vorbestimmtes elektrisches Potenzial gelegt, vorzugsweise auf Masse der Sensoreinrichtung. Das Potenzial der mittleren Zusatzelektrode E_M bleibt hingegen unverändert, d.h., ist auch in dem zweiten Schritt auf das vorbestimmte elektrische Potenzial, insbesondere auf Masse der Sensoreinrichtung gelegt.
In dem zweiten Schritt wird nunmehr die rechte Geberelektrode GE_R mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, welches den Erfassungsbereich bzw. einen Überwachungsbereich der rechten Elektrodenkonfiguration definiert bzw. bildet. Das Deaktivieren der linken Elektrodenkonfiguration bewirkt auch hier im Wesentlichen, dass das an der rechten Geberelektrode GE_R emittierte elektrische Wechselfeld im Wesentlichen nicht über die linke Elektrodenkonfiguration ausbreitet. Insbesondere wird dadurch bewirkt, dass an der linken Elektrodenkonfiguration kein elektrisches Wechselfeld emittiert wird. Ein Objekt, beispielsweise ein Finger, der sich in dem Bereich der linken Elektrodenkonfiguration befindet bzw. bewegt, stört daher nur unwesentlich das elektrische Wechselfeld, welches an der rechten Elektrodenkonfiguration emittiert wird. Der Finger über der linken Elektrodenkonfiguration wird dabei weitestgehend „ausgeblendet“.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung kann auch verwendet werden, wenn etwa die Position nur eines einzelnen Objektes, etwa eines Fingers, erfasst bzw. geschätzt werden soll. Dabei kann die volle sensitive Fläche, d.h. die volle Sensorfläche der kapazitiven Sensoreinrichtung verwendet werden. Hierfür können beide Geberelektroden aktiv sein, d.h. es können beide Geberelektroden GE_L, GE_R mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, sodass an beiden Geberelektroden ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, welche zusammen den Erfassungsbereich bzw. den Observationsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung bilden.
Die zwischen den beiden Elektrodenkonfigurationen angeordnete mittlere Zusatzelektrode E_M kann ebenfalls mit dem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden. Ferner können auch die linke Zusatzelektrode E_L und die rechte Zusatzelektrode E_R mit dem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden. Auch ist es möglich, die beiden Berührungserfassungselektroden TE_L, TE_R als Messelektroden bzw. Sensorelektroden zu verwenden, welche dann in entsprechender Weise wie die Messelektroden ME_L1 bis ME_L4 bzw. ME_R1 bis ME_R4 an die Auswerteeinrichtung angeschlossen werden und deren elektrische Signale entsprechend ausgewertet werden. Die Berührungserfassungselektroden TE_L, TE_R können aber auch ausschließlich für die Detektion einer Berührung vorgesehen sein.
Ferner kann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung auch verwendet werden, um die gesamte Sensorfläche als berührungsempfindlichen Bereich auszugestalten. Dabei können sowohl die linke und die rechte Zusatzelektrode als auch die mittlere Zusatzelektrode an die Berührungserfassungselektroden TE_L, TE_R angeschlossen werden.
In beiden zuvor beschriebenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens können die linke Zusatzelektrode E_L und die rechte Zusatzelektrode E_R entweder auf ein vorbestimmtes Potenzial, vorzugsweise auf Masse der kapazitiven Sensoreinrichtung gelegt werden oder mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden. Im ersten Fall kann dadurch die Reichweite über den randseitigen Bereich der Sensoreinrichtung hinaus begrenzt werden. Im zweiten Fall, wenn also die linke Zusatzelektrode und die rechte Zusatzelektrode mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, kann die Reichweite des emittierten elektrischen Wechselfeldes vergrößert werden. Entsprechendes gilt auch für die untere Zusatzelektrode E_U und eine obere Zusatzelektrode, sofern eine obere Zusatzelektrode vorgesehen ist.
Nach dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses mit dem ersten Schritt fortgesetzt werden, sodass im Wesentlichen der erste Schritt und der zweite Schritt des Verfahrens zyklisch ausgeführt werden.
2 bis 4 zeigen jeweils 2D-Simulationen einer Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes durch Objekte, etwa Finger. Hierbei sind jeweils vier Sensorelektroden bzw. Messelektroden entlang einer X-Achse über einem Generator, d.h. einer oder mehreren Geberelektroden angeordnet. Betrachtet wird hier jeweils die von einem linken Finger verursachte Potenzialbeeinflussung auf die zweite Sensorelektrode von rechts, welche einem rechten Finger zugeordnet ist.
In den zweidimensionalen elektrostatischen Simulationen sind die Geberelektroden jeweils als Rechtecke gezeigt, die kurzen Striche darüber stellen die Messelektroden dar. Die Finger sind als Kreise dargestellt, wobei der linke Kreis einen linken Finger und der rechte Kreis einen rechten Finger repräsentieren. Als Dielektrikum der Leiterplatte wird Luft angenommen, weshalb es hier nicht explizit gezeigt ist.
In 2 bis 4 sind jeweils vier Situationen dargestellt, wobei die Ansichten jeweils im Wesentlichen der in 1 gezeigten Schnittansicht entsprechen:

(a) Im Erfassungsbereich der kapazitiven Messeinrichtung befinden sich keine Finger.
(b) Ein rechter Finger befindet sich oberhalb der rechten Hälfte der Sensoreinrichtung. Sein Abstand zu den Messelektroden der rechten Hälfte ist größer als der Abstand zwischen den Messelektroden.
(c) Ein linker Finger befindet sich oberhalb der linken Hälfte der Sensoreinrichtung. Sein Abstand zu den Messelektroden der linken Hälfte der Sensoreinrichtung ist deutlich kleiner als der Abstand zwischen den Messelektroden.
(d) Sowohl rechter als auch linker Finger befindet sich im Erfassungsbereich der Messeinrichtung. Die Abstände der Finger zu den Messelektroden der Sensoreinrichtung sind hierbei wie in (b) bzw. (c).

In den Simulationen ist dem Rahmen sowie dem Finger, welcher hier als Kreis dargestellt ist, das Ground-Potenzial (0 V) zugeordnet, während der Generator bzw. die Geberelektroden das Potenzial 1 V tragen. Das Ergebnis der Simulation sind die berechneten Potentiale an den Messelektroden. In 2 bis 4 sind jeweils die Äquipotentiallinien gezeigt.
Das Messsignal an einer Elektrode, das für die Berechnung der Position eines Objektes (Fingers) benutzt wird, ist die Differenz zwischen dem Elektrodenpotenzial ohne Objekt im Erfassungsbereich und dem Elektrodenpotenzial mit dem Objekt im Erfassungsbereich. Wenn das Messsignal vom den Elektroden zugeordneten Objekt verursacht wird, kann dieses Signal als Nutzsignal bezeichnet werden. Je höher das Nutzsignal ist, desto genauer kann die Position des Objektes bestimmt werden.
Bei der Detektion einer Anzahl von Objekten im Erfassungsbereich der kapazitiven Sensoreinrichtung können die Einflüsse der Objekte auf das elektrische Feld als Störsignale zueinander betrachtet werden. Bei der Detektion der Positionen von zwei Fingern erzeugt beispielsweise der linke Finger ein Störsignal für jene Elektroden (die rechten Messelektroden), die die Position des rechten Fingers vermessen sollen. Je kleiner der Einfluss des linken Fingers auf die rechten Elektroden (d.h. je kleiner das Störsignal), desto genauer kann die Position des rechten Fingers anhand der Messdaten (d.h. Nutzsignale) von den rechten Messelektroden bestimmt werden.
Die Interpretation der Simulationsergebnisse erlaubt es, die Höhe des Störsignals (vom linken Finger) relativ zum Nutzsignal (vom rechten Finger) zu bestimmen. Anhand dieser Daten kann die bestmögliche Konfiguration der Sensoreinrichtung gefunden werden. In der Simulation ist der linke Finger (Störeinfluss) sehr nahe an der rechten Hälfte der Sensoreinrichtung angeordnet, um seinen Einfluss gegenüber dem im größeren Abstand zur Sensoreinrichtung platzierten rechten Finger zu untersuchen.
2 zeigt den Fall mit einer Generatorelektrode bzw. Geberelektrode, wobei hier der Dynamikbereich etwa 971 mV beträgt. Als Dynamikbereich wird hier der größtmögliche Potentialunterschied (Signalunterschied) an der Messelektrode bezeichnet. Dieser Potentialunterschied ist gegeben als die Differenz zwischen dem Potential für "Finger unendlich weit entfernt" und dem Potential für "Finger liegt auf der Messelektrode auf", wobei im letzteren Fall der aufgelegte Finger die Sensorelektrode im Wesentlichen auf das Massepotenzial zieht. Der Einfluss des linken Fingers beträgt in diesem Beispiel etwa 34 mV, der Einfluss des rechten Fingers (Nutzsignal) beträgt etwa 10,6 mV.
3 zeigt die zweidimensionale elektrostatische Simulation der Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes eines linken Fingers, wobei im Unterschied zu 2 die Geberelektrode zweiteilig ausgestaltet ist und zwischen den beiden Geberelektroden die mittlere Zusatzelektrode E_M angeordnet ist, welche auf das Massepotenzial der kapazitiven Sensoreinrichtung gelegt ist. Durch die mittlere Zusatzelektrode E_M sinkt der Dynamikbereich, aber auch der Störeinfluss des linken Fingers auf das Potenzial der betrachteten Sensorelektrode (zweite Sensor- bzw. Messelektrode von rechts). Der Einfluss des linken Fingers beträgt in diesem Beispiel etwa 18,4 mV, der Einfluss des rechten Fingers (Nutzsignal) beträgt etwa 8,7 mV.
4 zeigt eine zweidimensionale elektrostatische Simulation einer Beeinflussung eines elektrischen Wechselfeldes, wie in 3 gezeigt, wobei allerdings zusätzlich die linke Geberelektrode auf das Massepotenzial der kapazitiven Sensoreinrichtung gelegt ist. Dadurch reduziert sich der Dynamikbereich noch weiter, aber auch der Störeinfluss des linken Fingers auf das Potenzial der betrachteten Sensorelektrode (zweite Sensor- bzw. Messelektrode von rechts). Der Störeinfluss des linken Fingers beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 6,1 mV, der Einfluss des rechten Fingers (Nutzsignal) beträgt etwa 7,6 mV.
In den nachfolgenden Tabellen sind die für das Beispiel ermittelten numerischen Werte zusammengefasst:
Tabelle 1 zeigt die in der Simulation ermittelten Werte des Potentials an der betrachteten Sensorelektrode (zweite Sensor- bzw. Messelektrode von rechts). Tabelle 2 zeigt die Messsignale an dieser Messelektrode, die den simulierten Ereignissen entsprechen.

Potential [mV] ohne Finger rechter Finger linker Finger linker & rechter Finger

Fig. 2 971,0 960,4 937,0 930,2

Fig. 3 819,2 810,5 800,8 794,8

Fig. 4 803,3 795,7 797,2 791,3

Tabelle 1: Potenzial an der Messelektrode
Tabelle 2: Messsignal an der Messelektrode
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, ist das Messsignal an der Messelektrode in allen drei Fällen bei vorhandenem linkem und rechtem Finger am größten. In dem Fall, bei dem die linke Geberelektrode auf das Massepotenzial der kapazitiven Sensoreinrichtung gelegt ist, ist der Einfluss des linken Fingers auf das Potenzial der betrachteten Messelektrode kleiner als der Einfluss des rechten Fingers, obwohl der linke Finger näher dieser Elektrode positioniert ist als der rechte.
Mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine deutlich bessere und robustere Positionsbestimmung mehrerer Objekte in einem Observationsbereich einer kapazitiven Sensoreinrichtung möglich.
Die kapazitive Sensoreinrichtung kann beispielsweise in einem Handgerät, etwa ein Mobiltelefon vorgesehen werden, bei dem der Abstand mehrerer Finger zu dem Mobiltelefon bzw. die Position der Finger relativ zu dem Mobiltelefon bestimmt werden sollen. Der Schaltungsaufwand, insbesondere die Anzahl der Sensorelektroden kann gegenüber herkömmlichen kapazitiven Sensoren erheblich reduziert werden. Damit einher geht auch ein deutlich reduzierter Aufwand für die Herstellung elektrischer Handgeräte mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung bzw. für die Herstellung der kapazitiven Sensoreinrichtung selbst.
Bezugszeichen:

ME_L1 bis ME_L4

linke Messelektroden 1 bis 4 (Sensorelektroden)

ME_R1 bis ME_R4

rechte Messelektroden 1 bis 4 (Sensorelektroden)

GE_L

linke Geberelektrode

GE_R

rechte Geberelektrode

TE_L

linke Berührungserfassungselektrode (Touchelektrode)

TE_R

rechte Berührungserfassungselektrode (Touchelektrode)

E_L

linke Zusatzelektrode

E_R

rechte Zusatzelektrode

E_M

mittlere Zusatzelektrode

E_U

untere bzw. obere Zusatzelektrode

Claims

Sensoreinrichtung zur Detektion einer Anzahl von Objekten, aufweisend – eine Anzahl von Elektrodenkonfigurationen, welche eine Sensorfläche bilden, wobei jede Elektrodenkonfiguration eine Anzahl von Messelektroden (ME_L1–ME_L4; ME_R1–ME_R4;) aufweist, wobei jeder Elektrodenkonfiguration zumindest eine Geberelektrode (GE_L; GE_R) zugeordnet ist, und – eine Auswerteeinheit, welche mit den Messelektroden und den Geberelektroden gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, in einem Zeitmultiplexverfahren – jeweils eine der Geberelektroden (GE_L; GE_R) mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen und die jeweils übrigen Geberelektroden auf ein vorbestimmtes konstantes elektrisches Potential zu legen, und – an den Messelektroden, welche der mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagten Geberelektrode zugeordnet sind, ein elektrisches Signal abzugreifen, welches indikativ für die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen den Elektrodenkonfigurationen zumindest eine erste Zusatzelektrode (E_M) angeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, in dem Zeitmultiplexverfahren die erste Zusatzelektrode (E_M) auf das vorbestimmte elektrische Potential zu legen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an jeder Elektrodenkonfigurationen randseitig zumindest eine weitere Zusatzelektrode (E_L; E_R) angeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, in dem Zeitmultiplexverfahren die zumindest eine weitere Zusatzelektrode (E_L; E_R) auf das vorbestimmte elektrische Potential zu legen oder mit dem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorfläche eine untere Zusatzelektrode und / oder eine obere Zusatzelektrode (E_U) zugeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit weiter ausgestaltet ist, die untere Zusatzelektrode und / oder die obere Zusatzelektrode (E_U) auf das vorbestimmte elektrische Potential zu legen oder mit dem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorfläche zwei Elektrodenkonfigurationen umfasst, wobei die beiden Elektrodenkonfigurationen jeweils vier Messelektroden (ME_L1–ME_L4; ME_R1–ME_R4;) aufweisen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Messelektroden zumindest einer Elektrodenkonfiguration eine Berührungserfassungselektrode (TE_L; TE_R) angeordnet ist, welche der Berührungsdetektion dient.
Verfahren zur Detektion einer Anzahl von Objekten mit einer Sensoreinrichtung, welche eine Anzahl von Elektrodenkonfigurationen aufweist, welche eine Sensorfläche bilden, wobei jede Elektrodenkonfiguration eine Anzahl von Messelektroden (ME_L1–ME_L4; ME_R1–ME_R4;) aufweist, und wobei jeder Elektrodenkonfiguration zumindest eine Geberelektrode (GE_L; GE_R) zugeordnet ist, wobei in einem Zeitmultiplexverfahren – jeweils eine der Geberelektroden mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, – die jeweils übrigen Geberelektroden auf ein konstantes vorbestimmtes elektrisches Potential gelegt werden, und – an den Messelektroden, welche der mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagten Geberelektrode zugeordnet sind, ein elektrisches Signal abgegriffen wird, welches indikativ für die Position des Objektes relativ zur Sensorfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwischen den Elektrodenkonfigurationen zumindest eine erste Zusatzelektrode (E_M) angeordnet ist, welche auf das vorbestimmte elektrische Potential gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei an jeder Elektrodenkonfigurationen randseitig zumindest eine weitere Zusatzelektrode (E_L; E_R) angeordnet ist und wobei der Sensorfläche eine untere Zusatzelektrode und / oder eine obere Zusatzelektrode (E_U) zugeordnet ist, wobei die zumindest eine weitere Zusatzelektrode (E_L; E_R) und / oder die untere Zusatzelektrode und / oder die obere Zusatzelektrode (E_U) auf das vorbestimmte elektrische Potential gelegt oder mit dem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das vorbestimmte elektrische Potential ein Massepotential der Sensoreinrichtung ist.
Elektrisches Handgerät mit einer Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine erste Elektrodenkonfiguration der Sensoreinrichtung in einem linken Bereich einer Gehäuseschale des Handgerätes und eine zweite Elektrodenkonfiguration der Sensoreinrichtung in einem rechten Bereich der Gehäuseschale des Handgerätes angeordnet sind.
Elektrisches Handgerät nach Anspruch 11, wobei die Sensoreinrichtung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10 betreibbar ist.