DE102013208999B4

DE102013208999B4 - Verfahren und Vorrichtung für ein kapazitives berührungsloses Eingabesystem auf Basis einer einzigen Sensorfläche

Info

Publication number: DE102013208999B4
Application number: DE102013208999.6A
Authority: DE
Inventors: Erich Dickfeld; Rolf Pickhardt
Original assignee: EDISEN SENSOR SYSTEME & CO KG GmbH
Current assignee: EDISEN SENSOR SYSTEME & Co KG GmbH
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: DE102013208999A1

Abstract

Verfahren für ein kapazitives berührungsloses Eingabesystem auf Basis einer einzigen Sensorfläche (8) mit einem ausgebildeten Nahfeld (1) mit einer Grundkapazität und nur einer Weitbereichssensorelektronik zur Erzeugung mehrerer, verschiedener Ausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass beim Eintauchen einer Hand (10) in das elektrische Nahfeld zu jeder Eintauchtiefe ein Kapazitätswert erfasst und dieser mit einer hinreichenden zeitlichen Auflösung in einem elektronischen Speicher abgelegt wird, wobei mittels vorgegebener Schwellwerte Kapazitätswertbereiche quantisiert werden, denen jeweils Tonhöhen zugeordnet und diese hörbar gemacht werden, womit der Benutzer seine Handbewegungen steuern kann, um vorher vereinbarte Tonfolgen (14) zu erzeugen, die anhand der Folgen von quantisierten Kapazitätswertbereichen programmtechnisch wiedererkannt und woraus ein Ausgangssignal oder mehrere verschiedene Ausgangssignale erzeugt werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine kapazitive Gestiksteuerung mit Handbewegungen zum Betätigen vorzugsweise von Sanitärarmaturen. Die in einen Trogbereich eintauchenden Hände bewirken hörbare Tonfolgen, die als Melodiefolgen dem Benutzer einprägsam bleiben und er diese willentlich durch Handbewegungen generieren kann, um damit das Auslaufverhalten eines Auslaufventiles in verschiedenen Parametern zu steuern.
Im Sanitärbereich werden als Stand der Technik mechanische und automatische Auslaufarmaturen auch mittels kapazitiver Sensoranordnungen in Betrieb gesetzt. Die dazu erforderlichen Sensorflächen werden entweder von außen am Trogbereich oder im Auslaufventil selbst angeordnet, von denen aus sich ein elektrisches Feld in den Trogbereich hinein erstreckt. Taucht eine Hand in diesen Trog ein, wird eine Zunahme des elektrischen Feldes detektiert, die von einem Steuerteil als Ereignis aufbereitet wird. Von diesem abgeleitet, wird aus dem Steuerteil ein Stromimpuls an ein bistabiles Magnetventil geschickt, das in Folge den Wasserfluss öffnet. Nach einer vorprogrammierten Zeit wird durch einen zweiten Stromimpuls wieder das Schließen des Ventils bewirkt. Dieses Prinzip findet sich z. B. auch in den Schriften AT 010550 U1 und DE 2 523 212 A1 wieder. Weitere Parameter wie Wasserflussintensität oder Temperatur sind nicht realisierbar.
In den Schriften DE 11 2007 002 378 T5 schlägt man zwei Sensorflächen vor, deren detektierbare Einzelereignisse man im Zeitabstand zueinander vergleicht. Eine Plausibilitätsabschätzung über eine Schaltung definiert dabei die Sinnhaftigkeit beider Einzelereignisse, um z. B. den Wasserfluss auszulösen und Fehlauslösungen zu vermeiden. Es sind hier zwei Sensorkanäle nötig, um Plausibilität zu erzielen.
In den Schriften WO 2008/017 314 A1 und EP 2 076 635 B1 wird z. B. für die Spülung eines Urinals ebenso ein kapazitiver Sensor verwendet, der sich nach einem Betätigungsereignis erst wieder einkalibrieren muss, bevor eine weiteres Einzelereignis detektierbar ist. Nachteilig sind hier die Wartezeiten bis zur nächsten Betätigung.
In der Schrift EP 2 235 272 A1 werden 2 Touch-Sensorflächen von einem Mikrokontroller abgefragt, um beide Detektionsereignisse zueinander in Plausibilität zu setzen und daraus einen Stellimpuls zum Öffnen des Ventiles abzuleiten. Auch hier ist doppelter Aufwand nötig, um eine erhöhte Betätigungssicherheit zu erhalten.
In der Schrift EP 1 134 895 A2 wird ein Berührungssensor für eine Armatur vorgeschlagen, der bei einer hinreichenden Änderung eines Differenzmesssignals durch den komplexen Leitwert eines Menschen ein Magnetventil schaltet. Ebenso wird hier auf die Detektion nur eines Ereignisses abgezielt, wobei eine Differenzmessung erhöhten Aufwand bedeutet, um Umgebungseinflüsse zu kompensieren.
In der Schrift DE 10 2005 028 600 A1 wird eine kapazitive Armatur vorgeschlagen, die bei Vorhandensein von Stellaktoren für Wasserfluss oder Wassertemperatur durch zwei kapazitive Sensorflächen (als + und – Elektrode dargestellt) z. B. den Wasserfluss oder die Temperatur auf- oder abregeln kann. Hierbei regelt das Differenzsignal einen Stellvorgang. Es ist ein doppelter Aufwand erforderlich.
In EP 1 605 593 A2 werden nacheinander detektierte Einzelereignissen in ihrer Häufigkeit gezählt und in elektronische Speicher eingeschrieben, um Wasserlaufzeiten oder Wassertemperatur vor der Betätigung einer Armatur kodiert zu speichern. Diese Eingabe von Einzelereignissen in Folge ist zeitaufwendig und bedarf immer wieder einer Bedienungsanleitung zur Durchführung dieser Prozedur.
In der Schrift DE 10 2008 023 962 B3 sind unter einer Tischplatte zwei Elektroden von zwei kapazitiven Sensoren geklebt, deren elektrische Felder die Platte durchdringen. Eine Näherung oder Berührung der Tischoberseite mit einer Hand führt zu einem Detektionsereignis. Damit kann abwechselnd eine Absenkung oder Anhebung der Tischplatte über ein Motorgetriebe ausgelöst werden. Nachteilig ist dabei die Unsicherheit, in welche Richtung der Motor zunächst läuft.
Die DE 10 2012 018 685 A1 beschreibt eine Sensoreinrichtung zur Steuerung von Fahrzeugsystemen mittels Gesten. Die Vorrichtung weist dazu vorzugsweise eine Kamera auf, die die Gesten erfasst und optional ein zweites Erfassungssystem, das der Hand bei der Lenkbewegung folgt. Diese Konstruktion ist ausgesprochen komplex und erfordert eine bedeutende Rechenleistung zur Erfassung, Erkennung und Auswertung der Gesten.
Die DE 10 2010 007 455 A1 beschreibt ein System zum Erfassen und Auswerten von Gesten in einem dreidimensionalen Bewegungsraum. Dazu wird eine Sendeelektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt. Eine von dieser getrennte Empfangselektrode erfasst die Veränderungen im Nahfeld und leitet diese an eine Auswerteeinheit weiter, die die Gesten aus diesen Veränderungen extrahieren und auswerten soll. Das Aufspannen des dreidimensionalen Bewegungsraumes und die Anordnung der Empfangselektrode bzw. der Empfangselektroden sowie die fehlerfreie Extraktion und Erkennung der Gesten erfordern einen erheblichen technischen Aufwand.
Gegenstand der DE 10 2012 203 163 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Steuerung von Maschinen. Ein Bediener erhält Informationen über ein 3D-Display und bedient die Maschine mittels Gesten. Dazu werden diese optisch, akustisch oder elektromagnetisch erfasst und ausgewertet. Dieses System ist ausgesprochen aufwendig und für die Bedienung komplexer Maschinen geeignet. Für den Einsatz an relativ simplen Systemen, mit einfachen Bedienungshandlungen, ist die Komplexität jedoch zu hoch.
In der DE 10 2011 017 383 A1 wird ein Touchscreensystem zur Gestenerkennung beschrieben. Insbesondere ist das System in der Lage, Gesten zu erkennen, auch wenn diese nicht unmittelbar auf der Displayoberfläche, sondern lediglich in deren Nähe ausgeführt werden. Eingesetzt wird das bekannte kapazitive Elektrodensystem in Verbindung mit einem OLED-Display. Zwingend erforderlich ist hierbei die Kathoden- und Anodenschicht, die ober- bzw. unterhalb der OLED-Schicht angeordnet sind.
In der DE 10 2009 014 991 A1 wird ein Signalverarbeitungsverfahren offenbart, das insbesondere der Erkennung von Hand-Gesten dient. Dabei werden die Gesten in der Art eines Theremins in Tonfolgen umgesetzt, die von einem Stimmerkennungssystem erfasst und interpretiert werden. Dieses Vorgehen ist komplex und fehleranfällig, da Umgebungsgeräusche die Erkennungsqualität negativ beeinflussen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, innerhalb des Nahfeldbereichs einer einzigen kapazitiven Sensorfläche vorzugsweise Gestikbewegungen einer Hand zu nutzen, um unterschiedliche Aktoren und Systemzustände (Temperatur/Flussmenge) ansteuern zu können. Der Zustand vor und nach einer Gestikbedienung soll dabei erfasst, gespeichert, aktualisiert und in eine Auswertung einbezogen werden können. Ein Wasserstand im Trogbereich soll gleichzeitig erfasst werden können, wobei die Erkennbarkeit von Gestikbewegungen nicht beeinträchtigt werden darf.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Weitbereichssensor mit hinreichender analoger und zeitlicher Auflösung realisiert. Beim Eintauchen eines Körperteiles in das Nahfeld der Sensorfläche wird dabei erfindungsgemäß die Änderung der Sensorkapazität als Zeitfunktion erfasst und in einem elektronischen Speicher abgelegt. Das Nahfeld breitet sich bevorzugt im Innenbereich des Troges aus. Es erfasst dabei die Füllmenge des Troges, die Eintauchtiefe einer Hand, deren zeitliche Bewegung als Kapazitätsänderung sowie misst Zeiträume, in denen Stillhaltezeiten einer Hand unterhalb eines Kapazitätsänderungsgrenzwertes bleiben Bei der programmtechnischen Auswertung wird die zeitvariable Eintauchtiefe der Hand in Messwerte gewandelt und diese in Eintauchtiefenbereichen quantisiert. Gesten des Nutzers der Sanitärarmatur werden so als eine Reihenfolge von Kapazitätswerten erfasst und in elektronische Form umgewandelt. Jedem Tiefenbereich wird eine Tonfrequenz zugeordnet, die bevorzugt zeitgleich über einen Lautsprecher zur Interaktion mit dem Benutzer ausgesendet wird. Es können somit über die Eintauchtiefe der Hand Tonfolgen generiert werden, die mehrere Aktoren (Magnetventile) und Parameter (Temperatur, Flussstärke etc.) in Aktion setzen. Werden die Tonhöhen einer Tonleiter entnommen, generiert der Nutzer mit unterschiedlichen Eintauchtiefen seiner Hand Melodien, die einprägsam sind und für ihn ein gewünschtes Ausgangssignal auslösen, das an der Sanitärarmatur zu einer entsprechenden Aktion führt (z. B. Wasserlauf, Temperaturänderung, Flussstärke).
Ein programmtechnischer Vergleich mit vorher kodiert im Speicher abgelegten Referenztonfolgen führt dabei zur Wiedererkennung und zur Ausgabe eines gewünschten Ausgangssignals. Zuvor kann ein statischer Kapazitätsgrundwert gemessen und gespeichert werden bzw. in eine Informationsauswertung mit einbezogen werden (Berücksichtigung in den Rechenalgorithmen). Statische Kapazitätsgrundwerte bilden sich als Mittelwerte zu Zeiten vor oder nach Gestikbewegungen der Hand, die abgespeichert, angezeigt sowie als Referenzwert benutzt werden können. Sie erhöhen sich bei steigendem Pegelstand im Trog und dienen bei Überschreiten einer gesetzten Referenz zum Stoppen des Zuflusses. Kennzeichnend für den Kapazitätsgrundwert ist, dass seine Kapazitätsänderungen deutlich langsamer verlaufen als jene durch Gestik erzeugten. Die erfindungsgemäße Auswerteelektronik speichert mehrere Kapazitätsreferenzen zur Erzeugung von Tonfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Elektronik einen vom Nutzer aufrufbaren Lernmodus auf, den er zur gemeinsamen Generierung von Gesten, Tonfolgen und Funktionszuständen (Einstellungen) der Sanitärarmatur nutzen kann. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile bei der musischen und hygienischen Erziehung von Kindern, da diese aufgrund des Erlebnischarakters leicht an eine angemessene Körperpflege gewöhnt werden können.
Im Folgenden wird diese Erfindung an einem Waschbecken beschrieben, bei dem der Wasserstand im Becken den statischen Kapazitätsgrundwert erhöht und zusätzliche Kapazitätsänderungen durch das Eintauchen einer Hand in den Waschtrog als Gestikbewegung erkannt werden, um damit den Wasserlauf zu steuern.
Ausführungsbeispiel
Anhand der Figur 1 soll die Ausbildung eines erforderlichen elektrischen Nahfeldbereiches (1) zur Gestikdetektion an einem Porzellanwaschtrog (2) beschrieben und dargestellt werden, wobei über ein geöffnetes mechanisches Auslaufventil (3) auf dem Trog (2) Wasserflusszeiten, Kalt-, Warm- und Mischwasserentnahmen erfindungsgemäß gesteuert werden können. Sinnfälligerweise werden dabei das Auslaufventil (3) und die Abflussarmatur (4) untereinander elektrisch verbunden und geerdet und auf ein Massepotential (5) an der Sensorelektronik (6) gelegt, während hinter dem Trog (2), von außen aufgeklebt, eine Alufolie als Sensorfläche (8) wirkt, die mit dem kapazitiven Sensoreingang (7) verbunden ist. Durch die Sensorelektronik (6) werden zwischen dieser Sensorfläche (8) und den geerdeten Potenzialen (9) der Armaturen elektrische Feldverteilungen (1) erzeugt, die in den Trog (2) hineinwirken.
Durch Eintauchbewegungen (10) einer Hand (11) sowie ihrer gestikbehafteten Rückbewegung (12) durch einen Benutzer (13) werden über das elektrische Feld (1) Kapazitätsänderungen (21) detektiert, die mit der Eintauchtiefe der Hand (11) zunehmen und die in ihrem zeitlichen Verlauf in der Sensorelektronik (6) elektronisch abgespeichert werden. Ein Rechenprogramm quantisiert unterschiedliche Eintauchtiefenbereiche und ordnet den Bereichen Tonhöhen, vorzugsweise aus einer Tonleiter zu, die augenblicklich oder annähernd zeitgleich über einen Lautsprecher (12) hörbar gemacht werden und das Ohr des Benutzers (13) erreichen. Dadurch kann er simultan seine Handbewegungen (12) durch die Tonhöhen kontrollieren und mit wenig Übung seine Gestikbewegungen auf gewünschte Tonfolgen (14) abstimmen. Insbesondere melodische Tonfolgen bleiben einem Benutzer gut in Erinnerung, so dass er sie jederzeit durch Handbewegungen erzeugen kann und so eine gezielte Kalt-, Warm- oder Mischwasserentnahme bewirkt. Das Rechenprogramm erkennt vorher einprogrammierte bzw. in einem Lernmodus erfasste Tonfolgen und steuert z. B. über seinen Ausgang (15) das Kaltwasserventil (16) und über seinen Ausgang (17) das Warmwasserventil (18) oder beide gleichzeitig an. Zusätzlich kann z. B. eine große Eintauchtiefe einer Hand (22) eine zeitlang fixiert bleiben, wobei die Verharrungszeit gemessen und als Maß für eine gewünschte Wasserlaufzeit einprogrammiert wird. Ebenfalls kann im Trog (2) sich so eine große Wasserfüllmenge (19) sammeln, wodurch der messbare kapazitive Grundwert (20) ansteigt, der z. B. nun zur Abschaltung der Füllautomatik dienen kann. Danach ist das Trogwasser (19) vielseitig nutzbar, bis es abgelassen wird und die Automatik wieder wirkt, da der Grundwert (20) wieder sinkt. Eine Vielzahl weiterer Nutzungsmöglichkeiten ist erfindungsgemäß realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Nahfeldbereich der eletrischen Feldlinien
2: Waschtrog aus Keramik
3: Auslaufventil
4: Abflussarmatur
5: Erdungspotential
6: Sensorelektronik
7: Sensoreingang
8: Sensorfläche
9: Mischer für Kalt- und Warmwasser
10: Eintauchbewegung der Benutzerhand
11: Hand in Ausgangsstellung
12: Rückbewegung der Hand, gestikbehaftet
13: Benutzer, gezeichnet nur sein Ohr
14: Tonfolgen, durch Gestik erzeugt
15: Steuerleitung für Kaltwasserbventil
16: Kaltwassereinlassventil
17: Steuerleitung für Warmwasserventil
18: Warmwassereinlassventil
19: Wasserfüllung im Trog
20: Statische Grundkapazität = f (Wasserstand)
21: veränderlicher Kapazitätswert einer Hand
22: maximaler Kapazitätswert einer Hand

Claims

Verfahren für ein kapazitives berührungsloses Eingabesystem auf Basis einer einzigen Sensorfläche (8) mit einem ausgebildeten Nahfeld (1) mit einer Grundkapazität und nur einer Weitbereichssensorelektronik zur Erzeugung mehrerer, verschiedener Ausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass beim Eintauchen einer Hand (10) in das elektrische Nahfeld zu jeder Eintauchtiefe ein Kapazitätswert erfasst und dieser mit einer hinreichenden zeitlichen Auflösung in einem elektronischen Speicher abgelegt wird, wobei mittels vorgegebener Schwellwerte Kapazitätswertbereiche quantisiert werden, denen jeweils Tonhöhen zugeordnet und diese hörbar gemacht werden, womit der Benutzer seine Handbewegungen steuern kann, um vorher vereinbarte Tonfolgen (14) zu erzeugen, die anhand der Folgen von quantisierten Kapazitätswertbereichen programmtechnisch wiedererkannt und woraus ein Ausgangssignal oder mehrere verschiedene Ausgangssignale erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin langsame Änderungen der statische Grundkapazitäten (20) gemessen und mit vereinbarten Schwellwerten verglichen werden und das Ergebnis logisch mit festgelegten Ausgangssignalen verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die bei großen Eintauchtiefen (22) und dabei über ein festgelegtes Zeitmaß hinausgehende Verharrungszeiten bei konstant gehaltenen Tonhöhen gemessen und als Maß für Speicherwerte dienen, die als Vorgabegröße für Zeitdauer, Intensität oder Häufigkeit von Ausgangssignalen Verwendung finden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hörbarmachen der Tonfolgen annähernd zeitgleich zu den Handbewegungen des Benutzers erfolgt.
Vorrichtung zur Steuerung einer Sanitärarmatur mit einem kapazitiven, berührungslosen Eingabesystem aufweisend: • eine einzige Sensorfläche mit einem ausgebildeten Nahfeldbereich • eine Weitbereichssensorelektronik, • eine Speichereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Tonerzeugungseinrichtung vorhanden ist, und die Weitbereichssensorelektronik geeignet ist, Gesten des Nutzers der Sanitärarmatur als eine Reihenfolge von Kapazitätswerten zu erfassen, in elektronische Form umzuwandeln und i. mit in der Speichereinrichtung abgelegten Werten zu vergleichen, zu quantisieren und diesen zugeordnete Ausgangssignale zu erzeugen, die Funktionszustände der Sanitärarmatur bewirken, ii. aus den Kapazitätswerten hörbare Tonfolgen zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitbereichssensorelektronik weiterhin geeignet ist, langsam veränderliche kapazitive Messwerte in die Rechenalgorithmen einzubeziehen.