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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Annäherung eines Gegenstandes an ein Sensorelement, welches Teil einer Sensoreinrichtung ist, die ein Sensorausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude sich bei einer Änderung des Abstands des Gegenstandes von dem Sensorelement ändert, wobei die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist.
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Verfahren der hier angesprochenen Art werden verwendet, um Berührungs- bzw. Annäherungssensoren auszuwerten. Ein solcher Sensor kann die Gegenwart und bei entsprechender Ausgestaltung auch den Ort einer Berührung oder der Annäherung durch ein Objekt, wie zum Beispiel einen Finger des Benutzers oder einen Stift, innerhalb eines empfindlichen Bereichs detektieren. Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei beispielsweise einen Anzeigebildschirm überlagern. In einer Anzeigeanwendung kann es der Berührungs- bzw. Annäherungssensor dem Benutzer ermöglichen, direkt mit dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird, zu interagieren, und nicht nur indirekt mittels einer Maus oder einem ähnlichen Eingabegerät.
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Es gibt eine Anzahl verschiedener Arten von Annäherungssensoren, wie zum Beispiel optische Annäherungssensoren, Annäherungssensoren mit akustischen Oberflächenwellen und kapazitive Annäherungssensoren.
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Wenn ein Objekt beispielsweise die Oberfläche eines kapazitiven Berührungssensors berührt oder in dessen Nähe kommt, tritt eine Änderung des Kapazitätswertes des Sensorelements auf. Aufgabe einer zugeordneten Sensoreinrichtung bzw. des durch diese verwendeten Messverfahrens ist es, diese Kapazitätsänderung zu verarbeiten, um die diese auslösende Berührung oder Annäherung zu erfassen. Die besondere Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass die Kapazitätswerte der Sensorelemente und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind. Aus diesem Grunde bedient man sich zu ihrer Messung gerne sogenannter Integrationsverfahren, bei denen in mehreren aufeinander folgenden Zyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement, dessen Kapazitätswert relativ klein und veränderlich ist, auf einen Integrationskondensator mit einem bekannten festen und deutlich größeren Kapazitätswert übertragen werden.
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Die Tatsache, dass die Kapazitätswerte der Sensorelemente und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind, hat zur Folge, dass die Messung sehr störanfällig ist. Da sich die Amplitude des Sensorausgangssignals bei kapazitiven Sensoren, wie z.B. aber auch bei Hallsensoren, bei einer Änderung des Abstands des zu erfassenden Gegenstandes von dem Sensorelement in der Weise ändert, dass die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist, werden nur in einem vergleichsweise kleinen Nahbereich relevante Amplitudenänderungen produziert.
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So ist insbesondere durch die Einstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Störsignale eine fehlerhafte Erkennung einer vermeintlichen Annäherung an Sensorelement oder eine Berührung des Sensorelements möglich, obwohl eine solche nicht stattgefunden hat.
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Störungen dieser Art äußern sich allgemein in Form eines Rauschsignals, welches dem eigentlichen vergleichsweise niederfrequenten Nutzsignal überlagert ist. Die hier betrachteten Störungen durch die Einstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Störsignale werden daher im Folgenden als Rauschen oder Rauschsignal angesprochen.
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Ein grundlegendes Verfahren zur Unterdrückung von elektromagnetischen Interferenzen ist die Tief- oder Bandpassfilterung eines Eingangssignals. Das Filter ist idealerweise nur für die relevanten Spektralbereiche durchlässig, während die übrigen Signalanteile unterdrückt bzw. „gedrosselt“ werden. In der Praxis werden dazu meist Schaltungen mit Ferriten und/oder Kondensatoren verwendet. Der Schaltungsaufwand ist von der gewünschten Entstörgüte und Trennschärfe abhängig.
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Die Unterdrückung von hochfrequenten Störungen durch Tiefpassfilterung des Eingangssignals setzt ein zumindest nahezu vollständig trennbares Nutz- und Störspektrum voraus. Bei der technischen Realisierung kommt erschwerend hinzu, dass Filter mit hoher Flankensteilheit und somit hoher Trennschärfe - egal, ob analog oder digital - einen hohen Aufwand bedeuten. Einfache und somit kostengünstige Filter verfügen meist über eine geringe Flankensteilheit und weisen somit einen vergleichsweise großen Spektralbereich mit geringer Dämpfung auf. Typischerweise folgt daraus eine partielle Dämpfung des Nutz- und Rauschsignals im Übergangsbereich. Es können somit zum einen die höherfrequenten Spektralanteile des Nutzsignals gedämpft werden, so dass eine Beeinträchtigung schneller, gewünschter Funktionsauslösungen stattfinden kann. Zum anderen können niederfrequentere Anteile des Rauschens nur unzulänglich gedämpft werden. Eine statische Tief- oder Bandpassfilterung des Eingangssignals ist daher nicht zielführend.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber den zuvor beschriebenen den Vorteil, insbesondere die geringen Amplitudenänderungen der Sensorausgangssignale bei einer Annäherung an das Sensorelement bei einem weiter entfernten Gegenstand trotz erheblicher Störungen insbesondere durch elektromagnetische Einstrahlung deutlich auflösen zu können.
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Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass aus dem Sensorausgangssignal ein Rauschmaß, das den Anteil des Rauschens an diesem Signal angibt, ermittelt wird, dass das Sensorausgangssignal mittels eines ersten Filters mit Hochpasseigenschaft und eines zweiten Filters mit Tiefpasseigenschaft gefiltert wird, wobei die Reihenfolge der Anwendung der ersten und zweiten Filter beliebig ist, dass das erste Filter eine niedrige Grenzfrequenz hat, dass die Grenzfrequenz des zweiten Filters variabel ist und nach Maßgabe der momentanen Größe des Rauschmaßes angepasst wird, und dass das Ausgangssignal der Filterung durch beide Filter zur Erkennung einer Annäherung an das Sensorelement ausgewertet wird.
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Die Erkennung einer Annäherung an das Sensorelement erfolgt vorteilhaft zum Beispiel dadurch, dass das Ausgangssignal der Filterung durch beide Filter mit Schwellwerten zur Erkennung der Unter- oder Überschreitung festgelegter Abstände zu dem Sensorelement verglichen wird.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass das zugrundeliegende Annäherungssignal einen anderen Spektralbereich umfasst als das überlagernde Rauschen. Es ist daher ohne wesentlichen Informationsverlust möglich, das Sensorausgangssignal zu filtern, und zwar mittels eines adaptiven Bandpasses, wobei aufgrund der Eigenschaft des Systems ein linear zeitinvariantes System zu sein, eine getrennte Betrachtung des Hoch- und Tiefpassanteils des Bandpasses möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einem kapazitiven Sensorelement wird in der Sensoreinrichtung ein Kapazitätswert des Sensorelements mittels eines fortlaufend angewendeten Integrationsverfahrens gemessen, bei dem jeweils eine an einem Integrationskondensator mit einem bekannten Kapazitätswert anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen und dessen Ausgangssignal zu dem Sensorausgangssignal verarbeitet wird.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
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Dabei zeigt die einzige Figur das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsform der Erfindung mit einem kapazitiven Sensorelement als Ablaufdiagramm.
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Zunächst wird in einer Sensoreinrichtung 1 ein Sensorausgangssignal 1.1 eines berührungs- bzw. annäherungsempfindlichen kapazitiven Sensorelements mittels eines kapazitiven Messverfahrens erfasst. Dabei wird in der Sensoreinrichtung 1 ein Kapazitätswert des Sensorelements mittels eines fortlaufend angewendeten Integrationsverfahrens gemessen, bei dem jeweils eine an einem Integrationskondensator mit einem bekannten Kapazitätswert anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen und dessen Ausgangssignal zu dem Sensorausgangssignal 1.1 verarbeitet wird.
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Aus diesem Sensorausgangssignal 1.1 wird dann ein Rauschmaß 2.1 ermittelt, das den Anteil des Rauschens an diesem Signal angibt. Dies erfolgt in der hier vorliegenden Umsetzung, bei der das Sensorausgangssignal 1.1 diskontinuierlich, d.h. in einzelnen Werten mit einer vorgegebenen zeitlichen Abtastrate erfasst wird, indem in einem Verfahrensschritt 2 jeweils der Absolutbetrag der Differenz zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgend erfassten Werten des Sensorausgangssignals 1.1 bestimmt, und dieser Differenzbetrag über einen bestimmten Zeitraum gemittelt wird. Diese zeitliche Mittelung kann z. B. dadurch erfolgen, dass der genannte Differenzbetrag einem Filter mit Tiefpasseigenschaft zugeführt wird, dessen Ausgangssignal das gesuchte Rauschmaß 2.1 bildet. Je größer der Anteil des Rauschens an dem Sensorausgangssignal 1.1 ist, desto größer ist in der Regel der Absolutbetrag der Differenz zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgend erfassten Werten, so dass Ausgangssignal des Filters mit Tiefpasseigenschaft tatsächlich die das gesuchte Rauschmaß 2.1 charakterisierende Eigenschaft besitzt. Da dieses Rauschmaß aber auch bei einer schnellen Annäherung eines Objektes (z.B. eines Fingers) im Nahbereich des Sensors bedingt durch die höheren Spektralanteile eine ungewollte Amplitude erzeugt, ist es erforderlich diese entsprechend zu kompensieren. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass das gefilterte Ausgangssignal 5.1 eines vorherigen Messzyklus mit einem Grenzwert verglichen wird, der so gewählt ist, dass dieser oberhalb des Einflusses des gefilterten Rauschens auf das Ausgangssignal 5.1 liegt, und dass bei Überschreitung des Grenzwerts durch das Ausgangssignal 5.1 das Rauschmaß 2.1 des aktuellen Messzyklus temporär mit einem Abklingfaktor im Intervall zwischen 0 und 1 multipliziert wird und somit eine durch das Objekt im Nahbereich erzeugte Amplitude des Rauschmaßes reduziert wird.
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Das Sensorausgangssignal 1.1 wird dann zunächst einem ersten Filter 4 mit Hochpasseigenschaft und mit einer festgelegten, sehr niedrigen Grenzfrequenz zugeführt. Das erste Filter 4 stellt dabei zunächst sicher, dass das Sensorausgangssignal 1.1 im Ruhezustand mittelwertfrei ist, dass also Temperaturdrifts, Verschmutzungen und andere annähernd statische Einflüsse kompensiert werden, und somit später absolute Grenzwerte verwendet werden können. Es dabei muss sichergestellt sein, dass das erste Filter 2 den Hub des Sensorausgangssignals 1.1 bei einem sich annähernden Objekt nicht oder nur in minimalem Maße kompensiert. Zu diesem Zwecke kann die Grenzfrequenz bei Erkennung einer Annäherung temporär auf 0 Hertz gesetzt werden, was einer temporären Deaktivierung der Hochpasseigenschaft des ersten Filters 4 entspricht. Temperaturdrifts müssen über mehrere Dekaden im Bereich von einigen Mikrohertz bis hin zu wenigen hundert Millihertz kompensiert werden. Andere (quasi) statische Einflüsse wie aufgebrachte Verschmutzungen werden damit einhergehend ebenfalls weggefiltert. Die gewöhnliche Betätigungsrate eines Schalters oder Tasters durch einen Menschen umfasst knapp zwei Dekaden im Bereich von etwa 0,3 Hertz bis 20 Hertz. Hierbei muss sichergestellt werden, dass langsame Betätigungen nicht durch das erste Filter 4 kompensiert werden. Als Grenzfrequenz für das erste Filter 4 wird ein Bereich zwischen 1 Millihertz und einigen hundert Millihertz, insbesondere ein Bereich zwischen etwa 10 bis 50 Millihertz verwendet.
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Ein zweites Filter 5 mit Tiefpasseigenschaft filtert dann das Rauschen aus dem bereits durch das erste Filter 4 hochpassgefilterten Sensorausgangssignal 1.1. Im Gegensatz zu dem ersten Filter 4 mit Hochpasseigenschaft wird bei diesem zweiten Filter 5 die Grenzfrequenz nicht statisch gewählt, sondern ständig an die Stärke des momentan auf diesem Signal vorhandenen Rauschens angepasst.
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Die momentan anzuwendende Grenzfrequenz 3.1 des zweiten Filters 5 wird dazu in einem Verfahrensschritt 3 nach Maßgabe der momentanen Größe des in der zuvor beschriebenen Weise ermittelten Rauschmaßes 2.1 bestimmt. Die Grenzfrequenz 3.1 steht dabei in reziproker Relation zur Stärke des Rauschens, das heißt, die Grenzfrequenz 3.1 ist umgekehrt proportional zu dem aktuellen Rauschmaß 2.1. Je „stärker“ also das Rauschen, desto tiefer wird die Grenzfrequenz 3.1 für dieses zweite Filter 5 gesetzt, so dass bei starkem Rauschen trotz möglicherweise geringer Flankensteilheit des Filters 5 dieses stark Tiefpass gefiltert und somit das Ausgangssignal 5.1 weitgehend vom Rauschsignal befreit wird, Betätigungen aber weiterhin, wenn auch nur im niederfrequenten Bereich, erkannt werden können.
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Das Ausgangssignal 5.1 der Filterung durch beide Filter 4, 5 wird in einem anschließenden Verfahrensschritt 6 zur Erkennung einer Annäherung an das Sensorelement 1 ausgewertet, indem z.B. das Ausgangssignal 5.1 mit einem Schwellwert verglichen wird. Ein solcher Schwellwert kann dabei in Abhängigkeit eines zu erkennenden Abstandes bzw. einer Berührung gewählt und zusätzlich mit einem Hysteresefenster versehen werden.
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Nach Ausführung dieses Verfahrensschritts 6 startet der Vorgang erneut mit der nächsten Messung.
