DE102018005248A1

DE102018005248A1 - Kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung

Info

Publication number: DE102018005248A1
Application number: DE102018005248.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Brüggemann; Matthias Seifert
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-06-30
Filing date: 2018-06-30
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-07-01
Also published as: EP3814880A1; US20210255754A1; CN112334868A; US11106313B1; WO2020002594A1; DE102018005248B4

Abstract

Beschrieben wird ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche, an der mindestens eine Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals der Sensorelektrode, welches durch die Position eines Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist, wobei eine erste und eine zweite Sensorelektrode die Sensorfläche umrandet, wobei die zweite Sensorelektrode von der ersten Sensorelektrode umgeben ist, wobei beide Elektroden mit Eingängen der Auswertevorrichtung verbunden sind, und wobei die Auswertevorrichtung Sensorsignale der ersten und der zweiten Sensorelektrode erfasst, und aus dem Verhältnis der Differenz und der Summe der erfassten Sensorsignale eine Verhältnisgröße ermittelt und diese mit einem Schwellenwert vergleicht.Die Verhältnisgröße ist weitgehend unabhängig von der Fingergröße. Eine Schwellenwertbedingung auf diese Verhältnisgröße erlaubt dadurch eine Berührungserkennung mit annähernd gleichen Ergebnissen für alle Fingergrößen.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche, an der mindestens eine Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals der Sensorelektrode, welches durch die Position eines Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist.
Kapazitive Sensorsysteme der hier genannten Art werden als berührungssensitive Bedienelemente auf Bedienoberflächen verwendet, wie beispielsweise bei Geräten der Unterhaltungselektronik oder auch im Armaturenbereich von Kraftfahrzeugen.
Bei gängigen Systemen zur Berührungserkennung mittels kapazitiver Sensorik im Einpol-Verfahren wird für jede einzelne Bedienfläche jeweils eine vorzugsweise vollflächige Sensorelektrode verwendet. Die laterale Abgrenzung der berührungsempfindlichen Flächen wird durch eine geometrische Anpassung der Sensorelektroden erreicht. Durchleuchtete Bereiche eines Sensors werden entweder ausgespart, oder durch transparente leitfähige Materialien realisiert. Für die Erkennung einer Berührung muss das Sensorsignal eine Signalschwelle überschreiten.
Diese Systeme funktionieren gut, solange die berührungsempfindlichen Sensorflächen kleiner oder ähnlich groß sind wie das Messobjekt, also etwa speziell wie ein bedienender Finger. Für eine Sensorfläche, die deutlich größer als ein Finger ist, fällt das Sensorsignal in der Ebene der Bedienfläche über den Rand der Sensorfläche hinaus nur langsam ab. In der Regel soll eine solche Sensorik für verschiedene Fingergrößen und unter Umständen auch mit Handschuhbedienung robust funktionieren. Eine für kleine Finger angepasste Schwellenwertbedingung kann dann für große Finger bereits zu einer unzutreffenden Berührungserkennung einige Zentimeter außerhalb der Bedienfläche führen.
Muss der innenliegende Bereich der Sensorfläche, beispielsweise für Beleuchtungselemente, ausgespart werden, fällt das Sensorsignal in diesem Bereich wieder ab und der Schwellenwert muss weiter herabgesetzt werden. Dies führt dazu, dass die Berührungserkennung in der Bedienebene noch weiter nach außen wandert. Ein solches Sensorsystem, bei dem der Sensor aus einer die eigentliche Bedienfläche umrandenden Leiterschleife besteht, funktioniert damit hinsichtlich der Zuordnung von Funktionen und Sensorflächen zumindest sehr ungenau, wenn nicht sogar fehlerhaft.
Es stellte sich die Aufgabe, ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung auf einfache und kostengünstige Weise so auszubilden, dass die Berührungserkennung eine möglichst geringe Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Messobjekts aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorsystems zur Berührungserkennung soll nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Zudem soll das zur Erfindung führende Problem anhand eines konventionellen Sensorsystems näher erläutert werden. Es zeigen die

1 eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Sensoranordnung,
2 Sensorsignalverläufe in Abhängigkeit von der lateralen Berührposition der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
3 eine schematisch dargestellte Auswertevorrichtung,
4 das Diagramm einer Verhältnisfunktion,
5 eine schematisch dargestellte Sensoranordnung nach dem Stand der Technik,
6 Sensorsignalverläufe der Sensoranordnung nach dem Stand der Technik.

Die 5 stellt schematisch eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik dar. Ein kapazitiver Berührschalter mit einem rechteckförmigen metallischen Rahmen als Sensorelement ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 10 2007 044 393 B3 bekannt. Die 6 zeigt qualitative Sensorsignalverläufe der in der 5 skizzierten Sensoranordnung. Anhand dieses Diagramms soll die zur Erfindung führende Problemstellung erläutert werden.
Die 5 zeigt skizzenhaft eine Sensorelektrode E in Form einer geschlossenen Leiterschleife, die den Randabschnitt einer rechteckförmigen Sensorfläche SF bildet. Parallel zu einer Seitenlinie der Sensorfläche SF ist eine Richtungskoordinate X darstellt, deren Ursprungspunkt 0 willkürlich in die Mitte des zugehörigen seitlichen Erstreckungsbereichs der Sensorfläche SF gelegt ist. Die Richtungskoordinate X steht dabei rein beispielhaft für eine der seitlichen Richtungen, in der das Messobjekts F relativ zur Sensorfläche SF positionierbar ist. Seitliche Positionierungen des Messobjekts F in einer anderen als die dargestellte X-Richtung ergeben dabei einen qualitativ ähnlichen Verlauf.
Da das kapazitive Sensorsystem speziell Berührungen erfasst, wird im Folgenden ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass das Messobjekt F ein menschlicher Finger sei.
Von der Sensorelektrode E abgegebene Sensorsignale S werden einer elektronischen Auswertevorrichtung AV zugeführt, welche das Signal S mit einer Signalschwelle S_Schwelle vergleicht. Beispielhaft dargestellt ist, dass die Auswertevorrichtung AV prüft, ob das Sensorsignal S gleich einem vorgegebenen Schwellenwert S_Schwelle ist. In der Auswertevorrichtung AV kann alternativ auch festgelegt sein, dass eine gültige Sensorbetätigung dann vorliegt, wenn der Wert des Sensorsignals S eine Signalschwelle S Schwelle entweder unterschreitet oder überschreitet.
Das Festlegen einer geeigneten Signalschwelle S Schwelle ist allerdings nicht unproblematisch. In der 6 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit des Sensorsignalverlaufs S(x) von der Position x eines Fingers F entlang der Richtungskoordinate X aufgetragen. Als relevanter Parameter, der das Sensorsignal S(x) mit beeinflusst, ist die Größe des die Sensorfläche SF berührenden Fingers F berücksichtigt. Daher sind die Sensorsignalverläufe S(x) in der 6 einmal für einen größeren Finger als Sensorsignalverlauf S(x)_L und einmal für einen kleineren Finger als Sensorsignalverlauf S(x)_S aufgetragen.
Die Sensorsignalverläufe S(x)_L, S(x)_S sind hier rein qualitativ dargestellt und auch die an der Abszisse angegebenen Zahlenangaben sind auf eine willkürliche Einheit bezogen. Hervorgehoben seien aber die Stelle x=0, die sich auf die in der 5 auf die Linie in der Mitte der Sensorfläche SF bezieht, sowie die schwarze Fläche der Graphik, die, seitlich ausgedehnt, die Lage des rechten Leiterabschnitts L der Sensorelektrode E in der 5 repräsentiert.
Die beiden Graphen der Sensorsignalverläufe S(x)_L und S(x)_S in der 6 zeigen, dass sowohl bei einer Verschiebung eines größeren wie auch eines kleineren Fingers F in der positiven X-Richtung von der Mitte zum Rand der Sensorfläche SF der Sensorsignalverlauf S(x) zunächst leicht ansteigt, um dann außerhalb der Sensorfläche SF, also jenseits des Leiterabschnitts L, wieder mehr oder weniger schnell abzufallen.
Durch diese Sensorsignalverläufe S(x)_L und S(x)_S kann es zu Uneindeutigkeiten hinsichtlich der jeweiligen Schwellenwertbedingung kommen. Es sei angenommen, dass die gestrichelte horizontale Linie in der 6 eine Signalschwelle S_Schwelle markiert. Dann ist durch die umrandet dargestellten Datenpunkte erkennbar, dass beim Sensorsignalverlauf S(x)_S für einen kleineren Finger die Signalschwelle S Schwelle an zwei Positionen x innerhalb und außerhalb der Sensorfläche SF erreicht wird, da dort identische Sensorsignalwerte von der Größe der Signalschwelle S_Schwelle vorkommen. Aus dem ermittelten Sensorsignal S ist somit nicht klar, ob sich der Finger F momentan etwa in der Mitte oder außerhalb der Sensorfläche SF befindet. Beim Sensorsignalverlauf S(x)_L für einen größeren Finger ergibt sich ein Sensorwert in Höhe der Signalschwelle S_Schwelle sogar in einem noch größeren Abstand seitlich neben der Sensorfläche SF.
Da es im Allgemeinen nicht bekannt ist, ob die Sensorfläche SF durch einen größeren oder einen kleineren Finger berührt wird, ergeben sich so Uneindeutigkeiten bei der Interpretation eines erfassten Sensorsignals S durch die Auswertevorrichtung AV. Dieses kann Bedienfehler verursachen, die unbedingt vermieden werden müssen.
Zur Lösung dieses Problems zeigt die 1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes kapazitives Sensorsystem. Dieses besteht aus zwei Sensorelektroden E1, E2, jeweils in Form von kreisförmigen oder mehreckigen geschlossenen Leiterschleifen, die in einer vorzugsweise zueinander parallelen Anordnung einander umgeben, ohne sich dabei zu berühren. Jede dieser hier beispielhaft rechteckig dargestellten Sensorelektroden E1, E2 liefert ein eigenes Sensorsignal S1, S2, welche beide den Eingängen einer Auswertevorrichtung AV zugeführt werden.
Für eine gegebene Sensoranordnung typische Verläufe S(x) dieser Sensorsignale S1, S2 in Abhängigkeit von der Fingerposition x in der in der 1 angegebenen X-Richtung sind, analog zur Darstellung der 6, in der 2 skizziert. Hierbei geben die gestrichelt gezeichneten Graphen die Sensorsignalverläufe S1(x)_S und S1(x)_L wieder, die sich durch die Signale S1 der äußeren Sensorelektrode E1 ergeben, während die durchgängig gezeichneten Graphen die Sensorsignalverläufe S2(x)_S und S2(x)_L für die Signale S2 der inneren Sensorelektrode E2 abbilden. Die Indizes _S und _L dienen wiederum zur Unterscheidung eines kleineren beziehungsweise eines größeren Fingers als jeweiliges Messobjekt F.
Der 2 zu entnehmen ist, dass unabhängig von der Größe des Fingers F, die Signalwertverläufe S2(x)_S, S2(x)_L der innere Sensorelektrode E2 stets größere Werte aufweisen als die Signalwertverläufe S1 (x)_S, S1 (x)_L der äußere Sensorelektrode E1, solange sich der Finger F innerhalb der von der inneren Sensorelektrode E2 umrandeten Sensorfläche SF befindet und umgekehrt die äußere Sensorelektrode E1 stets größere Signalwerte S1(x)_S und S1 (x)_L liefert, sobald sich der Finger F außerhalb des von der äußeren Sensorelektrode E1 umrandeten Bereichs befindet.
Die Sensorsignalverläufe S1(x)_S und S2(x)_S sowie auch S1(x)_L und S2(x)_L nehmen für einen Finger F gegebener Größe jeweils genau dann einen gleichgroßen Wert an, wenn sich dieser im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Sensorelektrode E1, E2 befindet, was an den Schnittpunkten der entsprechenden Graphen in der 2 erkennbar ist.
Die in der 2 dargestellten Sensorsignalverläufe S(x) sind für eine bestimmte konkrete Ausführung einer Sensoranordnung charakteristisch und können daher grundsätzlich von der in der 1 skizzenhaft dargestellten Auswertevorrichtung AV zum Vergleich mit einem Schwellenwert verwendet werden. Allerdings wären auch diese Vergleiche mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, da wie die 2 zeigt, unterschiedlich große Finger F zu quantitativ sehr unterschiedlichen Sensorsignalen S(x) führen.
Lediglich die Positionierung eines Fingers F genau im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Sensorelektrode E1, E2 ließe sich in jeden Fall genau identifizieren, da hier die Signale S1 und S2 der beiden Sensorelektroden E1, E2 unabhängig von der Größe des Fingers F jeweils genau gleich groß sind.
Eine wesentlich genauere Festlegung einer Schwellenwertbedingung wird dadurch erreicht, dass wie die 3 schematisch darstellt, die Auswertevorrichtung AV eine Verhältnisgröße V bildet, welche, bis auf gegebenenfalls vorhandene additive oder multiplikative Konstanten, gegeben ist durch: $V: = (S2 - S1) / (S1 + S2)$
Die Verhältnisgröße V ergibt sich somit aus der Differenz S2-S1 der Sensorsignale S1, S2 geteilt durch die Summe S1+S2 der Sensorsignale S1, S2 der beiden Sensorelektroden E1, E2.
Die Differenz beider Sensorsignale S2-S1 ist dabei eine Größe, welche eine Information über die Position eines Fingers F in der Ebene der Sensorfläche SF liefert. Die Summe der beiden Sensorsignale S1+S2 entspricht qualitativ etwa dem Signal einer einzelnen Sensorelektrode E1, E2 und skaliert mit der Fingergröße. Sie kann daher dazu verwendet werden, das Differenzsignal S2-S1 zu normieren.
Wie für die einzelnen Sensorsignale lässt sich auch für die Verhältnisgröße V eine Verhältnisfunktion V(x) für die Abhängigkeit der Verhältnisgröße V von der Fingerposition berechnen: $V (x) : = (S2 (x) - S1 (x)) / (S1 (x) + S2 (x))$
die wiederum typisch für eine gegebene Sensoranordnung ist.
In der 4 sind zwei Graphen V(x)_L, V(x)_S aufgetragen, die die Verhältnisfunktion V(x) einmal berechnet aus Sensordaten für einen größeren Finger und einmal berechnet aus Sensordaten für einen kleineren Finger darstellen. Ersichtlich ist, dass beide Verhältnisfunktionen V(x)_L, V(x)_S sowohl qualitativ als auch quantitativ einen recht ähnlichen Verlauf aufweisen.
Dabei ist es für die Auswertung vorteilhaft, dass die Verhältnisfunktionen V(x)_L, V(x)_S zum Ursprungspunkt 0, und damit zum Zentrum der Sensorfläche SF hin monoton abfallen und insbesondere im Bereich der Leiterabschnitte L1, L2 die größte Steigung aufweisen. Zudem haben die Funktionswerte der Verhältnisfunktionen V(x) hier beide einen Nulldurchgang. Mit Hilfe dieser Eigenschaften lassen sich Mehrdeutigkeiten, die ansonsten zu groben Fehlern bei der Berührungserkennung führen, gut vermeiden.
Die beiden in der 4 dargestellten Verhältnisfunktionen V(x)_L und V(x)_S zeigen, dass deren Funktionswerte für unterschiedlich große Finger F eine verhältnismäßig geringe Schwankungsbreite aufweist. Dadurch lässt sich für eine Berührungserkennung gut ein Schwellenwert V_Schwelle festlegen, der auch für unterschiedlich große Finger F geeignet ist.
So ist in der 4 durch eine horizontale gestrichelte Linie beispielhaft ein Schwellenwert V_Schwelle der Größe - 0,1 markiert. Erkennbar ist, dass bei einer durch die Auswertevorrichtung AV ermittelten Verhältnisgröße von V ≤ - 0,1 sowohl für eine Sensorbetätigung durch einen kleineren als auch durch einen größeren Finger sichergestellt ist, dass die Berührung innerhalb der Fläche SF des Sensorfelds erfolgte.
Das vorgeschlagene kapazitive Sensorsystem ermöglicht damit eine genaue Abgrenzung der Berührungserkennung innerhalb großer Bedienoberflächen, unabhängig von der Größe eines den Sensor berührenden Fingers. Zudem können durch eine positionsgenaue Auswertung die sensitiven Bereiche an die Geometrie der Bedienoberfläche angepasst werden. Die inneren Freiräume innerhalb der doppelringförmigen Elektrodenanordnung können dabei für zusätzliche Zwecke, beispielsweise zur Platzierung von Leuchtelementen, genutzt werden.
Bezugszeichenliste

AV: Auswertevorrichtung
E, E1, E2: Sensorelektroden (Leiterschleifen)
F: Messobjekt (Finger)
L, L1, L2: Leiterabschnitte
S, S1, S2: Sensorsignale
S(x), S1(x), S2(x): Sensorsignalverläufe (allgemein)
S(x)_L, S1(x)_L, S2(x)_L: Sensorsignalverläufe (für größeren Finger)
S(x)_S, S1(x)_S, S2(x)_S: Sensorsignalverläufe (für kleineren Finger)
S2-S1: Differenz
S1+S2: Summe
SF: Sensorfläche
S_Schwelle: Schwellenwert, Signalschwelle
V: Verhältnisgröße
V(x), V(x)_L, V(x)_S: Verhältnisfunktion
V_Schwelle: Schwellenwert
X: Richtungskoordinate
x: (Finger-)Position
0: Ursprungspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007044393 B3 [0009]

Claims

Kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche (SF), an der mindestens eine Sensorelektrode (E, E1, E2) angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung (AV) zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals (S) der Sensorelektrode (E, E1, E2), welches durch die Position (x) eines Messobjekts (F) in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche (SF) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Sensorelektrode (E1, E2) die Sensorfläche (SF) umrandet, wobei die zweite Sensorelektrode (E2) von der ersten Sensorelektrode (E1) umgeben ist, dass beide Elektroden (E1, E2) mit Eingängen der Auswertevorrichtung (AV) verbunden sind, und dass die Auswertevorrichtung (AV) Sensorsignale (S1, S2) der ersten und der zweiten Sensorelektrode (E1, E2) erfasst, und aus dem Verhältnis der Differenz (S2-S1) und der Summe (S1+S2) der erfassten Sensorsignale (S1, S2) eine Verhältnisgröße (V) ermittelt und diese mit einem Schwellenwert (V_Schwelle) vergleicht.
Kapazitives Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorelektrode (E1) und die zweite Sensorelektrode (E2) zueinander parallele Leiterabschnitte (L1, L2) aufweisen.
Kapazitives Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte (L1, L2) der ersten und die zweiten Sensorelektrode (E1, E2) jeweils eine kreisförmige oder mehreckige Anordnung ausbilden.