DE102020110172A1

DE102020110172A1 - Verfahren zur kapazitiven Berühr- und Betätigungsdetektion

Info

Publication number: DE102020110172A1
Application number: DE102020110172.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Schmitt; Matthias Johannes
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-14
Also published as: WO2021209182A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener (B) mittels einer kapazitiven Berührsensorik (1) mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer kapazitiven Berührsensorik (1), aufweisend einen kapazitiven Sensor (2), der eine dem Bediener (B) zugewandte Berührfläche (7) und eine Messkapazität definiert und eine auf der dem Bediener (B) abgewandten Seite des kapazitiven Sensors (2) angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor (2) elektrisch isolierte Gegenelektrode (3), sowie eine Auswertelektronik (5) mit einer Referenzkapazität (CR), wobei die Auswerteelektronik (5) den kapazitiven Sensor (2) und die Gegenelektrode (3) selektiv elektrisch kontaktiert; wobei bei einer Betätigung der Berührfläche (7) wischen dem kapazitiven Sensor (2) und der Gegenelektrode (3) eine Annäherung bewirkt wird; erstes Laden der Referenzkapazität (CR) auf ein erstes Ladepotenzial (Vcc); erstes Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem ersten Beeinflussungspotenzial (ζ1); Durchführen eines ersten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR); erstes Bestimmen der sich einstellenden an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (CR) anliegenden ersten Messspannung (U0(tA); UF(tA)) durch die Auswertelektronik (5); zweites Laden der Referenzkapazität (CR) auf ein zweites, sich vom ersten Ladepotenzial (Vcc) unterscheidendes Ladepotenzial (GND); zweites Beaufschlagen der Gegenelektrode (3) mit einem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ2); Durchführen eines zweiten, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ2) beaufschlagt wird; dem ersten Ladungsausgleich nachfolgendes Durchführen eines dritten, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem ersten Beeinflussungspotenzial (ζ1) beaufschlagt wird; Bestimmen der sich einstellenden zweiten, an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (CR) anliegenden Messspannung (U0(tB); UF(tB)) durch die Auswertelektronik; Auswerten unter Durchführung einer mathematischen Operation mit erster Messspannung (U0(tA); UF(tA)) und zweiter Messspannung (U0(tB); UF(tB)), um einen Detektionswert zu erhalten, der nachfolgend verwendet wird, entweder ein Berührereignis zu triggern oder kein Berührereignis zu triggern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der kapazitiven Berührdetektion und insbesondere auf das Gebiet der Kombination aus kapazitiver Berührdetektion und kapazitive Betätigungsdetektion. Als ideale Betätigung einer Berührfläche wird das mit der Aufbringung einer Betätigungskraft einhergehende Einwirken eines Eingabeorgans, wie eines Fingers eines Bedieners, auf die Berührfläche verstanden, während als ideale Berührung ein betätigungskraftloses an die Berührfläche angrenzendes Anordnen des Eingabeorgans verstanden wird. In der Praxis und im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Einwirkung auf die Berührfläche dann als Berührung verstanden, wenn die dabei aufgebrachte Betätigungskraft einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, während eine Einwirkung auf die Berührfläche dann als Betätigung verstanden wird, wenn die dabei aufgebrachte Betätigungskraft einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen überschreitet.
Bei der kombinierten Detektion von Berührung und Betätigung, beispielsweise durch einen kapazitiven Berührsensor einerseits und einen kapazitiven Kraftsensor andererseits, besteht das Problem der wechselseitigen Beeinflussung, was darauf zurückzuführen ist, dass der in der Regel zur Berührfläche benachbart angeordnete Berührsensoren seine Lage zu den Elektroden der kapazitiven Betätigungssensorik, wie dem kapazitiven Kraftsensor ändert. Dies führt zu sogenannten parasitären Kapazitäten, sogenannten Streukapazitäten, die zu ungewollten Berührdetektionen führen können. Dieses Problem tritt jedoch nicht nur wie zuvor beschrieben bei benachbart zu dem kapazitiven Berührsensor angeordnetem kapazitivem Kraftsensor auf, sondern auch dann, wenn der Berührsensor sich relativ zu irgendwelcher und im Einfluss dieser Gegenelektrode bewegt. So ist es denkbar, dass ein metallisches Gehäuse oder Abschirmblech einen parasitären kapazitiven Effekt auf einen kapazitiven Berührsensor haben kann und die Berührdetektion durch Bewegung des Berührsensors relativ zu dieser Art von Gegenelektrode beeinträchtigt wird. Aus der US 8,836,350 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Berührkapazität mit Hilfe einer vorbekannten Referenzkapazität bekannt, bei dem mittels Spannungsmessungen jeweils nach einem vorgenommenen Ladungsausgleich von der Referenzkapazität zur Messkapazität und umgekehrt die Berührkapazität bestimmt wird.
Es hat sich gezeigt, dass mittels eines geschickten kapazitiven Detektionsverfahrens die Beeinträchtigung der kapazitiven Berührdetektion durch parasitäre kapazitive Effekte, welche durch Relativbewegungen hervorgerufen werden, minimiert werden kann und somit insgesamt auch die Zuverlässigkeit der Berührdetektion gesteigert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine vorteilhafte Berührsensorik ist Gegenstand des Anspruchs 12. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener mittels einer kapazitiven Berührsensorik. Das Verfahren sieht die Bereitstellung der kapazitiven Berührsensorik vor. Die Berührsensorik weist mindestens einen kapazitiven Sensor auf, der eine dem Bediener zugewandte Berührfläche und eine Messkapazität, beispielsweise zwischen einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode, definiert. Das der Messkapazität zugeordnete kapazitive Messfeld durchsetzt beispielsweise die Berührfläche. Erfindungsgemäß wird ferner eine Gegenelektrode bereitgestellt, die auf der dem Bediener abgewandten Seite des kapazitiven Sensors angeordnet ist und gegenüber dem kapazitiven Sensor elektrisch isoliert ist. Der Begriff Gegenelektrode ist weit auszulegen. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass bei einer Betätigung der Berührfläche eine Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Gegenelektrode bewirkt wird, weil beispielsweise der kapazitive Sensor entgegen einer Rückstellkraft aus einer nicht betätigten Ruhestellung elastisch gegenüber der Gegenelektrode verlagerbar angeordnet ist und bei Einwirken einer Betätigungskraft auf die Berührfläche eben dieser Verlagerung erfährt. Diese Verlagerung kann sich durch Relativbewegung bewegliche gelagerter Komponenten und/oder Verformung ergeben. Als Betätigung wird eine mit einer Krafteinwirkung auf die Betätigungsfläche, also mit Betätigungskrafteinwirkung, einhergehende zumindest bereichsweise, d.h. mindestens im Berührort bewirkte Verlagerung der Berührfläche verstanden. Beispielsweise ist der kapazitive Sensor in einen die Gegenelektrode überspannenden, elastisch nachgebenden Folienschichtaufbau integriert. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zur kapazitiven Berührsensorik gehörige Auswertelektronik mit einer Referenzkapazität, beispielsweise eine einen Referenzkondensator mit vorgegebener Referenzkapazität beinhaltende, integrierte Schaltung, bereitgestellt. Beispielsweise beinhaltet die Auswertelektronik einen Analog-zu-Digital-Wandler zur Bereitstellung eines oder mehrerer Messwerte, wie der nachfolgend erwähnten ersten und zweiten Messspannung. Erfindungsgemäß ist die Auswerteelektronik ausgebildet den kapazitiven Sensor und die Gegenelektrode selektiv elektrisch zu kontaktieren, beispielsweise um den kapazitiven Sensor mit dem elektrischen Referenzkondensator möglichst verlustfrei elektrisch leitend zu verschalten, um einen Ladungsausgleich zwischen beiden zu bewirken. Erfindungsgemäß weist das Verfahren einen ersten Ladeschritt auf, um die Referenzkapazität, d.h. den Referenzkondensator mit vorgegebener Kapazität, der Auswertelektronik auf ein erstes Ladepotenzial, beispielsweise das vorgegebene Versorgungspotenzial der Auswertelektronik, zu laden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ferner die Messkapazität auf ein vorgegebenes Potenzial, beispielsweise ein sich vom ersten Ladepotenzial unterscheidendes, zweites Ladepotenzial, beispielsweise auf Erdpotenzial (GND) gebracht wird. Beispielsweise wird die Messkapazität durch die Auswertelektronik auf Erdpotenzial (GND) kurzgeschlossen. Nachfolgend oder bevorzugt zumindest gleichzeitig mit der Potenzialbeaufschlagung der Messkapazität mit dem zweiten Ladepotenzial, sofern vorgesehen, erfolgt ein erstes Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem ersten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise Erdpotenzial (GND). In einem nachfolgenden Schritt wird ein erster Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität durch elektrisch leitende (möglichst verlustfreie) Verbindung von Messkapazität und Referenzkapazität bewirkt und die sich mit dem Ladungsausgleich einstellende an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität anliegende erste Messspannung in einem ersten Bestimmungsschritt bestimmt. Es ist dem Fachmann klar, dass es sich hier bei dem Ladungsausgleich um eine asymptotische Annäherung an einen Gleichgewichtszustand handelt und der Zeitpunkt der Messung entsprechend nach ausreichender Annäherung gegebenenfalls vorverlegt zu wählen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen zweiten Ladeschritt mit einem Laden der Referenzkapazität auf ein zweites, sich vom ersten Ladepotenzial unterscheidendes Ladepotenzial, bevorzugt Erdpotenzial (GND), auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ferner die Messkapazität auf ein vorgegebenes, zweites Potenzial, beispielsweise das erste Ladepotenzial gebracht wird. Nachfolgend oder bevorzugt zumindest gleichzeitig mit der Potenzialbeaufschlagung der Messkapazität mit dem ersten Ladepotenzial, sofern vorgesehen, erfolgt ein zweites Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem zweiten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise dem vorgegebenen Versorgungspotenzial der Auswertelektronik. Erfindungsgemäß wird ein zweiter, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteter Ladungsausgleich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität durchgeführt, wobei während dem zweiten Ladungsausgleich die Gegenelektrode mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial beaufschlagt wird. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein dritter, ebenfalls dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteter Ladungsausgleich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität, wobei während diesem dritten Ladungsausgleich die Gegenelektrode mit dem ersten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise dem Erdpotenzial (GND), beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem zweiten Messschritt eine sich nach dem dritten Ladungsausgleich einstellende zweite, an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität anliegende Messspannung bestimmt wird. Auch hier ist klar, dass es sich hier bei dem dritten Ladungsausgleich um eine asymptotische Annäherung an einen Gleichgewichtszustand handelt und der Zeitpunkt der Messung entsprechend nach ausreichender Annäherung gegebenenfalls vorverlegt zu wählen ist.
Nachfolgend wird durch die Auswertelektronik mindestens eine mathematische Operation mit erster Messspannung und zweiter Messspannung durchgeführt, bevorzugt eine Differenz aus erster und zweiter Messpannung gebildet, um einen Detektionswert zu erhalten. Der Detektionswert wird nachfolgend durch die Auswertelektronik ausgewertet, beispielsweise mit einem vorgegebenen Wert verglichen, um entweder ein Berührereignis zu triggern oder kein Berührereignis zu triggern. Beispielsweise wird bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes ein Berührereignis triggert. Der Begriff Berührereignis ist weit auszulegen und kann das Erzeugen eines aktiven haptischen Feedbacks beinhalten oder eine Schalt- oder Steuerfunktion einer zusätzlichen Steuereinrichtung sein oder eine visuelle oder akustische Ausgabe beinhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Beeinflussung der Messkapazität durch eine Lageänderung des kapazitiven Sensors relativ zur Gegenelektrode dadurch kompensiert werden kann, dass die in einer vorgegebenen Richtung erfolgenden Ladungsausgleiche unter unterschiedlicher Beeinflussung der Gegenelektrode erfolgen und die resultierende, hier die zweite Messspannung, gemessen wird. Dazu ist es erfindungsgemäß unerheblich, ob der erste Ladeschritt und die nachfolgenden Schritte bis zum ersten Bestimmungsschritt, wie die zahlenmäßige Angabe vorzugeben scheint, dem zweiten Ladeschritt samt den nachfolgenden Schritten bis zum zweiten Bestimmungsschritt zeitlich nachgeschaltet erfolgt oder ob die umgekehrte Reihenfolge eingehalten wird. Anders ausgedrückt als erfindungsgemäßes Verfahren wird auch ein solches Verfahren angesehen, bei dem die erste Messspannung und zugehörige vorgeschaltete erste Schritte nach der zweiten Messpannung ermittelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die im Bereitstellungsschritt bereitgestellte Gegenelektrode eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche. Beispielsweise weist die Kraftsensorik einen kapazitiven Kraftsensor aus, der mittels der Gegenelektrode und einer der Elektroden des kapazitiven Sensors bei entsprechender Ansteuerung durch die Ansteuerelektronik ein zugehöriges kapazitives Messfeld zwischen der Gegenelektrode und der Elektrode des kapazitiven Sensors ausbildet und eine zugehörige vom Abstand zwischen kapazitivem Sensor und Gegenelektrode abhängige Kraftmesskapazität definiert. Wird beispielsweise eine über ein vorgegebenes Annäherungsmaß hinausgehende stärkere Annäherung zwischen beiden aufgrund der gemessenen Kraftmesskapazität detektiert, so wird durch die Auswertelektronik ein aktives haptisches Feedback, eine optische oder akustische Ausgabe und/oder eine Schalt- oder Steuerfunktion getriggert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren vorgesehen und die Gegenelektrode erstreckt sich beabstandet zu dem Array aus kapazitiven Sensoren. Das Array erfährt beispielsweise durch elastisch rückstellende Verlagerung oder elastische Verformung eine bereichsweise oder eine über das gesamte Array gleichmäßige Annäherung an die Gegenelektrode, sofern eine Betätigungskraft auf die Berührfläche einwirkt. Beispielsweise sind die kapazitiven Sensoren in einen Folienschichtaufbau aus mindestens einer elastischen Folie integriert, wobei der Folienschichtaufbau die Gegenelektrode überspannt. Die Elektroden der im Array angeordneten kapazitivem Sensoren sind beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene oder auf zwei oder mehr parallelen Ebenen angeordnet. Dieses im Array angeordneten kapazitiven Sensoren bilden beispielsweise zwei Gruppen von Arrayelektroden aus. Diese Arrayelektroden sind beispielsweise gruppenweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wodurch pro Gruppe eine Gruppenausrichtung vorgegeben ist. Die Arrayelektroden sind gruppenweise, d.h. bezüglich ihrer Gruppenzugehörigkeit alternierend angeordnet. Bei senkrechter gedachter Projektion auf eine gemeinsame Ebene durchkreuzen sie sich untereinander, beispielsweise orthogonal, wobei sie aber eigentlich elektrisch isoliert zueinander angeordnet sind. Dadurch wird insgesamt betrachtet in einem bezogen auf die gesamte Berührfläche flächenmäßig größten eine regelmäßige „Gitterstruktur“ unter Ausbildung jeweils eines sogenannten Knotenpunktes an den Orten der Kreuzung ausgebildet. Der kleinste Abstand nächstbenachbarter Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung definierten Richtungen beschreibt die kleinste Periodizität der Gitterstruktur. Üblicherweise ist der kleinste Abstand der Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung vorgegebenen Richtungen übereinstimmend.
Die Bezeichnung Elektrode soll die Ausbildung der betreffenden Arrayelektrode aus leitfähigem Material, beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung implizieren. Beispielweise weisen die kapazitiven Sensoren einen projiziertkapazitiven Aufbau, insbesondere einen mutual-capacitance Aufbau auf. Bei dem mutual-capacitance Aufbau werden Messkapazitäten, wie zuvor beschrieben an den Knotenpunkten jeweils zwischen zwei elektrisch isolierten, sich kreuzenden Arrayelektroden der kapazitiven Sensoren erzeugt. Die Knotenpunkte sind bei handelsüblichen Touchpads oder Touchscreens in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass beim ersten Laden der Referenzkapazität auf das erste Ladepotenzial, die Messkapazität auf das zweite Ladepotenzial gebracht wird und beim zweiten Laden der Referenzkapazität auf das zweite Ladepotenzial die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial gebracht wird. Dadurch wird ein vorgegebener Lade- bzw. Potenzialzustand auf der Messkapazität vor dem Ladeausgleich erreicht und die Zuverlässigkeit der Berührdetektion gesteigert.
Gemäß einer bevorzugten Variante erfolgt das Beaufschlagen der Gegenelektrode mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial, während die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial gebracht wird. Dadurch erfolgt vorteilhaft die Beladung der Messkapazität unter Beeinflussung durch die Gegenelektrode.
Bevorzugt wird das Verfahren zyklisch, beispielsweise unter periodisch fortlaufender Abfolge der beschriebenen Schritte, durchgeführt, wobei nach dem jeweiligen Auswertschritt je nach Ergebnis der Auswertung entweder das Berührereignis getriggert oder nicht getriggert wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Beeinflussungspotenzial betragsmäßig geringer als das zweite Beeinflussungspotenzial. Bevorzugt ist das erste Beeinflussungspotenzial Erdpotenzial (GND). Um den Aufbau zu vereinfachen entspricht das zweite Beeinflussungspotenzial dem ersten Ladepotenzial.
Bevorzugt entspricht die erste Dauer des zweiten Ladeausgleichs, auch erste Ladeausgleichsdauer genannt, der zweiten Dauer des dritten Ladeausgleichs, auch zweite Ladeausgleichsdauer genannt.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Verfahrens in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
Die Erfindung betrifft ferner eine kapazitive Berührsensorik zur Detektion einer Berührung durch einen Bediener. Die kapazitive Berührsensorik weist wenigstens einen kapazitiven Sensor auf, der eine dem Bediener zugewandte Berührfläche und eine Messkapazität definiert. Ferner umfasst die kapazitive Berührsensorik eine auf der dem Bediener abgewandten Seite des kapazitiven Sensors angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor elektrisch isolierte Gegenelektrode. Der kapazitive Sensor ist gegenüber der Gegenelektrode derart gelagert oder derart ausgebildet, dass bei Betätigung der Berührfläche, also bei Einwirken einer Betätigungskraft auf diese, wischen dem kapazitiven Sensor und der Gegenelektrode zumindest bereichsweise eine Annäherung bewirkt wird. Die kapazitive Berührsensorik weist ferner eine Auswertelektronik auf, die eine Referenzkapazität beinhaltet. Die Auswertelektronik ist in der Lage, den kapazitiven Sensor und die Gegenelektrode selektiv elektrisch zu kontaktieren. Erfindungsgemäß ist die Berührsensorik ausgebildet, das Verfahren in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Berührsensorik ist die Gegenelektrode eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche. Beispielsweise weist die Kraftsensorik einen kapazitiven Kraftsensor aus, der mittels der Gegenelektrode und einer der Elektroden des kapazitiven Sensors bei entsprechender Ansteuerung durch die Ansteuerelektronik ein zugehöriges kapazitives Messfeld zwischen der Gegenelektrode und der Elektrode des kapazitiven Sensors ausbildet und eine zugehörige vom Abstand zwischen kapazitivem Sensor und Gegenelektrode abhängige Kraftmesskapazität definiert. Wird beispielsweise eine über ein vorgegebenes Annäherungsmaß hinausgehende stärkere Annäherung zwischen beiden aufgrund der gemessenen Kraftmesskapazität detektiert, so wird durch die Auswertelektronik ein aktives haptisches Feedback, eine optische oder akustische Ausgabe, und/oder eine Schalt- oder Steuerfunktion getriggert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Berührsensorik sind mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren vorgesehen und die Gegenelektrode erstreckt sich beabstandet zu dem Array aus kapazitiven Sensoren. Das Array erfährt beispielsweise durch elastisch rückstellende Verlagerung oder elastische Verformung eine bereichsweise oder eine über das gesamte Array gleichmäßige Annäherung an die Gegenelektrode, sofern eine Betätigungskraft auf die Berührfläche einwirkt. Beispielsweise sind die kapazitiven Sensoren in einen Folienschichtaufbau aus mindestens einer elastischen Folie integriert, wobei der Folienschichtaufbau die Gegenelektrode überspannt.
Die Elektroden der im Array angeordneten kapazitivem Sensoren sind beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene oder auf zwei oder mehr parallelen Ebenen angeordnet. Dieses im Array angeordneten kapazitiven Sensoren bilden beispielsweise zwei Gruppen von Arrayelektroden aus, wobei beispielsweise jede der Arrayelektroden selektiv durch die Ansteuerelektronik elektrisch kontaktierbar ist. Diese Arrayelektroden sind beispielsweise gruppenweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wodurch pro Gruppe eine Gruppenausrichtung vorgegeben ist. Die Arrayelektroden sind gruppenweise, d.h. bezüglich ihrer Gruppenzugehörigkeit alternierend angeordnet. Bei senkrechter gedachter Projektion auf eine gemeinsame Ebene durchkreuzen sie sich untereinander, beispielsweise orthogonal, wobei sie aber eigentlich elektrisch isoliert zueinander angeordnet sind. Dadurch wird insgesamt betrachtet in einem bezogen auf die gesamte Berührfläche flächenmäßig größten eine regelmäßige „Gitterstruktur“ unter Ausbildung jeweils eines sogenannten Knotenpunktes an den Orten der Kreuzung ausgebildet. Der kleinste Abstand nächstbenachbarter Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung definierten Richtungen beschreibt die kleinste Periodizität der Gitterstruktur. Üblicherweise ist der kleinste Abstand der Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung vorgegebenen Richtungen übereinstimmend.
Die Bezeichnung Elektrode soll die Ausbildung der betreffenden Arrayelektrode aus leitfähigem Material, beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung implizieren. Beispielweise weisen die kapazitiven Sensoren einen projiziertkapazitiven Aufbau, insbesondere einen mutual-capacitance Aufbau auf. Bei dem mutual-capacitance Aufbau werden Messkapazitäten, wie zuvor beschrieben an den Knotenpunkten jeweils zwischen zwei elektrisch isolierten, sich kreuzenden Arrayelektroden der kapazitiven Sensoren erzeugt. Die Knotenpunkte sind bei handelsüblichen Touchpads oder Touchscreens in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlich.

1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der bereitgestellten erfindungsgemäßen Berührsensorik 1;
2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf Uo(t) während einer Berührung sowie einen zeitlichen Spannungsverlauf U_F(t) unter Betätigung, jeweils bei Durchführung einer nicht erfindungsgemäßen Variante eines Verfahrens zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener B;
3 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf Uo(t) während einer Berührung sowie einen zeitlichen Spannungsverlauf U_F(t) unter Betätigung, jeweils bei Durchführung einer erfindungsgemäßen Variante eines Verfahrens zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener B.

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, kapazitiven Berührsensorik 1. Die Berührsensorik 1 weist mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren 2 auf. Die kapazitiven Sensoren 2 sind in einen elastisch nachgebenden Folienschichtaufbau 4 integriert und weisen jeweils eine Elektrodenpaar aus elektrisch zueinander isolierten Arrayelektroden 2a und 2b auf. Dem Array von kapazitiven Sensoren 2 ist eine Berührfläche 7 zugeordnet, die von einer dem Bediener B zugewandten Oberfläche des Folienschichtaufbaus 4 ausgebildet wird. Diese Berührfläche 7 dient der Vornahme von Berühreingaben durch den Bediener B, welche ortsaufgelöst mittels des Array von kapazitiven Sensoren 2 detektiert werden kann, wobei sich die Ortsauflösung aufgrund der räumlichen Verteilung der kapazitiven Sensoren 2 und durch deren selektive Ansteuerung mittels der Ansteuerelektronik 5 ergibt. Die Ansteuerelektronik 5 ist dazu selektiv elektrisch leitend mit den Arrayelektroden 2a und 2b der kapazitiven Sensoren 2 verbunden. Durch das Array von kapazitiven Sensoren wird ein Array von mehrere Messkapazitäten definierenden, Messfeldern, beispielsweise in zeitlicher Abfolge, über die Berührfläche 7 erzeugt. Bei Berührung durch einen Bediener B mit oder ohne Aufbringung einer Betätigungskraft, erfolgt eine lokale Beeinflussung des jeweiligen Messfeldes, was durch die Kapazität C_T in 1 symbolisiert sein soll. Diese Beeinflussung wird durch die Ansteuerelektronik 5 unter Verwendung des in der US 8,836,350 B1 beschriebenen Detektionsverfahrens, welches als sogenanntes CVD-Verfahren bekannt ist, ausgewertet. Dieses Verfahren erleichtert die Bestimmung einer durch den Finger eines Bedieners B bewirkten Kapazitätsänderung, da es mittels eines zur Ansteuerelektronik 5 gehörigen Referenzkapazität C_R und durch Bewirkungen entgegengesetzter Ladeausgleiche zwischen Referenzkapazität C_R und jeweiligem Messkondensator bewirkt. Es bedarf beispielsweise keiner über die Zeit integrierenden Strommessung, die eine hohe Genauigkeit der Zeitbasis voraussetzt. Es verbleibt ungeachtet dessen, welches Detektionsverfahren angewandt wird, dennoch ein weiteres Problem, nämlich, dass bei einer durch eine Betätigungskraft aufbringenden Betätigung der Berührfläche 7 der oder die kapazitive Sensoren 2 eine Verlagerung erfahren, dies ist insbesondere kritisch, wenn dies in einem externen Feld erfolgt und somit die Messkapazität durch diese Verlagerung beeinflusst wird. Ursprungsort dieses externen Feldes ist erfindungsgemäß eine Gegenelektrode 3, die sich elektrisch isoliert von den kapazitiven Sensoren 2 und über einen variierenden Abstand Δd beabstandet zu diesen und entlang des gesamten Arrays aus kapazitiven Sensoren 2 erstreckt. Eine derartige Gegenelektrode 3 ist regelmäßig dann vorgesehen, wenn die Berührsensorik durch eine Kraftsensorik erweitert ist. Diese ist beispielsweise vorgesehen, die bei einer Betätigung anliegende Betätigungskraft qualitativ oder quantitativ zu erfassen, um dem Bediener B beispielsweise bei Überschreiten einer Mindestannäherung ein aktives haptisches, akustisches oder visuelles Feedback zu geben. Zur Kraftmessung wird eine Kraftmesskapazität zwischen den Elektroden 2a der kapazitiven Sensoren 2 und der Gegenelektrode 3 erzeugt und bestimmt. Das Variationsmaß dieser Kraftmesskapazität ist ein Maß für die Annäherung zwischen den kapazitiven Sensoren 2 und der Gegenelektrode 3 und die Variation des Abstands Δd letztlich ein Maß für die dabei aufgebrachte Betätigungskraft. Die parallele Messung der Betätigungskraft oder genauer schon das Vorhandensein der Gegenelektrode 3 stellt ein Problem für die Detektion einer Berührung durch die kapazitiven Sensoren dar. Die durch die Gegenelektrode 3 bewirkte Beeinflussung der Messkapazitäten der kapazitiven Sensoren 2 ist schematisch durch die parasitären Messkapazitäten C_p symbolisiert, die jedoch mit einer Veränderung des Abstandes Δd variieren.
Die sich daraus ergebenden Probleme sollen anhand der 2 bei gleichzeitiger Verwendung des sogenannten CVD-Verfahrens erläutert werden. In 2 ist der am Messkondensator zu messende Spannungsverlauf Uo(t) in Abhängigkeit der Zeit t bei einer ausschließlichen Berührung durch den Bediener, d.h. ohne Betätigungskraft und ohne relative Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 aufgetragen. Wohingegen U_F(t) der Spannungsverlauf in Abhängigkeit der Zeit t bei einer eine vorgegebene Betätigungskraft aufbringenden Betätigung also bei gleichzeitiger relativer Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 ist. Bei dem CVD-Verfahren erfolgt zuerst ein erstes Laden der zur Auswertelektronik 5 zugehörigen, durch einen Referenzkondensator vorgegebenen Referenzkapazität C_R, während die Messkapazität auf Erdpotenzial gebracht wird, was in 2 innerhalb des mit a gekennzeichneten Zeitabschnitts erfolgt. Im Zeitabschnitt b wird ein erster Ladungsausgleich zwischen der Referenzkapazität C_R und der Messkapazität bewirkt. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem erstem Ladungsausgleich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt t_A bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U₀(t_A) beträgt und betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt t_A bestimmte Spannung U_F(t_B) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden zweiten Ladeschritt im Zeitabschnitt c wird umgekehrt zum Zeitabschnitt a die Messkapazität auf die Spannung Vcc geladen, während die Referenzkapazität C_R auf Erdpotenzial gehalten wird. Im nachfolgenden Zeitabschnitt d erfolgt ein zweiter Ladeausgleich in umgekehrter Richtung im Vergleich zum Zeitabschnitt b. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem, zweitem Ladungsausgleich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt t_B bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U₀(t_B) beträgt und betragsmäßig kleiner ist als die zum selben Zeitpunkt t_B bestimmte Spannung U_F(t_B) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden Schritt e werden Messkapazität und Referenzkapazität C_R auf Erdpotenzial gebracht. Dienen die jeweiligen Spannungswerte U(t_A) und U(t_B) der Auswertung zur Triggerung eines Berührereignisses, beispielsweise durch Differenzbildung und Vergleich mit einem vorgegebenen Differenzwert ergibt sich das Problem, dass die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei Betätigung nämlich ΔU_F und die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei ausschließlicher Berührung nämlich ΔU₀ vom Betrag nicht nur sehr stark auseinanderfallen, sondern der erstere größer als letzterer ist und somit es bei gleichzeitiger Betätigung zu ungewollter Triggerung eines Berührereignis, auch „ghost touch“ genannt, kommt, da die Annäherung von Gegenelektrode 3 und kapazitivem Sensor 2 einen Verstärkungseffekt auf die Berührdetektion hat. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in Bezug auf die 3 erläutert wird, vermeidet diesen Verstärkungseffekt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich ebenfalls des sogenannten CVD-Verfahrens. Auch hier ist der am Messkondensator zu messende Spannungsverlauf Uo(t) in Abhängigkeit der Zeit t bei einer ausschließlichen Berührung durch den Bediener, d.h. ohne Betätigungskraft und ohne relative Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 aufgetragen. Wohingegen U_F(t) der Spannungsverlauf in Abhängigkeit der Zeit t bei einer eine vorgegebene Betätigungskraft aufbringenden Betätigung also bei gleichzeitiger relativer Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 ist. Ferner ist das an der Gegenelektrode 3 anliegende Beeinflussungspotenzial ζ(t) in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt wiederum ein erstes Laden der zur Auswertelektronik 5 zugehörigen, durch einen Referenzkondensator vorgegebenen Referenzkapazität C_R, während die Messkapazität auf Erdpotenzial (GND) gehalten wird, gleichzeitig wird auch die Gegenelektrode 3 auf Erdpotenzial (GND) als erstem Beeinflussungspotenzial ζ₁ gehalten, was in 3 innerhalb des mit a gekennzeichneten Zeitabschnitts erfolgt. Im Zeitabschnitt b wird ein erster Ladungsausgleich zwischen der Referenzkapazität C_R und der Messkapazität bewirkt. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem, erstem Ladungsausgleich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt t_A bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U₀(t_A) beträgt und betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt t_A bestimmte Spannung U_F(t_B) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden zum Zeitpunkt t_P0 beginnenden, zweiten Ladeschritt c wird umgekehrt zum Zeitabschnitt a die Messkapazität auf die Spannung Vcc geladen, die Referenzkapazität C_R auf Erdpotenzial gebracht und die Gegenelektrode 3 auf das zweite Beeinflussungspotenzial ζ₂=VCC gebracht. Im nachfolgenden Zeitabschnitt d₁ erfolgt ein zweiter Ladeausgleich in umgekehrter Richtung im Vergleich zum erstem Ladungsausgleich aus Zeitabschnitt b. Mit zum Zeitpunkt tpi abgeschlossenem, zweitem Ladungsausgleich wird die Gegenelektrode 3 auf das erste Beeinflussungspotenzial ζ₁= GND, nämlich Erdpotenzial gebracht, und weiter ein in zum erstem Ladungsausgleich umgekehrter Richtung erfolgender, dritter Ladungsausgleich im Zeitabschnitt d₂ durchgeführt. Die Dauer des zweiten Ladungsausgleichs im Zeitabschnitt d₁ entspricht in etwa der Dauer des dritten Ladeausgleichs in Zeitabschnitt d₂.] Mit annährend abgeschlossenem Ladeausgleich im Zeitabschnitt d₂ wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt t_B bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U₀(t_B) beträgt und nunmehr durch die Maßnahme des vorhergehenden Verlauf bzw. Wechsel des Beeinflussungspotenzials ζ(t) betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt t_B bestimmte Spannung U_F(t_B) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden Schritt e werden Messkapazität und Referenzkapazität C_R auf Erdpotenzial (GND) gebracht. Erfindungsgemäß dienen auch hier die jeweiligen Spannungswerte U(t_A) und U(t_B) der Auswertung zur Triggerung eines Berührereignisses, beispielsweise durch Differenzbildung und Vergleich mit einem vorgegebenen Differenzwert. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten nicht erfindungsgemäßen Variante, ergibt sich hier das Problem nicht, dass die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei Betätigung nämlich ΔU_F und die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei ausschließlicher Berührung nämlich ΔU₀ vom Betrag sehr stark auseinanderfallen, sondern diese sich betragsmäßig annähern und es somit bei gleichzeitiger Betätigung eben nicht zu ungewollter Triggerung eines Berührereignis, auch „ghost touch“ genannt, kommt, da die Annäherung von Gegenelektrode 3 und kapazitivem Sensor 2 durch die erfindungsgemäße Lösung keinen Verstärkungseffekt auf die Berührdetektion hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8836350 B1 [0002, 0023]

Claims

Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener (B) mittels einer kapazitiven Berührsensorik (1) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen einer kapazitiven Berührsensorik (1), aufweisend einen kapazitiven Sensor (2), der eine dem Bediener (B) zugewandte Berührfläche (7) und eine Messkapazität definiert und eine auf der dem Bediener (B) abgewandten Seite des kapazitiven Sensors (2) angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor (2) elektrisch isolierte Gegenelektrode (3), sowie eine Auswertelektronik (5) mit einer Referenzkapazität (C_R), wobei die Auswerteelektronik (5) den kapazitiven Sensor (2) und die Gegenelektrode (3) selektiv elektrisch kontaktiert; wobei bei einer Betätigung der Berührfläche (7) wischen dem kapazitiven Sensor (2) und der Gegenelektrode (3) eine Annäherung bewirkt wird; - erstes Laden der Referenzkapazität (C_R) auf ein erstes Ladepotenzial (V_CC); - erstes Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem ersten Beeinflussungspotenzial (ζ₁); - Durchführen eines ersten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (C_R); - erstes Bestimmen der sich einstellenden an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (C_R) anliegenden ersten Messspannung (U₀(t_A); U_F(t_A)) durch die Auswertelektronik (5); - zweites Laden der Referenzkapazität (C_R) auf ein zweites, sich vom ersten Ladepotenzial (V_cc) unterscheidendes Ladepotenzial (GND); - zweites Beaufschlagen der Gegenelektrode (3) mit einem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ₂); - Durchführen eines zweiten, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (C_R), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ₂) beaufschlagt wird; - dem ersten Ladungsausgleich nachfolgendes Durchführen eines dritten, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (C_R), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem ersten Beeinflussungspotenzial (ζ₁) beaufschlagt wird; - Bestimmen der sich einstellenden zweiten, an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (C_R) anliegenden Messspannung (U₀(t_B); U_F(t_B)) durch die Auswertelektronik; - Auswerten unter Durchführung einer mathematischen Operation mit erster Messspannung (U₀(t_A); U_F(t_A)) und zweiter Messspannung (U₀(t_B); U_F(t_B)), um einen Detektionswert zu erhalten, der nachfolgend verwendet wird, entweder ein Berührereignis zu triggern oder kein Berührereignis zu triggern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gegenelektrode (3) eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche (7) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren (2) vorgesehen sind und die Gegenelektrode (3) sich beabstandet zu dem Array erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim ersten Laden der Referenzkapazität (C_R) auf das erste Ladepotenzial (Vcc), die Messkapazität auf das zweite Ladepotenzial (GND) gebracht wird und beim zweiten Laden der Referenzkapazität (C_R) auf das zweite Ladepotenzial (GND) die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial (V_cc) gebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei während die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial (Vcc) gebracht wird, das Beaufschlagen der Gegenelektrode (3) mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ₂) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zyklisch durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Beeinflussungspotenzial (ζ₁) geringer als das zweite Beeinflussungspotenzial (ζ2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Beeinflussungspotenzial (ζ₁) Erdpotenzial (GND) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Beeinflussungspotenzial (ζ₂) dem ersten Ladepotenzial (Vcc) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Ladeausgleichsdauer des zweiten Ladeausgleichs einer zweiten Ladeausgleichsdauer des dritten Ladeausgleichs entspricht.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.
Kapazitive Berührsensorik (1) zur Detektion einer Berührung durch einen Bediener (B) aufweisend wenigstens einen kapazitiven Sensor (2), der eine dem Bediener (B) zugewandte Berührfläche (7) und eine Messkapazität definiert und eine auf der dem Bediener abgewandten Seite des kapazitiven Sensors (2) angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor (2) elektrisch isolierte Gegenelektrode (3), wobei bei Betätigung der Berührfläche (7) zwischen dem kapazitiven Sensor (2) und der Gegenelektrode (3) eine Annäherung bewirkt wird; sowie Bereitstellen einer Auswertelektronik (5) mit einer Referenzkapazität (C_R), wobei die Auswertelektronik (5) den kapazitiven Sensor (2) und die Gegenelektrode (3) selektiv elektrisch kontaktiert; wobei die Berührsensorik (1) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.