DE19503203A1 - Position and mass distribution sensor - Google Patents

Position and mass distribution sensor

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DE19503203A1
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Abstract

A sensor 10 for monitoring a characteristic of an object 12, for example, the position thereof. The sensor includes an electrode pair 14, 16 and a signal generator connected to pass a displacement current between the electrodes. Changes in the position or other monitored characteristic of the sensed object modify the displacement current and sensing of that current thus provides a electrical indication of the sensed changes. A multiple electrode-pair 14, 16a to 16f system (Fig. 2, not shown) can be used to monitor the position of an object with improved accuracy by sensing the displacement currents between multiple pairs of electrodes. <IMAGE>

Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Erfassen von Position und Verteilung der Masse innerhalb eines räumlichen Bezugs­ rahmens und insbesondere auf ein Sensorsystem, das auf Veränderungen des Verschiebungsstroms in einer Empfangselektrode anspricht, welcher von durch Tätigkeiten des Anwenders hervorgerufene Bewegun­ gen bewirkt wird.This invention relates generally to the detection of Position and distribution of mass within a spatial reference frame and in particular on a sensor system that is sensitive to changes of the displacement current in a receiving electrode, which is caused by movement caused by the user's activities gene is effected.

Positionssensoren werden gebraucht, um Eingangssignale für eine Vielzahl von elektronischen Geräten zur Verfügung zu stellen. Einige dieser Sensoren sind elektromechanische Geräte, so wie die allgegen­ wärtige "Maus", welche gebraucht wird, um Positionseingangssignale für Digitalrechner zu erzeugen. Andere, nichtmechanische Sensoren machen üblicherweise von elektrostatischen oder magnetischen Feldern Gebrauch, um Positionsinformationen zu liefern. Ein Beispiel eines elektrostatischen Sensors ist ein kapazitiver Berührungsschalter, der betätigt wird, wenn der Anwender seinen Finger auf ihm plaziert; dabei erhöht der Anwender effektiv die Kapazität des Kondensators und der resultierende Anstieg des Kondensatorstroms wird gemessen, um die Betätigung des Schalters anzuzeigen.Position sensors are used to generate input signals for a Provide variety of electronic devices. Some These sensors are electromechanical devices, like the ubiquitous ones present "mouse", which is used to position input signals to generate for digital computers. Other, non-mechanical sensors usually make of electrostatic or magnetic fields Use to provide location information. An example of one  electrostatic sensor is a capacitive touch switch, which is actuated when the user places his finger on it; the user effectively increases the capacitance of the capacitor and the resulting increase in capacitor current is measured to indicate the operation of the switch.

Die nichtmechanischen Sensoren sind insofern vorteilhaft, als sie keine bewegten Teile aufweisen und außerdem, zumindest in der Theorie, nicht auf den Betrieb über einer kleinen Fläche, wie einer Mausunterlage (Mauspad) oder ähnlichem beschränkt sind. Tatsächlich sind diese Sensoren jedoch aus Konfigurations- und Empfindlichkeits­ gründen auf eine kleine Fläche beschränkt; wenn sie als "Druck­ knöpfe" verwendet werden, ist dies sogar eine gewünschte Eigenschaft von kapazitiven Sensoren.The non-mechanical sensors are advantageous in that they are have no moving parts and also, at least in the Theory, not on operation over a small area like one Mouse pad (mouse pad) or the like are limited. Indeed however, these sensors are of configuration and sensitivity found limited to a small area; when called "pressure buttons ", this is even a desired property of capacitive sensors.

Elektromechanische Sensoren sind durch ihren Aufbau auf das Wahr­ nehmen bestimmter Typen von Bewegungen des Anwenders beschränkt. Eine Maus kann beispielsweise Positionen auf einer zweidimensionalen Oberfläche wahrnehmen und des Anwenders Betätigung der an der Maus angebrachten "Klick"-Tasten übertragen; dreidimensionale Orte und andere Gesten als das vertraute Tastenklicken liegen jenseits der Wahrnehmungsfähigkeit der Maus. Die herkömmlichen elektrostatischen und magnetischen Sensoren leiden unter den gleichen Beschränkungen.Electromechanical sensors are based on the truth take certain types of movements restricted by the user. For example, a mouse can position on a two-dimensional Perceive the surface and the user presses on the mouse transfer attached "click" buttons; three dimensional locations and gestures other than the familiar button click are beyond Perception of the mouse. The conventional electrostatic and magnetic sensors suffer from the same limitations.

Gemäß der Erfindung wird ein Paar Elektroden so zueinander angeord­ net, daß ein zu erfassendes Objekt einen beträchtlichen Teil des elektrischen Feldes abfängt, das sich zwischen den Elektroden erstreckt, wenn ein Wechselstromsignal an sie angelegt wird. Eine der Elektroden, welche als "Sende"-Elektrode dient, ist an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Die andere Elektrode (die "Emp­ fangs"-Elektrode) ist effektiv mit der Erdrückleitung der Quelle verbunden und der Ausgangsstrom der letztgenannten Elektrode wird als Anzeichen der gemessenen Eigenschaft erfaßt. Wenn das zu erfas­ sende Objekt eine menschliche Hand ist, reduziert das Einführen der Hand in das elektrische Feld der Elektroden den Ausgangsstrom. Genau genommen bietet der menschliche Körper eine Rückleitung, teilweise leitend und teilweise kapazitiv, die einen Teil des Verschiebungs­ stromes in dem Kondensator von der Ausgangselektrode ableitet.According to the invention, a pair of electrodes are so arranged to each other net that an object to be detected a considerable part of the intercepts electrical field that is between the electrodes extends when an AC signal is applied to them. A of the electrodes, which serves as the "transmit" electrode, is connected to one AC power source connected. The other electrode (the "Emp fangs "electrode) is effective with the source's ground line connected and the output current of the latter electrode recorded as an indication of the measured property. If that is to be grasped sending object is a human hand, reduces the insertion of the  Hand in the electrical field of the electrodes the output current. I agree taken in part, the human body offers a return conductive and partially capacitive, which is part of the shift current in the capacitor is derived from the output electrode.

Diese Anordnung bietet deutliche Vorteile gegenüber den älteren kapazitiven Sensoren, in denen der Anwender entweder durch Berührung oder durch enge kapazitive Kopplung direkt mit einer der Kondensa­ torelektroden in Verbindung steht. Erstens bietet sie im Zusammen­ hang mit dem Einführen einer Hand in das elektrostatische Feld und dem Bewegen der Hand in dem Feld ein besseres Signal-Rausch-Verhält­ nis. Zweitens ermöglicht sie den Gebrauch mehrerer Elektroden, wie unten beschrieben, um die Zweideutigkeit bezüglich der Position der Hand deutlich zu reduzieren oder zu eliminieren.This arrangement offers clear advantages over the older ones capacitive sensors in which the user either by touch or through close capacitive coupling directly to one of the condensates gate electrodes is connected. First, it offers together hang with the insertion of a hand into the electrostatic field and a better signal-to-noise ratio when moving the hand in the field nis. Second, it allows the use of multiple electrodes, such as described below to clarify the ambiguity regarding the position of the Reduce or eliminate hand significantly.

Die vorliegende Erfindung ist für eine große Zahl von Steuer- und Regel-, Beobachtungs- und Schnittstellenanwendungen nützlich. Beim Gebrauch mehrerer Sende- und/oder Empfangselektroden kann man Veränderungen der Gesamtmasse in der Nähe der Elektroden durch die Verwendung von Kombinationen der Ausgangssignale beobachten. Man kann auch Veränderungen in der symmetrischen Verteilung der Masse bezüglich der Position der Elektroden beobachten, indem man ver­ schiedene Arten von Signalvergleichen durchführt. In diesem Zu­ sammenhang sollte beachtet werden, daß sich mehrere Empfangselek­ troden eine gemeinsame Sendeelektrode und daß sich mehrere Sendee­ lektroden eine gemeinsame Empfangselektrode teilen können und Anordnungen dieser Art hierin beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt werden.The present invention is for a large number of tax and Control, observation and interface applications useful. At the One can use several transmitting and / or receiving electrodes Changes in total mass near the electrodes due to the Observe the use of combinations of the output signals. Man can also change in the symmetrical distribution of mass observe for the position of the electrodes by ver carries out different types of signal comparisons. In this To It should be noted that there are several reception elec trode a common transmitter electrode and that there are several transmitters electrodes can share a common receiving electrode and Arrangements of this type described herein and in the drawings being represented.

Während der Höhenparameter in Systemen mit zwei Elektrodenpaaren aufgrund der Unmöglichkeit, die Höhe von der Massenverteilung zu unterscheiden, zweideutig ist, kann der Gebrauch von einer oder mehreren zusätzlichen Elektroden diese Zweideutigkeit eliminieren. Zusätzliche Elektroden erleichtern die Auflösung von mehr Komponen­ ten der Masseverteilung (z. B. in der Volumenform). Außerdem können peripher angebrachte Leitungs- oder Widerstandselektroden in bekann­ ter Weise als Schutzelektroden betrieben werden, die den erfaßten Bereich von umgebenden Feldern abschirmen, indem sie passende Randbedingungen schaffen. Spezielle Anwendungsbereiche werden unten detaillierter dargestellt.During the height parameters in systems with two pairs of electrodes due to the impossibility of increasing the height from the mass distribution differ, is ambiguous, the use of one or several additional electrodes eliminate this ambiguity. Additional electrodes facilitate the resolution of more components  mass distribution (e.g. in volume form). You can also peripherally attached lead or resistance electrodes in known ter operated as protective electrodes that the detected Shield area from surrounding fields by matching them Create boundary conditions. Special areas of application are shown below presented in more detail.

Zum besseren Verständnis der Natur der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den bei­ gefügten Zeichnungen Bezug genommen werden, von denen:For a better understanding of the nature of the invention, reference is made to the following detailed description in connection with the at attached drawings, of which:

Fig. 1 eine Skizze eines die Erfindung beinhaltenden Sensors und Fig. 1 is a sketch of a sensor and the invention

Fig. 2 eine Skizze eines Mehrelektrodensensors ist. Figure 2 is a sketch of a multi-electrode sensor.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein die Erfindung verkörpernder Posi­ tionssensor 10 angeordnet, um eine Eigenschaft eines Objektes 12 durch Aufdecken von Änderungen in dem elektrischen Feld unter Ein­ beziehung eines eine Sendeelektrode 14 und eine Empfangselektrode 16 aufweisenden Elektrodenpaares aufzudecken. Das Objekt 12 kann bei­ spielsweise eine menschliche Hand sein und die zu erfassende Eigen­ schaft ist ihre Position bezüglich der Elektroden 14 und 16.As shown in FIG. 1, a position sensor 10 embodying the invention is arranged to detect a property of an object 12 by detecting changes in the electric field with a pair of electrodes having a transmitting electrode 14 and a receiving electrode 16 . The object 12 can, for example, be a human hand and the property to be detected is its position with respect to the electrodes 14 and 16 .

Der Sensor 10 enthält eine Wechselstromquelle 18, die mit einem abgeschirmten Kabel 19, das für die Verbindung zwischen der Quelle 18 und der Elektrode 14 gebraucht wird, zwischen die Elektrode 14 und einen Bezugspunkt, z. B. die Erde, geschaltet ist. Die Elektrode 16 ist durch ein Kabel 19 mit dem invertierenden Eingang 20a eines Operationsverstärkers 20 verbunden. Der Operationsverstärker ist wie gezeigt gegengekoppelt. Der Eingang 20a liegt daher im wesentlichen auf Erdpotential und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers entspricht dem Strom zwischen der Elektrode 16 und Erde. The sensor 10 includes an AC power source 18 , which is connected with a shielded cable 19 , which is used for the connection between the source 18 and the electrode 14 , between the electrode 14 and a reference point, e.g. B. the earth is switched. The electrode 16 is connected by a cable 19 to the inverting input 20 a of an operational amplifier 20 . The operational amplifier is fed back as shown. The input 20 a is therefore essentially at ground potential and the output voltage of the operational amplifier corresponds to the current between the electrode 16 and ground.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20 wird auf einen Synchrondetektor 22 gegeben, dessen anderes Eingangssignal ein Signal von der Quelle 18 ist. Entsprechend ist das Ausgangssignal des Detektors 22 die Komponente in dem Ausgangssignal des Opera­ tionsverstärkers 20, welche die Frequenz und die Phase der Quelle 18 hat. Es ist daher frei von interferierenden Signalen und Rauschen, das von der Elektrode 16 aufgenommen worden sein könnte.The output signal of the operational amplifier 20 is fed to a synchronous detector 22 , the other input signal of which is a signal from the source 18 . Accordingly, the output of the detector 22 is the component in the output of the operational amplifier 20 which has the frequency and phase of the source 18 . It is therefore free of interfering signals and noise that could have been picked up by the electrode 16 .

Der Sensor 10 schließt ebenfalls einen Tiefpaßfilter 24 ein, der das Ausgangssignal des Detektors 22 glättet. Das Signal aus dem Filter 24 wird zu einem Computer 26 geleitet, der einen Analog- Digital-Wandler (nicht gezeigt) einschließt, welcher die vom Filter kommende Spannung in einen Digitalwert wandelt. Der Computer 26 nutzt das Signal vom Sensor 10, um ein Ausgabegerät 28 anzusteuern. Das Ausgabegerät kann z. B. ein in Einheiten der zu erfassenden Eigenschaft kalibriertes Meßgerät sein; oder eine zweidimensionale Anzeige, die eine graphische Darstellung der erfaßten Eigenschaft bietet; oder irgendeine der unten beschriebenen computerbezogenen Anwendungen, die das Signal nutzen, um Informationen von einem Anwender zu erhalten.The sensor 10 also includes a low pass filter 24 which smoothes the output signal of the detector 22 . The signal from the filter 24 is passed to a computer 26 which includes an analog to digital converter (not shown) which converts the voltage coming from the filter into a digital value. The computer 26 uses the signal from the sensor 10 to control an output device 28 . The output device can e.g. B. be a measuring device calibrated in units of the property to be recorded; or a two-dimensional display that provides a graphical representation of the sensed property; or any of the computer related applications described below that use the signal to obtain information from a user.

Die Frequenz f₁ der Quelle 18 kann 100 KHz betragen, und der Abstand zwischen den Elektroden 14 und 16 in der Größenordnung von einem Meter sein. In jedem Fall sind die Länge der Elektrode 14 und der Abstand zwischen den Elektroden deutlich kleiner als die Wellenlänge bei der Frequenz f₁. Demzufolge ist die Abstrahlung von der Elek­ trode 14 minimal und die Kopplung zwischen den Elektroden 14 und 16 im wesentlichen kapazitiv.The frequency f₁ of the source 18 may be 100 kHz, and the distance between the electrodes 14 and 16 may be of the order of one meter. In any case, the length of the electrode 14 and the distance between the electrodes are significantly smaller than the wavelength at the frequency f 1. As a result, the radiation from the electrode 14 is minimal and the coupling between the electrodes 14 and 16 is essentially capacitive.

Das Einführen eines Objektes wie einer menschlichen Hand in das sich zwischen den Elektroden 14 und 16 erstreckende elektrische Feld verursacht eine Verringerung der Ausgangsspannung des Filters 24. Dies ist das Gegenteil von dem, was man erwarten könnte, weil die Anwesenheit der Hand in dem Feld die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 14 und 16 durch Verändern sowohl der wirksamen Geometrie als auch der Dielektrizitätskonstante vergrößert und dabei zum Vergrößern des Eingangsstromes des Operationsverstärkers 20 und folglich der Ausgangsspannung des Filters 24 führen kann. Weil der menschliche Körper jedoch elektrisch leitend ist, bietet die Anwe­ senheit einer Hand über die Kapazitäten zwischen der Elektrode 14 und der Hand und zwischen dem Rest des Körpers und Erde eine Er­ drückleitung durch den Körper der Person. Dies leitet einen Teil des Verschiebungsstromes ab, der sonst von der Elektrode 14 zur Elek­ trode 16 fließen würde. Bei der geschilderten Elektrodenanordnung fängt ein Objekt in der Nähe der Elektroden 14 einen bedeutenden Anteil des elektrischen Feldes des Elektrodenpaares ab und bietet daher eine signifikante Änderung in dem Ausgangsstrom aus der Elektrode 16.Introducing an object such as a human hand into the electrical field extending between electrodes 14 and 16 causes the output voltage of filter 24 to decrease. This is the opposite of what one might expect because the presence of the hand in the field increases the capacitive coupling between electrodes 14 and 16 by changing both the effective geometry and dielectric constant, thereby increasing the input current to operational amplifier 20 and consequently, the output voltage of the filter 24 can result. However, because the human body is electrically conductive, the presence of a hand provides conduction through the body of the person through the capacitances between the electrode 14 and the hand and between the rest of the body and earth. This derives part of the displacement current that would otherwise flow from the electrode 14 to the electrode 16 . In the described electrode arrangement, an object in the vicinity of the electrodes 14 intercepts a significant portion of the electric field of the pair of electrodes and therefore offers a significant change in the output current from the electrode 16 .

Die Ausgangsspannung des Sensors 10 ist eine Funktion der Frequenz f₁ der Quelle 18 und der Anordnung und dem Abstand der Elektroden 14 und 16 sowie solcher objektspezifischer Eigenschaften wie Position, Anordnung und Zusammensetzung. Es ist offensichtlich, daß jede gegebene Ausgangsspannung das Ergebnis einer Vielzahl von verschie­ denen Kombinationen von Eigenschaften des Objektes 12 sein kann. In einigen Anwendungen der Erfindung, wie dem Gebrauch der Ausgangs­ spannung zum Auslösen eines Ereignisses bei Annäherung des Objektes 12 an die Elektrode, trägt diese Zweideutigkeit zur Verwendbarkeit des Sensors bei. Andererseits ist es in anderen Anwendungen wün­ schenswert, ein Ausgangssignal zu bieten, das auf die Position des Objektes 12 hindeutet, beispielsweise dann, wenn das Sensorsystem zum Positionieren eines Cursors auf einem Anzeigeschirm genutzt wird. Es kann ebenfalls wünschenswert sein, die Form des Objektes zu erkennen, um beispielsweise die Anwesenheit einer Hand festzustel­ len. In solchen Situationen ist es vorzuziehen, einen Sensor zu benutzen, der mehrere Sende- und Empfangselektroden einschließt. Solch ein Sensor ist in Fig. 2 dargestellt. The output voltage of the sensor 10 is a function of the frequency f 1 of the source 18 and the arrangement and spacing of the electrodes 14 and 16 and such object-specific properties as position, arrangement and composition. It is apparent that any given output voltage may be the result of a variety of different combinations of properties of the object 12 . In some applications of the invention, such as using the output voltage to trigger an event when the object 12 approaches the electrode, this ambiguity contributes to the usability of the sensor. On the other hand, it is desirable in other applications to provide an output signal that indicates the position of the object 12 , for example when the sensor system is used to position a cursor on a display screen. It may also be desirable to recognize the shape of the object, for example to determine the presence of a hand. In such situations, it is preferable to use a sensor that includes multiple transmit and receive electrodes. Such a sensor is shown in Fig. 2.

Genauer genommen hat der Positionssensor 210, wie in Fig. 2 gezeigt, mehrere Empfangselektroden 16a-16f, die sich eine gemeinsame Sende­ elektrode 14 teilen. Die Elektroden 16a-16f bieten die Eingangs­ signale für die Operationsverstärker 20a-20f und die Ausgangssignale der Operationsverstärker werden auf Synchrondetektoren 20a-20f gegeben. Die Ausgangssignale der Detektoren werden wiederum durch die Filter 24a-24f zu dem Computer 26 geführt. Der Computer 26 ver­ gleicht seine Eingangssignale von den entsprechenden Empfangselek­ troden 22a-22f, um eine relativ eindeutige Angabe über die seitliche Position des Objektes 12 (in Fig. 2 nicht gezeigt) und/oder Informa­ tion über dessen Form zu bieten. Auch kann der Computer durch Kombinieren (z. B. Addieren) der Eingangssignale von den Empfangs­ elektroden Information zur Höhe des Objektes über den Elektroden errechnen.More precisely, the position sensor 210 , as shown in FIG. 2, has a plurality of receiving electrodes 16 a- 16 f, which share a common transmitting electrode 14 . The electrodes 16 a- 16 f provide the input signals for the operational amplifiers 20 a- 20 f and the output signals of the operational amplifiers are given to synchronous detectors 20 a- 20 f. The output signals of the detectors are in turn passed through the filter 24 a- 24 f to the computer 26th The computer 26 compares its input signals from the corresponding receive electrodes 22 a- 22 f in order to provide a relatively clear indication of the lateral position of the object 12 (not shown in FIG. 2) and / or information about its shape. By combining (e.g. adding) the input signals from the receiving electrodes, the computer can also calculate information about the height of the object above the electrodes.

Es ist offensichtlich, daß die Erfindung durch den Gebrauch einer dreidimensionalen Verteilung von Elektroden mehr dreidimensionale Informationen bieten kann. Außerdem können mehrere Gruppen von Sende- und Empfangselektroden benutzt werden, von denen jede Elek­ trodengruppe bei einer oder mehreren von den anderen Gruppen ver­ schiedenen Frequenzen arbeitet.It is obvious that the invention can be achieved by using a three-dimensional distribution of electrodes more three-dimensional Information can provide. You can also have multiple groups of Transmitting and receiving electrodes are used, each of which elec trode group in one or more of the other groups different frequencies works.

Es sollte beachtet werden, daß die durch den Gebrauch mehrerer Sende- und/oder Empfangselektroden eingerichtete Vielfalt zum Teil dadurch geboten werden kann, daß eine oder mehrere Sendeelektroden mit mehreren Frequenzen versorgt werden. Mit Bezug auf Fig. 1 kann die Elektrode 14 also so geschaltet werden, daß sie sowohl Signale von der Quelle 18 als auch von einer zweiten Quelle 18₂ mit einer Frequenz f₂ empfängt. Die Quellen 18 und 18₂ sind durch die auf die Frequenzen f₁ und f₂ abgestimmten Trennfilter 30 und 30₂ mit der Sensorelektrode 14 gekoppelt. Das Ausgangssignal des Operationsver­ stärkers 20 wird auf einen zweiten Synchrondemodulator 22₂ gegeben, der an die Quellen 18₂ angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Detektors 22₂ wird durch ein Tiefpaßfilter 24₂ geleitet, dessen Ausgangssignal wiederum zu dem Prozessor 26 geführt ist. Weil der Ausgangsstrom aus der Elektrode 16 teilweise eine Funktion der Frequenz ist, führt der Gebrauch von Mehrfrequenzelektroden im wesentlichen zu mehreren Sende- und Empfangselektroden, die sich gemeinsame physikalische Elektroden teilen.It should be noted that the variety established by using multiple transmit and / or receive electrodes can be offered in part by supplying one or more transmit electrodes with multiple frequencies. With reference to FIG. 1, the electrode 14 may be so connected so that they both signals from the source 18 as well as f₂ receives from a second source 18 having a frequency ₂. The sources 18 and 18 ₂ are coupled to the sensor electrode 14 by the separating filters 30 and 30 ₂ which are tuned to the frequencies f 1 and f 2 . The output signal of the Operationsver amplifier 20 is given to a second synchronous demodulator 22 ₂, which is connected to the sources 18 ₂. The output signal of the detector 22 ₂ is passed through a low-pass filter 24 ₂, the output signal is in turn led to the processor 26 . Because the output current from electrode 16 is partially a function of frequency, the use of multi-frequency electrodes essentially results in multiple transmit and receive electrodes that share common physical electrodes.

Der Gebrauch mehrerer Frequenzen entweder gleichzeitig, wie darge­ stellt, oder in einem Zeitmultiplexverfahren bietet auch Information über die elektrischen Eigenschaften des Objektes 12 und kann daher dazu benutzt werden, beispielsweise eine Hand von einem leblosen Objekt zu unterscheiden. Insbesondere bietet das Messen der Am­ plitude und der Phase des Ausgangsstroms aus der Empfangselektrode als eine Funktion der Frequenz Informationen über die Zusammen­ setzung des Objektes 12. Die Phase des Ausgangsstromes kann durch Hinzufügen eines zweiten Phasendetektors mit einem um 90° phasenver­ schobenen Eingangssignal aus-der Quelle 18 ermittelt werden.The use of multiple frequencies either simultaneously, as Darge provides, or in a time-division multiplexing process also provides information about the electrical properties of the object 12 and can therefore be used to distinguish, for example, a hand from a lifeless object. In particular, measuring the amplitude and phase of the output current from the receiving electrode as a function of frequency provides information about the composition of the object 12 . The phase of the output current can be determined by adding a second phase detector with an input signal shifted by 90 ° from the source 18 .

Die vorliegende Erfindung ist einer großen Vielzahl von Anwendungen zugänglich, die das Aufdecken von Positionen und Gesten des Anwen­ ders als Mittel zur Informationsübertragung einschließen. Bei Computeranwendungen können mehrere Elektrodenpaare als Gerät zur Positionserfassung dienen, das mit denen der Maus oder einer Ein­ gabetafel gleichwertig ist, ohne daß irgendwelche mechanischen Einrichtungen benötigt werden. Indem die Elektroden beispielsweise auf oder neben einem Schreibtisch plaziert werden, machen sie aus seiner Oberfläche ein "aktives" Element der Computerschnittstelle. Eine Bewegung der leeren Hand des Anwenders über den Schreibtisch versorgt ein Anwendungsprogramm mit Positionsinformationen, die denen von einer rollenden Maus gebotenen gleichwertig sind. Im Gegensatz zu mechanischen Erfassungsgeräten kann die vorliegende Erfindung auch gestische Informationen aufbereiten, die aus der Höhe, der Position und Änderungen der Massenverteilung abgeleitet werden. The present invention has a wide variety of applications accessible, revealing positions and gestures of the user include as a means of information transmission. At Computer applications can use multiple pairs of electrodes as a device Position detection serve that with those of the mouse or an on panel is equivalent without any mechanical Facilities are needed. For example, by using the electrodes they are placed on or next to a desk its surface is an "active" element of the computer interface. A movement of the user's empty hand across the desk provides an application program with position information that are equivalent to those offered by a rolling mouse. in the In contrast to mechanical detection devices, the present Invention also prepare gestural information from the Height, position and changes in mass distribution are derived become.  

So generiert der Anwender beispielsweise mit einer ausholenden Geste seiner Hand von rechts nach links über den Schreibtisch digitale Daten, die von einem Anwendungsprogramm (wie einer Textanzeige und/oder Editiereinrichtung) als ein Seitenwechsel- oder Subject- Browsing-Kommando interpretiert werden. Die Erfindung kann einen Mehrkanal-Joystick simulieren, indem sie verschiedene Datenmuster unterscheidet, die durch Auswerten von Bewegungen, Handneigungen und Knopfdruck-Gesten generiert wurden. Das Längenmaß der Erfindung kann, selbst wenn sie streng als Gerät zur Positionserfassung ausgeführt ist, beachtlich variiert werden, um verschiedenen Anwen­ dungen gerecht zu werden. Ein relativ großer Elektrodenabstand ist Für das Beobachten der Bewegung der gesamten Hand des Anwenders oder selbst der Position einer Person innerhalb eines Raumes angemessen, während kleinere (beispielsweise 1 cm -) Abstände nützlich sein können, um Antworten auf kleine Bewegungen eines Fingers zu ermögli­ chen. Die Erfindung kann auch zusammen mit passenden Teilen benutzt werden, die bekannte elastische Eigenschaften haben und daher dazu gebraucht werden können, Signale zu erzeugen, die nicht nur auf die Position, sondern auch auf die Kraft hinweisen, die auf das wider­ standsfähige Teil ausgeübt wird. Indem beispielsweise ein elasti­ sches Element über eine Oberfläche gesetzt wird, die eine Gruppe von Elektroden enthält, spiegelt die Höhe der Hand des Anwenders die Kraft wieder, die auf das Element ausgeübt wird und erweitert dabei die Auswahl an gestischen Informationen, die erfaßt werden können.For example, the user generates with a sweeping gesture his hand from right to left across the digital desk Data generated by an application program (such as a text display and / or editing device) as a page change or subject Browsing command can be interpreted. The invention can Multi-channel joystick simulate by using different data patterns distinguishes that by evaluating movements, hand inclinations and Push button gestures were generated. The measure of length of the invention can, even if strictly as a position detection device is varied considerably to suit different applications to meet the needs. A relatively large electrode gap is For watching the movement of the user's entire hand or appropriate to the position of a person within a room, while smaller (e.g. 1 cm) distances may be useful can respond to small movements of a finger chen. The invention can also be used together with suitable parts be, which have known elastic properties and therefore can be used to generate signals that are not only related to the Position, but also to indicate the force that is reflected on that stable part is exercised. For example, by an elastic element is placed over a surface that is a group of Contains electrodes that reflects the height of the user's hand Power again, which is exerted on the element and thereby expands the selection of gestural information that can be captured.

Wenn die Sensoren Teil eines einheitlichen Gerätes sind, wie bei­ spielsweise ein Laptop oder Notebook-Computer oder ein Videospiel, werden die interaktiven Möglichkeiten dank der Fähigkeit, die Position bezüglich des Schirms zu erfassen, erweitert. Eine an geeigneter Stelle innerhalb des Computergehäuses angebrachte Mehr­ elektrodenpaaranordnung kann einen "Kontrollraum" oberhalb der Tastatur bieten, wobei die Erfindung Daten generiert, welche die dreidimensionale Position und Orientierung der Hand des Anwenders wiedergeben. Auf diese Weise kann der Computer durch Erzeugen einer Anordnung von auf dem Bildschirm angebrachten Knöpfen und das Erfassen der Position der Hand oder des Fingers des Anwenders bezüglich des Schirms die Gesten des Anwenders als "Drücken" der verschiedenen Knöpfe interpretieren, selbst wenn der Bildschirm niemals berührt wird.If the sensors are part of a uniform device, as with for example a laptop or notebook computer or a video game, the interactive possibilities thanks to the ability to Detecting position with respect to the screen extended. One on appropriate place inside the computer case More electrode pair arrangement can be a "control room" above the Provide keyboard, the invention generates data that the three-dimensional position and orientation of the user's hand play. In this way, the computer can generate a  Arrangement of buttons on the screen and that Detect the position of the user's hand or finger regarding the screen, the gestures of the user as "pressing" the interpret different buttons even when the screen is never touched.

Auf ähnliche Weise kann die Erfindung in andere Geräte als Computer eingebunden werden (beispielsweise Haushaltsgeräte, Fernseher, Möbel usw.), um Interaktionen mit dem Anwender zu ermöglichen. Indem die Erfindung mit Geräten in Verbindung gebracht wird, die verschiedene manuell zu bedienende Knöpfe, Schalter o. ä. aufweisen, kann des Anwenders Nähe zu diesen Geräten erfaßt und die Folgen bevorstehen­ der Handlungen ausgewertet werden, bevor sie vollendet sind. Wenn sich die Hand eines Anwenders dem Zündschlüssel eines Autos nähert, kann ihn auf diese Weise beispielsweise ein hörbarer Ton oder eine sichtbare Anzeige darauf aufmerksam machen, in den Parkgang zu schalten, bevor der Motor abgeschaltet wird. Die Erfindung kann ebenfalls dazu benutzt werden, um Geräte wie Fernseher oder Auf­ nahmesysteme fernzubedienen, ohne daß dafür traditionelle Handgeräte nötig sind. Und weil die Elektroden nicht der Atmosphäre ausgesetzt werden müssen, ist die Erfindung besonders zum Steuern versiegelter (beispielsweise wasserdichter) Geräte nützlich, ersetzt möglicher­ weise teure Schalter und erweitert die Kontrolle des Anwenders über solche Geräte.Similarly, the invention can be used in devices other than computers be integrated (e.g. household appliances, TVs, furniture etc.) to enable interactions with the user. By the Invention is associated with devices that are different have manually operated buttons, switches or similar, the User proximity to these devices and the consequences are imminent of actions are evaluated before they are completed. If a user's hand approaches the ignition key of a car, can be an audible tone or Make the visible display aware of this in the parking aisle switch before the engine is switched off. The invention can can also be used to connect devices such as televisions or on remote control systems without using traditional handheld devices are necessary. And because the electrodes are not exposed to the atmosphere need to be sealed, the invention is particularly sealed for control (e.g. waterproof) devices useful, replacing possible ones wise expensive switches and extends user control over such devices.

Die Erfindung kann in einem größeren Maßstab für Sicherheitszwecke zum Erfassen der Nähe zu einem Referenzobjekt benutzt werden, um vor Gefahr zu warnen oder Energie zu sparen, indem die Energie vor­ enthalten wird, bis sich ein potentieller Anwender dem Objekt nähert. Das Verteilen einer Reihe von Erfassungskondensatoren in einem Raum ermöglicht es der Erfindung, Ausgangssignale zu bieten, die auf die Position eines Anwenders in dem Raum hinweisen, die Anzahl der Menschen in dem Raum und ihre relative Position, usw. Die Genauigkeit dieser Information hängt selbstverständlich von der notwendigen Auflösung für die Anwendung und der Anzahl der ver­ wendeten Sensoren ab. Beispielsweise erfordert ein Sicherheits­ system, das ein Auslösesignal bietet, sobald es eine einzelne Person entdeckt, die einen Referenzraum betritt, eine geringere Auflösung als eine Anwendung, die die Position mehrerer Individuen überwacht.The invention can be scaled up for security purposes used to detect the proximity to a reference object in front Warn danger or save energy by putting the energy in front is contained until a potential user becomes aware of the object is approaching. Distributing a series of detection capacitors in one room enables the invention to provide output signals which indicate the position of a user in the room, which Number of people in the room and their relative position, etc. The The accuracy of this information depends of course on the  necessary resolution for the application and the number of ver averted sensors. For example, a security requires system that provides a trigger signal once it is a single person discovered entering a reference space, a lower resolution as an application that monitors the position of multiple individuals.

Claims (11)

1. Sensor zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines erfaßten Objektes, mit:
  • a) einem Elektrodenpaar, das eine Sende- und eine Empfangs­ elektrode aufweist, welche feste Positionen zueinander haben,
  • b) einer Wechselstromquelle, die zwischen die Sendeelek­ trode und einen Referenzpunkt geschaltet ist,
  • c) Mitteln zum Verbinden der Empfangselektrode mit dem Potential des Referenzpunktes und
  • d) Ausgabemitteln, die den Verschiebungsstrom zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode erfassen, wobei das Objekt in dem elektrischen Feld der Elektroden positioniert ist und Verschiebungsstrom aus der besagten Sendeelektrode gemäß seiner Position im Feld abzweigt, so daß der von dem Ausgabemittel erfaßte Verschiebungs­ strom eine Funktion der Position des Objektes ist.
1. Sensor for detecting at least one property of a detected object, with:
  • a) a pair of electrodes which has a transmitting and a receiving electrode which have fixed positions to one another,
  • b) an alternating current source, which is connected between the transmitting electrode and a reference point,
  • c) means for connecting the receiving electrode to the potential of the reference point and
  • d) output means which detect the displacement current between the transmitting electrode and the receiving electrode, the object being positioned in the electrical field of the electrodes and branching displacement current from said transmitting electrode according to its position in the field, so that the displacement current detected by the output means has a function the position of the object.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Verbindungsmittel ein Operationsverstärker ist, der einen mit der zweiten Elektrode verbundenen Eingangsanschluß hat und einen Rückkopplungsschaltkreis einschließt, der geschaltet ist, um das Potential an dem Eingangs­ anschluß auf das Potential des Bezugspunktes zu bringen, so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers dem Strom von der Emp­ fangselektrode entspricht.2. Sensor according to claim 1, wherein the connecting means Operational amplifier is one with the second electrode connected input terminal and a feedback circuit that is connected to the potential at the input bring to the potential of the reference point so that the Output voltage of the operational amplifier to the current from the Emp catch electrode corresponds. 3. Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem Detektor, der zum Demodulieren eines dem Strom entsprechenden Signals synchron zum Ausgang der Quelle geschaltet ist und bei dem die Anzeigemittel auf das Signal aus dem Detektor ansprechen.3. Sensor according to claim 1 or 2 with a detector which for Demodulating a signal corresponding to the current in synchronism with the  Output of the source is switched and at which the display means on address the signal from the detector. 4. Sensor mindestens nach Anspruch 2 mit einem Detektor, der zum Demodulieren des Ausgangssignals des Verstärkers synchron zum Ausgang der Wechselstromquelle geschaltet ist und bei dem die Anzeigemittel auf den Ausgang des Detektors ansprechen.4. Sensor at least according to claim 2 with a detector for Demodulating the output signal of the amplifier in synchronism with Output of the AC source is switched and at which the Response of display means to the output of the detector. 5. Positionssensor zum Erfassen der Position eines Objektes mit:
  • a) einer Vielzahl von Elektroden, die mehrere Sende- und/oder Empfangselektroden einschließen,
  • b) Mitteln zum Zuführen von Wechselstromsignalen zu jeder der Sendeelektroden, so daß jede der Empfangselektroden Verschiebungsstrom von mindestens einer Sendeelektroden empfängt und die Elektroden so konfiguriert sind, daß das Objekt das elektrische Feld von zumindest drei der Elektroden abfängt, und
  • c) Ausgabemitteln, die auf die Verschiebungsströme durch die entsprechenden Empfangselektroden ansprechen, wobei das Objekt entsprechend seiner Position in dem elek­ trischen Feld der Elektroden Verschiebungsströme von den Sendeelektroden abzweigt, so daß die Ausgabemittel auf die Position des Objektes ansprechen.
5. Position sensor for detecting the position of an object with:
  • a) a multiplicity of electrodes, which include a plurality of transmitting and / or receiving electrodes,
  • b) means for supplying alternating current signals to each of the transmit electrodes so that each of the receive electrodes receives displacement current from at least one transmit electrode and the electrodes are configured so that the object intercepts the electric field from at least three of the electrodes, and
  • c) output means which respond to the displacement currents through the corresponding receiving electrodes, the object branching displacement currents from the transmission electrodes in accordance with its position in the elec trical field of the electrodes, so that the output means respond to the position of the object.
6. Sensor mindestens nach Anspruch 5, bei dem eine Vielzahl von Empfangselektroden Verschiebungsströme von einer gemeinsamen Sende­ elektrode empfängt.6. Sensor at least according to claim 5, wherein a plurality of Receiving electrodes displacement currents from a common transmission electrode receives. 7. Sensor mindestens nach Anspruch 5, bei dem die Ausgabemittel ein Computer sind und die Elektroden einen Abstand haben, der das An­ sprechen auf die Bewegung eines Anwenders innerhalb eines Raumes ermöglicht.7. Sensor at least according to claim 5, wherein the output means Are computers and the electrodes are at a distance that the on talk about the movement of a user within a room  enables. 8. Sensor mindestens nach Anspruch 5, bei dem die Ausgabemittel ein Computer sind und die Elektroden einen Abstand voneinander haben, der das Ansprechen auf die Bewegung der Hand eines Anwenders er­ möglicht.8. Sensor at least according to claim 5, wherein the output means Are computers and the electrodes are at a distance from each other, which is the response to the movement of a user's hand possible. 9. Sensor mindestens nach Anspruch 5, bei dem die Ausgabemittel ein Computer sind und die Elektroden einen Abstand voneinander haben, der das Ansprechen auf die Bewegung des Fingers eines Anwenders ermöglicht.9. Sensor at least according to claim 5, wherein the output means Are computers and the electrodes are at a distance from each other, which is the response to the movement of a user's finger enables. 10. Sensor mindestens nach Anspruch 5, bei dem die Ausgabemittel ein Computer sind und die Elektroden einen Abstand voneinander haben, der auf der Grundlage von Veränderungen der erfaßten Masseverteilung ein Ansprechen auf eine Handgeste eines Anwenders ermöglicht.10. Sensor at least according to claim 5, wherein the output means Are computers and the electrodes are at a distance from each other, based on changes in the mass distribution detected allows a user to respond to a hand gesture. 11. Sensor mindestens nach Anspruch 1, der weiterhin ein elastisches Teil aufweist, das positioniert ist, um durch eine Bewegung eines zu erfassenden Objektes deformiert zu werden, so daß der von den Ausgabemitteln erfaßte Verschiebungsstrom eine Funktion der Kraft ist, die von dem Objekt auf das elastische Teil ausgeübt wird.11. The sensor at least according to claim 1, further comprising an elastic Part that is positioned to move by a movement object to be deformed, so that the of the Output means detected displacement current a function of the force that is exerted by the object on the elastic member.
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