DE202010017545U1

DE202010017545U1 - Sensoreinrichtung zur Annäherungs- und Berührungsdetektion

Info

Publication number: DE202010017545U1
Application number: DE202010017545U
Authority: DE
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2020-03-26

Abstract

Sensoreinrichtung, umfassend – zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Empfangselektrode (EE) und zumindest eine Feldmesselektrode (FE), wobei die Empfangselektrode (EE) in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, und – eine Auswerteeinrichtung (A), welche mit der Sendeelektrode (SE), der Empfangselektrode (EE) und der Feldmesselektrode (FE) gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist – die Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) zu beaufschlagen, – in dem ersten Betriebsmodus ein an der Empfangselektrode (EE) abgegriffenes erstes elektrisches Signal (S1) auszuwerten und in dem zweiten Betriebsmodus die Empfangselektrode (EE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) zu beaufschlagen, und – ein an der Feldmesselektrode (FE) abgegriffenes zweites elektrisches Signal (S2) auszuwerten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Annäherungs- und Berührungsdetektion, insbesondere zur Detektion einer Annäherung an ein elektrisches Gerät bzw. einer Berührung eines elektrischen Gerätes durch ein Objekt.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind kapazitive Sensoreinrichtungen bekannt, welche beispielsweise an einem Handgerät angeordnet werden können, um eine Annäherung an das Handgerät durch eine Hand zu detektieren. Aufgrund einer Veränderung der dielektrischen Eigenschaften im Bereich der Sensorelektroden der kapazitiven Sensoreinrichtung kann auf eine Annäherung, beispielsweise einer Hand, an die Sensoreinrichtung geschlossen werden.
Nachteilig ist hierbei, dass nicht eindeutig zwischen einer Annäherung an das Handgerät und einem Berühren des Handgerätes unterschieden werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nach einer Detektion einer Berührung durch eine Hand eine weitere Annäherung an die Sensoreinrichtung, etwa einer zweiten Hand, nicht mehr zuverlässig detektierbar ist.
Aus der DE 697 19 321 T2 und der DE 697 18 069 T2 ist ein kapazitiver Sensor mit einer Sendeelektrode und zwei Empfangselektroden bekannt. Die Sendeelektrode ist mit einer Wechselstrom-Quelle gekoppelt, um die Sendeelektrode mit einem Signal zu beaufschlagen. Die Empfangselektroden sind mit Empfängerstufen gekoppelt, um eine Änderung des elektrischen Feldes zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden zu detektieren. Der Sensor nach der DE 697 19 321 T2 weist eine einzige Sendeelektrode und eine oder mehrere Empfangselektroden auf. Auch der in der DE 697 18 069 T2 gezeigte Sensor zum Erfassen von Änderungen eines elektrischen Feldes weist genau eine Sendeelektrode und zwei Empfangselektroden auf.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, ein Berühren eines Handgerätes, beispielsweise durch eine Hand, zu detektieren und nach dem Berühren des Handgerätes durch die Hand eine weitere Annäherung an das Handgerät, beispielsweise einer zweiten Hand, zuverlässig zu detektieren.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoreinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach eine Sensoreinrichtung, umfassend zumindest eine Sendeelektrode, zumindest eine Empfangselektrode und zumindest eine Feldmesselektrode, wobei die Empfangselektrode in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann. Die Sensoreinrichtung umfasst des Weiteren eine Auswerteeinrichtung, welche mit der Sendeelektrode, der Empfangselektrode und der Feldmesselektrode gekoppelt ist. Die Auswerteeinrichtung ist ausgestaltet, die Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, in dem ersten Betriebsmodus ein an der Empfangselektrode abgegriffenes erstes elektrisches Signal auszuwerten, und in dem zweiten Betriebsmodus die Empfangselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, und ein an der Empfangselektrode abgegriffenes zweites elektrisches Signal auszuwerten.
In dem ersten Betriebsmodus ist ein an der Sendeelektrode emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld in die Empfangselektrode und in die Feldmesselektrode einkoppelbar. In dem zweiten Betriebsmodus sind ein an der Sendeelektrode emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld und ein an der Empfangselektrode emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld in die Feldmesselektrode einkoppelbar.
Damit wird es in vorteilhafter Weise möglich, eine kapazitive Sensoreinrichtung sowohl zur Annäherungs- als auch zur Berührungsdetektion zu verwenden, wobei insbesondere eine weitere Annäherung an die Sensoreinrichtung detektiert werden kann, nachdem ein Berühren der Sensoreinrichtung detektiert worden ist. Weil die Empfangselektrode in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei die Empfangselektrode in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, kann die Detektionsgenauigkeit der Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus wesentlich verbessert werden.
In dem ersten Betriebsmodus kann das an der Empfangselektrode angegriffene erste elektrische Signal indikativ für eine Annäherung eines Objektes an die Sensoreinrichtung sein. In dem zweiten Betriebsmodus kann das an der Feldmesselektrode abgegriffene zweite elektrische Signal indikativ für eine Annäherung eines Objektes an die Sensoreinrichtung sein.
Besonders vorteilhaft ist es, dem ersten Betriebsmodus einen ersten Schwellenwert zuzuordnen und die Auswerteeinrichtung so auszugestalten, dass sie von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wechseln kann, sobald das erste elektrische Signal den ersten Schwellenwert überschreitet.
Dem zweiten Betriebsmodus kann ein zweiter Schwellenwert zugeordnet werden, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet sein kann, den zweiten Schwellenwert in Abhängigkeit von dem ersten Schwellenwert zu wählen. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der zweite Schwellenwert, dessen Überschreiten beispielsweise eine Aktion in einem elektrischen Handgerät auslösen kann, im Wesentlichen immer im gleichen Abstand eines Objektes zu der Sensoreinrichtung entspricht. Das bedeutet, dass der zweite Schwellenwert immer so gewählt wird, dass die dem Schwellenwert zugeordnete Aktion immer bei dem gleichen Abstand eines an sich an die Sensoreinrichtung annäherndes Objekt ausgelöst wird.
Die Auswerteeinrichtung ist vorteilhafterweise ausgestaltet, ein erstes Detektionssignal bereitzustellen, sobald das erste elektrische Signal den ersten Schwellenwert überschreitet, und ein zweites Detektionssignal bereitzustellen, sobald das zweite elektrische Signal den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Des Weiteren kann die Sensoreinrichtung eine Kompensationselektrode aufweisen, welche mit der Auswerteeinrichtung koppelbar ist. Die Auswerteeinrichtung kann ausgestaltet sein, in dem ersten Betriebsmodus die Kompensationselektrode mit einem dritten elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, wobei die Phase und/oder die Amplitude des dritten elektrischen Wechselsignals verschieden von der Phase und/oder der Amplitude des ersten elektrischen Wechselsignals ist.
Vorteilhafterweise sind die Kompensationselektrode, die Empfangselektrode und die Feldmesselektrode so relativ zueinander angeordnet, dass ein an der Kompensationselektrode emittiertes elektrisches Wechselfeld im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode eingekoppelt werden kann.
Mit Hilfe des an der Kompensationselektrode emittierten elektrischen Wechselfeldes kann die Sensivität der Sensoreinrichtung in dem ersten Betriebsmodus eingestellt werden.
Es wird auch ein Verfahren zur Annäherungs- und Berührungsdetektion mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung offenbart, wobei die Sendeelektrode mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, so dass an der Sendeelektrode ein erstes elektrisches Wechselfeld emittiert wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus ein an der Empfangselektrode abgegriffenes erstes elektrisches Signal ausgewertet wird, und wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Empfangselektrode mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, so dass an der Empfangselektrode ein zweites elektrisches Wechselfeld emittiert wird, und ein an der Feldmesselektrode abgegriffenes zweites elektrisches Signal ausgewertet wird.
Das erste elektrische Wechselfeld ist in die Empfangselektrode (EE) und in die Feldmesselektrode (FE) einkoppelbar, und das zweite elektrische Wechselfeld (WE) ist in die Feldmesselektrode (FE) einkoppelbar.
Dem ersten Betriebsmodus kann ein erster Schwellenwert zugeordnet werden, welcher indikativ für eine Berührung der Sensoreinrichtung durch ein Objekt ist, wobei die Sensoreinrichtung von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wechselt, sobald das erste elektrische Signal den ersten Schwellenwert überschreitet.
Dem zweiten Betriebsmodus kann ein zweiter Schwellenwert zugeordnet werden, welcher indikativ für eine Annäherung des Objektes an die Sensoreinrichtung ist, wobei der zweite Schwellenwert in Abhängigkeit vom ersten Schwellenwert gewählt wird.
In dem ersten Betriebsmodus kann die Kompensationselektrode mit einem dritten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, wobei die Phase und/oder die Amplitude des dritten elektrischen Wechselsignals verschieden von der Phase und/oder der Amplitude des ersten elektrischen Wechselsignals ist.
Bereitgestellt wird durch die Erfindung auch ein elektrisches Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Das Handgerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon, eine Computermaus, eine Fernbedienung, ein Eingabemittel für eine Spielkonsole, ein mobiler Kleincomputer, oder dergleichen sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 drei Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus (Berührungsdetektion) betrieben werden;
2a, 2b Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem zweiten Betriebsmodus (Annäherungsdetektion) betrieben werden;
3 eine weitere Ausgestaltung von Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung für den Betrieb in dem ersten Betriebsmodus (Berührungsdetektion);
4 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
5 eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät; und
6a, 6b Beispiele für eine Anordnung der Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Feldmesselektroden für die Annäherungsdetektion.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt drei Sensorelektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden. Als erster Betriebsmodus wird jener Betriebsmodus bezeichnet, in welchem ein Berühren der Sensoreinrichtung durch eine Hand detektiert wird. Die Sensorelektroden können an oder in einem elektrischen Handgerät angeordnet sein, um ein Berühren bzw. ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes zu detektieren. Beispiele einer Anordnung der Sensorelektroden an einem Handgerät werden mit Bezug auf die 5 und 6 näher beschrieben.
Die Sensoreinrichtung umfasst eine Sendeelektrode SE, eine Empfangselektrode EE und eine Feldmesselektrode FE. In dem ersten Betriebsmodus, d. h. in dem Betriebsmodus, in welchem das Berühren der Sensoreinrichtung bzw. das Berühren eines elektrischen Handgerätes, in welchem die Sensoreinrichtung angeordnet ist, durch eine Hand detektiert wird, wird die Sendeelektrode SE mit einer ersten elektrischen Wechselgröße einer bestimmten Frequenz und Amplitude beaufschlagt. Die erste elektrische Wechselgröße kann von einem hier nicht gezeigten Signalgenerator bereitgestellt werden. Die erste elektrische Wechselgröße wird im Folgenden als erstes Wechselsignal oder als erstes elektrisches Wechselsignal bezeichnet.
Das an der Sendeelektrode SE beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS1 weist eine Frequenz von etwa zwischen 50 kHz und 300 kHz auf. Bevorzugt weist das an der Sendeelektrode SE beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal eine Frequenz zwischen 75 kHz und 150 kHz auf.
Die Sendeelektrode SE bzw. das an ihr beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal WS1 sind so ausgelegt, dass das von der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist. Insbesondere ist die Sendeelektrode SE bzw. das an ihr beaufschlagte erste elektrische Wechselsignal WS1 so ausgelegt, dass das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS bei einer Annäherung, etwa einer Hand, an die Sensorelektrode SE und an die Empfangselektrode EE über die sich annähernde Hand in die Empfangselektrode EE einkoppelt. Das in die Empfangselektrode EE eingekoppelte elektrische Wechselfeld WS bewirkt, dass zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein Feldstrom fließt, welcher als Indikator für die Annäherung einer Hand an die Sendelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. für ein Berühren der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE durch eine Hand verwendet wird.
Beim Fehlen einer Hand, d. h. wenn sich keine Hand der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE annähert bzw. wenn die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE nicht von einer Hand berührt werden, weist der zwischen diesen beiden Elektroden SE, EE fließende Feldstrom einen Pegel auf, welcher unterhalb eines vorbestimmten Schaltpegels liegt. Erst bei einem ausreichend kleinen Abstand einer Hand zu den Elektroden SE, EE übersteigt der zwischen den beiden Elektroden SE und EE fließende Feldstrom den vorbestimmten Schaltpegel, so dass eine Annäherung an diese beiden Elektroden detektiert wird.
In dem ersten Betriebsmodus ist die in 1 gezeigte Feldmesselektrode FE inaktiv, d. h. dass an der Feldmesselektrode FE weder ein Wechselsignal beaufschlagt wird, noch ein elektrisches Signal an der Feldmesselektrode FE abgegriffen wird. Die Feldmesselektrode FE ist dazu vorgesehen, eine Annäherung, beispielsweise einer weiteren Hand, an die Sensoreinrichtung zu detektieren, nachdem in dem ersten Betriebsmodus eine Annäherung an die Sendeelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. ein Berühren der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE durch eine Hand detektiert worden ist.
Sobald der zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE fließende Feldstrom einen vorbestimmten Schwellenwert bzw. einen vorbestimmten Schaltpegel überschreitet, wechselt die Sensoreinrichtung von dem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus. In dem zweiten Betriebsmodus wird eine weitere Annäherung, etwa einer zweiten Hand an die Sensoreinrichtung detektiert. Die Detektion einer weiteren Annäherung an die Sensoreinrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf die 2a und 2b näher erläutert.
2a zeigt die in 1 gezeigten Sensorelektroden SE, EE, FE, welche in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. In diesem zweiten Betriebsmodus wird die Sendeelektrode SE mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt, so dass an der Sendeelektrode SE ein elektrisches Wechselfeld WS emittiert wird. In dem zweiten Betriebsmodus wird die Empfangselektrode EE ebenfalls als eine Sendeelektrode verwendet, d. h. an der Empfangselektrode EE wird ein zweites elektrisches Wechselsignal WS2 beaufschlagt, so dass an der Empfangselektrode EE ein elektrisches Wechselfeld WE emittiert wird.
Die an der Sendeelektrode SE und an der Empfangselektrode EE beaufschlagten elektrischen Wechselsignale WS1, WS2 sind so ausgelegt, dass die an der Sendeelektrode SE bzw. an der Empfangselektrode EE abgestrahlten elektrischen Wechselfelder WS bzw. WE in die Feldmesselektrode FE einkoppeln. Die elektrischen Wechselsignale WS1, WS2 sind insbesondere so ausgelegt, dass die an der Sendeelektrode SE bzw. an der Empfangselektrode EE abgestrahlten elektrischen Wechselfelder WS und WE dann in die Feldmesselektrode FE einkoppeln, wenn sich ein Objekt, beispielsweise eine Hand, der Sensoreinrichtung annähert, so dass die elektrischen Wechselfelder WS, WE über die sich annähernde Hand in die Feldmesselektrode FE einkoppeln.
Die elektrischen Wechselsignale WS1 und WS2 können identisch sein, d. h. sie können jeweils die gleiche Amplitude, gleiche Frequenz und gleiche Phasenlage aufweisen.
Die elektrischen Wechselsignale WS1 und WS2 können aber auch verschieden sein, wobei die Signalparameter Amplitude, Frequenz und/oder Phasenlage verschieden sein können.
Eine Feldkoppelung zwischen den Elektroden SE, EE und der Feldmesselektrode FE ist in 2b gezeigt. In diesem Beispiel wird die Sensoreinrichtung, welche beispielsweise in einem elektrischen Handgerät angeordnet sein kann, von einem Benutzer an sein Ohr geführt, so dass die elektrischen Wechselfelder WS und WE über den Kopf des Benutzers in die Feldmesselektrode FE einkoppeln. Die an der Feldmesselektrode FE eingekoppelten Wechselfelder WS und WE, d. h. dass aus den Wechselfeldern WS und WE resultierenden Wechselfeld, bewirkt, dass zwischen den Elektroden SE und EE und der Feldmesselektrode FE ein Feldstrom fließt, welcher als Indikator für die Annäherung eines Objektes, beispielsweise eines Kopfes, an die Sensoreinrichtung verwendet werden kann, nachdem eine Annäherung bzw. ein Berühren der Sensoreinrichtung in den ersten Betriebsmodus stattgefunden hat.
Beim Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird die Empfangselektrode EE von einem Empfangsmodus in einen Sendemodus umgeschaltet. Dadurch addieren sich die beiden Koppelkapazitäten zwischen der Sendeelektrode SE und dem Kopf des Benutzers und zwischen der Empfangselektrode EE und dem Kopf des Benutzers. Durch den Betrieb der Empfangselektrode EE in dem zweiten Betriebsmodus als weitere Sendeelektrode wird der Einfluss der Empfangselektrode EE auf die Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus, welcher sich ergeben würde, wenn die Empfangselektrode EE in dem zweiten Betriebsmodus weiterhin als Empfangselektrode betrieben würde, verringert, weil die Empfangselektrode EE keinen Spannungsteiler bildet, welcher den in der Feldmesselektrode FE fließenden Feldstrom beeinflusst.
Beim Umschalten in den zweiten Betriebsmodus kann auch das erste elektrische Wechselsignal WS geändert werden, d. h. es kann z. B. die Frequenz und/oder die Amplitude angepasst werden.
Die Detektion einer Annäherung an die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus wird dabei nahezu vollständig unabhängig von der Berührung der Sensoreinrichtung durch eine Hand, welche in dem ersten Betriebsmodus detektiert worden ist. Die Detektion der Annäherung an die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus wird dabei deutlich robuster und der an der Feldmesselektrode FE gemessene Feldstrom kann als zuverlässiges Maß für die Annäherung des Benutzers an die Sensoreinrichtung herangezogen werden.
Sobald der an der Feldmesselektrode FE fließende Feldstrom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann dies als Indikator für eine bestimmte Annäherung des Benutzers an die Sensoreinrichtung herangezogen werden.
Um die Detektionsgenauigkeit und die Robustheit der Annäherungsdetektion in den zweiten Betriebsmodus noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, den Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit vom Schwellenwert im ersten Betriebsmodus zu wählen. Damit wird erreicht, dass der Abstand eines Benutzers zur Sensoreinrichtung, bei welchem im zweiten Betriebsmodus der Schwellenwert überschritten wird, im Wesentlichen konstant bleibt. Das bedeutet, dass der Abstand, bei welchem der Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus überschritten wird, unabhängig davon ist, wie beispielsweise ein Handgerät mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gehalten wird oder wie fest ein Handgerät von einer Hand umgriffen wird.
Der Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus wird im Wesentlichen in Abhängigkeit von der kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung über den Benutzer zur Erde eingestellt. Bei einer geringen kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung über den Benutzer gegen Erde wird in dem ersten Betriebsmodus zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein großer Feldstrom fließen, so dass der Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus entsprechend angehoben werden kann. Ist die kapazitive Koppelung zwischen der Sensoreinrichtung über den Benutzer gegen Erde besonders gut, wird in dem ersten Betriebsmodus zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE ein wesentlich kleinerer Strom fließen, so dass der Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus auch entsprechend klein eingestellt wird.
Dem Schwellenwert im zweiten Betriebsmodus kann beispielsweise eine Gerätefunktion zugeordnet werden, welche ausgelöst wird, sobald der zweite Schwellenwert überschritten wird. Ist beispielsweise die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in einem Mobiltelefon angeordnet, kann dem Schwellenwert in dem zweiten Betriebsmodus eine Gerätefunktion des Mobiltelefons zugeordnet sein, welche beim Überschreiten dieses Schwellenwertes das Display des Mobiltelefons ausschaltet. Indem der Schwellenwert in den zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Schwellenwert in dem ersten Betriebsmodus gewählt wird, wird vermieden, dass ein Benutzer unterschiedliche Auslöseschwellen, beispielsweise für das Abschalten des Displays eines Mobiltelefons, bemerkt bzw. wahrnimmt.
3 zeigt die Sensorelektroden SE, KE, EE einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden. Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Sensorelektroden weist die Sensoreinrichtung eine Kompensationselektrode KE auf.
Die Kompensationselektrode KE wird in dem ersten Betriebsmodus mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, welches vorzugsweise die Wellenform und die Frequenz des elektrischen Wechselsignals WS1 aufweist, mit welchem die Sendeelektrode SE beaufschlagt wird. Das elektrische Wechselsignal WS3, mit welchem die Kompensationselektrode KE beaufschlagt wird, ist gegenüber dem elektrischen Wechselsignal WS1 an der Sendeelektrode SE phasenverschoben. Die Phasenverschiebung kann beispielsweise mit einem Phasenschieber bewerkstelligt werden, wie mit Bezug auf 4 näher beschrieben wird. Anstelle eines Phasenschiebers kann auch Inverter vorgesehen sein. Zusätzlich zum Phasenschieber bzw. Inverter kann auch ein Dämpfungsglied vorgesehen sein, um die die Amplitude des an der Kompensationselektrode beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS3 zu dämpfen.
Die Kompensationselektrode KE bzw. das an ihr beaufschlagte elektrische Wechselsignal WS3 ist so ausgelegt, dass das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld WK in die Empfangselektrode EE einkoppelbar ist.
Durch das an der Kompensationselektrode KE emittierte elektrische Wechselfeld WK wird der Pegel des an der Empfangselektrode EE einwirkenden elektrischen Wechselfeldes, welches aus den elektrischen Wechselfeldern WS und WK resultiert, reduziert bzw. bei einer gegenphasigen Überlagerung, d. h. bei einer Phasenverschiebung von 180° (nahezu) ausgelöscht.
Bei einer sich an die Elektroden SE, KE und EE annähernden Hand wird die Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE zunehmend besser, weil das an der Sendeelektrode SE emittierte elektrische Wechselfeld WS teilweise über die sich annähernde Hand in die Empfangselektrode EE einkoppelt und sich somit dem Wirkungsbereich des an der Kompensationselektrode KE emittierten elektrischen Wechselfeldes WK entzieht. Die sich annähernde Hand wirkt dabei quasi als Überbrückung der Kompensationselektrode KE.
Die Anordnung der Sendeelektrode SE, der Kompensationselektrode KE und der Empfangselektrode EE an einem elektrischen Handgerät ist vorzugsweise so gewählt, dass der Überbrückungseffekt zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE nicht mit einem einzelnen Finger herstellbar ist, so dass bei einer entsprechenden Anordnung der Sendeelektrode SE relativ zur Empfangselektrode EE ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand zuverlässig detektiert werden kann. Damit wird erreicht, dass ein Umgreifen eines Handgerätes zuverlässig detektiert werden kann, bevor die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die Elektroden FE, EE, KE und SE sind jeweils mit einer Auswerteeinrichtung A gekoppelt. Die Kompensationselektrode KE und die Sendeelektrode SE sind dabei so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass diese von der Auswerteeinrichtung A jeweils mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 bzw. WS1 beaufschlagbar sind. Die Feldmesselektroden FE sind so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass ein an den Feldmesselektroden FE anliegendes elektrisches Signal S2 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die Empfangselektrode EE ist so mit der Auswerteeinrichtung A gekoppelt, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus der Sensoreinrichtung die Empfangselektrode EE entweder mit einem elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagbar ist oder ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zuführbar ist.
Die in 4 gezeigte Schalterstellung der Schalter T1 und T2 entspricht der Schalterstellung in dem zweiten Betriebsmodus. Wie aus 4 erkennbar ist, wird in diesem zweiten Betriebsmodus die Sendeelektrode SE von einem Signalgenerator G mit einem ersten elektrischen Wechselsignal WS1 beaufschlagt und die Empfangselektrode EE mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal WS2 beaufschlagt. In einer Ausführungsform können die elektrischen Wechselsignal WS1 und WS2 identisch sein.
Alternativ kann das zweite elektrische Wechselsignal WS2 auch verschieden vom ersten elektrischen Wechselsignal WS1 sein. Um dies zu erreichen, kann das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Signal zunächst einem Modulationsglied M zugeführt werden. Das vom Modulationsglied M bereitgestellte modulierte, d. h. veränderte Generatorsignal wird dann an der Empfangselektrode EE beaufschlagt.
Das Modulationsglied M kann etwa die Amplitude des Generatorsignals ändern. Anstelle des Modulationsgliedes M kann auch ein zweiter Signalgenerator vorgesehen sein, welcher ein vom ersten elektrischen Wechselsignal WS1 verschiedenes zweites elektrisches Wechselsignal WS2 bereitstellt.
Der Schalter T1 befindet sich in geöffneter Stellung, so dass die Kompensationselektrode KE von dem Signalgenerator G nicht mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird. In diesem hier gezeigten Betriebsmodus wird an der Sendeelektrode SE und an der Empfangselektrode EE jeweils ein elektrisches Wechselfeld emittiert, welches in die Feldmesselektroden FE einkoppelt. Das an der Feldmesselektrode FE abgegriffene Signal S2 wird der Auswerteeinrichtung A zugeführt.
In dem ersten Betriebsmodus, d. h. in dem Betriebsmodus, in welchem die Annäherung an die Sendeelektrode SE und an die Empfangselektrode EE bzw. die Berührung der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE detektiert wird, befindet sich der Schalter T1 in geschlossener Stellung und der Schalter T2 befindet sich in einer Stellung, in welcher das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Wechselsignal WS2 nicht an der Empfangselektrode EE beaufschlagt wird. In dem ersten Betriebsmodus wird das an der Empfangselektrode EE abgegriffene Signal S1 der Auswerteeinrichtung A zugeführt. Die Kompensationselektrode KE wird mit einem elektrischen Wechselsignal WS3 beaufschlagt, welches phasenverschoben zu dem an der Sendeelektrode SE beaufschlagten elektrischen Wechselsignals WS ist. Hierzu kann beispielsweise ein Phasenschieber Δφ vorgesehen sein. Die Phasenverschiebung kann zwischen 0° und 180° eingestellt werden. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass eine Phasenverschiebung zwischen 90° und 180° und besonders bevorzugt eine Phasenverschiebung zwischen 140° und 180° besonders vorteilhaft sind.
In einer weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsform kann anstelle eines Phasenschiebers auch ein Inverter vorgesehen sein, mit welchem das von dem Signalgenerator G bereitgestellte Wechselsignal invertiert wird. Vorzugsweise wird das elektrische Wechselsignal WS2 gedämpft, so dass an der Kompensationselektrode KE im Wesentlichen ein Wechselsignal WS3 beaufschlagt wird, welches 180° phasenverschoben zu dem Wechselsignal WS1 an der Sendeelektrode SE ist und gleichzeitig eine kleinere Amplitude als das Wechselsignal WS1 aufweist.
Die Auswerteeinrichtung A stellt in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Detektionssignale DS1 und DS2 bereit, wobei das Detektionssignal DS1 als Indikator für ein Überschreiten des ersten Schwellenwertes in dem ersten Betriebsmodus und das zweite Detektionssignal DS2 als Indikator für ein Überschreiten des zweiten Schwellenwertes in dem zweiten Betriebsmodus verwendet werden können.
5 zeigt beispielhaft eine Anordnung der Elektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät, etwa ein Mobiltelefon. Im unteren Bereich des Handgeräts sind am linken Randbereich die Sendeelektrode SE und am rechten Randbereich die Empfangselektrode EE und gegebenenfalls die Kompensationselektrode KE angeordnet. Wird nun das elektrische Handgerät im unteren Bereich durch eine Hand umfasst, werden die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE durch die Hand zumindest teilweise überdeckt. Durch das Umgreifen des Handgeräts durch eine Hand kommt es zu einer signifikanten Vergrößerung der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE, was sich auf den in der Empfangselektrode EE fließenden Feldstrom auswirkt. Die Wirkungsweise ist bereits mit Bezug auf 1 und 3 beschrieben worden.
Im oberen Bereich des elektrischen Handgerätes ist hier eine Feldmesselektrode FE angeordnet. Die Feldmesselektrode FE ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei einem Umgreifen des Handgeräts durch eine Hand die kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Feldmesselektrode FE nicht wesentlich beeinflusst bzw. nicht wesentlich verbessert wird. Nähert sich nun in dem zweiten Betriebsmodus eine zweite Hand der Feldmesselektrode FE, verbessert sich die kapazitive Koppelung zwischen den Elektroden SE, EE und der Feldmesselektrode FE signifikant, dass sich wiederum auf den in der Feldmesselektrode FE fließenden Feldstrom auswirkt.
Der untere Bereich des Handgerätes wird hier als „Grip-Zone” bezeichnet, der obere Bereich des Handgerätes wird als „Prox-Zone” bezeichnet. Ein mögliches Anwendungsszenario der in 5 gezeigten Elektrodenanordnung besteht darin, dass bei einem Mobiltelefon das Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand und die Annäherung des Mobiltelefons an ein Ohr des Benutzers detektiert werden können, wobei für die Annäherung des Mobiltelefons an das Ohr des Benutzers die Sensoreinrichtung in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, nach dem ein Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand detektiert worden ist.
Die von der Auswerteeinrichtung bereitgestellten Detektionssignale DS1 bzw. DS2 können dann beispielsweise derart verwendet werden, dass bei einem eingehenden Anruf das Klingeln des Mobiltelefons abgestellt wird, sobald das Mobiltelefon durch eine Hand umgriffen wird und dass die Displaybeleuchtung des Mobiltelefons automatisch abgeschaltet wird, sobald das Mobiltelefon ans Ohr gehalten wird. Ebenso kann beim Umgreifen des Mobiltelefons oder sobald das Mobiltelefon ans Ohr gehalten wird, ein eingehender Anruf automatisch angenommen werden. Es müssen also keinerlei Tasten mehr betätigt werden, um einen eingehenden Anruf anzunehmen. Die Ergonomie und die Benutzerfreundlichkeit des Mobiltelefons können so deutlich verbessert werden. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung erreicht, dass sich die Annäherungsdetektion in dem zweiten Betriebsmodus unabhängig von der kapazitiven Koppelung der Sensoreinrichtung zur Erde immer gleich verhält, d. h. dass der Abstand, bei welchem eine dem zweiten Schwellenwert zugeordnete Aktion ausgelöst wird, immer derselbe ist.
6a und 6b zeigen zwei weitere Beispiele für die Anordnung der Elektroden einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem elektrischen Handgerät.
In 6a sind im unteren Bereich des Handgerätes die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE und gegebenenfalls die Kompensationselektrode KE angeordnet. Im oberen Bereich des Handgerätes sind an beiden Seiten jeweils eine Feldmesselektrode FE angeordnet.
In diesem Beispiel können die Feldmesselektroden FE als Ersatz für herkömmliche mechanische Tasten bzw. Schalter verwendet werden. Beispielsweise können die Feldmesselektroden FE bzw. das den Feldmesselektroden FE zugeordnete Detektionssignal mit einer Telefonbuchfunktion eines Mobiltelefons verknüpft sein. Umgreift ein Benutzer nun das Mobiltelefon mit einer Hand und nähert er sich beispielsweise nach dem Umgreifen mit dem Daumen der rechten oder der linken Feldmesselektrode FE, kann das Mobiltelefon automatisch in den Telefonbuchmodus umgeschaltet werden.
Mit der in 6b gezeigten Anordnung der Feldmesselektroden FE kann die Detektionsgenauigkeit für eine Annäherung an die Sensoreinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus noch weiter erhöht werden, da die Annäherung an das Mobiltelefon in dem zweiten Betriebsmodus auch unabhängig davon detektiert werden kann, ob sich ein Benutzer von rechts oder von links an das Mobiltelefon annähert.
Die hier gezeigte und beschriebene Sensoreinrichtung kann auch dazu verwendet werden, um ein Handgerät, etwa ein Mobiltelefon, beim Umgreifen des Mobiltelefons von einem Schlafmodus in einen Aktivmodus zu überführen. Dadurch kann der Energieverbrauch eines Mobiltelefons deutlich reduziert werden, indem das Mobiltelefon sich nur dann in dem Aktivmodus befindet, wenn es auch tatsächlich von einer Hand umgriffen wird bzw. sich in Benutzung befindet.
Vorgehend ist die Sensoreinrichtung am Beispiel eines Mobiltelefons näher erläutert worden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann auch in einer Computermaus, einer Fernbedienung, einem Eingabemittel für eine Spielkonsole, einem mobilen Kleincomputer, oder dergleichen angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann auch für größere elektrische Geräte vorgesehen sein, bei welchen es beispielsweise notwendig ist, eine Berührung des Gerätes zu detektieren und im Anschluss an die Berührung eine weitere Annäherung an das Gerät zu detektieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69719321 T2 [0004, 0004]
DE 69718069 T2 [0004, 0004]

Claims

Sensoreinrichtung, umfassend – zumindest eine Sendeelektrode (SE), zumindest eine Empfangselektrode (EE) und zumindest eine Feldmesselektrode (FE), wobei die Empfangselektrode (EE) in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, und – eine Auswerteeinrichtung (A), welche mit der Sendeelektrode (SE), der Empfangselektrode (EE) und der Feldmesselektrode (FE) gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist – die Sendeelektrode (SE) mit einem ersten elektrischen Wechselsignal (WS1) zu beaufschlagen, – in dem ersten Betriebsmodus ein an der Empfangselektrode (EE) abgegriffenes erstes elektrisches Signal (S1) auszuwerten und in dem zweiten Betriebsmodus die Empfangselektrode (EE) mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal (WS2) zu beaufschlagen, und – ein an der Feldmesselektrode (FE) abgegriffenes zweites elektrisches Signal (S2) auszuwerten.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode (SE) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) in die Empfangselektrode (EE) und in die Feldmesselektrode (FE) einkoppelbar ist, und in dem zweiten Betriebsmodus ein an der Sendeelektrode (SE) emittiertes erstes elektrisches Wechselfeld (WS) und ein an der Empfangselektrode (EE) emittiertes zweites elektrisches Wechselfeld (WE) in die Feldmesselektrode (FE) einkoppelbar sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei – in dem ersten Betriebsmodus das an der Empfangselektrode (EE) abgegriffene erste elektrische Signal (S1), und – in dem zweiten Betriebsmodus das an der Feldmesselektrode (FE) abgegriffene zweite elektrische Signal (S2) indikativ für eine Annäherung eines Objektes an die Sensoreinrichtung sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei dem ersten Betriebsmodus ein erster Schwellenwert zuordenbar ist und wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln, sobald das erste elektrische Signal (S1) den ersten Schwellenwert überschreitet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei dem zweiten Betriebsmodus ein zweiter Schwellenwert zuordenbar ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, den zweiten Schwellenwert in Abhängigkeit von dem ersten Schwellenwert zu wählen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist – ein erstes Detektionssignal (DS1) bereitzustellen, sobald das erste elektrische Signal (S1) den ersten Schwellenwert überschreitet, und – ein zweites Detektionssignal (DS2) bereitzustellen, sobald das zweite elektrische Signal (S2) den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Kompensationselektrode (KE), welche mit der Auswerteeinrichtung (A) koppelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (A) ausgestaltet ist, in dem ersten Betriebsmodus die Kompensationselektrode (KE) mit einem dritten elektrischen Wechselsignal (WS3) zu beaufschlagen, wobei die Phase und/oder die Amplitude des dritten elektrischen Wechselsignals (WS3) verschieden von der Phase und/oder der Amplitude des ersten elektrischen Wechselsignals (WS1) ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Kompensationselektrode (KE), die Empfangselektrode (EE) und die Feldmesselektrode (FE) so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein an der Kompensationselektrode (KE) emittiertes elektrisches Wechselfeld (WK) im Wesentlichen nur in die Empfangselektrode (EE) einkoppelbar ist.