DE69310981T2 - Telekommunikations-Gerät mit kapazitiver Steuereinrichtung - Google Patents

Telekommunikations-Gerät mit kapazitiver Steuereinrichtung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Telekommunikationsgerät mit einer Handapparateinheit mit einem Sprechteil und einem Hörer.
  • Kapazitive Näherungssensoren werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel werden solche Sensoren anstelle von Drucktasten in Tastaturen und Bedienfeldern verwendet, als Grenzschalter in verschiedenen Gerätearten zum Erkennen der Strömung trockener und flüssiger Materialien in Rohren und zum Erkennen von Relativbewegung von Objekten. Verschiedene andere Arten von Regelsystemen, bei denen kapazitive Näherungseffekte verwendet werden, sind ebenfalls gut bekannt. Zum Beispiel wird in Figur 8 des U.S.-Patents Nr. 4 893 071 für Gabriel L. Miller eine Ausführungsform eines kapazitiven Näherungssensors als Teil eines Positionsregelsystems offenbart.
  • Systeme, die kapazitive Näherungssensoren einsetzen, messen typischerweise die Kapazität, oder die Änderung der Kapazität, einer Meßelektrode bezüglich ihres Umfelds, wenn sich ein zuerfassendes Objekt relativ zur Elektrode bewegt. Typischerweise ist die Meßelektrode mit einer Wechselstrom- oder Hochfrequenzquelle (HF-Quelle) verbunden, und der Strom zur Elektrode wird überwacht, um solche Kapazitätsänderungen zu erkennen.
  • Beim Entwurf solch eines Systems muß darauf geachtet werden, daß nicht nur die Meßelektrode, sondern auch die Verdrahtung zu einer solchen Elektrode von Streukapazitäten zur Erde oder zu anderen Leitern abgeschirmt wird. Abhängig von der Anwendung für den Sensor kann solches Abschirmen einfach oder kompliziert sein. Die Meßelektrode wird typischerweise durch eine Abschirmungs- oder Schutzelektrode geschützt, die so geformt ist, daß sie die Meßelektrode schützt. Ein Beispiel ist eine Meßelektrode und eine Schutzelektrode, die auf verschiedenen Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet sind, wie im U.S.-Patent Nr. 4 766 368 für Harold A. Cox gezeigt wird.
  • Aufgrund der großen Vielfalt von Anwendungen für Kapazitäts-Näherungssensoren ist es wünschenswert, die Möglichkeit zu haben, Meßelektroden in verschiedenen Formen und Größen auszubilden. Aufgrund der Notwendigkeit, solche Elektroden abzuschirmen, ist es außerdem wünschenswert, die Abschirmung zusammen mit der Elektrode auszubilden. Weiterhin sind für die Ansteuerung solcher abgeschirmter Elektroden elektrische Mittel wünschenswert, die einfach und zuverlässig sind und die mit verschiedenen Formen, Größen und Typen von Elektroden verwendet werden können.
  • DE-A-34 01 883 offenbart ein System, in dem z.B. ein Näherungssensor mit einem elektrischen Feld die Annäherung des Kopfes eines Benutzers erkennt und die Funktion eines Mikrofons einleitet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Telekommunikationsgerät nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Kapazitive Näherungssensoren können in verschiedenen Formen und Größen gefertigt werden. Jeder solche Sensor enthält eine Meßelektrode und eine Schutzelektrode, die voneinander durch eine Isolierschicht oder ein sonstiges Mittel getrennt sind. Ein solcher Sensor kann aus einer doppelseitigen Leiterplatte gefertigt werden, die passend für die Anwendung geformt wird. Ein solcher Sensor wird beschrieben, bei dem die Elektroden-Isolator- Schutzelektrodenschichtung des Sensors transparent ist. Andere Sensoren werden beschrieben, die rahmen- oder ringförmig geformt sind oder die aus leitendem Maschengitter hergestellt sind. Solche Sensoren können klein oder beliebig groß sein.
  • Unabhängig von der Größe, Form oder dem Material des Sensors werden die Meßelektrode und die Schutzelektrode gemeinsam durch eine HF-Quelle angesteuert. Die Kapazitat zwischen der Meßelektrode und ihrem Umfeld ändert sich, wenn ein Objekt in die Nähe gebracht wird. Diese Kapazitätsänderung wird erkannt, indem Änderungen des HF-Verschiebungsstroms gemessen werden, der von der Meßelektrode fließt. Die Schutzelektrode schirmt die Meßelektrode von Objekten auf ihrer Seite des Sensors ab. Da beide Elektroden gemeinsam angesteuert werden, fließt zwischen ihnen kein Strom. Änderungen der Kapazität der Schutzelektrode haben keine Auswirkung.
  • Eine zweckmäßige Art der Messung von Änderungen des von der Meßelektrode fließenden Stroms ist mittels eines Synchrondetektors.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • FIG. 1 zeigt eine zusammengesetzte Ansicht eines kapazitiven Näherungssensors, der von einem durch einen bifilaren Transformator angelegten HF- Signal angesteuert wird.
  • FIG. 2 zeigt einen ringförmigen kapazitiven Näherungssensor für die Verwendung mit einem Telefonhandapparat zur Ertfassung des Abstands zwischen dem Sprechteil und dem Mund des Benutzers.
  • FIG. 3 zeigt einen alternativen kapazitiven Näherungssensor, der Maschengitterelektroden für die in FIG. 2 gezeigte Anwendung verwendet.
  • FIG. 4 zeigt einen ähnlichen Sensor wie den von FIG. 2, jedoch so angeordnet, daß er abhängig von dem Abstand zwischen dem Hörer und dem Ohr des Benutzers die Funktionsbetriebsart eines Telefonhandapparats entweder als ein gewöhnlicher Handapparat oder als ein Lautfernsprecher steuert.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • FIG. 1 ist eine zusammengesetzte Darstellung eines rechteckigen kapazitiven Näherungssensors 10 und einer dazu gehörenden Ansteuerschaltungsanordnung 20. Der Sensor 10 enthält eine leitende Meßelektrode 11, eine leitende Schutzelektrode 12 und einen Isolator 13. Die Form, Größe und das Material des Sensors kann passend für die Anwendung gewählt werden. Zum Beispiel kann der Sensor ein einfaches Quadrat, Rechteck, ein Kreis oder eine kompliziertere Form sein und kann so hergestellt werden, daß er sich an eine gekrümmte oder unregelmäßige Oberfläche anpaßt. Der Sensor kann in der Form eines Rings oder eines "Bilderrahmens" hergestellt werden, so daß er ein Objekt umgibt. Materialien für den Sensor können undurchsichtig oder transparent sein. Verschiedene Beispiele von Sensoren werden nachfolgend beschrieben.
  • Der Sensor 10 ist mit der Schaltung 20 mittels eines abgeschirmten Kabels 15 verbunden, wobei die Abschirmung und der Mittelleiter des Kabels 15 am Sensorende mit der Schutzelektrode 12 bzw. der Meßelektrode 11 verbunden ist. Die HF-Quelle 21 steuert die Abschirmung des Kabels 15 direkt und den Mittelleiter des Kabels 15 durch den bifilaren Transformator 22 an&sub1; so daß die Meßelektrode und die Schutzelektrode gemeinsam angesteuert werden. Ein Sekundäranschluß des Transformators 22 ist mit einem solchen Mittelleiter verbunden, das andere Ende ist mit einem Eingang des Operationsverstärkers 23 verbunden, der zusammen mit dem Kondensator 26 und dem Widerstand 27 als ein Integrator funktioniert. Die Ausgänge des Verstärkers 23 und der Quelle 21 sind mit Eingängen des Synchrondetektors 24 verbunden, dessen Ausgang die Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen den Signalen von dem Verstärker 23 und der Quelle 21 anzeigt.
  • Ein Vorteil der durch den Sensor 11, den Transformator 22 und den Kondensator 25 gebildeten Schaltung ist, daß eine solche Schaltung eigentlich eine Art passive HF-Brücke bildet, die zeitlich hochstabil ist. Somit ist die Schaltung, sobald sie mittels des Kondensators 25 eingestellt wurde, relativ stabil und driftfrei.
  • Der Synchrondetektor 24 richtet das Ausgangssignal des Verstärkers 23 gleich, indem er unter Steuerung des Signal aus der Quelle 21 wechselweise zwischen den invertierten und nichtinvertierten Versionen eines solchen Ausgangssignales umschaltet. Synchrondetektoren sind in der Technik gut bekannt, wie zum Beispiel auf Seite 889 von "The Art of Electronics" (Die Kunst der Elektronik), zweite Auflage, von Paul Horowitz und Winfield Hill, Cambridge University Press (1989) gezeigt. Der einstellbare Kondensator 25 dient zum zweckmäßigen Einstellen des "Nullpunkts" des Sensors und Kompensiert die Schaltung für verschiedene Sensorgrößen und Längen des abgeschirmten Kabels. Eine typische Betriebsfrequenz für die HF-Quelle 21 ist 100 kHz
  • Im Betrieb wird der Kondensator 25 so eingestellt, daß das Ausgangssignal aus dem Synchrondetektor 24 ohne Objekte in der näheren Umgebung des Sensors 10 minimal ist. Wenn ein Objekt nahe an den Sensor 10 herangebracht wird (oder wenn der Sensor 10 nahe an ein Objekt herangebracht wird), verursacht die sich ergebende Anderung der Kapazität zwischen der Meßelektrode 11 und ihrem Umfeld eine Änderung des von der Meßelektrode fließenden Verschiebungsstroms, die gleichphasige Komponente des Ausgangssignals von dem Verstärker 23 nimmt zu und das Ausgangssignal des Detektors 24 steigt. Das Ausgangssignal des Detektors 24 kann in analoger Form verwendet oder mit einem Komparator oder Schwellendetektor (nicht gezeigt) verbunden werden, um nur dann ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn das Signal aus dem Phasendetektor 24 einen bestimmten Wert erreicht.
  • FIG. 2 zeigt einen kapazitiven Näherungssensor 50 in der Form eines Kreisrings zur Steuerung eines Signals aus einem Telefonsprechteil 51. Wiederum handelt es sich bei dem Sensor 50 um eine dreilagige Schichtung zweier Leiter mit einem dazwischen liegenden Isolator, und der Sensor ist in FIG. 2 teilweise weggeschnitten, um die Meßelektrode 52, die Isolierschicht 53 und die Schutzelektrode 54 zu zeigen. Der Sensor 50 kann in dem Telefonhandapparat angebracht werden, so daß er das Sprechteil (51) umgibt und das vom Mund des Sprechers zum Sprechteil fortschreitende Schallsignal nicht stört, wobei die Meßelektrode 52 am nächsten zum Gesicht des Sprechers angebracht wird. Das Sprechteil 51 ist durch die Signalsteuerung 55 mit der Telefonleitung verbunden. Der Sensor 50 wird durch ein abgeschirmtes Kabel 56 mit der Näherungsschaltung 57 verbunden, die der Schaltung 20 in FIG. 1 ähnlich ist.
  • Die Näherungsschaltung 57 ist über die Leitung 58 mit der Steuerung 55 verbunden, um das Telefonsignal entsprechend dem Abstand zwischen dem Sensor 50 und dem Gesicht des Benutzers zu steuern. Das heißt, das Gesicht des Sprechers ist das vom Sensor 50 erkannte Objekt.
  • Ein kapazitiver Näherungssensor 50 der in FIG. 2 gezeigten Art wurde aufgebaut und seine Funktion in einem standardmäßigen Telefonhandapparat als zufriedenstellend befunden. Die Anwesenheit der den Handapparat haltenden Hand des Sprechers wirkt sich aufgrund des Abschirmungseffekts der Schutzelektrode nicht auf den Sensor aus. Der Sensor reagiert, wenn eine Hand über das Sprechteil gehalten wird, oder wenn der Telefonhandapparat mit der Sprechteilseite nach unten auf eine leitende Oberfläche gelegt wird. Wenn der Handapparat mit der Sprechteilseite nach oben auf eine Oberfläche gelegt wird, reagiert der Sensor nicht.
  • Eine mögliche Anwendung für den Sensor 50 ist es, wie in FIG. 2 gezeigt, einfach die Amplitude des Sprachsignals entsprechend dem wahrgenommenen Abstand zu steuern. Eine weitere Anwendung ist in Systemen möglich, bei denen der Abstand zwischen dem Mund des Sprechers und dem Sprechteil ständig überwacht werden muß, wie etwa bei Systemen zum Reduzieren oder Eliminieren von Hintergrundgeräuschen bei Telefongesprächen. Manche Systeme verwenden die Eigenschaften des Sprachsignals selbst als das Steuersignal. Ein Vorteil der Verwendung eines kapazitiven Näherungssensors für solche Anwendungen ist, daß die Näherungsmessung völlig unabhängig von dem Sprachsignal selbst ist und unabhängig davon durchgeführt werden kann, ob Sprache vorhanden ist.
  • Ein alternativer kapazitiver Näherungssensor zur Verwendung zusammen mit einem Telefonsprechteil ist in FIG. 3 gezeigt. Im Sensor 75 sind die Meßelektrode 76 und die Schutzelektrode 77 aus einem leitenden Maschengitter hergestellt. Ein (nicht gezeigter) Isolator, wie z.B. ein offenzelliger Schaumstoff, kann zwischen den Elektroden plaziert sein, oder die Elektroden können in einem isolierenden Rahmen voneinander beabstandet sein. Die Wirkung des Sensors 75 ist ähnlich wie bei den anderen, oben beschriebenen Sensoren.
  • Es ist zu beachten, daß die Analogfähigkeit des kapazitiven Näherungssensors in dieser Anwendung ausgenutzt werden kann. Das heißt, das Steuersignal auf der Leitung 58 kann ein Analogsignal sein, das den Abstand des Sensors 50 vom Gesicht des Sprechers darstellt, und das Telefonsignal aus dem Sprechteil 51 kann gegebenenfalls auf eine analoge Weise gesteuert werden. Solch ein analoges Signal ist jedoch eine nichtlineare Darstellung dieses Abstands, weil die Änderung des Analogsignals innerhalb der letzten wenigen Zoll auftritt, wenn das Sprechteil auf das Gesicht des Sprechers zu bewegt wird.
  • FIG. 4 zeigt den ringförmigen kapazitiven Näherungssensor von FIG. 2 in der Verwendung in Kombination mit einem Mikrofon und einem Lautsprecher in einem Gehäuse, so daß eine Einheit 70 gebildet wird, die entweder als ein Telefonhandapparat auf die übliche Weise oder als als ein Lautfernsprecher verwendet werden kann. In der Einheit 70 sind der ringförmige kapazitive Näherungssensor 60 und der Lautsprecher 63 im Gehäuse 62 zusammen mit dem Mikrofon 61 angebracht. Der Sensor 60 wird in dieser Anwendung dazu verwendet, um den Abstand des Lautsprechers 63 vom Ohr des Benutzers zu messen. Das Mikrofon 61 und der Lautsprecher 63 sind mit der Lautfernsprechersteuerung 64 durch Leitungen 65 verbunden. Der Sensor 60 ist mit der Näherungsschaltung 66 durch das abgeschirmte Kabel 67 verbunden. Die Näherungsschaltung 66 steuert die Steuerung 64 über die Leitung 68.
  • Das Mikrofon 61 und der Lautsprecher 63 haben eine doppelte Funktion: als Sprechteil und Hörer, wenn die Einheit 70 als ein Telefonhandapparat verwendet wird, und als Mikrofon und Lautsprecher, wenn die Einheit 70 als Lautfernsprecher verwendet wird. Die Lautfernsprechersteuerung 64 funktioniert wie durch das Signal auf der Leitung 68 angeleitet in der Telefonoder in der Lautfernsprecherbetriebsart. In der Telefonbetriebsart verringert die Lautfernsprechersteuerung 64 die Verstärkungsfaktoren der zum Lautsprecher 63 und vom Mikrofon 61 führenden Schaltungen, so daß solche Bauteile auf die übliche Weise als ein Telefonsprechteil und ein Telefonhörer funktionieren. In der Lautfernsprecherbetriebsart erhöht die Lautfernsprechersteuerung 64 die Verstärkungsfaktoren solcher Schaltungen, so daß solche Bauteile als ein Lautfernsprecher funktionieren. Die Lautfernsprechersteuerung 64 ist in der Technik gut bekannten Vorrichtungen ähnlich, ausgenommen daß sie durch Steuern der Verstärkungsfaktoren in zu doppelten Funktionen dienenden Bauteilen führenden Schaltungen funktioniert, anstatt zwischen separaten Sprechteil/Hörer- und Mikrofon/Lautsprecher-Einheiten umzuschalten. Selbstverständlich kann die Lautfernsprechersteuerung 64 auch einen manuellen Lautstärkeregler für den Lautsprecher 63 und andere, in der Technik gut bekannte Regler für Lautfernsprecher enthalten.
  • Im Betrieb hat das Signal auf der Leitung 68, wenn sich die Einheit 70 in einigem Abstand vom Kopf des Benutzers befindet, einen niedrigen Pegel, und die Lautfernsprechersteuerung 64 betreibt die Einheit in der Lautfernsprecherbetriebsart. Wenn die Einheit 70 so bewegt wird, daß das Mikrofon 61 und der Sensor 60 nahe am Kopf des Benutzers sind, hat das Signal auf der Leitung 68 einen hohen Pegel, und die Lautfernsprechersteuerung 64 schaltet zur Telefonbetriebsart um.

Claims (4)

1. Telekommunikationsgerät mit einer Handapparateinheit (70) mit einem Sprechteil (61) und einem Hörer (63), mit einer kapazitiven Steuerung zum Steuern der Funktionsweise der Handapparateinheit (70) entsprechend dem Abstand von einem Teil des Handapparats zum Kopf eines Benutzers, wobei die besagte kapazitive Steuerung (60) folgendes enthält:
eine Meßelektrode (52),
eine Isolierschicht (53),
eine von der besagten Meßelektrode durch die besagte Isolierschicht beabstandete und zum Abschirmen der besagten Meßelektrode geformte Schutzelektrode (54),
Näherungsschaltungen (20, 66) mit Mitteln (21, 22, 67) zum Anlegen von HF-Signalen gemeinsam an die besagte Meßelektrode (52) und besagte Schutzelektrode (54), Mitteln (23, 24, 26, 27) zum Erzeugen eines Steuersignals aus Änderungen des die besagte Meßelektrode durchfließenden Stroms, die sich aus der Nähe der Handapparateinheit (70) zum Kopf des Benutzers ergeben, und
ein auf das besagte Steuersignal reagierendes Mittel (64) zum Bewirken, daß die besagte Handapparateinheit (70) als gewöhnlicher Fernsprechhandapparat funktioniert, wenn sich der Hörer (63) in der Nähe des Ohrs des Benutzers befindet, und als Lautfernsprecher, so daß das Sprechteil (61) als Mikrofon funktioniert und der Hörer (63) als Lautsprecher funktioniert, wenn der Hörer (63) vom Ohr des Benutzers beabstandet ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die besagte Steuerung ein auf das besagte Steuersignal reagierendes Mittel (55) zum Steuern der Amplitude eines Tonsignals im besagten Handapparat enthält.
3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die besagte Meßelektrode (52), besagte Schutzelektrode (54) und besagte Isolierschicht (53) ringförmig sind und so positioniert sind, daß sie das besagte Telefonsprechteil umgeben.
4. Gerät nach Anspruch 1, wobei die besagte Meßelektrode (76) und besagte Schutzelektrode (77) aus einem leitenden Maschengitter hergestellt sind, das so geformt ist, daß es das besagte Sprechteil überdeckt.
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