EP3814880A1 - Kapazitives sensorsystem zur berührungserkennung - Google Patents

Kapazitives sensorsystem zur berührungserkennung

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EP3814880A1
EP3814880A1 EP19734774.3A EP19734774A EP3814880A1 EP 3814880 A1 EP3814880 A1 EP 3814880A1 EP 19734774 A EP19734774 A EP 19734774A EP 3814880 A1 EP3814880 A1 EP 3814880A1
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EP
European Patent Office
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sensor
electrode
sensor electrode
evaluation device
signal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP19734774.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Seifert
Christian Brüggemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG filed Critical Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Publication of EP3814880A1 publication Critical patent/EP3814880A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/0418—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers for error correction or compensation, e.g. based on parallax, calibration or alignment
    • G06F3/04186—Touch location disambiguation
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    • G06F3/0443—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using a single layer of sensing electrodes
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    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
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    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960705—Safety of capacitive touch and proximity switches, e.g. increasing reliability, fail-safe

Definitions

  • the invention relates to a capacitive sensor system for touch detection, with a sensor surface on which at least one sensor electrode is arranged, and with an evaluation device for evaluating an electrical sensor signal of the sensor electrode, which is determined by the position of a sensor electrode
  • Measurement object can be influenced in one direction in the plane of the sensor surface.
  • Capacitive sensor systems of the type mentioned here are called
  • Touch-sensitive controls used on user interfaces, such as in consumer electronics devices or in
  • Illuminated areas of a sensor are either left out or implemented using transparent conductive materials.
  • the sensor signal To detect a touch, the sensor signal must exceed a signal threshold.
  • Sensor areas are smaller or similar in size to the measurement object, i.e. something special like an operating finger.
  • the sensor signal in the plane of the control surface only drops slowly beyond the edge of the sensor surface.
  • a threshold value condition adapted for small fingers can then already become one for large fingers incorrect touch detection a few centimeters outside the control surface.
  • the task was to create a capacitive sensor system
  • a capacitive sensor system for touch detection is already known, with a sensor surface on which at least one sensor electrode is arranged, and with an evaluation device for evaluating an electrical sensor signal of the sensor electrode, which is determined by the position of a measurement object in can be influenced in a direction in the plane of the sensor surface, a first and a second sensor electrode surrounding the sensor surface, the first sensor electrode and the second sensor electrode being parallel to one another
  • the second sensor electrode being surrounded by the first sensor electrode, both electrodes having inputs of the evaluation device are connected, and wherein the evaluation device detects sensor signals of the first and second sensor electrodes, and determines a ratio from the ratio of the difference and the sum of the detected sensor signals and compares them with a threshold value.
  • This previously known sensor system uses a sensor element which is subdivided into at least two sensor surfaces located close to one another, with a first sensor element becoming continuously smaller and a second sensor element continuously increasing in one direction. As a result, the detectable sensor signal changes with the respective location of the actuation.
  • Sensor surfaces are therefore essentially formed by interlocking triangular surfaces.
  • the invention provides for touch detection by means of parallel, non-touching closed conductor loops.
  • FIG. 3 shows a schematically represented evaluation device
  • FIG. 4 shows the diagram of a ratio function
  • Figure 5 is a schematically illustrated sensor arrangement according to the
  • FIG. 5 shows schematically a sensor arrangement according to the prior art.
  • a capacitive touch switch with a rectangular metallic frame as the sensor element is known, for example, from German patent DE 10 2007 044 393 B3.
  • FIG. 6 shows qualitative sensor signal profiles of the sensor arrangement outlined in FIG. 5. The problem leading to the invention is to be explained on the basis of this diagram.
  • FIG. 5 shows a sketch of a sensor electrode E in the form of a
  • a direction coordinate X is shown parallel to a side line of the sensor surface SF, the origin point 0 of which is arbitrarily placed in the center of the associated lateral extension area of the sensor surface SF.
  • the direction coordinate X stands purely by way of example for one of the lateral directions in which the measurement object F can be positioned relative to the sensor surface SF. Lateral positioning of the measurement object F in a direction other than the X direction shown results in a qualitatively similar course. Since the capacitive sensor system specifically detects contact, the
  • the measurement object F is a human finger.
  • Sensor signals S emitted by the sensor electrode E are fed to an electronic evaluation device AV, which compares the signal S with a signal threshold S_Schwelle. It is shown as an example that the evaluation device AV checks whether the sensor signal S is equal to a predetermined threshold value S_Schwelle. Alternatively, the evaluation device AV can also stipulate that a valid sensor actuation is present when the value of the sensor signal S either falls below or exceeds a signal threshold S_Schwelle. However, setting a suitable signal threshold S_Schwelle is not without problems. In FIG. 6, the dependence of the sensor signal curve S (x) on the position x of a finger F along the direction coordinate X is plotted. As a relevant parameter that the
  • Sensor signal S (x) influenced the size of the finger F touching the sensor surface SF is taken into account.
  • the sensor signal curves S (x) are therefore plotted in FIG. 6 once for a larger finger as the sensor signal curve S (x) _L and once for a smaller finger as the sensor signal curve S (x) _S.
  • the two graphs of the sensor signal profiles S (x) _L and S (x) _S in FIG. 6 show that both a displacement of a larger and a smaller finger F in the positive X direction from the center to the edge of the sensor surface SF Sensor signal curve S (x) initially rises slightly in order to then fall more or less quickly again outside the sensor area SF, ie beyond the conductor section L.
  • These sensor signal profiles S (x) _L and S (x) _S can lead to
  • FIG. 1 shows a schematic
  • Sensor electrodes E1, E2 deliver their own sensor signal S1, S2, both of which are fed to the inputs of an evaluation device AV.
  • Sensor signals S1, S2 as a function of the finger position x in the X direction indicated in FIG. 1 are outlined in FIG. 2, analogously to the illustration in FIG. 6.
  • the graphs drawn in dashed lines represent the sensor signal profiles S1 (x) _S and S1 (x) _L, which result from the signals S1 from the outer sensor electrode E1, while the graphs drawn throughout show the sensor signal profiles S2 (x) _S and S2 (x) Map _L for the signals S2 of the inner sensor electrode E2.
  • the indices _S and _L again serve to differentiate between a smaller or a larger finger as the respective measurement object F.
  • the signal value curves S2 (x) _S, S2 (x) _L of the inner sensor electrode E2 always have larger values than the signal value curves S1 (x) _S, S1 (x) _L of the outer sensor electrode E1, as long as the finger F is within the sensor area SF surrounded by the inner sensor electrode E2 and conversely the outer sensor electrode E1 always delivers larger signal values S1 (x) _S and S1 (x) _L as soon as the finger F is outside of the area surrounded by the outer sensor electrode E1.
  • the sensor signal curves S1 (x) _S and S2 (x) _S as well as S1 (x) _L and S2 (x) _L each take on an equally large value for a finger F of a given size if it is in the range between the first and the second sensor electrode E1, E2, which can be seen from the intersections of the corresponding graphs in FIG.
  • the sensor signal profiles S (x) shown in FIG. 2 are characteristic of a specific, specific embodiment of a sensor arrangement and can therefore in principle be used by the evaluation device AV shown in sketch form in FIG. 1 for comparison with a threshold value. However, these comparisons would also be significant
  • Evaluation device AV forms a ratio variable V, which, apart from any additive or multiplicative constants that may be present, is given by:
  • V: (S2 - S1) / (S1 + S2)
  • the difference between the two sensor signals S2-S1 is a quantity which provides information about the position of a finger F in the plane of the sensor surface SF.
  • the sum of the two sensor signals S1 + S2 corresponds roughly to the signal of an individual sensor electrode E1, E2 and scales with the finger size. It can therefore be used to normalize the difference signal S2-S1.
  • a ratio function V (x) for the dependence of the ratio variable V on the finger position can also be calculated for the ratio variable V:
  • V (x): (S2 (x) - S1 (x)) / (S1 (x) + S2 (x)) which in turn is typical for a given sensor arrangement.
  • the two ratio functions V (x) _L and V (x) _S shown in FIG. 4 show that their function values for fingers F of different sizes have a relatively small fluctuation range.
  • a threshold value V_Schwelle that is also suitable for fingers F of different sizes can be defined for a touch detection.
  • a horizontal dashed line marks a threshold value V_Schwelle of the size - 0.1.
  • the proposed capacitive sensor system thus enables a precise delimitation of the touch detection within large user interfaces, regardless of the size of a finger touching the sensor.
  • the sensitive areas can be adapted to the geometry of the user interface by means of a positionally precise evaluation.
  • the inner free spaces within the double ring-shaped electrode arrangement can be used for additional purposes, for example for the placement of lighting elements.
  • E, E1, E2 sensor electrodes (conductor loops)

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Abstract

Beschrieben wird ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche, an der mindestens eine Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals der Sensorelektrode, welches durch die Position eines Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist, wobei eine erste und eine zweite Sensorelektrode die Sensorfläche umranden, wobei die erste Sensorelektrode und die zweite Sensorelektrode zueinander parallele Leiterabschnitte aufweisen, ohne sich dabei zu berühren, wobei die zweite Sensorelektrode von der ersten Sensorelektrode umgeben ist, wobei beide Elektroden mit Eingängen der Auswertevorrichtung verbunden sind, und wobei die Auswertevorrichtung Sensorsignale der ersten und der zweiten Sensorelektrode erfasst, und aus dem Verhältnis der Differenz und der Summe der erfassten Sensorsignale eine Verhältnisgröße ermittelt und diese mit einem Schwellenwert vergleicht.

Description

Kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche, an der mindestens eine Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals der Sensorelektrode, welches durch die Position eines
Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist.
Kapazitive Sensorsysteme der hier genannten Art werden als
berührungssensitive Bedienelemente auf Bedienoberflächen verwendet, wie beispielsweise bei Geräten der Unterhaltungselektronik oder auch im
Armaturenbereich von Kraftfahrzeugen.
Bei gängigen Systemen zur Berührungserkennung mittels kapazitiver Sensorik im Einpol-Verfahren wird für jede einzelne Bedienfläche jeweils eine
vorzugsweise vollflächige Sensorelektrode verwendet. Die laterale
Abgrenzung der berührungsempfindlichen Flächen wird durch eine
geometrische Anpassung der Sensorelektroden erreicht. Durchleuchtete Bereiche eines Sensors werden entweder ausgespart, oder durch transparente leitfähige Materialien realisiert. Für die Erkennung einer Berührung muss das Sensorsignal eine Signalschwelle überschreiten.
Diese Systeme funktionieren gut, solange die berührungsempfindlichen
Sensorflächen kleiner oder ähnlich groß sind wie das Messobjekt, also etwa speziell wie ein bedienender Finger. Für eine Sensorfläche, die deutlich größer als ein Finger ist, fällt das Sensorsignal in der Ebene der Bedienfläche über den Rand der Sensorfläche hinaus nur langsam ab. In der Regel soll eine solche Sensorik für verschiedene Fingergrößen und unter Umständen auch mit Handschuhbedienung robust funktionieren. Eine für kleine Finger angepasste Schwellenwertbedingung kann dann für große Finger bereits zu einer unzutreffenden Berührungserkennung einige Zentimeter außerhalb der Bedienfläche führen.
Muss der innenliegende Bereich der Sensorfläche, beispielsweise für
Beleuchtungselemente, ausgespart werden, fällt das Sensorsignal in diesem Bereich wieder ab und der Schwellenwert muss weiter herabgesetzt werden. Dies führt dazu, dass die Berührungserkennung in der Bedienebene noch weiter nach außen wandert. Ein solches Sensorsystem, bei dem der Sensor aus einer die eigentliche Bedienfläche umrandenden Leiterschleife besteht, funktioniert damit hinsichtlich der Zuordnung von Funktionen und
Sensorflächen zumindest sehr ungenau, wenn nicht sogar fehlerhaft.
Es stellte sich die Aufgabe, ein kapazitives Sensorsystem zur
Berührungserkennung auf einfache und kostengünstige Weise so auszubilden, dass die Berührungserkennung eine möglichst geringe Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Messobjekts aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 038 872 A1 ist bereits ein kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung bekannt, mit einer Sensorfläche, an der mindestens eine Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einer Auswertevorrichtung zur Auswertung eines elektrischen Sensorsignals der Sensorelektrode, welches durch die Position eines Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist, wobei eine erste und eine zweite Sensorelektrode die Sensorfläche umranden, wobei die erste Sensorelektrode und die zweite Sensorelektrode zueinander parallele
Leiterabschnitte aufweisen, die dreieckige Anordnungen von Leiterflächen ausbilden, wobei die zweite Sensorelektrode von der ersten Sensorelektrode umgeben ist, wobei beide Elektroden mit Eingängen der Auswertevorrichtung verbunden sind, und wobei die Auswertevorrichtung Sensorsignale der ersten und der zweiten Sensorelektrode erfasst, und aus dem Verhältnis der Differenz und der Summe der erfassten Sensorsignale eine Verhältnisgröße ermittelt und diese mit einem Schwellenwert vergleicht.
Dieses vorbekannte Sensorsystem verwendet ein Sensorelement, das in mindestens zwei nahe nebeneinanderliegende Sensorflächen unterteilt ist, wobei in einer Richtung ein erstes Sensorelement stetig kleiner und ein zweites Sensorelement stetig größer wird. Hierdurch ändert sich das erfassbare Sensorsignal mit dem jeweiligen Ort der Betätigung. Die
Sensorflächen sind daher im Wesentlichen durch miteinander verschränkte Dreiecksflächen ausgebildet.
Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung eine Berührungserfassung mittels paralleler, sich nicht berührender geschlossener Leiterschleifen vor.
Das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorsystems zur Berührungserkennung soll nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Zudem soll das zur Erfindung führende Problem anhand eines konventionellen Sensorsystems näher erläutert werden. Es zeigen die
Figur 1 eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Sensoranordnung,
Figur 2 Sensorsignalverläufe in Abhängigkeit von der lateralen
Berührposition der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 3 eine schematisch dargestellte Auswertevorrichtung, Figur 4 das Diagramm einer Verhältnisfunktion,
Figur 5 eine schematisch dargestellte Sensoranordnung nach dem
Stand der Technik,
Figur 6 Sensorsignalverläufe der Sensoranordnung nach dem
Stand der Technik. Die Figur 5 stellt schematisch eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik dar. Ein kapazitiver Berührschalter mit einem rechteckförmigen metallischen Rahmen als Sensorelement ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 10 2007 044 393 B3 bekannt. Die Figur 6 zeigt qualitative Sensorsignalverläufe der in der Figur 5 skizzierten Sensoranordnung. Anhand dieses Diagramms soll die zur Erfindung führende Problemstellung erläutert werden.
Die Figur 5 zeigt skizzenhaft eine Sensorelektrode E in Form einer
geschlossenen Leiterschleife, die den Randabschnitt einer rechteckförmigen Sensorfläche SF bildet. Parallel zu einer Seitenlinie der Sensorfläche SF ist eine Richtungskoordinate X darstellt, deren Ursprungspunkt 0 willkürlich in die Mitte des zugehörigen seitlichen Erstreckungsbereichs der Sensorfläche SF gelegt ist. Die Richtungskoordinate X steht dabei rein beispielhaft für eine der seitlichen Richtungen, in der das Messobjekts F relativ zur Sensorfläche SF positionierbar ist. Seitliche Positionierungen des Messobjekts F in einer anderen als die dargestellte X-Richtung ergeben dabei einen qualitativ ähnlichen Verlauf. Da das kapazitive Sensorsystem speziell Berührungen erfasst, wird im
Folgenden ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass das Messobjekt F ein menschlicher Finger sei.
Von der Sensorelektrode E abgegebene Sensorsignale S werden einer elektronischen Auswertevorrichtung AV zugeführt, welche das Signal S mit einer Signalschwelle S_Schwelle vergleicht. Beispielhaft dargestellt ist, dass die Auswertevorrichtung AV prüft, ob das Sensorsignal S gleich einem vorgegebenen Schwellenwert S_Schwelle ist. In der Auswertevorrichtung AV kann alternativ auch festgelegt sein, dass eine gültige Sensorbetätigung dann vorliegt, wenn der Wert des Sensorsignals S eine Signalschwelle S_Schwelle entweder unterschreitet oder überschreitet. Das Festlegen einer geeigneten Signalschwelle S_Schwelle ist allerdings nicht unproblematisch. In der Figur 6 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit des Sensorsignalverlaufs S(x) von der Position x eines Fingers F entlang der Richtungskoordinate X aufgetragen. Als relevanter Parameter, der das
Sensorsignal S(x) mit beeinflusst, ist die Größe des die Sensorfläche SF berührenden Fingers F berücksichtigt. Daher sind die Sensorsignalverläufe S(x) in der Figur 6 einmal für einen größeren Finger als Sensorsignalverlauf S(x)_L und einmal für einen kleineren Finger als Sensorsignalverlauf S(x)_S auf getragen.
Die Sensorsignalverläufe S(x)_L, S(x)_S sind hier rein qualitativ dargestellt und auch die an der Abszisse angegebenen Zahlenangaben sind auf eine willkürliche Einheit bezogen. Hervorgehoben seien aber die Stelle x=0, die sich auf die in der Figur 5 auf die Linie in der Mitte der Sensorfläche SF bezieht, sowie die schwarze Fläche der Graphik, die, seitlich ausgedehnt, die Lage des rechten Leiterabschnitts L der Sensorelektrode E in der Figur 5 repräsentiert.
Die beiden Graphen der Sensorsignalverläufe S(x)_L und S(x)_S in der Figur 6 zeigen, dass sowohl bei einer Verschiebung eines größeren wie auch eines kleineren Fingers F in der positiven X-Richtung von der Mitte zum Rand der Sensorfläche SF der Sensorsignalverlauf S(x) zunächst leicht ansteigt, um dann außerhalb der Sensorfläche SF, also jenseits des Leiterabschnitts L, wieder mehr oder weniger schnell abzufallen. Durch diese Sensorsignalverläufe S(x)_L und S(x)_S kann es zu
Uneindeutigkeiten hinsichtlich der jeweiligen Schwellenwertbedingung kommen. Es sei angenommen, dass die gestrichelte horizontale Linie in der Figur 6 eine Signalschwelle S_Schwelle markiert. Dann ist durch die umrandet dargestellten Datenpunkte erkennbar, dass beim Sensorsignalverlauf S(x)_S für einen kleineren Finger die Signalschwelle S_Schwelle an zwei Positionen x innerhalb und außerhalb der Sensorfläche SF erreicht wird, da dort identische Sensorsignalwerte von der Größe der Signalschwelle S_Schwelle Vorkommen. Aus dem ermittelten Sensorsignal S ist somit nicht klar, ob sich der Finger F momentan etwa in der Mitte oder außerhalb der Sensorfläche SF befindet. Beim Sensorsignalverlauf S(x)_L für einen größeren Finger ergibt sich ein Sensorwert in Höhe der Signalschwelle S_Schwelle sogar in einem noch größeren Abstand seitlich neben der Sensorfläche SF.
Da es im Allgemeinen nicht bekannt ist, ob die Sensorfläche SF durch einen größeren oder einen kleineren Finger berührt wird, ergeben sich so
Uneindeutigkeiten bei der Interpretation eines erfassten Sensorsignals S durch die Auswertevorrichtung AV. Dieses kann Bedienfehler verursachen, die unbedingt vermieden werden müssen.
Zur Lösung dieses Problems zeigt die Figur 1 in einer schematischen
Darstellung ein erfindungsgemäßes kapazitives Sensorsystem. Dieses besteht aus zwei Sensorelektroden E1 , E2, jeweils in Form von kreisförmigen oder mehreckigen geschlossenen Leiterschleifen, die in einer vorzugsweise zueinander parallelen Anordnung einander umgeben, ohne sich dabei zu berühren. Jede dieser hier beispielhaft rechteckig dargestellten
Sensorelektroden E1 , E2 liefert ein eigenes Sensorsignal S1 , S2, welche beide den Eingängen einer Auswertevorrichtung AV zugeführt werden.
Für eine gegebene Sensoranordnung typische Verläufe S(x) dieser
Sensorsignale S1 , S2 in Abhängigkeit von der Fingerposition x in der in der Figur 1 angegebenen X-Richtung sind, analog zur Darstellung der Figur 6, in der Figur 2 skizziert. Hierbei geben die gestrichelt gezeichneten Graphen die Sensorsignalverläufe S1 (x)_S und S1 (x)_L wieder, die sich durch die Signale S1 der äußeren Sensorelektrode E1 ergeben, während die durchgängig gezeichneten Graphen die Sensorsignalverläufe S2(x)_S und S2(x)_L für die Signale S2 der inneren Sensorelektrode E2 abbilden. Die Indizes _S und _L dienen wiederum zur Unterscheidung eines kleineren beziehungsweise eines größeren Fingers als jeweiliges Messobjekt F.
Der Figur 2 zu entnehmen ist, dass unabhängig von der Größe des Fingers F, die Signalwertverläufe S2(x)_S, S2(x)_L der innere Sensorelektrode E2 stets größere Werte aufweisen als die Signalwertverläufe S1 (x)_S, S1 (x)_L der äußere Sensorelektrode E1 , solange sich der Finger F innerhalb der von der inneren Sensorelektrode E2 umrandeten Sensorfläche SF befindet und umgekehrt die äußere Sensorelektrode E1 stets größere Signalwerte S1 (x)_S und S1 (x)_L liefert, sobald sich der Finger F außerhalb des von der äußeren Sensorelektrode E1 umrandeten Bereichs befindet.
Die Sensorsignalverläufe S1 (x)_S und S2(x)_S sowie auch S1 (x)_L und S2(x)_L nehmen für einen Finger F gegebener Größe jeweils genau dann einen gleichgroßen Wert an, wenn sich dieser im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Sensorelektrode E1 , E2 befindet, was an den Schnittpunkten der entsprechenden Graphen in der Figur 2 erkennbar ist.
Die in der Figur 2 dargestellten Sensorsignalverläufe S(x) sind für eine bestimmte konkrete Ausführung einer Sensoranordnung charakteristisch und können daher grundsätzlich von der in der Figur 1 skizzenhaft dargestellten Auswertevorrichtung AV zum Vergleich mit einem Schwellenwert verwendet werden. Allerdings wären auch diese Vergleiche mit erheblichen
Unsicherheiten behaftet, da wie die Figur 2 zeigt, unterschiedlich große Finger F zu quantitativ sehr unterschiedlichen Sensorsignalen S(x) führen.
Lediglich die Positionierung eines Fingers F genau im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Sensorelektrode E1 , E2 ließe sich in jeden Fall genau identifizieren, da hier die Signale S1 und S2 der beiden Sensorelektroden E1 , E2 unabhängig von der Größe des Fingers F jeweils genau gleich groß sind. Eine wesentlich genauere Festlegung einer Schwellenwertbedingung wird dadurch erreicht, dass wie die Figur 3 schematisch darstellt, die
Auswertevorrichtung AV eine Verhältnisgröße V bildet, welche, bis auf gegebenenfalls vorhandene additive oder multiplikative Konstanten, gegeben ist durch:
V: = (S2 - S1 ) / (S1 + S2)
Die Verhältnisgröße V ergibt sich somit aus der Differenz S2-S1 der
Sensorsignale S1 , S2 geteilt durch die Summe S1 +S2 der Sensorsignale S1 , S2 der beiden Sensorelektroden E1 , E2.
Die Differenz beider Sensorsignale S2-S1 ist dabei eine Größe, welche eine Information über die Position eines Fingers F in der Ebene der Sensorfläche SF liefert. Die Summe der beiden Sensorsignale S1 +S2 entspricht qualitativ etwa dem Signal einer einzelnen Sensorelektrode E1 , E2 und skaliert mit der Fingergröße. Sie kann daher dazu verwendet werden, das Differenzsignal S2-S1 zu normieren.
Wie für die einzelnen Sensorsignale lässt sich auch für die Verhältnisgröße V eine Verhältnisfunktion V(x) für die Abhängigkeit der Verhältnisgröße V von der Fingerposition berechnen:
V(x): = (S2(x) - S1 (x)) / (S1 (x) + S2(x)) die wiederum typisch für eine gegebene Sensoranordnung ist.
In der Figur 4 sind zwei Graphen V(x)_L, V(x)_S aufgetragen, die die
Verhältnisfunktion V(x) einmal berechnet aus Sensordaten für einen größeren Finger und einmal berechnet aus Sensordaten für einen kleineren Finger darstellen. Ersichtlich ist, dass beide Verhältnisfunktionen V(x)_L, V(x)_S sowohl qualitativ als auch quantitativ einen recht ähnlichen Verlauf aufweisen. Dabei ist es für die Auswertung vorteilhaft, dass die Verhältnisfunktionen V(x)_L, V(x)_S zum Ursprungspunkt 0, und damit zum Zentrum der
Sensorfläche SF hin monoton abfallen und insbesondere im Bereich der Leiterabschnitte L1 , L2 die größte Steigung aufweisen. Zudem haben die Funktionswerte der Verhältnisfunktionen V(x) hier beide einen Nulldurchgang. Mit Hilfe dieser Eigenschaften lassen sich Mehrdeutigkeiten, die ansonsten zu groben Fehlern bei der Berührungserkennung führen, gut vermeiden.
Die beiden in der Figur 4 dargestellten Verhältnisfunktionen V(x)_L und V(x)_S zeigen, dass deren Funktionswerte für unterschiedlich große Finger F eine verhältnismäßig geringe Schwankungsbreite aufweist. Dadurch lässt sich für eine Berührungserkennung gut ein Schwellenwert V_Schwelle festlegen, der auch für unterschiedlich große Finger F geeignet ist. So ist in der Figur 4 durch eine horizontale gestrichelte Linie beispielhaft ein Schwellenwert V_Schwelle der Größe - 0,1 markiert. Erkennbar ist, dass bei einer durch die Auswertevorrichtung AV ermittelten Verhältnisgröße von V < - 0,1 sowohl für eine Sensorbetätigung durch einen kleineren als auch durch einen größeren Finger sichergestellt ist, dass die Berührung innerhalb der Fläche SF des Sensorfelds erfolgte.
Das vorgeschlagene kapazitive Sensorsystem ermöglicht damit eine genaue Abgrenzung der Berührungserkennung innerhalb großer Bedienoberflächen, unabhängig von der Größe eines den Sensor berührenden Fingers. Zudem können durch eine positionsgenaue Auswertung die sensitiven Bereiche an die Geometrie der Bedienoberfläche angepasst werden. Die inneren Freiräume innerhalb der doppelringförmigen Elektrodenanordnung können dabei für zusätzliche Zwecke, beispielsweise zur Platzierung von Leuchtelementen, genutzt werden. Bezugszeichen
AV Auswertevorrichtung
E, E1 , E2 Sensorelektroden (Leiterschleifen)
F Messobjekt (Finger)
L, L1 , L2 Leiterabschnitte
S, S1 , S2 Sensorsignale
S(x), S1 (x), S2(x) Sensorsignalverläufe (allgemein)
S(x)_L, S1 (x)_L, S2(x)_L Sensorsignalverläufe (für größeren Finger) S(x)_S, S1 (x)_S, S2(x)_S Sensorsignalverläufe (für kleineren Finger)
S2-S1 Differenz
S1 +S2 Summe
SF Sensorfläche
S_Schwelle Schwellenwert, Signalschwelle
V Verhältnisgröße
V(x), V(x)_L, V(x)_S Verhältnisfunktion
V_Schwelle Schwellenwert
X Richtungskoordinate
x (Finger-)Position
0 Ursprungspunkt

Claims

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