EP3814880A1 - Capacitive sensor system for touch detection - Google Patents

Capacitive sensor system for touch detection

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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
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German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Seifert
Christian Brüggemann
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Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
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    • 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)

Abstract

The invention relates to a capacitive sensor system for touch detection, comprising a sensor surface, on which at least one sensor electrode is arranged, and comprising an evaluation device for evaluating an electrical sensor signal of the sensor electrode, which sensor signal can be influenced by the position of a measurement object in a direction in the plane of the sensor surface, wherein: a first and a second sensor electrode border the sensor surface; the first sensor electrode and the second sensor electrode have conductor portions parallel to one another, without touching each other; the second sensor electrode is surrounded by the first sensor electrode; both electrodes are connected to inputs of the evaluation device; and the evaluation device captures sensor signals from the first and second sensor electrodes and determines a ratio variable from the ratio of the difference and the sum of the captured sensor signals and compares said ratio variable with a threshold value.

Description

Kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung  Capacitive sensor system for touch detection
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 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
Messobjekts in einer Richtung in der Ebene der Sensorfläche beeinflussbar ist. Measurement object can be influenced in one direction in the plane of the sensor surface.
Kapazitive Sensorsysteme der hier genannten Art werden als Capacitive sensor systems of the type mentioned here are called
berührungssensitive Bedienelemente auf Bedienoberflächen verwendet, wie beispielsweise bei Geräten der Unterhaltungselektronik oder auch im Touch-sensitive controls used on user interfaces, such as in consumer electronics devices or in
Armaturenbereich von Kraftfahrzeugen. Fitting area of motor vehicles.
Bei gängigen Systemen zur Berührungserkennung mittels kapazitiver Sensorik im Einpol-Verfahren wird für jede einzelne Bedienfläche jeweils eine In current systems for touch detection using capacitive sensors using the single-pole method, there is one for each individual control surface
vorzugsweise vollflächige Sensorelektrode verwendet. Die laterale preferably full-surface sensor electrode used. The lateral
Abgrenzung der berührungsempfindlichen Flächen wird durch eine A delimitation of the touch-sensitive areas
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. geometric adaptation of the sensor electrodes achieved. Illuminated areas of a sensor are either left out or implemented using transparent conductive materials. To detect a touch, the sensor signal must exceed a signal threshold.
Diese Systeme funktionieren gut, solange die berührungsempfindlichen These systems work well as long as the touch sensitive ones
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. Sensor areas are smaller or similar in size to the measurement object, i.e. something special like an operating finger. For a sensor surface that is significantly larger than a finger, the sensor signal in the plane of the control surface only drops slowly beyond the edge of the sensor surface. As a rule, such a sensor system should function robustly for different finger sizes and possibly also with glove operation. 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.
Muss der innenliegende Bereich der Sensorfläche, beispielsweise für Must the inner area of the sensor surface, for example for
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 If lighting elements are left out, the sensor signal drops again in this area and the threshold value must be further reduced. This means that the touch detection on the operating level moves further outwards. Such a sensor system, in which the sensor consists of a conductor loop surrounding the actual operating surface, thus functions with regard to the assignment of functions and
Sensorflächen zumindest sehr ungenau, wenn nicht sogar fehlerhaft. Sensor areas are at least very imprecise, if not faulty.
Es stellte sich die Aufgabe, ein kapazitives Sensorsystem zur The task was to create a capacitive sensor system
Berührungserkennung auf einfache und kostengünstige Weise so auszubilden, dass die Berührungserkennung eine möglichst geringe Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Messobjekts aufweist. To design touch detection in a simple and cost-effective manner so that the touch detection has as little dependency on the specific design of the measurement object.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the combination of features of claim 1.
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 From German published patent application DE 10 2004 038 872 A1, 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
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. Have conductor sections that form triangular arrangements of conductor surfaces, 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.
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 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. The
Sensorflächen sind daher im Wesentlichen durch miteinander verschränkte Dreiecksflächen ausgebildet. Sensor surfaces are therefore essentially formed by interlocking triangular surfaces.
Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung eine Berührungserfassung mittels paralleler, sich nicht berührender geschlossener Leiterschleifen vor. In contrast to this, the invention provides for touch detection by means of parallel, non-touching closed conductor loops.
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 The functional principle of a capacitive sensor system according to the invention for touch detection is to be illustrated and explained below with reference to the drawing. In addition, the problem leading to the invention will be explained in more detail using a conventional sensor system. They show
Figur 1 eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße 1 shows a schematically illustrated invention
Sensoranordnung,  Sensor array,
Figur 2 Sensorsignalverläufe in Abhängigkeit von der lateralen  Figure 2 sensor waveforms depending on the lateral
Berührposition der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, Touch position of the sensor arrangement according to the invention,
Figur 3 eine schematisch dargestellte Auswertevorrichtung, Figur 4 das Diagramm einer Verhältnisfunktion, 3 shows a schematically represented evaluation device, FIG. 4 shows the diagram of a ratio function,
Figur 5 eine schematisch dargestellte Sensoranordnung nach dem Figure 5 is a schematically illustrated sensor arrangement according to the
Stand der Technik,  State of the art,
Figur 6 Sensorsignalverläufe der Sensoranordnung nach dem  Figure 6 sensor waveforms of the sensor arrangement according to the
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. State of the art. 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.
Die Figur 5 zeigt skizzenhaft eine Sensorelektrode E in Form einer FIG. 5 shows a sketch of a sensor electrode E in the form of a
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 closed conductor loop, which forms the edge section of a rectangular sensor surface SF. 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
Folgenden ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass das Messobjekt F ein menschlicher Finger sei. In the following, it is assumed without any restriction of generality that the measurement object F is a human finger.
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 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
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. 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.
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. The sensor signal curves S (x) _L, S (x) _S are shown here purely qualitatively and the numerical information given on the abscissa are also related to an arbitrary unit. However, the point x = 0, which relates to the line in the center of the sensor area SF in FIG. 5, and the black area of the graphic, which, extended laterally, the position of the right conductor section L of the sensor electrode E in of Figure 5 represents.
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 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
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. There are ambiguities regarding the respective threshold condition. It is assumed that the dashed horizontal line in FIG. 6 marks a signal threshold S_Schwelle. Then it can be seen from the data points shown with a border that in the case of the sensor signal curve S (x) _S for a smaller finger, the signal threshold S_Schwelle is reached at two positions x inside and outside the sensor area SF, since there identical ones Sensor signal values from the size of the signal threshold S_Schwelle Occurrence. It is therefore not clear from the determined sensor signal S whether the finger F is currently approximately in the middle or outside the sensor surface SF. In the case of the sensor signal curve S (x) _L for a larger finger, there is a sensor value at the level of the signal threshold S_Schwelle even at an even greater distance to the side of the sensor surface SF.
Da es im Allgemeinen nicht bekannt ist, ob die Sensorfläche SF durch einen größeren oder einen kleineren Finger berührt wird, ergeben sich so Since it is generally not known whether the sensor surface SF is touched by a larger or a smaller finger, this results in
Uneindeutigkeiten bei der Interpretation eines erfassten Sensorsignals S durch die Auswertevorrichtung AV. Dieses kann Bedienfehler verursachen, die unbedingt vermieden werden müssen. Ambiguities in the interpretation of a detected sensor signal S by the evaluation device AV. This can cause operating errors that must be avoided at all costs.
Zur Lösung dieses Problems zeigt die Figur 1 in einer schematischen To solve this problem, FIG. 1 shows a schematic
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 Representation of a capacitive sensor system according to the invention. This consists of two sensor electrodes E1, E2, each in the form of circular or polygonal closed conductor loops, which surround one another in a preferably parallel arrangement without touching each other. Each of these shown here as an example rectangular
Sensorelektroden E1 , E2 liefert ein eigenes Sensorsignal S1 , S2, welche beide den Eingängen einer Auswertevorrichtung AV zugeführt werden. Sensor electrodes E1, E2 deliver their own sensor signal S1, S2, both of which are fed to the inputs of an evaluation device AV.
Für eine gegebene Sensoranordnung typische Verläufe S(x) dieser Typical curves S (x) for a given sensor arrangement
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. 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.
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. It can be seen from FIG. 2 that regardless of the size of the finger 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.
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. 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.
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 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
Unsicherheiten behaftet, da wie die Figur 2 zeigt, unterschiedlich große Finger F zu quantitativ sehr unterschiedlichen Sensorsignalen S(x) führen. Uncertainties, since, as shown in FIG. 2, fingers F of different sizes lead to quantitatively very different sensor signals S (x).
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 Only the positioning of a finger F exactly in the area between the first and the second sensor electrodes E1, E2 could be identified in any case precisely, since here the signals S1 and S2 of the two sensor electrodes E1, E2 are exactly the same regardless of the size of the finger F. are great. A much more precise definition of a threshold value condition is achieved in that, as FIG. 3 shows schematically, the
Auswertevorrichtung AV eine Verhältnisgröße V bildet, welche, bis auf gegebenenfalls vorhandene additive oder multiplikative Konstanten, gegeben ist durch: 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) V: = (S2 - S1) / (S1 + S2)
Die Verhältnisgröße V ergibt sich somit aus der Differenz S2-S1 der The ratio variable V thus results from the difference S2-S1
Sensorsignale S1 , S2 geteilt durch die Summe S1 +S2 der Sensorsignale S1 , S2 der beiden Sensorelektroden E1 , E2. Sensor signals S1, S2 divided by the sum S1 + S2 of the sensor signals S1, S2 of the two sensor electrodes 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. 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.
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:  As for the individual sensor signals, 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)) die wiederum typisch für eine gegebene Sensoranordnung ist. V (x): = (S2 (x) - S1 (x)) / (S1 (x) + S2 (x)) which in turn is typical for a given sensor arrangement.
In der Figur 4 sind zwei Graphen V(x)_L, V(x)_S aufgetragen, die die In FIG. 4, two graphs V (x) _L, V (x) _S are plotted, which represent the
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 Represent relationship function V (x) once calculated from sensor data for a larger finger and once calculated from sensor data for a smaller finger. It can be seen that both ratio functions V (x) _L, V (x) _S have a very similar course, both qualitatively and quantitatively. It is advantageous for the evaluation that the ratio functions V (x) _L, V (x) _S to the origin point 0, and thus to the center of the
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. Sensor surface SF drop monotonically and have the greatest slope in particular in the area of the conductor sections L1, L2. In addition, the function values of the ratio functions V (x) both have a zero crossing here. With the help of these properties, ambiguities that otherwise lead to gross errors in touch detection can be avoided.
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. 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. As a result, a threshold value V_Schwelle that is also suitable for fingers F of different sizes can be defined for a touch detection. In FIG. 4, for example, a horizontal dashed line marks a threshold value V_Schwelle of the size - 0.1. It can be seen that with a ratio of V <- 0.1 determined by the evaluation device AV, it is ensured for both sensor actuation by a smaller and a larger finger that the contact took place within the area SF of the sensor field.
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 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. In addition, 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. reference numeral
AV Auswertevorrichtung AV evaluation device
E, E1 , E2 Sensorelektroden (Leiterschleifen)  E, E1, E2 sensor electrodes (conductor loops)
F Messobjekt (Finger) F target (finger)
L, L1 , L2 Leiterabschnitte  L, L1, L2 conductor sections
S, S1 , S2 Sensorsignale S, S1, S2 sensor signals
S(x), S1 (x), S2(x) Sensorsignalverläufe (allgemein) S (x), S1 (x), S2 (x) sensor signal profiles (general)
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) S (x) _L, S1 (x) _L, S2 (x) _L sensor signal profiles (for larger fingers) S (x) _S, S1 (x) _S, S2 (x) _S sensor signal profiles (for smaller fingers)
S2-S1 Differenz S2-S1 difference
S1 +S2 Summe S1 + S2 sum
SF Sensorfläche SF sensor surface
S_Schwelle Schwellenwert, Signalschwelle  S_Schwelle Threshold, signal threshold
V Verhältnisgröße V ratio size
V(x), V(x)_L, V(x)_S Verhältnisfunktion  V (x), V (x) _L, V (x) _S ratio function
V_Schwelle Schwellenwert V_threshold threshold
X Richtungskoordinate X directional coordinate
x (Finger-)Position x (finger) position
0 Ursprungspunkt 0 point of origin

Claims

Patentansprüche claims
1. Kapazitives Sensorsystem zur Berührungserkennung, mit einer Sensorfläche (SF), an der mindestens eine Sensorelektrode (E,1. Capacitive sensor system for touch detection, with a sensor surface (SF) on which at least one sensor electrode (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 E1, E2) is arranged, and with an evaluation device (AV) for evaluating an electrical sensor signal (S) of the sensor electrode (E, E1, E2), which is determined by the position (x) of a measurement object (F) in one direction in the plane the sensor surface (SF) can be influenced, with a first and a second sensor electrode (E1, E2)
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  Surround the sensor surface (SF), the first sensor electrode (E1) and the second sensor electrode (E2) having mutually parallel conductor sections (L1, L2) without touching each other, the conductor sections (L1, L2) of the first and the second
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 Sensor electrodes (E1, E2) each form a circular, rectangular or polygonal arrangement in the form of closed conductor loops, the second sensor electrode (E2) being surrounded by the first sensor electrode (E1), both electrodes (E1, E2) with inputs of the evaluation device (AV) are connected, and wherein the evaluation device (AV) detects sensor signals (S1, S2) of the first and second sensor electrodes (E1, E2), and from the ratio of the difference (S2-S1) and the sum (S1 + S2) of the detected sensor signals (S1, S2) determines a ratio (V) and this with a
Schwellenwert (V_Schwelle) vergleicht. Threshold value (V_Schwelle) is compared.
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