WO2008077503A2 - Vorrichtung und verfahren zur positionsbestimmung bezogen auf eine oberfläche - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur positionsbestimmung bezogen auf eine oberfläche Download PDF

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WO2008077503A2
WO2008077503A2 PCT/EP2007/010967 EP2007010967W WO2008077503A2 WO 2008077503 A2 WO2008077503 A2 WO 2008077503A2 EP 2007010967 W EP2007010967 W EP 2007010967W WO 2008077503 A2 WO2008077503 A2 WO 2008077503A2
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mixing
threshold value
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Dieter Genschow
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Prettl Home Appliance Solutions Gmbh
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    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/96066—Thumbwheel, potentiometer, scrollbar or slider simulation by touch switch

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a position of an object with a capacitive component with respect to a surface, in particular for the operation of an electrical device.
  • a further embodiment of a capacitive touch switch is known from document EP 1 416 636 A2, in which a foam body has electrically conductive regions with a sensor element surface and insulating regions which are provided alternately in the direction of extension of a glass ceramic plate. This creates a kind of "strand material" from which adjacent capacitive touch switches can be made. It is also known from EP 0 859 467 B1 to provide a capacitive touch switch with a sensor key which forms one pole of a capacitor, wherein the sensor key consists of a flexible, spatially extended, raumformver sectionli- and electrically conductive material, which on a circuit board is applied and bridged the distance between a cover plate and the board, wherein a compressive stress is maintained.
  • a touch switch for an operating device of an electrical appliance such as, for example, a hob is also known.
  • the switch has a sensor element with two sensor surfaces, each having one or more triangular faces.
  • the sensor surfaces are controlled by drive signals and experience a contact with a finger a coupling corresponding to a part of the covered area.
  • the remaining signal strength is compared in a microcontroller to determine the location of the touch as a function of the ratio of the remaining signal strengths and covered areas to each other.
  • an object of the invention to provide an improved device for determining a position of an object with a capacitive component with respect to a surface, in particular for the operation of an electrical device, which can be produced inexpensively and efficiently, even in large quantities. Furthermore, an improved corresponding method for determining a position of an object with a capacitive component with respect to a surface, in particular for the operation of an electrical device, should be specified.
  • a device for determining a position of a object with a capacitive component with respect to a surface in particular for the operation of an electrical device, with an elongated conductive sensor element and with a frequency generator having an output frequency of the Frequency generator determining tuning device, which has a fundamental frequency and is connectable to the sensor element in an end region of its longitudinal extent, with a Referenzfrequenzgene- with a mixer, which is designed for mixing the output frequency and the reference frequency and for outputting a resulting mixing frequency, and with a measuring device for determining the mixing frequency, so that based on the determined mixing frequency, the position of the Object can be specified.
  • This object is achieved according to a further aspect of the invention by a method for determining a position of an object with capacitive component relative to a surface, in particular for the operation of an electrical device, wherein a mixing frequency is measured, which consists of a reference frequency of a reference frequency generator and the output frequency of a frequency generator results, wherein the output frequency changes from a fundamental frequency, when a sensor element is connected to a tuner of the frequency generator and the object is approximated to the sensor element, so that based on the measured mixing frequency, the position of the object can be specified.
  • an output frequency is applied to an end region of an elongate conductive sensor element by means of a frequency generator.
  • the sensor element has a resistivity such that the farther the point moves away from the end region, the effective resistance between said end region and a point on the sensor element increases.
  • the frequency generator has a tuner that specifies a fundamental frequency of the frequency generator.
  • the end portion of the sensor element may be connected to the tuner to detect the approach of an object to the sensor element.
  • a change in the output frequency can already occur by connecting to the tuner, but this can - as it is a known change - be taken into account accordingly.
  • the device it is a preferred application for the device to place the sensor element under a surface, so that the object approaches the sensor element, but also maintains a certain distance from it when touching the surface.
  • the device according to the invention or the method according to the invention if the sensor element forms the surface or the sensor element forms part of the surface.
  • an object with a capacitive component ie an object which also electrically represents a capacitance
  • an additional capacitance forms between the sensor element and an electrical reference point of the object (as a rule the electrical ground).
  • the signal with the output frequency is passed to a mixer.
  • This mixer receives from a reference frequency generator a reference frequency which is mixed with the output frequency.
  • the resulting mixing frequency is provided by the mixer at its output.
  • This mixing frequency is passed to a measuring device which is designed to determine this mixing frequency.
  • the mixing frequency it is possible to draw conclusions about the position of the object on the basis of calculated or actually determined reference data.
  • a distinction, for example, left area or right area of the sensor element can also be used to give precise information about the distance between the end portion of the sensor element and the coupling point is located.
  • Another special feature of the invention is that not only is it possible to determine to which point of the sensor element the object has approached or approached, but also that it can be determined how far the object has approached the sensor element. This is due to the fact that, depending on the degree of approximation, the capacitance essentially changes, while the position along the sensor element essentially changes the resistance value. Concretely, this means that the farther the object approaches the sensor element, the greater the capacitance, and the farther the approach point of the object along the sensor element is away from said end region, the greater the effective resistance.
  • the specific resistance of the sensor element can be selected. Both high-resistance plastics and low-resistance metals can be used, the strip-shaped conductor preferably having a resistance in the range between 10 k ⁇ hm / cm and 100 k ⁇ hm / cm, more preferably between 20 k ⁇ hm / cm and 75 k ⁇ hm / cm and in particular between 25 k ⁇ hm / cm and 50 k ⁇ hm / cm.
  • the tuning device can be connected both to the aforementioned first end region and to a second end region of the sensor element lying opposite the longitudinal extension of the sensor element.
  • This embodiment allows a more accurate determination of the position, since now a first measurement relative to the first end region and a second measurement relative to the second end region can be performed. Since the geometry of the sensor element is known, a relationship between the first and the second measurement can be established immediately.
  • the device in addition to the said first frequency generator, has a second frequency generator with a second tuning device which can be connected to a second end region of the sensor element lying opposite the longitudinal extension of the sensor element.
  • the device has an evaluation unit, which is designed for evaluating the first mixing frequency from the measurement at the first end region and a second mixing frequency from the measurement at the second end region for position determination.
  • both measurements provide information about the position of the object, which correspond directly to each other.
  • a plausibility check is also possible. If the two distance values deviate too far from one another - the distance value from the second measurement has been converted back to the reference point of the first measurement - this may indicate an error which can be treated accordingly.
  • the deviation between the measured values can also be used with particular preference to detect the extent or size of an object relative to the sensor element.
  • a deviation between the measured values is interpreted not as an error, but as an indication that a first extension point of the object, in particular a first end of the object, is at the distance value according to the first measurement and that a second extension point of the object, in particular a second end of the object, at which distance value is located according to the second measurement.
  • the measuring unit is designed to determine a difference frequency between the output frequency and the reference frequency.
  • the mixture of two different frequencies produces an additional low frequency in addition to the two base frequencies in the spectrum. Basically, this can be used to detect even very small changes.
  • the change in the output frequency is very small, for example of the order of 0.001%, which corresponds to 1 Hz to 100 kHz.
  • the change to be measured can increase by one or more powers.
  • the change to be measured can be increased up to 25 to 100%, which corresponds to a frequency range of 250 Hz-1 kHz with respect to 1 kHz. This makes it easier to measure the change in the output frequency.
  • the reference frequency is lower, in particular significantly lower than the fundamental frequency.
  • the reference frequency does not have to be tuned to the fundamental frequency. Since it is not necessary to determine the absolute frequency value, but a determination of the frequency change is sufficient, the measurement can be performed faster and more accurately. By means of a downstream bandpass filter unwanted frequency values, ie too low and too high frequency values, can be suppressed.
  • the reference frequency can also be chosen to be significantly lower than the fundamental frequency. Namely, it has been found within the scope of the invention that mixing of the frequencies can also be performed on the basis of harmonics and subharmonics. For example, it is basically possible to select the reference frequency by a factor of 10 below the fundamental frequency.
  • the required stable reference frequency can be provided by the quartz of a microcontroller.
  • the reduction of the reference frequency has two major advantages.
  • a lower frequency can be set finer with said microcontroller, since the absolute jumps between two parts of the fundamental frequency are smaller at low frequencies than at large frequencies. This is illustrated by an example. become light.
  • an oscillator frequency of 8 MHz must be divided by 800.
  • the frequency is then 9.987 kHz, which means a frequency step of 13 Hz.
  • the absolute jump to the next divider 81 is already 1.3 kHz. With a lower reference frequency, the mixing frequency can be finer.
  • Another advantage may arise because, when using a lower reference frequency, a jitter of the output frequency above the reference frequency is filtered out. For example, for a given factor, as many periods of the output frequency will fit in one period of the reference frequency. In this way any time differences between the periods are averaged out.
  • the measuring device has a counter which is designed to count rising and / or falling edges of the mixing frequency.
  • the mixing frequency it can be determined in which period how many edges were counted.
  • the clock frequency of a microcontroller can serve as reference for the time determination.
  • the counter only counts rising edges.
  • a second counter is started which counts frequency pulses of a time reference, that is to say in particular the said clock pulses of a microcontroller. If the first counter has counted a predetermined number of edges of the mixing frequency, both counts will be stopped. Since the clock rate of the microcontroller is known, the elapsed time can be reliably determined from the counting result of the second counter. From the number of the first counter Counted edges to the elapsed time then gives the determined mixing frequency.
  • the measuring device is designed to convert the mixing frequency into a DC voltage.
  • a second elongated conductive sensor element is arranged in addition to the said first sensor element.
  • the second sensor element is arranged substantially parallel to the first sensor element, then a further control panel can be realized. It is also possible to see the surface spanned between the sensor elements as a sensor field, in which case the information obtained on the basis of the measurements with the first and the second sensor element is used for a position determination within the sensor field.
  • each sensor element can be connected to the previously described control and evaluation elements. However, it is also possible to alternately connect the previously described control and evaluation elements to the first and the second sensor element. If the measurement is performed with one of the sensor elements, the other electrode is preferably connected to ground or disconnected by opening the connection at the end region or the connections at the end regions.
  • the first and the second sensor element are arranged substantially perpendicular to each other.
  • the position of the object in the spanned sensor field can be specified as in a coordinate system with X and Y coordinates.
  • a general advantage that can be achieved by the invention is based on the fact that by mixing the frequencies relatively high fundamental frequencies can be used in the frequency generators. Due to the frequency mixing, it is also possible to use counters which have a low clock frequency, as is the case, for example, with internal counters of a microcontroller. In order to achieve a high resolution in frequency counting, it is advantageous if the frequency of the counting events is correspondingly low compared to the clock frequency of the counter. As explained above, only the difference between two high frequencies is measured with the mixing method. This is advantageous because lower resistances can thus be used for the generation of the time constants for the frequency, which leads to a better interference immunity of the device.
  • a device for determining a position of an object with a capacitive component with respect to a surface in particular for the operation of an electrical device, with an elongated conductive sensor element, with a current source for the purpose is formed, to act on the sensor element in an end region of its longitudinal extent with a current, with a comparator, which is designed to compare a voltage resulting from the application with a predetermined threshold value, and with a measuring device for Determining the time until the threshold value is reached, so that the position of the object can be specified on the basis of the determined time.
  • the object is achieved according to a further aspect of the invention by a method for determining a position of an object with capacitive component with respect to a surface, in particular for the operation of an electrical device, wherein a current is applied to a sensor element for the detection of the object and the time is measured until a voltage resulting from the application reaches a predetermined threshold, so that based on the determined time, the position of the object can be specified.
  • This device and this method are also based on the recognition that the approach of an object to the sensor element when viewed from an end region of the sensor element is shown as a series circuit of resistance and capacitance. In this case, it is considered that a certain time passes to charge the capacity through the resistor.
  • the resistance again represents the portion of the sensor element which is between the end region and the capacitance injection point. The farther the launch point is from the end region, the greater the effective resistance and the longer the charging of the capacitance.
  • the principle of the device and method is as follows.
  • the current source supplies the sensor element with a current in an end region of its longitudinal extent.
  • a tap for a comparator is arranged, which is designed to compare a voltage resulting from the application of current with a predetermined threshold value. The time that elapses from the application of the current until it reaches the threshold value is detected by the measuring device, so that finally the position of the object can be determined.
  • the current source outputs a current as accurately as possible with a desired current, since then fluctuations in the charging curves can be avoided solely due to fluctuations in the power source.
  • the current source is therefore designed as a constant current source.
  • the sensor element acts as a broken line because it lacks a connection to a second pole. Accordingly, after switching on the power source or after switching the power source to the sensor element, the threshold is exceeded almost immediately. So the time is very short, especially near zero.
  • the current source now sees a series connection of a smaller resistance and a capacitance. If this arrangement is supplied with the current, the result is a short charging time.
  • the current source sees a series connection of a greater resistance and a capacitance. If the sensor element is now supplied with current, a longer time elapses until the threshold value is reached.
  • the relationships between the measured time (charging time) and the position of the object relative to the sensor element can be determined by calculation and / or experimentally.
  • a setting / calibration can also be made be positioned, for example by the object at one end of the sensor element and at the other end of the sensor element and the respective measured values are evaluated. Since the theoretical relationship between the position of the object on the sensor element and the effect on the series connection of resistance and capacitance is known, intermediate values can then be calculated or interpolated.
  • the current source is both designed to apply a current to said first end region and to a second end region of the sensor element which is opposite the longitudinal extension of the sensor element.
  • This embodiment allows a more accurate determination of the position, since now a first measurement relative to the first end region and a second measurement relative to the second end region can be performed. Since the geometry of the sensor element is known, a relationship between the first and the second measurement can be established immediately.
  • the device in addition to the said first current source, which can act on said first end region with power, a second current source, which is adapted to a along the longitudinal extension of the sensor element opposite the second end region of the sensor element Current, and in addition to the said first comparator, the device comprises a second comparator, which is designed to compare a resulting from the application of the second current source voltage with a threshold value.
  • the threshold value of the first comparator and the threshold value of the second comparator are preferably chosen to be substantially equal.
  • the measuring device is designed to determine the time from reaching the threshold value in one of the comparators until reaching the threshold value in the other comparator.
  • the first and the second current source respectively see substantially the same resistance and the same capacitance. This means that the time difference between the two load times is small.
  • the first comparator reaches its threshold much faster than the second comparator. From the information of the relatively long time duration and the fact that the first comparator has reached the threshold value first, it can be concluded that the object has approached the left end area.
  • the time difference is detected by means of a counter.
  • the counter is started when one of the comparators exceeds the threshold and the counter is stopped when the other comparator exceeds the threshold. From the count result and the clock frequency of the counter can then be determined in a simple and accurate way the time.
  • the complete process of the measurement is as follows. As previously described, the power sources are turned on and waiting for the measurements to be completed, i. until the threshold of both comparators has been exceeded. Subsequently, the power sources are switched off again, which means that the capacity contained in the object is discharged again.
  • the required discharge time can either be determined beforehand or determined by adding a hysteresis to the switching voltage, in particular by switching the comparators as Schmitt triggers.
  • a new measurement can be started. Since the period of the measurement is essentially determined by the charging and discharging times, it therefore essentially depends on the capacitance which acts on the sensor element through the object.
  • the power sources are easily connected to known circuits such as e.g. the current mirror or a JFET transistor can be realized. This means that the solution can be realized inexpensively.
  • buttons can now be realized either in the material itself or by simple printing.
  • FIG. 1 shows an operating arrangement with a diaphragm and two devices according to the invention
  • 3 shows the relationship between the mixing frequency and the position of the object; 4 shows a method for the exact determination of the mixing frequency;
  • FIG. 5 shows an embodiment of a device based on the evaluation of loading times
  • Fig. 6 is a graph showing the time difference that results between the charging times of the comparators.
  • Fig. 7 shows an arrangement of two sensor elements for detecting the position of an object in a plane.
  • FIG. 1 shows two devices 10, 10 'that are part of an operating arrangement 12. Of the devices 10, 10 ', only the sensor elements 14, 14' are explicitly shown, while all other components of the devices 10, 10 'are merely indicated as boxes 16, 16'. The sensor elements 14, 14 'are designed here as plastic strips.
  • control panel 20 represents a group of three defined touch areas for switches, while the other control panel 22 is formed as an elongated strip along the longitudinal extension of which a plurality of positions can be assumed, similar to a slider.
  • the diaphragm 18 is made of an electrically insulating material. However, it is basically also possible to use a conductive material.
  • the surface of the aperture 18 is closed because the panels 20, 22 are merely printed but do not require an actual opening. It can be clearly seen that the operating arrangement 12 is very easy to beschaltten, since from each sensor element 14, 14 'only two connections must be led out.
  • Fig. 2 shows a device 10 based on the mixture of frequencies.
  • the device 10 has a first frequency generator 24 which has an output frequency fal of the frequency generator 24 determining tuning means 26, which has a fundamental frequency fbl and is connected to the sensor element 14 in an end region 28 of its longitudinal extent L.
  • a switching element (not shown) may be arranged between the tuning device 26 and the first end region 28 in order to separate the sensor element 14 from the first tuning device 26.
  • the device 10 also has a second frequency generator 30, which has an output frequency fa2 of the second frequency generator 30 determining tuning means 32 with a fundamental frequency fb2 and is connected to the sensor element 14 in a second end portion 34 of its longitudinal extent L. Again, a corresponding switching element may be provided.
  • the output frequency fal of the first frequency generator 24 is passed to a first mixer 36 and the second output frequency fa2 of the second frequency generator 30 to a second mixer 38. Both mixers 36, 38 also receive a reference frequency fref from a reference frequency generator 40.
  • the mixing frequencies fmix1, fmix2 of the mixers 36, 38 are passed to a measuring device 42, where the position of an object 44 is determined from the mixing frequencies fmix 1, fmix2.
  • the measuring device 42 has at least one counter 45.
  • the object 44 which is in particular a human finger, is shown here in simplified form as a grounded capacitor C, which is coupled to the sensor element 14 at an injection point 46.
  • the capacitor C and a resistor which results from the partial length L1 along the sensor element 14, are connected to the first tuner 26.
  • the capacitance C and a resistor resulting in the length L2 along the sensor element 14.
  • the output frequencies fal, fa2 thus depend on the position of the object 44 along the sensor element 14.
  • FIG. 1 The principle of how the mixing frequencies fmix1, fmix2 are used for determining the position xpos along the sensor element 14 is shown in FIG.
  • reference curve profiles are preferably stored which describe the course of the mixing frequencies fmix1, fmix2 as a function of the position xpos of the object 44.
  • the position xpos can be detected.
  • both mixed frequencies fmix1, fmix2 can also be used for the evaluation in order to increase the accuracy of the position determination and / or to detect errors in the position determination.
  • One possible, preferred form of evaluation is made as follows. On the basis of the mixing frequencies fmix1, fmix2, two corresponding points on the reference curve profiles, which are shown here in simplified form as straight lines, are determined. Position values xpos can then be determined from the points on the reference curves. Furthermore, it is also possible to determine from the two points a kind of average value dpos which indicates the distance of the object from the sensor element 14. In addition, an increase of dpos over time in the sense of an approach of the object 44 to the sensor element 14 can be understood. FIG. 4 shows how the measuring device 42 advantageously determines the mixing frequencies fmix1, fmix2.
  • the counting unit is designed to count both by means of a first counter (not shown) the number of clocks of its own clock frequency and by means of the counter 45 (hereinafter: second counter CT2) the number of rising edges contained in the mixing frequency fmixl ,
  • the two counters of the counting unit must be started as synchronously as possible. That is, as soon as the second counter 45, which counts the rising edges of the mixing frequency fmixl, counts an edge, both counters should start counting.
  • the number of events to be counted here the rising edges included in the mixing frequency fmixl, MAX is set to 1.
  • the counts of the first counter CT1 and the second counter CT2 are set to zero.
  • step 56 the counter readings are read in step 56 "READ DATA."
  • the readings of the counter readings should be made immediately after the required number of events MAX to be counted has been determined (as shown here).
  • the calculation of the mixing frequency fmixl - which incidentally can also be a part of step 64 - is carried out as follows. Since the clock rate of the first counter CTl is known, it can be determined very reliably on the basis of the clock pulses counted by it, how long the first counter CT1 ran until the second counter CT2 had counted 16 edges. The sought-after mixing frequency fmixl then results simply as the ratio of the number of edges (here 16) at the time.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a device 10 for determining a position of an object 44, which is based on the measurement of charging times.
  • the device 10 has a first current source 70, which is designed to apply a current to the sensor element 14 in a first end region 28 of its longitudinal extent L.
  • the device 10 has a second current source 72, which is designed to to pressurize the sensor element 14 in a second end region 34 of its longitudinal extent L with a current.
  • a respective comparator 78, 80 are arranged, each of which is designed to compare the voltage resulting from the current charge with a predetermined threshold value Vref. For each of the comparators 78, 80, if it detects reaching the threshold value Vref, a signal is sent to a measuring device 82. For the measurements, the current sources 70, 72 are switched on or off by a control unit 84. Of course, it is also possible that the control unit 84 each switches a switching element which lies between the respective current source 70, 72 and the sensor element 14.
  • the current sources 70, 72 are switched on either simultaneously or alternately. In principle, however, a multiple switching on and off of the same power source 70, 72 is conceivable, of course. The case will be considered below when the controller 84 simultaneously drives the current sources 70, 72.
  • the capacitance C of the object 44 is charged.
  • the measurable voltage at the feed points ie the end regions 28, 34, over time depending on the position of the object 44 relative to the sensor element 14.
  • this comparator transmits 78, 80 a signal which starts a counter 84 contained in the measuring device 82.
  • the other comparator 80, 78 detects that the threshold value Vref has been reached, it sends a signal to the measuring device 82, whereby the counter 84 contained in the measuring device is stopped. From the knowledge of the clock frequency of the counter 84 and the number of Counted clock pulses, can reliably determine the time that has lain between reaching the thresholds of the comparator 78, 80.
  • the first comparator 78 reaches the threshold value Vref at the time tla.
  • the second comparator 80 determines the reaching of the threshold value Vref at the time t2a. Based on the rather small difference and the fact that the first comparator 78 has first reached the threshold value Vref, it can be concluded that the object 44 approaches somewhat to the left (relative to the exemplary embodiment) from a center position of the sensor element 14.
  • the second comparator 80 determines the exceeding of the threshold value Vref at the time t2b, while the threshold value Vref at the first comparator 78 is exceeded only at the time tlb. Due to the relatively large time difference or the relatively large count, and the fact that the threshold Vref at the second feed point 76 was exceeded first, it can be concluded that the object 44 in the vicinity of the second end portion 34 approaches the sensor element 14.
  • the counter 84 can also be designed such that it counts in the positive direction when it is started by the first comparator 78 and counts in a negative direction when it is started by the second comparator 80. If then the other comparator 78, 80 and the threshold value Vref, the count is stopped. On the basis of the sign can then be determined whether the object 44 has approached the sensor element 14 to the left or right of the central position of the sensor element 14.
  • FIG. 7 shows the possibility of arranging the sensor elements 14 of two devices 10 at right angles.
  • the four large arrows indicate that the docking point 46 can move in two dimensions on a surface 18.
  • the determination of the X-position is carried out by determining the position of the coupling-in point 46 relative to this sensor element 14 by means of the sensor element 14 which is parallel to the X-axis.
  • the sensor element 14 'parallel to the Y-axis is used to determine the position of the injection point 46 with respect to this sensor element 14'.
  • an (X, Y) determination of the injection point with respect to the surface 18 is obtained.
  • the invention has thus revealed new devices and new methods with which the position of an object 44 relative to a surface 18 can be determined relatively easily and accurately.

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Abstract

Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Position eines Objekts (44) mit kapazitivem Anteil (C) bezogen auf eine Oberfläche (18), insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement (14) und mit einem Frequenzgenerator (24), der eine eine Ausgangsfrequenz (fa1) des Frequenzgenerators (24) bestimmende Abstimmeinrichtung (26) aufweist, die eine Grundfrequenz (fb1) hat und mit dem Sensorelement (14) in einem Endbereich (28) seiner Längserstreckung (L) verbindbar ist, mit einem Referenzfrequenzgenerator (40), der für das Ausgeben einer Referenzfrequenz (fref) ausgebildet ist, mit einem Mischer (36), der zum Mischen der Ausgangsfrequenz (fa1) und der Referenzfrequenz (fref) sowie zum Ausgeben einer resultierenden Mischfrequenz (fmix1) ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung (42) zum Bestimmen der Mischfrequenz (fmix1), so dass anhand der ermittelten Mischfrequenz (fmix1) die Position des Objekts (44) angegeben werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung (10') zur Bestimmung der Position des Objekts (44), mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement (14), mit einer Stromquelle (70), die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement (14) in einem Endbereich (28) seiner Längserstreckung (L) mit einem Strom zu beaufschlagen, mit einem Vergleicher (78), der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert (Vref) ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung (82) zum Bestimmen der Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts (Vref), so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts (44) angegeben werden kann. Schließlich betrifft die Erfindung auch entsprechende Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung bezogen auf eine Oberfläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts.
Die Bestimmung einer Position eines Objekts bezogen auf eine Oberfläche ist für die Bedienung und/oder die Überwachung eines elektrischen Geräts von großem Interesse. Dabei sind insbesondere solche Vorrichtungen von Interesse, die eine Positionsbestimmung bezogen auf eine geschlossene Oberfläche ermöglichen. So war es in der Vergangenheit bei Bedienanordnungen üblich, die einzelnen Bedienelemente als diskrete mechanische oder elektromechanische Schalter auszuführen. Für eine Betätigung dieser Schalter mussten üblicherweise Öffnungen in einer Blende vorgesehen werden, wodurch ein Eindringen von Schmutz und Flüssigkeiten in die Bedienanordnung möglich ist. Zwar konnten die Schalter zusätzlich mit einer gummierten Schicht überzogen werden, doch war eine solche Schicht nur begrenzt haltbar und in ihrer Haptik unbefriedigend.
Um die Position eines Objekts auch bei einer geschlossenen Oberfläche zu detektie- ren, ist häufig auf elektrische Verfahren zurückgegriffen worden. Dies ist darin begründet, dass bei einem Objekt in der Regel, insbesondere bei einem menschlichen Finger, resistive und/oder kapazitive Änderungen erfasst werden können, aus denen sich die Position des Objekts bestimmen lässt. Dabei ist vielfach auf das Prinzip von kapazitiven Berührungsschaltern zurückgegriffen worden.
Das Prinzip von kapazitiven Berührungsschaltern ist schon lange bekannt. Zur Realisierung von Bedienflächen von Glaskeramik-Kochfeldern ist es bspw. aus der DE 80 33 570 Ul bekannt, an der oberen Oberfläche eine große Kondensatorfläche vorzusehen und an der Rückseite der Glaskeramik-Platte zwei kleinere Kondensatorflächen. In eine kleinere Kondensatorfläche wird ein Wechselstrom eingespeist. Aus der anderen kleinen Kondensatorfläche wird ein Wechselstrom entnommen. Durch einen an der Bedienseite angeordneten Finger wird die kapazitive Anordnung verstimmt, was von einer geeigneten Auswerteelektronik ausgewertet und als „Betätigung" des kapazitiven Berührungsschalters erkannt werden kann.
Aus dem Dokument EP 1 416 636 A2 ist eine weitere Ausführungsform eines kapazitiven Berührungsschalters bekannt, bei dem ein Schaumstoffkörper elektrisch leitfähige Bereiche mit einer Sensorelementoberfläche und isolierende Bereiche aufweist, die in Richtung der Erstreckung einer Glaskeramik-Platte abwechselnd vorgesehen sind. So entsteht eine Art „Strangmaterial", aus dem nebeneinander liegende kapazitive Berührungsschalter hergestellt werden können. Es ist ferner aus der EP O 859 467 Bl bekannt, einen kapazitiven Berührungsschalter mit einer Sensortaste bereitzustellen, die einen Pol eines Kondensators bildet, wobei die Sensortaste aus einem flexiblen, räumlich ausgedehnten, raumformveränderli- chen und elektrisch leitfähigen Material besteht, das auf eine Platine aufgebracht ist und den Abstand zwischen einer Abdeckplatte und der Platine überbrückt, wobei eine Druckspannung aufrechterhalten wird.
Aus dem Dokument DE 10 2004 038 872 Al ist ferner ein Berührungsschalter für eine Bedieneinrichtung eines Elektrogerätes wie bspw. eines Kochfeldes bekannt. Der Schalter weist ein Sensorelement mit zwei Sensorflächen auf, die jeweils eine oder mehrere dreieckige Teilflächen aufweisen. Die Sensorflächen werden mit Ansteuersignalen angesteuert und erfahren bei Berührung mit einem Finger eine Auskopplung entsprechend einem Teil der überdeckten Fläche. Die restliche Signalstärke wird in einem Mikrokontroller miteinander verglichen, um den Ort der Berührung als Funktion des Verhältnisses der restlichen Signalstärken und überdeckten Flächen zueinander zu ermitteln.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, anzugeben, die kostengünstig und effizient auch in großen Stückzahlen hergestellt werden kann. Ferner soll ein verbessertes entsprechendes Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, angegeben werden.
Diese Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst, mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement und mit einem Frequenzgenerator, der eine eine Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators bestimmende Abstimmeinrichtung aufweist, die eine Grundfrequenz hat und mit dem Sensorelement in einem Endbereich seiner Längserstreckung verbindbar ist, mit einem Referenzfrequenzgene- rator, der für das Ausgeben einer Referenzfrequenz ausgebildet ist, mit einem Mischer, der zum Mischen der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz sowie zum Ausgeben einer resultierenden Mischfrequenz ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung zum Bestimmen der Mischfrequenz, so dass anhand der ermittelten Mischfrequenz die Position des Objekts angegeben werden kann.
Diese Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst, wobei eine Mischfrequenz gemessen wird, die sich aus einer Referenzfrequenz eines Referenzfrequenzgenerators und der Ausgangsfrequenz eines Frequenzgenerators ergibt, wobei sich die Ausgangsfrequenz ausgehend von einer Grundfrequenz ändert, wenn ein Sensorelement mit einer Abstimmeinrichtung des Frequenzgenerators verbunden ist und das Objekt an das Sensorelement angenähert wird, so dass anhand der gemessenen Mischfrequenz die Position des Objekts angegeben werden kann.
Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird mittels eines Frequenzgenerators eine Ausgangsfrequenz auf einen Endbereich eines länglichen leitfähigen Sensorelements gegeben. Das Sensorelement verfügt über einen spezifischen Widerstand, so dass der effektive Widerstand zwischen dem genannten Endbereich und einem Punkt auf dem Sensorelement ansteigt, je weiter sich der Punkt von dem Endbereich entfernt.
Der Frequenzgenerator verfügt über eine Abstimmeinrichtung, die eine Grundfrequenz des Frequenzgenerators vorgibt. Der Endbereich des Sensorelements kann mit der Abstimmeinrichtung verbunden werden, um die Annäherung eines Objekts an das Sensor element zu erfassen. Zwar kann auch schon durch das Verbinden mit der Abstimmeinrichtung eine Änderung der Ausgangsfrequenz entstehen, doch kann dies - da es sich um eine bekannte Änderung handelt - entsprechend berücksichtigt werden.
Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es eine bevorzugte Anwendung für die Vorrichtung ist, das Sensorelement unter einer Oberfläche anzuordnen, so dass sich das Objekt zwar dem Sensorelement annähert, zu diesem aber auch bei Berührung der Oberfläche einen gewissen Abstand einhält. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden, wenn das Sensorelement die Oberfläche bildet oder das Sensorelement einen Teil der Oberfläche bildet.
Nähert sich nun ein Objekt mit kapazitivem Anteil, also ein Objekt, das elektrisch auch eine Kapazität darstellt, dem Sensorelement an, so bildet sich zwischen dem Sensorelement und einem elektrischen Bezugspunkt des Objekts (in der Regel die elektrische Masse) eine zusätzliche Kapazität aus. Zum besseren Verständnis, bei einer Bedienanordnung wird üblicherweise ein Finger eines Benutzers (in Verbindung mit weiteren Körperteilen, die die elektrische Masse darstellen) das Objekt mit kapazitivem Anteil sein.
Durch den Aufbau der Kapazität stellt sich nun folgende Situation dar: Betrachtet man die elektrische Situation vom Frequenzgenerator aus, so ist nun an seiner Abstimmeinrichtung eine Reihenschaltung von Kapazität und Widerstand angeschlossen. Der Widerstand ergibt sich durch den Teil des Sensorelements, der zwischen dem Endbereich des Sensorelements und dem Einkopplungspunkt der Kapazität auf das Sensorelement liegt. Dadurch ändert sich die Einstellung der Abstimmeinrichtung, und die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators ändert sich. Da der Wert des Widerstands von dem Einkopplungspunkt der Kapazität abhängt, d.h. auf das Beispiel des menschlichen Fingers bezogen, an welcher Stelle des Sensorelements der Benutzer dieses berührt, ergeben sich unterschiedliche Abstimmungen des Frequenzgenerators, je nach dem wo die Annäherung an das Sensorelement stattfindet.
Um die resultierende Ausgangsfrequenz geeignet auswerten zu können und so die Position des Objekts zu bestimmen, wird das Signal mit der Ausgangsfrequenz an einen Mischer geleitet. Dieser Mischer erhält von einem Referenzfrequenzgenerator eine Referenzfrequenz, die mit der Ausgangsfrequenz gemischt wird. Die resultierende Mischfrequenz stellt der Mischer an seinem Ausgang bereit. Diese Mischfrequenz wird an eine Messeinrichtung geleitet, die zum Bestimmen dieser Mischfrequenz ausgebildet ist.
Sobald die Mischfrequenz bestimmt wurde, kann auf der Grundlage von errechneten oder tatsächlich ermittelten Referenzdaten ein Rückschluss auf die Position des Objekts gemacht werden. Je nach dem welche Anforderungen zu erfüllen sind und wie aufwendig bzw. genau die Messung durchgeführt werden soll, können von der Detektion einer einfachen Berührung, über eine Unterscheidung beispielsweise linker Bereich oder rechter Bereich des Sensorelements auch genaue Angaben über den Abstand gemacht werden, der zwischen dem Endbereich des Sensorelements und dem Einkopplungspunkt liegt.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass nicht nur eine Bestimmung dahingehend möglich ist, an welcher Stelle des Sensorelements sich das Objekt annähert bzw. angenähert hat, sondern dass außerdem festgestellt werden kann, wie weit sich das Objekt an das Sensorelement angenähert hat. Dies liegt darin begründet, dass sich abhängig vom Grad der Annäherung im Wesentlichen die Kapazität ändert, während sich bei einer Veränderung der Position entlang des Sensorelements im Wesentlichen der Widerstandswert ändert. Konkret bedeutet dies, je weiter sich das Objekt dem Sensorelement annähert, desto größer wird die Kapazität, und je weiter der Annäherungspunkt des Objekts entlang des Sensorelements von dem genannten Endbereich entfernt ist, desto größer wird der effektive Widerstand.
Je nach dem welche der wesentlichen Charakteristiken der Vorrichtung, insbesondere Positionsgenauigkeit, Annäherungsgenauigkeit, Empfindlichkeit, in den Vordergrund gestellt werden soll, kann der spezifische Widerstand des Sensorelements gewählt werden. Dabei können sowohl hochohmige Kunststoffe als auch niederohmige Metalle verwendet werden, wobei der streifenförmige Leiter vorzugsweise einen Widerstand im Bereich zwischen 10 kθhm/cm und 100 kθhm/cm, besonders bevorzugt zwischen 20 kθhm/cm und 75 kθhm/cm und insbesondere zwischen 25 kθhm/cm und 50 kθhm/cm hat. Damit ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abstimmeinrichtung sowohl mit dem zuvor genannten, ersten Endbereich als auch mit einem entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden, zweiten Endbereich des Sensorelements verbindbar.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine genauere Bestimmung der Position, da nun eine erste Messung bezogen auf den ersten Endbereich und eine zweite Messung bezogen auf den zweiten Endbereich durchgeführt werden können. Da die Geometrie des Sensorelements bekannt ist, lässt sich unmittelbar eine Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Messung herstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung neben dem genannten, ersten Frequenzgenerator einen zweiten Frequenzgenerator mit einer zweiten Abstimmeinrichtung auf, die mit einem entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden, zweiten Endbereich des Sensorelements verbindbar ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht mehr notwendig, zwischen dem ersten und dem zweiten Endbereich hin und her zu schalten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die zum Auswerten der ersten Mischfrequenz aus der Messung am ersten Endbereich und einer zweiten Mischfrequenz aus der Messung am zweiten Endbereich zur Positionsbestimmung ausgebildet ist.
Die beiden Mischfrequenzen werden dabei vorteilhaft wie folgt ausgewertet: Wie bereits zuvor erwähnt, geben beide Messungen eine Information über die Position des Objekts, die unmittelbar miteinander korrespondieren. Zum einen ist es anhand der beiden Messungen beispielsweise möglich, die Position als den Mittelwert aus den Abstandwerten, die den Mischfrequenzen entsprechen, zu berechnen, wobei der Abstandswert der zweiten Messung auf den Bezugspunkt der ersten Messung umgerechnet wird oder umgekehrt. Zum anderen ist auch eine Plausibilitätsprüfung möglich. Sollten die beiden Abstandswerte zu weit voneinander abweichen - der Abstandswert aus der zweiten Messung wurde wieder auf den Bezugspunkt der ersten Messung umgerechnet -, so kann dies auf einen Fehler hindeuten, der entsprechend behandelt werden kann.
Die Abweichung zwischen den Messwerten kann aber besonders bevorzugt auch verwendet werden, um die Erstreckung bzw. die Größe eines Objekts bezogen auf das Sensorelement zu erkennen. In diesem Fall wird eine Abweichung zwischen den Messwerten nicht im Sinne eines Fehlers, sondern als Hinweis darauf interpretiert, dass sich ein erster Erstreckungspunkt des Objekt, insbesondere ein erstes Ende des Objekts, bei dem Abstandswert gemäß der ersten Messung befindet und dass sich ein zweiter Erstreckungspunkt des Objekt, insbesondere ein zweites Ende des Objekts, bei dem Abstandswert gemäß der zweiten Messung befindet. So ist es insbesondere möglich, eine Berührung mit zwei Fingern zu detektieren, beispielsweise einen Finger in der Nähe des ersten Endbereichs und einen anderen Finger in der Nähe des zweiten Endbereichs.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinheit dafür ausgebildet, eine Differenzfrequenz zwischen der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz zu ermitteln.
Die Mischung zweier unterschiedlicher Frequenzen erzeugt neben den beiden Basisfrequenzen im Spektrum eine zusätzliche niedrige Frequenz. Grundsätzlich kann dies dazu benutzt werden, auch sehr kleine Änderungen zu detektieren. Bei der bevorzugten Detektion, die keinen tatsächlichen Kontakt des Objekts mit dem Sensorelement erfordert, ist die Änderung der Ausgangsfrequenz sehr gering, beispielsweise in der Größenordnung von 0,001 %, was 1 Hz auf 100 kHz entspricht. Um die Auswertung zu vereinfachen und die Kosten für eine präzise Auswertung zu senken, wird vorgeschlagen, den Betrag der Frequenzänderung auf die Differenzfrequenz zwischen der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz zu projizieren. Bei den für diese Vorrichtung experimentell ermittelten Werten, kann sich die zu messende Änderung um eine oder mehrere Potenzen steigern. Insbesondere kann die zu messende Änderung auf bis zu 25 bis 100 % gesteigert werden, was einem Frequenzbereich von 250 Hz - I kHz bezogen auf 1 kHz entspricht. Damit ist die Messung der Änderung der Ausgangsfrequenz einfacher zu realisieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzfrequenz niedriger, insbesondere deutlich niedriger, als die Grundfrequenz.
Dies bedeutet, mit anderen Worten, dass die Referenzfrequenz nicht auf die Grundfrequenz abgestimmt werden muss. Da es nicht erforderlich ist, den absoluten Frequenzwert zu bestimmen, sondern eine Bestimmung der Frequenzänderung ausreichend ist, kann die Messung schneller und genauer durchgeführt werden. Mittels eines nachgeschalteten Bandpassfilters können unerwünschte Frequenzwerte, also zu niedrige und zu hohe Frequenzwerte, unterdrückt werden.
Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die Referenzfrequenz auch deutlich niedriger als die Grundfrequenz gewählt werden kann. Im Rahmen der Erfindung wurde nämlich herausgefunden, dass ein Mischen der Frequenzen auch auf der Basis von Harmonischen und Subharmonischen durchgeführt werden kann. So ist es beispielsweise grundsätzlich möglich, die Referenzfrequenz um den Faktor 10 unter der Grundfrequenz zu wählen. Die dafür benötigte möglichst stabile Referenzfrequenz kann durch den Quarz eines Mikrokontrollers bereitgestellt werden.
Die Reduzierung der Referenzfrequenz hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen kann eine niedrigere Frequenz mit dem genannten Mikrokontroller feiner eingestellt werden, da die absoluten Sprünge zwischen zwei Teilen der Grundfrequenz bei niedrigen Frequenzen kleiner sind als bei großen. Dies soll an einem Beispiel verdeut- licht werden. Um eine Referenzfrequenz von 10 kHz zu erzeugen, muss eine Oszillatorfrequenz von 8 MHz durch 800 geteilt werden. Beim nächsten Teilerschritt, also 801, beträgt die Frequenz dann 9,987 kHz, was einen Frequenzschritt von 13 Hz bedeutet. Verwendet man hingegen eine Referenzfrequenz von 100 kHz bei einem Teiler 80, ist der absolute Sprung zum nächsten Teiler 81 bereits 1,3 kHz. Mit einer niedrigeren Referenzfrequenz kann die Mischfrequenz feiner eingestellt werden.
Ein weiterer Vorteil kann sich ergeben, da bei Verwendung einer geringeren Referenzfrequenz ein Jitter der Ausgangsfrequenz oberhalb der Referenzfrequenz ausgefiltert wird. Beispielsweise passen bei einem gegebenen Faktor ebenso viele Perioden der Ausgangsfrequenz in eine Periode der Referenzfrequenz. Damit werden eventuelle Zeitunterschiede zwischen den Perioden ausgemittelt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messeinrichtung einen Zähler auf, der dafür ausgebildet ist, steigende und/oder fallende Flanken der Mischfrequenz zu zählen.
Durch die Verwendung eines Zählers können auch hohe Frequenzen zuverlässig bestimmt werden. Um die Mischfrequenz zu ermitteln, kann ermittelt werden, in welchem Zeitraum wie viele Flanken gezählt wurden. Als Referenz für die Zeitbestimmung kann dabei beispielsweise die Taktfrequenz eines Mikrokontrollers dienen.
Insbesondere wird das folgende Vorgehen vorgeschlagen, bei dem der Zähler nur steigende Flanken zählt. Zu einem Zeitpunkt, an dem eine steigende Flanke ein Zählereignis in dem genannten Zähler auslöst, wird ein zweiter Zähler gestartet, der Frequenzpulse einer Zeitreferenz, also insbesondere die genannten Taktimpulse eines Mikrokontrollers, zählt. Hat der erste Zähler eine vorgegebene Anzahl an Flanken der Mischfrequenz gezählt, werden beide Zählvorgänge gestoppt. Da die Taktrate des Mikrokontrollers bekannt ist, kann aus dem Zählergebnis des zweiten Zählers die verstrichene Zeit zuverlässig bestimmt werden. Aus der Anzahl der vom ersten Zähler gezählten Flanken zu der verstrichenen Zeit ergibt sich dann die zu ermittelnde Mischfrequenz.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dafür ausgebildet, die Mischfrequenz in eine Gleichspannung zu wandeln.
Dies kann zu einer Vereinfachung der Vorrichtung führen, da nicht mehr die einzelnen Flanken der Mischfrequenz ausgewertet werden müssen, sondern lediglich die genannte Gleichspannung. Die Möglichkeit der Wandlung in die Gleichspannung kann mittels einer Monoflop-Schaltung erfolgen, die insbesondere auf der Basis von zwei NAND-Gattern realisiert wird. Grundsätzlich ist auch die Verwendung einer One-Shot-Schaltung denkbar, die bei einer steigenden Flanke am Eingang einen kurzen Puls am Ausgang erzeugt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu dem genannten, ersten Sensorelement ein zweites längliches leitfähiges Sensorelement angeordnet.
Dabei ergeben sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Wird das zweite Sensorelement im Wesentlichen parallel zum ersten Sensorelement angeordnet, so kann ein weiteres Bedienfeld realisiert werden. Es ist auch möglich, die zwischen den Sensorelementen aufgespannte Fläche als ein Sensorfeld zu sehen, wobei dann die Informationen, die aufgrund der Messungen mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement gewonnen werden, für eine Positionsbestimmung innerhalb des Sensorfelds herangezogen werden.
Um Messungen mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement durchzuführen, kann jedes Sensorelement mit den zuvor beschriebenen Ansteuer- und Auswerteelementen verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die zuvor beschriebenen Ansteuer- und Auswerteelemente abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement zu verbinden. Wenn die Messung mit einem der Sensorelemente durchgeführt wird, wird die andere Elektrode bevorzugt auf Masse geschaltet oder durch ein Öffnen der Verbindung am Endbereich bzw. der Verbindungen an den Endbereichen abgeklemmt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und das zweite Sensorelement im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet.
Auf diese Weise kann die Position des Objekts in dem aufgespannten Sensorfeld wie in einem Koordinatensystem mit X- und Y-Koordinaten angegeben werden.
Ein allgemeiner Vorteil, der durch die Erfindung erzielt werden kann, beruht darauf, dass durch die Mischung der Frequenzen relativ hohe Grundfrequenzen in den Frequenzgeneratoren verwendet werden können. Aufgrund der Frequenzmischung können auch Zähler verwendet werden, die eine geringe Taktfrequenz haben, wie das beispielsweise bei internen Zählern eines Mikrokontrollers der Fall ist. Um eine hohe Auflösung bei der Frequenzzählung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz der Zählereignisse entsprechend niedrig gegenüber der Taktfrequenz des Zählers ist. Wie zuvor erläutert, wird mit dem Mischverfahren nur die Differenz zweier hoher Frequenzen gemessen. Dies ist vorteilhaft, da somit für die Erzeugung der Zeitkonstanten für die Frequenz niedrigere Widerstände verwendet werden können, was zu einer besseren Störsicherheit der Vorrichtung führt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst, mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement, mit einer Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement in einem Endbereich seiner Längserstreckung mit einem Strom zu beaufschlagen, mit einem Vergleicher, der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung zum Bestimmen der Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts, so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts angegeben werden kann.
Schließlich wird die Aufgabe nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst, wobei ein Sensorelement für die Detektion des Objekts mit einem Strom beaufschlagt wird und die Zeit gemessen wird, bis eine aus der Beaufschlagung resultierende Spannung einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts angegeben werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass die zuletzt genannte Vorrichtung und das zuletzt genannte Verfahren prinzipbedingt etliche Übereinstimmungen mit der zuvor genannten Vorrichtung und dem zuvor genannten Verfahren haben. Daher sind alle zuvor gemachten Erläuterungen, Beschreibungen und Weiterbildungen auch auf die zuletzt genannte Vorrichtung und das zuletzt genannte Verfahren übertragbar, solange sie nicht ausschließlich auf die spezifischen Elemente, wie beispielsweise den Frequenzgenerator oder den Mischer, abstellen.
Auch dieser Vorrichtung und diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Annäherung eines Objekts an das Sensorelement sich bei einer Betrachtung von einem Endbereich des Sensorelements als eine Reihenschaltung von Widerstand und Kapazität zeigt. In diesem Fall wird darauf abgestellt, dass eine bestimmte Zeit vergeht, um die Kapazität über den Widerstand aufzuladen. Der Widerstand stellt sich erneut als der Abschnitt des Sensorelements dar, der zwischen dem Endbereich und dem Einkopplungspunkt der Kapazität liegt. Je weiter der Einkopplungspunkt von dem Endbereich entfernt ist, desto größer wird der effektive Widerstand und desto länger dauert das Aufladen der Kapazität. Das Prinzip der Vorrichtung und des Verfahrens ist wie folgt. Die Stromquelle beaufschlagt das Sensorelement in einem Endbereich seiner Längserstreckung mit einem Strom. Im Bereich von der Stromquelle zum Endbereich des Sensorelements ist ein Abgriff für einen Vergleicher angeordnet, der zum Vergleichen einer aus der Strombeaufschlagung resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert ausgebildet ist. Die Zeit, die von der Strombeaufschlagung bis zum Erreichen des Schwellwerts vergeht, wird von der Messeinrichtung erfasst, so dass schließlich die Position des Objekts bestimmt werden kann.
Für die Genauigkeit der Messung ist es vorteilhaft, wenn die Stromquelle einen Strom möglichst genau mit einer gewünschten Stromstärke abgibt, da dann Schwankungen der Ladekurven allein aufgrund Schwankungen in der Stromquelle vermieden werden können. Insbesondere ist die Stromquelle daher als Konstantstromquelle ausgeführt.
Zur Verdeutlichung dieses Prinzips sollen drei Fälle näher beleuchtet werden. Hat sich kein Objekt dem Sensorelement angenähert, wirkt das Sensorelement - da es an einer Verbindung mit einem zweiten Pol fehlt - wie eine unterbrochene Leitung. Demnach wird nach dem Einschalten der Stromquelle oder nach dem Schalten der Stromquelle auf das Sensorelement der Schwellwert nahezu unmittelbar überschritten. Die Zeit ist also sehr kurz, insbesondere nahezu null.
Befindet sich das Objekt in der Nähe des Endbereichs, so sieht die Stromquelle nun eine Reihenschaltung eines kleineren Widerstands und einer Kapazität. Wird diese Anordnung mit dem Strom beaufschlagt, so ergibt sich eine kurze Ladezeit. Nähert sich das Objekt einem Bereich des Sensorelements an, der vom Endbereich entfernt liegt, so sieht die Stromquelle eine Reihenschaltung von einem größeren Widerstand und einer Kapazität. Wird das Sensorelement nun mit Strom beaufschlagt, so vergeht eine längere Zeit, bis der Schwellwert erreicht wird.
Die Zusammenhänge zwischen der gemessenen Zeit (Ladezeit) und der Position des Objekts bezogen auf das Sensorelement kann rechnerisch und/oder experimentell ermittelt werden. Außerdem kann auch eine Einstellung/Kalibrierung vorgenommen werden, beispielsweise indem das Objekt an einem Ende des Sensorelements und am anderen Ende des Sensorelements positioniert wird und die jeweiligen Messwerte ausgewertet werden. Da der theoretische Zusammenhang zwischen der Position des Objekts auf dem Sensorelement und der Auswirkung auf die Reihenschaltung von Widerstand und Kapazität bekannt ist, können dann Zwischenwerte berechnet bzw. interpoliert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Stromquelle sowohl dafür ausgebildet den genannten, ersten Endbereich als auch einen entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden, zweiten Endbereich des Sensorelements mit einem Strom zu beaufschlagen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine genauere Bestimmung der Position, da nun eine erste Messung bezogen auf den ersten Endbereich und eine zweite Messung bezogen auf den zweiten Endbereich durchgeführt werden können. Da die Geometrie des Sensorelements bekannt ist, lässt sich unmittelbar eine Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Messung herstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung neben der genannten, ersten Stromquelle, die den genannten, ersten Endbereich mit Strom beaufschlagen kann, eine zweite Stromquelle auf, die dafür ausgebildet ist, einen entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden zweiten Endbereich des Sensorelements mit Strom zu beaufschlagen, und weist die Vorrichtung neben dem genannten, ersten Vergleicher einen zweiten Vergleicher auf, der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung durch die zweite Stromquelle resultierenden Spannung mit einem Schwellwert ausgebildet ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht mehr notwendig, zwischen dem ersten und dem zweiten Endbereich hin und her zu schalten. Der Schwellwert des ersten Vergleichers und der Schwellwert des zweiten Vergleichers werden bevorzugt im Wesentlichen gleich gewählt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung zum Bestimmen der Zeit vom Erreichen des Schwellwerts bei einem der Vergleicher bis zum Erreichen des Schwellwerts bei dem anderen Vergleicher ausgebildet.
Dies bedeutet, dass die Zeitdauer bestimmt wird, die verstrichen ist, nachdem einer der Vergleicher den Schwellwert überschritten hat, bis auch der andere Vergleicher seinen Schwellwert überschritten hat. Um die Auswertung zu verdeutlichen, seien drei Beispiele genannt:
1. Nähert sich das Objekt dem Sensorelement in etwa in der Mitte des Sensorelements an, so sehen die erste und die zweite Stromquelle jeweils im Wesentlichen den gleichen Widerstand und die gleiche Kapazität. Dies bedeutet, dass die Zeitdifferenz zwischen den beiden Ladezeiten nur gering ist.
2. Nähert sich das Objekt dem ersten Endbereich an, so erreicht der erste Vergleicher deutlich schneller seinen Schwellwert als der zweite Vergleicher. Aus der Information der verhältnismäßig großen Zeitdauer und der Tatsache, dass der erste Vergleicher den Schwellwert zuerst erreicht hat, kann der Rückschluss gezogen werden, dass sich das Objekt dem linken Endbereich angenähert hat.
3. Bei einer Annäherung des Objekts an den zweiten Endbereich ergibt sich wieder eine verhältnismäßig große Zeitdauer, wobei in diesem Fall jedoch der zweite Vergleicher zuerst seinen Schwellwert erreicht. Diese Informationen erlauben den Rückschluss, dass sich das Objekt dem zweiten Endbereich annähert.
Allgemein ist es daher unter Berücksichtigung der ermittelten Zeitdifferenz und der Kenntnis, welcher Vergleicher den Schwellwert zuerst überschritten hat, möglich, eine Aussage zu treffen, wie weit die Position des Objekts von diesem Mittelpunkt entfernt ist und ob dieser Abstand in Richtung des ersten Endbereichs oder des zweiten Endbereichs abzutragen ist. Bevorzugt wird die Zeitdifferenz mittels eines Zählers erfasst. So wird der Zähler gestartet, wenn einer der Vergleicher den Schwellwert überschreitet und wird der Zähler gestoppt, wenn der andere Vergleicher den Schwellwert überschreitet. Aus dem Zählergebnis und der Taktfrequenz des Zählers kann dann auf einfache und genaue Weise die Zeit bestimmt werden.
Der vollständige Vorgang bei der Messung sieht wie folgt aus. Wie zuvor beschrieben, werden die Stromquellen eingeschaltet und es wird gewartet, bis die Messungen abgeschlossen sind, d.h. bis der Schwellwert von beiden Vergleichern überschritten wurde. Anschließend werden die Stromquellen wieder abgeschaltet, was dazu führt, dass die im Objekt enthaltene Kapazität wieder entladen wird. Die benötigte Entladezeit kann entweder vorher festgelegt werden oder durch ein Zufügen einer Hysterese zur Schaltspannung, insbesondere durch eine Schaltung der Vergleicher als Schmitt- Trigger, bestimmt werden. Wenn die Spannung auf ein festgelegtes Niveau abgesunken ist bzw. der Entladevorgang weitestgehend abgeschlossen ist, kann eine neue Messung gestartet werden. Da die Periodendauer der Messung im Wesentlichen von den Lade- und Entladezeiten bestimmt ist, hängt sie demnach im Wesentlichen von der Kapazität ab, die durch das Objekt auf das Sensorelement wirkt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Stromquellen auf einfache Art mit bekannten Schaltungen wie z.B. dem Stromspiegel oder einem JFET-Transistor realisiert werden können. Dies bedeutet, dass die Lösung preiswert realisiert werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren lassen sich kapazitive Sensorordnungen bzw. Bedienbaugruppen realisieren. Die hiermit einhergehende Technologien zur Ausgestaltung des Sensorelements sind allgemein bekannt und werden daher vorliegend nicht im Detail beschrieben. Auf den Inhalt der vom gleichen Anmelder am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung hinterlegten Anmeldung mit dem Titel „Bedienanordnung für ein Haushaltsgerät" wird hiermit Bezug genommen. Der Inhalt dieser parallelen Anmeldung soll demgemäß vorliegend vollumfänglich enthalten sein. Für alle zuvor genannten Vorrichtungen und Verfahren gilt, dass sie bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, insbesondere im Bereich der Bedienanordnungen für die Bedienung eines elektrischen Geräts. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und preiswert herstellbar, so dass sie gerade auch in massenproduzierten Geräten, z.B. für die Unterhaltungselektronik, weiße Ware, den Automobilbereich oder im Infotainmentbereich eingesetzt werden kann. Da nur zwei Kontaktpunkte für das Sensorelement erforderlich sind, können Bedienelemente auch außerhalb der Grundfläche der Leiterplatte, auf der die Vorrichtung aufgebaut ist, angeordnet werden. Besonders gut kann die Vorrichtung dort eingesetzt werden, wo die Bedienung durch eine isolierende Blende hindurch (Kunststoff, Glas, Keramik, Ceran, Stein, etc.) erfolgt. Es ist also nicht mehr erforderlich, einen Durchbruch für Knöpfe vorzusehen. Diese können nun entweder im Material selbst oder durch einfaches Aufdrucken realisiert werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Bedienanordnung mit einer Blende und zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die auf der Auswertung von Mischfrequenzen beruht;
Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Mischfrequenz und der Position des Objekts; Fig. 4 ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Mischfrequenz;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die auf der Auswertung von Ladezeiten beruht;
Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zeitdifferenz, die sich zwischen den Ladezeiten der Vergleicher ergibt; und
Fig. 7 eine Anordnung von zwei Sensorelementen für die Erfassung der Position eines Objekts in einer Ebene.
Fig. 1 zeigt zwei Vorrichtungen 10, 10', die Teil einer Bedienanordnung 12 sind. Von den Vorrichtungen 10, 10' sind explizit lediglich die Sensorelemente 14, 14' gezeigt, während alle anderen Bestandteile der Vorrichtungen 10, 10' lediglich als Kästchen 16, 16' angedeutet sind. Die Sensorelemente 14, 14' sind hier als Kunststoffstreifen ausgeführt.
Über den Sensorelementen 14, 14' befindet sich eine Blende 18, auf die zwei Bedienfelder 20, 22 aufgedruckt sind. Dabei stellt das eine Bedienfeld 20 eine Gruppe von drei definierten Berührungsbereichen für Schalter dar, während das andere Bedienfeld 22 als länglicher Streifen ausgebildet ist, entlang dessen Längserstreckung eine Vielzahl von Positionen eingenommen werden kann, ähnlich wie bei einem Schieberegler.
Hinsichtlich des ersten Bedienfelds 20 soll eine Auflösung dahingehend vorgenommen werden, an welchen der drei gezeigten Bereiche sich ein Objekt, insbesondere ein menschlicher Finger, annähert. Bei dem zweiten Bedienfeld 22 soll ermittelt werden, an welcher Position entlang des Bedienfelds sich das Objekt dem Sensorelement annähert. Die Blende 18 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Es ist aber grundsätzlich auch denkbar, ein leitfähiges Material zu verwenden. Die Oberfläche der Blende 18 ist geschlossen, da die Bedienfelder 20, 22 lediglich aufgedruckt sind, aber keine tatsächliche Öffnung benötigen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Bedienanordnung 12 sehr einfach zu beschälten ist, da aus jedem Sensorelement 14, 14' lediglich zwei Anschlüsse herausgeführt werden müssen.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 10, die auf der Mischung von Frequenzen beruht. Neben dem bereits genannten Sensorelement 14 weist die Vorrichtung 10 einen ersten Frequenzgenerator 24 auf, der eine eine Ausgangsfrequenz fal des Frequenzgenerators 24 bestimmende Abstimmeinrichtung 26 aufweist, die eine Grundfrequenz fbl hat und mit dem Sensorelement 14 in einem Endbereich 28 seiner Längserstreckung L verbunden ist. Dabei kann zwischen der Abstimmeinrichtung 26 und dem ersten Endbereich 28 ein Schaltelement (nicht gezeigt) angeordnet sein, um das Sensorelement 14 von der ersten Abstimmeinrichtung 26 zu trennen.
Die Vorrichtung 10 weist außerdem einen zweiten Frequenzgenerator 30 auf, der eine Ausgangsfrequenz fa2 des zweiten Frequenzgenerators 30 bestimmende Abstimmeinrichtung 32 mit einer Grundfrequenz fb2 hat und mit dem Sensorelement 14 in einem zweiten Endbereich 34 seiner Längserstreckung L verbunden ist. Auch hier kann ein entsprechendes Schaltelement vorgesehen sein.
Die Ausgangsfrequenz fal des ersten Frequenzgenerators 24 wird an einen ersten Mischer 36 und die zweite Ausgangsfrequenz fa2 des zweiten Frequenzgenerators 30 an einen zweiten Mischer 38 geleitet. Beide Mischer 36, 38 erhalten zudem eine Referenzfrequenz fref von einem Referenzfrequenzgenerator 40. Die Mischfrequenzen fmixl, fmix2 der Mischer 36, 38 werden an eine Messeinrichtung 42 geleitet, wo aus den Mischfrequenzen fmix 1, fmix2 die Position eines Objekts 44 ermittelt wird. Die Messeinrichtung 42 weist mindestens einen Zähler 45 auf. Das Objekt 44, bei dem es sich insbesondere um einen menschlichen Finger handelt, ist hier vereinfacht als eine gegen Masse geschaltete Kapazität C dargestellt, die an einem Einkopplungspunkt 46 auf das Sensorelement 14 gekoppelt ist.
Wie bereits zuvor erläutert, ist an die erste Abstimmeinrichtung 26 die Kapazität C und ein Widerstand angeschlossen, der sich durch die Teillänge Ll entlang des Sensorelements 14 ergibt. An die zweite Abstimmeinrichtung 32 ist die Kapazität C und ein Widerstand angeschlossen, der sich durch die Länge L2 entlang des Sensorelements 14 ergibt.
Die Ausgangsfrequenzen fal, fa2 hängen also von der Position des Objekts 44 entlang des Sensorelements 14 ab.
Das Prinzip, wie die Mischfrequenzen fmixl, fmix2 für eine Bestimmung der Position xpos entlang des Sensorelements 14 verwendet werden, ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei sind bevorzugt Referenzkurvenverläufe hinterlegt, die den Verlauf der Mischfrequenzen fmixl, fmix2 in Abhängigkeit von der Position xpos des Objekts 44 beschreiben. Im Rückschluss kann dann bei Kenntnis mindestens einer Mischfrequenz fmixl, fmix2 die Position xpos erkannt werden. Wie eingangs bereits erläutert, können aber auch beide Mischfrequenzen fmixl, fmix2 für die Auswertung herangezogen werden, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen und/oder Fehler bei der Positionsbestimmung zu erkennen.
Eine mögliche, bevorzugte Form der Auswertung wird wie folgt vorgenommen. Anhand der Mischfrequenzen fmixl, fmix2 werden zwei entsprechende Punkte auf den Referenzkurvenverläufen, die hier vereinfacht als Geraden dargestellt sind, ermittelt. Aus den Punkten auf den Referenzkurven lassen sich dann jeweils Positionswerte xpos ermitteln. Ferner kann aber auch aus den beiden Punkten eine Art Mittelwert dpos bestimmt werden, der den Abstand des Objekts zum Sensorelement 14 angibt. Außerdem kann ein Anstieg von dpos über der Zeit im Sinne einer Annäherung des Objekts 44 an das Sensorelement 14 verstanden werden. In Fig. 4 ist gezeigt, wie die Messeinrichtung 42 die Mischfrequenzen fmixl, fmix2 vorteilhaft bestimmt. Dafür sind in der Messeinrichtung zwei Zähleinheiten ange- "ürdnet - jeweils eine Zähleinheit zur Bestimmung einer Mischfrequenz fmixl, fmix2 -, von denen nun eine Zähleinheit, die den Zähler 45 aufweist, für die Mischfrequenz fmixl beispielhaft beschrieben wird.
Die Zähleinheit ist dafür ausgebildet, sowohl mittels eines ersten Zählers (nicht gezeigt) die Anzahl der Takte ihrer eigenen Taktfrequenz zu zählen als auch mittels des Zähler 45 (nachfolgend: zweiter Zähler CT2) die Anzahl der steigenden Flanken, die in der Mischfrequenz fmixl enthalten sind.
Um eine möglichst genaue Frequenzmessung zu erzielen, müssen die beiden Zähler der Zähleinheit möglichst synchron gestartet werden. D.h., sobald der zweite Zähler 45, der die steigenden Flanken der Mischfrequenz fmixl zählt, eine Flanke zählt, sollen beide Zähler mit dem Zählen beginnen.
Um dieses zu erreichen, wird in einem Schritt 50 die Anzahl der zu zählenden Ereignisse, hier die steigenden Flanken, die in der Mischfrequenz fmixl enthalten sind, MAX auf 1 gesetzt. Danach werden im Schritt 52 die Zählerstände des ersten Zählers CTl und des zweiten Zählers CT2 auf null gesetzt. Im Schritt 54 in Verbindung mit dem Abzweig N prüft der zweite Zähler CT2, ob die entsprechende Anzahl der zu zählenden Ereignisse MAX erreicht wurde. Für die Ausgangssituation, bei der MAX = 1 ist, bedeutet dies, dass das Auftreten der nächsten steigenden Flanke der Mischfrequenz fmixl abgewartet wird.
Wurde die Anzahl MAX erreicht, werden die Zählerstände im Schritt 56 „READ DATA" ausgelesen. Im Sinne der Genauigkeit, sollte das Auslesen der Zählerstände unmittelbar erfolgen, nachdem die erforderliche Anzahl der er zu zählenden Ereignisse MAX festgestellt wurde (wie es hier gezeigt ist). Im Schritt 58 wird sinngemäß abgefragt, ob eine Messung gestartet werden soll (MAX = 1) oder ob gerade eine Messung durchgeführt wurde (MAX ≠ 1). Soll nun eine Messung gestartet werden, verzweigt das Verfahren über den Abzweig J zum Schritt 60, wo die Anzahl der zu zählenden Ereignisse auf MAX = 16 gesetzt wird. Im Schritt 52 werden die Zähler dann wieder auf null gesetzt und die Messung beginnt. Da MAX = 16 ist, werden bei diesem Beispiel nun 16 steigende Flanken der Mischfrequenz fmixl gezählt, während der erste Zähler CTl die Taktimpulse der Taktfrequenz zählt.
Wird im Schritt 54 nun festgestellt, dass 16 steigende Flanken der Mischfrequenz fmixl detektiert wurden, werden die Zählerstände im Schritt 56 wieder ausgelesen. Der Schritt 58 verzweigt diesmal über den Abzweig N, wo durch das Setzen von MAX = 1 im Schritt 62 eine neue Messung vorbereitet wird. Im Schritt 64 „DATA OUT" werden dann die Zählerstände ausgegeben.
Die Berechnung der Mischfrequenz fmixl - die übrigens auch ein Teil des Schritts 64 sein kann - wird wie folgt durchgeführt. Da die Taktrate des ersten Zählers CTl bekannt ist, kann anhand der von ihm gezählten Taktimpulse sehr zuverlässig ermittelt werden, wie lange der erste Zähler CTl lief, bis der zweite Zähler CT2 16 Flanken gezählt hatte. Die gesuchte Mischfrequenz fmixl ergibt sich dann einfach als das Verhältnis der Anzahl der Flanken (hier 16) zur Zeit.
Mit dieser Methode kann einfach und genau eine hohe Frequenz gemessen werden. Zudem verkürzt die Verwendung einer hohen Frequenz auch die Zeit, die benötigt wird, um die Mischfrequenz zu messen.
Fig. 5 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Position eines Objekts 44, die auf der Messung von Ladezeiten beruht. Für die Erläuterungen zum Sensorelement 14 und zum Objekt 44 wird auf die Ausführungen zur Fig. 2 verwiesen. Die Vorrichtung 10" weist eine erste Stromquelle 70 auf, die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement 14 in einem ersten Endbereich 28 seiner Längserstreckung L mit einem Strom zu beaufschlagen. Außerdem weist die Vorrichtung 10" eine zweite Stromquelle 72 auf, die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement 14 in einem zweiten Endbereich 34 seiner Längserstreckung L mit einem Strom zu beaufschlagen.
An den jeweiligen Einspeisepunkten 74, 76 der Stromquellen 70, 72 sind jeweils ein Vergleicher 78, 80 angeordnet, die jeweils dafür ausgebildet sind, die aus der Strom- aufschlagung resultierende Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert Vref zu vergleichen. Für jeden der Vergleicher 78, 80 gilt, dass, wenn er ein Erreichen des Schwellwerts Vref detektiert, ein Signal an eine Messeinrichtung 82 gesendet wird. Für die Messungen werden die Stromquellen 70, 72 von einer Steuereinheit 84 ein- bzw. ausgeschaltet. Natürlich ist es auch möglich, dass die Steuereinheit 84 jeweils ein Schaltelement schaltet, das zwischen der jeweiligen Stromquelle 70, 72 und dem Sensorelement 14 liegt.
Bevorzugt werden die Stromquellen 70, 72 entweder gleichzeitig oder alternierend eingeschaltet. Grundsätzlich ist aber natürlich auch ein mehrfaches Ein- und Ausschalten derselben Stromquelle 70, 72 denkbar. Nachfolgend soll der Fall betrachtet werden, wenn die Steuereinrichtung 84 die Stromquellen 70, 72 gleichzeitig ansteuert.
Durch die Konstantstromquellen 70, 72 wird die Kapazität C des Objekts 44 aufgeladen. Dabei ist die messbare Spannung an den Einspeisepunkten, also den Endbereichen 28, 34, über der Zeit abhängig von der Position des Objekts 44 bezogen auf das Sensorelement 14. Übersteigt die Spannung an einem der Vergleicher 78, 80 den Schwellwert Vref, so sendet dieser Vergleicher 78, 80 ein Signal, welches einen in der Messeinrichtung 82 enthaltenen Zähler 84 startet. Sobald der andere Vergleicher 80, 78 ein Erreichen des Schwellwerts Vref feststellt, sendet dieser ein Signal an die Messeinrichtung 82, wodurch der in der Messeinrichtung enthaltene Zähler 84 gestoppt wird. Aus der Kenntnis der Taktfrequenz des Zählers 84 und der Anzahl der gezählten Taktimpulse, lässt sich zuverlässig die Zeit ermitteln, die zwischen dem Erreichen der Schwellwerte der Vergleicher 78, 80 gelegen hat.
Die Auswertung der Zeit soll anhand von drei Fällen kurz erläutert werden:
1. Wenn sich kein Objekt 44 an das Sensorelement 14 annähert, so ist ein kapazitiver Anteil bei der Strombeaufschlagung vernachlässigbar, da es sich nur um geringe parasitäre Kapazitäten handelt. Dies bedeutet, dass die Schwellwerte Vref nahezu unmittelbar überschritten werden, so dass die vom Zähler 84 ermittelten Werte recht klein sind. Ferner werden die von den Zählern 84, 86 in guter Näherung übereinstimmen, da die Stromquellen 70, 72 aus elektrischer Sicht im Wesentlichen in dieselbe elektrische Konfiguration einspeisen.
2. Nähert sich das Objekt 44 in etwa einer Mittelposition entlang des Sensorelements 14 an, so werden die Zählwerte immer noch im Wesentlichen gleich groß sein, da die Stromquellen 70, 72 wieder im Wesentlichen in dieselbe e- lektrische Konfiguration einspeisen. Aufgrund der nun vorhandenen Kapazität C, werden die von den Zählern 84, 86 ermittelten Werte aber größer sein als im Fall 1.
3. Wenn sich das Objekt 44 links oder rechts von einer Mittelposition des Sensorelements 14 dem Sensorelement 14 annähert, so wird der eine Vergleicher 78, 80 den Schwellwert Vref erkennbar früher erreichen als der andere Vergleicher 80, 78. Je größer die Zeitdifferenz ist, desto weiter ist das Objekt 44 von der Mittelposition entfernt. Außerdem kann, je nachdem ob der erste Vergleicher 78 oder der zweite Vergleicher 80 den Schwellwert Vref zuerst erreicht hat, festgestellt werden, ob sich das Objekt 44 links oder rechts von der Mittelposition dem Sensorelement 14 annähert. Das Prinzip der Auswertung soll anhand der Fig. 6 noch weiter verdeutlicht werden. Es sind hier zwei verschiedene Situationen dargestellt, bei denen das Objekt 44 an das Sensorelement 14 angenähert wird.
Im ersten Fall, mit der durchgezogenen Linie dargestellt, erreicht der erste Vergleicher 78 den Schwellwert Vref zum Zeitpunkt tla. Der zweite Vergleicher 80 stellt das Erreichen des Schwellwerts Vref zum Zeitpunkt t2a fest. Anhand der eher geringen Differenz und der Tatsache, dass der erste Vergleicher 78 den Schwellwert Vref zuerst erreicht hat, kann geschlossen werden, dass sich das Objekt 44 etwas links (bezogen auf das Ausführungsbeispiel) von einer Mittelposition des Sensorelements 14 annähert.
Im zweiten Fall, der mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist, stellt der zweite Vergleicher 80 das Überschreiten des Schwellwerts Vref zum Zeitpunkt t2b fest, während der Schwellwert Vref beim ersten Vergleicher 78 erst zum Zeitpunkt tlb überschritten wird. Aufgrund der relativ großen Zeitdifferenz bzw. des relativ großen Zählwerts, und der Tatsache, dass der Schwellwert Vref am zweiten Einspeisepunkt 76 zuerst überschritten wurde, kann geschlossen werden, dass sich das Objekt 44 in der Nähe des zweiten Endbereichs 34 dem Sensorelement 14 annähert.
Grundsätzlich kann der Zähler 84 auch so ausgebildet sein, dass er bei einem Start durch den ersten Vergleicher 78 in positiver Richtung zählt und bei einem Start durch den zweiten Vergleicher 80 in eine negative Richtung zählt. Erreicht dann der jeweils andere Vergleicher 78, 80 auch den Schwellwert Vref, wird die Zählung angehalten. Anhand des Vorzeichens kann dann ermittelt werden, ob sich das Objekt 44 dem Sensorelement 14 links oder rechts von der Mittelposition dem Sensorelement 14 angenähert hat.
Fig. 7 zeigt die Möglichkeit, die Sensorelemente 14 zweier Vorrichtungen 10 im rechten Winkel anzuordnen. Die vier großen Pfeile zeigen an, dass sich der Einkopp- lungspunkt 46 in zwei Dimensionen auf einer Oberfläche 18 bewegen kann. Die Bestimmung der X-Position wird durchgeführt, indem mittels des zur X-Achse parallelen Sensorelements 14 die Lage des Einkopplungspunkts 46 bezogen auf dieses Sensorelement 14 ermittelt wird. Für eine Bestimmung der Y-Position wird das zur Y- Achse parallele Sensorelement 14' verwendet, um die Position des Einkopplungspunkts 46 bezogen auf dieses Sensorelement 14' zu bestimmen. Im Ergebnis erhält man dann eine (X, Y)-Bestimmung des Einkopplungspunkts bezogen auf die Oberfläche 18.
Insgesamt hat die Erfindung damit neue Vorrichtungen und neue Verfahren aufgezeigt, mit denen die Position eines Objekts 44 bezogen auf eine Oberfläche 18 verhältnismäßig einfach und genau bestimmt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Position eines Objekts (44) mit kapazitivem Anteil (C) bezogen auf eine Oberfläche (18), insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, mit einem länglichen leitfähigen Sensorele- ment (14) und mit einem Frequenzgenerator (24), der eine eine Ausgangsfrequenz (fal) des Frequenzgenerators (24) bestimmende Abstimmeinrichtung (26) aufweist, die eine Grundfrequenz (fbl) hat und mit dem Sensorelement (14) in einem Endbereich (28) seiner Längserstreckung (L) verbindbar ist, mit einem Referenzfrequenzgenerator (40), der für das Ausgeben einer Referenzfrequenz (fref) ausgebildet ist, mit einem Mischer (36), der zum Mischen der Ausgangsfrequenz (fal) und der Referenzfrequenz (fref) sowie zum Ausgeben einer resultierenden Mischfrequenz (fmixl) ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung (42) zum Bestimmen der Mischfrequenz (fmixl), so dass anhand der ermittelten Mischfrequenz (fmixl) die Position des Objekts (44) angegeben werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstimmeinrichtung (26) sowohl mit dem genannten, ersten Endbereich (28) als auch mit einem entlang der Längserstreckung (L) des Sensorelements (14) gegenüberliegenden, zweiten Endbereich (34) des Sensorelements (14) verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (10) neben dem genannten, ersten Frequenzgenerator (24), einen zweiten Frequenzgenerator (30) mit einer zweiten Abstimmeinrichtung (32) aufweist, die mit einem entlang der Längserstreckung (L) des Sensorelements (14) gegenüberliegenden, zweiten Endbereich (34) des Sensorelements (14) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vorrichtung (10) eine Auswerteeinheit (43) aufweist, die zum Auswerten der ersten Mischfrequenz (fmixl) aus der Messung am ersten Endbereich (28) und einer zweiten Mischfrequenz (fmix2) aus der Messung am zweiten Endbereich (34) zur Positionsbestimmung ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messeinheit (42) dafür ausgebildet ist, eine Differenzfrequenz zwischen der Ausgangsfrequenz (fal) und der Referenzfrequenz (fref) zu ermitteln.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Referenzfrequenz (fref) niedriger ist, insbesondere deutlich niedriger ist, als die Grundfrequenz (fbl).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Messeinrichtung (42) einen Zähler (45) aufweist, der dafür ausgebildet ist, steigende und/oder fallende Flanken der Mischfrequenz (fmixl) zu zählen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Messeinrichtung (42) dafür ausgebildet ist, die Mischfrequenz (fmixl) in eine Gleichspannung zu wandeln.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zusätzlich zu dem genannten, ersten Sensorelement (14) ein zweites längliches leitfähiges Sensorelement (14') angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das erste und das zweite Sensorelement (14, 14') im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
11. Vorrichtung (10") zur Bestimmung einer Position eines Objekts (44) mit kapazitivem Anteil (C) bezogen auf eine Oberfläche (18), insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement (14), mit einer Stromquelle (70), die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement (14) in einem Endbereich (28) seiner Längserstreckung (L) mit einem Strom zu beaufschlagen, mit einem Vergleicher (78), der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert (Vref) ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung (82) zum Bestimmen der Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts (Vref), so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts (44) angegeben werden kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Stromquelle (70) sowohl dafür ausgebildet ist den genannten, ersten Endbereich (28) als auch einen entlang der Längserstreckung (L) des Sensorelements (14) gegenüberliegenden, zweiten Endbereich (34) des Sensorelements (14) mit einem Strom zu beaufschlagen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung (10) neben der genannten, ersten Stromquelle (70), die den genannten, ersten Endbereich (28) mit Strom beaufschlagen kann, eine zweite Stromquelle (72) aufweist, die dafür ausgebildet ist, einen entlang der Längserstreckung (L) des Sensorelements (14) gegenüberliegenden, zweiten Endbereich (34) des Sensorelements (14) mit Strom zu beaufschlagen, und die Vorrichtung (10) neben dem genannten, ersten Vergleicher (78) einen zweiten Vergleicher (80) aufweist, der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung durch die zweite Stromquelle (72) resultierenden Spannung mit einem Schwellwert (Vref) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Messeinrichtung (82) zum Bestimmen der Zeit vom Erreichen des Schwellwerts (Vref) bei einem der Vergleicher (78, 80) bis zum Erreichen des Schwellwerts (Vref) bei dem anderen Vergleicher (80, 78) ausgebildet ist.
15. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts (44) mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche (18), insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, wobei eine Mischfrequenz (fmixl) gemessen wird, die sich aus einer Referenzfrequenz (fref) eines Referenzfrequenzgenerators (40) und der Ausgangsfrequenz (fal) eines Frequenzgenerators (24) ergibt, wobei sich die Ausgangsfrequenz (fal) ausgehend von einer Grundfrequenz (fbl) ändert, wenn ein Sensorelement (14) mit einer Abstimmeinrichtung (26) des Frequenzgenerators (24) verbunden ist und das Objekt (44) an das Sensorelement (14) angenähert wird, so dass anhand der gemessenen Mischfrequenz (fmixl) die Position des Objekts (44) angegeben werden kann.
16. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts (44) mit kapazitivem Anteil (C) bezogen auf eine Oberfläche (44), insbesondere für die Bedienung eines elektrischen Geräts, wobei ein Sensorelement (14) für die Detektion des Objekts (44) mit einem Strom beaufschlagt wird und die Zeit gemessen wird, bis eine aus der Beaufschlagung resultierende Spannung einen vorgegebenen Schwellwert (Vref) erreicht, so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts (44) angegeben werden kann.
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