WO2021209182A1 - Method for capacitively detecting touch and actuation - Google Patents

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WO2021209182A1
WO2021209182A1 PCT/EP2021/054643 EP2021054643W WO2021209182A1 WO 2021209182 A1 WO2021209182 A1 WO 2021209182A1 EP 2021054643 W EP2021054643 W EP 2021054643W WO 2021209182 A1 WO2021209182 A1 WO 2021209182A1
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potential
capacitance
capacitive
measuring
counter electrode
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PCT/EP2021/054643
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Florian Schmitt
Matthias Johannes
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Preh Gmbh
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    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • the present invention relates to the field of capacitive touch detection and, more particularly, to the field of the combination of capacitive touch detection and capacitive actuation detection.
  • the ideal actuation of a contact surface is understood to mean the action of an input element, such as an operator's finger, on the contact surface that is associated with the application of an actuation force, while ideal contact is understood to mean an arrangement of the input element adjacent to the contact surface without actuation force.
  • an action on the contact surface is understood as contact if the actuation force applied does not exceed a predetermined value
  • an action on the contact surface is understood as actuation if the actuation force applied in the process exceeds a predetermined value Value equals or exceeds this.
  • a metallic housing or shielding plate can have a parasitic capacitive effect on a capacitive touch sensor and the touch detection is impaired by movement of the touch sensor relative to this type of counter electrode.
  • US Pat. No. 8,836,350 B1 a method for determining a contact capacitance with the aid of a previously known reference capacitance is known in which the contact capacitance is determined by means of voltage measurements after a charge equalization has been carried out from the reference capacitance to the measuring capacitance and vice versa. It has been shown that the impairment of the capacitive touch detection by parasitic capacitive effects, which are caused by relative movements, can be minimized by means of a clever capacitive detection method and thus the reliability of the touch detection can also be increased overall.
  • the invention relates to a method for the capacitive detection of a touch by an operator by means of a capacitive touch sensor system.
  • the method provides for the provision of the capacitive touch sensor system.
  • the touch sensor system has at least one capacitive sensor which defines a touch surface facing the operator and a measuring capacitance, for example between a transmitting electrode and a receiving electrode.
  • the capacitive measuring field assigned to the measuring capacitance penetrates, for example, the contact surface.
  • a counter electrode is also provided, which is arranged on the side of the capacitive sensor facing away from the operator and is electrically insulated from the capacitive sensor.
  • the term counter electrode is to be interpreted broadly.
  • the capacitive sensor is integrated in an elastically yielding film layer structure that spans the counter electrode.
  • evaluation electronics belonging to the capacitive touch sensor system with a reference capacitance for example an integrated circuit containing a reference capacitor with a predetermined reference capacitance, are provided.
  • the evaluation electronics contain an analog-to-digital converter for providing one or more measured values, such as the first and second measured voltage mentioned below.
  • the evaluation electronics are designed to make selective electrical contact with the capacitive sensor and the counter electrode, for example in order to connect the capacitive sensor to the electrical reference capacitor in an electrically conductive manner with as little loss as possible in order to effect a charge equalization between the two to charge the reference capacitance, ie the reference capacitor with a predefined capacitance, of the evaluation electronics to a first charging potential, for example the predefined supply potential of the evaluation electronics.
  • the measuring capacitance is also brought to a predetermined potential, for example a second charging potential that differs from the first charging potential, for example to earth potential (GND).
  • the measuring capacitance is short-circuited to earth potential (GND) by the evaluation electronics.
  • the counter electrode is first applied with a first influencing potential, for example ground potential (GND).
  • a first charge equalization between the measuring capacitance and the reference capacitance is brought about by an electrically conductive (preferably loss-free) connection between the measuring capacitance and the reference capacitance, and the first measuring voltage applied to the measuring capacitance or the reference capacitance with the charge equalization is determined in a first determination step.
  • the charge equalization is an asymptotic approximation to a state of equilibrium and the point in time of the measurement should be selected accordingly after a sufficient approximation.
  • the method according to the invention has a second charging step with charging of the reference capacitance to a second charging potential which is different from the first different charging potential, preferably ground potential (GND).
  • a second charging potential which is different from the first different charging potential, preferably ground potential (GND).
  • the measuring capacitance is also brought to a predetermined, second potential, for example the first charging potential.
  • the counter electrode is subjected to a second influencing potential, for example the predefined supply potential of the evaluation electronics.
  • a second charge equalization opposite to the first charge equalization, is carried out between the measuring capacitance and the reference capacitance, the counter electrode being acted upon with the second influencing potential during the second charge equalization.
  • a third charge equalization which is also opposite to the first charge equalization, between the measuring capacitance and the reference capacitance, with the counterelectrode being subjected to the first influencing potential, for example the earth potential (GND), during this third charge equalization.
  • a second measurement voltage which occurs after the third charge equalization and is applied to the measurement capacitance or the reference capacitance, is determined.
  • the third charge equalization is an asymptotic approximation to a state of equilibrium and the point in time of the measurement should be selected accordingly after a sufficient approximation if necessary.
  • the evaluation electronics then carry out at least one mathematical operation with a first measurement voltage and a second measurement voltage, preferably forming a difference between the first and second measurement voltages in order to obtain a detection value.
  • the detection value is then evaluated by the evaluation electronics, for example compared with a predetermined value, in order to either trigger a contact event or not to trigger a contact event. For example, a touch event is triggered when the specified value is exceeded.
  • touch event is to be interpreted broadly and can include the generation of active haptic feedback or a switching or control function of an additional control device or a visual or acoustic output.
  • the method according to the invention has the advantage that the influence on the measuring capacitance caused by a change in the position of the capacitive sensor relative to the counter electrode can be compensated for by the fact that the charge equalizations taking place in a predetermined direction take place with different influences on the counter electrode and the resulting, here the second measuring voltage, is measured will.
  • a method according to the invention is also considered to be a method in which the first measurement voltage and the associated upstream first steps are determined after the second measurement voltage.
  • the counter electrode provided in the preparation step is a component of a capacitive force sensor system for measuring an actuation force on the contact surface.
  • the force sensor system has a capacitive force sensor, which by means of the counter electrode and one of the electrodes of the capacitive sensor, when appropriately controlled by the control electronics, forms an associated capacitive measuring field between the counter electrode and the electrode of the capacitive sensor and an associated measuring field on the distance between the capacitive sensor and the counter electrode dependent force measuring capacity defined.
  • the evaluation electronics trigger an active haptic feedback, an optical or acoustic output and / or a switching or control function.
  • the counter electrode extends at a distance from the array of capacitive sensors.
  • the array experiences, for example, elastic restoring displacement or elastic deformation, an approach to the counter-electrode that is regional or uniform over the entire array, provided that an actuating force acts on the contact surface.
  • the capacitive sensors are integrated into a film layer structure made of at least one elastic film, the film layer structure spanning the counter electrode.
  • the electrodes of the capacitive sensors arranged in the array are arranged, for example, in a common plane or on two or more parallel planes. These capacitive sensors arranged in the array form, for example, two groups of array electrodes.
  • array electrodes are arranged in groups, for example, essentially parallel to one another, whereby a group alignment is predetermined for each group.
  • the array electrodes are arranged in groups, ie alternating with regard to their group membership. In the case of an imaginary perpendicular projection onto a common plane, they cross one another, for example orthogonally, although they are actually arranged electrically isolated from one another.
  • a regular "lattice structure" is formed in the largest area in relation to the entire contact area, forming a so-called node at each point of intersection.
  • the smallest distance between the next adjacent node in the two directions defined by the group alignment describes the smallest periodicity of the lattice structure
  • the smallest distance between the nodes is usually the same in the two directions given by the group alignment.
  • the term electrode is intended to imply the formation of the relevant array electrode from conductive material, for example from metal or a metallic alloy.
  • the capacitive sensors have a projected capacitive structure, in particular a mutual capacitance structure. With the mutual capacitance structure, measuring capacitances, as described above, are generated at the nodes between two electrically isolated, intersecting array electrodes of the capacitive sensors. In commercially available touchpads or touchscreens, the nodes are arranged in a right-angled grid.
  • the measuring capacitance when the reference capacitance is first charged to the first charging potential, the measuring capacitance is brought to the second charging potential and when the reference capacitance is charged a second time to the second charging potential, the measuring capacitance is brought to the first charging potential.
  • a specified state of charge or potential is achieved on the measuring capacitance before the charge equalization and the reliability of the contact detection is increased.
  • the second influencing potential is applied to the counter electrode while the measuring capacitance is brought to the first charging potential. This advantageously results in the loading of the measuring capacitance under the influence of the counter electrode.
  • the method is preferably carried out cyclically, for example with a periodically continuous sequence of the steps described, with either the contact event being triggered or not triggered after the respective evaluation step, depending on the result of the evaluation.
  • the amount of the first influencing potential is less than the second influencing potential.
  • the first influencing potential is preferably earth potential (GND).
  • the second influencing potential corresponds to the first charging potential.
  • the first duration of the second charge equalization also called the first charge equalization period, preferably corresponds to the second duration of the third charge equalization, also called the second charge equalization period.
  • the invention also relates to the use of the method in one of the embodiments described above in a motor vehicle.
  • the invention also relates to a capacitive touch sensor system for detecting touch by an operator.
  • the capacitive touch sensor system has at least one capacitive sensor which defines a contact surface facing the operator and a measuring capacitance.
  • the capacitive touch sensor system comprises a counter electrode which is arranged on the soap of the capacitive sensor facing away from the operator and is electrically insulated from the capacitive sensor.
  • the capacitive sensor is mounted in relation to the counter electrode in such a way or designed in such a way that when the contact surface is actuated, that is, when The effect of an actuating force on the latter causes the capacitive sensor and the counter-electrode to come closer together, at least in some areas.
  • the capacitive touch sensor system also has evaluation electronics that contain a reference capacitance.
  • the evaluation electronics are able to selectively make electrical contact with the capacitive sensor and the counter electrode.
  • the touch sensor system is designed to carry out the method in one of the embodiments described above.
  • the counter electrode is a component of a capacitive force sensor system for measuring an actuation force on the contact surface.
  • the force sensor system has a capacitive force sensor, which by means of the counter electrode and one of the electrodes of the capacitive sensor, when appropriately controlled by the control electronics, forms an associated capacitive measuring field between the counter electrode and the electrode of the capacitive sensor and an associated measuring field on the distance between the capacitive sensor and the counter electrode dependent force measuring capacity defined.
  • the evaluation electronics trigger an active haptic feedback, an optical or acoustic output, and / or a switching or control function.
  • the counter electrode extends at a distance from the array of capacitive sensors.
  • the array is brought closer to the counter electrode, for example, through elastic resetting displacement or elastic deformation, in some areas or uniformly over the entire array, provided that an actuating force acts on the contact surface.
  • the capacitive sensors are integrated into a film layer structure made of at least one elastic film, the film layer structure spanning the counter electrode.
  • the electrodes of the capacitive sensors arranged in the array are arranged, for example, in a common plane or on two or more parallel planes.
  • These capacitive sensors arranged in the array form, for example, two groups of array electrodes, each of the array electrodes, for example, being selectively electrically contactable by the control electronics.
  • These array electrodes are arranged in groups, for example, essentially parallel to one another, whereby a group alignment is predetermined for each group.
  • the array electrodes are arranged in groups, ie alternating with regard to their group membership. In the case of an imaginary vertical projection onto a common plane, they intersect one another, for example orthogonally, although they are actually arranged electrically isolated from one another.
  • a regular "lattice structure" is formed in the largest area in relation to the entire contact area, forming a so-called node at each point of intersection.
  • the smallest distance between the next adjacent node in the two directions defined by the group alignment describes the smallest periodicity of the lattice structure
  • the smallest distance between the nodes is usually the same in the two directions given by the group alignment.
  • the term electrode is intended to imply the formation of the relevant array electrode from conductive material, for example from metal or a metallic alloy.
  • the capacitive sensors have a projected capacitive structure, in particular a mutual capacitance structure. With the mutual capacitance structure, measuring capacitances, as described above, are generated at the nodes between two electrically isolated, intersecting array electrodes of the capacitive sensors. In standard touchpads or touchscreens, the nodes are arranged in a right-angled grid.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment according to the invention of the touch sensor system 1 according to the invention which has been provided;
  • FIG. 2 shows the temporal voltage curve U 0 (t) during a touch and a temporal voltage curve U F (t) when actuated, in each case when a variant of a method not according to the invention is carried out for the capacitive detection of a touch by an operator B;
  • FIG. 3 shows the temporal voltage profile U 0 (t) during a touch and a temporal voltage profile U F (t) when actuated, in each case when a variant according to the invention is carried out
  • FIG. 1 shows a sectional view through an embodiment of the capacitive touch sensor system 1 according to the invention.
  • the touch sensor system 1 has a plurality of capacitive sensors 2 arranged in an array.
  • the capacitive sensors 2 are integrated in an elastically yielding film layer structure 4 and each have a pair of electrodes made up of array electrodes 2a and 2b that are electrically isolated from one another.
  • the array of capacitive sensors 2 is assigned a contact surface 7 which is formed by a surface of the film layer structure 4 facing the operator B. This touch surface 7 is used to make touch inputs by the operator B, which can be detected spatially resolved by means of the array of capacitive sensors 2, the spatial resolution resulting from the spatial distribution of the capacitive sensors 2 and their selective control by the control electronics 5.
  • control electronics 5 are selectively electrically conductively connected to the array electrodes 2a and 2b of the capacitive sensors 2.
  • an array of measuring capacities defining several measuring capacities is generated, for example in chronological order, via the contact surface 7 the capacitance CT should be symbolized in FIG.
  • This influencing is evaluated by the control electronics 5 using the detection method described in US Pat. No. 8,836,350 B1, which is known as the so-called CVD method.
  • This procedure makes it easy to determine one by finger a change in capacitance caused by an operator B, since it is effected by means of a reference capacitance C R belonging to the control electronics 5 and by effecting opposing charge equalizations between the reference capacitance C R and the respective measuring capacitor.
  • the capacitive sensor (s) 2 experience a displacement; this is particularly critical if this takes place in an external field and thus the measuring capacity is influenced by this shift.
  • the origin of this external field is a counter-electrode 3, which is electrically isolated from the capacitive sensors 2 and at a varying distance Ad from them and extends along the entire array of capacitive sensors 2 is expanded by a force sensor.
  • This is provided, for example, to qualitatively or quantitatively detect the actuating force applied during an actuation in order to give the operator B active haptic, acoustic or visual feedback, for example when a minimum approach is exceeded.
  • a force measuring capacity is generated and determined between the electrodes 2a of the capacitive sensors 2 and the counter electrode 3.
  • the degree of variation of this force measuring capacity is a measure of the approach between the capacitive sensors 2 and the counter-electrode 3 and the variation of the distance Ad is ultimately a measure of the actuating force applied in the process.
  • Parallel measurement of the operation force, or more precisely the very existence of the counter electrode 3 presents a problem for the detection of a touch by the capacitive sensors.
  • the caused by the counter electrode 3 influence the measured capacitances of the capacitive sensors 2 is symbolized schematically p by the parasitic measuring capacitors C which, however, vary with a change in the distance Ad.
  • the voltage curve U 0 (t) to be measured on the measuring capacitor is a function of the time t when the operator touches it exclusively, that is to say without an actuation force and without a relative approach between the relevant one capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 applied.
  • U F (t) is the voltage curve as a function of time t for a given actuation force applying actuation, i.e.
  • the CVD process first loads the evaluation electronics 5 associated reference capacitance C R predetermined by a reference capacitor, while the measuring capacitance is brought to ground potential, which takes place in FIG. 2 within the time segment marked with a.
  • a first charge equalization is effected between the reference capacitance C R and the measuring capacitance.
  • the voltage applied to the measuring capacitance at time t A is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t A ) and its magnitude is greater than the voltage U F (t determined at the same time t A B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter-electrode 3 have come closer due to the acting actuation force.
  • U 0 t A
  • U F t determined at the same time t A B
  • the measuring capacitance is charged to voltage V cc, conversely to time segment a , while the reference capacitance C R is held at ground potential.
  • a second charge equalization takes place in the opposite direction compared to time segment b.
  • the voltage applied to the measuring capacitance at time t B is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t B ) and its absolute value is lower than the voltage U F (determined at the same time t B).
  • t B for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 have come closer due to the acting actuating force.
  • the measuring capacitance and the reference capacitance C R are brought to ground potential.
  • the method according to the invention also makes use of the so-called CVD method.
  • the voltage curve U 0 (t) to be measured on the measuring capacitor is plotted as a function of time t when the operator only touches it, ie without actuation force and without relative proximity between the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 in question.
  • U F (t) is the voltage profile as a function of time t in the case of an actuation applying a predetermined actuation force, i.e. with simultaneous relative proximity between the capacitive sensor 2 in question and the counter-electrode 3.
  • the influencing potential ⁇ (t) applied to the counter electrode 3 is plotted as a function of the time t.
  • the reference capacitance C R associated with the evaluation electronics 5 and specified by a reference capacitor is again first charged, while the measuring capacitance is held at ground potential (GND), at the same time the counter electrode 3 is also at ground potential (GND) as the first influencing potential ⁇ 1 held, which takes place in Figure 3 within the period marked with a.
  • a first charge equalization is effected between the reference capacitance C R and the measuring capacitance.
  • the voltage applied to the measuring capacitance at time t A is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t A ) and its absolute value is greater than the voltage U F ( determined at the same time t A).
  • the duration of the second charge equalization in time segment d 1 corresponds approximately to the duration of the third Charge equalization in period d 2 .
  • the voltage applied to the measuring capacitance at time t B is determined, which for the case of exclusive contact is U 0 (t B ) and is now due to the measure of the previous curve or change in the influencing potential ⁇ ( t) is larger than the amount at the same point in time certain voltage U F (t B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 have come closer due to the acting actuating force.
  • U F ground potential
  • the respective voltage values U (t A ) and U (t B ) are used here for the evaluation to trigger a contact event, for example by forming the difference and comparing it with a specified difference value
  • the problem is not that the absolute difference between these voltage values when actuated, namely ⁇ U F, and the absolute difference between these voltage values when exclusively touched, namely ⁇ U 0 from the absolute value, but that they approximate in terms of amount and thus, when actuated at the same time, there is no unwanted triggering of a A contact event, also called “ghost touch”, occurs because the approach of the counter electrode 3 and the capacitive sensor 2 has no amplifying effect on the contact detection due to the solution according to the invention.

Abstract

The invention relates to a method for the capacitive detection of a touch by a user (B) by means of a capacitive touch sensor system (1), said method having the following steps: Providing a capacitive touch sensor system (1), comprising a capacitive sensor (2), which defines a touch surface (7) facing the user (B) and a measuring capacitance, and a counter electrode (3) which is arranged on the side of the capacitive sensor (2) facing away from the user (B) and which is electrically insulated with respect to the capacitive sensor (2), and an evaluation electronics unit (5) having a reference capacitance (CR), wherein the evaluation electronics unit (5) selectively electrically contacts the capacitive sensor (2) and the counter electrode (3); wherein when the touch surface is actuated (7), a convergence is caused between the capacitive sensor (2) and the counter electrode (3); charging, a first time, the reference capacitance (CR) to a first charging potential (Vcc); applying, a first time, a first influencing potential (ζ1) to the counter electrode; carrying out a first charge equalisation between the measuring capacitance and the reference capacitance (CR); determining, a first time, by the evaluation electronics unit (5), the first developing measurement voltage (U0(tA); UF(tΑ)) present on the measuring capacitance or on the reference capacitance (CR); charging, a second time, the reference capacitance (CR) to a second charging potential (GND) which differs from the first charging potential (Vcc); applying, a second time, a second influencing potential (ζ2) to the counter electrode (3); carrying out a second charge equalisation, counter to the first charge equalisation, between the measuring capacitance and the reference capacitance (CR) while the second influencing potential (ζ2) is applied to the counter electrode (3); carrying out, after the first charge equalisation, a third charge equalisation, counter to the first charge equalisation, between the measuring capacitance and the reference capacitance (CR), while the first influencing potential (ζ1) is applied to the counter electrode (3); determining, by the evaluation electronics unit, the second developing measurement voltage (U0(tB); UF(tB)) present on the measuring capacitance or on the reference capacitance (CR); performing an evaluation by carrying out a mathematical operation with the first measurement voltage (U0(tA); UF(tΑ)) and second measurement voltage (U0(tB); UF(tB)) in order to obtain a detection value that is subsequently used either to trigger a touch event or to trigger no touch event.

Description

Verfahren zur kapazitiven Berühr- und BetätigungsdetektionMethod for capacitive touch and actuation detection
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der kapazitiven Berührdetektion und insbesondere auf das Gebiet der Kombination aus kapazitiver Berührdetektion und kapazitive Betätigungsdetektion. Als ideale Betätigung einer Berührfläche wird das mit der Aufbringung einer Betätigungskraft einhergehende Einwirken eines Eingabeorgans, wie eines Fingers eines Bedieners, auf die Berührfläche verstanden, während als ideale Berührung ein betätigungskraftloses an die Berührfläche angrenzendes Anordnen des Eingabeorgans verstanden wird. In der Praxis und im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Einwirkung auf die Berührfläche dann als Berührung verstanden, wenn die dabei aufgebrachte Betätigungskraft einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, während eine Einwirkung auf die Berührfiäche dann als Betätigung verstanden wird, wenn die dabei aufgebrachte Betätigungskraft einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen überschreitet. The present invention relates to the field of capacitive touch detection and, more particularly, to the field of the combination of capacitive touch detection and capacitive actuation detection. The ideal actuation of a contact surface is understood to mean the action of an input element, such as an operator's finger, on the contact surface that is associated with the application of an actuation force, while ideal contact is understood to mean an arrangement of the input element adjacent to the contact surface without actuation force. In practice and within the meaning of the present invention, an action on the contact surface is understood as contact if the actuation force applied does not exceed a predetermined value, while an action on the contact surface is understood as actuation if the actuation force applied in the process exceeds a predetermined value Value equals or exceeds this.
Bei der kombinierten Detektion von Berührung und Betätigung, beispielsweise durch einen kapazitiven Berührsensor einerseits und einen kapazitiven Kraftsensor andererseits, besteht das Problem der wechselseitigen Beeinflussung, was darauf zurückzuführen ist, dass der in der Regel zur Berührfläche benachbart angeordnete Berührsensoren seine Lage zu den Elektroden der kapazitiven Betätigungssensorik, wie dem kapazitiven Kraftsensor ändert. Dies führt zu sogenannten parasitären Kapazitäten, sogenannten Streukapazitäten, die zu ungewollten Berührdetektionen führen können. Dieses Problem tritt jedoch nicht nur wie zuvor beschrieben bei benachbart zu dem kapazitiven Berührsensor angeordnetem kapazitivem Kraftsensor auf, sondern auch dann, wenn der Berührsensor sich relativ zu irgendwelcher und im Einfluss dieser Gegenelektrode bewegt. So ist es denkbar, dass ein metallisches Gehäuse oder Abschirmblech einen parasitären kapazitiven Effekt auf einen kapazitiven Berührsensor haben kann und die Berührdetektion durch Bewegung des Berührsensors relativ zu dieser Art von Gegenelektrode beeinträchtigt wird. Aus der US 8,836,350 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Berührkapazität mit Hilfe einer vorbekannten Referenzkapazität bekannt, bei dem mittels Spannungsmessungen jeweils nach einem vorgenommenen Ladungsausgleich von der Referenzkapazität zur Messkapazität und umgekehrt die Berührkapazität bestimmt wird. Es hat sich gezeigt, dass mittels eines geschickten kapazitiven Detektionsverfahrens die Beeinträchtigung der kapazitiven Berührdetektion durch parasitäre kapazitive Effekte, welche durch Relativbewegungen hervorgerufen werden, minimiert werden kann und somit insgesamt auch die Zuverlässigkeit der Berührdetektion gesteigert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine vorteilhafte Berührsensorik ist Gegenstand des Anspruchs 12. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich. With the combined detection of touch and actuation, for example by a capacitive touch sensor on the one hand and a capacitive force sensor on the other, there is the problem of mutual influencing, which is due to the fact that the touch sensors, which are usually arranged adjacent to the contact surface, are located in relation to the electrodes of the capacitive Actuation sensors, such as the capacitive force sensor changes. This leads to so-called parasitic capacitances, so-called stray capacitances, which can lead to unwanted contact detections. However, this problem occurs not only, as described above, with a capacitive force sensor arranged adjacent to the capacitive touch sensor, but also when the touch sensor moves relative to and under the influence of this counter electrode. So it is conceivable that a metallic housing or shielding plate can have a parasitic capacitive effect on a capacitive touch sensor and the touch detection is impaired by movement of the touch sensor relative to this type of counter electrode. From US Pat. No. 8,836,350 B1 a method for determining a contact capacitance with the aid of a previously known reference capacitance is known in which the contact capacitance is determined by means of voltage measurements after a charge equalization has been carried out from the reference capacitance to the measuring capacitance and vice versa. It has been shown that the impairment of the capacitive touch detection by parasitic capacitive effects, which are caused by relative movements, can be minimized by means of a clever capacitive detection method and thus the reliability of the touch detection can also be increased overall. This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous refinements are the subject matter of the dependent claims. An advantageous touch sensor system is the subject matter of claim 12. It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any desired, technologically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description, in particular in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener mittels einer kapazitiven Berührsensorik. Das Verfahren sieht die Bereitstellung der kapazitiven Berührsensorik vor. Die Berührsensorik weist mindestens einen kapazitiven Sensor auf, der eine dem Bediener zugewandte Berührfläche und eine Messkapazität, beispielsweise zwischen einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode, definiert. Das der Messkapazität zugeordnete kapazitive Messfeld durchsetzt beispielsweise die Berührfläche. Erfindungsgemäß wird ferner eine Gegenelektrode bereitgestellt, die auf der dem Bediener abgewandten Seite des kapazitiven Sensors angeordnet ist und gegenüber dem kapazitiven Sensor elektrisch isoliert ist. Der Begriff Gegenelektrode ist weit auszulegen. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass bei einer Betätigung der Berührfläche eine Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Gegenelektrode bewirkt wird, weil beispielsweise der kapazitive Sensor entgegen einer Rückstellkraft aus einer nicht betätigten Ruhestellung elastisch gegenüber der Gegenelektrode verlagerbar angeordnet ist und bei Einwirken einer Betätigungskraft auf die Berührfläche eben dieser Verlagerung erfährt. Diese Verlagerung kann sich durch Relativbewegung bewegliche gelagerter Komponenten und/oder Verformung ergeben. Als Betätigung wird eine mit einer Krafteinwirkung auf die Betätigungsfläche, also mit Betätigungskrafteinwirkung, einhergehende zumindest bereichsweise, d.h. mindestens im Berührort bewirkte Verlagerung der Berührfläche verstanden. Beispielsweise ist der kapazitive Sensor in einen die Gegenelektrode überspannenden, elastisch nachgebenden Folienschichtaufbau integriert. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zur kapazitiven Berührsensorik gehörige Auswertelektronik mit einer Referenzkapazität, beispielsweise eine einen Referenzkondensator mit vorgegebener Referenzkapazität beinhaltende, integrierte Schaltung, bereitgestellt. Beispielsweise beinhaltet die Auswertelektronik einen Analog-zu-Digital-Wandler zur Bereitstellung eines oder mehrerer Messwerte, wie der nachfolgend erwähnten ersten und zweiten Messspannung. Erfindungsgemäß ist die Auswerteelektronik ausgebildet den kapazitiven Sensor und die Gegenelektrode selektiv elektrisch zu kontaktieren, beispielsweise um den kapazitiven Sensor mit dem elektrischen Referenzkondensator möglichst verlustfrei elektrisch leitend zu verschalten, um einen Ladungsausgleich zwischen beiden zu bewirken, Erfindungsgemäß weist das Verfahren einen ersten Ladeschritt auf, um die Referenzkapazität, d.h. den Referenzkondensator mit vorgegebener Kapazität, der Auswertelektronik auf ein erstes Ladepotenzial, beispielsweise das vorgegebene Versorgungspotenzial der Auswertelektronik, zu laden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ferner die Messkapazität auf ein vorgegebenes Potenzial, beispielsweise ein sich vom ersten Ladepotenzial unterscheidendes, zweites Ladepotenzial, beispielsweise auf Erdpotenzial (GND) gebracht wird, Beispielsweise wird die Messkapazität durch die Auswertelektronik auf Erdpotenzial (GND) kurzgeschlossen. Nachfolgend oder bevorzugt zumindest gleichzeitig mit der Potenzialbeaufschlagung der Messkapazität mit dem zweiten Ladepotenzial, sofern vorgesehen, erfolgt ein erstes Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem ersten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise Erdpotenzial (GND). In einem nachfolgenden Schritt wird ein erster Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität durch elektrisch leitende (möglichst verlustfreie) Verbindung von Messkapazität und Referenzkapazität bewirkt und die sich mit dem Ladungsausgleich einstellende an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität anliegende erste Messspannung in einem ersten Bestimmungsschritt bestimmt. Es ist dem Fachmann klar, dass es sich hier bei dem Ladungsausgleich um eine asymptotische Annäherung an einen Gleichgewichtszustand handelt und der Zeitpunkt der Messung entsprechend nach ausreichender Annäherung gegebenenfalls vorverlegt zu wählen ist. The invention relates to a method for the capacitive detection of a touch by an operator by means of a capacitive touch sensor system. The method provides for the provision of the capacitive touch sensor system. The touch sensor system has at least one capacitive sensor which defines a touch surface facing the operator and a measuring capacitance, for example between a transmitting electrode and a receiving electrode. The capacitive measuring field assigned to the measuring capacitance penetrates, for example, the contact surface. According to the invention, a counter electrode is also provided, which is arranged on the side of the capacitive sensor facing away from the operator and is electrically insulated from the capacitive sensor. The term counter electrode is to be interpreted broadly. It is only essential to the invention that when the contact surface is actuated, an approach between the capacitive sensor and the counter-electrode is brought about because, for example, the capacitive sensor is arranged so that it can be displaced elastically against a restoring force from a non-actuated rest position relative to the counter-electrode and when an actuating force acts on the contact surface just experiences this shift. This displacement can result from the relative movement of moveable, supported components and / or deformation. Actuation is understood to mean a displacement of the contact surface that is associated with an action of force on the actuation surface, that is, with the action of an actuation force, at least in some areas, that is to say at least in the contact location. For example, the capacitive sensor is integrated in an elastically yielding film layer structure that spans the counter electrode. Further In the method according to the invention, evaluation electronics belonging to the capacitive touch sensor system with a reference capacitance, for example an integrated circuit containing a reference capacitor with a predetermined reference capacitance, are provided. For example, the evaluation electronics contain an analog-to-digital converter for providing one or more measured values, such as the first and second measured voltage mentioned below. According to the invention, the evaluation electronics are designed to make selective electrical contact with the capacitive sensor and the counter electrode, for example in order to connect the capacitive sensor to the electrical reference capacitor in an electrically conductive manner with as little loss as possible in order to effect a charge equalization between the two to charge the reference capacitance, ie the reference capacitor with a predefined capacitance, of the evaluation electronics to a first charging potential, for example the predefined supply potential of the evaluation electronics. According to a preferred embodiment, it is provided that the measuring capacitance is also brought to a predetermined potential, for example a second charging potential that differs from the first charging potential, for example to earth potential (GND). For example, the measuring capacitance is short-circuited to earth potential (GND) by the evaluation electronics. Subsequently, or preferably at least simultaneously with the application of potential to the measuring capacitance with the second charging potential, if provided, the counter electrode is first applied with a first influencing potential, for example ground potential (GND). In a subsequent step, a first charge equalization between the measuring capacitance and the reference capacitance is brought about by an electrically conductive (preferably loss-free) connection between the measuring capacitance and the reference capacitance, and the first measuring voltage applied to the measuring capacitance or the reference capacitance with the charge equalization is determined in a first determination step. It is clear to the person skilled in the art that the charge equalization is an asymptotic approximation to a state of equilibrium and the point in time of the measurement should be selected accordingly after a sufficient approximation.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen zweiten Ladeschritt mit einem Laden der Referenzkapazität auf ein zweites, sich vom ersten Ladepotenzial unterscheidendes Ladepotenzial, bevorzugt Erdpotenzial (GND), auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ferner die Messkapazität auf ein vorgegebenes, zweites Potenzial, beispielsweise das erste Ladepotenzial gebracht wird. Nachfolgend oder bevorzugt zumindest gleichzeitig mit der Potenzialbeaufschlagung der Messkapazität mit dem ersten Ladepotenzial, sofern vorgesehen, erfolgt ein zweites Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem zweiten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise dem vorgegebenen Versorgungspotenzial der Auswertelektronik. Erfindungsgemäß wird ein zweiter, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteter Ladungsausgleich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität durchgeführt, wobei während dem zweiten Ladungsausgleich die Gegenelektrode mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial beaufschlagt wird. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein dritter, ebenfalls dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteter Ladungsausgleich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität, wobei während diesem dritten Ladungsausgleich die Gegenelektrode mit dem ersten Beeinflussungspotenzial, beispielsweise dem Erdpotenzial (GND), beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem zweiten Messschritt eine sich nach dem dritten Ladungsausgleich einstellende zweite, an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität anliegende Messspannung bestimmt wird. Auch hier ist klar, dass es sich hier bei dem dritten Ladungsausgleich um eine asymptotische Annäherung an einen Gleichgewichtszustand handelt und der Zeitpunkt der Messung entsprechend nach ausreichender Annäherung gegebenenfalls vorverlegt zu wählen ist. The method according to the invention has a second charging step with charging of the reference capacitance to a second charging potential which is different from the first different charging potential, preferably ground potential (GND). According to a preferred embodiment, it is provided that the measuring capacitance is also brought to a predetermined, second potential, for example the first charging potential. Subsequently, or preferably at least simultaneously with the potential application of the first charging potential to the measuring capacitance, if provided, the counter electrode is subjected to a second influencing potential, for example the predefined supply potential of the evaluation electronics. According to the invention, a second charge equalization, opposite to the first charge equalization, is carried out between the measuring capacitance and the reference capacitance, the counter electrode being acted upon with the second influencing potential during the second charge equalization. In a subsequent step, there is a third charge equalization, which is also opposite to the first charge equalization, between the measuring capacitance and the reference capacitance, with the counterelectrode being subjected to the first influencing potential, for example the earth potential (GND), during this third charge equalization. According to the invention, it is provided that in a second measurement step a second measurement voltage, which occurs after the third charge equalization and is applied to the measurement capacitance or the reference capacitance, is determined. Here, too, it is clear that the third charge equalization is an asymptotic approximation to a state of equilibrium and the point in time of the measurement should be selected accordingly after a sufficient approximation if necessary.
Nachfolgend wird durch die Auswertelektronik mindestens eine mathematische Operation mit erster Messspannung und zweiter Messspannung durchgeführt, bevorzugt eine Differenz aus erster und zweiter Messpannung gebildet, um einen Detektionswert zu erhalten. Der Detektionswert wird nachfolgend durch die Auswertelektronik ausgewertet, beispielsweise mit einem vorgegebenen Wert verglichen, um entweder ein Berührereignis zu triggern oder kein Berührereignis zu triggern. Beispielsweise wird bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes ein Berührereignis triggert. Der Begriff Berührereignis ist weit auszulegen und kann das Erzeugen eines aktiven haptischen Feedbacks beinhalten oder eine Schalt- oder Steuerfunktion einer zusätzlichen Steuereinrichtung sein oder eine visuelle oder akustische Ausgabe beinhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Beeinflussung der Messkapazität durch eine Lageänderung des kapazitiven Sensors relativ zur Gegenelektrode dadurch kompensiert werden kann, dass die in einer vorgegebenen Richtung erfolgenden Ladungsausgleiche unter unterschiedlicher Beeinflussung der Gegenelektrode erfolgen und die resultierende, hier die zweite Messspannung, gemessen wird. Dazu ist es erfindungsgemäß unerheblich, ob der erste Ladeschritt und die nachfolgenden Schritte bis zum ersten Bestimmungsschritt, wie die zahlenmäßige Angabe vorzugeben scheint, dem zweiten Ladeschritt samt den nachfolgenden Schritten bis zum zweiten Bestimmungsschritt zeitlich nachgeschaltet erfolgt oder ob die umgekehrte Reihenfolge eingehalten wird. Anders ausgedrückt als erfindungsgemäßes Verfahren wird auch ein solches Verfahren angesehen, bei dem die erste Messspannung und zugehörige vorgeschaltete erste Schritte nach der zweiten Messpannung ermittelt wird. The evaluation electronics then carry out at least one mathematical operation with a first measurement voltage and a second measurement voltage, preferably forming a difference between the first and second measurement voltages in order to obtain a detection value. The detection value is then evaluated by the evaluation electronics, for example compared with a predetermined value, in order to either trigger a contact event or not to trigger a contact event. For example, a touch event is triggered when the specified value is exceeded. The term “touch event” is to be interpreted broadly and can include the generation of active haptic feedback or a switching or control function of an additional control device or a visual or acoustic output. The method according to the invention has the advantage that the influence on the measuring capacitance caused by a change in the position of the capacitive sensor relative to the counter electrode can be compensated for by the fact that the charge equalizations taking place in a predetermined direction take place with different influences on the counter electrode and the resulting, here the second measuring voltage, is measured will. According to the invention, it is irrelevant whether the first loading step and the subsequent steps up to the first determination step, as the numerical information seems to indicate, takes place after the second loading step and the subsequent steps up to the second determination step, or whether the reverse order is adhered to. In other words, a method according to the invention is also considered to be a method in which the first measurement voltage and the associated upstream first steps are determined after the second measurement voltage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die im Bereitstellungsschritt bereitgestellte Gegenelektrode eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche. Beispielsweise weist die Kraftsensorik einen kapazitiven Kraftsensor aus, der mittels der Gegenelektrode und einer der Elektroden des kapazitiven Sensors bei entsprechender Ansteuerung durch die Ansteuerelektronik ein zugehöriges kapazitives Messfeld zwischen der Gegenelektrode und der Elektrode des kapazitiven Sensors ausbildet und eine zugehörige vom Abstand zwischen kapazitivem Sensor und Gegenelektrode abhängige Kraftmesskapazität definiert. Wird beispielsweise eine über ein vorgegebenes Annäherungsmaß hinausgehende stärkere Annäherung zwischen beiden aufgrund der gemessenen Kraftmesskapazität detektiert, so wird durch die Auswertelektronik ein aktives haptisches Feedback, eine optische oder akustische Ausgabe und/oder eine Schalt- oder Steuerfunktion getriggert. According to a preferred embodiment of the method, the counter electrode provided in the preparation step is a component of a capacitive force sensor system for measuring an actuation force on the contact surface. For example, the force sensor system has a capacitive force sensor, which by means of the counter electrode and one of the electrodes of the capacitive sensor, when appropriately controlled by the control electronics, forms an associated capacitive measuring field between the counter electrode and the electrode of the capacitive sensor and an associated measuring field on the distance between the capacitive sensor and the counter electrode dependent force measuring capacity defined. If, for example, a closer approximation between the two that goes beyond a specified approximation is detected due to the measured force measuring capacity, the evaluation electronics trigger an active haptic feedback, an optical or acoustic output and / or a switching or control function.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren vorgesehen und die Gegenelektrode erstreckt sich beabstandet zu dem Array aus kapazitiven Sensoren. Das Array erfährt beispielsweise durch elastisch rückstellende Verlagerung oder elastische Verformung eine bereichsweise oder eine über das gesamte Array gleichmäßige Annäherung an die Gegenelektrode, sofern eine Betätigungskraft auf die Berührfläche einwirkt. Beispielsweise sind die kapazitiven Sensoren in einen Folienschichtaufbau aus mindestens einer elastischen Folie integriert, wobei der Folienschichtaufbau die Gegenelektrode überspannt. Die Elektroden der im Array angeordneten kapazitivem Sensoren sind beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene oder auf zwei oder mehr parallelen Ebenen angeordnet Dieses im Array angeordneten kapazitiven Sensoren bilden beispielsweise zwei Gruppen von Arrayelektroden aus. Diese Arrayelektroden sind beispielsweise gruppenweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wodurch pro Gruppe eine Gruppenausrichtung vorgegeben ist. Die Arrayelektroden sind gruppenweise, d.h. bezüglich ihrer Gruppenzugehörigkeit alternierend angeordnet, Bei senkrechter gedachter Projektion auf eine gemeinsame Ebene durchkreuzen sie sich untereinander, beispielsweise orthogonal, wobei sie aber eigentlich elektrisch isoliert zueinander angeordnet sind. Dadurch wird insgesamt betrachtet in einem bezogen auf die gesamte Berührfläche flächenmäßig größten eine regelmäßige „Gitterstruktur" unter Ausbildung jeweils eines sogenannten Knotenpunktes an den Orten der Kreuzung ausgebildet. Der kleinste Abstand nächstbenachbarter Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung definierten Richtungen beschreibt die kleinste Periodizität der Gitterstruktur. Üblicherweise ist der kleinste Abstand der Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung vorgegebenen Richtungen übereinstimmend. According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, several capacitive sensors arranged in an array are provided and the counter electrode extends at a distance from the array of capacitive sensors. The array experiences, for example, elastic restoring displacement or elastic deformation, an approach to the counter-electrode that is regional or uniform over the entire array, provided that an actuating force acts on the contact surface. For example, the capacitive sensors are integrated into a film layer structure made of at least one elastic film, the film layer structure spanning the counter electrode. The electrodes of the capacitive sensors arranged in the array are arranged, for example, in a common plane or on two or more parallel planes. These capacitive sensors arranged in the array form, for example, two groups of array electrodes. These array electrodes are arranged in groups, for example, essentially parallel to one another, whereby a group alignment is predetermined for each group. The array electrodes are arranged in groups, ie alternating with regard to their group membership. In the case of an imaginary perpendicular projection onto a common plane, they cross one another, for example orthogonally, although they are actually arranged electrically isolated from one another. As a result, viewed overall, a regular "lattice structure" is formed in the largest area in relation to the entire contact area, forming a so-called node at each point of intersection. The smallest distance between the next adjacent node in the two directions defined by the group alignment describes the smallest periodicity of the lattice structure The smallest distance between the nodes is usually the same in the two directions given by the group alignment.
Die Bezeichnung Elektrode soll die Ausbildung der betreffenden Arrayelektrode aus leitfähigem Material, beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung implizieren. Beispielweise weisen die kapazitiven Sensoren einen projiziert- kapazitiven Aufbau, insbesondere einen mutual-capacitance Aufbau auf. Bei dem mutual-capacitance Aufbau werden Messkapazitäten, wie zuvor beschrieben an den Knotenpunkten jeweils zwischen zwei elektrisch isolierten, sich kreuzenden Arrayelektroden der kapazitiven Sensoren erzeugt. Die Knotenpunkte sind bei Handelsüblichen Touchpads oder Touchscreens in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet. The term electrode is intended to imply the formation of the relevant array electrode from conductive material, for example from metal or a metallic alloy. For example, the capacitive sensors have a projected capacitive structure, in particular a mutual capacitance structure. With the mutual capacitance structure, measuring capacitances, as described above, are generated at the nodes between two electrically isolated, intersecting array electrodes of the capacitive sensors. In commercially available touchpads or touchscreens, the nodes are arranged in a right-angled grid.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass beim ersten Laden der Referenzkapazität auf das erste Ladepotenzial, die Messkapazität auf das zweite Ladepotenzial gebracht wird und beim zweiten Laden der Referenzkapazität auf das zweite Ladepotenzial die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial gebracht wird. Dadurch wird ein vorgegebener Lade- bzw. Potenzialzustand auf der Messkapazität vor dem Ladeausgleich erreicht und die Zuverlässigkeit der Berührdetektion gesteigert. It is preferably provided that when the reference capacitance is first charged to the first charging potential, the measuring capacitance is brought to the second charging potential and when the reference capacitance is charged a second time to the second charging potential, the measuring capacitance is brought to the first charging potential. As a result, a specified state of charge or potential is achieved on the measuring capacitance before the charge equalization and the reliability of the contact detection is increased.
Gemäß einer bevorzugten Variante erfolgt das Beaufschlagen der Gegenelektrode mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial, während die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial gebracht wird. Dadurch erfolgt vorteilhaft die Beladung der Messkapazität unter Beeinflussung durch die Gegenelektrode. According to a preferred variant, the second influencing potential is applied to the counter electrode while the measuring capacitance is brought to the first charging potential. This advantageously results in the loading of the measuring capacitance under the influence of the counter electrode.
Bevorzugt wird das Verfahren zyklisch, beispielsweise unter periodisch fortlaufender Abfolge der beschriebenen Schritte, durchgeführt, wobei nach dem jeweiligen Auswertschritt je nach Ergebnis der Auswertung entweder das Berührereignis getriggert oder nicht getriggert wird. The method is preferably carried out cyclically, for example with a periodically continuous sequence of the steps described, with either the contact event being triggered or not triggered after the respective evaluation step, depending on the result of the evaluation.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Beeinflussungspotenzial betragsmäßig geringer als das zweite Beeinfiussungspotenzial. Bevorzugt ist das erste Beeinflussungspotenzial Erdpotenzial (GND). Um den Aufbau zu vereinfachen entspricht das zweite Beeinflussungspotenzial dem ersten Ladepotenzial. It is preferably provided that the amount of the first influencing potential is less than the second influencing potential. The first influencing potential is preferably earth potential (GND). In order to simplify the structure, the second influencing potential corresponds to the first charging potential.
Bevorzugt entspricht die erste Dauer des zweiten Ladeausgleichs, auch erste Ladeausgleichsdauer genannt, der zweiten Dauer des dritten Ladeausgleichs, auch zweite Ladeausgleichsdauer genannt. The first duration of the second charge equalization, also called the first charge equalization period, preferably corresponds to the second duration of the third charge equalization, also called the second charge equalization period.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Verfahrens in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug. The invention also relates to the use of the method in one of the embodiments described above in a motor vehicle.
Die Erfindung betrifft ferner eine kapazitive Berührsensorik zur Detektion einer Berührung durch einen Bediener. Die kapazitive Berührsensorik weist wenigstens einen kapazitiven Sensor auf, der eine dem Bediener zugewandte Berührfläche und eine Messkapazität definiert. Ferner umfasst die kapazitive Berührsensorik eine auf der dem Bediener abgewandten Seife des kapazitiven Sensors angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor elektrisch isolierte Gegenelektrode. Der kapazitive Sensor ist gegenüber der Gegenelektrode derart gelagert oder derart ausgebildet, dass bei Betätigung der Berührfläche, also bei Einwirken einer Betätigungskraft auf diese, wischen dem kapazitiven Sensor und der Gegenelektrode zumindest bereichsweise eine Annäherung bewirkt wird. Die kapazitive Berührsensorik weist ferner eine Auswertelektronik auf, die eine Referenzkapazität beinhaltet. Die Auswertelektronik ist in der Lage, den kapazitiven Sensor und die Gegenelektrode selektiv elektrisch zu kontaktieren. Erfindungsgemäß ist die Berührsensorik ausgebildet, das Verfahren in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. The invention also relates to a capacitive touch sensor system for detecting touch by an operator. The capacitive touch sensor system has at least one capacitive sensor which defines a contact surface facing the operator and a measuring capacitance. Furthermore, the capacitive touch sensor system comprises a counter electrode which is arranged on the soap of the capacitive sensor facing away from the operator and is electrically insulated from the capacitive sensor. The capacitive sensor is mounted in relation to the counter electrode in such a way or designed in such a way that when the contact surface is actuated, that is, when The effect of an actuating force on the latter causes the capacitive sensor and the counter-electrode to come closer together, at least in some areas. The capacitive touch sensor system also has evaluation electronics that contain a reference capacitance. The evaluation electronics are able to selectively make electrical contact with the capacitive sensor and the counter electrode. According to the invention, the touch sensor system is designed to carry out the method in one of the embodiments described above.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Berührsensorik ist die Gegenelektrode eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche. Beispielsweise weist die Kraftsensorik einen kapazitiven Kraftsensor aus, der mittels der Gegenelektrode und einer der Elektroden des kapazitiven Sensors bei entsprechender Ansteuerung durch die Ansteuerelektronik ein zugehöriges kapazitives Messfeld zwischen der Gegenelektrode und der Elektrode des kapazitiven Sensors ausbildet und eine zugehörige vom Abstand zwischen kapazitivem Sensor und Gegenelektrode abhängige Kraftmesskapazität definiert. Wird beispielsweise eine über ein vorgegebenes Annäherungsmaß hinausgehende stärkere Annäherung zwischen beiden aufgrund der gemessenen Kraftmesskapazität detektiert, so wird durch die Auswertelektronik ein aktives haptisches Feedback, eine optische oder akustische Ausgabe, und/oder eine Schalt- oder Steuerfunktion getriggert. According to a preferred embodiment of the contact sensor system according to the invention, the counter electrode is a component of a capacitive force sensor system for measuring an actuation force on the contact surface. For example, the force sensor system has a capacitive force sensor, which by means of the counter electrode and one of the electrodes of the capacitive sensor, when appropriately controlled by the control electronics, forms an associated capacitive measuring field between the counter electrode and the electrode of the capacitive sensor and an associated measuring field on the distance between the capacitive sensor and the counter electrode dependent force measuring capacity defined. If, for example, a closer approximation between the two that goes beyond a specified approximation is detected due to the measured force measuring capacity, the evaluation electronics trigger an active haptic feedback, an optical or acoustic output, and / or a switching or control function.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Berührsensorik sind mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren vorgesehen und die Gegenelektrode erstreckt sich beabstandet zu dem Array aus kapazitiven Sensoren. Das Array erfährt beispielsweise durch elastisch rückstellende Verlagerung oder elastische Verformung eine bereichsweise oder eine über das gesamte Array gleichmäßige Annäherung an die Gegeneiektrode, sofern eine Betätigungskraft auf die Berührfläche einwirkt. Beispielsweise sind die kapazitiven Sensoren in einen Folienschichtaufbau aus mindestens einer elastischen Folie integriert, wobei der Folienschichtaufbau die Gegenelektrode überspannt. Die Elektroden der im Array angeordneten kapazitivem Sensoren sind beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene oder auf zwei oder mehr parallelen Ebenen angeordnet. Dieses im Array angeordneten kapazitiven Sensoren bilden beispielsweise zwei Gruppen von Arrayelektroden aus, wobei beispielsweise jede der Arrayelektroden selektiv durch die Ansteuerelektronik elektrisch kontaktierbar ist. Diese Arrayelektroden sind beispielsweise gruppenweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wodurch pro Gruppe eine Gruppenausrichtung vorgegeben ist. Die Arrayelektroden sind gruppenweise, d.h. bezüglich ihrer Gruppenzugehörigkeit alternierend angeordnet. Bei senkrechter gedachter Projektion auf eine gemeinsame Ebene durchkreuzen sie sich untereinander, beispielsweise orthogonal, wobei sie aber eigentlich elektrisch isoliert zueinander angeordnet sind. Dadurch wird insgesamt betrachtet in einem bezogen auf die gesamte Berührfläche flächenmäßig größten eine regelmäßige „Gitterstruktur" unter Ausbildung jeweils eines sogenannten Knotenpunktes an den Orten der Kreuzung ausgebildet. Der kleinste Abstand nächstbenachbarter Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung definierten Richtungen beschreibt die kleinste Periodizität der Gitterstruktur. Üblicherweise ist der kleinste Abstand der Knotenpunkte in den beiden durch die Gruppenausrichtung vorgegebenen Richtungen übereinstimmend. According to a further preferred embodiment of the touch sensor system according to the invention, several capacitive sensors arranged in an array are provided and the counter electrode extends at a distance from the array of capacitive sensors. The array is brought closer to the counter electrode, for example, through elastic resetting displacement or elastic deformation, in some areas or uniformly over the entire array, provided that an actuating force acts on the contact surface. For example, the capacitive sensors are integrated into a film layer structure made of at least one elastic film, the film layer structure spanning the counter electrode. The electrodes of the capacitive sensors arranged in the array are arranged, for example, in a common plane or on two or more parallel planes. These capacitive sensors arranged in the array form, for example, two groups of array electrodes, each of the array electrodes, for example, being selectively electrically contactable by the control electronics. These array electrodes are arranged in groups, for example, essentially parallel to one another, whereby a group alignment is predetermined for each group. The array electrodes are arranged in groups, ie alternating with regard to their group membership. In the case of an imaginary vertical projection onto a common plane, they intersect one another, for example orthogonally, although they are actually arranged electrically isolated from one another. As a result, viewed overall, a regular "lattice structure" is formed in the largest area in relation to the entire contact area, forming a so-called node at each point of intersection. The smallest distance between the next adjacent node in the two directions defined by the group alignment describes the smallest periodicity of the lattice structure The smallest distance between the nodes is usually the same in the two directions given by the group alignment.
Die Bezeichnung Elektrode soll die Ausbildung der betreffenden Arrayelektrode aus leitfähigem Material, beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung implizieren. Beispielweise weisen die kapazitiven Sensoren einen projiziert- kapazitiven Aufbau, insbesondere einen mutual-capacitance Aufbau auf. Bei dem mutual-capacitance Aufbau werden Messkapazitäten, wie zuvor beschrieben an den Knotenpunkten jeweils zwischen zwei elektrisch isolierten, sich kreuzenden Arrayelektroden der kapazitiven Sensoren erzeugt. Die Knotenpunkte sind bei handelsüblichen Touchpads oder Touchscreens in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet. The term electrode is intended to imply the formation of the relevant array electrode from conductive material, for example from metal or a metallic alloy. For example, the capacitive sensors have a projected capacitive structure, in particular a mutual capacitance structure. With the mutual capacitance structure, measuring capacitances, as described above, are generated at the nodes between two electrically isolated, intersecting array electrodes of the capacitive sensors. In standard touchpads or touchscreens, the nodes are arranged in a right-angled grid.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlich. Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der bereitgesteliten erfindungsgemäßen Berührsensorik 1; These and other objects, advantages and features of the invention will become apparent from the following detailed description of preferred exemplary embodiments of the invention in conjunction with the drawings. FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment according to the invention of the touch sensor system 1 according to the invention which has been provided;
Figur 2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf U0(t) während einer Berührung sowie einen zeitlichen Spannungsverlauf UF(t) unter Betätigung, jeweils bei Durchführung einer nicht erfindungsgemäßen Variante eines Verfahrens zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener B; FIG. 2 shows the temporal voltage curve U 0 (t) during a touch and a temporal voltage curve U F (t) when actuated, in each case when a variant of a method not according to the invention is carried out for the capacitive detection of a touch by an operator B;
Figur 3 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf U0(t) während einer Berührung sowie einen zeitlichen Spannungsveriauf UF(t) unter Betätigung, jeweils bei Durchführung einer erfindungsgemäßen Variante einesFIG. 3 shows the temporal voltage profile U 0 (t) during a touch and a temporal voltage profile U F (t) when actuated, in each case when a variant according to the invention is carried out
Verfahrens zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener B. Method for the capacitive detection of contact by an operator B.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, kapazitiven Berührsensorik 1. Die Berührsensorik 1 weist mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren 2 auf. Die kapazitiven Sensoren 2 sind in einen elastisch nachgebenden Folienschichtaufbau 4 integriert und weisen jeweils eine Elektrodenpaar aus elektrisch zueinander isolierten Arrayelektroden 2a und 2b auf. Dem Array von kapazitiven Sensoren 2 ist eine Berührfläche 7 zugeordnet, die von einer dem Bediener B zugewandten Oberfläche des Folienschichtaufbaus 4 ausgebildet wird. Diese Berührfläche 7 dient der Vornahme von Berühreingaben durch den Bediener B, welche ortsaufgelöst mittels des Array von kapazitiven Sensoren 2 detektiert werden kann, wobei sich die Ortsauflösung aufgrund der räumlichen Verteilung der kapazitiven Sensoren 2 und durch deren selektive Ansteuerung mittels der Ansteuerelektronik 5 ergibt. Die Ansteuereiektronik 5 ist dazu selektiv elektrisch leitend mit den Arrayelektroden 2a und 2b der kapazitiven Sensoren 2 verbunden. Durch das Array von kapazitiven Sensoren wird ein Array von mehrere Messkapazitäten definierenden, Messfetdern, beispielsweise in zeitlicher Abfolge, über die Berührfläche 7 erzeugt Bei Berührung durch einen Bediener B mit oder ohne Aufbringung einer Betätig ungskraft, erfolgt eine lokale Beeinflussung des jeweiligen Messfeldes, was durch die Kapazität CT in Figur 1 symbolisiert sein soll. Diese Beeinflussung wird durch die Ansteuerelektronik 5 unter Verwendung des in der US 8,836,350 B1 beschriebenen Detektionsverfahrens, welches als sogenanntes CVD-Verfahren bekannt ist, ausgewertet. Dieses Verfahren erleichtert die Bestimmung einer durch den Finger eines Bedieners B bewirkten Kapazitätsänderung, da es mittels eines zur Ansteuerelektronik 5 gehörigen Referenzkapazität CR und durch Bewirkungen entgegengesetzter Ladeausgleiche zwischen Referenzkapazität CR und jeweiligem Messkondensator bewirkt. Es bedarf beispielsweise keiner über die Zeit integrierenden Strommessung, die eine hohe Genauigkeit der Zeitbasis voraussetzt. Es verbleibt ungeachtet dessen, weiches Detektionsverfahren angewandt wird, dennoch ein weiteres Problem, nämlich, dass bei einer durch eine Betätigungskraft aufbringenden Betätigung der Berührfläche 7 der oder die kapazitive Sensoren 2 eine Verlagerung erfahren, dies ist insbesondere kritisch, wenn dies in einem externen Feld erfolgt und somit die Messkapazität durch diese Verlagerung beeinflusst wird. Ursprungsort dieses externen Feldes ist erfindungsgemäß eine Gegenelektrode 3, die sich elektrisch isoliert von den kapazitiven Sensoren 2 und über einen variierenden Abstand Ad beabstandet zu diesen und entlang des gesamten Arrays aus kapazitiven Sensoren 2 erstreckt Eine derartige Gegenelektrode 3 ist regelmäßig dann vorgesehen, wenn die Berührsensorik durch eine Kraftsensorik erweitert ist. Diese ist beispielsweise vorgesehen, die bei einer Betätigung anliegende Betätigungskraft qualitativ oder quantitativ zu erfassen, um dem Bediener B beispielsweise bei Überschreiten einer Mindestannäherung ein aktives haptisches, akustisches oder visuelles Feedback zu geben. Zur Kraftmessung wird eine Kraftmesskapazität zwischen den Elektroden 2a der kapazitiven Sensoren 2 und der Gegenelektrode 3 erzeugt und bestimmt. Das Variationsmaß dieser Kraftmesskapazität ist ein Maß für die Annäherung zwischen den kapazitiven Sensoren 2 und der Gegenelektrode 3 und die Variation des Abstands Ad letztlich ein Maß für die dabei aufgebrachte Betätigungskraft. Die parallele Messung der Betätigungskraft oder genauer schon das Vorhandensein der Gegenelektrode 3 stellt ein Problem für die Detektion einer Berührung durch die kapazitiven Sensoren dar. Die durch die Gegenelektrode 3 bewirkte Beeinflussung der Messkapazitäten der kapazitiven Sensoren 2 ist schematisch durch die parasitären Messkapazitäten Cp symbolisiert, die jedoch mit einer Veränderung des Abstandes Ad variieren. FIG. 1 shows a sectional view through an embodiment of the capacitive touch sensor system 1 according to the invention. The touch sensor system 1 has a plurality of capacitive sensors 2 arranged in an array. The capacitive sensors 2 are integrated in an elastically yielding film layer structure 4 and each have a pair of electrodes made up of array electrodes 2a and 2b that are electrically isolated from one another. The array of capacitive sensors 2 is assigned a contact surface 7 which is formed by a surface of the film layer structure 4 facing the operator B. This touch surface 7 is used to make touch inputs by the operator B, which can be detected spatially resolved by means of the array of capacitive sensors 2, the spatial resolution resulting from the spatial distribution of the capacitive sensors 2 and their selective control by the control electronics 5. For this purpose, the control electronics 5 are selectively electrically conductively connected to the array electrodes 2a and 2b of the capacitive sensors 2. By means of the array of capacitive sensors, an array of measuring capacities defining several measuring capacities is generated, for example in chronological order, via the contact surface 7 the capacitance CT should be symbolized in FIG. This influencing is evaluated by the control electronics 5 using the detection method described in US Pat. No. 8,836,350 B1, which is known as the so-called CVD method. This procedure makes it easy to determine one by finger a change in capacitance caused by an operator B, since it is effected by means of a reference capacitance C R belonging to the control electronics 5 and by effecting opposing charge equalizations between the reference capacitance C R and the respective measuring capacitor. For example, there is no need for a current measurement that integrates over time, which requires a high level of accuracy of the time base. Regardless of which detection method is used, there still remains a further problem, namely that when the contact surface 7 is actuated by an actuating force, the capacitive sensor (s) 2 experience a displacement; this is particularly critical if this takes place in an external field and thus the measuring capacity is influenced by this shift. According to the invention, the origin of this external field is a counter-electrode 3, which is electrically isolated from the capacitive sensors 2 and at a varying distance Ad from them and extends along the entire array of capacitive sensors 2 is expanded by a force sensor. This is provided, for example, to qualitatively or quantitatively detect the actuating force applied during an actuation in order to give the operator B active haptic, acoustic or visual feedback, for example when a minimum approach is exceeded. To measure the force, a force measuring capacity is generated and determined between the electrodes 2a of the capacitive sensors 2 and the counter electrode 3. The degree of variation of this force measuring capacity is a measure of the approach between the capacitive sensors 2 and the counter-electrode 3 and the variation of the distance Ad is ultimately a measure of the actuating force applied in the process. Parallel measurement of the operation force, or more precisely the very existence of the counter electrode 3 presents a problem for the detection of a touch by the capacitive sensors. The caused by the counter electrode 3 influence the measured capacitances of the capacitive sensors 2 is symbolized schematically p by the parasitic measuring capacitors C which, however, vary with a change in the distance Ad.
Die sich daraus ergebenden Probleme sollen anhand der Figur 2 bei gleichzeitiger Verwendung des sogenannten CVD-Verfahrens erläutert werden. In Figur 2 ist der am Messkondensator zu messende Spannungsverlauf U0(t) in Abhängigkeit der Zeit t bei einer ausschließlichen Berührung durch den Bediener, d.h. ohne Betätigungskraft und ohne relative Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 aufgetragen. Wohingegen UF(t) der Spannungsverlauf in Abhängigkeit der Zeit t bei einer eine vorgegebene Betätigungskraft aufbringenden Betätigung also bei gleichzeitiger relativer Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 ist, Bei dem CVD-Verfahren erfolgt zuerst ein erstes Laden der zur Auswertelektronik 5 zugehörigen, durch einen Referenzkondensator vorgegebenen Referenzkapazität CR, während die Messkapazität auf Erdpotenzial gebracht wird, was in Figur 2 innerhalb des mit a gekennzeichneten Zeitabschnitts erfolgt. Im Zeitabschnitt b wird ein erster Ladungsausgleich zwischen der Referenzkapazität CR und der Messkapazität bewirkt. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem erstem Ladungsausgleich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt tA bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U0(tA) beträgt und betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt tA bestimmte Spannung UF( tB) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist In einem nachfolgenden zweiten Ladeschritt im Zeitabschnitt c wird umgekehrt zum Zeitabschnitt a die Messkapazität auf die Spannung Vcc geladen, während die Referenzkapazität CR auf Erdpotenzial gehalten wird. Im nachfolgenden Zeitabschnitt d erfolgt ein zweiter Ladeausgleich in umgekehrter Richtung im Vergleich zum Zeitabschnitt b. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem, zweitem Ladungsausgleich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt tB bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U0( tB) beträgt und betragsmäßig kleiner ist als die zum selben Zeitpunkt tB bestimmte Spannung UF( tB) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden Schritt e werden Messkapazität und Referenzkapazität CR auf Erdpotenzial gebracht. Dienen die jeweiligen Spannungswerte U(tA) und U(tB) der Auswertung zur Triggerung eines Berührereignisses, beispielsweise durch Differenzbildung und Vergleich mit einem vorgegebenen Differenzwert ergibt sich das Problem, dass die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei Betätigung nämlich ΔUF und die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei ausschließlicher Berührung nämlich ΔU0 vom Befrag nicht nur sehr stark auseinanderfallen, sondern der erstere größer als letzterer ist und somit es bei gleichzeitiger Betätigung zu ungewollter Triggerung eines Berührereignis, auch „ghost touch" genannt, kommt, da die Annäherung von Gegenelektrode 3 und kapazitivem Sensor 2 einen Verstärkungseffekt auf die Berührdetektion hat. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in Bezug auf die Figur 3 erläutert wird, vermeidet diesen Verstärkungseffekt. The problems resulting therefrom are to be explained with the aid of FIG. 2 with the simultaneous use of the so-called CVD method. In FIG. 2, the voltage curve U 0 (t) to be measured on the measuring capacitor is a function of the time t when the operator touches it exclusively, that is to say without an actuation force and without a relative approach between the relevant one capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 applied. Whereas U F (t) is the voltage curve as a function of time t for a given actuation force applying actuation, i.e. with a simultaneous relative approach between the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3, the CVD process first loads the evaluation electronics 5 associated reference capacitance C R predetermined by a reference capacitor, while the measuring capacitance is brought to ground potential, which takes place in FIG. 2 within the time segment marked with a. In the time segment b, a first charge equalization is effected between the reference capacitance C R and the measuring capacitance. With the first charge equalization at least approximately completed, the voltage applied to the measuring capacitance at time t A is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t A ) and its magnitude is greater than the voltage U F (t determined at the same time t A B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter-electrode 3 have come closer due to the acting actuation force.In a subsequent second charging step in time segment c, the measuring capacitance is charged to voltage V cc, conversely to time segment a , while the reference capacitance C R is held at ground potential. In the following time segment d, a second charge equalization takes place in the opposite direction compared to time segment b. When the second charge equalization is at least approximately completed, the voltage applied to the measuring capacitance at time t B is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t B ) and its absolute value is lower than the voltage U F (determined at the same time t B). t B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 have come closer due to the acting actuating force. In a subsequent step e, the measuring capacitance and the reference capacitance C R are brought to ground potential. If the respective voltage values U (t A ) and U (t B ) are used to evaluate the triggering of a contact event, for example by forming the difference and comparing it with a specified difference value, the problem arises that the difference between these voltage values when actuated, namely ΔU F and the amount Difference in these voltage values with exclusive contact, namely ΔU 0 from the questionnaire, not only diverge greatly, but the former is greater than the latter and thus it is at the same time Actuation to unwanted triggering of a touch event, also called "ghost touch", occurs because the approach of the counter electrode 3 and capacitive sensor 2 has an amplifying effect on the contact detection. The aim of the method according to the invention, which is explained with reference to FIG. 3, avoids this Reinforcement effect.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich ebenfalls des sogenannten CVD- Verfahrens. Auch hier ist der am Messkondensator zu messende Spannungsverlauf U0(t) in Abhängigkeit der Zeit t bei einer ausschließlichen Berührung durch den Bediener, d.h. ohne Betätigungskraft und ohne relative Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 aufgetragen. Wohingegen UF(t) der Spannungsverlauf in Abhängigkeit der Zeit t bei einer eine vorgegebene Betätigungskraft aufbringenden Betätigung also bei gleichzeitiger relativer Annäherung zwischen dem betreffenden kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 ist. Ferner Ist das an der Gegenelektrode 3 anliegende Beeinflussungspotenzial ζ(t) in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt wiederum ein erstes Laden der zur Auswertelektronik 5 zugehörigen, durch einen Referenzkondensator vorgegebenen Referenzkapazität CR, während die Messkapazität auf Erdpotenzial (GND) gehalten wird, gleichzeitig wird auch die Gegenelektrode 3 auf Erdpotenzial (GND) als erstem Beeinflussungspotenzial ζ1 gehalten, was in Figur 3 innerhalb des mit a gekennzeichneten Zeitabschnitts erfolgt. Im Zeitabschnitt b wird ein erster Ladungsausgleich zwischen der Referenzkapazität CR und der Messkapazität bewirkt. Mit zumindest annähernd abgeschlossenem, erstem Ladungsausgieich wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt tA bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U0( tA) beträgt und betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt tA bestimmte Spannung UF( tB) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden zum Zeitpunkt tp0 beginnenden, zweiten Ladeschritt c wird umgekehrt zum Zeitabschnitt a die Messkapazität auf die Spannung Vcc geladen, die Referenzkapazität CR auf Erdpotenzial gebracht und die Gegeneiektrode 3 auf das zweite Beeinflussungspotenzial ζ2=VCC gebracht. Im nachfolgenden Zeitabschnitt d1 erfolgt ein zweiter Ladeausgleich in umgekehrter Richtung im Vergleich zum erstem Ladungsausgleich aus Zeitabschnitt b. Mit zum Zeitpunkt tP1 abgeschlossenem, zweitem Ladungsausgleich wird die Gegenelektrode 3 auf das erste Beeinflussungspotenzial ζ1= GND, nämlich Erdpotenzial gebracht, und weiter ein in zum erstem Ladungsausgleich umgekehrter Richtung erfolgender, dritter Ladungsausgleich im Zeitabschnitt d2 durchgeführt, Die Dauer des zweiten Ladungsausgleichs im Zeitabschnitt d1 entspricht in etwa der Dauer des dritten Ladeausgleichs in Zeitabschnitt d2. Mit annährend abgeschlossenem Ladeausgleich im Zeitabschnitt d2 wird die an der Messkapazität anliegende Spannung zum Zeitpunkt tB bestimmt, die für den Fall einer ausschließlichen Berührung U0( tB) beträgt und nunmehr durch die Maßnahme des vorhergehenden Verlauf bzw, Wechsel des Beeinflussungspotenzials ζ(t) betragsmäßig größer ist als die zum selben Zeitpunkt
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bestimmte Spannung UF(tB) für den Fall einer Betätigung, bei der es aufgrund der einwirkenden Betätigungskraft zu einer Annäherung zwischen dem kapazitiven Sensor 2 und der Gegenelektrode 3 gekommen ist. In einem nachfolgenden Schritt e werden Messkapazität und Referenzkapazität CR auf Erdpotenzial (GND) gebracht. Erfindungsgemäß dienen auch hier die jeweiligen Spannungswerte U(tA) und U(tB) der Auswertung zur Triggerung eines Berührereignisses, beispielsweise durch Differenzbildung und Vergleich mit einem vorgegebenen Differenzwert, Im Unterschied zu der in Figur 2 gezeigten nicht erfindungsgemäßen Variante, ergibt sich hier das Problem nicht, dass die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei Betätigung nämlich ΔUF und die betragsmäßige Differenz dieser Spannungswerte bei ausschließlicher Berührung nämlich ΔU0 vom Betrag sehr stark auseinanderfallen, sondern diese sich betragsmäßig annähern und es somit bei gleichzeitiger Betätigung eben nicht zu ungewollter Triggerung eines Berührereignis, auch „ghost touch" genannt, kommt, da die Annäherung von Gegenelektrode 3 und kapazitivem Sensor 2 durch die erfindungsgemäße Lösung keinen Verstärkungseffekt auf die Berührdetektion hat. The method according to the invention also makes use of the so-called CVD method. Here, too, the voltage curve U 0 (t) to be measured on the measuring capacitor is plotted as a function of time t when the operator only touches it, ie without actuation force and without relative proximity between the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 in question. Whereas U F (t) is the voltage profile as a function of time t in the case of an actuation applying a predetermined actuation force, i.e. with simultaneous relative proximity between the capacitive sensor 2 in question and the counter-electrode 3. Furthermore, the influencing potential ζ (t) applied to the counter electrode 3 is plotted as a function of the time t. In the method according to the invention, the reference capacitance C R associated with the evaluation electronics 5 and specified by a reference capacitor is again first charged, while the measuring capacitance is held at ground potential (GND), at the same time the counter electrode 3 is also at ground potential (GND) as the first influencing potential ζ 1 held, which takes place in Figure 3 within the period marked with a. In the time segment b, a first charge equalization is effected between the reference capacitance C R and the measuring capacitance. With the first charge equalization at least approximately completed, the voltage applied to the measuring capacitance at time t A is determined, which in the case of exclusive contact is U 0 (t A ) and its absolute value is greater than the voltage U F ( determined at the same time t A). t B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 have come closer due to the acting actuating force. In a subsequent , second charging step c beginning at time t p0 , the measuring capacitance is charged to the voltage V cc , the reference capacitance C R is brought to ground potential and the counter electrode 3 is brought to the second influencing potential ζ 2 = VCC. In the subsequent time segment d 1 , a second charge equalization takes place in the opposite direction compared to the first charge equalization from time segment b. With the second charge equalization completed at time t P1, the Counterelectrode 3 brought to the first influencing potential ζ 1 = GND, namely ground potential, and a third charge equalization carried out in the opposite direction to the first charge equalization in time segment d 2 , the duration of the second charge equalization in time segment d 1 corresponds approximately to the duration of the third Charge equalization in period d 2 . With almost complete charge equalization in time segment d 2 , the voltage applied to the measuring capacitance at time t B is determined, which for the case of exclusive contact is U 0 (t B ) and is now due to the measure of the previous curve or change in the influencing potential ζ ( t) is larger than the amount at the same point in time
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certain voltage U F (t B ) for the case of an actuation in which the capacitive sensor 2 and the counter electrode 3 have come closer due to the acting actuating force. In a subsequent step e, the measuring capacitance and the reference capacitance C R are brought to ground potential (GND). According to the invention, the respective voltage values U (t A ) and U (t B ) are used here for the evaluation to trigger a contact event, for example by forming the difference and comparing it with a specified difference value The problem is not that the absolute difference between these voltage values when actuated, namely ΔU F, and the absolute difference between these voltage values when exclusively touched, namely ΔU 0 from the absolute value, but that they approximate in terms of amount and thus, when actuated at the same time, there is no unwanted triggering of a A contact event, also called “ghost touch”, occurs because the approach of the counter electrode 3 and the capacitive sensor 2 has no amplifying effect on the contact detection due to the solution according to the invention.

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Verfahren zur kapazitiven Detektion einer Berührung durch einen Bediener (B) mittels einer kapazitiven Berührsensorik (1) mit den folgenden Schritten:1. Method for the capacitive detection of a touch by an operator (B) by means of a capacitive touch sensor system (1) with the following steps:
- Bereitstellen einer kapazitiven Berührsensorik (1), aufweisend einen kapazitiven Sensor (2), der eine dem Bediener (B) zugewandte Berührfläche (7) und eine Messkapazität definiert und eine auf der dem Bediener (B) abgewandten Seite des kapazitiven Sensors (2) angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor (2) elektrisch isolierte Gegenelektrode (3), sowie eine Auswertelektronik (5) mit einer Referenzkapazität (CR), wobei die Auswerteelektronik (5) den kapazitiven Sensor (2) und die Gegenelektrode (3) selektiv elektrisch kontaktiert; wobei bei einer Betätigung der Berührfläche (7) wischen dem kapazitiven Sensor (2) und der Gegenelektrode (3) eine Annäherung bewirkt wird; - Provision of a capacitive touch sensor system (1), having a capacitive sensor (2) which defines a contact surface (7) facing the operator (B) and a measuring capacitance and a side of the capacitive sensor (2) on the side of the capacitive sensor (2) facing away from the operator (B) arranged, opposite the capacitive sensor (2) electrically isolated counter-electrode (3), as well as evaluation electronics (5) with a reference capacitance (C R ), the evaluation electronics (5) the capacitive sensor (2) and the counter-electrode (3) selectively electrical contacted; whereby when the contact surface (7) is actuated between the capacitive sensor (2) and the counter electrode (3), an approach is brought about;
- erstes Laden der Referenzkapazität (CR) auf ein erstes Ladepotenzial (Vcc);- First charging of the reference capacitance (C R ) to a first charging potential (V cc );
- erstes Beaufschlagen der Gegenelektrode mit einem ersten- First exposure of the counter electrode with a first
Beeinflussungspotenzial (ζ1) ; Influence potential (ζ 1 );
- Durchführen eines ersten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR); - Carrying out a first charge equalization between the measuring capacitance and the reference capacitance (C R );
- erstes Bestimmen der sich einsteilenden an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (CR) anliegenden ersten Messspannung U0( tA) ; UF( tA) ) durch die Auswertelektronik (5); first determination of the first measuring voltage U 0 (t A ) which is being established at the measuring capacitance or at the reference capacitance (C R ); U F (t A )) through the evaluation electronics (5);
- zweites Laden der Referenzkapazität (CR) auf ein zweites, sich vom ersten Ladepotenzial (Vcc) unterscheidendes Ladepotenzial (GND); second charging of the reference capacitance (C R ) to a second charging potential (GND) that differs from the first charging potential (V cc);
- zweites Beaufschlagen der Gegenelektrode (3) mit einem zweiten- Second exposure of the counter electrode (3) with a second
Beeinflussungspotenzial (ζ2); Influence potential (ζ 2 );
- Durchführen eines zweiten, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ2) beaufschlagt wird; - Carrying out a second, the first charge equalization opposite charge equalization between the measuring capacitance and the reference capacitance (C R ), during which the counter electrode (3) is acted upon with the second influencing potential (ζ 2);
- dem ersten Ladungsausgleich nachfolgendes Durchführen eines driften, dem ersten Ladungsausgleich entgegengerichteten Ladungsausgleichs zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität (CR), während dem die Gegenelektrode (3) mit dem ersten Beeinflussungspotenzial (ζ1) beaufschlagt wird; - Bestimmen der sich einstellenden zweiten, an der Messkapazität oder an der Referenzkapazität (CR) anliegenden Messspannung U0( tB) ; UF(tB)) durch die Auswertelektronik; - Carrying out, following the first charge equalization, a drift charge equalization between the measuring capacitance and the reference capacitance (C R ), which is opposite to the first charge equalization, during which the counterelectrode (3) is acted upon by the first influencing potential (ζ 1); - Determination of the second measuring voltage U 0 (t B ) which is established and which is applied to the measuring capacitance or to the reference capacitance (C R ); U F (t B )) by the evaluation electronics;
- Auswerten unter Durchführung einer mathematischen Operation mit erster Messspannung (U0(tA); UF(tA) ) und zweiter Messspannung ( U0( tB) ; UF( tB) ), um einen Detektionswert zu erhalten, der nachfolgend verwendet wird, entweder ein Berührereignis zu triggern oder kein Berührereignis zu triggern. - Evaluation while performing a mathematical operation with a first measurement voltage (U 0 (t A ); U F (t A )) and a second measurement voltage (U 0 (t B ); U F (t B )) in order to obtain a detection value, which is subsequently used to either trigger a touch event or not to trigger a touch event.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gegenelektrode (3) eine Komponente einer kapazitiven Kraftsensorik zur Messung einer Betätigungskraft auf die Berührfläche (7) ist. 2. The method according to claim 1, wherein the counter electrode (3) is a component of a capacitive force sensor system for measuring an actuation force on the contact surface (7).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere in einem Array angeordnete kapazitive Sensoren (2) vorgesehen sind und die Gegenelektrode (3) sich beabstandet zu dem Array erstreckt. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein a plurality of capacitive sensors (2) arranged in an array are provided and the counter electrode (3) extends at a distance from the array.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim ersten Laden der Referenzkapazität (CR) auf das erste Ladepotenzial (Vcc), die Messkapazität auf das zweite Ladepotenzial (GND) gebracht wird und beim zweiten Laden der Referenzkapazität (CR) auf das zweite Ladepotenzial (GND) die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial (Vcc) gebracht wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein during the first charging of the reference capacitance (C R ) to the first charging potential (V cc ), the measuring capacitance is brought to the second charging potential (GND) and during the second charging of the reference capacitance (C R ) the second charging potential (GND) the measuring capacitance is brought to the first charging potential (V cc ).
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei während die Messkapazität auf das erste Ladepotenzial (Vcc) gebracht wird, das Beaufschlagen der Gegenelektrode (3) mit dem zweiten Beeinflussungspotenzial (ζ2) erfolgt. 5. The method according to the preceding claim, wherein while the measuring capacitance is brought to the first charging potential (V cc ), the counterelectrode (3) is subjected to the second influencing potential (ζ 2 ).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zyklisch durchgeführt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method is carried out cyclically.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first
Beeinflussungspotenzial (ζ1) geringer als das zweite BeeinflussungspotenzialInfluencing potential (ζ 1 ) lower than the second influencing potential
(ζ2) ist. (ζ 2 ) is.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first
Beeinfiussungspotenzial (ζ1) Erdpotenzial (GND) ist. Influence potential (ζ 1 ) is earth potential (GND).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Beeinflussungspotenzial (ζ2) dem ersten Ladepotenzial (Vcc) entspricht. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second influencing potential (ζ 2 ) corresponds to the first charging potential (V cc ).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste10. The method according to any one of the preceding claims, wherein a first
Ladeausgleichsdauer des zweiten Ladeausgleichs einer zweiten Ladeausgleichsdauer des dritten Ladeausgleichs entspricht. Charge equalization period of the second charge equalization corresponds to a second charge equalization period of the third charge equalization.
11.Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, 11. Use of the method according to one of the preceding claims in a motor vehicle,
12. Kapazitive Berührsensorik (1) zur Detektion einer Berührung durch einen Bediener (B) aufweisend wenigstens einen kapazitiven Sensor (2), der eine dem Bediener (B) zugewandte Berührfläche (7) und eine Messkapazität definiert und eine auf der dem Bediener abgewandten Seite des kapazitiven Sensors (2) angeordnete, gegenüber dem kapazitiven Sensor (2) elektrisch isolierte Gegenelektrode (3), wobei bei Betätigung der Berührfläche (7) zwischen dem kapazitiven Sensor (2) und der Gegenelektrode (3) eine Annäherung bewirkt wird; sowie Bereitstellen einer Auswerteiektronik (5) mit einer Referenzkapazität (CR), wobei die Auswertelektronik (5) den kapazitiven Sensor (2) und die Gegenelektrode (3) selektiv elektrisch kontaktiert; wobei die Berührsensorik (1) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen. 12. Capacitive touch sensor system (1) for detecting contact by an operator (B) having at least one capacitive sensor (2) which defines a contact surface (7) facing the operator (B) and a measuring capacitance and one on the side facing away from the operator the capacitive sensor (2) arranged opposite the capacitive sensor (2) electrically insulated counter-electrode (3), wherein when the contact surface (7) is actuated between the capacitive sensor (2) and the counter-electrode (3) an approach is brought about; and providing an electronic evaluation system (5) with a reference capacitance (C R ), the electronic evaluation system (5) making selective electrical contact with the capacitive sensor (2) and the counter electrode (3); wherein the touch sensor system (1) is designed to carry out the method according to one of claims 1 to 10.
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