DE102011078534B4

DE102011078534B4 - Auswerteverfahren und Auswerteeinrichtung für einen kapazitiven Berührungssensor

Info

Publication number: DE102011078534B4
Application number: DE102011078534.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger; Holger Steffens
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2031-07-02
Also published as: JP6093350B2; DE102011078534A1; JP2014527217A; US9753070B2; TW201316686A; CN103733519A; EP2727244A2; US20150015279A1; TWI573394B; KR20140053134A; WO2013004603A2; WO2013004603A3

Abstract

Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor, welcher zumindest eine Sendeelektrode (SE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) umfasst, welche in eine kapazitive Kopplung bringbar sind, wobei die Sendeelektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, welches mit der Empfangselektrode detektiert werden kann, und wobei – an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) ein Messsignal (S1) abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode (SE) und der zumindest einen Empfangselektrode (EE) repräsentiert, – aus dem Messsignal (S1) ein Referenzsignal (SREF) gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und – zumindest ein Detektionssignal (S2) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (SREF) zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Auswerteeinrichtung für einen kapazitiven Berührungssensor, welche angepasst ist, das erfindungsgemäße Auswerteverfahren durchzuführen. Ferner wird durch die Erfindung ein elektrisches Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung bereitgestellt.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Im Stand der Technik sind kapazitive Berührungssensoren bekannt, welche an einem Handgerät, insbesondere ein Mobiltelefon, angeordnet werden können, um ein Berühren bzw. ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes durch eine Hand zu detektieren. Wird ein Berühren bzw. ein Umgreifen des elektrischen Handgerätes detektiert, kann das elektrische Handgerät beispielsweise von einem Schlafmodus in einen Betriebsmodus überführt werden. Neben dem Wechsel des Betriebsmodus können bei einer Detektion eines Umgreifens des elektrischen Handgerätes noch weitere Funktionen in dem elektrischen Handgerät ausgelöst werden. Beispielsweise kann die Detektion des Umgreifens eines Mobiltelefons durch eine Hand dazu genutzt werden, um einen eingehenden Anruf entgegenzunehmen, sobald das Mobiltelefon von der Hand umgriffen wird.
Allerdings kann eine einem Umgreifen des Handgerätes zugeordnete Funktion nur dann ausgeführt werden, wenn auch tatsächlich ein Umgreifen des Handgerätes erfolgt. Beispielsweise kann ein an einem Mobiltelefon eingehender Anruf nicht durch Umgreifen des Mobiltelefons durch eine Hand angenommen werden, wenn das Mobiltelefon bei Eingang des Anrufes bereits von der Hand umgriffen wird. Wird das elektrische Handgerät bereits von einer Hand umgriffen kann eine weitere Bedienung des Handgerätes nicht mehr auf kapazitiver Basis detektiert werden. Weitere Funktionen des Handgerätes, etwa das Annehmen eines Anrufes können nur auf herkömmliche Weise, etwa durch Betätigen einer mechanischen Taste ausgelöst werden.
Aus der DE 20 2005 015 210 U1 ist eine Sensoranordnung zum Überwachen eines Gefahrenbereiches bekannt, wobei die Sensoranordnung eine Sendeelektrode und eine zugehörige Empfangselektrode aufweist. Ein von der Sendeelektrode abgestrahltes Signal wird in die Empfangselektrode eingekoppelt bzw. von der Empfangselektrode empfangen. Das von der Empfangselektrode empfangene Signal wird einem Verstärker zugeführt und ausgewertet. Damit kann ein Gefahrenbereich, etwa einer Maschine, überwachen werden und beispielsweise ein Eindringen eines Körperteils in den überwachten Gefahrenbereich detektieren werden.
Aus der DE 10 2006 051 184 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einen Observationsbereich bekannt. Die Vorrichtung weist eine Elektrodeneinrichtung auf, die Teil eines Kondensatorsystems ist, dessen Kapazität gegen ein Referenzpotenzial von der Präsenz des Objektes in dem Observationsbereich abhängig ist. Das Kondensatorsystem ist mit einem LC-Netzwerk gekoppelt. Mit einer Auswerteschaltung, die mit der Elektrodeneinrichtung gekoppelt ist, wird eine Annäherung des Objektes an die Elektrodeneinrichtung anhand einer Änderung des Resonanzverhaltens detektiert.
Aus der DE 10 2009 057 960 A1 ist eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Umgreifens eines Handgerätes mit einer Hand bekannt. Die Sensoreinrichtung weist eine mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelte Sensorelektrode auf, von der ein elektrisches Wechselfeld emittierbar ist, welches einen Observationsbereich festlegt. Die Sensorelektrode ist kapazitiv mit dem Massepotenzial der Auswerteeinrichtung koppelbar. Bei Eindringen der Hand in den Observationsbereich ändert sich die Kapazität zwischen der Sensorelektrode und dem Massepotenzial, was detektiert werden kann.
Aus der DE 10 2009 057 931 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein kapazitives Sensorelement bekannt. Das Sensorelement weist eine Sendeelektrode, eine Kompensationselektrode und eine Empfangselektrode auf. Die Sendeelektrode wird mit einem ersten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt. Die Kompensationselektrode wird mit einem zweiten elektrischen Wechselsignal beaufschlagt. Eine Signalaufbereitungseinrichtung ist mit der Empfangselektrode gekoppelt, zum Aufbereiten des an der Empfangselektroden abgegriffenen Signals. Die an der Sendeelektrode und an der Kompensationselektrode abgestrahlten elektrischen Wechselfelder überlagern sich und das aus diesen beiden elektrischen Wechselfeldern resultierende Wechselfeld wird in die Empfangselektrode eingekoppelt.
Aus der DE 10 2009 060 995 A1 ist eine Messelektrodenanordnung zur Näherungsdetektion bekannt, die eine Sendeelektrode, eine Empfangselektrode und eine zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode angeordnete Kompensationselektrode aufweist. Von den Sendeelektrode und der Kompensationselektrode werden elektrische Wechselfelder emittiert, die zueinander phasenverschoben sind und die Empfangselektrode einkoppeln. Damit soll eine Annäherung an ein Handgerät, an dem die Messelektrodenanordnung angeordnet ist, auch dann detektiert werden können, wenn das Handgerät auf einer elektrisch leitfähigen Oberfläche abgelegt ist.
Aus der DE 40 36 465 A1 ist ein Einklemmschutz auf kapazitiver Basis bekannt, der drei Elektroden aufweist, die mit einer Wechselspannungsquelle und mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Ausgangsseitig sind die Elektroden mit einem Komparator verbunden, der bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenz zwischen den Eingangssignalen ein Stoppsignal erzeugt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Lösungen bereitzustellen, welche die Detektion einer Bedieneingabe, etwa an einem elektrischen Handgerät, auf kapazitiver Basis auch dann erlauben, wenn das Handgerät bereits von einer Hand umgriffen ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor und einer Auswerteeinrichtung für einen kapazitiven Berührungssensor sowie einem elektrischen Handgerät mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bereitgestellt wird demnach ein Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor, welcher zumindest eine Sendeelektrode und zumindest eine Empfangselektrode umfasst, welche in eine kapazitive Kopplung bringbar sind, wobei die Sendeelektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, welches mit der Empfangselektrode detektiert werden kann, und wobei

– an der zumindest einen Empfangselektrode ein Messsignal abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode und der zumindest einen Empfangselektrode repräsentiert,
– aus dem Messsignal ein Referenzsignal gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und
– zumindest ein Detektionssignal erzeugt wird, wenn das Referenzsignal zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.

Bereitgestellt wird auch ein Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor, welcher zumindest eine Sensorelektrode umfasst, wobei die Sensorelektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, und wobei

– an der zumindest einen Sensorelektrode ein Messsignal abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf einer kapazitiven Belastung zwischen der Sensorelektrode und einer Bezugsmasse repräsentiert,
– aus dem Messsignal ein Referenzsignal gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und
– zumindest ein Detektionssignal erzeugt wird, wenn das Referenzsignal zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.

Nachfolgend sind vorteilhafte Ausgestaltungen der beiden vorstehend genannten Auswerteverfahren angegeben.
Das Messsignal kann tiefpassgefiltert werden, wobei nach dem Tiefpassfiltern des Messsignals ein Differenzsignal zwischen dem Messsignal und dem tiefpassgefilterten Messsignal gebildet wird, wobei das Differenzsignal das Referenzsignal bildet.
Das Bilden des Referenzsignals kann eines aus Differentiation des Messsignals und Hochpassfiltern des Messsignals umfassen.
Das Detektionskriterium kann einen oberen Schwellenwert und/oder einen unteren Schwellenwert umfassen.
Das Detektionskriterium kann einen oberen Grenzwert und/oder einen unteren Grenzwert umfassen. Vorzugsweise liegen der obere Grenzwert oberhalb des oberen Schwellenwerts und der untere Grenzwert unterhalb des unteren Schwellenwerts.
Es kann ein erstes Detektionssignal erzeugt werden, wenn das Referenzsignal unterhalb des unteren Schwellenwertes liegt.
Es kann ein zweites Detektionssignal erzeugt werden, wenn das Referenzsignal oberhalb des oberen Schwellenwertes liegt.
Ein erstes Detektionssignal kann erzeugt werden, wenn das Referenzsignal unterhalb des unteren Schwellenwerts und oberhalb des unteren Grenzwerts liegt.
Ein zweites Detektionssignal kann erzeugt werden, wenn das Referenzsignal oberhalb des oberen Schwellenwerts und unterhalb des oberen Grenzwerts liegt.
Vorzugsweise sind das erste Detektionssignal und das zweite Detektionssignal digitale Signale, wobei ein Informationssignal erzeugt wird, wenn die Detektionssignale zumindest ein Informationskriterium erfüllen.
Das Informationskriterium kann beispielsweise sein:

– der zeitliche Abstand
– zwischen den steigenden Flanken von zwei Impulsen des ersten Detektionssignals, oder
– zwischen den steigenden Flanken von zwei Impulsen des zweiten Detektionssignals, oder
– zwischen der steigenden Flanke eines Impulses des ersten Detektionssignals und der steigenden Flanke eines Impulses des zweiten Detektionssignals überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert,
– die Impuls-Dauer eines Impulses des ersten Detektionssignals oder eines Impulses des zweiten Detektionssignals überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert,
– innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes weist das erste Detektionssignal oder das zweite Detektionssignal oder das erste Detektionssignal und das zweite Detektionssignal eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen auf, und/oder
– die Abfolge von Impulsen des ersten Detektionssignals und des zweiten Detektionssignals weist ein bestimmtes Muster auf.

Die Koppelkapazität kann in einem Transmissionsverfahren oder in einem Absorptionsverfahren gemessen werden. Die kapazitive Belastung kann in einem Loadingverfahren gemessen werden.
Das Messsignal kann mit einer vorbestimmten ersten Abtastrate abgetastet werden, wenn der Signalpegel des Messsignals unterhalb eines vorbestimmten Referenzpegels liegt. Das Messsignal kann mit einer vorbestimmten zweiten Abtastrate abgetastet werden, wenn der Signalpegel des Messsignals oberhalb des vorbestimmten Referenzpegels liegt.
Die erste Abtastrate ist vorzugsweise kleiner ist als die zweite Abtastrate.
Das Messsignal kann mit einer vorbestimmten ersten Verstärkung verstärkt werden, wenn der Signalpegel des Messsignals unterhalb eines vorbestimmten Referenzpegels liegt. Das Messsignal mit einer vorbestimmten zweiten Verstärkung verstärkt werden, wenn der Signalpegel des Messsignals oberhalb des vorbestimmten Referenzpegels liegt, wobei die zweite Verstärkung so gewählt wird, dass sich das Messsignal immer im Arbeitsbereich des kapazitiven Berührungssensors befindet.
An der Empfangselektrode oder an der Sensorelektrode kann zumindest ein zweites Messsignal abgegriffen werden, wobei vor dem Bilden des Referenzsignals das Messsignal und das zumindest eine zweite Messsignal miteinander kombiniert werden, und wobei das Referenzsignal aus dem kombinierten Messsignal gebildet wird.
Die Messsignale (Messsignal und zweites Messsignal) können vor dem Kombinieren einer Signalvorverarbeitung unterzogen werden.
Bereitgestellt wird ferner eine Auswerteeinrichtung für einen kapazitiven Berührungssensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens, welche mit zumindest einer Sendeelektrode und zumindest einer Empfangselektrode oder mit zumindest einer Sensorelektrode des kapazitiven Berührungssensors koppelbar ist, wobei die Sende- oder Sensorelektrode mit einem Wechselsignal der Auswerteeinrichtung beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, welches mit der Empfangs- oder Sensorelektrode detektiert werden kann, und wobei an der zumindest einen Empfangselektrode ein Messsignal abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode und der zumindest einen Empfangselektrode repräsentiert, wobei die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist dass aus dem Messsignal ein Referenzsignal gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und dass die Auswerteeinrichtung zumindest ein Detektionssignal erzeugt, wenn das Referenzsignal zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.
Des Weiteren wird ein elektrisches Handgerät bereit gestellt, an welchem zumindest eine Sendeelektrode und zumindest eine Empfangselektrode oder zumindest eine Sensorelektrode angeordnet sind, welche mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung gekoppelt sind.
Das elektrische Handgerät kann zumindest eines aus Mobilfunkgerät, Fernbedienung, Eingabemittel für Spielekonsolen, tragbare Kleincomputer, Smartphone, Computermaus, und Eingabemittel für Computer umfassen.
Das elektrische Handgerät kann verformbar ausgestaltet sein, wobei eine Verformung des Handgerätes eine Veränderung der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode und der zumindest einen Empfangselektrode bewirkt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein von einer Hand umgriffenes elektrisches Handgerät;
2a ein Ersatzschaltbild zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher nach einem Transmissionsverfahren und/oder Absorptionsverfahren betrieben wird;
2b ein Ersatzschaltbild zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher nach einem Loadingverfahren betrieben wird
3 den zeitlichen Verlauf der Amplitude eines an einer Empfangselektrode der erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoreinrichtung abgegriffenen Messsignals, in welchem die durch ein Drücken eines elektrischen Handgerätes mit einer Hand und die durch ein kurzzeitiges Anheben eines Fingers von dem Handgerät verursachten Kapazitätsänderungen eines kapazitiven Sensors sichtbar sind;
4 ein an einer Empfangselektrode eines kapazitiven Sensors abgegriffenes Signal, in welchem eine Anzahl von Peaks sichtbar sind, welche ein Drücken des elektrischen Handgerätes und/oder ein kurzzeitiges Anheben eines Fingers von dem Handgerät repräsentieren;
5a ein differenziertes Signal (Referenzsignal) eines an der Empfangselektrode bzw. der Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors abgegriffenen Messsignals mit zwei Schwellenwerten, sowie zwei von dem differenzierten Signal abgeleitete Digitalsignale (Detektionssignale);
5b ein hochpassgefiltertes Signal (Referenzsignal) eines an der Empfangselektrode bzw. der Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors abgegriffenen Messsignals mit zwei Schwellenwerten, sowie zwei von dem hochpassgefilterten Signal abgeleitete Digitalsignale (Detektionssignale);
6a ein tiefpassgefiltertes Signal eines an der Empfangselektrode bzw. der Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors abgegriffenen Messsignals;
6b ein Referenzsignal, welches aus der Differenz der in 6a gezeigten Signale gebildet wird; und
7 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitung zum Erzeugen eines Informationssignals gemäß dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein elektrisches Handgerät, beispielsweise ein Mobiltelefon G, welches von einer Hand umgriffen wird. Das Mobiltelefon weist einen kapazitiven Berührungssensor auf, mit welchem das Umgreifen des Handgerätes G detektiert werden kann. Der kapazitive Berührungssensor umfasst zumindest eine Empfangselektrode EE und zumindest eine Sendeelektrode SE. Die Sendeelektrode SE ist in dem in 1 gezeigten Mobiltelefon an der linken Seite, d. h., an der linken Seitenwandung des Mobiltelefons G angeordnet. Die Empfangselektrode EE ist an der rechten Seite, d. h., an der rechten Seitenwandung des Mobiltelefons G, angeordnet und wird in dem hier gezeigten Beispiel von den Fingern der Hand überdeckt.
Sobald das Mobiltelefon G von der Hand umgriffen wird, entsteht eine kapazitive Koppelung zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE.
Durch das Umgreifen kann auch eine zwischen den Elektroden SE und EE bestehende geringe kapazitive Koppelung verstärkt (Transmissionsverfahren, vgl. 2a) oder abgeschwächt (Absorptionsverfahren, vgl. 2a) werden. Die Sendeelektrode SE wird mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, welches bei Umgreifen des Mobiltelefons G über die Hand in die Empfangselektrode EE einkoppelt. Der an der Empfangselektrode EE über die Hand eingekoppelte Anteil des an der Sendeelektrode SE emittierten elektrischen Wechselfeldes bewirkt in der Empfangselektrode EE eine Änderung des elektrischen Stromes, welche von einer Auswerteeinrichtung detektierbar ist.
Die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE können auch derart an einem elektrischen Handgerät angeordnet sein, dass sie auch ohne ein Umgreifen durch eine Hand in eine kapazitive Koppelung bringbar sind. Das Handgerät kann etwa verformbar ausgestaltet sein, sodass ein festes Zusammendrücken des Handgerätes durch eine Hand zu einer vorübergehenden Verformung führt. Vorzugsweise sind die Sendeelektrode SE und die Empfangselektrode EE bei einem verformbaren Handgerät derart an diesem angeordnet, dass eine vorübergehende Verformung zu einer Änderung des Abstandes zwischen den beiden Elektroden SE und EE führt. Mit der Änderung des Abstandes geht auch eine Änderung der kapazitiven Koppelung zwischen den beiden Elektrode SE und EE einher, was in der Empfangselektrode EE wiederum eine Änderung des elektrischen Stromes bewirkt, welche von einer Auswerteeinrichtung detektierbar ist.
Ferner sind die Elektroden SE und EE derart an dem Handgerät G angeordnet bzw. derart relativ zueinander an dem Handgerät G angeordnet, dass eine Bewegung eines Fingers relativ zur Oberfläche des Handgerätes – auch wenn das Handgerät von einer Hand umgriffen wird – zu einer Änderung der kapazitiven Koppelung zwischen den beiden Elektrode SE und EE führt, welche wiederum von der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung detektierbar ist.
Der kapazitive Berührungssensor kann auch nur eine oder mehrere Sensorelektrode SE/EE (in 1 nicht gezeigt) aufweisen. Die Sensorelektrode SE/EE kann an der linken Seite, d. h., an der linken Seitenwandung des Mobiltelefons G, oder an der rechten Seite, d. h., an der rechten Seitenwandung des Mobiltelefons G, angeordnet sein. Die Sensorelektrode SE/EE kann aber auch an der Vorderseite oder an der Rückseite des Mobiltelefons G angeordnet sein.
Durch das Umgreifen des Mobiltelefons G, sodass die Sensorelektrode SE/EE zumindest teilweise von der Hand überdeckt wird, ändert sich die kapazitive Belastung (Loadingverfahren, vgl. 2b) zwischen der Sensorelektrode SE/EE und einer Bezugsmasse. Diese Änderung kann von der Auswerteeinrichtung detektiert werden.
Mit nur einer Sensorelektrode SE/EE kann im Wesentlichen eine Bewegung eines Fingers relativ zur Oberfläche des Handgerätes erfasst werden. Mit zumindest zwei Sensorelektroden SE/EE, welche im Wesentlichen an zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen des elektrischen Handgerätes angeordnet sind, kann auch ein Umgreifen des Handgerätes zuverlässig detektiert werden.
Damit ist es erstmals in vorteilhafter Weise möglich, eine Bedienung eines Handgerätes auf kapazitiver Basis zu detektieren auch wenn das Handgerät bereits von einer Hand umgriffen wird. Ermöglicht wird dies in erfindgemäßer Weise insbesondere durch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren, welches nachfolgend näher beschrieben wird.
2a zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors an einem Handgerät, welches von einer Hand umgriffen wird, und welcher nach dem Transmissionsverfahren bzw. Absorptionsverfahren arbeitet. Bei Umgreifen des Handgerätes G durch eine Hand ändert sich die Koppelkapazität zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE, welche hier als Koppelkapazität C1 zwischen der Sendeelektrode SE und der Hand und als Koppelkapazität C2 zwischen der Hand und der Empfangselektrode EE angegeben sind. Die Änderung der Koppelkapazität C1, C2 zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE kann als Änderung des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE gemessen bzw. detektiert werden. In Abhängigkeit von den konkreten Erdungsverhältnissen des kapazitiven Sensors führt eine Annäherung bzw. ein Umgreifen zu einer Reduzierung (Absorption) oder zu einer Erhöhung (Transmission) der kapazitiven Koppelung zwischen den Elektroden SE und EE.
Die Empfangselektrode EE und die Sendeelektrode SE sind jeweils mit einer Auswerteeinrichtung A gekoppelt. Die Auswerteeinrichtung A ist einerseits dazu vorgesehen, die Sendeelektrode SE mit einem elektrischen Wechselsignal zu beaufschlagen, damit an dieser ein elektrisches Wechselfeld emittiert werden kann, welches über die Hand in die Empfangselektrode EE eingekoppelt wird. Andererseits ist die Auswerteeinrichtung A auch dazu vorgesehen, ein an der Empfangselektrode EE abgegriffenes elektrisches Signal (Messsignal) auszuwerten, d. h., eine zeitliche Änderung des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE zu detektieren und auszuwerten.
Wird das durch die Hand umgriffene elektrische Handgerät fester gedrückt bzw. zusammengedrückt, ändert sich die Koppelkapazität C1, C2, was sich wiederum auf den Pegel des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE auswirkt. Wird mit der das Handgerät umgreifenden Hand ein schnelles Drücken des Handgerätes (schnelles Zusammendrücken des Handgerätes durch die Hand, sodass sich die Geometrie des Handgerätes – wenn auch nur geringfügig – ändert und/oder dass sich die kapazitive Koppelung zwischen den Elektroden und der Hand ändert) durchgeführt, führt dies zu einem sprunghaften Anstieg des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren detektiert bzw. ausgewertet werden kann. Ferner führt auch eine Bewegung (vorzugsweise ein Annähern an das Handgerät bzw. ein Entfernen von dem Handgerät) eines Fingers der das Handgerät G umgreifenden Hand relativ zur Oberfläche des Handgerätes zu einer Änderung, vorzugsweise zu einem sprunghaften Anstieg bzw. Abfall des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE.
Die zeitliche Änderung einer Koppelkapazität C1, C2 kann im Allgemeinen hervorgerufen werden durch Änderung des Abstandes, etwa eines Fingers zum Handgerät (auch wenn das Handgerät von der Hand umgriffen wird) und/oder durch Änderung der wirksamen Koppelfläche zwischen den Elektroden und etwa der Hand des Bedieners (wird das Handgerät fester gedrückt so vergrößert sich in der Regel auch die wirksamen Koppelfläche).
Konkret kann sich eine Änderung der Koppelkapazität C1, C2 etwa zwischen den folgenden Zuständen (zwischen dem Zustand (A) und dem Zustand (B)) ergeben (dies gilt auch für die Änderung der kapazitiven Belastung an der Sensorelektrode SE/EE nach dem Loadingverfahren, vgl. 2b):

– (A) Das Gerät liegt z. B. auf dem Tisch (B) Das Gerät wird mit der Hand gegriffen → Dies entspricht im Wesentlichen einer Abstandsänderung zwischen Hand und Gerät und wird nachfolgend auch als ”Grip” bezeichnet.
– (A) Das Gerät liegt auf der Hand (B) Das Gerät wird mit der Hand umfasst bzw. umgriffen → Dies entspricht im Wesentlichen einer Abstandsänderung zwischen Hand und Gerät
– (A) Das Gerät wird mit geringer Haltekraft umfasst (B) Das Gerät wird mit großer Haltekraft umfasst → Dies entspricht im Wesentlichen einer Flächenänderung der Berührflächen der Finger bzw. der Handfläche und wird im Folgenden als ”Squeeze” bezeichnet.
– (A) Das Gerät wird mit der Hand umfasst, wobei Daumen und/oder Finger auf der Geräteoberfläche aufliegen (B) Das Gerät wird mit der Hand umfasst, wobei Daumen und/oder ein oder mehrere Finger nicht auf der Geräteoberfläche aufliegen, d. h., Daumen und/oder ein oder mehrere Finger werden bewusst von der Geräteoberfläche abgehoben (entfernt) und/oder vorzugsweise schnell wieder auf die Geräteoberfläche aufgelegt → Dies entspricht im Wesentlichen einer Flächenänderung und/oder Abstandsänderung und wird im Folgenden auch als ”tap on grip” bezeichnet.

Bezüglich der Ausgangslage (Ruhelage) des Daumens bzw. der Finger kann unterschieden werden zwischen

– der Daumen/die Finger liegen auf der Geräteoberfläche auf
– der Daumen/die Finger liegen nicht auf der Geräteoberfläche auf.

Der Benutzer des Handgerätes kann bewusst zwischen den vorstehend genannten Zuständen wechseln und damit eine zeitliche Änderung der Koppelkapazität C1, C2 hervorrufen.
2b zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors an einem Handgerät, welches von einer Hand umgriffen wird, und welcher nach dem Loadingverfahren arbeitet.
Beim Betrieb des kapazitiven Sensors im Loadingverfahren ist nur eine Sensorelektrode SE/EE notwendig, welche sowohl eine Sendeelektrode als auch eine Empfangselektrode repräsentiert. An der Sensorelektrode SE/EE, welche auch als Loadingelektrode bezeichnet wird, wird eine elektrisches Wechselsignal beaufschlagt, sodass an ihr ein elektrisches Wechselfeld emittiert wird, wobei die kapazitive Belastung der Sensorelektrode SE/EE durch die Auswerteeinrichtung detektiert bzw. ausgewertet wird.
Im Loadingverfahren wird im Wesentlichen die kapazitive Belastung zwischen der Sensorelektrode SE/EE und einer Bezugsmasse des kapazitiven Sensors zur Detektion einer Annäherung bzw. eines Umgreifens herangezogen. Eine kapazitive Belastung bedeutet, dass die von der Sensorelektrode SE/EE zur Bezugsmasse wirkende Stärke eines elektrischen Feldes durch die Annäherung einer elektrisch leitfähigen Hand vergrößert wird und somit die Kapazität C1, C3 zwischen Sensorelektrode SE/EE und Bezugsmasse steigt. Die kapazitive Belastung ist also ein Maß für die von der Sensorelektrode SE/EE zur Bezugsmasse wirkende Stärke eines elektrischen Feldes bzw. ein Maß für die Kapazität C1, C3 zwischen Sensorelektrode SE/EE und Bezugsmasse.
An dem Handgerät können auch mehrere Sensorelektroden SE/EE bzw. Loadingelektroden angeordnet sein, wobei für jede Sensorelektrode SE/EE die kapazitive Belastung detektiert werden kann. Dadurch kann auf einfache Weise auch ein Umgreifen des Handgerätes durch eine Hand detektiert werden. In einer Ausgestaltung können eine erste Sensorelektrode SE/EE an der linken Gehäusewandung und eine zweite Sensorelektrode SE/EE an der rechten Gehäusewandung angeordnet sein.
Die Detektion bzw. die Auswertung der Änderung des elektrischen Stromes in der Empfangselektrode EE bzw. Sensorelektrode SE/EE wird nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 7 anhand der Sensoreinrichtung gemäß 2a näher beschrieben. Die Auswertung bzw. das Auswerteverfahren ist in entsprechender Weise auch für das mit Bezug auf 2b gezeigte Loadingverfahren anwendbar.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Amplitude eines an der Empfangselektrode EE abgegriffenen Messsignals S1, welches hier in digitalisierter Form gezeigt ist. Das Messsignal S1 weist zunächst einen Pegel auf, welcher indikativ dafür ist, dass das elektrische Handgerät von einer Hand umgriffen wird.
Wird das elektrische Handgerät nicht von einer Hand umgriffen kann das an der Empfangselektrode EE abgegriffene analoge Signal mit einer ersten Abtastrate digitalisiert werden. Beispielsweise kann das analoge Signal mit einer ersten Abtastrate von etwa 10 Hz digitalisiert bzw. abgetastet werden. Eine niedrige Abtastrate ist in vielen Fällen ausreichend, um ein Umgreifen des Handgerätes sicher zu detektieren. Die geringe erste Abtastrate kann beibehalten werden, solange sich das analoge Signal unterhalb eines vorbestimmten Signalpegels befindet, wobei ein Unterschreiten des vorbestimmten Signalpegels nicht durch ein Drücken des Handgerätes, wie vorstehend beschrieben, oder durch ein Entfernen bzw. Annähern eines Fingers verursacht wird.
Nachdem das elektrische Handgerät von der Hand umgriffen worden ist, bleibt der Signalpegel des Messsignals S1 etwa bis zum Zeitpunkt t = 33 im Wesentlichen konstant.
Etwa zwischen dem Zeitpunkt t = 33 und dem Zeitpunkt t = 34 sowie zwischen dem Zeitpunkt t = 34 und dem Zeitpunkt t = 35 wird von dem Benutzer des elektrischen Handgerätes jeweils ein schnelles Drücken (Squeeze) des Gerätes durchgeführt. Das schnelle Drücken führt jeweils zu einem sprunghaften Pegelanstieg, welcher in dem Messsignal S1 deutlich erkennbar ist.
Etwa zum Zeitpunkt t = 36 und zum Zeitpunkt t = 37 wird – das Handgerät wird noch immer von einer Hand umgriffen – ein Finger, etwa ein Daumen, welcher auf der Oberfläche des Handgerätes aufliegt, kurzzeitig vom Handgerät entfernt, was hier jeweils zu einem sprunghaften Pegelabfall des Messsignal S1 führt. Zwischen dem Zeitpunkt t = 39 und dem Zeitpunkt t = 40 wird in kurzen Abständen ein Finger, welcher auf der Oberfläche des Handgerätes aufliegt, kurzzeitig vom Handgerät entfernt, was wiederum zu einem sprunghaften Pegelabfall des Messsignal S1 führt. Die hier gezeigten sprunghaften Pegelabfälle können auch durch ein Annähern/Entfernen mehrerer Finger bewirkt werden.
Um eine schnelles Drücken des Gerätes bzw. ein schnelles Entfernen/Annähern eines Fingers sicher detektieren zu können ist es vorteilhaft, nach der Detektion des Umgreifens des Handgerätes durch eine Hand eine zweite Abtastrate zum Abtasten des Messsignals zu verwenden, welche größer ist als die erste Abtastrate zur Detektion des Umgreifens. Die zweite Abtastrate kann etwa 20 Hz bis 50 Hz betragen. Je nach konkreter Anforderung kann die zweite Abtastrate auch größer als 50 Hz sein.
Nach dem Loslassen des Handgerätes kann wieder die erste Abtastrate verwendet werden.
Sofern bereits die erste Abtastrate einen Wert aufweist, welcher auch für die Detektion eines schnellen Drückens bzw. eines schnellen Entfernens/Annäherns eines Fingers ausreichend ist, kann auf eine Änderung der Abtastrate verzichtet werden.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf eines an der Empfangselektrode EE abgegriffenen Messsignals S1. Nach Umgreifen des Handgerätes führt der Benutzer mehrere Eingaben durch schnelles kurzzeitiges Drücken des Gerätes G durch. Die schnellen Eingaben durch Drücken führen jeweils zu einem sprunghaften Pegelanstieg des Messsignals S1, welche hier als Peaks in dem Messsignal S1 erkennbar sind. Erkennbar ist hier auch ein Pegelanstieg zum Zeitpunkt t = 1, welcher allerdings kein schnelles kurzzeitiges Drücken des Handgerätes G repräsentiert, sondern vielmehr ein festes Drücken des Handgerätes über einen längeren Zeitraum. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung soll jedoch nur ein schnelles und kurzzeitiges Drücken des Handgerätes als Eingabe detektiert werden, sodass bei dem in 4 gezeigten Signalverlauf lediglich elf Benutzereingaben erkannt werden. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die Peaks in dem Messsignal S1 jeweils auch durch ein kurzzeitiges Entfernen/Annähern eine Fingers verursacht werden.
Hierzu ist es vorteilhaft, das an der Empfangselektrode EE abgegriffene Messsignal S1 zunächst zu digitalisieren und anschließend einer Frequenzanalyse bzw. einer Messsignal-Vorverarbeitung zu unterziehen.
Es kann vorteilhaft sein, das Messsignal vor der Auswertung zu verstärken. Ferner kann es vorteilhaft sein, nach der Detektion des Umgreifens das Messsignal so zu verstärken, dass sich das verstärkte Messsignal immer im Arbeitsbereich der Auswerteeinrichtung befindet, sodass das Messsignal bei einem sprunghaften Pegelanstieg nicht in die Begrenzung läuft, was zu einem ”Clipping” des Messsignals führen würde. Die Verstärkung während des Umgreifens kann auch dynamisch über die Zeit angepasst werden, um etwa auf verschiedene Umgebungsbedingungen reagieren zu können.
5a zeigt das differenzierte Signal (Referenzsignal S_REF) des in 3 gezeigten Messsignals S1, welches an der Empfangselektrode eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors abgegriffen worden ist. Durch die Differentiation des Messsignals S1 kann die Änderungsgeschwindigkeit des Messsignals ermittelt werden. Ferner wird durch die Differentiation bzw. das Ableiten des an der Empfangselektrode EE abgegriffenen Messsignals S1 erreicht, dass langsame Pegeländerungen, welche etwa durch ein langsames Annähern/Entfernen eines Fingers verursacht werden, nicht als Bedieneingabe erkannt werden. Ebenso wird erreicht, dass ein starkes Drücken des elektrischen Handgerätes über einen längeren Zeitraum ebenfalls nicht als Bedieneingabe detektiert wird.
Gezeigt sind in 5a (sowie in 5b und 6b, welche nachfolgend genauer beschrieben werden) ebenfalls ein oberer Schwellenwert UT und ein unterer Schwellenwert LT. Ein Überschreiten bzw. ein Unterschreiten der Schwellenwerte UT bzw. LT kann als Indiz dafür herangezogen werden, dass sich der Pegel des Messsignals S1 in einer vorbestimmten Mindestgeschwindigkeit geändert hat.
Ferner sind dem oberen Schwellenwert UT und dem unteren Schwellenwert LT ein (digitales, d. h. binäres) Detektionssignal S2.2 und S2.1 zugeordnet. Überschreitet das Referenzsignal S_REF den oberen Schwellenwert UT wird der Pegel des Detektionssignal S2.2 auf logisch HIGH gesetzt. Wird der obere Schwellenwert UT wieder unterschritten, dann wird der Pegel des Detektionssignal S2.2 wieder auf logisch LOW gesetzt. In ähnlich Weise wird auch das Detektionssignal S2.1 gebildet. Unterschreitet das Referenzsignal S_REF den unteren Schwellenwert LT wird der Pegel des Detektionssignal S2.1 auf logisch HIGH gesetzt. Wird der untere Schwellenwert LT wieder überschritten, dann wird der Pegel des Detektionssignal S2.1 wieder auf logisch LOW gesetzt. Selbstverständlich können die Zustände LOW und HIGH auch vertauscht werden. Das mit Bezug auf 5a beschriebene Erzeugen der Detektionssignale S2.1 und S2.2 gilt analog auch für die mit Bezug auf 5b und 6b gezeigten Detektionssignale S2.1 und S2.2.
Die Detektionssignale S2.1 und S2.2 können ausgewertet bzw. herangezogen werden um spezifische Gerätefunktionen auszulösen, wie mit Bezug auf 6b näher beschrieben wird.
Alternativ zur Differentiation des Messsignals S1 kann das Referenzsignal S_REF auch durch Hochpassfiltern des Messsignals erzeugt werden.
5b zeigt das hochpassgefilterte Signal (Referenzsignal S_REF) des in 3 gezeigten Messsignals S1, welches an der Empfangselektrode eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors abgegriffen worden ist. Vorzugsweise wird ein Hochpassfilter 1. Ordnung verwendet. Das Referenzsignal S_REF ist weitgehend identisch zu dem mittels Differentiation erzeugten Referenzsignal S_REF (siehe 5a). Gezeigt sind hier ebenfalls der obere Schwellenwert UT und der untere Schwellenwert LT sowie die Detektionssignale S2.1 und S2.2. Bezüglich der Schwellenwerte UT und LT sowie der Detektionssignale S2.1 und S2.2 wird auf die Beschreibung zu 5a verwiesen.
Mit Bezug auf 6a und 6b wird eine Alternative zu der in 5a und 5b gezeigten Messsignal-Vorverarbeitung gezeigt, bei der in einem ersten Schritt eine Tiefpassfilterung des in 3 gezeigten Messsignals S1 durchgeführt wird und in einem zweiten Schritt ein Referenzsignal S_REF aus dem Messsignal S1 und dem tiefpassgefilterten Messsignal erzeugt wird.
6a zeigt das in einem ersten Schritt erzeugte tiefpassgefilterte Signal S_TP des in 3 gezeigten Messsignals S1, welches an der Empfangselektrode EE eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors abgegriffen worden ist. Vorzugsweise wird ein Tiefpassfilter 1. Ordnung verwendet, wobei für die steigende und die abfallende Flanke des Messsignals unterschiedliche Zeitkonstanten verwendet werden können.
6b zeigt das Referenzsignal S_REF, welches aus dem Messsignal S1 und dem tiefpassgefilterten Messsignal S_TP erzeugt wird. Hierzu wird die Differenz zwischen dem Messsignal S1 und dem tiefpassgefilterten Messsignal S_TP ermittelt (d. h., S1 – S_TP). Die Differenz zwischen dem Messsignal S1 und dem tiefpassgefilterten Messsignal S_TP ist hierbei ein Maß für die Änderungshöhe.
Als Detektionskriterium werden – wie in 5a und 5b – auch hier ein oberer Schwellenwert UT und ein unterer Schwellenwert LT definiert, deren Überschreitung bzw. Unterschreitung zu einer Pegeländerung des jeweiligen Detektionssignals S2.1 bzw. S2.2 führt, wie mit Bezug auf 5a beschrieben.
Ferner sind ein oberer Grenzwert UL und ein unterer Grenzwert LL vorgesehen. Die Grenzwert UL und LL können beispielsweise vorgesehen sein um Ausreißer nach oben bzw. nach untern zu detektieren und ggf. herauszufiltern oder zumindest beim Erzeugen der entsprechenden Detektionssignale S2.1 bzw. S2.2 unberücksichtigt zu lassen. Ausreißer nach oben und/oder nach unten können etwa bei Messfehlern auftreten. Die Robustheit des Auswerteverfahren kann so verbessert werden. Ein unterer und ein oberer Grenzwert können auch für die mit Bezug auf 5a und 5b gezeigten Verfahren vorgesehen sein.
Bei allen hier gezeigten Verfahren können mehrere obere Schwellenwerte UT, mehrere untere Schwellenwerte LT, mehrere obere Grenzwerte UL sowie mehrere untere Grenzwerte LL vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, etwa eine langsame Annäherung eines Fingers von einer schnellen Annäherung eines Fingers zu unterscheiden, weil etwa bei geeigneter Wahl zweier oberer Schwellenwerte der niedrigere Schwellenwert in beiden Fällen überschritten wird, bei einer langsamen Annäherung allerdings der höhere der beiden Schwellenwerte nicht überschritten wird.
Ferner ist in 6b ein Beispiel für ein Informationssignal S3 gezeigt, welches auf Grundlage des Referenzsignals S_REF bzw. auf Grundlage der Detektionssignale S2.1 und/oder S2.2 erzeugt wird. Das (digitale bzw. binäre) Informationssignal S3 kann erzeugt werden, d. h., auf logisch HIGH gesetzt werden, wenn die Detektionssignale S2.1 und/oder S2.2 zumindest ein vorbestimmtes Informationskriterium erfüllen.
Beispiele für ein Informationskriterium:

a) Der zeitliche Abstand – zwischen den steigenden Flanken von zwei (aufeinanderfolgenden) Impulsen des ersten Detektionssignals S2.1, und/oder – zwischen den steigenden Flanken von zwei (aufeinanderfolgenden) Impulsen des zweiten Detektionssignals S2.2, und/oder – zwischen der steigenden Flanke eines Impulses des ersten Detektionssignals S2.1 und der steigenden Flanke eines Impulses des zweiten Detektionssignals S2.2 überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert.
b) Die Impuls-Dauer eines Impulses des ersten Detektionssignals S2.1 oder eines Impulses des zweiten Detektionssignals S2.2 überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert.
c) Innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes Δt₁ weist – das erste Detektionssignal S2.1, oder – das zweite Detektionssignal S2.2, oder – das erste Detektionssignal S2.1 und das zweite Detektionssignal S2.2 eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen auf.
d) Die Abfolge von Impulsen des ersten Detektionssignals S2.1 und des zweiten Detektionssignals S2.2 weist ein vorbestimmtes Muster auf.

Bei dem in 6b gezeigten Beispiel wird ein Informationssignal S3 erzeugt, wenn innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes Δt₁ in dem ersten Detektionssignal S2.1 und in dem zweiten Detektionssignal S2.2 jeweils zwei steigende Flanken detektiert werden.
Die Detektionssignale S2.1 und S2.2 können auch herangezogen werden um etwaige Fehler (Messfehler oder Bedienfehler) zu detektieren. So können etwa zwei zeitlich aufeinanderfolgende Impulse in dem ersten Detektionssignal S2.1 auf einen Messfehler hindeuten, wenn zwischen den beiden Impulsen nicht ein Impuls des zweiten Detektionssignal S2.2 detektiert wird.
Die vorstehend gezeigten Schwellenwerte UT und LT sowie die Grenzwerte UL und LL können über die Zeit dynamisch angepasst werden, um beispielsweise auf sich ändernde Umgebungsbedingungen zu reagieren. Die Schwellenwerte UT bzw. LT können auch zu dem Zweck angepasst werden, um ein lediglich leichtes oder relativ langsames Drücken des elektrischen Handgerätes G sowie eine relative langsame Annäherung/Entfernung eines Fingers nicht als Bedieneingabe zu detektieren.
Die Schwellenwerte UT und LT können auch aufgrund einer von dem Benutzer angeforderten „Test-Bedieneingabe” eingestellt werden, sodass die Schwellenwerte letztlich an die individuellen Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden können.
7 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitung zum Erzeugen eines Informationssignals gemäß dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren.
In einem ersten Schritt wird an der Elektrode (Empfangselektrode EE oder Sensorelektrode SE/EE) ein elektrisches Signal abgegriffen und einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) zugeführt, welcher ein digitales Messsignal zur Weiterverarbeitung bereitstellt. Das digitale Messsignal wird anschließend der eigentlichen Messsignal-Vorverarbeitung zugeführt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können an der Elektrode auch unterschiedliche elektrische Signale abgegriffen und dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden.
Beispielsweise können für den Betrieb der Sensoreinrichtung zwei Betriebsmodi vorgesehen sein. In einem ersten Betriebsmodus (Transmissionsverfahren) wird die kapazitive Koppelung (Transmission oder Absorption, vgl. 2a) zwischen der Sendeelektrode SE und der Empfangselektrode EE detektiert. Das der kapazitiven Koppelung zugeordnete Messsignal wird als Transmissionssignal S_T bezeichnet. In einem zweiten Betriebsmodus (Loadingverfahren) kann die Sendeelektrode SE und/oder die Empfangselektrode EE als Loadingelektrode SE/EE verwendet werden, wobei die kapazitive Belastung der Elektrode(n) detektiert (vgl. 2b) wird. Das der kapazitiven Belastung zugeordnete Messsignal wird als Loadingsignal S_L bezeichnet. Werden sowohl die Sendeelektrode SE als auch die Empfangselektrode EE jeweils als Loadingelektrode SE/EE betrieben, dann stehen zur weiteren Verarbeitung zwei Loadingsignale S_L1 und S_L2 zur Verfügung.
Ferner kann beispielsweise eine dritte Elektrode (in den Figuren nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche vorzugsweise benachbart zur Empfangselektrode EE angeordnet ist. Dabei kann in einem ersten Betriebsmodus die Sendeelektrode SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und die kapazitive Koppelung zwischen der Sendelektrode SE und der Empfangselektrode EE detektiert werden. Das der kapazitiven Koppelung zwischen der Sendelektrode SE und der Empfangselektrode EE zugeordnete Messsignal wird als erstes Transmissionssignal S_T1 bezeichnet. In dem zweiten Betriebsmodus kann die dritte Elektrode mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden und die kapazitive Koppelung zwischen der dritten Elektrode und der Empfangselektrode EE detektiert werden. Das der kapazitiven Koppelung zwischen der dritten Elektrode und der Empfangselektrode EE zugeordnete Messsignal wird als zweites Transmissionssignal S_T2 bezeichnet. Alternativ kann in dem zweiten Betriebsmodus auch die Sendeelektrode SE mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt werden, sodass in dem ersten Betriebsmodus nur die Sendeelektrode und in dem zweiten Betriebsmodus die Sendelektrode und die dritte Elektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt werden.
Aus den digitalen Messsignale S_T und S_L (bzw. S_L1, S_L2) bzw. S_T1 und S_T2 wird in einem in 7 nicht gezeigten Signalverarbeitungsschritt das der Messsignal-Vorverarbeitung zuzuführende Messsignal S1 erzeugt. Das Messsignals S1 kann durch Kombinieren der digitalen Messsignale erzeugt werden. In dem ersten der beiden vorstehend genannten Beispiele kann das digitale Messsignal S_T mit den digitale Messsignal S_L kombiniert werden, beispielsweise indem die Summe der Messsignale gebildet wird, wobei die digitalen Messsignale gewichtet werden können (z. B. A·S_T + B·S_L bzw. A·S_T + B·S_L1 + C·S_L2). Ebenso können auch die digitalen Messsignale S_T1 und S_T2 nach dem zweiten Beispiel miteinander kombiniert werden. Es kann auch die Differenz der gewichteten digitalen Messsignale gebildet werden. Weitere Varianten einer Kombination der digitalen Messsignale sind möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung können die digitalen Messsignale bevor sie miteinander kombiniert werden einer Vorverarbeitung unterzogen werden. Beispielsweise können die digitalen Messsignale einer Tiefpassfilterung unterzogen werden, bevor sie kombiniert werden.
Das so gebildete kombinierte Messsignal S1 bzw. das ursprüngliche Messsignals S1 (falls keine Kombination von Messsignalen erforderlich war) wird der Messsignal-Vorverarbeitung zugeführt.
Die Messsignal-Vorverarbeitung erfolgt wie mit Bezug auf 5a, 5b, 6a und 6b beschrieben. So kann etwa die Änderungshöhe des an der Elektrode abgegriffenen Signals (d. h. des kombinierten bzw. ursprünglichen Messsignals) ermittelt werden, wie mit Bezug auf 6a und 6b erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Änderungsgeschwindigkeit des an der Elektrode abgegriffenen Signals ermittelt werden, wie mit Bezug auf 5a und 5b beschrieben. Das Ergebnis der Messsignal-Vorverarbeitung sind ein oder mehrere Referenzsignale. Wird etwa sowohl die Änderungsgeschwindigkeit als auch die Änderungshöhe ermittelt, können zwei Referenzsignale erzeugt werden und für die weitere Auswertung herangezogen werden. Dadurch können etwa Detektionskriterien definiert werden, welche sowohl die Änderungsgeschwindigkeit als auch die Änderungshöhe berücksichtigen.
Das Ergebnis der Messsignal-Vorverarbeitung wird laufend überwacht bzw. ausgewertet. Ändert sich etwa die Höhe der Änderung in positiver Richtung kann überprüft werden, ob die Änderung den oberen Schwellenwert UT überschreitet oder nicht. Zudem kann geprüft, ob die Änderung den oberen Grenzwert UL überschreitet oder nicht. Liegt die Änderung im Bereich zwischen dem oberen Schwellenwert UT und dem oberen Grenzwert UL (Detektionskriterium 1) wird ein Detektionssignal S2.2 erzeugt. Dies gilt in analoger Weise auch für die Änderung der Höhe in negativer Richtung sowie für die Änderungen der Geschwindigkeit (Änderungsgeschwindigkeit).
Die so erzeugten Detektionssignale S2.1 und S2.2 werden anschließend einer Signalauswertung zugeführt, welche angepasst ist ein Informationssignal S3 zu erzeugen. Beim Erzeugen des Informationssignals S3 können die mit Bezug auf 6b genannten Informationskriterien herangezogen werden. Das Informationssignal S3 kann beispielsweise Informationen darüber enthalten, ob eine Einfach-, Doppel-, Dreifach- oder Mehrfach-Eingabe (z. B. Doppel-Klick mit einem Finger) vorgenommen wurde.
Das Informationssignal S3 kann schließlich zur weiteren Verarbeitung dem elektrischen Handgerät, etwa einem Mikrocontroller des Handgerätes zugeführt werden, um eine dem Informationssignal zugeordnete Gerätefunktion auszulösen.
Eine das erfindungsgemäße Auswerteverfahren implementierende Auswerteeinrichtung A kann zusammen mit zumindest einer Sendeelektrode SE und zumindest einer Empfangselektrode EE oder mit zumindest einer Loadingelektrode SE/EE in jedem elektrischen Handgerät vorgesehen sein, welches durch eine Hand umgriffen werden kann und bei welchen Benutzereingaben mittels Drücken, Loslassen und/oder Annäherung/Entfernen eines Fingers vorgesehen werden sollen.
Beispielsweise kann eine entsprechende das Auswerteverfahren implementierende Auswerteeinrichtung zusammen mit den Elektroden SE und EE oder mit zumindest einer Loadingelektrode SE/EE in einem Mobilfunkgerät, in einer Computermaus, in einer Fernbedienung oder in einer Eingabeeinrichtung für Spielekonsolen vorgesehen sein.
Die das Auswerteverfahren implementierende Auswerteeinrichtung A kann etwa als ASIC implementiert sein. Ferner kann das Auswerteverfahren auch in einem Mikrocontroller, etwa eines Mobiltelefons, implementiert sein, wobei der Mikrocontroller letztlich nur entsprechende Anschlüsse für die Elektroden SE und EE bzw. SE/EE vorsehen muss und ausgestaltet sein muss, um die analogen Sensorsignale einer Signalvorverarbeitung zu unterziehen bzw. zu digitalisieren. Der Mikrocontroller kann ein Mixed-Signal-Mikrocontroller sein. Für das Bereitstellen eines entsprechenden elektrischen Wechselsignals, welches an der Sendeelektrode SE bzw. an der Loadingelektrode SE/EE beaufschlagt wird, können die in einem Mikrocontroller vorhandenen Signalgeneratoren verwendet werden.
Einer detektierten Eingabe können unterschiedliche Gerätefunktionen zugeordnet werden. Beispielsweise kann einer Einfach-Eingabe eine Bestätigungsfunktion zugeordnet werden, einer Zweifach-Eingabe kann das Aufrufen des Telefonbuchs des Mobiltelefons zugeordnet werden.

Claims

Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor, welcher zumindest eine Sendeelektrode (SE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) umfasst, welche in eine kapazitive Kopplung bringbar sind, wobei die Sendeelektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, welches mit der Empfangselektrode detektiert werden kann, und wobei – an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) ein Messsignal (S1) abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode (SE) und der zumindest einen Empfangselektrode (EE) repräsentiert, – aus dem Messsignal (S1) ein Referenzsignal (S_REF) gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und – zumindest ein Detektionssignal (S2) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.
Auswerteverfahren für einen kapazitiven Berührungssensor, welcher zumindest eine Sensorelektrode (SE/EE) umfasst, wobei die Sensorelektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, und wobei – an der zumindest einen Sensorelektrode (SE/EE) ein Messsignal (S1) abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf einer kapazitiven Belastung zwischen der Sensorelektrode (SE/EE) und einer Bezugsmasse repräsentiert, – aus dem Messsignal (S1) ein Referenzsignal (S_REF) gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und – zumindest ein Detektionssignal (S2) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messsignal (S1) tiefpassgefiltert wird und wobei nach dem Tiefpassfiltern des Messsignals (S1) ein Differenzsignal zwischen dem Messsignal (S1) und dem tiefpassgefilterten Messsignal gebildet wird, wobei das Differenzsignal das Referenzsignal (S_REF) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bilden des Referenzsignals (S_REF) eines aus Differentiation des Messsignals (S1) und Hochpassfiltern des Messsignals (S1) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Detektionskriterium einen oberen Schwellenwert (UT) und/oder einen unteren Schwellenwert (LT) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Detektionskriterium einen oberen Grenzwert (UL) und/oder einen unteren Grenzwert (LL) umfaßt, wobei der obere Grenzwert (UL) oberhalb des oberen Schwellenwerts (UT) und der untere Grenzwert (LL) unterhalb des unteren Schwellenwerts (LT) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei ein erstes Detektionssignal (S2.1) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) unterhalb des unteren Schwellenwertes (LT) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein zweites Detektionssignal (S2.2) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) oberhalb des oberen Schwellenwertes (UT) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein erstes Detektionssignal (S2.1) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) unterhalb des unteren Schwellenwerts (LT) und oberhalb des unteren Grenzwerts (LL) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein zweites Detektionssignal (S2.2) erzeugt wird, wenn das Referenzsignal (S_REF) oberhalb des oberen Schwellenwerts (UT) und unterhalb des oberen Grenzwerts (UL) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das erste Detektionssignal (S2.1) und das zweite Detektionssignal (S2.2) digitale Signale sind und wobei ein Informationssignal (S3) erzeugt wird, wenn die Detektionssignale (S2.1, S2.2) zumindest ein Informationskriterium erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Informationskriterium zumindest eines aus – der zeitliche Abstand – zwischen den steigenden Flanken von zwei Impulsen des ersten Detektionssignals (S2.1), oder – zwischen den steigenden Flanken von zwei Impulsen des zweiten Detektionssignals (S2.2), oder – zwischen der steigenden Flanke eines Impulses des ersten Detektionssignals (S2.1) und der steigenden Flanke eines Impulses des zweiten Detektionssignals (S2.2) überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert, – die Impuls-Dauer eines Impulses des ersten Detektionssignals (S2.1) oder eines Impulses des zweiten Detektionssignals (S2.2) überschreitet oder unterschreitet einen vorbestimmten Wert, – innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes (Δt₁) weist das erste Detektionssignal (S2.1) oder das zweite Detektionssignal (S2.2) oder das erste Detektionssignal (S2.1) und das zweite Detektionssignal (S2.2) eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen auf, und – die Abfolge von Impulsen des ersten Detektionssignals (S2.1) und des zweiten Detektionssignals (S2.2) weist ein bestimmtes Muster auf, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Rückbezug auf Anspruch 1 die Koppelkapazität in einem Transmissionsverfahren oder in einem Absorptionsverfahren gemessen wird, und bei Rückbezug auf Anspruch 2 die kapazitive Belastung in einem Loadingverfahren gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messsignal (S1) mit einer vorbestimmten ersten Abtastrate abgetastet wird, wenn der Signalpegel des Messsignals (S1) unterhalb eines vorbestimmten Referenzpegels liegt, und wobei das Messsignal (S1) mit einer vorbestimmten zweiten Abtastrate abgetastet wird, wenn der Signalpegel des Messsignals (S1) oberhalb des vorbestimmten Referenzpegels liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei erste Abtastrate kleiner ist als die zweite Abtastrate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messsignal (S1) mit einer vorbestimmten ersten Verstärkung verstärkt wird, wenn der Signalpegel des Messsignals (S1) unterhalb eines vorbestimmten Referenzpegels liegt, und wobei das Messsignal (S1) mit einer vorbestimmten zweiten Verstärkung verstärkt wird, wenn der Signalpegel des Messsignals (S1) oberhalb des vorbestimmten Referenzpegels liegt, wobei die zweite Verstärkung so gewählt wird, dass sich das Messsignal (S1) immer im Arbeitsbereich des kapazitiven Berührungssensors befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Empfangselektrode (EE) oder an der Sensorelektrode (SE/EE) zumindest ein zweites Messsignal (S1b) abgegriffen wird, wobei vor dem Bilden des Referenzsignals (S_REF) das Messsignal (S1) und das zumindest eine zweite Messsignal (S1b) miteinander kombiniert werden, und wobei das Referenzsignal (S_REF) aus dem kombinierten Messsignal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Messsignale (S1; S1b) vor dem Kombinieren einer Signalvorverarbeitung unterzogen werden.
Auswerteeinrichtung für einen kapazitiven Berührungssensor zur Durchführung des Auswerteverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mit zumindest einer Sendeelektrode (SE) und zumindest einer Empfangselektrode (EE) oder mit zumindest einer Sensorelektrode (SE/EE) des kapazitiven Berührungssensors koppelbar ist, wobei die Sende- oder Sensorelektrode mit einem Wechselsignal der Auswerteeinrichtung beaufschlagt wird, um ein elektrisches Wechselfeld zu generieren, welches mit der Empfangs- oder Sensorelektrode detektiert werden kann, und wobei an der zumindest einen Empfangselektrode (EE) ein Messsignal (S1) abgegriffen wird, welches den zeitlichen Verlauf der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode (SE) und der zumindest einen Empfangselektrode (EE) repräsentiert, wobei die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist dass aus dem Messsignal (S1) ein Referenzsignal (S_REF) gebildet wird, wobei das Referenzsignal ein differenziertes Messsignal repräsentiert, und dass die Auswerteeinrichtung zumindest ein Detektionssignal (S2) erzeugt, wenn das Referenzsignal (S_REF) zumindest ein Detektionskriterium erfüllt.
Elektrisches Handgerät, an welchem zumindest eine Sendeelektrode (SE) und zumindest eine Empfangselektrode (EE) oder zumindest eine Sensorelektrode (SE/EE) angeordnet sind, welche mit einer Auswerteeinrichtung gemäß Anspruch 19 gekoppelt sind.
Elektrisches Handgerät nach Anspruch 20, welches zumindest eines aus Mobilfunkgerät, Fernbedienung, Eingabemittel für Spielekonsolen, tragbare Kleincomputer, Smartphone, Computermaus und Eingabemittel für Computer umfasst.
Elektrisches Handgerät nach Anspruch 20 oder 21, wobei das elektrische Handgerät verformbar ausgestaltet ist, wobei eine Verformung des Handgerätes eine Veränderung der Koppelkapazität zwischen der zumindest einen Sendeelektrode (SE) und der zumindest einen Empfangselektrode (EE) bewirkt.