DE102007049559B4 - Kapazitiver Positionssensor - Google Patents
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Abstract
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Die Erfindung betrifft kapazitive Positionssensoren und insbesondere betrifft die Erfindung kapazitive Positionssensoren zum Nachweis der Position eines Objektes entlang eines gekrümmten Pfades.
- Kapazitive Positionssensoren sind bei Mensch-Schnittstellen und auch zur Erfassung von Materialverlagerungen in Verbindung mit Steuerungen und Vorrichtungen, Mechanismen und Maschinen und dem Computerwesen einsetzbar.
- Kapazitive Positionssensoren im Allgemeinen werden in letzter Zeit als Mensch-Schnittstellen und zur Maschinensteuerung zunehmend gebräuchlich und akzeptiert. Im Bereich der Haushaltsgeräte ist es inzwischen ziemlich gebräuchlich, kapazitive Berührungssteuerungen zu finden, die durch Glas- oder Kunststoffkonsolen betreibbar sind. Diese Sensoren werden zunehmend durch die Schrift
US 6 452 514 B1 typisiert, welche einen Matrixsensoransatz beschreibt, der Ladungstransferprinzipien einsetzt. Elektrische Vorrichtungen, wie z. B. TV-Geräte, Waschmaschinen und Herde besitzen zunehmend kapazitive Sensorsteuerungen zum Einstellen verschiedener Parameter, z. B. der Lautstärke, der Zeit und der Temperatur. - Aufgrund der wachsenden Marktnachfrage nach kapazitiven Berührungssteuerungen gibt es einen wachsenden Bedarf für niedrigere Kosten pro Funktion sowie für eine größere Flexibilität in der Verwendung und Konfiguration. Es existiert eine beträchtliche Nachfrage nach neuen Mensch-Schnittstellen-Technologien, welche, zum richtigen Preis, die technischen Defizite elektromechanischer Steuerungen auf der einen Seite und die Kosten von Berührungsbildschirmen oder anderer Exoten überwinden können.
- Die
EP 1273851A2 offenbart eine Vorrichtung zur Anpassung von Temperatureinstellungen, Leistungseinstellungen oder anderer Parameter eines Kochgerätes. Die Vorrichtung umfasst einen Streifensensor, welcher linear, gekrümmt oder kreisförmig sein kann und ein kapazitiver Berührungssensor oder irgendeine andere Form eines Berührungssensors sein kann. Eine lineare Anzeige ist parallel zum Sensor angeordnet. Der kapazitive Berührungssensor ist auf die Berührung eines Fingers empfindlich und der Anzeigestreifen besteht aus mehreren Anzeigesegmenten, welche erleuchten, um die gegenwärtige Berührungssituation, wie sie durch eine Fingerberührung auf dem kapazitiven Berührungsbildschirm definiert wird, anzuzeigen. Eine vorbestimmte Kalibrierungskurve, die sich auf einen Parameter, der eingestellt werden soll, bezieht, wird auf dem Streifen abgebildet, wobei sich der Bereich von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert erstreckt. Der Minimalwert kann einem Aus-Zustand des Haushaltsgerätes entsprechen. Zusätzliche Betriebsmodi können dem Anpassungsstreifen zugeordnet sein, um dem Sensorstreifen neue Funktionen zuzuschreiben. Diese können durch eine Berührung der Anzeige für eine gewisse Zeit ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein erster zusätzlicher Modus durch Berührung für 5 Sekunden und ein zweiter zusätzlicher Modus durch Berührung für 10 Sekunden angewählt werden. Einer der zusätzlichen Betriebsmodi ist ein Zoom-Modus, welcher die Feinanpassung des Parameterwertes bereitstellt. Der Zoom-Betriebsmodus kann durch eine Kontaktzeit von zum Beispiel 10 Sekunden aktiviert werden. Im Zoom-Modus wird eine zusätzliche Digitalanzeige aktiviert, um den gegenwärtigen numerischen Wert des Parameters, der angepasst wird, anzuzeigen. Im Zoom-Modus wird nur ein Bruchteil (z. B. 10%) des ursprünglichen Anpassungsbereichs auf dem Anpassungsstreifen abgebildet, so dass die Bewegung eines Fingers über die vollständige Länge des Sensorstreifens von links nach rechts (oder rechts nach links) nur die gegenwärtige Einstellung des Parameterwertes erhöhen (reduzieren) wird, wodurch eine feinere Anpassung geschaffen wird. Während dieser Feinanpassung behält der Anzeigestreifen seine ursprüngliche Funktion als ein relativer Indikator des vollständigen Bereiches zwischen den Minimal- und Maximalwerten bei. - Allgemeiner sind lineare, gekrümmte und kreisförmige Sensorstreifen zur Anpassung von Herdeinstellungen seit vielen Jahren, wie zum Beispiel durch die
US 4 121 204 A (resistiver oder kapazitiver Sensor), dieDE19645907A1 (kapazitiver Sensor), dieDE19903300A1 (resistiver Sensor) und dieEP1602882A1 (optischer Sensor), bekannt. - Die
, dieWO2006/133976A1 und dieWO2007/006624A1 sind aktuellere Beispiele der Entwicklung von berührungsempfindlichen Steuerungsstreifen für Haushaltsgeräte, die kapazitive Sensoren verwenden. Diese drei Patentanmeldungen wurden vor dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung eingereicht, aber erst nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung publiziert. Insbesondere offenbaren dieWO2007/023067A1 und dieWO2006/133976A1 Sensoren mit einer Zoom-Funktion ähnlich zu der oben beschriebenenWO2007/023067A1 EP1273851A2 offen, welche zur Einstellung eines Timers verwendet wird. - Die
stellt einen Anpassungsstreifen mit zwei Betriebsmodi bereit. Im ersten Modus wird der volle Parameterwertbereich über dem Sensorstreifen abgebildet; z. B. 0 bis 99 Minuten in einer Timerfunktion. Wenn ein Anwender wünscht, den Timer auf 30 Minuten zu setzen, berührt er den Streifen ungefähr auf einem drittel Weg seiner Länge. Angenommen ein Parameterwert von 34 Minuten wird durch den kapazitiven Sensor erfasst und dem Anwender auf einer numerischen Anzeige angezeigt. Sobald der Initialwert eingestellt ist, wird die Wirkung der Berührung des Sensorfeldes automatisch in einen zweiten Modus gewechselt, in welchem der Parameterwert vom anfänglich ausgewählten Wert um einen Betrag, der von dem von dem Finger entlang dem Sensorstreifen zurückgelegten Abstand abhängt, fein reduziert (oder erhöht) wird. In dem Beispiel kann der Benutzer dann seinen Finger von rechts nach links gleiten lassen, um die Zeit von 34 Minuten auf die gewünschten 30 Minuten unter Verwendung der Anzeige zur visuellen Rückmeldung zu reduzieren. Auf diese Weise kann der Benutzer eine anfänglich grobe Anwahl des gewünschten Parameterwerts mit einer Zeige- und Berührungshandlung durchführen, und diese dann auf den exakten gewünschten Wert durch ein Fingergleiten verfeinern.WO2006/133976A1 - Die
stellt einen Anpassungsstreifen mit zwei Betriebsmodi bereit, welche zwischen der Abbildung des vollständigen Parameterwertbereichs über den Sensorstreifen und einem Teilbereich schalten, der ausgewählt wird, um den Unterbereich der Parameterwerte, zwischen welchen der Parameter am häufigsten durch den Benutzer eingestellt wird, zu zeigen. Das Beispiel einer Einstellung des Timers eines Herdes wird angeführt.WO2007/023067A1 - Während eine Zoom-Funktion nützlich ist, weisen Implementierungen der Zoom-Funktion des Standes der Technik in Bezug auf die Art und Weise, in welcher der Übergang vom vollständigen Bereichsmodus in den Zoom-Modus ausgeführt wird, Beschränkungen auf. In der
EP1273851A2 wird der Benutzer veranlasst, für eine gewisse Zeit zu warten, im speziellen Beispiel 10 Sekunden, bis der Übergang stattfindet. Auf der anderen Seite tritt der Übergang in der automatisch ein, sobald ein Wert aus dem vollständigen Bereich ausgewählt wird. Keiner der Übergangsmodi ist ideal, der erstere kann frustrierend langsam für den Benutzer sein und der letztere automatische Übergang zur Feinabstimmung ist für den Fall unerwünscht, dass die anfängliche Berührung einen Wert setzt, der deutlich von dem durch den Benutzer beabsichtigen Wert entfernt ist.WO2006/133976A1 -
DE 101 33 135 A1 offenbart eine Stelleinheit für Gargeräte, mit einem berührungsempfindlichen Stellstreifen, dessen Stellabschnitten Stellwerte oder Stellwertbereiche einer vorbestimmten Steilkurve zugeordnet oder wahlweise zuordenbar sind.
DE 10 2005 018 298 A1 offenbart eine Bedieneinrichtung mit einem länglichen Sensorelement, bei welchem durch entsprechende Auswertung der Ort eines Aufsetzens und eines Abhebens eines Fingers ermittelt werden kann. In einem ersten Betriebsmodus der Bedieneinrichtung werden punktartige Betätigungen erfasst, so dass an bestimmten Stellen des Sensorelementes bestimmte Bedienfunktionen ausgelöst werden können. In einem darauffolgenden zweiten Betriebsmodus ist eine aufgesetzte und längliche bzw. ziehende Betätigung vorgesehen, die sich über eine gewissen Länge des Sensorelementes erstreckt.DE 21 2004 000 044 U1 offenbart einen kapazitiven Positionssensor zum Detektieren der Position eines Objektes um einen gekrümmten Weg herum, umfassend ein Erfassungselement, eine Mehrzahl von wenigstens drei Anschlüssen, eine Mehrzahl von Erfassungskanälen, die mit jeweiligen Anschlüssen verbunden sind und einen Prozessor, der im Betrieb fähig ist zu bestimmen, über welchem Abschnitt das Objekt positioniert ist, und die Position des Objektes innerhalb dieses Abschnitts zu bestimmen.
DE 10 2005 002 952 A1 offenbart eine Hausgeräteeinstelleinheit mit wenigstens einem berührempfindlichen Gleitstreifen, gekennzeichnet durch wenigstens ein von einer Fingernut gebildetes Führungsmittel, innerhalb dessen der Gleitstreifen zumindest teilweise angeordnet ist.
DE 103 13 401 A1 offenbart einen näherungssensitiver Drehschalter, der aus einzelnen Sensorflächen besteht, die auf einem Substrat räumlich zueinander angeordnet sind und die über eine Auswerteelektronik miteinander verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorflächen in einer endlosen Reihe angeordnet sind.
offenbart einen Objektpositionsdetektor, der einen Berührungssensor umfasst, der als geschlossene Schleife ausgebildet ist und eine physikalische Beschränkung aufweist, die auf einer oberen Oberfläche des Berührungssensors ausgebildet ist und sich mit der geschlossenen Schleife koextensiv erstreckt. Der Berührungssensor ist so konfiguriert, dass er die Bewegung eines Objekts in der Nähe der geschlossenen Schleife erfasst. Der Objektpositionsdetektor umfasst auch einen Prozessor, der mit dem Berührungssensor gekoppelt ist und so programmiert ist, dass er eine Aktion als Reaktion auf die Bewegung auf dem Berührungssensor erzeugt.WO 03/088176 A1 - Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen verbesserten kapazitiven Positionssensor und ein verbessertes Verfahren für eine elektrische Einrichtung bereitzustellen, in welcher ein gewünschter Parameterwert effizienter und genauer ausgewählt werden kann.
- Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Zusammenfassung der Erfindung
- In einer Ausführungsform der Erfindung kann der kapazitive Sensor in einem ersten Modus und in einem zweiten Modus arbeiten. In einem ersten Modus kann ein Signal erzeugt werden, welches für die kapazitive Kopplung eines Objektes, zum Beispiel eines Benutzerfingers, mit dem Erfassungselement bezeichnend ist. Das Signal, das im ersten Modus erzeugt wird, kann eine ungefähre Position eines Objektes in Relation zu einem gewünschten Parameterwert, den der Benutzer wünscht, auszuwählen, bereitstellen. Ein Prozessor kann vorzugsweise bereitgestellt werden, um das Signal zu interpretieren und zu verarbeiten, um die ungefähre Position eines Objektes auf dem Erfassungselement zu bestimmen. Es ist bevorzugt, dass der kapazitive Sensor im ersten Betriebsmodus ein Signal erzeugen kann, das für eine kapazitive Kopplung bezeichnend ist, die durch das Bringen eines Objektes in die Nähe einer gewünschten Stelle auf dem Sensor oder durch eine Bewegungsverlagerung des Objektes in die Nähe des Erfassungselementes verursacht wird.
- In einer Ausführungsform der Erfindung kann der kapazitive Sensor in einen zweiten Betriebsmodus eintreten, wenn eine Bewegungsverlagerung des Objektes in die Nähe des Erfassungselementes während eines ersten Betriebsmodus einen minimalen Schwellenwert überschreitet. Zum Beispiel kann für ein Erfassungselement in der Form eines rotationskapazitiven Sensors der kapazitive Sensor in einen zweiten Betriebsmodus schalten, wenn ein Benutzer ein Objekt in der Nähe des Erfassungselementes während eines ersten Betriebsmodus über einen minimalen Schwellenwinkel in Relation zu einem ersten Berührungspunkt des Objektes auf dem Erfassungselement verlagert. Der minimale Schwellenwinkel kann durch einen Algorithmus bestimmt werden, der in einem Mikrocontroller programmiert ist, und der Schwellenwinkel kann auf verschiedene Werte, abhängend von der benötigten Empfindlichkeit und dem Parameter, welcher angepasst werden soll, gesetzt werden. In einer Ausführungsform kann der Schwellenwinkel auf 20 Grad eingestellt werden bevor der kapazitive Sensor vom ersten Modus in den zweiten Betriebsmodus schaltet. Ein ungefährer Parameterwert kann im ersten Modus erhalten werden und im zweiten Modus kann ein gewünschter Parameterwert ausgewählt werden.
- Im zweiten Betriebsmodus kann ein Objekt in die Nähe des Erfassungselements um einen vorbestimmten Schwellenwert, zum Beispiel 20 Grad, verlagert werden, um eine inkrementale Änderung des Parameterwerts zu bewirken und dadurch zu ermöglichen, dass ein gewünschter spezifischer Parameterwert ausgewählt wird. Vorteilhafterweise kann ein kapazitiver Sensor der Erfindung, der in einem ersten Modus betrieben wird, es ermöglichen, einen Parameterwert auszuwählen (welcher der gewünschte Wert sein kann, oder in der Nähe des gewünschten Wertes, den der Benutzer wünscht, auszuwählen, sein kann), und in einem zweiten Modus kann der Sensor eine inkrementale Erhöhung oder Erniedrigung des Parameterwertes, der im ersten Modus ausgewählt wurde, bewirken. Im zweiten Modus kann ein Parameterwert durch einen vorbestimmten Betrag, zum Beispiel ±1 Einheit, ±5 Einheiten oder ±10 Einheiten, der auf der Anzahl von Malen basiert, die ein Objekt auf dem Erfassungselement einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitend verlagert wird, erhöht oder erniedrigt werden. Deswegen kann der Schwellenwert einem Erhöhen oder Erniedrigen des Parameterwertes um z.B. ±1 Einheit entsprechen, und jedesmal, wenn der Schwellenwert erreicht wird (n mal), wird der Parameterwert um ±1 erhöht oder erniedrigt (n mal ±1).
- Erfindungsgemäß kann der kapazitive Sensor in einen zweiten Betriebsmodus durch effektives „Zooming-in“ auf einen engeren Bereich von Parameterwerten, verglichen mit dem Parameterbereich, der im ersten Modus angezeigt wird, eintreten, so dass ein Benutzer einen gewünschten Parameterwert genau auswählen kann. Der engere Bereich der Parameterwerte, der während des zweiten Modus gezeigt wird, wird durch den Parameterwert bestimmt, der im ersten Modus ausgewählt wird, zum Beispiel plus und minus 10 Einheiten vom Wert, der im ersten Modus ausgewählt wird. Im zweiten Betriebsmodus kann ein Objekt entlang des Erfassungselementes verlagert werden, um so den gewünschten Parameterwert auszuwählen.
- Vorzugsweise kann der Prozessor zur Bestimmung der Position eines Objektes in der Nähe des Erfassungselementes in einem ersten Betriebsmodus auch für die Bestimmung der Position eines Objektes in der Nähe des Erfassungselementes in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar sein.
- Deswegen kann in der Erfindung der kapazitive Sensor in einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein ungefährer Parameterwert ausgewählt werden kann, gefolgt von einem zweiten Betriebsmodus, in welchem ein spezifischer Parameterwert ausgewählt werden kann, arbeiten. Der Bereich der Parameterwerte, die dem kapazitiven Sensor zugeordnet werden (d. h. die Auflösung) kann bestimmen, ob ein gewünschter Parameterwert in dem ersten Betriebsmodus ausgewählt werden kann. Der zweite Betriebsmodus wird es ermöglichen, einem gewünschten Parameterwert genau auszuwählen, zum Beispiel entweder durch Zooming-in auf einen engeren Bereich von Parameterwerten um den Parameterwert herum, der im ersten Modus ausgewählt wurde, und durch Verlagern eines Objektes in die Nähe des Erfassungselementes, um den gewünschten Wert auszuwählen, oder durch Verlagern eines Objektes in der Nähe des Erfassungselementes, um einen vorbestimmten Schwellenwert zu überschreiten, um den Parameterwert, der im ersten Modus ausgewählt wurde, durch einen oder mehrere Inkremente zu ändern. Die Anzahl von Malen, die der Schwellenwert überschritten wird, kann die Anzahl von Malen bestimmen, die der Parameterwert erhöht oder erniedrigt wird.
- Ein kapazitiver Sensor der Erfindung kann in eine Steuerkonsole einer elektronischen Vorrichtung oder eines Apparates, zum Beispiel ein Herd, ein Mikrowellenofen, ein Fernseher, eine Waschmaschine, ein MP3-Player, ein Mobiltelefon oder ein anderes Multimediagerät aufgenommen werden. Ein großer Bereich von Parametern/Funktionen, wie zum Beispiel Temperatur, Lautstärke, Kontrast, Helligkeit oder Frequenz, kann durch den kapazitiven Sensor der Erfindung in Abhängigkeit von dem Typ der elektronischen Vorrichtung, in welche der kapazitive Sensor aufgenommen ist, gesteuert werden. Der Parameter oder die Funktion, welche gesteuert werden soll, kann vor dem Gebrauch des kapazitiven Sensors ausgewählt werden.
- Erfindungsgemäß hat der Sensor einen höheren Auflösungsgrad im zweiten Modus, um einem Benutzer zu erlauben, seinen Finger in der Nähe des Erfassungselementes zu bewegen, um einen spezifischen Parameterwert auszuwählen. Wenn das Erfassungselement von der Form einer geschlossenen Schleife ist, kann ein Benutzer in der Lage sein, im Uhrzeigersinn oder gegen der Uhrzeigersinn um das Erfassungselement zu scrollen, um den gewünschten Wert auszuwählen. Im zweiten Modus kann zum Beispiel eine 20 Grad Rotation mit einer Änderung des Parameterwertes um eine Einheit äquivalent sein. Der Rotationsbetrag, der von einem Objekt auf dem Erfassungselement benötigt wird, um eine inkrementelle Änderung von einem Parameterwert zu verursachen, kann abhängig von dem Parameter oder der Funktion, die gesteuert wird, variiert werden. Ein Steuerschaltkreis oder ein programmgesteuerter Mikroprozessor können verwendet werden, um den Grad der Rotation zu steuern, der benötigt wird, um eine Änderung in einem Parameterwert zu verursachen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Erfassungselement eine bogenförmige Form auf. Es ist besonders bevorzugt, dass das Erfassungselement in der Form einer geschlossenen Schleifen zur Verwendung in einem rotationskapazitiven Positionssensor ausgeführt ist. In einer Ausführungsform eines rotationskapazitiven Positionssensors kann ein Objekt entlang dem Erfassungselement des Sensors über eine Vielzahl von Umdrehungen bewegt werden und die Distanz, die von dem Objekt zurückgelegt wird, kann das Ausgangssignal bestimmen, welches durch den/die Erfassungskanal/kanäle erzeugt wird.
- Im ersten Betriebsmodus des kapazitiven Sensors kann die kapazitive Kopplung eines Objektes in der Nähe eines Erfassungselementes nachgewiesen werden, um eine ungefähre Position in Bezug auf einen Wertebereich für einen gegebenen Parameter anzugeben. Wenn ein Benutzer wünscht, unterschiedliche Positionsdaten zu erhalten, kann das Objekt aus der Nähe des Erfassungselements entfernt werden und dann wieder in die Nähe des Erfassungselements gebracht werden. Mit anderen Worten kann ein Benutzer den ersten Modus des Sensors einfach durch Wiederberührung des Erfassungselements neuerlich initiieren. Wenn der zweite Betriebsmodus initiiert ist, kann ein Benutzer das Erfassungselement scrollen, um einen spezifischen Wert eines bestimmten Parameters auszuwählen. Ein Ausgangssignal kann erzeugt werden, das für einen spezifischen Parameterwert bezeichnend ist, wenn ein Objekt an einer gewisse Position auf dem Erfassungselement seine Verlagerung einstellt. In einer Ausführungsform kann dann der erste Betriebsmodus wieder aktiviert werden, wenn ein Benutzer die Berührung des Erfassungselements in einem zweiten Modus löst und das Erfassungselement dann wieder berührt.
- In einer Ausführungsform der Erfindung kann der kapazitive Sensor weiterhin einen oder mehrere diskrete Erfassungsbereiche im Zentrumsbereich eines Rotationserfassungselements umfassen. Wenn vorzugsweise die Erfassungsbereiche im Zentrumsbereich des Erfassungselements eine kapazitive Kopplung mit einem Objekt erfassen, wird jedes Signal, das von dem Erfassungselement erzeugt wird, unter Verwendung der Adjacent Key Suppression™ Technologie, die in den früheren Schriften
US 6 993 607 B2 und des Anmelders beschrieben wurde und die beide in diese Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen werden, reduziert oder ausgeblendet („locked out“). Jedes Ausgangssignal von dem Rotationserfassungselement, das durch kapazitive Kopplung mit einem Objekt verursacht wird, kann auch ein Signal von den zentralen Erfassungsbereichen ausblenden.US 11/279,402 - Das Erfassungselement kann durch einen einzigen Widerstand ausgeführt sein, zum Beispiel kann es ein widerstandsfähiges Material umfassen, das auf einem Substrat abgeschieden ist, um ein kontinuierliches Muster zu bilden. Dies schafft ein leicht herzustellendes, widerstandsfähiges, Erfassungselement, welches auf einem Substrat in irgendeinem Muster einer Menge von Mustern abgeschieden werden kann. Alternativ kann das Erfassungselement aus einer Vielzahl von diskreten Widerständen gefertigt sein. Die diskreten Widerstände können alternierend mit einer Vielzahl von leitenden Erfassungsplatten in Reihe geschaltet sein, wobei die Erfassungsplatten eine erhöhte kapazitive Kopplung zwischen dem Objekt und dem widerstandsfähigen Erfassungselement bereitstellen. Dies schafft ein widerstandsbehaftetes Erfassungselement, welches aus ab Lager weithin verfügbaren Gegenständen hergestellt werden kann. Der Offenbarungsgehalt der
wird in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift durch Bezugnahme als ein Beispiel des Kapazitätsmessschaltkreises, welcher hier verwendet werden kann, aufgenommen. Alternativ kann ein widerstandsloses Erfassungselement ähnlich zu jenem, das in derWO2005/019766 US 4 264 903 A beschrieben ist, verwendet werden, um den kapazitiven Sensor der Erfindung zu bilden. - Das widerstandsbehaftete Erfassungselement kann einen im wesentlichen konstanten Widerstand pro Einheitslänge aufweisen. Dies stellt einen kapazitiven Positionssensor mit einem einfachen, gleichförmigen Ansprechverhalten bereit. Wo höhere Positionsauflösung benötigt wird und/oder wenn ein relativ langes, widerstandsbehaftetes Erfassungselement verwendet wird, kann das widerstandsbehaftete Erfassungselement eine Vielzahl von Anschlüssen enthalten.
- Das nachzuweisende Objekt kann ein Zeiger, beispielsweise ein Finger oder ein Stift sein, der von einem Benutzer frei positioniert werden kann. In alternativer Weise kann das Objekt eine Nocke sein, die in der Nähe des widerstandsbehafteten Erfassungselements gehalten wird, wobei die Position der Nocke entlang dem widerstandsbehafteten Erfassungselement von dem kapazitiven Positionssensor nachgewiesen bzw. detektiert wird. Die Position der Nocke kann durch einen Benutzer beispielsweise durch Drehen eines Rotationsknopfes justiert werden oder kann mit einer Welle gekoppelt sein, die von einer verbundenen Apparatur angetrieben wird, sodass der kapazitive Positionssensor als ein Encoder wirken kann.
- Weitere Ziele von einigen Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, einen Sensor mit einer hohen Zuverlässigkeit, einer abgedichteten Oberfläche, einem niedrigen Leistungsverbrauch, einem einfachen Design, einer einfachen Herstellung und der Fähigkeit, mit Standard-Logik oder -Mikrocontrollern zu arbeiten, zu schaffen.
- In der
US 6 466 036 B1 lehrt der Anmelder einen kapazitiven Feldsensor, der eine einzelne Kopplungsplatte einsetzt, um eine Änderung der Kapazität gegenüber Masse nachzuweisen. Diese Vorrichtung umfasst einen Schaltkreis, der wiederholte Lade-dann-Transfer oder Lade-plus-Transfer Zyklen unter Verwendung üblicher integrierter CMOS Push-Pull-Treiber-Schaltungen einsetzt. Diese Technologie bildet die Basis einiger Ausführungsformen der Erfindung und wird durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen. - Nun folgen einige Definitionen. „Element“ bezieht sich auf das physikalische elektrische Erfassungselement, das aus leitfähigen Substanzen hergestellt ist. „Elektrode“ bezieht sich auf einen der galvanischen Verbindungspunkte mit dem Element, um es mit geeigneten Treiber-/Sensor-Elektroniken zu verbinden. Die Begriffe „Objekt“ und „Finger“ werden synonym in Bezug auf entweder ein unbelebtes Objekt wie beispielsweise eine Nocke oder einen Zeiger oder einen Stift oder in alternativer Weise in Bezug auf einen menschlichen Finger oder einen anderen Fortsatz verwendet, wobei jegliches Vorhandensein derselben benachbart dem Element eine lokalisierte kapazitive Kopplung von einem Bereich des Elements über jeglichen weitschweifigen Pfad, ob galvanisch oder nicht galvanisch, zurück zu einer Schaltkreisreferenz schafft. Der Begriff „Berührung“ umfasst entweder einen physikalischen Kontakt zwischen einem Objekt und dem Element oder eine Nähe im freien Raum zwischen dem Objekt und dem Element oder einen physikalischen Kontakt zwischen dem Objekt und einem Dielektrikum (wie beispielsweise Glas), das zwischen dem Objekt und dem Element existiert, oder eine Nähe im freien Raum, der eine zwischenliegende Schicht eines zwischen dem Objekt und dem Element existierenden Dielektrikums enthält. Die Begriffe „Kreis“ oder „kreisförmig“ beziehen sich auf jeden Ellipsoid, jedes Trapezoid oder eine andere geschlossene Schleife beliebiger Größe und Umrissform mit einem offen Mittenabschnitt.
- Figurenliste
- Die Erfindung wird nachfolgend lediglich in beispielhafter Weise mit Bezugnahme auf die Ausführungsformen, die in den Zeichnungen gezeigt und beschrieben werden, beschrieben.
-
1 zeigt ein Steuerpanel einer Vorrichtung, die einen Rotationskapazitätssensor enthält, wobei der Sensor in einem ersten Betriebsmodus verwendet wird. -
2A zeigt den in einem zweiten Betriebsmodus verwendeten kapazitiven Sensor der1 , wobei der Benutzer im Gegenuhrzeigersinn um den Sensor herum scrollt. -
2B zeigt den in einem zweiten Betriebsmodus verwendeten kapazitiven Sensor der1 , wobei der Benutzer im Uhrzeigersinn um den Sensor herum scrollt. -
3 zeigt ein Steuerpanel einer Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, in welcher ein Rotationskapazitätssensor in einem ersten Betriebsmodus verwendet wird. -
4 zeigt den in einem zweiten Betriebsmodus verwendeten kapazitiven Sensor der3 . - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
1 zeigt einen Teil eines Steuerpanels50 mit einem kapazitiven Sensor60 und einer digitalen Ableseanzeige70 . Das Steuerpanel50 kann in einem elektronischen Gerät wie beispielsweise einem Ofen, einem Mikrowellenherd, einer Waschmaschine, einer Gefrierkombination, einem Fernseher, einem MP3-Player, einem Mobiltelefon oder dergleichen eingebaut sein. Der Parameter oder die Funktion, die durch den kapazitiven Sensor gesteuert werden soll, hängt von dem Typ des elektrischen Gerätes ab, in das der kapazitiven Sensor eingebaut ist. Parameter wie Lautstärke, Temperatur, Betriebsprogramm, Helligkeit, Kontrast sind einige Beispiele von Funktionen, die durch den kapazitiven Sensor der Erfindung gesteuert werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Parameter, der gesteuert werden soll, aus einer vorbestimmten Liste von Parametern ausgewählt werden, sodass der Benutzer vorzugsweise verschiedene Parameter auf dem elektrischen Gerät oder der Vorrichtung einstellen bzw. anpassen kann. Der in1 gezeigte kapazitive Sensor60 wird eingestellt, um die Kochtemperatur eines Mikrowellenofens oder eines Herds zu steuern. - Der kapazitive Sensor
60 umfasst ein Rotationserfassungselement100 zum Nachweis einer kapazitiven Kopplung mit einem Objekt, typischerweise einem Finger des Benutzers. Eine Flüssigkristallanzeige (LCD)75 (oder eine andere bekannte Anzeige) ist in dem Steuerpanel50 ausgebildet, um die Temperaturskala um das Erfassungselement zu beleuchten. Die Temperaturskala reicht von 0 bis 300 Grad Celsius. Der kapazitive Sensor60 ist in einem ersten Betriebsmodus dargestellt, in dem der Finger des Benutzers verwendet wird, um eine Kochtemperatur zu wählen. Ein Finger80 des Benutzers ist in der Nähe eines Abschnitts des Erfassungselements100 gezeigt, welches eine Temperatur von 175 Grad Celsius (°C) entspricht, die auf der digitalen Ableseanzeige70 angezeigt ist. Die gewählte Temperatur von 175°C kann die vom Benutzer geforderte gewünschte Temperatur sein, jedoch wird in den meisten Fällen die in dem ersten Betriebsmodus gewählte Temperatur eine Temperatur nahe der tatsächlich von dem Benutzer geforderten Temperatur angeben. Ein Benutzer kann das Erfassungselement100 des Sensors neuerlich berühren, um den ersten Betriebsmodus zu reaktivieren und eine unterschiedliche Temperatur auszuwählen. Die Empfindlichkeit des Sensors kann bestimmen, wie nahe die in dem ersten Modus ausgewählte Temperatur der von dem Benutzer nachgesuchten gewünschten Temperatur ist. - Bezugnehmend auf die
2A und2B ist der kapazitive Sensor in einem zweiten Betriebsmodus dargestellt. Der kapazitive Sensor tritt automatisch in den zweiten Betriebsmodus ein, nachdem eine Temperatur in dem ersten Betriebsmodus ausgewählt wurde. In dem zweiten Modus ist ein Benutzer in der Lage, die in dem ersten Modus gewählte Temperatur um ein vorbestimmtes Inkrement zu erhöhen oder zu erniedrigen. Das Ändern der Temperatur um ein gegebenes Inkrement hängt von dem seinen Finger in der Nähe des Erfassungselementes um einen vorbestimmten Schwellenwertwinkel verlagernden Benutzer ab. Das in den2A und2B gezeigte Ausführungsbeispiel benötigt eine Rotation um 20° (d.h. der Schwellenwertwinkel ist 20°) um eine Temperaturänderung von ±1°C zu bewirken. - Wie in
2A gezeigt hat der Benutzer seinen Finger in der Nähe des Erfassungselementes100 im Gegenuhrzeigersinn verlagert, um die in dem ersten Modus gewählte Temperatur von 175°C zu erniedrigen. Der Benutzer hat seinen Finger um 40° (d.h. 2× mal den Schwellenwertwinkel) von dem ersten Berührungspunkt in dem ersten Betriebsmodus bewegt, um eine Temperaturerniedrigung um 2°C auf 173°C (dargestellt durch den Pfeil C) zu bewirken. Wie in2B gezeigt, hat der Benutzer im ersten Betriebsmodus seinen Finger von dem ersten Berührungspunkt um 40° im Uhrzeigersinn bewegt, um eine Temperaturerhöhung um 2°C auf 177°C (Pfeil D) zu verursachen. Vorzugsweise ermöglicht der kapazitive Sensor in dem zweiten Betriebsmodus einem Benutzer, eine gewünschte Temperatur genau anzuwählen. Die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors in dem zweiten Betriebsmodus ist typischerweise feiner als jene in dem ersten Betriebsmodus. Der Schwellenwertwinkel kann neu einstellbar sein und wird typischerweise von einem Programm bestimmt, das in einem Mikrocontroller gespeichert ist. - Wie in den
2A und2B dargestellt ist in dem zweiten Betriebsmodus eine + und eine - Indikatoranzeige92 oberhalb des kapazitiven Sensors60 vorhanden, um dem Benutzer anzuzeigen, dass die Temperatur um 1 Einheit(en) erhöht oder vermindert werden kann. Die digitale Anzeige70 zeigt die Temperatur wie sie von dem Benutzer geändert wird. Die die Temperaturskala in dem ersten Modus anzeigende LCD75 ist während des zweiten Betriebsmodus nicht länger hervorgehoben bzw. erleuchtet. - Die
3 zeigt ein Rotationserfassungselement20 eines kapazitiven Positionssensors10 , der die Erfindung verkörpert. Der kapazitive Sensor10 ist in einem Steuerpanel eines Herdes eingebaut. Der in1 gezeigte kapazitive Sensor10 wird verwendet, um eine gewünschte Kochtemperatur anzuwählen, obwohl der Sensor auch verwendet werden kann, um jedweden bestimmten Parameterwert basierend auf dem verwendeten elektrischen Gerät anzuwählen. Der Sensor in1 ist in einem ersten Betriebsmodus gezeigt. Der Finger30 eines Benutzers nähert sich dem Rotationserfassungselement20 und ist in dem Bereich zwischen 150 bis 200°C kapazitiv mit dem Erfassungselement gekoppelt. Auf der digitalen Anzeige70 wird eine Temperatur von 175°C angezeigt. Der erste Betriebsmodus des Sensors ermöglicht es dem Benutzer, eine ungefähre Kochtemperatur auszuwählen. Das Rotationserfassungselement20 kann einen Durchmesser von etwa 2 Inches aufweisen, was es für einen Benutzer vor der Erfindung schwer machen kann, eine bestimmte Temperatur genau anzuwählen. - Der kapazitive Sensor
10 tritt automatisch in den zweiten Betriebsmodus über, nachdem wie in4 dargestellt, eine Temperatur in dem ersten Betriebsmodus angewählt wurde. Wie in4 gezeigt wird die Temperaturskala um das Erfassungselement20 geändert oder neu eingestellt, um den Temperaturbereich in dem im ersten Betriebsmodus bestimmten kapazitiv gekoppelten Bereich zu expandieren. Der Benutzer kann nun eine gewünschte Temperatur für das Kochen auswählen, indem er seinen Finger im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn um das Erfassungselement herum scrollt, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist, in diesem Fall 180°C, wie dies auf der digitale Anzeige70 angezeigt ist. Die in4 dargestellte Temperaturskala stellt lediglich ein Beispiel dar, wie der kapazitive Sensor programmiert sein kann, um in einen vorbestimmten Temperaturbereich hinein zu zoomen. In dem zweiten Betriebsmodus kann die Anzahl der Rotationsgrade, die benötigt werden um eine Temperaturänderung um ein bestimmtes Inkrement zu bewirken, eingestellt bzw. justiert werden. Die ausgewählte Temperatur kann auf einer analogen oder digitalen Ableseanzeige dargestellt werden, die, wie beispielsweise die digitale Anzeige70 , in dem Steuerpanel ausgebildet ist. - Obgleich die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, können viele Modifikationen und Änderungen ausgeführt werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass sämtliche dieser Modifikationen und Änderungen als innerhalb dem Geist und dem Umfang der Erfindung liegend betrachtet werden.
Claims (21)
- Kapazitiver Positionssensor (10; 60) zur Einstellung eines Parameters oder einer Funktion auf einen gewünschten Wert in einem Bereich von Parameter- oder Funktionswerten durch Bestimmung der Position eines Objektes (30; 80) auf einem kapazitiven Positionssensor, wobei der kapazitive Positionssensor umfasst: ein Erfassungselement (20; 100), das einen Erfassungspfad umfasst; wenigstens einen Anschluss, der mit dem Erfassungselement verbunden ist; wenigstens einen Erfassungskanal, der mit dem wenigstens einen Anschluss verbunden ist, wobei der Erfassungskanal betreibbar ist, ein Signal zu erzeugen, das für die Kapazität zwischen dem Anschluss und einer Systemmasse bezeichnend ist; Mittel zur Bestimmung einer Position eines Objektes auf dem Erfassungselement; und Mittel zur weiteren Verfeinerung der Position des Objektes entsprechend einem Wert in dem Parameterbereich von Werten; einen Prozessor, der betreibbar ist, das Signal zu interpretieren und zu verarbeiten, um die ungefähre Position eines Objektes (30; 80) auf dem Erfassungspfad zu bestimmen, wobei der Prozessor konfiguriert ist, einen ersten Modus des kapazitiven Positionssensors bereitzustellen, in welchem der Bereich der Parameter- oder Funktionswerte auf den Erfassungspfad abgebildet wird und in welchem der Parameter oder die Funktion durch eine Berührung des Erfassungspfades an einem ersten Punkt auf ungefähr den gewünschten Wert eingestellt werden kann, und einen zweiten Modus bereitzustellen, in welchem die Verschiebung eines Objektes auf dem Erfassungselement den Parameter oder die Funktion von dem Wert, der im ersten Modus anfänglich gesetzt wurde, anpasst, gekennzeichnet durch der Prozessor, der konfiguriert ist, in Reaktion auf die kapazitive Kopplung, die durch eine Bewegungsverlagerung eines Objektes entlang dem Erfassungspfad in Bezug zu dem ersten Berührungspunkt verursacht wird, vom ersten Modus in den zweiten Modus zu schalten, wobei der Prozessor verlangt, dass die Bewegungsverlagerung einen minimalen Schwellenwert überschreitet, um eine Änderung des Betriebsmodus des Sensors von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu initiieren.
- Sensor nach
Anspruch 1 , wobei der Erfassungspfad in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist. - Sensor nach
Anspruch 1 , wobei der minimale Schwellenwert vorbestimmt ist und der Prozessor konfigurierbar ist, den minimalen Schwellenwert in Abhängigkeit von der geforderten Empfindlichkeit und dem Parameter oder der Funktion, die angepasst wird, auf unterschiedliche Werte einzustellen. - Sensor nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei der Prozessor in dem zweiten Betriebsmodus eine inkrementale Änderung des Parameter- oder Funktionswerts bewirkt, wenn erfasst wird, dass sich das Objekt über eine vorbestimmte Schwellenwert-Verlagerung entlang dem Erfassungspfad bewegt hat. - Sensor nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei der Prozessor in dem zweiten Betriebsmodus den Parameter- oder Funktionswert um eine Anzahl von Einheiten ändert, die auf der Anzahl von Malen der Erfassung basiert, dass die Objektverlagerung entlang dem Erfassungspfad die vorbestimmte Schwellenwertverlagerung überschritten hat. - Sensor nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei der Prozessor in einem zweiten Betriebsmodus einen engeren Unterbereich des Bereichs von Parameter- oder Funktionswerten auf den Erfassungspfad um den im ersten Betriebsmodus anfänglich eingestellten Parameter- oder Funktionswert abbildet. - Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessor ferner derart ausgelegt ist, dass der erste Betriebsmodus aktiviert wird, wenn in dem zweiten Betriebsmodus ein Lösen der Berührung von dem Erfassungselement gefolgt von einem anschließenden Wiederberühren des Erfassungselements erfasst wird.
- Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der von dem kapazitiven Positionssensor gesteuerte Parameter oder die von dem kapazitiven Positionssensor gesteuerte Funktion ausgewählt wird aus der Gruppe: Temperatur, Lautstärke, Kontrast, Helligkeit und Frequenz.
- Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessor ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass der zu steuernde Parameter oder die zu steuernde Funktion vor dem Gebrauch des kapazitiven Positionssensors ausgewählt wird.
- Steuerpanel eines elektronischen Gerätes, das einen kapazitiven Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
- Elektronisches Gerät mit einem Steuerpanel, das einen kapazitiven Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
- Elektronisches Gerät nach
Anspruch 11 , das aus der Gruppe ausgewählt ist: ein Herd, ein Mikrowellenherd, ein Fernseher, eine Waschmaschine, ein MP-Spieler, ein Mobiltelefon und ein Multimedia-Gerät. - Verfahren zur Einstellung eines Parameters oder einer Funktion auf einen gewünschten Wert in einem Bereich von Parameter- oder Funktionswerten durch Bestimmung der Position eines Objektes (30; 80) auf einem kapazitiven Positionssensor (10; 60), wobei der kapazitive Positionssensor umfasst: ein Erfassungselement (20; 100), das einen Erfassungspfad umfasst; wenigstens einen Anschluss, der mit dem Erfassungselement verbunden ist; wenigstens einen Erfassungskanal, der mit dem wenigstens einen Anschluss verbunden ist, wobei der Erfassungskanal betreibbar ist, ein Signal zu erzeugen, das für die Kapazität zwischen dem Anschluss und der Systemmasse bezeichnend ist; Mittel zur Bestimmung einer Position eines Objektes auf dem Erfassungselement; und Mittel zur weiteren Verfeinerung der Position des Objektes entsprechend einem Wert in dem Parameterbereich von Werten oder Funktionswerten; wobei das Verfahren umfasst: in einem ersten Modus des kapazitiven Positionssensors, in welchem der Bereich der Parameter- oder Funktionswerte auf den Erfassungspfad abgebildet wird, das Bringen eines Objektes (30; 80) in die Nähe des Erfassungselementes an einen ersten Punkt, um so eine Position des Objektes zu bestimmen und dadurch anfänglich den Parameter oder die Funktion auf ungefähr den gewünschten Wert einzustellen; im zweiten Modus das Verlagern des Objektes auf dem Erfassungselement, um den Parameter oder die Funktion von dem anfänglich eingestellten Wert auf den gewünschten Wert anzupassen; und das Verarbeiten des Signals, um den ausgewählten Parameter- oder Funktionswert zu bestimmen, gekennzeichnet durch das Initiieren eines Wechsels des Modus des Sensors von dem ersten Modus in einen zweiten Modus in Reaktion auf die kapazitive Kopplung, die durch eine Bewegungsverlagerung des Objektes entlang dem Erfassungspfad in Bezug zu dem ersten Berührungspunkt des Objektes auf dem Erfassungselement verursacht wird, wobei verlangt wird, dass die Bewegungsverlagerung einen minimalen Schwellenwert überschreitet, um eine Änderung des Betriebsmodus des Sensors von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu initiieren.
- Verfahren nach
Anspruch 13 , wobei der Erfassungspfad in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist. - Verfahren nach
Anspruch 13 , wobei der minimale Schwellenwert vorbestimmt und in Abhängigkeit von der geforderten Empfindlichkeit und dem Parameter oder der Funktion, die angepasst wird, auf unterschiedliche Werte einstellbar ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis15 , wobei in dem zweiten Betriebsmodus eine inkrementale Änderung des Parameter- oder Funktionswerts dadurch hervorgerufen wird, dass sich das Objekt über eine vorbestimmte Schwellenwert-Verlagerung entlang dem Erfassungspfad bewegt hat. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis16 , wobei in dem zweiten Betriebsmodus der Parameter- oder Funktionswert um eine Anzahl von Einheiten geändert wird, die auf der Anzahl von Malen basiert, die die Objektverlagerung entlang dem Erfassungspfad die vorbestimmte Schwellenwertverlagerung überschreitet. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis15 , wobei in einem zweiten Betriebsmodus ein engerer Unterbereich des Bereichs von Parameter- oder Funktionswerten auf den Erfassungspfad um den im ersten Betriebsmodus anfänglich eingestellten Parameter- oder Funktionswert abgebildet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis18 , wobei ein Lösen der Berührung von dem Erfassungselement in dem zweiten Betriebsmodus gefolgt von einem anschließenden Wiederberühren des Erfassungselements bewirkt, dass der erste Betriebsmodus wieder aktiviert wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis19 , wobei der von dem kapazitiven Positionssensor gesteuerte Parameter oder die von dem kapazitiven Positionssensor gesteuerte Funktion ausgewählt wird aus der Gruppe: Temperatur, Lautstärke, Kontrast, Helligkeit und Frequenz. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis20 , wobei der zu steuernde Parameter oder die zu steuernde Funktion vor dem Gebrauch des kapazitiven Positionssensors auswählbar ist.
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Representative=s name: GRUENECKER PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTG MB, DE Effective date: 20130130 Representative=s name: GRUENECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & SCHWANHAEUS, DE Effective date: 20130130 |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE P, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: NEODRON LTD., IE Free format text: FORMER OWNER: ATMEL CORP., SAN JOSE, CALIF., US |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE P, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE |
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| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R026 | Opposition filed against patent | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
| R452 | Opposition proceedings concluded by decision of the patent division/the federal patent court | ||
| R453 | Decision of the patent division/the federal patent court on the conclusion of the opposition proceedings has become final |