DE19856408A1

DE19856408A1 - Capacitive sensor system for contactless keyboards. sensor arrangements, sensor surfaces and/or contact sensitive display systems operable through electrically non-conducting material based on variable time constants or delay times

Info

Publication number: DE19856408A1
Application number: DE19856408A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kuipers; Axel Schnell; Andreas Trenkler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2000-06-08

Abstract

In one method a capacitive base sensor (Cs), (e.g. tactile key) sets the time constant of an active or passive integrator (1). Depending on the output voltage of the base sensor a comparator (4) delivers a positive or negative constant voltage to the integrator input. A capacitor (2) compensates for parasitic stray capacitances (3). An alternative method is based on the use of a delay line with the base sensor setting the delay time

Description

Die Erfindung betrifft Sensorsysteme und Tastatursysteme die berührungslos durch elektrisch nichtleitende Medien hindurch arbeiten bzw. bedient werden können und berührungssensitive Anzeigesysteme sowie Sensorflächen. Sie können z. B. als PC-Eingabegeräte, Codeschlösser, Steuerungen, Wähltastaturen, Türklingel- und Signalanlagen, Schaltersysteme, Sensoren zur Positionserfassung wie z. B. Abstands- und Pegelstandssensoren usw. eingesetzt werden.The invention relates to sensor systems and keyboard systems non-contact through electrically non-conductive media work or can be operated and touch sensitive Display systems and sensor areas. You can e.g. B. as PC input devices, code locks, controls, dialing keyboards, Door bell and signal systems, switch systems, sensors for Position detection such as B. Distance and level sensors etc. are used.

State of the art

Aus der Patentanmeldung DE 43 12 672: "Vorrichtung und Ver fahren eines berührungslosen mauskompatiblen PC-Zeigereingabegerätes" ist ein berührungsloses, mauskompa tibles PC-Zeigereingabegerät mit einem kapazitiven Basissen sorprinzip bekannt.From patent application DE 43 12 672: "Device and Ver driving a non-contact mouse compatible PC pointer input device "is a non-contact, mouse-compatible tibles PC pointer input device with a capacitive base principle known.

Auch aus der Patentanmeldung DE 195 12 150: "Eingabegerät sowie Berührungsbildschirm" ist ein Berührungsbildschirm mit einem kapazitiven Basissensorprinzip bekannt.Also from patent application DE 195 12 150: "input device as well as touch screen "is a touch screen with known a capacitive basic sensor principle.

Die bekannten Geräte besitzen relativ große Sensorflächen und aufwendige Auswerteelektronikschaltungen. Durch im Vergleich zur Nutzkapazität große parasitäre Kapazitäten ist zudem bei diesen Systemen die Empfindlichkeit gering. Dadurch sind große Sensorflächen erforderlich, welche für einen Einsatz als Tastatursysteme z. B. im Informations- und Kommunikations bereich wenig geeignet sind.The known devices have relatively large sensor areas and elaborate electronic evaluation circuits. By comparison large parasitic capacities are also part of the useful capacity the sensitivity of these systems is low. Thereby large sensor areas required for use as keyboard systems e.g. B. in information and communication area are not very suitable.

Object of the invention

Ausgehend vom Stand der Technik ist die Aufgabe der Erfin dung, mit geringem Aufwand, vandalismussichere, kostengünsti ge und verschleißfreie Sensorsysteme, Tastatursysteme und/oder berührungs- bzw. annäherungssensitive Anzeigesysteme sowie Flächen zu realisieren, welche, bei geringen geometri schen Abmessungen sowie maximaler Empfindlichkeit und Zuver lässigkeit, die oben angegebenen Vorteile des erfindungsgemä ßen Tastatursystems nutzen. Eine weitere Aufgabe der Erfin dung ist die Realisierung von Sensorsystemen, Tastatursyste men, kapazitiven Abstandssensoren, Positionssenoren, Sensor flächen, Füllstandssensoren, Sensoren für Fluideigenschaften, Sensoren für Sauerstoffkonzentration usw. über die Messung von Signallaufzeiten oder Signallaufzeitdifferenzen.Based on the state of the art, the task of the Erfin dung, with little effort, vandal-proof, inexpensive ge and wear-free sensor systems, keyboard systems and / or touch or proximity sensitive display systems as well as realizing areas which, with low geometri dimensions as well as maximum sensitivity and reliability nonchalance, the advantages of the invention use the keyboard system. Another task of the Erfin is the implementation of sensor systems, keyboard systems capacitive distance sensors, position sensors, sensor surfaces, level sensors, sensors for fluid properties, Sensors for oxygen concentration etc. about the measurement of signal transit times or signal transit time differences.

Examples

Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfin dung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:Various embodiments of the invention are described below dung with reference to the accompanying drawings explains:

Fig. 1 zeigt eine möglichen Ausführung der Sensorelektronik mit dem kapazitiven Basissensor als zeitkonstantenbestimmen des Element eines aktiven oder passiven Integrators (1), der negativen Kompensationskapazitätsschaltung (2) zur Kompensa tion parasitärer Streukapazitäten (3) und einem Komparator schalter (4) über den abwechselnd, abhängig von der Ausgangs spannung des zeitkonstantenbestimmenden Elementes eines aktiven oder passiven Integrators (1), eine positive oder negative Konstantspannung an den Eingang des aktiven oder passiven Integrators (1) geschaltet wird. Fig. 1 shows a possible embodiment of the sensor electronics with the capacitive base sensor as time constant determination of the element of an active or passive integrator ( 1 ), the negative compensation capacitance circuit ( 2 ) for compensating parasitic stray capacitances ( 3 ) and a comparator switch ( 4 ) alternately , depending on the output voltage of the time constant determining element of an active or passive integrator ( 1 ), a positive or negative constant voltage is connected to the input of the active or passive integrator ( 1 ).

Fig. 2a zeigt die beschriftete Vorderseite eines möglichen Tastatursystems mit den angedeuteten Tasten (5) am Beispiel einer Wähltastatur. Fig. 2b zeigt eine mögliche Ausführung der kapazitiven Basissensoren mit den Elektrodenanordnungen (6). Fig. 2a shows the labeled front of a possible keyboard system with the indicated keys ( 5 ) using the example of a dialing keyboard. FIG. 2b shows a possible embodiment of the capacitive-based sensors with the electrode assemblies (6).

Fig. 3 zeigt eine mögliche geometrische Anordnung der Aus werteelektronik mit dem kapazitiven Basissensor als zeitkon stantenbestimmendes Element eines aktiven oder passiven Integrators (1). Die Anordnung besteht aus dem nichtleitenden Material (7), den geometrischen Elektrodenanordnungen der kapazitiven Basissensoren (6) auf dem Basismaterial (8), auf dessen Rückseite die Sensorelektronik (9) angeordnet ist, die wiederum über elektrische Verbindungen (10), vorzugsweise FPC (flexible printed circuit) oder Flachbandleitungen, mit einer Auswerteelektronik (11) verbunden sind, wobei die Komponenten der Auswerteelektronik (11) denen der Sensorelektronik (9) zugewendet sind und der entstehende Zwischenraum (12) mit einem elektrisch nichtleitenden Material gefüllt ist. Auf der Rückseite der Auswerteelektronik (11) befindet sich der Anschluß des Tastatursystems (13). Fig. 3 shows a possible geometric arrangement of the evaluation electronics with the capacitive base sensor as a time constant element of an active or passive integrator ( 1 ). The arrangement consists of the non-conductive material ( 7 ), the geometric electrode arrangements of the capacitive base sensors ( 6 ) on the base material ( 8 ), on the back of which the sensor electronics ( 9 ) are arranged, which in turn are connected via electrical connections ( 10 ), preferably FPC ( flexible printed circuit) or ribbon cables, are connected to evaluation electronics ( 11 ), the components of the evaluation electronics ( 11 ) facing those of the sensor electronics ( 9 ) and the resulting space ( 12 ) being filled with an electrically non-conductive material. The connection of the keyboard system ( 13 ) is located on the back of the evaluation electronics ( 11 ).

Fig. 4 zeigt eine andere erfindungsgemäße Art einer Sen sorelektronik mit dem kapazitiven Basissensor C_s (14) und den Teilinduktivitäten L/2 (15) als laufzeitbestimmendes Element einer Schaltungsanordnung nach dem physikalischen Prinzip einer Ketten-, Verzögerungs- oder Laufzeitleitung. Wird keiner der Basissensoren C_s (14) (z. B. Taster) betätigt, ist die Verzögerungszeit eines Anregungsimpulses in jedem Ket tenelement (22) gleich groß. An den einzelnen Abgriffen (16) für die Tasten T₁ bis T_n (T₀ bezeichnet die Einspeisung) werden bei sprungförmiger Anregung die in Fig. 4 shows another type of sensor electronics according to the invention with the capacitive base sensor C _s ( 14 ) and the partial inductors L / 2 ( 15 ) as a delay-determining element of a circuit arrangement according to the physical principle of a chain, delay or delay line. If none of the base sensors C _s ( 14 ) (e.g. push button) is actuated, the delay time of an excitation pulse in each chain element ( 22 ) is the same. At the individual taps ( 16 ) for the keys T ₁ to T _n (T ₀ denotes the infeed), the in

Fig. 5 gezeigten Sprungantworten (17) gemessen. Bei Auslö sung einer Taste (z. B. durch Annäherung des Bedienerfingers oder eines Tastenelementes) wird die Verzögerungszeit des entsprechenden Kettenelementes (22) vergrößert. Diese Vergrö ßerung der Verzögerungszeit wird über eine geeignete Elektro nikschaltung ausgewertet. Fig. 5 jump responses shown ( 17 ) measured. When a key is triggered (e.g. by moving the operator finger or a key element closer), the delay time of the corresponding chain element ( 22 ) is increased. This increase in the delay time is evaluated using a suitable electronic circuit.

Fig. 6 zeigt die Sprungantworten (17) bei Betätigung der neunten Taste. Die Anregung dieses erfindungsgemäßen Tasta tursystems kann sprungförmig, impulsförmig oder auch stöcha stisch, vorzugsweise als digitales Pseudorauschsignal, als analoges Signal oder als Kombinationen hiervon erfolgen, wobei entsprechend Fig. 6 shows the step responses ( 17 ) when the ninth key is pressed. The excitation of this keyboard system according to the invention can take place in the form of a jump, pulse or stoichi, preferably as a digital pseudo-noise signal, as an analog signal or as a combination thereof, in which case

Fig. 7 eine Stromeinspeisung (18) und/oder eine Spannungs speisung, (19) wie in Fig. 4 dargestellt, möglich ist. Zur Vermeidung von Reflexionen ist die Kettenleitung als diskre tisierte Form der Laufzeitleitung ein- und ausgangsseitig mit der Wellenimpedanz Z₀ (20) abgeschlossen:
Fig. 7, a current feed ( 18 ) and / or a voltage feed ( 19 ) as shown in Fig. 4, is possible. To avoid reflections, the chain line as a discretionary form of the delay line is terminated on the input and output sides with the wave impedance Z ₀ ( 20 ):

dabei ist L die Induktivität eines Tastensensors und C_s0 dessen Kapazität bei Nichtbetätigung.L is the inductance of a key _sensor and C _{s0 is} the capacitance when _{not actuated} .

Fig. 8 zeigt eine gebufferte, durch Trennverstärker (21) entkoppelte Kettenleitung. Über die Buffer wird die Dämpfung der Kettenglieder kompensiert. Damit wird die maximale Anzahl der möglichen Tasten vergrößert und Reflexionen vermieden. Die Verzögerungszeit T der einzelnen Kettenglieder ist:
Fig. 8 shows a buffered chain line decoupled by isolating amplifiers ( 21 ). The damping of the chain links is compensated via the buffers. This increases the maximum number of possible buttons and prevents reflections. The delay time T of the individual chain links is:

Fig. 9a) zeigt einen möglichen, flächig realisierten Teil vierpol (22) der in Fig. 6 beschriebenen Kettenleitung, bestehend aus einer Platine oder einer flexiblen Folie mit elektrischen Leiterbahnen FPC (flexible printed circuit), realisiert durch eine meanderförmige Leiterbahnstruktur (23). Sie realisiert durch ihren äußeren Umriß sowohl die zur Ausbildung der Sensorkapazität notwendige Fläche als auch durch ihre Struktur die erforderlichen Teilinduktivitäten. Fig. 9a) shows a possible, four-pole part ( 22 ) of the chain line described in Fig. 6, consisting of a circuit board or a flexible film with electrical conductor tracks FPC (flexible printed circuit), realized by a meandering conductor track structure ( 23 ). With its external outline, it realizes both the area required for the formation of the sensor capacitance and the structure of the necessary partial inductances.

Fig. 9b) zeigt einen möglichen, flächig realisierten Teil vierpol der in Fig. 6 beschriebenen Kettenleitung, bestehend aus einer Platine oder flexiblen Folie, realisiert durch eine spiralförmige Leiterbahnstruktur (24). Beide Strukturen können erfindungsgemäß zur Erhöhung der Induktivität mit einem ferromagnetischen Material (25) versehen werden. Das ferromagnetische Material (25) kann als Beschichtung, als Ferritfolie vorzugsweise als FPC (ferrite polymer comosite), als Blech oder Vollmaterial eingesetzt werden. FIG. 9b) shows a possible, four-pole part of the chain line described in FIG. 6, consisting of a circuit board or flexible film, implemented by a spiral conductor track structure ( 24 ). According to the invention, both structures can be provided with a ferromagnetic material ( 25 ) to increase the inductance. The ferromagnetic material ( 25 ) can be used as a coating, as a ferrite foil, preferably as an FPC (ferrite polymer composite), as sheet metal or solid material.

Fig. 10 zeigt die aus Teilvierpolen (T-Gliedern) (22) gemäß Fig. 9a) oder b) aufgebaute Kettenleitung mit Kapazitäten gegen Erdpotential, sowie den Abgriffen (16), welche zur Auslösedetektion der Einzelsensoren dienen. Die zu messenden Laufzeiten bzw. Laufzeitdifferenzen liegen im Nano- bis Mikrosekundenbereich. Die Messung soll vorzugsweise weitest gehend in digitaler Form mit Hilfe einer digitalen Hardware erfolgen. Eine erfindungsgemäße Signalverarbeitung bei geeig neter Impulsanregung der Kettenleitung zeigt Fig. 11 angege ben. FIG. 10 shows the chain line made up of partial four-terminal poles (T-links) ( 22 ) according to FIG. 9a) or b) with capacities against ground potential, as well as the taps ( 16 ) which are used for triggering detection of the individual sensors. The runtimes or runtime differences to be measured are in the nano to microsecond range. The measurement should preferably be carried out largely in digital form using digital hardware. A signal processing according to the invention with a suitable pulse excitation of the chain line is shown in FIG. 11.

Fig. 11 zeigt eine Signalverarbeitung für Impulsanregung mittels einen schnellen OR-Verknüpfung (26) und einem nach geschalteten schnellen Schieberegister (27). Die schnelle OR- Verknüpfung kann über high-speed OR-Bausteine, eine schnelle wired OR-Verknüpfung oder über eine einfache optische Ver knüpfung realisiert werden. Der Eingangstakt des Schieberegi sters wird vorzugsweise über einen Phasenregelkreis (PLL) (phase locked loop) (28) synchron zu der Eingangsimpulsfolge erzeugt. Das parallele Ausgangssignal (29) des Schieberegi sters mit der darin enthaltenen Information von gegebenen falls betätigten Tasten kann direkt von einem Microcontroller (30) und/oder einem Prioritätsencoder ausgewertet werden. Mit Hilfe des Microcontrollers (30) kann das Tastatursystem mit einer geeigneten Schnittstelle, vorzugsweise einer Bus schnittstelle, ausgestattet werden. Fig. 11 shows a signal processing for pulse excitation by means of a fast OR-link (26) and a quick-connected to shift register (27). The fast OR link can be implemented using high-speed OR modules, a fast wired OR link or a simple optical link. The input clock of the shift register is preferably generated via a phase locked loop (PLL) (phase locked loop) ( 28 ) in synchronism with the input pulse train. The parallel output signal ( 29 ) of the shift register with the information contained therein, if any, actuated keys, can be evaluated directly by a microcontroller ( 30 ) and / or a priority encoder. With the help of the microcontroller ( 30 ), the keyboard system can be equipped with a suitable interface, preferably a bus interface.

Fig. 12a) zeigt eine erfindungsgemäße Signalvorverarbeitung bei Sprunganregung. Über schnelle EX-OR Schaltgatter (31) werden jeweils zwei aufeinanderfolgende Abgriffe T₀, T₁; T₂, T₃; T₄, T₅; T_n-1, T_n miteinander verknüpft und mit einer nachge schalteten OR-Verknüpfung (32) zu einer Impulsfolge zusammen gefaßt. FIG. 12a) shows a signal pre-processing according to the invention at step command. Via fast EX-OR gate circuit (31) are two consecutive taps T _0, T _1; T ₂ , T ₃ ; T ₄ , T ₅ ; T _n-1 , T _n linked together and combined with a downstream OR link ( 32 ) to form a pulse train.

Fig. 12b) zeigt ein dazugehöriges Impulsdiagramm bei sprungförmiger Systemanregung. Die Weiterverarbeitung kann ebenso wie im vorhergehenden Abschnitt erfolgen. Im Teildia gramm I, sind die sprungförmige Systemanregung sowie die sukzessiv folgenden Sprungantworten an den einzelnen Abgrif fen bei Aktivierung des fünften Sensors abgebildet. Die Impulsfolge im Teildiagramm II, ist das vom Phasenregelkreis PLL (phase locked loop) (28) erzeugte synchrone Taktsignal (clock). Das Signal im Teildiagramm III, Fig. 12b) zeigt das von der Signalvorverarbeitung gemäß Fig. 12b) shows an associated pulse diagram in the case of a step system excitation. Further processing can be carried out as in the previous section. In sub-diagram I, the jump-like system excitation and the successive jump responses at the individual taps are shown when the fifth sensor is activated. The pulse sequence in partial diagram II is the synchronous clock signal generated by the phase locked loop PLL (phase locked loop) ( 28 ). The signal in partial diagram III, FIG. 12b) shows that from the signal preprocessing according to

Fig. 12a) seriell in schnelle Schieberegister (27) geschrie bene Bitmuster Q₀ . . . Q_n (29) zur auswertenden parallelen Weiterverarbeitung. FIG. 12a) serially geschrie in fast shift register (27) bit pattern surrounded _Q0. . . Q _n ( 29 ) for evaluating parallel processing.

Die Periodendauer T des Anregungssignals muß so gewählt werden, daß die bei n realisierten Sensoren entstehende maxi male Gruppenlaufzeit n.t_g (t_g ist die Gruppenlaufzeit eines Kettengliedes oder Basissensors) innerhalb k.T des Anregungs signals liegt (k symbolisiert das Tastverhältnis), da sonst keine eindeutige Zuordnung der einzelnen Sensoren zu den Sprungantworten möglich ist.The period T of the excitation signal must be selected so that the maximum group runtime nt _g (t _g is the group runtime of a chain link or basic sensor) that occurs with n sensors is within kT of the excitation signal (k symbolizes the duty cycle), otherwise no clear one Assignment of the individual sensors to the step responses is possible.

Fig. 13 zeigt die Ausgangssignale der digitalen Signalvor verarbeitung gemäß Fig. 12a) bei sechs hintereinandergeschal teten Basissensoren (Tastensensoren) gemäß Fig. 10). In den Diagrammen Fig. 13 12a) for six hintereinandergeschal ended based sensors according shows the output signals of the digital signal pre processing according to FIG. (Key sensors) Fig. 10). In the diagrams

Fig. 13a) bis Fig. 13f) stellt der jeweils obere Teil die einzelnen Signale an den Abgriffen T₁ bis T₆, der jeweils untere Teil die Ausgangssignale der Signalvorverarbeitung nach Fig. 12a) dar. FIG. 13a) to FIG. 13f), the respective upper part of the individual signals at the taps T ₁ to T _6, the respective lower part of the outputs of the signal preprocessing of Fig. 12a). In

Fig. 13a) zeigt die beschriebenen Signalverläufe wobei kein Sensor aktiviert wurde. FIG. 13a) shows the waveforms described wherein no sensor has been activated.

Fig. 13b) stellt die beiden Signalverläufe bei Aktivierung des ersten Sensors dar. Fig. 13c) zeigt die beschriebenen Signalverläufe bei Aktivierung des zweiten Sensors. Die Fig. 13d) bis 13f) zeigen die Signalverläufe bei jeweili ger Aktivierung eines weiteren Sensors. Fig. 13b), the two waveforms on activation of the first sensor. Fig. 13c) shows the waveforms described with activation of the second sensor. The Fig. 13d) to 13f) show the waveforms at jeweili ger activation of a further sensor.

Eine alternative Sensorsignalvorverarbeitung ist die Mes sung der Laufzeit und gegebenenfalls der Amplitude eines reflektierten Impulses. Diese Art der Auswertung wird auch bei den nachfolgenden Sensorkonzepten eingesetzt. An alternative sensor signal preprocessing is the measurement solution of the transit time and possibly the amplitude of a reflected impulse. This type of evaluation will also used in the following sensor concepts.

Fig. 14) zeigt einen erfindungsgemäßen Streifensensor wobei keine diskreten Abgriffe vorhanden sind und die Laufzeit und gegebenenfalls zusätzlich die Amplitude eines reflektierten Impulses gemessen wird. In Fig. 14a) ist die Seitenansicht dargestellt. Das Sensorelement kann wiederum vorzugsweise als FPC (flexible printed circuit) realisiert werden. Zum Schutz vor direkter Kontaktierung durch leitende Medien ist die Anordnung beidseitig elektrisch nichtleitend abgedeckt oder in ein isolierendes Material (33) vorzugsweise aus Kunststoff eingefaßt. Zur Erhöhung der Induktivität und damit auch der Laufzeit kann erfindungsgemäß ein ferromagnetischen Material (25) aufgebracht werden. Das ferromagnetische Material (25) kann wiederum als Beschichtung, als Ferritfolie, als Blech oder Vollmaterial realisiert sein. Fig. 14b) zeigt die Draufsicht der beschriebenen Sensorstruktur. Fig. 14) shows a sensor strip according to the invention wherein no discrete taps are present and the running time and, optionally, the amplitude is measured of a reflected pulse. The side view is shown in FIG. 14a). The sensor element can in turn preferably be implemented as an FPC (flexible printed circuit). To protect against direct contact by conductive media, the arrangement is covered on both sides in an electrically non-conductive manner or is encased in an insulating material ( 33 ), preferably made of plastic. According to the invention, a ferromagnetic material ( 25 ) can be applied to increase the inductance and thus also the transit time. The ferromagnetic material ( 25 ) can in turn be implemented as a coating, as a ferrite foil, as sheet metal or solid material. Fig. 14b) shows the top view of the sensor structure described.

Fig. 15) zeigt eine erfindungsgemäße Sensorstruktur zur X-Y Positionsbestimmung. Wird die lineare, meanderförmige Sensorstruktur gemäß Fig. 14) nochmals meanderförmig (35) auf eine bestimmte Fläche (36) aufgebracht, so ergibt sich über eine Laufzeitdifferenzmessung zwischen der Systemerregung und einer bei Berührung oder Annäherung auftretenden Reflexion an der Unstetigkeitsstelle die Möglichkeit einer flächigen Positionsbestimmung (Ermittlung der X-Y Koordinaten). Die Amplitude des reflektierten Signals kann zudem zur Bestimmung der Stärke der Annäherung genutzt werden. Erfindungsgemäß kann das beschriebene Sensorelement als herkömmliche oder transparente Leiterbahnstruktur z. B. auf eine Glasoberfläche oder einen beliebigen anderen (auch transparenten) Nichtlei ter aufgebracht und somit z. B. ein Touchscreen (berührungsempfindlicher Bildschirm) oder ein Touchpad (berührungsempfindliche Fläche) realisiert werden, die be reits bei Annäherung reagieren. Fig. 15) shows a sensor structure of the invention to the XY position determination. If the linear, meandering sensor structure according to FIG. 14) is applied again in a meandering shape ( 35 ) to a specific surface ( 36 ), a time-of-flight difference measurement between the system excitation and a reflection at the point of discontinuity that occurs when touching or approaching results in the possibility of a flat position determination (Determination of the XY coordinates). The amplitude of the reflected signal can also be used to determine the strength of the approximation. According to the invention, the sensor element described can be a conventional or transparent conductor track structure, e.g. B. applied to a glass surface or any other (also transparent) Nichtlei ter and thus z. B. a touchscreen (touch-sensitive screen) or a touchpad (touch-sensitive surface) can be realized that already respond when approaching.

Fig. 16 zeigt ein Beispiel für die Anwendung eines flächi gen Sicherheitsstreifensensors (37) bei einem Rolltor. Andere Beispielanwendungen sind Aufzugstüren, elektrische Schiebetü ren oder Handhabungsautomaten. Fig. 16 shows an example of the application of a flat security strip sensor ( 37 ) in a roller shutter. Other example applications are elevator doors, electrical sliding doors or automatic handling machines.

Fig. 17 zeigt einen ferromagnetischen Stab (38), mit einer in geeigneter Form angebrachten Wicklung (39), wobei erfin dungsgemäß als Rückleitung der ferromagnetische Stab selbst, und/oder ein zusätzlicher Leiter dienen kann. Fig. 17 shows a ferromagnetic rod ( 38 ), with a suitably mounted winding ( 39 ), inven tion according to the return line of the ferromagnetic rod itself, and / or an additional conductor can serve.

Die Anordnung kann zur Bestimmung von Füllständen und/oder Materialeigenschaften eingesetzt werden. The arrangement can be used to determine fill levels and / or Material properties are used.

Reference list

11

kapazitiver Basissensor als Bestandteil eines aktiven oder passiven Integrators
capacitive base sensor as part of an active or passive integrator

22nd

negative Kompensationskapazitätsschaltung
negative compensation capacitance circuit

33rd

parasitäre Streukapazität
parasitic stray capacitance

44th

Komparatorschalter
Comparator switch

55

Tastatursystem mit angedeuteten Tasten
Keyboard system with indicated keys

66

geometrische Elektrodenanordnung der kapazitiven Basissensoren
Geometric electrode arrangement of the capacitive base sensors

77

nichtleitendes Material
non-conductive material

88th

Basismaterial
Base material

99

Sensorelektronik
Sensor electronics

1010th

elektrische Verbindung
electrical connection

1111

Komponenten der Auswerteelektronik
Components of the evaluation electronics

1212th

entstehender Zwischenraum
resulting space

1313

Anschluß des Tastatursystems
Connection of the keyboard system

1414

kapazitiver Basissensor
capacitive base sensor

1515

Teilinduktivitäten
Partial inductors

1616

Abgriffe
Taps

1717th

Sprungantworten
Jump responses

1818th

Stromeinspeisung
Electricity feed

1919th

Spannungseinspeisung
Power supply

2020th

Wellenimpedanz der Ketten-, Verzögerungs- oder Laufzeitleitung
Wave impedance of the chain, delay or delay line

2121

Trennverstärker bzw. Buffer
Isolation amplifier or buffer

2222

Kettenelement bzw. Teilvierpol (T-Glied)
Chain element or partial quadrupole (T link)

2323

meanderförmige Leiterbahnstruktur
meandering conductor track structure

2424th

spiralförmige Leiterbahnstruktur
spiral track structure

2525th

ferromagnetisches Material
ferromagnetic material

2626

high-speed (wired) OR-Verknüpfung
high-speed (wired) OR operation

2727

schnelles Schieberegister
fast shift register

2828

Phasenregelkreis PLL (phase locked loop)
PLL (phase locked loop)

2929

paralleles Ausgangssignal des schnellen Schiebe registers
parallel output signal of the fast shift register

3030th

Microcontroller
Microcontroller

3131

schnelle EX-OR-Schaltgatter
fast EX-OR switching gate

3232

Oder-Verknüpfung
Or link

3333

isolierende Schicht
insulating layer

3434

rückführender Leiter
returning leader

3535

meanderförmige Leiterstruktur, nochmals meander förmig aufgebracht
meandering conductor structure, again meandering applied

3636

Sensorfläche
Sensor surface

3737

Sicherheitsstreifensensor
Security strip sensor

3838

ferromagnetischer Stab
ferromagnetic rod

3939

elektrisch leitende Wicklung
electrically conductive winding

List of attached drawings

1. Figur: Sensorprinzip
2. Figur: Sensorlayout und Elektrodenanordnung
3. Figur: konstruktiver Sensoraufbau
4. Figur: Laufzeitleitung mit Spannungseinspeisung
5. Figur: Sprungantworten der Laufzeitleitung
6. Figur: Sprungantworten der Laufzeitleitung bei Auslö sung
7. Figur: Laufzeitleitung mit Stromeinspeisung
8. Figur: entkoppelte Laufzeitleitung
9. Figur: konstruktive Sensorstruktur
10. Figur: Kettenleitung aus Teilvierpolen
11. Figur: Signalverarbeitung
12. Figur: Signalvorverarbeitung
13. Figur: Ausgangssignale der Signalvorverarbeitung
14. Figur: flächiges Sensorelement
15. Figur: Sensorstruktur zur X-Y Positionsbestimmung
16. Figur: Anwendung eines Sicherheitsstreifensensors
17. Figur: ferromagnetischer Stab mit Wicklung1st figure: sensor principle
Figure 2: Sensor layout and electrode arrangement
Figure 3: constructive sensor design
Figure 4: Runtime line with voltage feed
Figure 5: Jump responses of the runtime line
Figure 6: Jump responses of the runtime line when triggered
Figure 7: Runtime line with power feed
Figure 8: decoupled runtime line
Figure 9: constructive sensor structure
Figure 10: Chain line made up of four poles
Figure 11: Signal processing
Figure 12: Signal preprocessing
13. Figure: Output signals of the signal preprocessing
14th figure: flat sensor element
Figure 15: Sensor structure for XY position determination
16. Figure: Application of a security strip sensor
17th figure: ferromagnetic rod with winding

Claims

1. Arrangement and device of basic sensors with a useful electrode whose capacitance is measured against earth or any electronic potential, which in turn is at least parasitically capacitively connected to earth, the useful capacitance being measured between a useful electrode and earth and their use for realizing keyboard systems, characterized in that the against earth or any electronics potenti al. preferably mass forming sensor capacitance is switched as a time constant determining element of a time-dependent transmission element and the useful capacity or a quantity proportional to it is measured from a resultant time or a frequency information derived therefrom, the transmission element preferably being a time constant determining element of an active or passive integrator ( 1 ) or as a time-determining element ( 14 ) of a circuit arrangement.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that sensor capacitances ( 14 ) are designed as delay-determining elements of series-connected delay elements according to the physical principle of a chain, delay or delay line and this system is excited with jump-shaped, pulse-shaped or stochastic pulses, preferably of a digital type is and the delay time of the individual delay elements is measured.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that behind an electrically non-conductive material ( 7 ), preferably glass, polycarbonate or other plastics, an on a circuit board, a flexible film or other carrier materials arranged electrode arrangement ( 6 ) of the keyboard sensors and on the back of the sensor electronics is arranged, which in turn via electrical connections ( 10 ), for. B. FPC (flexible printed circuit) or ribbon cables, are connected to an evaluation electronics ( 11 ), preference being given to the components of the evaluation electronics ( 11 ) of the senso-electronics ( 9 ) and the resulting space ( 12 ) with an electrically non-conductive Material ( 7 ) is filled.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the sensor system according to the invention is used as a flat proximity sensor, sensor array, and / or as a security strip sensor ( 37 ).

5. Arrangement according to claim 1, 3 and 4, characterized net that the processing of the sensor signals is an adaptive auto cal with a dynamically adjusted hysteresis, a preferably moving averages and / or a plau includes a sensitivity check.

6. Arrangement according to claim 3 to 5, characterized in that instead of measuring the absolute value of the capacity or a resulting electrical sensor output signals the measurement of their change or their change ge speed or a combination of these.

7. Arrangement according to claim 3 to 6, characterized in that the capacitive base sensors ( 1 ) modular one or two dimensions can be realized as a base sensor array, with one or more conductor surfaces serving as electrodes ( 6 ) on the front side and one on the rear side thereof or several electronic components are arranged and an optionally available middle layer is used, inter alia, as shielding electrodes.

8. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the individual delay elements ( 22 ) from the flat sensor capacitors ( 14 ) interconnected inductors ( 15 ), which in turn consists of a spiral or meandering conductor track structure, preferably from a circuit board , a flexible film or other carrier materials, optionally multi-layer z. B. as FPC (flexible printed circuit).

9. Arrangement according to claim 1, 2 and 8, characterized net that the structure on the back to increase the inductance a ferromagnetic material is provided, which as Coating, as foil (ferrite foil, FPC film (ferrite polymer composite)), as sheet metal or as solid material can be brought.

10. The arrangement according to claim 1, 2, 8 and 9, characterized in that instead of or in addition to the ferromagnetic material and the meandering or spiral conductor structure ( 23 ), ( 24 ) discrete inductances and / or extensive Sensorflä surfaces are used.

11. The arrangement according to claim 1, 2, 8 to 10, characterized in that the chain, delay or delay line formed from the individual keyboard sensors are combined to form part-time lines and partial chains or / and part-time lines by isolating amplifiers (buffers) ( 21 ) be decoupled.

12. The arrangement according to claim 1, 2, 8 to 11, characterized in that after each keyboard sensor an electrical tap ( 16 ) takes place and the electrical taps ( 16 ) via a high-speed wired OR circuit (fast OR operation) and a downstream fast shift register ( 27 ) is linked and then evaluated in a processor ( 30 ).

13. The arrangement according to claim 12, characterized in that the high-speed wired OR circuit via an optical signal linkage is realized.

14. Arrangement according to claim 1 and 2 and 8 to 11, characterized in that instead of the individual delay elements ( 22 ), each with a flat, preferably meandering or spiral-shaped conductor track structures ( 23 ), ( 24 ), a Strei fensensoranordnung ( 37 ) with a elongated meandering conductor track structure ( 23 ) is used, and the transit time of a reflected current or voltage pulse is measured, the change in the dielectric and / or the permeability being used as the base sensor effect.

15. Arrangement according to claim 1, 2, 8 to 11 and 14, characterized in that the stripe sensor arrangement ( 27 ) is used as a length, level, position or proximity sensor, the transit time and possibly additionally the amplitude of a by the base sensor effect caused at a discontinuity caused by a change in the electrical conductivity, the dielectric, and / or the permeability is measured.

16. The arrangement of claim 1, 2, 8 to 11, 14 and 15, there characterized in that around a ferromagnetic rod, e.g. B. carbonyl iron, an electrically conductive winding is arranged and the term and / or if necessary additionally the Amplitude of a reflected signal is measured and off this information the level and / or material properties be determined.

17. The arrangement according to claim 1, 2, 8 to 11, 14 to 16 since characterized in that for the two-dimensional position detection the stripe sensor arrangement ( 37 ) with an elongated meander-shaped conductor track structure ( 23 ) is again arranged in a meandering manner ( 35 ) two-dimensionally extended.

18. Arrangement according to claim 1 to 17, characterized in net that the amplitude of the reflected signal for measuring the Strength of approximation is used.

19. Arrangement according to at least one of claims 1 to 18, characterized in that the electrode and conductor structures of the basic sensors made of extremely thin or transparent, preferably with nanoscale electrically conductive materials on display gene and / or displays can be realized.