(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リファレンス領域に関する手足の位置又は動きについての情報を与える電気信号を生成するためのセンサ・デバイスであって、
送信電極と、
前記送信電極に交流電圧を供給して当該送信電極の回りの電場を形成するための電圧発電機と、
第１の受信電極と、
第２の受信電極と、
前記第１、第２の受信電極に結合された高インピーダンス入力を備え、手又は指のジェスチャにより発生し前記受信電極に作用する場の架橋効果を検出するための測定回路と、
前記送信電極及び／又は前記受信電極を前記測定回路に関して、前記電場から遮蔽する遮蔽電極とを備え、
前記遮蔽電極が、振幅の点においてだけ前記送信電極に供給される前記交流電圧と異なる信号を供給されることを特徴とするセンサ・デバイス。
【請求項２】
第３の受信電極を備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・デバイス。
【請求項３】
前記第１、前記第２及び前記第３の受信電極のそれぞれが、前記測定回路のそれぞれの高インピーダンス入力のみに接続されることを特徴とする請求項２に記載のセンサ・デバイス。
【請求項４】
前記受信電極のそれぞれが、前記測定回路のそれぞれの高インピーダンス入力のみに接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ・デバイス。
【請求項５】
前記電圧発電機が、前記送信電極と前記遮蔽電極とに前記交流電圧を供給するだけであることを特徴とする請求項１から４までの少なくともいずれか１項に記載のセンサ・デバイス。
【請求項６】
前記振幅が、前記遮蔽電極の後ろの前記測定回路が前記送信電極の電場から遮蔽されるように設定されることを特徴とする請求項５に記載のセンサ・デバイス。
【請求項７】
前記振幅が、前記測定回路及び前記遮蔽電極が存在しない場合に、前記遮蔽電極における信号電位が、同じ配置において前記送信電極によって生成される信号電位に相当するように略設定されることを特徴とする請求項６に記載のセンサ・デバイス。
【請求項８】
前記遮蔽電極に対する前記信号が、前記送信電極の前記信号から動的に調節可能な電圧分配器の支援によって生成されることを特徴とする請求項７に記載のセンサ・デバイス。
【請求項９】
前記受信電極の前記信号の準静的な差が、電気的に補償されることを特徴とする請求項１から８までの少なくともいずれか１項に記載のセンサ・デバイス。
【請求項１０】
前記受信電極のそれぞれがそれぞれのチャネルに割り当てられて、コンポジット信号が形成され、それぞれの信号チャネルの増幅器に異なる重みをつけて供給されることを特徴とする請求項９に記載のセンサ・デバイス。
【請求項１１】
前記重みが、前記増幅器の出力信号をできるだけゼロの近くに保持するように、各チャネルで調整されることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手足の、特にセンサ・デバイスに関するユーザの手の空間における位置及び／又は動きについての情報をもたらすような、電気信号を生成するためのセンサ・デバイスに関する。これらの電気信号は、データ処理デバイス、通信デバイス及び他の電気デバイスにおける入力処理を遂行するために使用されてよい。本発明によるセンサ・デバイスは、この点において、マン／マシン・インターフェースとして動作する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、より詳細には、容量的に、ジェスチャ、特に手又は指のジェスチャの非接触検出のためのジェスチャ検出システムに適用される。特に、本発明は、電子機器への集積化の簡素化された可能性を有するジェスチャ検出システムに関する。本発明は、その機能、特に通信デバイスを制御する機能に関して、並びに制御パネル及びコックピット・システムの分野において、特に信頼できる比較的高い分解能を有するジェスチャ・インターフェースを実現することを狙いとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、手足の位置及び／又は動きに関する指標となる信号が、特に有利な方法で生成されうる解決法を生み出すという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１によるセンサ・デバイスによって、本発明により達せられる。
【０００５】
従って有利には、測定信号をゆがめるであろう、センサ電極と電子回路との間の場の結合無しに、電極の極めて近くに、送信電極の電場を生成するために、並びにセンサ電極によって検出された電位を評価するために設けられた電子回路を整列させることが可能である。
【０００６】
通常は中央の送信電極及び送信電極回りに分配された少なくとも３つの受信電極を使用して形成された本発明によるクローバーリーフ・システムが、手の動きに対する、及びそれゆえ多くの用途に対する典型的な空間に適するジェスチャ情報の検出における適用範囲及び精度を提供する。
【０００７】
本発明によるコンセプトは、測定回路の領域内の、可能性のある回路構成部品の地絡の影響の顕著な低減、並びに、それ自体制御されるべきデバイスの回路の間の干渉の低減に至る。
【０００８】
容量的検出システムの適用範囲は、検出目的で加えられた電場が、十分な（相対）強度で存在する空間によって略求められる。本発明によるコンセプトによって、有利には、場形成電極、すなわち検出システムの場形成電極の近くのアースと結合された対象物が、電極と対象物との間の空間内に電場が強く集中することを引き起こすという影響が低減される。それに応じて、本発明によるコンセプトによって、測定可能範囲が拡大される。特に、受信電極のトランスインピーダンス接続の使用と関連して、残りに対してここに依然として存在する実質的なアース電位の影響が、顕著に低減される。
【０００９】
本発明による検出システム内に設けられる電極群（クローバーリーフ）は、原理上好ましくは、できるだけ小さなアース接続だけで実行される。必要に応じてアースに接続される電源は、遮蔽されることが好ましい。受信電極は、場の拡散を乱さないために測定回路と高インピーダンスで接続されることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、測定システムは、測定システムの領域内に存在するアースに接続される素子（特に、それ自体の電子機器）の影響が、送信電極によって、並びに送信電極の回りに分配された受信電極によって遮蔽され、及び／又は場の架橋が補償されるような方法で形成される。
【００１１】
好ましくは、第１、第２及び第３の受信電極は、個々のインピーダンス変換器の出口に存在する電気現象の間の差に基づいて位置又は動きの指標となる情報が得られる、インピーダンス変換器システムの高インピーダンスの入り口に、それぞれ接続される。
【００１２】
受信電極で測定されたレベルから、受信電極に存在する電位の合計を表すコンポジット信号が、形成されうる。このコンポジット信号は、予め設定された増幅係数で標準化されてよく、個々のインピーダンス変換器システムのコンパレータ入力のうちの１つに利用できるように作られる。
【００１３】
好ましくは、それ自体、出力信号の個々のインピーダンス変換器システムにおける同時発生に関して、特に、電圧レベル及び／又は位相に関して、励起電圧に関して指標となる信号を配信するような、同期検出器システムが提供される。個々の同期検出器の出口に存在する電気現象の間の差に基づいて、位置又は動きの指標となる情報が得られる。
【００１４】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、受信電極が、送信電極デバイスの回りに対称に配列される。送信電極は、原理上好ましい準静的電場を送信電極自体の回りに形成するために、発電機（マイクロコントローラ）によって交流電圧を供給されることが好ましい。受信電極は、送信電極の回りに対称に配列されることが好ましい。
【００１５】
受信電極に存在する電圧は、送信電極の場の分散についての情報を含む。
【００１６】
受信電極は、送信電極の電場を乱さないために、インピーダンス変換器の高インピーダンス入力に接続される。インピーダンス変換器の後の個々の信号から、平均値が形成される。この平均値は、増幅されてよい。同期検出器の支援を受けて増幅された信号から、振幅が得られ、更にＡＤＣによってディジタル化され、評価のためにマイクロコントローラに配信されうる。同期検出器の代わりに、ダイオード整流器又はピーク検出器が、同様に使用されてよい。
【００１７】
本発明によるセンサ・デバイスは、特に、ジェスチャ、動き又は手の位置の検出のために使用されてよい。好ましくは、受信電極を含むセンサ用電子機器の少なくとも主要な部分が、コンパクトなチップ状の形態で構築される。この方法では、センサ技術の特に有利な応用が可能である。
【００１８】
本発明によるコンセプトによって、有利には、検出器のジェスチャに対する広い適用範囲を得ることができ、検出器は、コンパクトな設計であることができる。本発明によるコンセプトによって、３．５ｃｍの検出器サイズによって約２０ｃｍの適用範囲が得られる。本発明による回路では、入り口は高インピーダンスを有する。高インピーダンスの入り口は、驚くほど効率的な方法で適用範囲を広げることに寄与する。このことは、特に、場のシミュレーションによって可視化されてよく、完全に信頼できる方法で実験的に証明されうる。本発明によれば、各チャネルに対して、その信号の差及び平均値の差が増幅される。このことが、対称な電極の場合、又は電子機器内の平衡のとれた信号の場合、簡単なＡＤＣ（例えば１０ビット）を用いて同様に高いダイナミック・レンジを得ることを可能にする。簡単な手段を用いるこの方法では、非常に小さい信号変化が検出可能である。遮蔽電極は又、送信電極に加えられた電位と略同じ振幅を有する電位を供給されてよい。回路は、比較的多数の電極を提供するように設計されてよく、とりわけ、８つの電極、すなわち８チャネルが実現される。合計による信号の補償とは別に、重みを付けられた発電機信号を引くことによる補償も又、可能である。この方法では、電極は、同じサイズである必要はもはやなく、対称に整列させられる必要ももはやない。増幅器は又、線形増幅器として設計されてよい。遮蔽のために、直接、発電機信号が取られてよく、すなわち、必ずしも振幅の点だけで発電機信号と異なる信号である必要はない。
【００１９】
本発明の更なる詳細及び特徴は、図面と関連する以下の説明からもたらされる。図は以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるセンサ・デバイスの基本構造を示すブロック図である。
【図２】発電機及び受信電極の例示的な構造を示す概略図である。
【図３】ジェスチャ・インターフェースとして設計されたコンピュータ・マウス内の送信及び受信の電極デバイスの例示的配置を示す図である。
【図４】移動体通信デバイス内の送信及び受信の電極デバイスの例示的配置を示す別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に表される回路図に見ることができるように、本発明によるシステムは、表された方法で実際の測定回路及び駆動回路から遮蔽される表面電極群を用いて実現されうる。
【００２２】
電極は、残りの電極から間隔を介して離隔される。電極は、例えば、銅表面として、又は電子機器に接続された樹脂膜上の導電性領域としてプリント回路上に形成されてよい。受信電極Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３（２、３、４又はそれ以上）が、送信電極Ｇ１の回りに対称に整列させられる（図２の３つの受信電極の例を参照）。電極Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｇ１は、接続の影響が電極と比べてできるだけ小さくなるように、薄い導電性経路で電子機器Ｅと接続される。電源線は、とりわけ、例えば多層構造によって付加的に遮蔽されてよい。
【００２３】
検出システム及びデバイスの電子機器の場を乱す影響は、遮蔽電極Ｓによって最小化される。遮蔽電極Ｓは、電極Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｇ１を電子機器Ｅと区切る。この遮蔽電極Ｓは、例えば導電性塗装を有する樹脂膜で作られてよい。
【００２４】
空間構成の例が、図３及び図４に示される。図３における電極は、プリント回路ＬＰの上方の樹脂膜上に塗布される。
【００２５】
図４による構成では、電極Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｇ１が、銅表面部としてプリント回路内に集積化される。遮蔽電極Ｓには、振幅の点だけで送信電極Ｇ１上の信号と異なる信号が供給される。この振幅は、遮蔽電極Ｓの後ろに「隠される」電子機器が、送信電極Ｇ１の電場から「カモフラージュされる」ように選択される。このことは、遮蔽電極Ｓにおける電位が、電子機器及び遮蔽電極が存在しない場合に同じ配置において送信電極Ｇ１によって生成される電位に相当することを意味する。遮蔽電極に対する信号は、例えば、送信電極Ｇ１の信号から（調節可能な）電圧分配器ＤＵの支援によって生成されうる。
【００２６】
受信電極Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の信号の避けることのできない準静的な差が、回路内で電子的に補償される。このため、形成されたコンポジット信号は、信号チャネルの増幅器（図１）に対して異なる重みを付けられて供給されることが規定されている。重み付けは、測定システムの元の状態における増幅器の出力信号をできるだけゼロの近くに保持するように、各チャネルに適合させられる。（非線形）増幅器に対するこの条件で、入力信号の変化に対する最良の感度が達せられる。
【００２７】
補償の効率は、受信電極が、送信電極に対してできるだけ同じカップリングを有する場合に改善される。このカップリングは、例えば付加的な電極によって影響されうる。
【００２８】
図２では、付加的なバランシングラインが、分割された送信電極Ｇ１ａ、Ｇ１ｂに対する受信電極Ｍ１のカップリングを、正確に受信電極Ｍ２及びＭ３のカップリングのレベルまで、如何にして高めるかが示される。
【００２９】
補償はまた、測定システムを可能性のある変化する影響に順応させるために、動作の間に動的に再調節されてよい。
【００３０】
本発明によるコンセプトによって、ジェスチャ検出用電子機器を、特に有利には、電子装置、例えば携帯電話機の中に直接集積化することが可能である。更に、電極をプリント回路内に直接集積化すること、又は電極を樹脂膜上に導電層として構成することが可能である。更に、電極を同軸ケーブル無しに測定システムに接続することが可能である。更に、本発明によるコンセプトによって、所与の周辺環境特性に対する検出システムの適用範囲の最大化が達せられる。有利には、検出されるべき対象物の移動に対するシステム応答の線形化が、同様に存在する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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