利用电容式传感器提高机械旋转及位置检测的灵敏度和鲁棒性制造技术

在所描述的示例中，用户接口控制装置(100)包括：第一结构(110)，其具有第一侧(113)，在第一侧(113)上沿第一方向(108)间隔开的导电电容器板结构(116)；可移动的第二结构(120)，其具有辅助导电结构(122)；以及接口电路(130)，用于向导电电容器板结构(116)提供激励信号并从其接收感测信号，以对导电电容器板结构(116)中的各个导电电容器板结构执行互电容测试以及自电容测试，以确定第二结构(120)或用户的手指相对于第一结构(110)沿第一方向(108)的位置。

Improving Sensitivity and Robustness of Mechanical Rotation and Position Detection by Capacitive Sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用电容式传感器提高机械旋转及位置检测的灵敏度和鲁棒性
技术介绍
用户接口/界面(UI)和人机接口(HMI)允许用户或操作员控制机器。电容式触摸接口正变得越来越流行，包括电容式触摸显示器，其提供用户输入能力以及向操作员显示数据、图形或其他信息。HMI技术的电容位置检测提供使用寿命长、实施成本低以及作为密封的流体和气体控制元件的易用性，这在具有爆炸和化学过程的操作领域是有益的。电容感测可用于检测控制致动器的位置以及用于检测用户触摸事件。例如，用于HMI的旋转和/或线性控制元件的电容位置感测可以与用户触摸检测相结合。电容感测系统可能遭受导电结构或用户手指引入到HMI控制装置敏感区域中的微弱响应。
技术实现思路
在所描述的示例中，用户接口控制装置包括：第一结构，其具有第一侧，在第一侧上沿第一方向间隔开的导电电容器板结构；可移动的第二结构，其具有辅助导电结构；以及接口电路，用于向导电电容器板结构提供激励信号并从其接收感测信号，以对导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行互电容测试和自电容测试，以确定第二结构或用户手指相对于第一结构沿第一方向的位置。附图说明图1是旋转机械控制装置的俯视图，该旋转机械控制装置包括固定的第一结构和可旋转的第二结构，用于具有电容和光学旋转位置以及用户触摸检测的用户接口。图2是图1的控制装置的固定的第一结构的俯视图，其示意性地说明了光学旋转位置检测电路。图3是图1的控制装置的固定的第一结构的俯视图，其示意性地说明了电容式旋转位置和用户触摸检测和接口电路。图4-图8是沿图1的控制装置的线4-4截取的局部剖面侧视图，其示出了用于位置和/或用户触摸检测的互电容和自电容测量期间的示例电场线。图9是在没有接近的辅助导电结构的情况下的图4的装置中的互电容测量电路配置示例的示意图。图10是在存在辅助导电结构的情况下的图5的装置中互电容测量电路配置示例的示意图。图11是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构具有的角圆周长度大致覆盖两个相邻电容器板结构的径向外部部分。图12是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构具有的角圆周长度大致覆盖三个相邻电容器板结构的径向外部部分。图13是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构大致覆盖三个相邻电容器板结构的圆周和径向范围。图14是线性机械控制装置的俯视平面图，该线性机械控制装置包括固定的第一结构和可平移第二结构，用于具有电容位置和用户触摸检测的用户接口。图15是沿图14的控制装置的线15-15截取的局部剖面侧视图。图16是导电电容器板互连的示例感测配置的示意图。图17是图1的装置中的示例位置和用户触摸检测序列的表。图18是具有导电电容器板互连的示例电容感测接口配置的局部示意图，该导电电容器板互连用于使用图1的装置中的减少数量的通用I/O连接进行位置和用户触摸检测。图19是具有导电电容器板互连的示例电容感测接口配置的局部示意图，该导电电容器板互连用于使用图14和图15的线性装置中的有限数量的通用I/O连接进行位置和用户触摸检测。具体实施方式在附图中，相同的附图标记贯穿全文指代相同的装置，且各种特征不必按比例绘制。在该说明书中，术语“耦合”包括间接或直接的电的或机械连接或其组合。例如，如果第一设备耦合到第二设备或与第二设备耦合，那么该连接可以通过直接的电连接进行，或通过经由一个或更多个中介/介入设备和连接的间接的电连接进行。图1示出了用于用户接口的旋转机械控制装置100。在一个示例中，装置100是用户接口控制旋钮，其可以由用户机械地旋转。控制装置100可以用于任何形式的用户接口或HMI，例如工业控制面板、汽车仪表板控件等。图1的示例提供了旋转控制装置100。其他可能的示例包括线性用户接口控制机制，诸如下文结合图14和图15所说明和所描述的滑块控件。图1是控制旋钮用户接口控制装置100的俯视图，其可以用于各种应用(诸如用于车辆音频系统的音量旋钮)，并且在某些实施方式中可以包括电容式触摸感应开/关按钮。装置100包括导电结构和位于固定或静止部分上的光学设备对102。旋转部分包括反射器结构104和106。旋转结构相对于静止部分的轴115沿圆周方向108是可移动的。在一个示例中，光学设备对102是位于固定或静止部分上的LED111和112，以及位于旋转结构上的一个或更多个导电结构。控制装置100包括电连接114(诸如PCB迹线)，以与源和传感器光学设备111和112介接。该示例中的装置包括电容感测电路，其通过感测与固定部分上的导电结构相关联的电容来检测旋转结构与固定结构的相对位置。此外，在该示例中，旋转结构的顶面可以被用户的手指触摸，并且电容感测电路可以检测用户触摸事件以及用户手指在旋转结构的顶面上的位置。在某些示例中，装置100还包括光学位置感测特征和相关电路，以补充电容位置感测功能。所描述的示例单独地或者与具有作为场换能器的导电结构的互电容测量和自电容测量相结合地提供改进的电容感测结构，以便于增强检测用户触摸事件和/或控制装置位置的灵敏度。示例控制装置100包括固定的第一结构110，其具有面向图1中的页面向外的第一(例如，顶部或上部)侧113。第一结构110包括沿第一侧113上的圆周第一方向108彼此间隔开的16个导电电容器板结构116。导电电容器板结构116沿第一方向108彼此隔开第一距离117(标记为D1)。第一结构110包括整数N＝16对102的LED111、112。在其他示例中，可以使用多于或少于16个导电电容器板结构116和LED对102。在一个示例中，各个LED对102包括光源LED111和光学传感器LED112。该示例中的LED111具有第一波长，并且传感器LED112具有不同的波长。控制装置100包括电连接118以与导电电容器板结构116介接。控制装置100包括第二结构120，第二结构120沿第一方向108相对于第一结构110可移动。第二结构120包括位于第二结构120的第二侧123上的辅助导电结构122(例如，底侧，面向图1中的页面向内)。当辅助导电结构122位于给定的电容器板结构116附近时，辅助导电结构122与第二结构120一起沿第一方向108移动，以选择性地修改与导电电容器板结构116中的给定的一个相关联的电容。该示例中的第二结构120还包括透明窗口或孔124，其允许来自光源111的光穿过第二结构120。控制装置100包括接口电路130，其向导电电容器板结构116提供激励信号并从导电电容器板结构116接收感测信号以测量装置100的电容。接口电路130对导电电容器板结构116的组执行互电容测试，并对导电电容器板结构116中各个导电电容器板结构执行自电容测试。接口电路130向主机系统131提供位置信号POSITION。在互电容测试和自电容测试之一或两者期间，根据来自导电电容器板结构116的信号，位置信号表示第二结构120或用户的手指相对于第一结构110的位置沿第一方向108的位置。在一个示例中，除了来自电容器板结构116的信号之外，接口电路130还至少部分地根据来自光学传感器112的信号确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于用户接口的控制装置，其包括：第一结构，其包括在所述第一结构的第一侧上沿第一方向彼此间隔开的多个导电电容器板结构；第二结构，其沿所述第一方向相对于所述第一结构可移动，所述第二结构包括第二侧和辅助导电结构，所述第二侧面向所述第一结构的所述第一侧；所述辅助导电结构位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿所述第一方向移动，以当所述辅助导电结构接近所述电容器板结构中的给定的一个定位时，选择性地修改与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的电容；以及接口电路，用于向所述导电电容器板结构提供激励信号，并从所述导电电容器板结构接收感测信号，以对所述导电电容器板结构的组执行互电容测试，并对所述导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行自电容测试，以在所述互电容测试和所述自电容测试之一期间，根据来自所述导电电容器板结构的信号来提供位置信号，所述位置信号表示所述第二结构或用户的手指相对于所述第一结构的位置沿所述第一方向的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.02 US 62/453,575;2018.02.01 US 15/886,1731.一种用于用户接口的控制装置，其包括：第一结构，其包括在所述第一结构的第一侧上沿第一方向彼此间隔开的多个导电电容器板结构；第二结构，其沿所述第一方向相对于所述第一结构可移动，所述第二结构包括第二侧和辅助导电结构，所述第二侧面向所述第一结构的所述第一侧；所述辅助导电结构位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿所述第一方向移动，以当所述辅助导电结构接近所述电容器板结构中的给定的一个定位时，选择性地修改与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的电容；以及接口电路，用于向所述导电电容器板结构提供激励信号，并从所述导电电容器板结构接收感测信号，以对所述导电电容器板结构的组执行互电容测试，并对所述导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行自电容测试，以在所述互电容测试和所述自电容测试之一期间，根据来自所述导电电容器板结构的信号来提供位置信号，所述位置信号表示所述第二结构或用户的手指相对于所述第一结构的位置沿所述第一方向的位置。2.根据权利要求1所述的控制装置，其中：所述导电电容器板结构沿所述第一方向彼此间隔开第一距离；所述第一结构还包括：与所述第一侧相对的第二侧；以及在所述第二侧上的另外的导电结构，所述另外的导电结构沿第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第二距离；以及所述辅助导电结构沿所述第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第三距离。3.根据权利要求2所述的控制装置，其中：所述第二距离大于所述第一距离；以及所述第一距离大于所述第三距离。4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，并且从相邻的导电电容器板结构接收所述感测信号，以对所述导电电容器板结构的所述组执行所述互电容测试。5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并控制所述相邻的导电电容器板结构的电压，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行所述自电容测试。6.根据权利要求5所述的控制装置，其中：所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并允许所述相邻的导电电容器板结构浮动，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。7.根据权利要求5所述的控制装置，其中：所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第二电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并控制相邻的导电电容器板结构的电压，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行所述自电容测试。9.根据权利要求8所述的控制装置，其中：所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并允许所述相邻的导电电容器板结构浮动，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。10.根据权利要求8所述的控制装置，其中：所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第二电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。11.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，并且从相邻的导电电容器板结构接收所述感测信号，以对所述导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·斯皮瓦克，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US