CN104412069A - 用于探测目标的运动的电容传感器 - Google Patents

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Abstract

所述的用于探测目标的运动，尤其是用于探测操作单元的按键的动作的电容传感器设置有第一电极(30；32)以及提供连接或机械耦合至，或者设置于所述的目标上的第二电极(34；36)，当所述的目标运动时，所述的第二电极与所述的第一电极(30；32)的距离改变。所述的两个电极(30，34；32，36)与介于所述的电极(30，34；32，36)之间的体积(40)形成第一电容器(26；28)，当所述的目标运动时，其的大小改变，进一步提供一估算单元，其连接至所述的两个电极(30，34；32，36)且确定由于他们间距和体积的变化所导致的介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的电容容量的变化。可变形的、非气态的第一电介质(42)设置于所述的两个电极(30，34；32，36)之间。所述的第一电介质(42)定义了至少一个气体体积(44)或者，与至少其中一个所述的两个电极(30，34；32，36)一起定义了一个被气态第二电介质填充的气体体积(44)，在其中，当所述的两个电极(30，34；32，36)彼此接近时，所述的第二电介质的至少一部分从所述的气体体积(44)以及从介于所述的两个电极之间的所述的体积(40)中溢出，以及，当所述的两个电极(30，34；32，36)彼此接近时，介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的所述的体积(40)的被所述的第一电介质(42)占据的部分增加，且介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的所述的体积(40)的被所述的第二电介质占据的部分减少。

Description

用于探测目标的运动的电容传感器
技术领域
本发明涉及一种用于探测目标的运动的电容传感器，且所述的目标为尤其是专门提供用于车辆部件的，就像即空调控制设备、信息娱乐设备、导航设备、无线电或者一般地人机交互接口的操作单元的手动操作的按键。
背景技术
在大多数情况下，以被探测操作的手动操作按键的形式的目标的运动探测，将由包括机械耦合至所述的按键的开关器件的机械开关完成。因此，当所述的按键被操作，所述的开关器件将会被操作，且反过来所述的开关器件将建立开关接触以发信号至所述的按键的操作。通过这样的机械方法的替代，也存在电容系统，在其中，基于电容容量的变化，目标的运动被探测。因此，关于操作元件的按键的例子，按键的动作会导致即改变电容传感器的电容器的两个电极之间的距离，其可以在信号处理技术的帮助下估算。为了使两个电极执行相对运动成为可能，介于所述的两个电极之间的体积必须分别是可压缩的和可膨胀的。作为这方面的电介质，气体或者尤其是空气是合适的。然而，在这方面，空气，或者气体在一般情况下仅仅具有一相对较低的电介质常数是不利的，以致于由介于所述的两个电极之间的距离的变化造成的电容容量的改变只会产生小的信号变化。
在其中利用作为有效的力结果的所述的电极的电耦合变化的电容传感器的不同设计在DE102007001086A1，EP1261845B1(以及US6683780B2)以及US5206785中描述过。根据DE102007001086A1的传感器中，利用固定的电介质，与设置于此处的距离处的电导体、活动层产生。当加压时，活塞会对该层起作用，并将其朝所述的电介质且或多或少的与所述的电介质相接触的大的表面移动，从而影响了所述的传感器的输出信号的期望信号的变化。在根据US5206785的传感器中，固定的电介质被应用。在EP1261845B1和EUS6683780B2中，描述了空气作为电解质的电容式差动传感器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一用于探测目标运动的电容传感器，其传感器会产生易于探测且从而在小的运动的情况下也足够大的测量信号的变化。
为了实现上述目标，本发明提供了用于探测目标运动的，尤其是探测操作单元的按键的操作的电容传感器，其电容传感器包括在权利要求1中所定义的特征。从属权利要求涉及到本发明的个别的实施例。
本发明的电容传感器包括具有第一和第二电极以及于其间体积的电容器。所述的两个电极之一连接至目标或者机械耦合至此，且分别设置在其上，以使得当所述的目标运动时，所述的电极会运动。一旦所述的电极运动，其与另一个电极的距离会改变。因此，介于所述的两个电极之间的体积也会改变。介于所述的两个电极之间的体积被理解为在一方面由所述的电极自身，进一步地，由所述的电极侧面的被划定界限的那区域。所述的两个电极连接至一用于探测所述的电容器的电容量变化的估算单元。
根据本发明，介于所述的两个电极之间的所述的体积至少是部分地被可变形的、非气态的第一电介质填充。介于所述的两个电极之间的所述的体积另一部分被气体填充。该气体体积可以由所述的第一电介质形成或者介于所述的第一电介质和一或两个所述的电极之间形成。所述的气体体积由气态第二电介质填充。现在，当所述的两个电极彼此接近时，气态第二电介质会从所述的气体体积溢出；相反地，介于所述的两个电极之间的距离的增加会导致气态第二电介质从周围环境进入所述的气体体积中。在介于所述的两个电极之间的距离改变的情况下，因此，在一方面，介于所述的电极之间的体积的被所述的第一电介质占据的部分，并且，在另一方面，被所述的第二电介质占据的部分会产生变化。所述的部分的这些变化会影响在测量技术的帮助下会被探测到的电容容量的变化的放大，因此也使得所述的电极的，以及从而所述的目标的小的运动，也会通过可靠的方式且低成本的测量技术被但测到。
根据本发明的一优选的实施例，两个电容器可以用于相反的方向以探测目标的运动。相关的设置以这样一种方式选定，一旦所述的目标的运动发生，一电容器的电极的距离会减少，而另一电容器的电极的距离会增加。两个电容器在设计上实质上是一样的，即，每个包括一非气态第一电介质和一气态第二电介质。因此，影响是测量精度的以及，相应地，所述的目标的运动的探测的可靠性的进一步地增加。
在该实施例中，包括第一电极和供给连接或者机械耦合，或者设置于所述的目标上的第二电极的第二电容器被特定地提供，在其中，在所述的目标运动的情况下，介于所述的两个电容器的电极之间的距离会沿相反的方向改变，在其中，两个电容器包括介于它们之间的非气态第一和气态第二电介质，以及在其中两个电容器的电极连接于所述的估算单元。
由于所述的第一电介质包括至少一个朝外部开设的，当所述的两个电极彼此接近时，气体会从其溢出的凹槽，所述的第一电介质的气体体积以及各个介于所述的第一电介质以及至少其中一个所述的两个电极之间的气体体积相应地实现。或者，所述的第一电介质的表面可以被压型并分别构造，即包括获得向外部开设的气体的空间。总之，所述的气体可以从被所述的第二电介质填充的气体空间，也从介于所述的两个电极之间的中间空间溢出是必须被保障的。
根据本发明的一个有益的实施例，所述的第一电介质是具有弹性的可以被提供。因此，在由于介于所述的电极之间的距离的改变的变形之后，所述的第一电介质会自动地再次呈现其原始形状。在这方面，如果所述的第一电介质与所述的电极相连接，尤其是处于它们相互对立的(内部的)表面是有益的。所述的第一电介质的弹性使得应用所述的第一电介质同时支撑其运动被探测的目标成为可能。进一步地，弹性第一电介质会影响所述的目标自动转变成所述的目标在运动前假定的平衡位置。因此，如果提供两个电容器，正如上述的，所述的目标受到从两个对立侧指向相反方向的恢复力，其会再次移动所述的目标至他已被从中移出的平衡位置处。
根据本发明的一个进一步的有益的实施例，所述的第一电介质是以棱镜方式形成的形状体，且具有两个面向所述的电极的外侧面，以及所述的气体体积是介于所述的外侧面和电极之间形成可以被提供。
作为所述的第一电介质的材料，尤其是弹性的且优选地橡胶是合适的。所述的第一电介质可以是有气孔的以及分别开孔的。尤其有效的是会受到当所述的所述的气体溢出时，两个电极彼此靠近时，所述的开孔气体体积会向外部压缩的影响而可压缩的泡沫材料。
本发明进一步地涉及一提供用于车辆部件的操作单元，尤其是空调控制设备、信息娱乐设备、导航设备、无线电或者一般地人机交互接口，所述的操作单元包括一手动操作的、可移动按键，尤其是切换键、摇杆键或按压按钮，以及与用于运动和从而所述的按键的动作的探测的电容传感器，在其中所述的电容传感器可以根据权利要求其中之一或多被设计。
本发明的用于探测目标运动的电容传感器，可以-与上述清楚的-起力以及单独的压力传感器和/或位置传感器的作用，然而，虽然，总是应用于探测目标的运动。
附图说明
本发明将以两个实施例以及参照附图的形式在下面被更加详细的说明。在附图中，
图1为本发明的包括其动作通过电容传感设备探测的阳台式(切换)按键的车辆操作单元的部分横截面图，以及
图2为根据进一步的典型的实施例，包括按压按钮以及用于探测所述的按压按钮的运动的电容传感器设备的车辆操作单元的局部剖视图。
参考数字列表
10   车辆操作单元
12   车辆操作单元的外壳
14   外壳的正面
16   操作键的操作末端
18   操作按键
20   操作按键的支撑物
22   支撑物/操作按键的倾斜轴
24   具有电容器的支撑物末端
26   第一电容器
28   第二电容器
29   支撑体上的凹槽
30   第一电容的第一电极
31   用于所述的两个电容器的第一电极的支撑体
32   第二电容的第一电极
34   第一电容的第二电极
36   第二电容的第二电极
38   估算单元
40   介于电容器的电极之间的体积
42   介于电容器的电极之间的电介质
44   介于电容器的电极之间的气体体积
具体实施方式
在图1中，对于本发明必不可少的车辆操作设备10的部分被以横截面图以及很大程度上简化表示说明，所述的设备包括一其的动作被电容式探测的切换按键。所述的车辆操作设备10包括外壳12，与具有突设在所述的外壳的正面14之上的操作按键18的操作终端16。所述的操作按键18设置于其支持绕在外壳12内的倾斜轴22旋转的杠杆式且分别板形支撑物20上。所述的支撑物20朝远离所述的操作按键18的末端24的上方以及下方设置有第一以及第二电容器26、28。每个电容器26、28包括一固定的第一电极30、32以及一可移动的第二电极34、36。在该典型的实施例中，所述的两个电容器26、28的两个第一电极30、32设置于在支撑体31中的凹槽29的互相对立的边缘部分之上，操作按键18的支撑物20的末端24浸入所述的凹槽29中。所述的两个电极34、36设置于所述的杠杆式且分别板形支撑物20相对的侧上，即在后者的上以及下侧。从而，每个所述的第一电极30以及32分别地具有第二电极34、36与他相对设置。当所述的操作按键18倾斜时，所述的两个电容器26、28的第二电极34、36与他们相应的第一电极30以及分别地32的距离会沿相反的方向改变。通过所述的电极的距离的这些改变(在该典型的实施例中，沿相互对立的方向，即相反的方向)，每个电容器26、28的电容容量会改变，在测量技术的帮助下其会被探测和被估算。因此，从而有可能探测操作按键18的动作。
正如在图1中图示的，所述的电容器26、28的两个电极对在其之间定义了各自的体积40。根据图1在操作按键18的开始位置处，所述的体积40由第一电介质42部分地填充。在该典型的实施例中，所述的第一电介质42具有棱镜的形状。所述的第一电介质42由其在该典型的实施例中，为弹性体或者橡胶的非气态材料制成。因此，在该典型的实施例中，所述的第一电介质42是有弹性的。由于所述的棱镜形状，所述的第一电介质42与所述的各个电极30至36并不是全面抵接的，取而代之的是，包括多个部分体积的气体体积44是介于所述的第一电介质42以及所述的相关的电极之间形成的。当所述的操作按键18在其的开始位置时，所述的部分体积被所述的空气填充。
目前，当所述的操作按键18被启动，所述的支撑物20会被旋转，且结果是一个电容器的电极距离会减少且另一个电容器的电极距离会增加。在所述的电极距离减少的情况下，空气会从所述的气体体积44中挤出，且最后会被所述的电介质42的材料“代替”。因此，介于所述的电容器的电极之间的空气的部分会减少，其会导致电容容量的改变的增加，使得可能通过改善的可靠性以及更大的信号变化探测到所述的操作按键18的运动。所述的电介质42的相对介电常数比存在于所述的气体体积44中的空气的相对介电常数高的多的事实也对这起了作用。
根据图1所述的设置的构造上的实现可包括例如形成在其中穿过接触的纵向孔(参见凹槽29)的垂直地设置的电路板(参看支撑体31)。然后，所述的贯穿孔接触在两个对立末端是隔断的，从而产生了两个电极30、32。在所述的纵向孔(参见凹槽29)中，进一步地电极(包括所述的电极34以及36)是中间设置的。现在，如果其浸入至所述的纵向孔中的该电极会朝向所述的两个电极30、32其中任一个移动，介于所述的各个电极之间的所述的电容容量会增加，而介于各个其他电极之间的减少。为了增加待测电容容量以及实现力和位移的关联，弹性的电介质42(例如橡胶)被插入至电极之间。为了增加根据所述的位移的电容容量的变化，所述的电介质42，具有例如压型形状以使，当在施力的影响下变形发生时，由于所述的压型形状，其会导致存在于所述的电极之间的空气的部分的减少。从而，当介于所述的电极之间的距离变化时，介于被所述的第一电介质42占据的电极之间的体积的部分与所述的被空气占据的部分的比率改变。由于橡胶以及各个第一电介质比空气具有相当大的相对介电常数，在介于所述的电极之间的距离变化的情况下的电容容量的改变因此会比如果介于不同位置的电极之间的电介质始终如一的大。因此，实现了电容的简单的可探测的，其也是可靠的变化。
图2展现了一可代替的典型的实施例，在其中本发明的电容传感器设备被应用至其中所述的操作按键被设计为按压按键的情况中。就根据图1中对应于在图2(即结构上相同或者功能上类似)中的这些元件而言，他们在图2中用与图1中相同的参考数字标记。因此，正如在根据图1的所述的典型的实施例中，在所述的按键被启动后以及所述的在所述的按键上的力的实施已经结束，根据图2中的所述的弹性第一电介质42也可以用于所述的操作按键18的自动复位。

Claims (8)

1.一种用于探测目标的运动的电容传感器，尤其是用于探测操作单元的按键的动作，包括：
－第一电极(30；32)，
－提供连接或机械耦合至，或者设置于所述的目标上的第二电极(34；36)，当所述的目标运动时，所述的第二电极与所述的第一电极(30；32)的距离改变，
－所述的两个电极(30，34；32，36)与介于所述的电极(30，34；32，36)之间的体积(40)形成第一电容器(26；28)，当所述的目标运动时，其的大小改变，以及
－估算单元(38)，连接至所述的两个电极(30，34；32，36)，且运行以确定由于他们间距和体积的变化所导致的介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的电容容量的变化，
其特征在于，
－可变形的、非气态的第一电介质(42)设置于所述的两个电极(30，34；32，36)之间，
－所述的第一电介质(42)定义了至少一个气体体积(44)或者，与所述的两个电极(30，34；32，36)中至少一个一起定义了一个气体体积(44)，所述的气体体积(44)被气态第二电介质填充，
－当所述的两个电极(30，34；32，36)彼此接近时，所述的第二电介质的至少一部分从所述的气体体积(44)以及从介于所述的两个电极之间的所述的体积(40)中溢出，以及，
－当所述的两个电极(30，34；32，36)彼此接近时，介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的所述的体积(40)的被所述的第一电介质(42)占据的部分增加，且介于所述的两个电极(30，34；32，36)之间的所述的体积(40)的被所述的第二电介质占据的部分减少。
2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述的第一电介质(42)包括一开孔材料。
3.根据权利要求1或2任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述的至少一个气体体积(44)由在所述的第一电介质(42)中朝向介于所述的电极(30，34；32，36)之间的体积(40)的外部开设的凹槽，或者所述的第一电介质(42)的类似的表面轮廓形成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述的第一电介质(42)是有弹性的。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述的第一电介质(42)是以棱镜的方式形成的形状体，且具有两个面向所述的电极(30，34；32，36)的外侧面，以及所述的气体体积(44)是介于所述的外侧面和所述的电极(30，34；32，36)之间形成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述的第一电介质(42)是弹性体，尤其是橡胶。
7.根据权利要求1至6任一项所述的电容传感器，其特征在于，所述的第一电介质(42)比第二电介质具有较大的电介质常数。
8.根据权利要求1至7任一项所述的电容传感器，其特征在于，其包括第一电极(30；32)以及提供连接或机械耦合至，或者设置于所述的目标上的第二电极(34；36)的第二电容器(26；28)，在其中，在所述的目标运动的情况下，所述的两个电容器(26；28)的介于所述的电极(30，34；32，36)之间的距离会以相反的方向改变，在其中两个电容器(26；28)都包括介于他们之间的一非气态第一和气态第二电介质，以及在其中，两个电容器(26；28)的电极(30，34；32，36)都连接至所述的估算单元(38)。
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