DE102005007939B4 - Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor - Google Patents

Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor Download PDF

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Abstract

Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor, mit
einer Sensorschaltung (KSS);
einem Frequenzgenerator (FG) zum Erzeugen eines Frequenzsignals, das an den RC-Spannungsteiler der Sensorschaltung (KSS) angelegt wird; und
einer Auswerteschaltung (AS), der ein Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) zugeführt wird, zum Bestimmen, ob das kapazitive Sensorelement (Ct) betätigt wird oder nicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorschaltung (KSS) einen RC-Spannungsteiler bestehend aus einem kapazitiven Sensorelement (Ct) und einem Widerstand (R1) enthält; und
dass die Auswerteschaltung (AS) eine Filtereinrichtung (TP1, S) zum Herausfiltern einer Drift eines Arbeitspunktes der Sensorschaltung (KSS) ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements und vor der Filtereinrichtung (TP1, S) ein Tiefpassfilter (TP2) zum Herausfiltern hochfrequenter Störanteile aus dem Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor.
  • In vielen elektrischen Geräten, insbesondere auch in Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen, Waschmaschinen und dergleichen, werden immer häufiger Berührungsschalter eingesetzt, die durch ein einfaches Berühren durch einen Benutzer einen bestimmten Schaltvorgang auslösen. Im Fall eines kapazitiven Berührungssensors bzw. -schalters weist die Sensorschaltung zum Beispiel ein Kondensator-Flächenelement auf, das zusammen mit dem Benutzer eine Kapazität bildet, die entsprechend dem Betätigen des kapazitiven Sensorelements, d. h. dem Berühren oder Nicht-Berühren des Kondensator-Flächenelements variabel ist. Die Veränderung der Kapazität des kapazitiven Sensorelements durch eine Berührung durch den Benutzer wirkt sich entsprechend auf ein Ausgangssignal der Sensorschaltung aus, was von einer angeschlossenen Auswerteschaltung entsprechend als eine Betätigung des kapazitiven Berührungssensors ausgewertet wird.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor ist zum Beispiel aus den Dokumenten DE 32 45 803 A1 , DE 103 03 480 A1 oder EP 0 859 468 B1 bekannt, die sich insbesondere mit den Sensorschaltungen solcher kapazitiver Berührungssensoren befassen.
  • Ferner offenbart die DE 197 06 167 A1 eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor, auf welcher der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert. Diese herkömmliche Schaltungsanordnung weist eine Sensorschaltung, die ein kapazitives Sensorelement als Teil eines CC-Spannungsteilers enthält; eine Ansteuerschaltung mit einem Frequenzgenerator zum Erzeugen eines Frequenzsignals, das an den Spannungsteiler der Sensorschaltung angelegt wird; und eine Auswerteschaltung, der ein Ausgangssignal der Sensorschaltung zugeführt wird, zum Bestimmen, ob das kapazitive Sensorelement betätigt wird oder nicht, auf. Die Sensorschaltung enthält außerdem ihrem Ausgang zur Auswerteschaltung vorgeschaltet ein RC-Filter, welches das Signal der Sensorschaltung in eine Gleichspannung umwandelt, die nur von dem festen Tastverhältnis, dem festen Signalpegel und dem variablen Betätigungszustand des Berührungsschalters abhängt. Ferner ist die Auswerteschaltung so konstruiert, dass sie das Ausgangssignal der Sensorschaltung über einen gewissen Zeitraum hinweg integriert, um Störsignale mit einer festen Frequenz herauszufiltern. Sich nur sehr langsam verändernde Umgebungseinflüsse, die sich auf die Gesamtkapazität des Spannungsteilers der Sensorschaltung auswirken, werden weder in der Sensorschaltung noch in der Auswerteschaltung dieser herkömmlichen Schaltungsanordnung berücksichtigt.
  • Des Weiteren ist aus der DE 197 01 899 A1 eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor bekannt, bei welcher der Auswertestufe ein Filternetzwerk mit mehreren Tiefpassfiltern vorgeschaltet ist, um beim Ankoppeln des Gleichspannungsdifferenzsignals aus einem Messzweig und einem Referenzzweig an die Auswertestufe hochfrequente Störanteile herauszufiltern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor zu entwickeln, welche die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des kapazitiven Berührungssensors verbessert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Die Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor enthält eine Sensorschaltung, die einen RC-Spannungsteiler bestehend aus einem kapazitiven Sensorelement und einem Widerstand enthält; einen Frequenzgenerator zum Erzeugen eines Frequenzsignals, das an den RC-Spannungsteiler der Sensorschaltung angelegt wird; und eine Auswerteschaltung, der ein Ausgangssignal der Sensorschaltung zugeführt wird, zum Bestimmen, ob das kapazitive Sensorelement betätigt wird oder nicht. Die Auswerteschaltung weist gemäß der Erfindung eine Filtereinrichtung, die eine Drift eines Arbeitspunktes der Sensorschaltung ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements herausfiltert, sowie vor der Filtereinrichtung ein Tiefpassfilter zum Herausfiltern hochfrequenter Störanteile aus dem Ausgangssignal der Sensorschaltung auf.
  • Durch das Herausfiltern der Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements wird gewährleistet, dass das Ausgangssignal der Sensorschaltung unabhängig von einer solchen Drift korrekt ausgewertet werden kann. Hierdurch erhöhen sich die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des kapazitiven Berührungssensors gegenüber solchen System, die die Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung nicht herausfiltern, deutlich. Zudem werden die hochfrequenten Störanteile aus dem Ausgangssignal der Sensorschaltung mittels eines der Filtereinrichtung vorgeschalteten Tiefpassfilters herausgefiltert.
  • Die Erfindung geht dabei von den folgenden Überlegungen aus. Die Ausgangsspannung der Sensorschaltung hängt von der Größe der Kapazität des kapazitiven Sensorelements ab. Liegt keine Betätigung des kapazitiven Berührungssensors, d. h. keine Berührung des kapazitiven Sensorelements vor, so ist keine Kapazität des kapazitiven Sensorelements vorhanden, was eine höhere Ausgangsspannung der Sensorschaltung bewirkt. Bei einer realen Schaltungsanordnung enthält die Sensorschaltung jedoch weitere, zum Teil parasitäre Kapazitäten, welche die Gesamtkapazität des RC-Spannungsteilers erhöhen, sodass sich die Differenz der Ausgangsspannung der Sensorschaltung zwischen den beiden Zuständen „Sensor betätigt" und „Sensor nicht betätigt" entsprechend reduziert. Hinzu kommen verschiedene, sich nur sehr langsam verändernde Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Temperaturänderungen, Feuchtigkeitsänderungen und Alterungsprozesse der Bauelemente, die sich ebenfalls auf die Gesamtkapazität des RC-Spannungsteilers und auch auf andere elektrische Größen der Sensorschaltung auswirken. Durch diese Einflüsse entsteht eine Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung, d. h. des Wertes der Ausgangsspannung ohne Be tätigung des Berührungssensors, die nicht verhindert werden kann. Da sich eine solche Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung nur sehr langsam ändert, d. h. wesentlich langsamer als das von dem Frequenzgenerator erzeugte Frequenzsignal und auch wesentlicher langsamer als eine Veränderung des Ausgangssignals aufgrund einer Zustandsänderung des Berührungssensors, lässt sich diese Drift herausfiltern, sodass sie nicht in die Auswertung einfließt.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteschaltung einen Vergleicher auf, der das Ausgangssignal der Sensorschaltung nach dem Herausfiltern der Drift des Arbeitspunktes mit einem Schwellenwert vergleicht, der ein relativer Schwellenwert bezogen auf den Arbeitspunkt der Sensorschaltung ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Filtereinrichtung der Auswerteschaltung ein weiteres Tiefpassfilter mit einer derart niedrigen Grenzfrequenz, dass es den Arbeitspunkt der Sensorschaltung ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements erfasst, und eine Subtraktionsschaltung zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Sensorschaltung und dem Ausgangssignal des weiteren Tiefpassfilters auf.
  • Vorzugsweise ist die Auswerteschaltung in Form einer Software in einer Steuervorrichtung realisiert.
  • Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Grundaufbaus einer Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung der Schaltungsanordnung von 1;
  • 3 ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung der Schaltungsanordnung von 1; und
  • 4 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Auswerteschaltung der Schaltungsanordnung von 1, bevorzugt als Softwarelösung realisiert.
  • 1 zeigt zunächst den Grundaufbau einer Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor, der in elektrischen Geräten, insbesondere in elektrischen Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen, Waschmaschinen und dergleichen, einsetzbar ist.
  • Der kapazitive Berührungssensor umfasst eine (kapazitive) Sensorschaltung KSS, die ein kapazitives Sensorelement (später beschrieben) enthält, einen Frequenzgenerator FG, der mittels einer Spannungsquelle V1 (siehe 2) ein Frequenzsignal erzeugt, das an die Sensorschaltung KSS angelegt wird, und eine Auswerteschaltung AS, der das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS zugeführt wird. Das kapazitive Sensorelement weist zum Beispiel ein Kondensator-Flächenelement auf, das zusammen mit dem Benutzer eine Kapazität bildet, die entsprechend dem Betätigen des kapazitiven Sensorelements, d. h. dem Berühren oder Nicht-Berühren des Kondensator-Flächenelements variabel ist. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine besondere Art oder eine besondere Anordnung des kapazitiven Sensorelements beschränkt.
  • Anhand der Blockschaltbilder der 2 und 3 werden nachfolgend zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer möglichen Sensorschaltung KSS des kapazitiven Berührungssensors von 1 erläutert. Der Fachmann wird die vorliegende Erfindung aber problemlos auch auf weitere Ausführungsformen von kapazitiven Sensorschaltungen übertragen können.
  • Der Frequenzgenerator FG erzeugt in beiden Fällen mittels einer Spannungsquelle V1 ein Rechtecksignal. Dieses Rechtecksignal hat zum Beispiel eine Frequenz von etwa 1 MHz, ein Tastverhältnis von 50% und Spannungspegel von 0 V (L) und 5 V (H), ohne dass die vorliegende Erfindung auf dieses spezielle Rechtecksignal beschränkt wäre.
  • Weiter ist das kapazitive Sensorelement Ct in beiden Fällen Teil eines RC-Spannungsteilers, der durch dieses kapazitive Sensorelement Ct und einen Widerstand R1 gebildet wird. Das kapazitive Sensorelement Ct bildet dabei die Kapazität, die in Abhängigkeit von der Betätigung des Berührungssensors auf den Knotenpunkt K1 eingebracht wird. Wird der kapazitive Berührungssensor nicht betätigt, d. h. das kapazitive Sensorelement nicht berührt, so ist die Kapazität nicht vorhanden (Ct = 0).
  • Die Spannung am Knotenpunkt K1, die von der jeweiligen Größe der Kapazität Ct abhängig ist, wird mittels einer Diode D1 gleichgerichtet und mittels eines Kondensators C1 geglättet. Über dem Kondensator C1, d. h. am Knotenpunkt K2 ergibt sich somit eine Gleichspannung Out, deren Höhe von dem Kapazitätswert Ct abhängig ist. Ist die Kapazität Ct nicht vorhanden, so ergibt sich eine höhere Ausgangsspannung Out, wird der kapazitive Berührungssensor betätigt, so ergibt sich eine niedrigere Ausgangsspannung Out. Die Ausgangsspannung Out wird, wie oben erwähnt, der Auswerteschaltung AS zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
  • Liegt keine Berührung des kapazitiven Sensorelements vor, d. h. Ct = 0, müsste sich im Idealfall eine Ausgangsspannung Out ergeben, die der um die Flussspannung der Diode D1 reduzierten Pulsspannung des Frequenzsignals entspricht. Dies ist jedoch nicht der Fall, da beim realen Aufbau der Sensorschaltung KSS durch die parasitäre Kapazität Cp1 der Diode D1 am Knotenpunkt K1 parallel zur Kapazität Ct auch die Reihenschaltung aus den Kapazitäten Cp1 + C1 anliegt. Die Gesamtkapazität am Knotenpunkt K1, die beim realen Aufbau der Sensorschaltung für den RC-Spannungsteiler maßgebend ist, wird somit durch die Parallelschaltung der Kapazität Ct und der Reihenschaltung der Kapazitäten Cp1 und C1 gebildet. Das Vorhandensein dieser realen Gesamtkapazität wirkt sich in etwas reduzierten Pegeln der Ausgangsspannung Out und einem etwas reduzierten Spannungshub zwischen den Zuständen „Berührungssensor betätigt" und „Berührungssensor nicht betätigt" aus.
  • Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung dadurch, dass die Sensorschaltung KSS anstelle der Einweggleichrichtung mit Glättung eine Verdopplerschaltung enthält, die aus den Kondensatoren C1, C2 und den Dioden D1, D2 gebildet ist.
  • Aufgrund der parasitären Diodenkapazitäten Cp1 und Cp2 sowie den Diodenflussspannungen der Dioden D1 und D2 wird jedoch beim realen Aufbau der Schaltung am Knotenpunkt K2 keine Signalverdopplung, sondern nur eine Signalvergrößerung erreicht. Die Gesamtkapazität des RC-Spannungsteilers am Knotenpunkt K1 der Sensorschaltung KSS wird in diesem Fall durch die Parallelschaltung der Kapazität Ct einerseits und der Reihenschaltung der Kapazität C2 mit der Parallelschaltung der Kapazität Cp2 und der Reihenschaltung der Kapazitäten Cp1 und C1 andererseits gebildet.
  • Bezug nehmend auf das Schaltungsdiagramm von 4 wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung AS der Schaltungsanordnung des kapazitiven Berührungssensors von 1 erläutert.
  • Die Auswerteschaltung AS enthält eine Filtereinrichtung, bestehend aus einem ersten Tiefpassfilter TP1 und einer Subtraktionsschaltung S, ein zweites Tiefpassfilter TP2 sowie einen Vergleicher V. Das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS wird zunächst dem zweiten Tiefpassfilter TP2 zugeführt. Die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters TP2 ist dabei so gewählt, dass das Ausgangssignal des Tiefpassfilters TP2 dem Eingangssignal, d. h. dem Ausgangssignal Out der Sensorschaltung, schnell folgt und dass hochfrequente Störungen aus der Ausgangsspannung Out der Sensorschaltung KSS herausgefiltert werden. Die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters TP2 entspricht zum Beispiel einer Periode im Zehntelsekundenbereich. Die Periode sollte bevorzugt etwa 60 ms nicht unterschreiten, um eine Betätigung des kapazitiven Berührungssensors noch sicher erkennen zu können.
  • Das Ausgangssignal des zweiten Tiefpassfilters Tp2 wird einerseits einem positiven Eingangsanschluss der Subtraktionsschaltung S zugeführt und andererseits einem Eingang des ersten Tiefpassfilters Tp1 zugeführt. Die Grenzfrequenz dieses ersten Tiefpassfilters Tp1 ist wesentlich tiefer gewählt als die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters Tp2; sie entspricht zum Beispiel einer Periodendauer von einigen Sekunden oder sogar Minuten. Die Aufgabe des ersten Tiefpassfilters Tp1 ist es, der Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung KSS, d. h. des Wertes der Ausgangsspannung Out ohne Betätigung des Berührungssensors zu folgen.
  • Das Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters Tp1 wird einem negativen Eingangsanschluss der Subtraktionsschaltung S zugeführt. Die Subtraktionsschaltung S berechnet somit die Differenz zwischen dem Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS und der Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung KSS. Das Ausgangssignal dieser Subtraktionsschaltung S wird dem Vergleicher V zugeführt, der den obigen Differenzwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert SW vergleicht, um zu bestimmen, ob der kapazitive Berührungssensor betätigt wird oder nicht.
  • Durch die oben beschriebene Filtereinrichtung aus Tp1 und S wird eine Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung KSS, die sich bei einem realen Aufbau der Sensorschaltung aufgrund von Temperaturänderungen, Feuchtigkeitsschwankungen, Alterungsprozessen der Bauelemente und dergleichen nicht vermeiden lässt. Aus dem Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS herausgefiltert und geht somit nicht in die Auswertung mit ein. An dem Vergleicher V der Auswerteschaltung AS wird daher kein absoluter Schwellenwert, sondern ein relativer Schwellenwert, der sich auf den Arbeitspunkt der Sensorschaltung bezieht, verwendet.
  • Das zweite Tiefpassfilter Tp2 ist für die erfindungsgemäße Funktionsweise der Auswerteschaltung AS nicht zwingend erforderlich und kann daher bei Bedarf auch weggelassen werden.
  • Die oben beschriebenen Elemente der Auswerteschaltung AS werden vorteilhafterweise durch eine Softwarelösung in einer Steuerschaltung wie beispielsweise einem Mikrocontroller realisiert. Hierzu wird das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS vor der Auswertung zunächst an einen A/D-Umsetzer der Steuerschaltung geführt.

Claims (4)

  1. Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor, mit einer Sensorschaltung (KSS); einem Frequenzgenerator (FG) zum Erzeugen eines Frequenzsignals, das an den RC-Spannungsteiler der Sensorschaltung (KSS) angelegt wird; und einer Auswerteschaltung (AS), der ein Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) zugeführt wird, zum Bestimmen, ob das kapazitive Sensorelement (Ct) betätigt wird oder nicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (KSS) einen RC-Spannungsteiler bestehend aus einem kapazitiven Sensorelement (Ct) und einem Widerstand (R1) enthält; und dass die Auswerteschaltung (AS) eine Filtereinrichtung (TP1, S) zum Herausfiltern einer Drift eines Arbeitspunktes der Sensorschaltung (KSS) ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements und vor der Filtereinrichtung (TP1, S) ein Tiefpassfilter (TP2) zum Herausfiltern hochfrequenter Störanteile aus dem Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) aufweist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (AS) einen Vergleicher (V) aufweist, der das Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) nach dem Herausfiltern der Drift des Arbeitspunktes mit einem Schwellenwert (SW) vergleicht, wobei der Schwellenwert (SW) ein relativer Schwellenwert bezogen auf den Arbeitspunkt der Sensorschaltung (KSS) ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (TP1, S) ein weiteres Tiefpassfilter (TP1) mit einer derart niedrigen Grenzfrequenz, dass es den Arbeitspunkt der Sensor schaltung (KSS) ohne Betätigung des kapazitiven Sensorelements erfasst, und eine Subtraktionsschaltung (S) zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem Ausgangssignal (Out) der Sensorschaltung (KSS) und dem Ausgangssignal des weiteren Tiefpassfilters (TP1) aufweist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (AS) als eine Software einer Steuervorrichtung realisiert ist.
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