DE102006051178A1

DE102006051178A1 - Verfahren und Schaltung zur Erfassung der Präsenz, Position und/oder Annäherung eines Objektes an wenigstens eine Elektrodeneinrichtung

Info

Publication number: DE102006051178A1
Application number: DE102006051178A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr. Fasshauer
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Bewerkstelligung der Erfassung der Präsenz, der Position und/oder des Eindringens eines Objekts, insbesondere von Gliedmaßen, in einem bzw. in einen Observationsbereich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben, die es ermöglichen, die Näherung eines Objektes, insbesondere eines belebten Körpers, an eine Sensorelektrode in einer gegenüber bisherigen Ansätzen sichereren Weise zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltung zur Erfassung der Position und/oder Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, mit einer Sensorelektrodenanordnung, die eine erste Elektrodeneinrichtung umfasst, wobei die Elektrodeneinrichtung einen Teil eines Kondensatorsystems bildet, dessen Kapazität gegen ein Referenzpotential (z. B. gegen Erde) von der Präsenz oder Positon von Objekten in dem Observationsbereich abhängig ist, einer mit der Sensorelektrodeneinrichtung gekoppelten Auswertungsschaltung, einem LC-Netzwerk, das mit jenem Kondensatorsystem gekoppelt ist, und einer Generatoreinrichtung zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung und des LC-Netzwerkes gebildeten Systems mit einer Frequenz im Bereich einer Parallelresonanzfrequenz des LC-Netzwerkes.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Bewerkstelligung der Erfassung der Präsenz, Position, und/oder des Eindringens eines Objektes, insbesondere von Gliedmaßen in einem bzw. in einen Observationsbereich. Die Erfindung richtet sich hierbei insbesondere auch auf ein Verfahren und eine Schaltung gemäß welchem, bzw. welcher die entsprechende Detektion auf Grundlage feldelektrischer Wechselwirkungseffekte erfolgt.

Es sind Näherungs- oder Berührungssensoren bekannt, bei welchen eine Präsenzerfassung auf Grundlage feldelektrischer Wechselwirkungseffekte durchgeführt wird. Maßgeblich ist hierbei eine elektrische Eigenschaft des menschlichen Körpers, die darin besteht, dass der leitende Körper in der Nähe einer Signalelektrode, an der eine Spannung gegenüber Erdpotential anliegt, das hiervon ausgehende elektrische Feld beeinflusst. Eine quantitative Beschreibung dieses Effektes erfolgt durch Kapazitäten, da der Körper aufgrund seiner Leitfähigkeit ein eingekoppeltes Feld vom Körper weg abstrahlt, wodurch er gegen Erde eine erhebliche Kapazität von typischerweise ca. 120 pF bis 150 pF bildet. Hierdurch verändert der Körper durch Annäherung oder Berührung die Kapazität einer Signalelektrode. Die Kapazität der Signalelektrode ist bei bekannten Erfassungssystemen häufig frequenzbestimmend. Durch Frequenzmessung kann die Annäherung detektiert werden.

Ein Problem hierbei ist die für bestimmte Anwendungen erforderliche Empfindlichkeit und Störfestigkeit des Verfahrens. Bei der Detektion kleinster Körperteile, wie z.B. eines Fingers ergeben sich häufig nur geringe Kapazitätsänderungen von 0,01 bis 0,1 pF, die noch erkannt werden müssen. Die erreichbare Empfindlichkeit wird dabei durch die relative Kapazitätsänderung gegenüber der Grundkapazität eines Oszillators bestimmt, die daher möglichst klein sein sollte, was wiederum eine hohe Schwingfrequenz bedeutet, die einmal hinsichtlich der EMV Problematik und außerdem gegen von außen einwirkende Störspannungen kritisch sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben, die es ermöglichen, die Näherung eines Objektes, insbesondere eines belebten Körpers, an eine Sensorelektrode in einer gegenüber bisherigen Ansätzen empfindlicheren und gleichzeitig sichereren Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltung zur Erfassung der Position und/oder Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, mit:

– einer Sensorelektrodenanordnung, die eine Elektrodeneinrichtung umfasst, die Teil eines Kondensatorsystems ist, dessen Kapazität gegen ein Referenzpotential (z.B. gegen Erde) von der Präsenz, oder Position von Objekten in dem Observationsbereiches abhängig ist,
– einer mit der Sensorelektrodeneinrichtung gekoppelten Auswertungsschaltung,
– einem LC-Netzwerk das mit jenem Kondensatorsystem gekoppelt ist, und
– einer Generatoreinrichtung zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung und des LC-Netzwerkes gebildeten Systems mit einer Frequenz im Bereich einer Parallelresonanzfrequenz des LC-Netzwerkes.

Diese Schaltung ermöglicht es, eine Annäherung eines Objektes an die Sensorelektrode mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit festzustellen.

Vorzugsweise ist die Auswertungsschaltung derart konfiguriert und aufgebaut, dass diese eine Annäherung eines Objektes an die Sensorelektrodeneinrichtung anhand einer Änderung des Resonanzverhaltens detektiert. Als Änderung des Resonanzverhaltens wird gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Veränderung der Phasenlage eines Vergleichssignals aus dem LC-Netzwerk gegenüber einem Vergleichssignal aus dem Bereich des Generators erfasst. Das aus dem Bereich des Generators abgegriffene Signal kann die Generatorspannung oder insbesondere auch ein Generatortriggersignal sein.

Das LC-Netzwerk selbst umfasst vorzugsweise wenigstens eine Induktivität und wenigstens einen Kondensator zur Bildung eines Parallelschwingkreises.

Die Einkoppelung des Generatorsignals erfolgt vorzugsweise kapazitiv in die Sensorelektrode, und dient dem Betrieb des Parallelschwingkreises im Bereich der Parallelresonanzfrequenz.

Die Auswertungsschaltung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese eine Änderung der Kapazität des Kondensatorsystems anhand einer Phasenverschiebung detektiert. Alternativ hierzu, oder in besonders vorteilhafter Weise auch in Kombination mit der vorgenannten Maßnahme ist es auch möglich, die Schaltung so auszubilden, dass eine Änderung der Kapazität des Kondensatorsystems anhand einer Amplitudenänderung, des zeitlichen Verlaufs des Stroms, oder der Spannung im Parallelschwingkreis detektiert wird.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Fahrzeugtürverriegelungssystem mit einer Schaltung der vorgenannten Art.

Die Erfindung richtet sich weiterhin auch auf ein Absicherungssystem mit einer Schaltung der vorgenannten Art.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Positionserfassungssystem mit wenigstens einer Schaltung der vorgenannten Art bei welchem ein oder mehrere Sensor-Kondensatorsysteme vorgesehen sind, über welche Abstandsinformationen gewonnen werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich diese auch auf ein Verfahren zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, unter Verwendung eines Kondensatorsystems dessen Kapazität von der Präsenz jenes Objektes in dem Observationsbereich abhängig ist, wobei bei diesem Verfahren ein System das eine Sensorelektrode und ein damit gekoppeltes LC-Netzwerk umfasst, durch Anlegen eines Erregers mit einer Frequenz im Bereich der Parallelresonanzfrequenz des LC-Netzwerkes betrieben wird und eine Änderung der Phase des Erregers gegenüber einer Schwingung im Schwingkreis ermittelt wird.

Es ist möglich, anstelle der Phase des Erregers auch die Phase eines Vergleichssignals heranzuziehen das aus einem Referenz-LC-Netzwerk abgegriffen wird. Durch die Änderung der dielektrischen Eigenschaften in der Umgebung der Sensorelektrode wird das Resonanzverhalten der beiden LC-Netzwerke zueinander beinflusst. Dieses kann anhand einer Änderung der Phasenlage der entsprechenden Signale zueinander bewertet werden.

Es ist möglich, die Erregerfrequenz zu variieren. Die Veränderung der Erregerfrequenz kann in Abhängigkeit von der Phasenlage erfolgen. Der Änderungsbedarf der Erregerfrequenz kann hierbei als Präsenzsignal ausgewertet werden.

Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, systematische Änderungen der Kapazität eines unter Einschluss der Sensorelektrode gebildeten Kondensatorsystems definiert zu kompensieren. Derartige systematische Änderungen können beispielsweise auftreten, wenn die Sensorelektroden im Zusammenspiel mit Bewegtsystemen (z.B. Fensterhebern, Schiebedächern, Verdeckanordnungen, Sitzstellsystemen, Türen, Klappen, insbesondere Kofferraumdeckeln) Anwendung finden. Zweck derartiger Elektroden kann dabei die Detektion von Gliedmaßen in verletzungsrelevanten Zonen sein. Die systematischen Änderungen der Kapazität des Sensorelektroden-Kondensatorsystems können dabei berücksichtigt werden, indem in jenem die Sensorelektrode umfassenden LC-Netzwerk Kompensationsvorgänge abgewickelt werden. Diese Kompensationsvorgänge können insbesondere über Schaltungsabschnitte mit einem Varactordiodensystem, und/oder einem Gyratorsystem abgewickelt werden. Durch diese Ansätze wird es möglich, auch bei stellvorgangsbedingten Änderungen der Kapazität des unter Einschluss der Sensorelektrode gebildeten Kondensatorsystems das System im Bereich einer Parallelresonanzfrequenz zu betreiben und damit Ereignisdetektionen bei im wesentlichen gleichbleibender Detektionsfrequenz durch Phasenverschiebungseffekte zu detektieren.

Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist es möglich, über die genannten Kompensationsschaltungen (z.B. Varactor-Diode, sowie Gyrator) das System permanent im Bereich einer vorteilhaften Systemfrequenz zu betreiben. Als Detektionsereignis kann dann der Nachstellbedarf am Gyrator- oder Varaktordiodensystem interpretiert werden. Insbesondere kann ein Detektionsereignis erkannt werden, wenn der Nachstimmungsbedarf des Ausgleichssystems eine andere Dynamik aufweist, als diese durch die Dynamik eines momentan ablaufenden Stellvorgangs begründet ist. Ein Störereignis, oder eine Objektnäherung kann dann erkannt werden, wenn die Ableitung des Nachstellbedarfs am Kompensationssystem um einen bestimmten (ggf, nach einer Funktion variierenden) Betrag von einer Ableitung abweicht die sich hinsichtlich des Nachstellbedarfs des Kompensationssystem bei ordnungsgemäßem Stellvorgang ergibt.

Es ist möglich, über den Nachstellbedarf des Kompensationssystems auch den Näherungszustand eines Objektes Sensor an die Elektrodeneinrichtung zu detektieren. Der Schaltungsansatz kann hierbei derart gewählt sein, dass das LC-Netwerk stets bei Parallelresonanz, oder mit einem bestimmte Phasenversatz des Erregungsereignisses gegenüber der Resonanzschwingung betrieben wird, und auf der Seite des Resonanzsystems eine Nachstellung zur Beibehaltung des Phasenversatzes (oder zur Realisierung eines definierten Versatzzustandes) vorgenommen wird. Dieser Nachstellbedarf kann als Auswertungsgrundlage für die Angabe des momentanen Näherungszustandes verwendet werden.

In vorteilhafter Weise erfolgt insoweit eine Nachführung der Generatorfrequenz zur Anpassung an sich ändernde Kapazitäten, die z.B. bei bewegten Objekten wie Fenstern oder Schiebedächern auftreten können. Die dynamische Anpassung der Sensorkennlinie an die Bewegung unter Beibehaltung der Phasensteilheit des Sensors hat den Vorteil, dass während eines Bewegungs- oder Stellvorganges die Detektionsempfindlichkeit des Systems aufrecht erhalten bleibt.

Vorzugsweise erfolgt eine Erhöhung des die Sensorempfindlichkeit bestimmenden Gütefaktors des Schwingkreises durch gleichphasige Rückkopplung mittels einer Kapazität auf den Schwingkreis, wodurch dieser entdämpft wird und dadurch die Güte bzw. die Sensitivität des Sensors steigt.

Eine gleichphasige Rückkopplung ergibt sich automatisch auch durch Verwendung einer Abschirmung (Shield) der am Resonanzkreis angeschlossenen Elektrode gegenüber einem Bezugspotential wie z.B. Erde oder bei Fahrzeugen dem Chassis, wenn diese Abschirmung gleichphasig angekoppelt wird. Infolge einer kapazitiven Kopplung zwischen Elektrode und Shield ergibt sich dann ein Rückkopplungseffekt, der bei geeigneter Dimensionierung der Anordnung zu einer Entdämpfung des Resonanzkreises und damit vorteilhaft zu einer Erhöhung der Sensorempfindlichkeit führt.

Es ist möglich, die Spule als Induktivität durch eine aktive Schaltung zu ersetzen, mit der beispielsweise eine Kapazität in eine Iduktivität transformiert wird (Gyrator).

Es ist möglich, die erfindungsgemäße Schaltung zur Bereitstellung des LC-Netzwerkes in unmittelbarer Nachbarschaft der durch die Sensorelektrode zu observierenden Zone anzuordnen, so dass auf aufwendige, ggf. abgeschirmte Verbindungsleitung zwischen der Sensorelektrode und dem angekoppelten LC-Netwerk verzichtet werden kann.

Als Detektionsgrundlage kann dann beispielsweise lediglich die Information exportiert werden, mit welcher Frequenz das System läuft, und welche Kapazität, und/oder Induktivität im angekoppelten, auf die Parallelresonanzfrequenz abgestimmten LC-Netwerk momentan eingestellt ist. Abweichungen der Dynamik der Nachstellung von einer stellvorgangsbedingten Dynamiken der Nachstellung kann als Detektionsereignis, das Nachstellungsausmaß als Information über die tatsächliche Annäherung interpretiert werden.

Die Nachführung kann durch Adaption der Generatorfrequenz und/oder Adaption der Eigenschaften des Resonanzschaltkreises erfolgen. Vorzugsweise ist die Änderung so abgestimmt, dass die systematischen, also z.B. stellvorgangsbedingten Änderungen kompensiert werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1a eine Schaltungsskizze zur Erläuterung des Grundaufbaus eines Kapazitiv-Näherungssensorsystems;
1b eine Schaltungsskizze zur Erläuterung der elektrischen Verhältnisse des Systems nach 1 bei Präsenz eines Objektes im Observationsbereich;
2a eine Schaltungsskizze zur Erläuterung des Grundaufbaus eines Kapazitiv-Näherungssensorsystems mit einem Sensorsystem, das ein LC-Netzwerk umfasst, welches mit der Sensorelektrode gekoppelt ist.
2b ein Sensorsystem mit Rückkopplung zur Erhöhung der Empfindlichkeit.
3 ein Sensorsystem mit Rückkopplung infolge einer gleichphasigen Ansteuerung eines Shields zur Abschirmung der Elektrode
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Phasenänderung bei Variation der Kapazität
5 eine Blockschaltbild zur Erläuterung der Einbindung der Grundschaltung nach 2a in eine Auswertungsschaltung;
6 eine Elektrodenanordnung zur X- und Y Koordinatenerfassung gemäß dem Phasenverfahren
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Linearisierung der Phasenabhängigkeit von der Positionskoordinate x.
8 eine Elektrodenstruktur als Gitter zur Verbesserung der Genauigkeit einer Positionsbestimmung bei großen Flächen
9 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Mehrkanaldetektionssystems, bei welchem eine Feststellung des Näherungszustandes an mehreren Sensorelektroden durch sukzessive Bestimmung der Phasenlagen am LC-Netzwerk gegenüber dem Generatorsignal erfolgt.
10 eine Skizze zur Illustration der Einsatzmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung bei einer Fensterhebereinrichtung zur Kompensation stellvorgangsbedingter, d.h. durch den Scheibenhub verursachter systematischer und zulässiger Änderungen der Kapazität eines unter Einschluss einer Sensorelektrode (Strichpunktlinie) gebildeten LC-Sensorsystems.
Ein Konzept, die Annäherung eines Körpers an eine Sensorelektrode zu erfassen besteht darin, einen Signalgenerator über einen Kondensator C1 an eine Elektrode anzuschließen, die gleichzeitig mit einer Auswerteeinheit verbunden ist (1a). Hierdurch entsteht infolge einer Eingangskapazität C2 der Auswerteeinheit ein kapazitiver Spannungsteiler der eine vom Generator gelieferte Spannung am Eingang der Auswerteelektronik um den Faktor k = C1/C1 + C2 (1)abschwächt. Bei z.B. C1 = 1 pF und C2 = 10 pF werden ca. 9% der Generatorspannung am Eingang der Auswerteeinheit empfangen.
Nähert sich nun ein Körperteil K der Empfangselektrode, wie in 1b dargestellt, erhöht sich über die Körperkopplungskapazität Ck und die Groundkapazität Cg des Körpers die Eingangskapazität C2 auf einen größeren Wert C2* = C1 + Ck, da stets Cg >> Ck anzunehmen ist. Der Spannungsteilerfaktor beträgt damit k* = C1/C1 + C2 + Ck(2)
Für eine Kopplungskapazität des Körpers von z.B. Ck = 0,1 pF ändert sich daher die Empfangsspannung um ca. 1%. Die Empfindlichkeit der Anordnung ist relativ gering.
Die Empfindlichkeit wird um ein Vielfaches erhöht, indem am Eingang der Auswerteelektronik ein LC-Netzwerk angeordnet ist. Dieses besteht im einfachsten Fall aus einem Kondensator, zu welchem eine Induktivität L parallel geschaltet wird, wodurch die in 2a dargestellte Resonanzschaltung entsteht. Bei Abstimmung der Generatorfrequenz auf die Resonanzfrequenz dieses Netzwerkes entsteht infolge Resonanzüberhöhung am Auswerteeingang eine Spannung, die sogar größer sein kann, als die Generatorspannung, so dass diese auf wesentlich niedrigere Werte eingestellt werden kann als im Fall der Anordnung nach 1.
Der wesentliche Vorteil der Anordnung nach 2a liegt einmal darin, dass die Empfindlichkeit gegenüber Kapazitätsänderungen durch den Körper um ein Vielfaches gegenüber bisheri gen Verfahren gesteigert werden kann, indem ein Resonanzkreis infolge der Kapazitätsänderung aus der ursprünglich eingestellten Resonanz verstimmt wird und es hierdurch zu einer Amplituden- und Phasenänderung bezüglich des eingespeisten Generatorsignales kommt. Beide Signalparameter können zur Indikation einer Körpernäherung verwendet werden. Am vorteilhaftesten wird jedoch die Phasenlage ausgenutzt, da man damit weitgehend unabhängig von irgendwelchen Amplitudenänderungen auf der Generatorseite bleibt und außerdem hiermit eine noch größere Empfindlichkeit hinsichtlich Kapazitätsänderungen erreicht. Ferner kann bei Anwendung des Phasenverfahrens die Spannung am Resonanzkreis niedrig gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Feldemission an der Signalelektrode auswirkt und damit die EMV-Problematik bezüglich der Strahlungsemission vermindert.
Weiterhin ist ein Phasenverfahren prinzipiell auch unempfindlicher gegen von außen einwirkenden Störungen auf der Empfangsseite als ein Amplitudenverfahren. Hinzu kommt für den Fall der Störungen, dass mit dem Verfahren durch den schmalbandigen Resonanzkreis eine Filterung erfolgt und außerdem durch Wahl einer hohen Empfangsspannung der Störeinfluss weiter vermindert werden kann. Vorteilhaft ist es auch, für die Messung der Phasenverschiebung ein einfaches rein digitales Verfahren zu verwenden, wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird. Aus den dargelegten Gründen wird daher das Phasenverfahren bevorzugt und im weiteren näher beschrieben.
Die in 2a dargestellte Struktur umfasst zur erleichterten Veranschaulichung des erfindungemäßen Konzeptes eine Basisvariante eines LC-Netwerkes. Für diese Struktur erhält man aus der Theorie (z.B. in [1]) die Phasenverschiebung Φ zwischen dem Generatorsignal mit der Frequenz f und dem Empfangssignal aus Φ(f) = arctan[1/Q (f/f0)/(f/f0)2 – 1] (3)worin Q der Gütefaktor des Kreises und f₀ die Resonanzfrequenz ist.
Für die Phasensteilheit im Resonanzpunkt ergibt sich dann dΦ/df = – 2Q/f0 (4)
Aus Gl.3 ist ersichtlich, dass bei Resonanz die Phasenverschiebung 90° beträgt.
Die Änderung der Phase in der Nähe der Resonanzfrequenz ist nach Gl.4 umso größer, je höher der Gütefaktor Q ist. Hierin liegt die hohe Empfindlichkeit des Sensors begründet. Bei einer relativen Änderung der Kapazität von ΔC/C mit C = C1 + C2 ist die Phasenänderung Δϕ = (ΔC/C)Q (5)
Die Empfindlichkeit des Sensors ist nach Gl.5 proportional zum Gütefaktor Q und kann damit durch Wahl eines hohen Wertes gegenüber bisher bekannten Verfahren entscheidend gesteigert werden. Für ein Beispiel mit C1 = 1 pF, C2 = 10...11 pF, L = 10 mH und Q= 50 zeigt 4 die Variation der Phasenverschiebung abhängig von der eingespeisten Frequenz und der Kapazitätsänderung als Scharparameter. Bei einer Resonanzfrequenz von 480 kHz und einer Kapazitätserhöhung von 0,1 pF erhält man bereits eine Phasenverschiebung von 24°. Dies entspricht einer Änderung von 27% bezogen auf die Grundphase von 90°. Die gleiche Änderung würde im Fall der Anordnung von 1 lediglich einen Wert von ca. 1% ergeben.
Der für die Sensorempfindlichkeit maßgebliche Gütefaktor, der hauptsächlich vom Verlustwiderstand der Spule bestimmt wird, lässt sich dadurch erhöhen, dass entsprechend 2b die am Resonanzkreis anliegende Spannung über einen Operationsverstärker und einen Rückkopplungskondensator C_R gleichphasig zurückgekoppelt wird, wodurch der Kreis entdämpft wird und dadurch die Güte steigt. Ein gleicher Effekt lässt sich bei Verwendung eines Shields (3) zur Abschirmung der Sensorelektrode gegen Masseflächen erreichen, da dann zwischen Elektrode und Shield eine kapazitive Kopplung auftritt.
Auswerteelektronik
Nachfolgend wird eine elektronische Anordnung näher beschrieben, die zur Auswertung der Phasenverschiebung vorteilhaft verwendet werden kann (5). Ein Clockgenerator 1 erzeugt einen Takt von typischerweise 50...100 MHz, der in einem nachfolgenden Frequenzteiler 2 mit einer ganzen Zahl N so heruntergeteilt wird, dass die dem Netzwerk 3 von 2 entsprechende Resonanzfrequenz entsteht.
Im Beispiel von 5 beträgt der Teilerfaktor bei einer Clockfrequenz von 50 MHz und einer Resonanzfrequenz von 480 kHz dann N = 104.
Das Ausgangssignal dieses Netzwerkes mit einer im vorigen Abschnitt beschriebenen Grund-Phasenverschiebung von 90° wird einem Comparator 4 zugeführt und nachfolgend mit dem in Teiler 2 erzeugten Signal mittels einer EXOR-Funktion verknüpft, was mathematisch einer Multiplikation der beiden Signale entspricht. Hierdurch entsteht am EXOR-Ausgang ein digitales Signal mit einer Frequenz gleich der doppelten Resonanzfrequenz des Kreises und einer Impulsbreite, die direkt proportional zur Phasenverschiebung des Sensornetzwerkes 3 ist. Bei Auswertung dieser Impulsbreite mittels eines nachfolgenden Counters 6, der das Clocksignal während der Impulsdauer auszählt, ist das Zählergebnis ein Abbild der vom Sensornetz werk erzeugten Phasenverschiebung. Der vom Counter gelieferte Zählwert kann dann über einen digitalen Comparator 7 mit einem in 8 eingelesenen Wert verglichen werden und somit ein Indikationssignal ausgeben, das einer bestimmten Phasenänderung bzw. einem Annäherungszustand des Körpers entspricht. Eine andere Möglichkeit der Auswertung besteht darin, das Ausgangssignal des EXOR-Gatters über einen Tiefpass zu filtern, wodurch eine zur Phasenverschiebung proportionale Gleichspannung entsteht, die mittels eines AD-Wandlers und eines Mikrocontrollers dann ausgewertet werden kann.
Um Langzeitdriften des Clockgenerators oder im Netzwerk zu kompensieren, besteht die Möglichkeit, mittels des Zählwertes oder der gewonnenen Gleichspannung den Clockgenerator in seiner Frequenz so nachzuregeln, dass sich im Ruhezustand stets eine Ausgangs-Phasenverschiebung von 90° am Sensornetzwerk einstellt. Die Körpernäherung wird dann lediglich als Änderung des Zählwertes erfasst, womit sich eine differenzierende Funktion dieser Auswertung ergibt.
Vorteil der Erfindung und Anwendung
Der große Vorteil der erläuterten Anordnung von 5 ist es, die gesamte Auswerteelektronik mittels eines einzigen Mikrocontrollers in Verbindung mit nur einer entsprechend der Resonanz gewählten Induktivität zu realisieren um somit einen sehr empfindlichen Näherungssensor auf äußerst einfache, platzsparende und kostengünstige Weise zu erhalten.
Eine typische Applikation ist z. B. der Einbau dieses Sensors in den Griff einer Autotür in Verbindung mit einer keyless access Funktion, wobei die Netzwerkkapazitäten C1 und C2 durch entsprechende Elektrodenanordnungen im Griff gebildet werden. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept auch die Realisierung von Sensoren zur Überwachung von Gefährungsberei chen, z.B. Bewegtspalten an Fenster-, Verdeck- Tür-, oder Kofferaumdeckelsystemen. Die Elektrodeneinrichtungen können flächig oder auch drahtartig ausgebildet sein. Sie können auch durch elektrisch hinreichende Komponenten realisiert sein, die als solche weiterer Funktionen haben (z.B. Türgriff).
Die Elektrodeneinrichtungen können auch als Schnittstellenelektroden für weitergehenden Signaltransfer herangezogen werden. Das an den Elektroden anliegende Signal kann z.B. dazu verwendet werden, dieses Signal über den Körper zu einer Empfangseinrichtung zu übertragen, um zu detektieren, ob sich der Körper an einer bestimmten Position befindet, die durch den Ort des Empfängers gekennzeichnet ist. Hierdurch können weitere Funktionen, wie z. B. eine Sitzbelegung in einem Automobil detektiert werden.
In 6 ist ein Schema eines Positionserfassungssystems dargestellt, mit dem insbesondere eine Touchpad-artige Eingabefläche realisiert werden kann. Dabei wird der Näherungszustand an die jeweiligen X- und Y- Elektroden anhand einer Auswertung der Phasenlagen Φx und Φy ermittelt, um die Position eines Fingers z.B. auf der Eingabefläche bei Haushaltsgeräten zu bestimmen und damit virtuelle Tasten zu aktivieren oder auch Zeigefunktionen an Bildschirmen im Rahmen sogenannter Gestik-Systeme zu ermöglichen. Hierzu ist die Bestimmung der x und y-Koordinaten auf der jeweiligen Fläche erforderlich. Dazu wird vorteilhaft jeweils die Phasendifferenz ΔΦ = Φ1 – Φ2 und die Phasensumme ΣΦ= Φ1 + Φ2 der x und y Elektrodenpaare gebildet, wodurch eine Linearisierung der Koordinatenbestimmung möglich ist, wie in 7 am Beispiel der x-Koordinate gezeigt wird. Zunächst ergibt sich bei der Differenzbildung im allgemeinen ein nichtlinearer Verlauf in Abhängigkeit von x (7a), der insbesondere in der Mitte des Feldes zu einer relativ starken Abflachung führt. Definiert man eine neue Funktion Ψ = ΣΦ – Φ0 (7b) und bildet ΔΦ/Ψ = Φ1 – Φ2/Φ1 + Φ2 – Φ0 (6)mit einer geeignet gewählten Konstanten Φ0, so ergibt sich die in 7a dargestellte Linearisierung, die dann wegen der annähernden Proportionalität zur Koordinate zu einer einfachen Positionsbestimmung führt.
Um die Positionserfassung auf großen Flächen mit hinreichender Genauigkeit zu ermöglichen, ist die Anordnung mehrerer Elektroden z.B. in einer gitterförmigen Struktur erforderlich, wie 8 zeigt. Die Auswertung der zugehörigen Phaseninformationen der Elektroden erfolgt dann zweckmäßigerweise mittels eines Multiplexers entsprechend dem Blockschaltbild von 9, wodurch der Aufwand gering gehalten wird, da für alle Elektroden nur ein einziger Phasenmesser erforderlich ist. Die Positionsbestimmung innerhalb der einzelnen Felder des Gitters erfolgt nach dem gleichen oben beschriebenen Algorithmus.
Es ist möglich, synchron zur Abfrage der einzelnen Elektroden auch die Generatorfrequenz zu variieren, so dass hierdurch bestimmten Basiskapazitäten der einzelnen Systeme vorab Rechnung getragen werden kann.
Die Generatorfrequenz kann weiterhin auch im Rahmen eines Kallibrierzyklus auf die jeweiligen Systeme abgestimmt sein, so dass diese im Bereich der Parallelresonanz betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise auch zur Absicherung von Klemmspalten an Bewegtsystemen, insbesondere im Automotive-Bereich zur Absicherung von Verdecksystemen, Fenstern, Türen und Klappen.
Die entsprechenden Elektroden können in den näheren Bereich der klemmrelevanten Kanten integriert werden. Die Elektroden können in Funktionsteile, insbesondere Hebel, Bügel oder Rahmen integriert werden. Sie können in beliebigen Formen als dünne Film- oder leitfähige Lackstrukturen ausgeführt sein, die beispielsweise isoliert auf die Karosserie aufgebracht und anschließend überlackiert werden. Dieser Ansatz zur Anordnung der Elektroden kann auch von den vorangehend beschriebenen Maßnamen unabhängiges, eigenständiges Erfindungskonzept angesehen werden.
Zusammengefasst ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung insbesondere folgende Vorteile gegenüber bisherigen Näherungssensoren:

1. Wesentlich erhöhte Empfindlichkeit hinsichtlich Kapazitätsänderungen durch Annäherung
2. Reduzierung der Störanfälligkeit durch große Empfangsamplituden und Selektion durch einen schmalbandigen Resonanzkreis
3. Unabhängigkeit von Amplitudenschwankungen durch Auswertung der Phasenverschiebung
4. Einfache Auswerteelektronik mit nur wenigen Komponenten
5. Auswertung durch rein digitale Verarbeitung mit der Möglichkeit zur Implementierung in einem Mikrocontroller oder ASIC
6. Dadurch platzsparende und kostengünstige Realisierung

10 zeigt eine Skizze zur Illustration der Einsatzmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung bei einer Fensterhebereinrichtung zur Kompensation stellvorgangs bedingter, d.h. durch den Scheibenhub verursachter systematischer und zulässiger Änderungen der Kapazität eines unter Einschluss einer Sensorelektrode (Strichpunktlinie) gebildeten LC-Sensorsystems. Es ist möglich, die Dynamik des zur Beibehaltung einer bestimmten Phasenlage des Generatorsignals mit der Schwingung im Parallelresonanzkreis erforderlichen Nachführung mit der durch einen Fensterhubmechanismus bereitgestellten Weg- oder Geschwindigkeitsinformation zu korrelieren. Ergeben sich hinsichtlich des Nachstellbedarfs Änderungsanforderungen mit höherer Dynamik, so sind diese auf äußere Einflüsse -z.B. wie hier dargestellt auf die Annäherung einer Hand zurückzuführen.

Claims

Schaltung zur Erfassung der Präsenz, Position und/oder Annäherung eines Objektes in einem Observationsbereich, mit: – einer Sensorelektrodenanordnung die eine Elektrodeneinrichtung umfasst, wobei die Elektrodeneinrichtung Teil eines Kondensatorsystems bildet, dessen Kapazität gegen ein Referenzpotential (z.B. gegen Erde) von der Präsenz, Position oder Annäherung von Objekten in dem Observationsbereiches abhängig ist, – einer mit der Sensorelektrodeneinrichtung gekoppelten Auswertungsschaltung, und – einem LC-Netzwerk das mit jenem Kondensatorsystem gekoppelt ist, und – einer Generatoreinrichtung zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung und des LC-Netzwerkes gebildeten Systems mit einer Frequenz im Bereich einer Parallelresonanzfrequenz des LC-Netzwerkes.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung derart konfiguriert und aufgebaut ist, dass diese eine Annäherung eines Objektes an die Sensorelektrodeneinrichtung anhand einer Änderung des Resonanzverhaltens detektiert.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Änderung des Resonanzverhaltens die Veränderung der Phasenlage eines Vergleichsignals des LC-Netzwerkes gegenüber einem Vergleichssignal aus dem Bereich des Generators erfasst wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Bereich des Generators abgegriffene Signal ein Generatortriggersignal ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Bereich des Generators abgegriffene Signal die Generatorspannung ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LC-Netzwerk eine Induktivität und wenigstens einen Kondensator zur Bildung eines Parallelschwingkreises umfasst.
Schaltung nach eine der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Generatoreinrichtung an eine der Elektrodeneinrichtungen des Kondensatorsystems angekoppelt ist, zum Betrieb des Parallelschwingkreises auf Resonanzfrequenz.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung derart ausgebildet ist, dass diese eine Änderung der Kapazität des Kondensatorsystems anhand einer Phasenverschiebung detektiert.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, die Auswertungsschaltung derart ausgebildet ist, dass diese eine Änderung der Kapazität des Kondensatorsystems anhand einer Amplitudenänderung detektiert.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung derart ausgebildet ist, dass diese eine sowohl eine Phasenverschiebung als auch eine Amplitudenänderung kombiniert betrachtet.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Phasenverschie bung das Erregersignal und ein Strom, oder Spannungssignal des LC-Netzwerkes korreliert werden.
Fahrzeugtürverriegelungssystem mit einer Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11.
Absicherungssystem mit einer Schaltung mit einer Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11.
Positionserfassungssystem mit einer Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11.
Positionserfassungssystem nach Anspruch 14 mit mindestens einer X-Elektrode zur Erfassung eines Präsenz- oder Näherungszustands in einer ersten (X-)Erfassungsrichtung.
Positionserfassungssystem nach Anspruch 15 bei welchem mehrere (X-)Elektroden voneinander beabstandet über den Observationsbereich verteilt angeordnet sind.
Positionserfassungssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, mit mindestens einer Y-Elektrode zur Erfassung eines Präsenz-, oder Näherungszustands in einer zweiten (Y-)Erfassungsrichtung
Positionserfassungssystem nach Anspruch 17, bei welchem mehrere (Y-)Elektroden über den Observationsbereich verteilt
Positionserfassungssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 18 mit mindestens einer z-Elektrode zur Erfassung eines Präsenz- oder Näherungszustands in einer dritten Erfassungsrichtung.
Verfahren zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, unter Verwendung eines unter Einschluss einer Sensorelektrode gebildeten Kondensatorsystems dessen Kapazität von der Präsenz jenes Objektes in dem Observationsbereich abhängig ist, wobei bei diesem Verfahren ein durch das Kondensatorsystem und eine Induktivität gebildeter Parallelschwingkreis durch Anlegen einer Generatorspannung mit einer Frequenz im Bereich der Parallelresonanzfrequenz betrieben wird und eine Änderung der Phase des Erregers gegenüber einer Schwingung im Parallelschwingkreis ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerfrequenz variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Erregerfrequenz in Abhängigkeit von der Phasenlage erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Änderungsbedarf der Erregerfrequenz als Präsenzsignal ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schaltkreises durch Veränderung der Kapazität, oder der Induktivität von Schaltungselementen verändert wird.
Schaltung zur Erfassung der Position und/oder Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, mit: – einer Sensorelektrodenanordnung die eine erste Elektrodeneinrichtung (E1) umfasst, wobei die Elektrodeneinrichtung Teil eines Kondensatorsystems bildet dessen Kapazität gegen ein Referenzpotential (z.B. gegen Erde) von der Präsenz, oder Position von Objekten in dem Observationsbereiches abhängig ist, – einer mit der Sensorelektrodeneinrichtung gekoppelten Auswertungsschaltung, – einem LC-Netzwerk das mit jenem Kondensatorsystem gekoppelt ist, und – einer Generatoreinrichtung zur Beaufschlagung des unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung (E1) und des LC-Netzwerkes gebildeten Systems mit einer Frequenz im Bereich einer Parallelresonanzfrequenz des LC-Netzwerkes, wobei im Bereich des LC-Netzwerkes schaltungstechnisch Vorkehrungen getroffen sind, die es ermöglichen eine Nachführung des Schwingungsverhaltens des LC-Netzwerkes an sich ändernde Kapazitäten des unter Einschluss der Sensorelektrodeneinrichtung gebildeten Detektionskondensatorsystems vorzunehmen.
Schaltung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die am Schwingkreis entstehende Spannung über einen Operationsverstärker zurückgekoppelt wird.
Schaltung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des LC-Netzwerkes eine Varactor-Diodenschaltung vorgesehen ist.
Schaltung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des LC-Netzwerkes ein Gyrator vorgesehen ist.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachstellbedarf am Gyrator, oder an dem Varactor-Diodensystem als Detektionsgrundlage für die Detektion einer Näherung herangezogen wird.
Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das System derart nachgestimmt wird, dass dieses mit einem definierten Phasenversatz zwischen einem Erregungsereignis und der Schwingung im Bereich der Parallelresonanzfrequenz läuft.