DE102006056240A1

DE102006056240A1 - Anordnung zur Detektion von Körperteilen mittels Absorption eines elektrischen Nahfeldes

Info

Publication number: DE102006056240A1
Application number: DE200610056240
Authority: DE
Inventors: Peter Fasshauer
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-05-29
Also published as: CN101636908A

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zur Detektion von Körperteilen mittels Absorption eines elektrischen Nahfeldes. Für die Detektion einer Annäherung eines menschlichen Körpers an ein Objekt gibt es verschiedene, insbesondere kapazitive Verfahren, die meist nach dem Prinzip arbeiten, dass von einer Elektrode ein elektrisches Wechselfeld abgestrahlt wird, das sich bei Annäherung eines Körpers oder eines Körperteiles hinsichtlich der Feldverteilung gegenüber der Umgebung ändert und diese Änderung mit einer geeigneten Elektronik detektiert wird. Die erfindungsgemäße Detektionsanordnung dient der Erfassung der Annäherung oder der Präsenz von Objekten, insbesondere belebten Gliedmaßen, an bzw. in einer Oberservationszone, und umfasst als solche eine Transmitterelektrodeneinrichtung zur Einkoppelung eines elektrischen Wechselfeldes in die Observationszone oder deren Umgebungsbereich, eine Receiverelektrodeneinrichtung zur Erfassung eines elektrischen Feldes in der Observationszone oder des genannten Umgebungsbereiches, und eine Trennelektrodeneinrichtung, zur Abschirmung eines Teiles des sich zwischen der Transmitterelektrode und der Receiverelektrode ausbreitenden Feldes.

Description

Für die Detektion einer Annäherung eines menschlichen Körpers an ein Objekt gibt es verschiedene, insbesondere kapazitive Verfahren, die meist nach dem Prinzip arbeiten, dass von einer Elektrode ein elektrisches Wechselfeld abgestrahlt wird, das sich bei Annäherung eines Körpers oder eines Körperteiles hinsichtlich der Feldverteilung gegenüber der Umgebung ändert und diese Änderung mit einer geeigneten Elektronik detektiert wird.
Eine formale Beschreibung dieses Effektes besteht darin, die Kapazität dieser Elektrode zu betrachten, die sich bei Annäherung infolge der geänderten Feldverteilung ebenfalls ändert. Beim Einsatz solcher Näherungssensoren besteht insbesondere im Freien ein großes Problem in der Empfindlichkeit gegenüber einwirkender Feuchtigkeit wie durch Regen oder Schnee auf die Elektrode, die zu einer Dielektrizitätsänderung und damit Kapazitätsänderung führt. Dies kann die Detektionssicherheit erheblich beeinträchtigen. Ferner sind derartige Sensoren sehr empfindlich gegen Einflüsse von Metallteilen in der Nähe der Sensorelektrode, da diese Metallteile die Kapazität der Sensorelektrode erheblich verändern, besonders wenn die Metallteile bewegt werden, wie z.B. bei Heckklappen, Schiebetüren und Schiebedächern von Automobilen. Dies muss dann durch häufig sehr aufwendige Abschirmmaßnahmen verhindert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zu entwickeln, die die aufgezeigten Nachteile vermeidet und ohne größeren Aufwand an beliebigen Objekten, vorzugsweise zur Absicherung gegen Gefährdungen durch Einklemmen im Automobilbereich eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Detektionsanordnung zur Erfassung der Annäherung, oder der Präsenz von Objekten, insbesondere belebten Gliedmaßen an, bzw. in einer Observationszone, mit:

– einer Transmitterelektrodeneinrichtung zur Einkoppelung eines elektrischen Wechselfeldes in die Observationszone oder deren Umgebungsbereich,
– einer Receiverelektrodeneinrichtung zur Erfassung eines elektrischen Feldes in der Observationszone oder des genannten Umgebungsbereiches, und
– einer Trennelektrodeneinrichtung, zur Abschirmung eines Teiles des sich zwischen der Transmitterelektrode und der Receiverelektrode ausbreitenden Feldes.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Detektionsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Basiskonzeptes eines erfindungsgemäßen Sensorsystems bei welchem die Detektion von Näherungsvorgängen auf der Basis einer Feldabsorption erfolgt;
2 eine Ersatzschaltung des Sensorsystems im Grundzustand;
3 eine Ersatzschaltung des Sensorsystems bei Anwesenheit eines Körperteils im Feld;
4a eine Schaltungsanordnung mit LC-Schwingkreis zur Ansteueuerung der Transmitterelektrode;
4b eine Schaltungsanordnung mit Übertrager zur Ansteuerung der Transmitterelektrode;
5 ein Anwendungsbeispiel für eine Absicherung einer Fahrzeug Heckklappe gegen Einklemmen menschlicher Gliedmaßen.
Die in 1 dargestellte Anordnung zeigt einen schematisierten Aufbau zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die hier gezeigte Querschnittsgestaltung der Elektroden kann den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls entsprechend auch in abweichender Form vorgenommen werden. So könnte z.B. die Form des Steges auch rund sein. Generell gilt jedoch der Zusammenhang, dass die Elektrodendistanz d zur Erzielung des gewünschten Effektes umso größer sein muss, je kleiner die Steghöhe h ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 umfasst zwei Elektroden E_T und E_R, von denen eine durch einen Transmitter angesteuert wird und die zweite Elektrode E_R an einen Receiver angeschlossen ist. Der Transmitter erzeugt dabei in Verbindung mit der Elektrode E_T ein elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz, die in der näheren Umgebung um diese Elektrode zu einer Nahfeldverteilung führt. Beide Elektroden sind durch einen leitenden Körper aus Metall oder leitfähigem Gummi so gegeneinander abgeschirmt, dass nur ein Teil des vom Transmitter erzeugten Feldes zur Empfangselektrode gelangt und dort vom angeschlossenen Receiver als Signal ausgegeben wird. Der von der Transmitterelektrode an der Receiverelektrode erzeugte Feldanteil ist entscheidend von der Geometrie der Elektroden, insbesondere vom Abstand d zueinander und von der Höhe h eines Steges des zwischen den Elektroden wirkenden leitfähigen Materials abhängig. Die Wahl dieser geometrischen Parameter und die genaue Form des leitfähigen Trägermaterials hängt jeweils von der spezifischen Anwendung ab.
Die Sensorfunktion dieser Anordnung für die Detektion eines Körperteiles ergibt sich dadurch, dass durch ein in das Feld eintauchendes Körperteil ein Teil des Feldes an der Receiverelektrode dadurch absorbiert wird, dass der menschliche Körper leitend ist und weiterhin gegenüber Erde eine Kapazität C_g aufweist, wodurch die Feldliniendichte an der Receiverelektrode abnimmt und dadurch die am Receiver ausgegeben Signalamplitude reduziert. Je geringer die Feldliniendichte an der Receiverelektrode im Grundzustand ist, umso empfindlicher wird die Anordnung für die Detektion eines Körperteils. Allerdings wird dann auch die Signalamplitude im Grundzustand der Anordnung kleiner. Bei der praktischen Anwendung eines solchen Systems wird daher ein auf den konkreten Einsatzfall abgestimmter Betriebspunkt zwischen einer für einen sicheren Betrieb notwendigen Signalamplitude und einer ausreichenden Empfindlichkeit eingestellt.
Ein entscheidender Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Anordnung und herkömmliche kapazitiven Sensoren besteht darin, dass die Funktion der Transmitter- und Receiverelektrode voneinander getrennt wird und die Feldkopplung zwischen den beiden Elektroden so gestaltet wird, dass der oben beschriebene Sensoreffekt eintritt. Durch die Separierung der Receiverelektrode ist es ferner möglich, schädliche Einflüsse von Feuchtigkeit und Metallteilen in der Nähe der Elektroden weitgehend dadurch zu eliminieren, dass die Eingangsimpedanz der an der Receiverelektrode angeschlossenen Empfangselektronik in der nachstehend beschriebenen Weise gestaltet wird.
Die Wirkungsweise der Sensoranordnung wird nachfolgend in Verbindung mit den in 2 und 3 dargestellten Ersatzbildern näher erläutert. Die Feldkopplung zwischen Transmitter- und Receiverelektroden wird durch eine Kopplungskapazität C_k0 repräsentiert, die entscheidend für die Signalamplitude am Ausgang eines Transimpedanzverstärkers ist. Ein besonderes Merkmal eines solchen Verstärkers mit der Leerlaufverstärkung –V ist es, dass am Eingang eine virtuelle Impedanz von näherungsweise Z_e = R/V erscheint, wodurch die Eingangsimpedanz bei hinreichend großem V sehr gering wird. Typische Werte liegen mit R = 500 kOhm und V = 1000 dann bei Z_e = 500 Ohm. Alle kapazitiven Änderungen am Elektrodeneingang durch Feuchtigkeit oder Metallteile werden dann praktisch vernachlässigbar, da die Eingangsimpedanz auch durch eine zu R/V parallel liegende Kapazität nicht wesentlich geändert wird. (Im Gegensatz hierzu arbeiten herkömmliche kapazitive Näherungssensoren an hochohmigen Verstärkereingängen mit den erwähnten Nachteilen bezüglich der Umwelteinflüsse.) Am Ausgang des Transimpedanzverstärkers ist noch eine weitere Stufe zur Amplitudenmessung angeschlossen, um aus der empfangenen Wechselspannung eine Gleichspannung zu gewinnen, die dann mittels eines A/D-Wandlers in einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden kann. Für die Gewinnung dieser zur Kopplungskapazität proportionalen Gleichspannung kann entweder eine Spitzenwertmesser mit Dioden oder ein Synchrondemodulator verwendet werden, der dann mit einer frequenzgleichen und um 90° in der Phase verschobenen Trägersignal aus dem Transmitter angesteuert wird. Die 90° Phasendrehung ist erforderlich, da die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers wegen der kapazitiven Kopplung ebenfalls um 90° gegenüber der vom Transmitter abgegebenen Spannung phasenverschoben ist.
Taucht ein Körperteil in das Feld, wird wegen des erläuterten Absorptionseffektes die Kopplungskapazität auf einen Wert C_k < C_k0 reduziert und die am Ausgang des Transimpedanzverstärkers abgegebene Signalspannung sinkt proportional zu C_k. Alle übrigen bei der Kopplung mit dem Körperteil wirksamen Kapazitäten C₁ und C₂ zwischen den Elektroden (siehe 3) sind wegen der Groundkapazität C_g des Körpers und wegen der niedrigen Eingangsimpedanz des Verstärkers in ihrer Wirkung auf die Signalamplitude vernachlässigbar. Der entscheidende Effekt ist die Reduzierung der Kopplungskapazität infolge der geringeren Feldliniendichte an der Receiverelektrode. Wassereinflüsse an beiden Elektroden führen zwar zu einer Erhöhung der Kapazitäten C₁ und C₂ sind jedoch vernachlässigbar, wie oben erläutert wurde. Lediglich eine direkte Wasserverbindung zwischen den Elektroden würde zu einer Vergrößerung der Kopplungskapazität führen. Dem kann jedoch durch Wahl geeigneter Abstände d, Steghöhe h und geeignete Isolierung der Elektroden entgegengewirkt werden. Die zweckmäßigste Konfiguration des Sensors hängt jeweils maßgeblich von der tatsächlichen Einbausituation ab.
In 4 sind zwei Varianten einer Ansteuerung der Transmitterelektrode aus einem Mikrocontroller dargestellt. Die erste Variante in 4a verwendet einen Serien-Resonanzkreis, für den die Elektrodenkapazität C_T ein Teil der Gesamtkapazität darstellt. Der Kreis wird dann zusammen mit einer Zusatzkapazität und der Induktivität auf die Trägerfrequenz des Transmitters abgestimmt, die typisch im Bereich 100 bis 200 kHz liegt. Die hiermit an der Transmitterelektrode erzeugten Spannungen liegen dann bei 20 bis 30 V. 4b zeigt eine Ansteuerung mit Übertrager, der die vom Mikrocontroller gelieferte Trägerspannung auf eine höhere Elektrodenspannung transformiert. Bedingt durch die Elektrodenkapazität C_T entsteht auf der Sekundärseite des Übertragers ein Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch geeignete Wahl der sekundärseitigen Induktivität auf die verwendete Trägerfrequenz abgestimmt wird. Der Vorteil dieser Variante gegenüber der Anordnung von 4a besteht darin, dass bei Änderungen in der Elektrodenkapazität z.B. durch variierende Abstände der Transmitterelektrode zu Masseflächen die Elektrodenspannung sich weniger ändert als bei der Anordnung gemäß 4a. Hierfür ist allerdings ein höherer Kostenaufwand durch den Übertrager notwendig. Welche Variante verwendet wird, hängt jeweils von der spezifischen Anwendung ab.
5 veranschaulicht einen konkreten Anwendungsfall der Erfindung bei der Realisierung eines Sensorsystems für eine Heckklappenabsicherung an einem Fahrzeug. Die beiden Elektroden sind an den abzusichernden Kanten des Hecks entlang geführt und in zwei getrennte Links- und Rechtssysteme aufgeteilt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Heckklappenbewegung, die am Ende des Schließvorganges zu einer Beeinflussung der Kopplungskapazität zwischen Transmitter- und Receiverelektrode führt eliminiert werden kann, indem das jeweils von der gegenüberliegenden Elektrode gelieferte Signal als Referenz für das andere Signal verwendet wird. Durch diese Signalkorrelation ist keine weitere Information über die Heckklappenstellung erforderlich.
Die vorgenannte Maßnahme führt außerdem auch dazu, dass links und rechts gleich oder ähnlich einwirkende Störgrößen weitgehend kompensiert werden. Eine Besonderheit des Systems liegt darin, dass an jeder Seite mehrere Transmitterelektroden verwendet werden, wodurch die Kopplungen auf die zugehörige gemeinsame Receiverelektrode verringert wird und dadurch die einzelnen Koppelkapazitäten kleiner sind als bei einer Kopplung über eine an allen Kanten durchgehende Transmitterelektrode. Dies erhöht einmal die Empfindlichkeit des System auf eintauchende Körperteile und zum anderen verringert es vorteilhaft die Signaldynamik in den Receivern, wodurch Übersteuerungen vermieden werden. Vorzugsweise werden die Transmitterelektroden zeitlich nacheinander über einen Multiplexer mit dem Sendesignal angesteuert, wodurch Detektionsereignisse auch einzelnen Observationsabschnitten zugeordnet und mit Prioritäten versehen werden könnten.

Claims

Detektionsanordnung zur Erfassung der Annäherung, oder der Präsenz von Objekten, insbesondere belebten Gliedmaßen an, bzw. in einer Observationszone, mit: – einer Transmitterelektrodeneinrichtung zur Einkoppelung eines elektrischen Wechselfeldes in die Observationszone oder deren Umgebungsbereich, – einer Receiverelektrodeneinrichtung zur Erfassung eines elektrischen Feldes in der Observationszone oder des genannten Umgebungsbereiches, und – einer Trennelektrodeneinrichtung, zur Abschirmung eines Teiles des sich zwischen der Transmitterelektrode und der Receiverelektrode ausbreitenden Feldes.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung aus einem Metallwerkstoff gefertigt ist.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung aus einem leitfähigen Kunststoff, insbesondere Elastomermaterial gefertigt ist.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung einen Stegabschnitt umfasst der sich in einem zwischen der Transmitterelektrodeneinrichtung und der Receiverelektrodeneinrichtung erstreckt.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Transmitterelektrodeneinrichtung und die Receiverelektrodeneinrichtung als drahtartige Elektrodenstrukturen ausgeführt sind.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmitterelektrodeneinrichtung und die Receiverelektrodeneinrichtung als zueinander im wesentlichen äquidistant geführte Elektrodeneinrichtungen angeordnet sind.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmitterelektrodeneinrichtung einen Bodenabschnitt umfasst der die Transmitterelektrodeneinrichtung und die Receiverelektrodeneinrichtung auf einem der Observationszone abgewandten rückwärtigen Bereich untergreift.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung einen T-Profilquerschnitt aufweist.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmitterelektrodeneinrichtung und die Receiverelektrodeneinrichtung in eine Dichtungseinrichtung eingebunden sind.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung eine Mittelpunktselektrode bildet.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalabgriff an der Receiverelektrodeneinrichtung über eine Transimpedanzschaltung erfolgt.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transimpedanzschaltung derart konfiguriert ist, dass die Eingangsimpedanz an der Receiverelektrodeneinrichtung äußerst klein ist.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbeaufschlagung der Transmitterelektrodeneinrichtung durch eine Transmitterschaltung erfolgt, und dass diese dabei in Verbindung mit der Transmitterelektrodeneinrichtung ein elektrisches Wechselfeld mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, die in der näheren Umgebung um die Transmitterelektrodeneinrichtung zu einer Nahfeldverteilung führt
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden durch einen diese bildenden leitenden Körper aus Metall oder leitfähigem Gummi so gegeneinander abgeschirmt sind, dass nur ein Teil des vom Transmitter erzeugten Feldes zur Empfangselektrode gelangt und dort vom angeschlossenen Receiver als Signal ausgegeben wird
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Transmitter- und Receiverelektrode voneinander getrennt wird und dass ein Detektionsereignis anhand von Merkmalen der Feldkopplung zwischen den beiden Elektroden detektiert wird.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrodeneinrichtungen als flach-bandartige oder anderweitig länglich flächenhafte Strukturen ausgeführt sind.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Elektrodeneinrichtungen ein leitfähiges Kunststoffmaterial, insbesondere Elastomermaterial verwendet wird.
Detektionsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrodeneinrichtungen die Transmitter- und/oder Receiverelektrodeneinrichtung in mehrere Elektrodenabschnitte unterteilt ist, und dass diese separaten Elektrodenabschnitte separat angesteuert werden.
Detektionsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Elektrodeneinrichtungen, insbesondere der Receiverelektrodeneinrichtung über einen Multiplexer erfolgt.
Detektionsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass über die von den separaten Elektrodeneinrichtungen abgegriffenen Signalen eine Bereichszuordnung der erfassten Näherungsvorgänge erfolgt.