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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung
einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil bezogen auf
eine Oberfläche, insbesondere für die Bedienung
eines elektrischen Geräts.
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Die
Bestimmung einer Position eines Objekts bezogen auf eine Oberfläche
ist für die Bedienung und/oder die Überwachung
eines elektrischen Geräts von großem Interesse.
Dabei sind insbesondere solche Vorrichtungen von Interesse, die
eine Positionsbestimmung bezogen auf eine geschlossene Oberfläche
ermöglichen. So war es in der Vergangenheit bei Bedienanordnungen üblich,
die einzelnen Bedienelemente als diskrete mechanische oder elektromechanische
Schalter auszuführen. Für eine Betätigung
dieser Schalter mussten üblicherweise Öffnungen
in einer Blende vorgesehen werden, wodurch ein Eindringen von Schmutz
und Flüssigkeiten in die Bedienanordnung möglich
ist. Zwar konnten die Schalter zusätzlich mit einer gummierten
Schicht überzogen werden, doch war eine solche Schicht
nur begrenzt haltbar und in ihrer Haptik unbefriedigend.
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Um
die Position eines Objekts auch bei einer geschlossenen Oberfläche
zu detektieren, ist häufig auf elektrische Verfahren zurückgegriffen
worden. Dies ist darin begründet, dass bei einem Objekt
in der Regel, insbesondere bei einem menschlichen Finger, resistive
und/oder kapazitive Änderungen erfasst werden können,
aus denen sich die Position des Objekts bestimmen lässt.
Dabei ist vielfach auf das Prinzip von kapazitiven Berührungsschaltern
zurückgegriffen worden.
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Das
Prinzip von kapazitiven Berührungsschaltern ist schon lange
bekannt. Zur Realisierung von Bedienflächen von Glaskeramik-Kochfeldern
ist es bspw. aus der
DE
80 33 570 U1 bekannt, an der oberen Oberfläche
eine große Kondensatorfläche vorzusehen und an
der Rückseite der Glaskeramik-Platte zwei kleinere Kondensatorflachen.
In eine kleinere Kondensatorfläche wird ein Wechselstrom eingespeist.
Aus der anderen kleinen Kondensatorfläche wird ein Wechselstrom
entnommen. Durch einen an der Bedienseite angeordneten Finger wird
die kapazitive Anordnung verstimmt, was von einer geeigneten Auswerteelektronik
ausgewertet und als „Betätigung" des kapazitiven
Berührungsschalters erkannt werden kann.
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Aus
dem Dokument
EP 1 416
636 A2 ist eine weitere Ausführungsform eines
kapazitiven Berührungsschalters bekannt, bei dem ein Schaumstoffkörper
elektrisch leitfähige Bereiche mit einer Sensorelementoberfläche
und isolierende Bereiche aufweist, die in Richtung der Erstreckung
einer Glaskeramik-Platte abwechselnd vorgesehen sind. So entsteht
eine Art „Strangmaterial", aus dem nebeneinander liegende
kapazitive Berührungsschalter hergestellt werden können.
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Es
ist ferner aus der
EP
0 859 467 B1 bekannt, einen kapazitiven Berührungsschalter
mit einer Sensortaste bereitzustellen, die einen Pol eines Kondensators
bildet, wobei die Sensortaste aus einem flexiblen, räumlich
ausgedehnten, raumformveränderlichen und elektrisch leitfähigen
Material besteht, das auf eine Platine aufgebracht ist und den Abstand
zwischen einer Abdeckplatte und der Platine überbrückt,
wobei eine Druckspannung aufrechterhalten wird.
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Aus
dem Dokument
DE
10 2004 038 872 A1 ist ferner ein Berührungsschalter
für eine Bedieneinrichtung eines Elektrogerätes
wie bspw. eines Kochfeldes bekannt. Der Schalter weist ein Sensorelement
mit zwei Sensorflächen auf, die jeweils eine oder mehrere
dreieckige Teilflächen aufweisen. Die Sensorflächen
werden mit Ansteuersignalen angesteuert und erfahren bei Berührung
mit einem Finger eine Auskopplung entsprechend einem Teil der überdeckten
Fläche. Die restliche Signalstärke wird in einem
Mikrokontroller miteinander verglichen, um den Ort der Berührung
als Funktion des Verhältnisses der restlichen Signalstärken
und überdeckten Flächen zueinander zu ermitteln.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem
Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für
die Bedienung eines elektrischen Geräts, anzugeben, die
kostengünstig und effizient auch in großen Stückzahlen
hergestellt werden kann. Ferner soll ein verbessertes entsprechendes
Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem
Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für
die Bedienung eines elektrischen Geräts, angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil
bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für
die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst,
mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement
und mit einem Frequenzgenerator, der eine eine Ausgangsfrequenz des
Frequenzgenerators bestimmende Abstimmeinrichtung aufweist, die
eine Grundfrequenz hat und mit dem Sensorelement in einem Endbereich
seiner Längserstreckung verbindbar ist, mit einem Referenzfrequenzgene rator,
der für das Ausgeben einer Referenzfrequenz ausgebildet
ist, mit einem Mischer, der zum Mischen der Ausgangsfrequenz und
der Referenzfrequenz sowie zum Ausgeben einer resultierenden Mischfrequenz
ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung zum Bestimmen der
Mischfrequenz, so dass anhand der ermittelten Mischfrequenz die Position
des Objekts angegeben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch ein
Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem Anteil
bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für die
Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst, wobei
eine Mischfrequenz gemessen wird, die sich aus einer Referenzfrequenz
eines Referenzfrequenzgenerators und der Ausgangsfrequenz eines
Frequenzgenerators ergibt, wobei sich die Ausgangsfrequenz ausgehend
von einer Grundfrequenz ändert, wenn ein Sensorelement
mit einer Abstimmeinrichtung des Frequenzgenerators verbunden ist
und das Objekt an das Sensorelement angenähert wird, so
dass anhand der gemessenen Mischfrequenz die Position des Objekts
angegeben werden kann.
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Bei
der vorgeschlagenen Vorrichtung wird mittels eines Frequenzgenerators
eine Ausgangsfrequenz auf einen Endbereich eines länglichen
leitfähigen Sensorelements gegeben. Das Sensorelement verfügt über
einen spezifischen Widerstand, so dass der effektive Widerstand
zwischen dem genannten Endbereich und einem Punkt auf dem Sensorelement
ansteigt, je weiter sich der Punkt von dem Endbereich entfernt.
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Der
Frequenzgenerator verfügt über eine Abstimmeinrichtung,
die eine Grundfrequenz des Frequenzgenerators vorgibt. Der Endbereich
des Sensorelements kann mit der Abstimmeinrichtung verbunden werden,
um die Annäherung eines Objekts an das Sensorelement zu
erfassen. Zwar kann auch schon durch das Verbinden mit der Abstimmeinrichtung
eine Änderung der Ausgangsfrequenz entstehen, doch kann
dies – da es sich um eine bekannte Änderung handelt – entsprechend
berücksichtigt werden.
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Es
soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es eine bevorzugte
Anwendung für die Vorrichtung ist, das Sensorelement unter
einer Oberfläche anzuordnen, so dass sich das Objekt zwar dem
Sensorelement annähert, zu diesem aber auch bei Berührung
der Oberfläche einen gewissen Abstand einhält.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die erfindungsgemäße
Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren
zu verwenden, wenn das Sensorelement die Oberfläche bildet
oder das Sensorelement einen Teil der Oberfläche bildet.
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Nähert
sich nun ein Objekt mit kapazitivem Anteil, also ein Objekt, das
elektrisch auch eine Kapazität darstellt, dem Sensorelement
an, so bildet sich zwischen dem Sensorelement und einem elektrischen
Bezugspunkt des Objekts (in der Regel die elektrische Masse) eine
zusätzliche Kapazität aus. Zum besseren Verständnis,
bei einer Bedienanordnung wird üblicherweise ein Finger
eines Benutzers (in Verbindung mit weiteren Körperteilen,
die die elektrische Masse darstellen) das Objekt mit kapazitivem Anteil
sein.
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Durch
den Aufbau der Kapazität stellt sich nun folgende Situation
dar: Betrachtet man die elektrische Situation vom Frequenzgenerator
aus, so ist nun an seiner Abstimmeinrichtung eine Reihenschaltung
von Kapazität und Widerstand angeschlossen. Der Widerstand
ergibt sich durch den Teil des Sensorelements, der zwischen dem
Endbereich des Sensorelements und dem Einkopplungspunkt der Kapazität
auf das Sensorelement liegt. Dadurch ändert sich die Einstellung
der Abstimmeinrichtung, und die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators ändert sich.
Da der Welt des Widerstands von dem Einkopplungspunkt der Kapazität
abhängt, d. h. auf das Beispiel des menschlichen Fingers
bezogen, an welcher Stelle des Sensorelements der Benutzer dieses
berührt, ergeben sich unterschiedliche Abstimmungen des
Frequenzgenerators, je nach dem wo die Annäherung an das
Sensorelement stattfindet.
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Um
die resultierende Ausgangsfrequenz geeignet auswerten zu können
und so die Position des Objekts zu bestimmen, wird das Signal mit
der Ausgangsfrequenz an einen Mischer geleitet. Dieser Mischer erhält
von einem Referenzfrequenzgenerator eine Referenzfrequenz, die mit
der Ausgangsfrequenz gemischt wird. Die resultierende Mischfrequenz
stellt der Mischer an seinem Ausgang bereit. Diese Mischfrequenz wird
an eine Messeinrichtung geleitet, die zum Bestimmen dieser Mischfrequenz ausgebildet
ist.
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Sobald
die Mischfrequenz bestimmt wurde, kann auf der Grundlage von errechneten
oder tatsächlich ermittelten Referenzdaten ein Rückschluss auf
die Position des Objekts gemacht werden. Je nach dem welche Anforderungen
zu erfüllen sind und wie aufwendig bzw. genau die Messung
durchgeführt werden soll, können von der Detektion
einer einfachen Berührung, über eine Unterscheidung
beispielsweise linker Bereich oder rechter Bereich des Sensorelements
auch genaue Angaben über den Abstand gemacht werden, der
zwischen dem Endbereich des Sensorelements und dem Einkopplungspunkt
liegt.
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Eine
weitere Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass nicht nur eine
Bestimmung dahingehend möglich ist, an welcher Stelle des
Sensorelements sich das Objekt annähert bzw. angenähert
hat, sondern dass außerdem festgestellt werden kann, wie
weit sich das Objekt an das Sensorelement angenähert hat.
Dies liegt darin begründet, dass sich abhängig
vom Grad der Annäherung im Wesentlichen die Kapazität ändert,
während sich bei einer Veränderung der Position
entlang des Sensorelements im Wesentlichen der Widerstandswert ändert.
Konkret bedeutet dies, je weiter sich das Objekt dem Sensorelement
annähert, desto größer wird die Kapazität, und
je weiter der Annäherungspunkt des Objekts entlang des
Sensorelements von dem genannten Endbereich entfernt ist, desto
größer wird der effektive Widerstand.
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Je
nach dem welche der wesentlichen Charakteristiken der Vorrichtung,
insbesondere Positionsgenauigkeit, Annäherungsgenauigkeit,
Empfindlichkeit, in den Vordergrund gestellt werden soll, kann der
spezifische Widerstand des Sensorelements gewählt werden.
Dabei können sowohl hochohmige Kunststoffe als auch niederohmige
Metalle verwendet werden.
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Damit
ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abstimmeinrichtung
sowohl mit dem zuvor genannten, ersten Endbereich als auch mit einem
entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden,
zweiten Endbereich des Sensorelements verbindbar.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine genauere Bestimmung der Position,
da nun eine erste Messung bezogen auf den ersten Endbereich und
eine zweite Messung bezogen auf den zweiten Endbereich durchgeführt
werden können. Da die Geometrie des Sensorelements bekannt
ist, lässt sich unmittelbar eine Beziehung zwischen der
ersten und der zweiten Messung herstellen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung neben dem genannten, ersten Frequenzgenerator einen
zweiten Frequenzgenerator mit einer zweiten Abstimmeinrichtung auf,
die mit einem entlang der Längserstreckung des Sensorelements
gegenüberliegenden, zweiten Endbereich des Sensorelements
verbindbar ist.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist es nicht mehr notwendig, zwischen dem ersten
und dem zweiten Endbereich hin und her zu schalten.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die zum Auswerten der ersten Mischfrequenz
aus der Messung am ersten Endbereich und einer zweiten Mischfrequenz
aus der Messung am zweiten Endbereich zur Positionsbestimmung ausgebildet
ist.
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Die
beiden Mischfrequenzen werden dabei vorteilhaft wie folgt ausgewertet:
Wie bereits zuvor erwähnt, geben beide Messungen eine Information über
die Position des Objekts, die unmittelbar miteinander korrespondieren.
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Zum
einen ist es anhand der beiden Messungen beispielsweise möglich,
die Position als den Mittelwert aus den Abstandwerten, die den Mischfrequenzen
entsprechen, zu berechnen, wobei der Abstandswert der zweiten Messung
auf den Bezugspunkt der ersten Messung umgerechnet wird oder umgekehrt.
Zum anderen ist auch eine Plausibilitätsprüfung
möglich. Sollten die beiden Abstandswerte zu weit voneinander
abweichen – der Abstandswert aus der zweiten Messung wurde
wieder auf den Bezugspunkt der ersten Messung umgerechnet –,
so kann dies auf einen Fehler hindeuten, der entsprechend behandelt
werden kann.
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Die
Abweichung zwischen den Messwerten kann aber besonders bevorzugt
auch verwendet werden, um die Erstreckung bzw. die Größe
eines Objekts bezogen auf das Sensorelement zu erkennen. In diesem
Fall wird eine Abweichung zwischen den Messwerten nicht im Sinne
eines Fehlers, sondern als Hinweis darauf interpretiert, dass sich
ein erster Erstreckungspunkt des Objekt, insbesondere ein erstes
Ende des Objekts, bei dem Abstandswert gemäß der
ersten Messung befindet und dass sich ein zweiter Erstreckungspunkt
des Objekt, insbesondere ein zweites Ende des Objekts, bei dem Abstandswert
gemäß der zweiten Messung befindet. So ist es
insbesondere möglich, eine Berührung mit zwei
Fingern zu detektieren, beispielsweise einen Finger in der Nähe des
ersten Endbereichs und einen anderen Finger in der Nähe
des zweiten Endbereichs.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Messeinheit dafür ausgebildet, eine Differenzfrequenz zwischen
der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz zu ermitteln.
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Die
Mischung zweier unterschiedlicher Frequenzen erzeugt neben den beiden
Basisfrequenzen im Spektrum eine zusätzliche niedrige Frequenz. Grundsätzlich
kann dies dazu benutzt werden, auch sehr kleine Änderungen
zu detektieren. Bei der bevorzugten Detektion, die keinen tatsächlichen
Kontakt des Objekts mit dem Sensorelement erfordert, ist die Änderung
der Ausgangsfrequenz sehr gering, beispielsweise in der Größenordnung
von 0,001%, was 1 Hz auf 100 kHz entspricht.
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Um
die Auswertung zu vereinfachen und die Kosten für eine
präzise Auswertung zu senken, wird vorgeschlagen, den Betrag
der Frequenzänderung auf die Differenzfrequenz zwischen
der Ausgangsfrequenz und der Referenzfrequenz zu projizieren. Bei den
für diese Vorrichtung experimentell ermittelten Werten,
kann sich die zu messende Änderung um eine oder mehrere
Potenzen steigern. Insbesondere kann die zu messende Änderung
auf bis zu 25 bis 100% gesteigert werden, was einem Frequenzbereich
von 250 Hz–1 kHz bezogen auf 1 kHz entspricht. Damit ist
die Messung der Änderung der Ausgangsfrequenz einfacher
zu realisieren.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Referenzfrequenz niedriger, insbesondere deutlich niedriger, als
die Grundfrequenz.
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Dies
bedeutet, mit anderen Worten, dass die Referenzfrequenz nicht auf
die Grundfrequenz abgestimmt werden muss. Da es nicht erforderlich
ist, den absoluten Frequenzwert zu bestimmen, sondern eine Bestimmung
der Frequenzänderung ausreichend ist, kann die Messung
schneller und genauer durchgeführt werden. Mittels eines
nachgeschalteten Bandpassfilters können unerwünschte
Frequenzwerte, also zu niedrige und zu hohe Frequenzwerte, unterdrückt
werden.
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Insbesondere
sei darauf hingewiesen, dass die Referenzfrequenz auch deutlich
niedriger als die Grundfrequenz gewählt werden kann. Im
Rahmen der Erfindung wurde nämlich herausgefunden, dass ein
Mischen der Frequenzen auch auf der Basis von Harmonischen und Subharmonischen
durchgeführt werden kann. So ist es beispielsweise grundsätzlich möglich,
die Referenzfrequenz um den Faktor 10 unter der Grundfrequenz zu
wählen. Die dafür benötigte möglichst
stabile Referenzfrequenz kann durch den Quarz eines Mikrokontrollers
bereitgestellt werden.
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Die
Reduzierung der Referenzfrequenz hat zwei wesentliche Vorteile.
Zum einen kann eine niedrigere Frequenz mit dem genannten Mikrokontroller feiner
eingestellt werden, da die absoluten Sprünge zwischen zwei
Teilen der Grundfrequenz bei niedrigen Frequenzen kleiner sind als
bei großen. Dies soll an einem Beispiel verdeut licht werden.
Um eine Referenzfrequenz von 10 kHz zu erzeugen, muss eine Oszillatorfrequenz
von 8 MHz durch 800 geteilt werden. Beim nächsten Teilerschritt,
also 801, beträgt die Frequenz dann 9,987 kHz, was einen
Frequenzschritt von 13 Hz bedeutet. Verwendet man hingegen eine
Referenzfrequenz von 100 kHz bei einem Teiler 80, ist der absolute
Sprung zum nächsten Teiler 81 bereits 1,3 kHz. Mit einer
niedrigeren Referenzfrequenz kann die Mischfrequenz feiner eingestellt
werden.
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Ein
weiterer Vorteil kann sich ergeben, da bei Verwendung einer geringeren
Referenzfrequenz ein Jitter der Ausgangsfrequenz oberhalb der Referenzfrequenz
ausgefiltert wird. Beispielsweise passen bei einem gegebenen Faktor
ebenso viele Perioden der Ausgangsfrequenz in eine Periode der Referenzfrequenz.
Damit werden eventuelle Zeitunterschiede zwischen den Perioden ausgemittelt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Messeinrichtung einen Zähler auf, der dafür ausgebildet
ist, steigende und/oder fallende Flanken der Mischfrequenz zu zählen.
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Durch
die Verwendung eines Zählers können auch hohe
Frequenzen zuverlässig bestimmt werden. Um die Mischfrequenz
zu ermitteln, kann ermittelt werden, in welchem Zeitraum wie viele
Flanken gezählt wurden. Als Referenz für die Zeitbestimmung kann
dabei beispielsweise die Taktfrequenz eines Mikrokontrollers dienen.
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Insbesondere
wird das folgende Vorgehen vorgeschlagen, bei dem der Zähler
nur steigende Flanken zählt. Zu einem Zeitpunkt, an dem
eine steigende Flanke ein Zählereignis in dem genannten Zähler
auslöst, wird ein zweiter Zähler gestartet, der Frequenzpulse
einer Zeitreferenz, also insbesondere die genannten Taktimpulse
eines Mikrokontrollers, zählt. Hat der erste Zähler
eine vorgegebene Anzahl an Flanken der Mischfrequenz gezählt,
werden beide Zählvorgänge gestoppt. Da die Taktrate
des Mikrokontrollers bekannt ist, kann aus dem Zählergebnis des
zweiten Zählers die verstrichene Zeit zuverlässig bestimmt
werden. Aus der Anzahl der vom ersten Zähler gezählten
Flanken zu der verstrichenen Zeit ergibt sich dann die zu ermittelnde
Mischfrequenz.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Messeinrichtung dafür ausgebildet, die Mischfrequenz in
eine Gleichspannung zu wandeln.
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Dies
kann zu einer Vereinfachung der Vorrichtung führen, da
nicht mehr die einzelnen Flanken der Mischfrequenz ausgewertet werden
müssen, sondern lediglich die genannte Gleichspannung.
Die Möglichkeit der Wandlung in die Gleichspannung kann
mittels einer Monoflop-Schaltung erfolgen, die insbesondere auf
der Basis von zwei NAND-Gattern realisiert wird. Grundsätzlich
ist auch die Verwendung einer One-Shot-Schaltung denkbar, die bei
einer steigenden Flanke am Eingang einen kurzen Puls am Ausgang
erzeugt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich
zu dem genannten, ersten Sensorelement ein zweites längliches
leitfähiges Sensorelement angeordnet.
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Dabei
ergeben sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Wird das
zweite Sensorelement im Wesentlichen parallel zum ersten Sensorelement
angeordnet, so kann ein weiteres Bedienfeld realisiert werden. Es
ist auch möglich, die zwischen den Sensorelementen aufgespannte
Fläche als ein Sensorfeld zu sehen, wobei dann die Informationen,
die aufgrund der Messungen mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement
gewonnen werden, für eine Positionsbestimmung innerhalb
des Sensorfelds herangezogen werden.
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Um
Messungen mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement durchzuführen,
kann jedes Sensorelement mit den zuvor beschriebenen Ansteuer- und
Auswerteelementen verbunden sein. Es ist aber auch möglich,
die zuvor beschriebenen Ansteuer- und Auswerteelemente abwechselnd
mit dem ersten und dem zweiten Sensorelement zu verbinden. Wenn
die Messung mit einem der Sensorelemente durchgeführt wird, wird
die andere Elektrode bevorzugt auf Masse geschaltet oder durch ein Öffnen
der Verbindung am Endbereich bzw. der Verbindungen an den Endbereichen
abgeklemmt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das
erste und das zweite Sensorelement im Wesentlichen senkrecht zueinander
angeordnet.
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Auf
diese Weise kann die Position des Objekts in dem aufgespannten Sensorfeld
wie in einem Koordinatensystem mit X- und Y-Koordinaten angegeben
werden.
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Ein
allgemeiner Vorteil, der durch die Erfindung erzielt werden kann,
beruht darauf, dass durch die Mischung der Frequenzen relativ hohe
Grundfrequenzen in den Frequenzgeneratoren verwendet werden können.
Aufgrund der Frequenzmischung können auch Zähler
verwendet werden, die eine geringe Taktfrequenz haben, wie das beispielsweise
bei internen Zählern eines Mikrokontrollers der Fall ist. Um
eine hohe Auflösung bei der Frequenzzählung zu erreichen,
ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz der Zählereignisse
entsprechend niedrig gegenüber der Taktfrequenz des Zählers
ist. Wie zuvor erläutert, wird mit dem Mischverfahren nur
die Differenz zweier hoher Frequenzen gemessen. Dies ist vorteilhaft,
da somit für die Erzeugung der Zeitkonstanten für
die Frequenz niedrigere Widerstände verwendet werden können,
was zu einer besseren Störsicherheit der Vorrichtung führt.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung
durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts
mit kapazitivem Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere
für die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst,
mit einem länglichen leitfähigen Sensorelement,
mit einer Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement
in einem Endbereich seiner Längserstreckung mit einem Strom
zu beaufschlagen, mit einem Vergleicher, der zum Vergleichen einer
aus der Beaufschlagung resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen
Schwellwert ausgebildet ist, und mit einer Messeinrichtung zum Bestimmen
der Zeit bis zum Erreichen des Schwellwerts, so dass anhand der
ermittelten Zeit die Position des Objekts angegeben werden kann.
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Schließlich
wird die Aufgabe nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch
ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit kapazitivem
Anteil bezogen auf eine Oberfläche, insbesondere für
die Bedienung eines elektrischen Geräts, gelöst,
wobei ein Sensorelement für die Detektion des Objekts mit
einem Strom beaufschlagt wird und die Zeit gemessen wird, bis eine
aus der Beaufschlagung resultierende Spannung einen vorgegebenen Schwellwert
erreicht, so dass anhand der ermittelten Zeit die Position des Objekts
angegeben werden kann.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die zuletzt genannte Vorrichtung und
das zuletzt genannte Verfahren prinzipbedingt etliche Übereinstimmungen
mit der zuvor genannten Vorrichtung und dem zuvor genannten Verfahren
haben. Daher sind alle zuvor gemachten Erläuterungen, Beschreibungen
und Weiterbildungen auch auf die zuletzt genannte Vorrichtung und
das zuletzt genannte Verfahren übertragbar, solange sie
nicht ausschließlich auf die spezifischen Elemente, wie
beispielsweise den Frequenzgenerator oder den Mischer, abstellen.
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Auch
dieser Vorrichtung und diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass die Annäherung eines Objekts an das Sensorelement
sich bei einer Betrachtung von einem Endbereich des Sensorelements
als eine Reihenschaltung von Widerstand und Kapazität zeigt.
In diesem Fall wird darauf abgestellt, dass eine bestimmte Zeit
vergeht, um die Kapazität über den Widerstand
aufzuladen. Der Widerstand stellt sich erneut als der Abschnitt
des Sensorelements dar, der zwischen dem Endbereich und dem Einkopplungspunkt
der Kapazität liegt. Je weiter der Einkopplungspunkt von
dem Endbereich entfernt ist, desto größer wird
der effektive Widerstand und desto länger dauert das Aufladen
der Kapazität. Das Prinzip der Vorrichtung und des Verfahrens
ist wie folgt.
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Die
Stromquelle beaufschlagt das Sensorelement in einem Endbereich seiner
Längserstreckung mit einem Strom. Im Bereich von der Stromquelle
zum Endbereich des Sensorelements ist ein Abgriff für einen
Vergleicher angeordnet, der zum Vergleichen einer aus der Strombeaufschlagung
resultierenden Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert ausgebildet
ist. Die Zeit, die von der Strombeaufschlagung bis zum Erreichen
des Schwellwerts vergeht, wird von der Messeinrichtung erfasst,
so dass schließlich die Position des Objekts bestimmt werden
kann.
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Für
die Genauigkeit der Messung ist es vorteilhaft, wenn die Stromquelle
einen Strom möglichst genau mit einer gewünschten
Stromstärke abgibt, da dann Schwankungen der Ladekurven
allein aufgrund Schwankungen in der Stromquelle vermieden werden
können. Insbesondere ist die Stromquelle daher als Konstantstromquelle
ausgeführt.
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Zur
Verdeutlichung dieses Prinzips sollen drei Fälle näher
beleuchtet werden. Hat sich kein Objekt dem Sensorelement angenähert,
wirkt das Sensorelement – da es an einer Verbindung mit
einem zweiten Pol fehlt – wie eine unterbrochene Leitung. Demnach
wird nach dem Einschalten der Stromquelle oder nach dem Schalten
der Stromquelle auf das Sensorelement der Schwellwert nahezu unmittelbar überschritten.
Die Zeit ist also sehr kurz, insbesondere nahezu null.
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Befindet
sich das Objekt in der Nähe des Endbereichs, so sieht die
Stromquelle nun eine Reihenschaltung eines kleineren Widerstands
und einer Kapazität. Wird diese Anordnung mit dem Strom
beaufschlagt, so ergibt sich eine kurze Ladezeit. Nähert sich
das Objekt einem Bereich des Sensorelements an, der vom Endbereich
entfernt liegt, so sieht die Stromquelle eine Reihenschaltung von
einem größeren Widerstand und einer Kapazität.
Wird das Sensorelement nun mit Strom beaufschlagt, so vergeht eine längere
Zeit, bis der Schwellwert erreicht wird.
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Die
Zusammenhänge zwischen der gemessenen Zeit (Ladezeit) und
der Position des Objekts bezogen auf das Sensorelement kann rechnerisch und/oder
experimentell ermittelt werden. Außerdem kann auch eine
Einstellung/Kalibrierung vorgenommen werden, beispielsweise indem
das Objekt an einem Ende des Sensorelements und am anderen Ende
des Sensorelements positioniert wird und die jeweiligen Messwerte
ausgewertet werden. Da der theoretische Zusammenhang zwischen der
Position des Objekts auf dem Sensorelement und der Auswirkung auf
die Reihenschaltung von Widerstand und Kapazität bekannt
ist, können dann Zwischenwerte berechnet bzw. interpoliert
werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Stromquelle
sowohl dafür ausgebildet den genannten, ersten Endbereich
als auch einen entlang der Längserstreckung des Sensorelements gegenüberliegenden,
zweiten Endbereich des Sensorelements mit einem Strom zu beaufschlagen.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine genauere Bestimmung der Position,
da nun eine erste Messung bezogen auf den ersten Endbereich und
eine zweite Messung bezogen auf den zweiten Endbereich durchgeführt
werden können. Da die Geometrie des Sensorelements bekannt
ist, lässt sich unmittelbar eine Beziehung zwischen der
ersten und der zweiten Messung herstellen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung neben der genannten, ersten Stromquelle, die den genannten, ersten
Endbereich mit Strom beaufschlagen kann, eine zweite Stromquelle
auf, die dafür ausgebildet ist, einen entlang der Längserstreckung
des Sensorelements gegenüberliegenden zweiten Endbereich
des Sensorelements mit Strom zu beaufschlagen, und weist die Vorrichtung
neben dem genannten, ersten Vergleicher einen zweiten Vergleicher
auf, der zum Vergleichen einer aus der Beaufschlagung durch die zweite
Stromquelle resultierenden Spannung mit einem Schwellwert ausgebildet
ist.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist es nicht mehr notwendig, zwischen dem ersten
und dem zweiten Endbereich hin und her zu schalten. Der Schwellwert des
ersten Vergleichers und der Schwellwert des zweiten Vergleichers
werden bevorzugt im Wesentlichen gleich gewählt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Messeinrichtung zum Bestimmen der Zeit vom Erreichen des Schwellwerts bei
einem der Vergleicher bis zum Erreichen des Schwellwerts bei dem
anderen Vergleicher ausgebildet.
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Dies
bedeutet, dass die Zeitdauer bestimmt wird, die verstrichen ist,
nachdem einer der Vergleicher den Schwellwert überschritten
hat, bis auch der andere Vergleicher seinen Schwellwert überschritten hat.
Um die Auswertung zu verdeutlichen, seien drei Beispiele genannt:
- 1. Nähert sich das Objekt dem Sensorelement
in etwa in der Mitte des Sensorelements an, so sehen die erste und
die zweite Stromquelle jeweils im Wesentlichen den gleichen Widerstand
und die gleiche Kapazität. Dies bedeutet, dass die Zeitdifferenz
zwischen den beiden Ladezeiten nur gering ist.
- 2. Nähert sich das Objekt dem ersten Endbereich an,
so erreicht der erste Vergleicher deutlich schneller seinen Schwellwert
als der zweite Vergleicher. Aus der Information der verhältnismäßig großen
Zeitdauer und der Tatsache, dass der erste Vergleicher den Schwellwert
zuerst erreicht hat, kann der Rückschluss gezogen werden,
dass sich das Objekt dem linken Endbereich angenähert hat.
- 3. Bei einer Annäherung des Objekts an den zweiten
Endbereich ergibt sich wieder eine verhältnismäßig
große Zeitdauer, wobei in diesem Fall jedoch der zweite
Vergleicher zuerst seinen Schwellwert erreicht. Diese Informationen
erlauben den Rückschluss, dass sich das Objekt dem zweiten
Endbereich annähert.
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Allgemein
ist es daher unter Berücksichtigung der ermittelten Zeitdifferenz
und der Kenntnis, welcher Vergleicher den Schwellwert zuerst überschritten
hat, möglich, eine Aussage zu treffen, wie weit die Position
des Objekts von diesem Mittelpunkt entfernt ist und ob dieser Abstand
in Richtung des ersten Endbereichs oder des zweiten Endbereichs abzutragen
ist.
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Bevorzugt
wird die Zeitdifferenz mittels eines Zählers erfasst. So
wird der Zähler gestartet, wenn einer der Vergleicher den
Schwellwert überschreitet und wird der Zähler
gestoppt, wenn der andere Vergleicher den Schwellwert überschreitet.
Aus dem Zählergebnis und der Taktfrequenz des Zählers
kann dann auf einfache und genaue Weise die Zeit bestimmt werden.
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Der
vollständige Vorgang bei der Messung sieht wie folgt aus.
Wie zuvor beschrieben, werden die Stromquellen eingeschaltet und
es wird gewartet, bis die Messungen abgeschlossen sind, d. h. bis
der Schwellwert von beiden Vergleichern überschritten wurde.
Anschließend werden die Stromquellen wieder abgeschaltet,
was dazu führt, dass die im Objekt enthaltene Kapazität
wieder entladen wird. Die benötigte Entladezeit kann entweder
vorher festgelegt werden oder durch ein Zufügen einer Hysterese
zur Schaltspannung, insbesondere durch eine Schaltung der Vergleicher
als Schmitt-Trigger, bestimmt werden. Wenn die Spannung auf ein
festgelegtes Niveau abgesunken ist bzw. der Entladevorgang weitestgehend
abgeschlossen ist, kann eine neue Messung gestartet werden. Da die
Periodendauer der Messung im Wesentlichen von den Lade- und Entladezeiten
bestimmt ist, hängt sie demnach im Wesentlichen von der
Kapazität ab, die durch das Objekt auf das Sensorelement
wirkt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Stromquellen auf einfache Art mit
bekannten Schaltungen wie z. B. dem Stromspiegel oder einem JFET-Transistor
realisiert werden können. Dies bedeutet, dass die Lösung
preiswert realisiert werden kann.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren
lassen sich kapazitive Sensorordnungen bzw. Bedienbaugruppen realisieren.
Die hiermit einhergehende Technologien zur Ausgestaltung des Sensorelements
sind allgemein bekannt und werden daher vorliegend nicht im Detail
beschrieben. Auf den Inhalt der vom gleichen Anmelder am gleichen
Tag wie die vorliegende Anmeldung hinterlegten Anmeldung mit dem
Titel „Bedienanordnung für ein Haushaltsgerät"
wird hiermit Bezug genommen. Der Inhalt dieser parallelen Anmeldung
soll demgemäß vorliegend vollumfänglich
enthalten sein.
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Für
alle zuvor genannten Vorrichtungen und Verfahren gilt, dass sie
bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können,
insbesondere im Bereich der Bedienanordnungen für die Bedienung eines
elektrischen Geräts. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist einfach und preiswert herstellbar, so dass sie gerade auch in
massenproduzierten Geräten, z. B. für die Unterhaltungselektronik,
weiße Ware, den Automobilbereich oder im Infotainmentbereich
eingesetzt werden kann. Da nur zwei Kontaktpunkte für das
Sensorelement erforderlich sind, können Bedienelemente
auch außerhalb der Grundfläche der Leiterplatte,
auf der die Vorrichtung aufgebaut ist, angeordnet werden. Besonders
gut kann die Vorrichtung dort eingesetzt werden, wo die Bedienung
durch eine isolierende Blende hindurch (Kunststoff, Glas, Keramik,
Ceran, Stein, etc.) erfolgt. Es ist also nicht mehr erforderlich,
einen Durchbruch für Knöpfe vorzusehen. Diese
können nun entweder im Material selbst oder durch einfaches
Aufdrucken realisiert werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und
werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Bedienanordnung mit einer Blende und zwei erfindungsgemäßen
Vorrichtungen;
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2 ein
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die auf der Auswertung
von Mischfrequenzen beruht;
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3 den
Zusammenhang zwischen der Mischfrequenz und der Position des Objekts;
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4 ein
Verfahren zur genauen Bestimmung der Mischfrequenz;
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5 ein
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die auf der Auswertung
von Ladezeiten beruht;
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6 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der Zeitdifferenz, die sich zwischen
den Ladezeiten der Vergleicher ergibt; und
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7 eine
Anordnung von zwei Sensorelementen für die Erfassung der
Position eines Objekts in einer Ebene.
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1 zeigt
zwei Vorrichtungen 10, 10', die Teil einer Bedienanordnung 12 sind.
Von den Vorrichtungen 10, 10' sind explizit lediglich
die Sensorelemente 14, 14' gezeigt, während
alle anderen Bestandteile der Vorrichtungen 10, 10' lediglich
als Kästchen 16, 16' angedeutet sind.
Die Sensorelemente 14, 14' sind hier als Kunststoffstreifen
ausgeführt.
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Über
den Sensorelementen 14, 14' befindet sich eine
Blende 18, auf die zwei Bedienfelder 20, 22 aufgedruckt
sind. Dabei stellt das eine Bedienfeld 20 eine Gruppe von
drei definierten Berührungsbereichen für Schalter
dar, während das andere Bedienfeld 22 als länglicher
Streifen ausgebildet ist, entlang dessen Längserstreckung
eine Vielzahl von Positionen eingenommen werden kann, ähnlich
wie bei einem Schieberegler.
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Hinsichtlich
des ersten Bedienfelds 20 soll eine Auflösung
dahingehend vorgenommen werden, an welchen der drei gezeigten Bereiche
sich ein Objekt, insbesondere ein menschlicher Finger, annähert.
Bei dem zweiten Bedienfeld 22 soll ermittelt werden, an
welcher Position entlang des Bedienfelds sich das Objekt dem Sensorelement
annähert.
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Die
Blende 18 ist aus einem elektrisch isolierenden Material
gefertigt. Es ist aber grundsätzlich auch denkbar, ein
leitfähiges Material zu verwenden. Die Oberfläche
der Blende 18 ist geschlossen, da die Bedienfelder 20, 22 lediglich
aufgedruckt sind, aber keine tatsächliche Öffnung
benötigen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Bedienanordnung 12 sehr
einfach zu beschalten ist, da aus jedem Sensorelement 14, 14' lediglich
zwei Anschlüsse herausgeführt werden müssen.
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2 zeigt
eine Vorrichtung 10, die auf der Mischung von Frequenzen
beruht. Neben dem bereits genannten Sensorelement 14 weist
die Vorrichtung 10 einen ersten Frequenzgenerator 24 auf,
der eine eine Ausgangsfrequenz fa1 des Frequenzgenerators 24 bestimmende
Abstimmeinrichtung 26 aufweist, die eine Grundfrequenz
fb1 hat und mit dem Sensorelement 14 in einem Endbereich 28 seiner Längserstreckung
L verbunden ist. Dabei kann zwischen der Abstimmeinrichtung 26 und
dem ersten Endbereich 28 ein Schaltelement (nicht gezeigt)
angeordnet sein, um das Sensorelement 14 von der ersten
Abstimmeinrichtung 26 zu trennen.
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Die
Vorrichtung 10 weist außerdem einen zweiten Frequenzgenerator 30 auf,
der eine Ausgangsfrequenz fa2 des zweiten Frequenzgenerators 30 bestimmende
Abstimmeinrichtung 32 mit einer Grundfrequenz fb2 hat und
mit dem Sensorelement 14 in einem zweiten Endbereich 34 seiner
Längserstreckung L verbunden ist. Auch hier kann ein entsprechendes
Schaltelement vorgesehen sein.
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Die
Ausgangsfrequenz fa1 des ersten Frequenzgenerators 24 wird
an einen ersten Mischer 36 und die zweite Ausgangsfrequenz
fa2 des zweiten Frequenzgenerators 30 an einen zweiten
Mischer 38 geleitet. Beide Mischer 36, 38 erhalten
zudem eine Referenzfrequenz fref von einem Referenzfrequenzgenerator 40.
Die Mischfrequenzen fmix1, fmix2 der Mischer 36, 38 werden
an eine Messeinrichtung 42 geleitet, wo aus den Mischfrequenzen
fmix1, fmix2 die Position eines Objekts 44 ermittelt wird.
Die Messeinrichtung 42 weist mindestens einen Zähler 45 auf.
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Das
Objekt 44, bei dem es sich insbesondere um einen menschlichen
Finger handelt, ist hier vereinfacht als eine gegen Masse geschaltete
Kapazität C dargestellt, die an einem Einkopplungspunkt 46 auf das
Sensorelement 14 gekoppelt ist.
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Wie
bereits zuvor erläutert, ist an die erste Abstimmeinrichtung 26 die
Kapazität C und ein Widerstand angeschlossen, der sich
durch die Teillänge L1 entlang des Sensorelements 14 ergibt.
An die zweite Abstimmeinrichtung 32 ist die Kapazität
C und ein Widerstand angeschlossen, der sich durch die Länge
L2 entlang des Sensorelements 14 ergibt.
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Die
Ausgangsfrequenzen fa1, fa2 hängen also von der Position
des Objekts 44 entlang des Sensorelements 14 ab.
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Das
Prinzip, wie die Mischfrequenzen fmix1, fmix2 für eine
Bestimmung der Position xpos entlang des Sensorelements 14 verwendet
werden, ist in 3 gezeigt. Dabei sind bevorzugt
Referenzkurvenverläufe hinterlegt, die den Verlauf der
Mischfrequenzen fmix1, fmix2 in Abhängigkeit von der Position
xpos des Objekts 44 beschreiben. Im Rückschluss kann
dann bei Kenntnis mindestens einer Mischfrequenz fmix1, fmix2 die
Position xpos erkannt werden. Wie eingangs bereits erläutert,
können aber auch beide Mischfrequenzen fmix1, fmix2 für
die Auswertung herangezogen werden, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung
zu erhöhen und/oder Fehler bei der Positionsbestimmung
zu erkennen.
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Eine
mögliche, bevorzugte Form der Auswertung wird wie folgt
vorgenommen. Anhand der Mischfrequenzen fmix1, fmix2 werden zwei
entsprechende Punkte auf den Referenzkurvenverläufen, die
hier vereinfacht als Geraden dargestellt sind, ermittelt. Aus den
Punkten auf den Referenzkurven lassen sich dann jeweils Positionswerte
xpos ermitteln. Ferner kann aber auch aus den beiden Punkten eine Art
Mittelwert dpos bestimmt werden, der den Abstand des Objekts zum
Sensorelement 14 angibt. Außerdem kann ein Anstieg
von dpos über der Zeit im Sinne einer Annaherung des Objekts 44 an
das Sensorelement 14 verstanden werden.
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In 4 ist
gezeigt, wie die Messeinrichtung 42 die Mischfrequenzen
fmix1, fmix2 vorteilhaft bestimmt. Dafür sind in der Messeinrichtung
zwei Zähleinheiten angeordnet – jeweils eine Zähleinheit
zur Bestimmung einer Mischfrequenz fmix1, fmix2 –, von denen
nun eine Zähleinheit, die den Zähler 45 aufweist,
für die Mischfrequenz fmix1 beispielhaft beschrieben wird.
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Die
Zähleinheit ist dafür ausgebildet, sowohl mittels
eines ersten Zählers (nicht gezeigt) die Anzahl der Takte
ihrer eigenen Taktfrequenz zu zählen als auch mittels des
Zähler 45 (nachfolgend: zweiter Zähler
CT2) die Anzahl der steigenden Flanken, die in der Mischfrequenz
fmix1 enthalten sind.
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Um
eine möglichst genaue Frequenzmessung zu erzielen, müssen
die beiden Zähler der Zähleinheit möglichst
synchron gestartet werden. D. h., sobald der zweite Zähler 45,
der die steigenden Flanken der Mischfrequenz fmix1 zählt,
eine Flanke zählt, sollen beide Zähler mit dem
Zählen beginnen.
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Um
dieses zu erreichen, wird in einem Schritt 50 die Anzahl
der zu zählenden Ereignisse, hier die steigenden Flanken,
die in der Mischfrequenz fmix1 enthalten sind, MAX auf 1 gesetzt.
Danach werden im Schritt 52 die Zählerstände
des ersten Zählers CT1 und des zweiten Zählers
CT2 auf null gesetzt. Im Schritt 54 in Verbindung mit dem
Abzweig N prüft der zweite Zähler CT2, ob die
entsprechende Anzahl der zu zählenden Ereignisse MAX erreicht
wurde. Für die Ausgangssituation, bei der MAX = 1 ist,
bedeutet dies, dass das Auftreten der nächsten steigenden Flanke
der Mischfrequenz fmix1 abgewartet wird.
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Wurde
die Anzahl MAX erreicht, werden die Zählerstände
im Schritt 56 „READ DATA" ausgelesen. Im Sinne
der Genauigkeit, sollte das Auslesen der Zählerstände
unmittelbar erfolgen, nachdem die erforderliche Anzahl der er zu
zählenden Ereignisse MAX festgestellt wurde (wie es hier
gezeigt ist).
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Im
Schritt 58 wird sinngemäß abgefragt,
ob eine Messung gestartet werden soll (MAX = 1) oder ob gerade eine
Messung durchgeführt wurde (MAX ≠ 1). Soll nun
eine Messung gestartet werden, verzweigt das Verfahren über
den Abzweig J zum Schritt 60, wo die Anzahl der zu zählenden
Ereignisse auf MAX = 16 gesetzt wird. Im Schritt 52 werden
die Zähler dann wieder auf null gesetzt und die Messung
beginnt. Da MAX = 16 ist, werden bei diesem Beispiel nun 16 steigende
Flanken der Mischfrequenz fmix1 gezählt, während
der erste Zähler CT1 die Taktimpulse der Taktfrequenz zählt.
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Wird
im Schritt 54 nun festgestellt, dass 16 steigende
Flanken der Mischfrequenz fmix1 detektiert wurden, werden die Zählerstände
im Schritt 56 wieder ausgelesen. Der Schritt 58 verzweigt
diesmal über den Abzweig N, wo durch das Setzen von MAX =
1 im Schritt 62 eine neue Messung vorbereitet wird. Im
Schritt 64 „DATA OUT" werden dann die Zählerstände
ausgegeben.
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Die
Berechnung der Mischfrequenz fmix1 – die übrigens
auch ein Teil des Schritts 64 sein kann – wird
wie folgt durchgeführt. Da die Taktrate des ersten Zählers
CT1 bekannt ist, kann anhand der von ihm gezählten Taktimpulse
sehr zuverlässig ermittelt werden, wie lange der erste
Zähler CT1 lief, bis der zweite Zähler CT2 16 Flanken
gezählt hatte. Die gesuchte Mischfrequenz fmix1 ergibt
sich dann einfach als das Verhältnis der Anzahl der Flanken
(hier 16) zur Zeit.
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Mit
dieser Methode kann einfach und genau eine hohe Frequenz gemessen
werden. Zudem verkürzt die Verwendung einer hohen Frequenz
auch die Zeit, die benötigt wird, um die Mischfrequenz
zu messen.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur
Bestimmung einer Position eines Objekts 44, die auf der
Messung von Ladezeiten beruht. Für die Erläuterungen
zum Sensorelement 14 und zum Objekt 44 wird auf
die Ausführungen zur 2 verwiesen.
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Die
Vorrichtung 10'' weist eine erste Stromquelle 70 auf,
die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement 14 in
einem ersten Endbereich 28 seiner Längserstreckung
L mit einem Strom zu beaufschlagen. Außerdem weist die
Vorrichtung 10'' eine zweite Stromquelle 72 auf,
die dafür ausgebildet ist, das Sensorelement 14 in
einem zweiten Endbereich 34 seiner Längserstreckung
L mit einem Strom zu beaufschlagen.
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An
den jeweiligen Einspeisepunkten 74, 76 der Stromquellen 70, 72 sind
jeweils ein Vergleicher 78, 80 angeordnet, die
jeweils dafür ausgebildet sind, die aus der Stromaufschlagung
resultierende Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert Vref zu vergleichen.
Für jeden der Vergleicher 78, 80 gilt, dass,
wenn er ein Erreichen des Schwellwerts Vref detektiert, ein Signal
an eine Messeinrichtung 82 gesendet wird. Für
die Messungen werden die Stromquellen 70, 72 von
einer Steuereinheit 84 ein- bzw. ausgeschaltet. Natürlich
ist es auch möglich, dass die Steuereinheit 84 jeweils
ein Schaltelement schaltet, das zwischen der jeweiligen Stromquelle 70, 72 und dem
Sensorelement 14 liegt.
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Bevorzugt
werden die Stromquellen 70, 72 entweder gleichzeitig
oder alternierend eingeschaltet. Grundsätzlich ist aber
natürlich auch ein mehrfaches Ein- und Ausschalten derselben
Stromquelle 70, 72 denkbar. Nachfolgend soll der
Fall betrachtet werden, wenn die Steuereinrichtung 84 die
Stromquellen 70, 72 gleichzeitig ansteuert.
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Durch
die Konstantstromquellen 70, 72 wird die Kapazität
C des Objekts 44 aufgeladen. Dabei ist die messbare Spannung
an den Einspeisepunkten, also den Endbereichen 28, 34, über
der Zeit abhängig von der Position des Objekts 44 bezogen
auf das Sensorelement 14. Übersteigt die Spannung
an einem der Vergleicher 78, 80 den Schwellwert
Vref, so sendet dieser Vergleicher 78, 80 ein
Signal, welches einen in der Messeinrichtung 82 enthaltenen
Zähler 84 startet. Sobald der andere Vergleicher 80, 78 ein Erreichen
des Schwellwerts Vref feststellt, sendet dieser ein Signal an die
Messeinrichtung 82, wodurch der in der Messeinrichtung
enthaltene Zähler 84 gestoppt wird. Aus der Kenntnis
der Taktfrequenz des Zählers 84 und der Anzahl
der gezählten Taktimpulse, lässt sich zuverlässig
die Zeit ermitteln, die zwischen dem Erreichen der Schwellwerte
der Vergleicher 78, 80 gelegen hat.
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Die
Auswertung der Zeit soll anhand von drei Fällen kurz erläutert
werden:
- 1. Wenn sich kein Objekt 44 an
das Sensorelement 14 annähert, so ist ein kapazitiver
Anteil bei der Strombeaufschlagung vernachlässigbar, da es
sich nur um geringe parasitäre Kapazitäten handelt.
Dies bedeutet, dass die Schwellwerte Vref nahezu unmittelbar überschritten
werden, so dass die vom Zähler 84 ermittelten
Werte recht klein sind. Ferner werden die von den Zählern 84, 86 in
guter Näherung übereinstimmen, da die Stromquellen 70, 72 aus
elektrischer Sicht im Wesentlichen in dieselbe elektrische Konfiguration einspeisen.
- 2. Nähert sich das Objekt 44 in etwa einer
Mittelposition entlang des Sensorelements 14 an, so werden
die Zählwerte immer noch im Wesentlichen gleich groß sein,
da die Stromquellen 70, 72 wieder im Wesentlichen
in dieselbe elektrische Konfiguration einspeisen. Aufgrund der nun
vorhandenen Kapazität C, werden die von den Zählern 84, 86 ermittelten
Werte aber größer sein als im Fall 1.
- 3. Wenn sich das Objekt 44 links oder rechts von einer
Mittelposition des Sensorelements 14 dem Sensorelement 14 annähert,
so wird der eine Vergleicher 78, 80 den Schwellwert
Vref erkennbar früher erreichen als der andere Vergleicher 80, 78.
Je größer die Zeitdifferenz ist, desto weiter
ist das Objekt 44 von der Mittelposition entfernt. Außerdem
kann, je nachdem ob der erste Vergleicher 78 oder der zweite
Vergleicher 80 den Schwellwert Vref zuerst erreicht hat,
festgestellt werden, ob sich das Objekt 44 links oder rechts von
der Mittelposition dem Sensorelement 14 annähert.
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Das
Prinzip der Auswertung soll anhand der 6 noch weiter
verdeutlicht werden. Es sind hier zwei verschiedene Situationen
dargestellt, bei denen das Objekt 44 an das Sensorelement 14 angenähert wird.
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Im
ersten Fall, mit der durchgezogenen Linie dargestellt, erreicht
der erste Vergleicher 78 den Schwellwert Vref zum Zeitpunkt
t1a. Der zweite Vergleicher 80 stellt das Erreichen des
Schwellwerts Vref zum Zeitpunkt t2a fest. Anhand der eher geringen
Differenz und der Tatsache, dass der erste Vergleicher 78 den
Schwellwert Vref zuerst erreicht hat, kann geschlossen werden, dass
sich das Objekt 44 etwas links (bezogen auf das Ausführungsbeispiel) von
einer Mittelposition des Sensorelements 14 annähert.
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Im
zweiten Fall, der mit einer strichpunktierten Linie dargestellt
ist, stellt der zweite Vergleicher 80 das Überschreiten
des Schwellwerts Vref zum Zeitpunkt t2b fest, während der
Schwellwert Vref beim ersten Vergleicher 78 erst zum Zeitpunkt
t1b überschritten wird. Aufgrund der relativ großen
Zeitdifferenz bzw. des relativ großen Zählwerts,
und der Tatsache, dass der Schwellwert Vref am zweiten Einspeisepunkt 76 zuerst überschritten
wurde, kann geschlossen werden, dass sich das Objekt 44 in
der Nähe des zweiten Endbereichs 34 dem Sensorelement 14 annähert.
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Grundsätzlich
kann der Zähler 84 auch so ausgebildet sein, dass
er bei einem Start durch den ersten Vergleicher 78 in positiver
Richtung zählt und bei einem Start durch den zweiten Vergleicher 80 in eine
negative Richtung zählt. Erreicht dann der jeweils andere
Vergleicher 78, 80 auch den Schwellwert Vref,
wird die Zählung angehalten. Anhand des Vorzeichens kann
dann ermittelt werden, ob sich das Objekt 44 dem Sensorelement 14 links
oder rechts von der Mittelposition dem Sensorelement 14 angenähert
hat.
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7 zeigt
die Möglichkeit, die Sensorelemente 14 zweier
Vorrichtungen 10 im rechten Winkel anzuordnen. Die vier
großen Pfeile zeigen an, dass sich der Einkopplungspunkt 46 in
zwei Dimensionen auf einer Oberfläche 18 bewegen
kann.
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Die
Bestimmung der X-Position wird durchgeführt, indem mittels
des zur X-Achse parallelen Sensorelements 14 die Lage des
Einkopplungspunkts 46 bezogen auf dieses Sensorelement 14 ermittelt
wird. Für eine Bestimmung der V-Position wird das zur V-Achse
parallele Sensorelement 14' verwendet, um die Position
des Einkopplungspunkts 46 bezogen auf dieses Sensorelement 14' zu
bestimmen. Im Ergebnis erhält man dann eine (X, V)-Bestimmung
des Einkopplungspunkts bezogen auf die Oberfläche 18.
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Insgesamt
hat die Erfindung damit neue Vorrichtungen und neue Verfahren aufgezeigt,
mit denen die Position eines Objekts 44 bezogen auf eine
Oberfläche 18 verhältnismäßig
einfach und genau bestimmt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 8033570
U1 [0004]
- - EP 1416636 A2 [0005]
- - EP 0859467 B1 [0006]
- - DE 102004038872 A1 [0007]