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Die
Erfindung betrifft ein Kapazitätserfassungsgerät.
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Die
US Patentschrift 6, 466, 036 (Druckschrift
1) sowie die Druckschrift
JP
2005/106665 A (Druckschrift 2) offenbaren bekannte Kapazitätserfassungsgeräte.
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Das
Kapazitätserfassungsgerät ist in
einem System zum Steuern eines Öffnungs-
bzw. Schließvorgangs
von einer Tür
für ein
Fahrzeug wie etwa einem Automobil eingebaut. Ein Erfassungssignal
für das
Kapazitätserfassungsgerät wird als
ein Auslösesignal
zum Entsperren der Fahrzeugtür
verwendet. Im Einzelnen wird ein Steuersystem auf eine Betriebsart
eingestellt, welche das Entsperren der Tür erlaubt, wenn ein Identitätscode zwischen
einer im Fahrzeug eingebauten Steuerungseinrichtung und einem sich
dem Fahrzeug nähernden
Betreiber übereinstimmt.
Wenn dabei der Betreiber einen Entsperrsensor (Elektrode) berührt, der
innerhalb eines Türaußengriffs
der Fahrzeugtür
eingebaut ist, erfasst das Kapazitätserfassungsgerät Änderungen
in der Kapazität
der Elektrode und gibt ein Auslösesignal zum
Entsperren der Fahrzeugtür
aus. Das Kapazitätserfassungsgerät erfasst
mit anderen Worten eine Absicht des Betreibers zum Entsperren auf
der Grundlage der Änderungen
in der Kapazität,
so dass das Auslösesignal
zum Entsperren ausgegeben wird.
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Ein
Kapazitätserfassungsgerät wird in
einer Sicherheitsvorrichtung zum Steuern eines Abstandes zwischen
dem Kopf eines Insassen und der Kopfstütze eines Sitzes eingebaut,
wodurch ein Halswirbelsäulenschleudertrauma
vermieden wird, das bei einem Fahrzeugaufprall auftreten kann. Das
Kapazitätserfassungsgerät kann als
ein Abstandssensor zum Erfassen eines Abstandes zwischen dem Kopf des
Insassen und der Kopfstütze
auf der Grundlage von Veränderungen
bei der Kapazität
in Reaktion auf einen Abstand zwischen einer in der Kopfstütze eingebetteten
Elektrode und dem Kopf des Insassen verwendet werden.
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Gemäß der Darstellung
von 18, die das Kapazitätserfassungsgerät gemäß Druckschrift
1 zeigt, ist ein Ende eines Bezugskondensators Cs mit einer Gleichspannungsenergieversorgung über einen
An/Aus-Schalter S1 verbunden. Der Bezugskondensator ist mit dem
anderen Ende mit einem variablen Kondensator Cx und einem An/Aus-Schalter S2 verbunden.
Ein Ende des variablen Kondensators Cx ist mit Masse verbunden,
oder befindet sich über
eine Sensorelektrode im Leerlauf. Beide Enden des Bezugskondensators
Cs sind mit dem An/Aus-Schalter S3 verbunden. Der Bezugskondensator
Cs ist mit seinem anderen Ende mit einem Komparator CMP und einer
Steuerschaltung verbunden. Der Komparator CMP dient als eine Spannungsmesseinheit
zum Messen einer Spannung an dem einen Ende des Bezugskondensators
Cs.
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Gemäß der Darstellung
nach 19 werden zunächst
die An/Aus-Schalter S2 und S3 geschlossen, so dass der Bezugskondensator
Cs und der variable Kondensator Cx elektrisch entladen werden. Danach
wird der An/Aus-Schalter S1 geschlossen, so dass der Bezugskondensator
Cs und der variable Kondensator Cx durch die Gleichspannungsenergieversorgung
elektrisch geladen werden. Die Spannung am Bezugskondensator Cs
steigt somit bis zu einem Spannungspegel, der durch ein Verhältnis zwischen
einer Kapazität
des Bezugskondensators Cs und einer Kapazität des variablen Kondensators
Cx definiert ist. Der An/Aus-Schalter S1 wird sodann geöffnet, und
der An/Aus-Schalter
S2 wird sodann geschlossen, wodurch das andere Ende des Bezugskondensators
Cs auf Masse liegt. Der variable Kondensator Cx wird elektrisch
entladen, und die Spannungsmesseinheit misst wiederholt die Spannung des
Bezugskondensators Cs. Die Steuerschaltung zählt die Anzahl der Vorgänge, bevor
die Spannung des Bezugskondensators Cs einen vorbestimmten Spannungspegel
erreicht. Die Gegenwart oder Abwesenheit von Ladungen in der variablen
Kapazität Cx
wird auf der Grundlage einer Erhöhung/Verringerung
der Anzahl der Vorgänge
erfasst.
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Die
Druckschrift 1 offenbart ferner ein Kapazitätserfassungsgerät zum Erfassen
der Gegenwart oder Abwesenheit von Änderungen bei zwei variablen
Kapazitäten.
Bei diesem Kapazitätserfassungsgerät wird ein
Bezugskondensator Cs mit einer ersten Sensorelektrode an einem Ende
und mit einer zweiten Sensorelektrode am anderen Ende verbunden.
Die erste Sensorelektrode ist mit einem variablen Kondensator Cx1
verbunden, von dem ein Ende auf Masse liegt oder sich im Leerlauf
befindet. Die zweite Sensorelektrode ist mit einem variablen Sensor
Cx2 verbunden, von dem ein Ende auf Masse liegt oder mit Vakuum
verbunden ist. Das eine Ende des Bezugskondensators Cs ist mit einer
Gleichspannungsenergieversorgung über einen An/Aus-Schalter S1
verbunden, und über
einen An/Aus- Schalter
S2 auf Masse gelegt. Das andere Ende des Bezugskondensators Cs ist
mit einer Gleichspannungsenergieversorgung über einen An/Aus-Schalter S3
verbunden und über
einen An/Aus-Schalter S4 auf Masse gelegt. Bei diesem Kapazitätserfassungsgerät werden
die An/Aus-Schalter S1 bis S4 betrieben, und die Spannungen an beiden
Enden des Bezugskondensators Cs werden jeweils durch zwei Spannungsmesseinheiten
gemessen. Folglich wird die Gegenwart oder Abwesenheit von Änderungen
in der Kapazität
bei jedem variablen Kondensator Cx1, Cx2 erfasst.
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Bei
dem in der Druckschrift 2 offenbarten Kapazitätserfassungsgerät ist ein
Ende eines Bezugskondensators Cs, das mit einem An/Aus-Schalter
S1 verbunden ist, mit einer Gleichspannungsenergieversorgung verbunden,
das andere Ende des Bezugskondensators Cs ist mit einem Ende eines
variablen Kondensators Cx verbunden, und das andere Ende des variablen
Kondensators Cx ist auf Masse gelegt. Ein An/Aus-Schalter S3 ist
mit dem einen Ende und dem anderen Ende des variablen Kondensators
Cx verbunden. Das Kapazitätserfassungsgerät wiederholt
abwechselnd einen zweiten Schaltvorgang, durch den der An/Aus-Schalter
S2 in einen geschlossenen Zustand geschaltet und in einen offenen
Zustand zurück
versetzt wird, und einen dritten Schaltvorgang, durch den der An/Aus-Schalter
S3 in einen geschlossenen Zustand geschaltet und in einen offenen
Zustand zurück
versetzt wird, was einem ersten Schaltvorgang nachfolgt, durch den
der An/Aus-Schalter S1 in einen geschlossenen Zustand geschaltet
wird. Das Kapazitätserfassungsgerät erfasst Änderungen
bei einem Kapazitätswert
des variablen Kondensators Cx auf der Grundlage der Anzahl von Vorgängen für den zweiten
Schaltvorgang, bevor die Spannung des anderen Endes des Bezugskondensators
Cs einen vorbestimmten Spannungspegel erreicht.
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Bei
jedem in den Druckschriften 1 und 2 offenbarten Kapazitätserfassungsgerät ändert sich
die Spannung der Sensorelektrode stark, so dass daher ein starkes
Funkrauschen erzeugt wird. Zudem kann eine mögliche Störung (Rauschen), die in Synchronisation
mit einem Betrieb des An/Aus-Schalters S2 oder S4 induziert wird,
gelegentlich Einfluss auf den Betrieb zur Erfassung der Kapazität des variablen Kondensators
Cx nehmen.
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Somit
existiert ein Bedarf für
ein Kapazitätserfassungsgerät, welches
das Auftreten von Funkrauschen hemmt, elektromagnetisches Rauschen
effektiv unterbindet, und eine Kapazität mit hoher Genauigkeit erfasst.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Kapazitätserfassungsgerät: einen
ersten An/Aus-Schalter, der mit einem Ende mit einer ersten Energieversorgungsspannung
verbunden ist, und mit dem anderen Ende mit einem ersten elektrischen Knoten
verbunden ist; einen ersten Bezugskondensator, der mit einem Ende
mit dem ersten elektrischen Knoten und einer dritten Energieversorgungsspannung
verbunden ist; einen zweiten An/Aus-Schalter, der mit einem Ende
mit dem ersten elektrischen Knoten und mit dem anderen Ende mit einem
zweiten elektrischen Knoten verbunden ist, einen dritten An/Aus-Schalter,
der mit einem Ende mit dem zweiten elektrischen Knoten und mit dem
anderen Ende mit einer zweiten Energieversorgungsspannung verbunden
ist; eine erste Sensorelektrode, die mit dem zweiten elektrischen
Knoten verbunden ist, und einem Messobjekt zugewandt ist, wobei
eine erste Kapazität
zwischen der ersten Sensorelektrode und dem Messobjekt in Reaktion
auf einen Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und dem Messobjekt
ausgebildet wird; einen vierten An/Aus-Schalter, der mit einem Ende
mit der zweiten Energieversorgungsspannung und mit dem anderen Ende
mit einem dritten elektrischen Knoten verbunden ist, einen zweiten
Bezugskondensator, die mit einem Ende mit dem dritten elektrischen
Knoten und mit dem anderen Ende mit einer vierten Energieversorgungsspannung
verbunden ist; einen fünften An/Aus-Schalter,
der mit einem Ende mit dem dritten elektrischen Knoten und mit dem
anderen Ende mit einem vierten elektrischen Knoten verbunden ist;
einen sechsten An/Aus-Schalter, der mit einem Ende mit dem vierten
elektrischen Knoten und mit dem anderen Ende mit der ersten Energieversorgungsspannung
verbunden ist; eine zweite Sensorelektrode, die mit dem vierten
elektrischen Knoten verbunden ist, und dem Messobjekt zugewandt
ist, wobei eine zweite Kapazität
zwischen der zweiten Sensorelektrode und dem Messobjekt ausgebildet
wird, die zweite Sensorelektrode ist dabei benachbart zu der ersten Sensorelektrode
angeordnet, so dass eine feste Kapazität zwischen der zweiten Sensorelektrode
und der ersten Sensorelektrode definiert ist; einen Komparator mit
einem ersten Eingangsanschluss, der mit dem ersten elektrischen
Knoten verbunden ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit
dem dritten elektrischen Knoten verbunden ist; eine Schaltsteuereinrichtung
zum abwechselnden Wiederholen eines zweiten Schaltvorgangs, durch
den der zweite und der fünfte
An/Aus-Schalter in einen geschlossenen Zustand verändert und
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt werden, und eines dritten Schaltvorgangs, durch den der
dritte und sechste An/Aus-Schalter in einen geschlossenen Zustand verändert und
in einen geöffneten
Zustand zurück geholt
werden, was einem ersten Schaltvorgang nachfolgt, durch den der
erste und vierte An/Aus-Schalter in einen geschlossenen Zustand verändert und
in einen geöffneten
Zustand zurück versetzt
werden; eine Zähleinrichtung
zum Zählen der
Anzahl an Vorgängen
zum Wiederholen des zweiten Schaltvorgangs; und eine Beurteilungseinrichtung
zum Beurteilen von Änderungen
in der ersten Kapazität,
die zwischen der ersten Sensorelektrode und dem Messobjekt definiert
ist, sowie von Änderungen
in der zweiten Kapazität,
die zwischen der zweiten Sensorelektrode und dem Messobjekt definiert
ist, auf der Grundlage der Anzahl von Wiederholungen des zweiten
Schaltvorgangs, die durch die Zähleinrichtung
gezählt
wird, bevor ein Spannungspegel am ersten Eingangsanschluss und ein
Spannungspegel am zweiten Eingangsanschluss des Komparators umgekehrt
worden sind.
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Wenn
ein erstes Verhältnis
zwischen der Fläche
der ersten Sensorelektrode und der Kapazität des ersten Bezugskondensators
gleich einem zweiten Verhältnis
zwischen der Fläche
der zweiten Sensorelektrode und der Kapazität des zweiten Bezugskondensators
ist, ist es möglich,
einen möglichen Einfluss
von elektromagnetischen Störungen
auf ein Eingangssignal des Komparators zu unterbinden. Unter diesem
Gesichtspunkt ist das vorstehend beschriebene Kapazitätserfassungsgerät noch effektiver.
Das erste und zweite Verhältnis
werden als gleich betrachtet, wenn zwei wesentliche Kennzahlen des
ersten Verhältnisses
identisch zu zwei wesentlichen Kennzahlen des zweiten Verhältnisses sind.
Wenn zudem die Fläche
der ersten Sensorelektrode gleich der Fläche der zweiten Sensorelektrode ist,
ist es möglich,
den Einfluss von Funkrauschen gegenüber dem Eingangssignal des
Komparators zu unterbinden. Unter diesem Gesichtspunkt ist das vorstehend
beschriebene Kapazitätserfassungsgerät besonders
effektiv. Die Flächen
der ersten und zweiten Sensorelektrode werden als gleich betrachtet, wenn
zwei wesentliche Kennzahlen der Fläche der ersten Sensorelektrode
identisch zu zwei wesentlichen Kennzahlen der Fläche der zweiten Sensorelektrode
sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Kapazitätserfassungsgerät: einen
ersten Kondensator mit einer ersten Sensorelektrode an einem Ende,
wobei die erste Sensorelektrode einem Messobjekt zugewandt eingerichtet
ist und eine elektrische Ladung in einer einem elektrischem Potential der
ersten Sensorelektrode entsprechenden Menge speichert, wobei der
erste Kondensator zur Ausgabe einer ersten Kapazität eingerichtet
ist, die in Reaktion auf einen Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode
und dem Messobjekt variiert; einen zweiten Kondensator mit einer
zweiten Sensorelektrode an einem Ende, wobei die zweite Sensorelektrode
dem Messobjekt zugewandt eingerichtet ist und eine elektrische Ladung
in einer einem elektrischen Potential der zweiten Sensorelektrode
entsprechenden Menge speichert, wobei der zweite Kondensator zur
Ausgabe einer zweiten Kapazität
eingerichtet ist, die in Reaktion auf einen Abstand zwischen der
zweiten Sensorelektrode und dem Messobjekt variiert; einen ersten
Bezugskondensator, der zur Verbindung mit dem ersten Kondensator
eingerichtet ist; und einen zweiten Bezugskondensator, der zur Verbindung
mit dem zweiten Kondensator eingerichtet ist. Die auf der ersten
Sensorelektrode gespeicherte elektrische Ladung wird an den ersten
Bezugskondensator entladen und dort gespeichert, die auf der zweiten
Sensorelektrode gespeicherte elektrische Ladung wird an den zweiten
Bezugskondensator entladen und dort gespeichert, so dass die erste
Kapazität
des ersten Kondensators und die zweite Kapazität des zweiten Kondensators
basierend auf einer Differenz zwischen einem elektrischen Potential
an einem Ende des ersten Bezugskondensators und einem elektrischen
Potential an einem Ende des zweiten Bezugskondensators erfasst werden.
Das elektrische Potential der ersten Sensorelektrode und das elektrische Potential
der zweiten Sensorelektrode ändern
sich mit einer identischen Erhöhung/Abnahme
und in entgegen gesetzten Richtungen.
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Vorzugsweise
ist eine Fläche
der ersten Sensorelektrode gleich einer Fläche der zweiten Sensorelektrode.
Dabei wird der Einfluss von elektromagnetischen Störungen gegenüber einem
Eingangssignal eines Komparators reduziert, was noch vorteilhafter ist.
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Vorzugsweise
ist die erste Sensorelektrode mit einer willkürlichen Menge eines elektrischen
Leiters strukturiert, die zweite Sensorelektrode ist mit einer willkürlichen
Menge eines elektrische Leiters strukturiert, und der Schwerpunkt
der ersten Sensorelektrode stimmt mit dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode überein.
Dabei ist es möglich,
das Auftreten von Funkrauschen an der ersten und der zweiten Sensorelektrode
zu unterdrücken,
und das Ausmaß von
durch ein Störungssignal
induzierter elektrischer Ladung zu reduzieren. Der Schwerpunkt der
ersten Sensorelektrode und der Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode
werden als übereinstimmend
betrachtet, wenn zwei wesentliche Kennzahlen des Schwerpunktes der
ersten Sensorelektrode identisch zu zwei wesentlichen Kennzahlen
des Schwerpunktes der zweiten Sensorelektrode sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Kapazitätserfassungsgerät: einen
Kondensator mit einer Sensorelektrode an einem Ende, wobei die Sensorelektrode
einem Messobjekt zugewandt eingerichtet ist, wobei der Kondensator
für die Ausgabe
einer Kapazität
in Reaktion auf einen Abstand zwischen der Sensorelektrode und dem
Messobjekt eingerichtet ist; einen Bezugskondensator, der mit einer
Elektrode mit einer ersten Energieversorgungsspannung und mit der
anderen Elektrode mit einem ersten elektrischen Knoten verbunden
ist; einen ersten An/Aus-Schalter, der mit einem Ende mit der ersten
Energieversorgungsspannung und mit dem anderen Ende mit dem ersten
elektrischen Knoten verbunden ist; ein Tiefpassfilter, das an einem Eingangsanschluss
mit der Sensorelektrode und an einem Ausgangsanschluss mit einem
zweiten elektrischen Knoten verbunden ist; einen zweiten An/Aus-Schalter,
der an einem Ende mit dem ersten elektrischen Knoten und an dem
anderen Ende mit dem zweiten elektrischen Knoten verbunden ist;
einen dritten An/Aus-Schalter,
der an einem Ende mit dem zweiten elektrischen Knoten und an dem
anderen Ende mit einer zweiten Energieversorgungsspannung verbunden
ist, die kleiner als die erste Energieversorgungsspannung ist; ein
erstes Gleichrichterelement, das zwischen dem zweiten elektrischen
Knoten und der ersten Energieversorgungsspannung verbunden ist,
und das elektrisch leitend eingerichtet ist, wenn ein elektrisches
Potenzial des zweiten elektrischen Knotens größer als die erste Energieversorgungsspannung
ist; ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen dem zweiten
elektrischen Knoten und der zweiten Energieversorgungsspannung verbunden
ist, und das elektrisch leitend eingerichtet ist, wenn das elektrische
Potenzial des zweiten elektrischen Knotens niedriger als die zweite
Energieversorgungsspannung ist; einen Komparator, der mit dem ersten
elektrischen Knoten an einem ersten Eingangsanschluss und mit einer
Bezugsenergieversorgungsspannung an einem zweiten Eingangsanschluss
verbunden ist; und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des ersten,
zweiten und dritten An/Aus-Schalters, bei der ein Vorgang zum abwechselnden
Wiederholen eines zweiten Schaltvorgangs, durch den der zweite An/Aus-Schalter
in einem geschlossenen Zustand verändert und in einem geöffneten
Zustand zurück
geholt wird, und eines dritten Schaltvorgangs, durch den der dritte
Schalter in einem geschlossenen Zustand verändert und in einem geöffneten
Zustand zurück
geholt wird, implementiert ist, was einem ersten Schaltvorgang nachfolgt,
durch den der erste Schalter in einen geschlossenen Zustand verändert und
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt wird, und bei der ein Vorgang zum Zählen der Anzahl von Wiederholungen
und zum Beurteilen von Änderungen
in der Kapazität
bei dem Kondensator basierend auf der Anzahl an Wiederholungen des
zweiten Schaltvorgangs implementiert ist, bevor ein Spannungspegel
am ersten Eingangsanschluss und ein Spannungspegel am zweiten Eingangsanschluss
umgekehrt worden sind.
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Die
Grenzfrequenz des Tiefpassfilters kann gemäß 1/T2 < fc1 < 1/2 × T1 eingestellt
werden, wobei T1 eine Zeitdauer bezeichnet, die definiert ist durch
einen Zeitpunkt, zu dem der dritte An/Aus-Schalter in einen geöffneten
Zustand geschaltet wird, und einen Zeitpunkt, zu dem der zweite An/Aus-Schalter
in einen geschlossenen Zustand geschaltet wird, und T2 eine Zeitdauer
bezeichnet, die der zweite An/Aus-Schalter benötigt, um vom geschlossenen
Zustand in den geöffneten
Zustand zurückzukehren.
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Das
Kapazitätserfassungsgerät kann ferner beinhalten:
ein Hochpassfilter, das an einem Ende mit der Sensorelektrode verbunden
ist, und einen Hochfrequenzanteil auf die Sensorelektrode weitergibt;
und einen Puffer, der an einem Eingangsanschluss mit dem zweiten
elektrischen Knoten und an einem Ausgangsanschluss mit dem anderen
Ende des Hochpassfilters verbunden ist.
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Die
vorstehenden sowie zusätzliche
Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden aus der nachstehenden
ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher sichtlich.
Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
erläuternde
Ansicht von einem mit dem Bezugszeichen A in 1 gekennzeichneten
Abschnitts;
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die 3A bis 3G Zeitablaufdiagramme zur
Beschreibung einer Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgeräts;
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4 ein
Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
erläuternde
Ansicht eines mit dem Bezugszeichen A in 4 gezeichneten
Abschnitts;
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die 6A bis 6G Zeitablaufdiagramme zur
Beschreibung einer Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes;
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7 eine
Ansicht zur Darstellung eines Beispiels für eine erste und eine zweite
Sensorelektrode;
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8 eine
Ansicht zur Darstellung eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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9 eine
Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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10 eine
Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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11 eine
Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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12 eine
Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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13 eine
Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die erste
und die zweite Sensorelektrode;
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14 ein
Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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die 15A bis 15G Zeitablaufdiagramme
zur Beschreibung einer Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes;
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16 ein
Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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17 ein
Schaltbild zur Darstellung einer Abwandlung des Kapazitätserfassungsgerätes aus 16;
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18 ein
Schaltbild zur Darstellung eines bekannten Kapazitätserfassungsgerätes; und
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19 ein
Zeitablaufdiagramm zur Beschreibung einer Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes aus 18.
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Nachstehend
sind Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
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[erstes Ausführungsbeispiel]
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1 zeigt
ein Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und 2 zeigt eine erläuternde
Ansicht eines mit dem Bezugszeichen A in 1 gekennzeichneten
Abschnitts.
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Das
Kapazitätserfassungsgerät beinhaltet: einen
ersten An/Aus-Schalter S11; einen zweiten An/Aus-Schalter S21; einen
dritten An/Aus-Schalter S31; einen vierten An/Aus-Schalter S12; einen
fünften
An/Aus-Schalter S22; einen sechsten An/Aus-Schalter S32; einen ersten
Bezugskondensator Cs1; einen zweiten Bezugskondensator Cs2; eine
erste Sensorelektrode E1; eine zweite Sensorelektrode E2; einen
Komparator CMP1; eine (nicht dargestellte) Schaltsteuereinrichtung;
und eine Steuerschaltung 10, die eine Zähleinrichtung zum Zählen der
Anzahl an Schaltvorgängen
implementiert hat.
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Der
erste An/Aus-Schalter S11 ist mit einem Ende mit einer ersten Energieversorgungsspannung V1
(erste Energieversorgungsspannung) und mit dem anderen Ende mit
einem ersten elektrischen Knoten N1 verbunden. Der erste elektrische
Knoten N1 ist mit einem Ende des ersten Bezugskondensator Cs1, einem
Ende des zweiten An/Aus-Schalters S21
und einem ersten Eingangsanschluss Vin– des Komparators CMP1 verbunden.
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Der
zweite An/Aus-Schalter S21 ist mit dem anderen Ende mit einem zweiten
elektrischen Knoten N2 verbunden. Der zweite elektrische Knoten
N2 ist mit der ersten Sensorelektrode E1 und einem Ende des dritten
An/Aus-Schalters S31 verbunden. Der dritte An/Aus-Schalter S31 ist
mit dem anderen Ende mit einer zweiten Energieversorgungsspannung
V2 (zweite Energieversorgungsspannung) verbunden. Der erste Bezugskondensator
Cs1 ist mit dem anderen Ende mit einer dritten Energieversorgungsspannung
V3 (dritter Energieversorgungsspannung) verbunden. Die dritte Energieversorgungsspannung
V3 kann im Wesentlichen gleich der ersten Energieversorgungsspannung
V1 sein.
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Der
vierte An/Aus-Schalter S12 ist an einem Ende mit der zweiten Energieversorgungsspannung V2
und an dem anderen Ende mit dem dritten elektrischen Knoten N3 verbunden.
Der dritte elektrische Knoten N3 ist mit einem Ende des zweiten
Bezugskondensators Cs2, einem Ende des fünften An/Aus-Schalters S22 und
einem zweiten Eingangsanschluss Vin+ des Komparators CMP1 verbunden.
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Der
fünfte
An/Aus-Schalter S22 ist mit dem anderen Ende mit dem vierten elektrischen
Knoten N4 verbunden. Der vierte elektrische Knoten N4 ist mit der
zweiten Sensorelektrode E2 und einem Ende des sechsten An/Aus-Schalters
S32 verbunden. Der sechste An/Aus-Schalter S32 ist mit dem anderen Ende
mit der ersten Energieversorgungsspannung V1 verbunden. Der zweite
Bezugskondensator Cs2 ist mit dem anderen Ende mit der vierten Energieversorgungsspannung
V4 (vierte Energieversorgungsspannung) verbunden. Die vierte Energieversorgungsspannung
V4 kann im Wesentlichen gleich der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 sein.
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Ein
Ausgangsanschluss des Komparators CMP1 ist mit der Steuerschaltung 10 verbunden. Eine
nicht dargestellte Schaltsteuerung (Schaltsteuereinrichtung) steuert
die Öffnungs-
und Schließvorgänge von
jedem An/Aus-Schalter S11, S21, S31, S12, S22 und S32.
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Gemäß 2 bezeichnet
das nachstehend verwendete Bezugszeichen Cx11 eine erste variable Kapazität oder einen
ersten variablen Kondensator. Der erste variable Kondensator Cx11
beinhaltet eine Masseelektrode E0 und die der Masseelektrode E0 zugewandt
eingerichtete erste Sensorelektrode. Daher dient die Sensorelektrode
E1 als eine Elektrode an einem Ende des ersten variablen Kondensators Cx11
und die Masseelektrode E0 ist ein auf Masse liegendes Medium (Messobjekt)
wie etwa die Hand oder der Kopf einer Betreiberperson wie etwa einem Insassen.
Die variable Kapazität
Cx11 variiert in Reaktion auf einen Abstand zwischen der Sensorelektrode
E1 und der Masseelektrode E0. Gleichermaßen bezeichnet das nachstehend
verwendete Bezugszeichen Cx21 eine zweite variable Kapazität oder einen zweiten
variablen Kondensator. Ein zweiter variabler Kondensator Cx21 beinhaltet
die Masseelektrode E0 und die der Masseelektrode E0 zugewandt eingerichtete
zweite Sensorelektrode E2. Daher dient die zweite Sensorelektrode
E2 als eine Elektrode auf einer Seite des zweiten variablen Kondensators
Cx21, und die Masseelektrode E0 ist ein auf Masse liegendes Medium
(Messobjekt) wie etwa eine Hand oder ein Kopf einer Betreiberperson
wie etwa einem Insassen. Die zweite variable Kapazität Cx21 variiert
in Reaktion auf einen Abstand zwischen der zweiten Sensorelektrode
E2 und der Masseelektrode E0. Die erste und die zweite Sensorelektrode
E1 und E2 sind benachbart zueinander angeordnet und eine Kapazität oder ein
Kondensator Cx0 ist zwischen der ersten Sensorelektrode E1 und der
zweiten Sensorelektrode E2 ausgebildet.
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Die
Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes gemäß 1 ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die 3A bis 3G beschrieben.
Die 3A bis 3G zeigen
jeweils ein Zeitablaufdiagramm zur Beschreibung der Betriebsweise des
Kapazitätserfassungsgerätes nach 1.
Die erste Energieversorgungsspannung V1 ist höher als die zweite Energieversorgungsspannung
V2. Anfänglich
sind die Kondensatoren Cs1, Cs2, Cx11, Cx21 und Cx0 elektrisch entladen.
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Gemäß den 3A, 3B und 3C implementiert
die Schaltsteuerung einen ersten Schaltvorgang (s/w-Vorgang 1, vergleiche 3A),
einen zweiten Schaltvorgang (s/w-Vorgang
2, vergleiche 3B) und einen dritten Schaltvorgang
(s/w-Vorgang 3, vergleiche 3C). Durch
den ersten Schaltvorgang werden die An/Aus-Schalter S11 und S12
jeweils von einem geöffneten
Zustand zu einem geschlossenen Zustand verschoben und für eine vorbestimmte
Zeitdauer im geschlossenen Zustand gehalten, und danach jeweils
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Durch den zweiten Schaltbetrieb werden die An/Aus-Schalter
S21 und S22 jeweils von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben, und für eine vorbestimmte
Zeitdauer in einem geschlossenen Zustand gehalten, und danach jeweils
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Durch den dritten Schaltvorgang werden die An/Aus-Schalter
S31 und S32 jeweils von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben, und für eine vorbestimmte
Zeitdauer in einem geschlossenen Zustand gehalten, und danach jeweils
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Der zweite und der dritte Schaltvorgang werden dem ersten
Schaltvorgang nachfolgend abwechselnd wiederholt (Schaltsteuereinrichtung).
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Der
erste Betriebsvorgang kann das folgende einführen: Die Bezugskondensatoren
Cs1 und Cs2 werden elektrisch geladen; eine Spannung des ersten
Eingangsanschlusses Vin– des
Komparators CMP1 wird beispielsweise erhöht und eine Spannung des zweiten
Spannungsanschlusses Vin+ des Komparators CMP1 wird beispielsweise
verringert. Derartige Änderungen
in den Spannungen sind in 3F dargestellt.
Folglich gibt der Komparator CMP1 aus seinem Ausgangsanschluss ein
Ausgangssignal Vout auf einem niedrigen Pegel aus, wie es in 3G dargestellt
ist.
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Der
zweite Schaltvorgang wird auf eine Weise implementiert, dass der
erste Bezugskondensator Cs1 mit dem ersten variablen Kondensator
Cx11 verbunden ist, und der zweite Bezugskondensator Cs2 mit dem
zweiten variablen Kondensator Cx21 verbunden ist. Der erste und
der zweite Bezugskondensator Cs1 und Cs2 werden elektrisch entladen,
und sodann werden der erste und der zweite variable Kondensator
Cx11 und Cx21 elektrisch geladen. Folglich wird die Spannung VE1
der ersten Sensorelektrode E1 angehoben, und die Spannung VE2 der zweiten
Sensorelektrode E2 wird verringert, wie es in den 3D und 3E dargestellt
ist. Dies bedeutet, dass sich die Spannung VE1 der ersten Sensorelektrode
E1 in entgegen gesetzten Richtung zu der Spannung VE2 der zweiten
Sensorelektrode E2 ändert.
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Dabei
wird die Kapazität
Cx0 zwischen der ersten Sensorelektrode E1 und der zweiten Sensorelektrode
E2 ausgebildet. Die Änderung
in der Spannung VE1 der ersten Sensorelektrode E1 tritt daher im
Wesentlichen zum selben Zeitpunkt auf, wie die Änderung in der Spannung VE2
der zweiten Sensorelektrode E2, wodurch das Auftreten von Funkrauschen
unterbunden wird, das auf Grund einer Differenz bei dem Zeitpunkt
induziert wird, zu dem sich die Spannungen ändern.
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Die
elektrische Entladung am ersten Bezugskondensator Cs1 verringert
den Spannungspegel an dem ersten Eingangsanschluss Vin– des Komparators
CMP1. Die elektrische Entladung des zweiten Bezugskondensators Cs2
erhöht
den Spannungspegel am zweiten Eingangsanschluss Vin+ des Komparators
CMP1.
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Eine
Wiederholung des zweiten und dritten Schaltvorgangs verringert den
Spannungspegel am ersten Eingangsanschluss Vin– des Komparators CMP1 und
hebt den Spannungspegel des zweiten Eingangsanschlusses Vin+ des
Komparators CMP1. Folglich überschreitet
der Spannungspegel des zweiten Eingangsanschlusses Vin+, der niedriger
als der Spannungspegel des ersten Eingangsanschlusses Vin– war, den
Spannungspegel des ersten Eingangsanschlusses Vin–. Daher
wird das Ausgangssignal Vout des Komparators CMP1 von einem niedrigen Pegel
auf einen hohen Pegel verschoben.
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Die
Steuerschaltung 10 zählt
(Zähleinrichtung)
die Anzahl der wiederholt implementierten zweiten Schaltvorgänge, bevor
das Ausgangssignal Vout des Komparators CMP1 vom niedrigen Pegel zum
hohen Pegel verschoben ist. Die Steuerschaltung 10 beurteilt
(Beurteilungseinrichtung) Änderungen
in den Kapazitäten
Cx11 und Cx12 auf Grund der Anzahl an wiederholten zweiten Schaltvorgängen.
-
Das
Kapazitätserfassungsgerät gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
erzeugt die nachstehend beschriebenen Wirkungen.
- (1)
Der erste, zweite und dritte Schaltvorgang sind in einem Zustand
implementiert, in dem die erste und die zweite Sensorelektrode E1
und E2 benachbart zueinander angeordnet sind. Unter diesen Umständen wird
die Spannung VE1 der ersten Sensorelektrode E1 im Wesentlichen zum
selben Zeitpunkt geändert,
wie die Spannung VE2 der zweiten Sensorelektrode E2. Ferner sind
die Änderungsrichtungen
der Spannungen VE1 und VE2 entgegengesetzt. Daher ist es möglich, die Erzeugung
von Funkrauschen zu reduzieren.
- (2) Wenn sich die An/Aus-Schalter S21 und S22 in geschlossenen
Zuständen
befinden, sind die Änderungsrichtungen
der Spannungen VE1 und VE2 zueinander entgegengesetzt. Folglich
sind die Änderungsrichtungen
der Spannungen an den Eingangsanschlüssen Vin– und Vin+ zueinander entgegengesetzt.
Im Übrigen
hat die Gegenwart von elektromagnetischen Störungen einigen Einfluss auf
die Änderung
der Spannungen an den Eingangsanschlüssen Vin– und Vin+ in derselben Richtung.
Weil die Spannungen VE1 und VE2 sich in entgegen gesetzten Richtungen ändern, ändern sich
daher die Spannungen der Eingangsanschlüsse Vin– und Vin+ in entgegen gesetzten Richtungen.
Folglich ist es möglich,
einen möglichen
Einfluss derartiger elektromagnetischer Störungen auf das Ausgangssignal
Vout des Komparators CMP1 zu unterdrücken.
- (3) Im Übrigen
erhöht
sich die durch elektromagnetische Störungen induzierte Ladungsmenge proportional
zur Fläche
jeder Sensorelektrode E1 und E2. Eine elektrische Potenzialänderung
am ersten Bezugskondensator Cx1, das heißt eine elektrische Potenzialänderung
am ersten Eingangsanschluss Vin–,
ist umgekehrt proportional zu der Kapazität zum Speichern von Ladungen
im ersten Bezugskondensator Cs1 und proportional zur Menge der gespeicherten
Ladungen. Gleichermaßen
ist eine elektrische Potenzialänderung
am zweiten Bezugskondensator Cs2, das heißt eine elektrische Potenzialänderung
am zweiten Eingangsanschluss Vin+, umgekehrt proportional zu der
Kapazität
zum Speichern von Ladungen am zweiten Bezugskondensator Cs2 und proportional
zur Menge gespeicherter Ladungen. Wenn daher das erste Feld des
zwischen der Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 und der Speicherkapazität des ersten
Bezugskondensators Cs1 gleich dem zweiten Verhältnis zwischen der Fläche der
zweiten Sensorelektrode E2 und der Speicherkapazität des zweiten
Bezugskondensators Cs2 ist, ist ein Anstieg/Abfall der Spannungen an
den Eingangsanschlüssen
Vin– und
Vin+ zueinander gleich. Folglich ist es möglich, einen möglichen
Einfluss von elektromagnetischen Störungen auf den Zeitpunkt zu
unterdrücken,
zu dem die Pegel der Spannungen an den Eingangsanschlüssen Vin– und Vin+
umgekehrt werden. Das erste und das zweite Verhältnis werden als zueinander
gleich betrachtet, wenn zwei wesentliche Kennzahlen des ersten Verhältnisses
zu zwei wesentlichen Kennzahlen des zweiten Verhältnisses gleich sind.
- (4) Wenn die Flächen
der ersten und der zweiten Elektrode E1 und E2 zueinander gleich
sind, ist es möglich,
die Erzeugung von Funkrauschen weiter zu unterdrücken. Wenn das erste Verhältnis zwischen
der Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 und der Speicherkapazität des ersten
Bezugskondensators Cs1 gleich dem zweiten Verhältnis zwischen der Fläche der
zweiten Sensorelektrode E2 und der Speicherkapazität des zweiten
Bezugskondensators Cs2 ist, ist ein Anstieg/Abfall der Spannungen
VE1, VE2 an der ersten und zweiten Elektrode E1 und E2 zueinander
gleich, und das Erzeugen von Funkrauschen wird noch weiter unterdrückt. Die
erste und die zweite Elektrode E1 und E2 werden als mit identischer
Fläche
versehen betrachtet, wenn zwei wesentliche Kennzahlen der ersten
Fläche
identisch zu zwei wesentlichen Kennzahlen der zweiten Fläche sind.
-
[zweites Ausführungsbeispiel]
-
4 zeigt
ein Schaltbild zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und 5 zeigt eine beschreibende Ansicht
von einem mit dem Bezugszeichen A in 4 gekennzeichneten
Abschnitt.
-
Das
Kapazitätserfassungsgerät beinhaltet: An/Aus-Schalter
S51, S61, S71, S52, S62 und S72; eine erste und eine zweite Sensorelektrode
E11, E12; einen ersten und einen zweiten Bezugskondensator Cs11,
Cs12; einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker (nachstehend
als Op-Amp in Bezug genommen) Op1, Op2; einen Komparator CMP2; eine
Steuerschaltung 20; und eine (nicht dargestellte) Schaltsteuerung
zum Steuern der Öffnungs-
und Schließvorgänge von
jedem An/Aus-Schalter S51, S61, S71, S52, S62 und S72.
-
Der
Op-Amp OP1 ist an seinem Eingangsanschluss mit einem Ende des Bezugskondensators Cs11
und mit einem Ende des An/Aus-Schalters S51 verbunden. Der Op-Amp
OP1 ist ferner an seinem invertierendem Eingangsanschluss mit dem
anderen Ende des Bezugskondensators Cs11, dem anderen Ende des An/Aus-Schalters
S51 und mit einem Ende des An/Aus-Schalters S61 verbunden. Der An/Aus-Schalter
S61 ist am anderen Ende mit einem Ende des An/Aus-Schalters S71,
von dem das andere Ende mit der ersten Energieversorgungsspannung V1
verbunden ist, und mit der ersten Sensorelektrode E11 verbunden.
Der Op-Amp OP1 ist außerdem
weiterhin an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss mit der
dritten Energieversorgungsspannung V3 verbunden. Der Ausgangsanschluss
des Op-Amp OP1 ist mit dem ersten Eingangsanschluss Vin– des Komparators
CMP2 verbunden.
-
Der
Op-Amp OP2 ist an seinem Ausgangsanschluss mit einem Ende des Bezugskondensators Cs12
und einem Ende des An/Aus-Schalters
S52 verbunden. Der Op-Amp OP2 ist ferner an seinem invertierenden
Eingangsanschluss mit dem anderen Ende des Bezugskondensators Cs12,
dem anderen Ende des An/Aus-Schalters S52 und einem Ende des An/Aus-Schalters
S62 verbunden. Der An/Aus-Schalter 62 ist am anderen Ende mit einem Ende
des An/Aus-Schalters S72, von dem das andere Ende mit der zweiten
Energieversorgungsspannung V2 verbunden ist, und der zweiten Sensorelektrode
E12 verbunden. Der Op-Amp OP2 ist ferner an seinem nicht invertierenden
Eingangsanschluss mit der vierten Energieversorgungsspannung V4
verbunden. Der Ausgangsanschluss des Op-Amp OP2 ist mit dem zweiten
Eingangsanschluss Vin+ des Komparators CMP2 verbunden. Der Ausgangsanschluss des
Komparators CMP2 ist mit der Steuerschaltung 20 verbunden.
-
Gemäß 5 bezeichnet
das nachstehend verwendete Bezugszeichen Cx11 eine erste variable Kapazität oder einen
ersten variablen Kondensator. Der erste variable Kondensator Cx11
beinhaltet eine Masseelektrode E0 und die der Masseelektrode E0 zugewandt
eingerichtete erste Sensorelektrode E11. Daher dient die Sensorelektrode
E11 als eine Elektrode auf einer Seite des ersten variablen Kondensators
Cx11, und die Masseelektrode E0 ist ein auf Masse gelegtes Medium
(Messobjekt), wie etwa eine Hand oder ein Kopf einer Betreiberperson
wie etwa eines Insassen. Die variable Kapazität Cx11 variiert in Reaktion
auf einen Abstand zwischen der Sensorelektrode E11 und der Masseelektrode
E0. Gleichermaßen
bezeichnet das nachstehend verwendete Bezugszeichen Cx21 eine zweite
variable Kapazität oder
einen zweiten variablen Kondensator. Der zweite variable Kondensator
Cx21 beinhaltet die Masseelektrode E0 und die der Masseelektrode
zugewandt eingerichtete zweite Sensorelektrode E12. Daher dient
die zweite Sensorelektrode E12 als eine Elektrode auf einer Seite
des zweiten variablen Kondensators Cx21, und die Masseelektrode
E0 ist ein auf Masse gelegtes Medium (Messobjekt), wie etwa eine Hand
oder ein Kopf einer Bedienperson wie etwa einem Insassen. Die zweite
variable Kapazität
Cx21 ist ein Messobjekt, das in Reaktion auf einen Abstand zwischen
der zweiten Sensorelektrode E12 und der Masseelektrode E0 variiert.
Die erste und die zweite Sensorelektrode E11 und E12 sind benachbart
zueinander angeordnet, und eine Kapazität oder ein Kondensator Cx0
ist zwischen der ersten Sensorelektrode E11 und der zweiten Sensorelektrode
E12 vorhanden. Gemäß vorstehender
Beschreibung ist die Kapazität
Cx0 zwischen der ersten Sensorelektrode E11 und der zweiten Sensorelektrode
E12 ausgebildet. Die Änderungen
in der Spannung VE11 der ersten Sensorelektrode E11 tritt daher
im Wesentlichen zum selben Zeitpunkt auf, wie die Änderung
in der Spannung VE12 der zweiten Sensorelektrode E12.
-
Die
erste Energieversorgungsspannung V1 ist beispielsweise höher als
die dritte Energieversorgungsspannung V3, die dritte Energieversorgungsspannung
V3 ist höher
als die vierte Energieversorgungsspannung V4 und die vierte Energieversorgungsspannung
V4 ist höher
als die zweite Energieversorgungsspannung V2.
-
Nachstehend
ist die Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes aus 4 unter
Bezugnahme auf die 6A bis 6G beschrieben.
Die 6A bis 6G zeigen
jeweils ein Zeitablaufdiagramm zur Beschreibung einer Betriebsweise
des Kapazitätserfassungsgerätes aus 4.
Anfänglich ist
die Spannung VE11 der ersten Sensorelektrode E11 auf die erste Energieversorgungsspannung
V1 elektrisch geladen, und die Spannung V2 an der zweiten Sensorelektrode
E12 ist auf die zweite Energieversorgungsspannung V2 elektrisch
geladen.
-
Gemäß der Darstellung
aus den 6A, 6B und 6C implementiert
die Schaltsteuerung einen ersten Schaltvorgang (vergleiche 6A),
einen zweiten Schaltvorgang (vergleiche 6B) und
einen dritten Schaltvorgang (vergleiche 6C). Durch
den ersten Schaltvorgang werden die An/Aus-Schalter S51 und S52
jeweils von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben, und für eine vorbestimmte
Zeitdauer im geschlossenen Zustand gehalten, und danach jeweils
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Durch den zweiten Schaltvorgang werden die An/Aus-Schalter
S61 und S62 jeweils von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben, und für eine vorbestimmte
Zeitdauer in einem geschlossenen Zustand gehalten und danach jeweils
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Durch den dritten Schaltvorgang werden die An/Aus-Schalter
S71 und S72 jeweils von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben, und danach in
einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Der zweite und der dritte Schaltvorgang werden dem ersten
Schaltvorgang nachfolgend abwechselnd wiederholt.
-
Der
erste Schaltvorgang kann das folgende einführen. Die Bezugskondensatoren
Cs11 und Cs12 werden elektrisch entladen; eine Spannung des ersten
Eingangsanschlusses Vin– des
Komparators CMP2 wird angehoben und eine Spannung des zweiten Eingangsanschlusses
Vin+ des Komparators CMP2 wird verringert. Derartige Änderungen
in den Spannungen sind in 6E dargestellt.
Folglich gibt der Komparator CMP2 aus seinem Ausgabeanschluss ein
Ausgangssignal Vout auf niedrigem Pegel aus, wie in 6G dargestellt
ist. Der zweite Schaltvorgang wird auf eine Weise implementiert, dass
eine auf die Spannung VE11 der ersten Sensorelektrode E11 gespeicherte
elektrische Ladung sich entlädt
und auf den zweiten Bezugskondensator Cs11 geladen wird, wodurch
ein Spannungspegel des ersten Eingangsanschlusses Vin– verringert wird.
Darüber
hinaus wird der zweite Schaltvorgang auf ein Weise implementiert,
dass eine auf die Spannung VE12 der zweiten Sensorelektrode E12
gespeicherte elektrische Ladung sich entlädt und auf den zweiten Bezugskondensator
Cs12 geladen wird, wodurch ein Spannungspegel des zweiten Eingangsanschlusses
Vin+ angehoben wird. Der dritte Schaltvorgang wird auf eine Weise
implementiert, dass die erste Sensorelektrode E11 mit der ersten
Energieversorgungsspannung V1 verbunden ist, und die zweite Sensorelektrode
E12 mit der zweiten Energieversorgungsspannung V2 verbunden ist.
Folglich wird die Spannung VE11 der ersten Sensorelektrode E11 gleich
der ersten Energieversorgungsspannung V1, und die Spannung VE12
der zweiten Sensorelektrode E12 wird gleich der zweiten Energieversorgungsspannung
V2.
-
Die
Wiederholung des zweiten und dritten Schaltvorgangs kehrt den Spannungspegel
am ersten Eingangsanschluss Vin– und
den Spannungspegel am zweiten Eingangsanschluss Vin+ um. Daher wird
das Ausgangssignal Vout des Komparators CMP2 erneut auf einen hohen
Pegel verschoben.
-
Die
Steuerschaltung 20 zählt
(Zähleinrichtung)
die Anzahl der wiederholt implementierten zweiten Schaltvorgänge, bevor
das Ausgangssignal Vout des Komparators CMP2 verschoben ist. Die Steuerschaltung 10 beurteilt
(Beurteilungseinrichtung) Änderungen
in den Kapazitäten
Cx11 und Cx21 auf der Grundlage der Anzahl an Wiederholungen des
zweiten Schaltvorgangs.
-
Gemäß vorstehender
Beschreibung werden elektrische Ladungen, deren Menge jeweils der
ersten und zweiten Kapazität
Cx11 und Cx21 entspricht, auf den Bezugskondensatoren Cs11 bzw.
Cs12 gespeichert. Zwei Signale, die auf der Grundlage einer Differenz
zwischen einem elektrischen Potenzial an einem Ende des ersten Bezugskondensators
Cs11 und einem Potential an einem Ende des zweiten Bezugskondensators
Cs12 erzeugt werden, werden durch den Komparator CMP2 verglichen,
so dass jede Kapazität
Cx11, Cx21 erfasst wird. Wenn beispielsweise die Flächen der
ersten und zweiten Sensorelektroden E11 und E12 in einem Zustand
gemäß V1 – V3 = V4 – V2 zueinander
gleich sind, ist der Anstieg/Abfall der Spannungen VE11, VE12 der Sensorelektroden
E11, E12 zueinander gleich. Ferner ist es möglich, die Spannungen VE11
und VE12 in entgegen gesetzten Richtungen und im Wesentlichen zum selben
Zeitpunkt zu ändern.
Folglich ist es möglich, die
Einflüsse
von elektromagnetischen Störungen und
das Erzeugen von Funkrauschen zu unterdrücken.
-
[drittes Ausführungsbeispiel]
-
Die
erste und zweite Sensorelektrode E1, E2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
und die erste und zweite Sensorelektrode E11, E12 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
sind nicht auf die vorstehend beschriebene Strukturen beschränkt, und das
folgende kann angewendet werden.
-
7 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels für die Sensorelektroden E1 (oder
E11) und E2 (oder E12). Die erste und die zweite Sensorelektrode
E1 (oder E11) und E2 (oder E12) sind einander zugewandt eingerichtet.
Die erste Sensorelektrode E1 (oder E11) ist versehen mit oder beinhaltet zu
der zweiten Sensorelektrode E2 oder (E12) sich erstreckende erste
Vorsprünge,
und die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) ist versehen mit oder
beinhaltet sich zu der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) erstreckende
zweite Vorsprünge.
Die erste und zweite Sensorelektrode E1 (oder E11) und E2 (oder E12)
sind in einer Weise angeordnet, dass jeder erste Vorsprung nicht
den entsprechenden zweiten Vorsprung überlappt. Eine Fläche der
ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich
zu der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Der Schwerpunkt
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen
mit dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
-
Weil
nach vorstehender Beschreibung die Fläche der ersten Sensorelektrode
E1 (oder E11) im Wesentlichen dieselbe wie die der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12) ist, ist die Summe der auf jeder Elektrode E1 (oder
E11) und E2 (oder E12) gespeicherten elektrischen Ladungen gleich.
Wenn gemäß vorstehender
Beschreibung die jeweiligen Schwerpunkte im Wesentlichen miteinander übereinstimmen,
sind die gespeicherten elektrischen Ladungen auf den Schwerpunkt
der jeweiligen ersten und zweiten Sensorelektrode E1 (oder E11)
oder E2 (oder E12) fokussiert. Unter diesen Umständen werden Änderungen
im elektrischen Dipolmoment auf Grund von aus der äußeren Umgebung
betrachteten elektrischen Ladungen reduziert, und die Erzeugung von
Funkrauschen wird unterdrückt.
Ferner ist die durch Störungen
an der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) induzierte Menge von
elektrischen Ladungen gleich der durch Störungen an der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12) induzierten Menge von elektrischen Ladungen, wodurch
Einflüsse
der Störung
reduziert werden. 8 zeigt eine Ansicht zur Darstellung
eines weiteren Beispiels für
die Sensorelektroden E1 (oder E11) und E2 (E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist im Wesentlichen in einer konzentrischen Konfiguration
mit der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12) angeordnet. Die erste
Sensorelektrode E1 (oder E11) umgibt eine äußere Umgebung der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12). Der Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode E1 (E11)
stimmt im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12) überein.
Ferner ist die Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) im Wesentlichen dieselbe
wie die der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen.
-
Wenn
gemäß vorstehender
Beschreibung die erste und zweite Sensorelektrode E1 (oder E11) und
E2 (oder E12) bezüglich
der zumindest zwei Symmetrieebenen symmetrisch sind, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen, werden Änderungen
im elektrischen Dipolmoment auf Grund von elektrischen Ladungen
in der Betrachtung aus der äußeren Umgebung
reduziert, und die Erzeugung von Funkrauschen wird unterdrückt. Ferner
ist die durch Störungen
an der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) induzierte Menge an
elektrischen Ladungen gleich einer durch Störungen an der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12) induzierten Menge an elektrischen Ladungen, wodurch
Einflüsse
der Störung
reduziert werden.
-
9 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels der Sensorelektroden E1
(oder E11) und E2 (oder E12). Die zweite Sensorelektrode E2 (oder
E12) ist von quadratischer Form, und die erste Sensorelektrode E1
(oder E11) ist so angeordnet, dass sie die zweite Sensorelektrode
E2 (oder E12) umgibt. Der Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode
E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt der zweiten
Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
Die Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich zu
der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen.
-
10 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die Sensorelektroden
E1 (oder E11) und E2 (oder E12). Die zweite Sensorelektrode E2 (oder
E12) ist von rechteckiger Form, und die erste Sensorelektrode E1
(oder E11) ist so angeordnet, dass sie die zweite Sensorelektrode
E2 (oder E12) umgibt. Der Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode
E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt der zweiten
Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
Die Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich
zu der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen.
-
11 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die Sensorelektroden
E1 (oder E11) und E2 (oder E12). Die erste und die zweite Sensorelektrode
E1 (oder E11) und E2 (oder E12) ist jeweils mit einer willkürlichen
Menge an elektrischem Leiter strukturiert. In 11 ist
die erste Sensorelektrode E1 (oder E11) mit zwei quadratischen elektrischen
Leitern strukturiert, und die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12)
ist ebenfalls mit zwei quadratischen elektrischen Leitern strukturiert.
Die zwei quadratischen elektrischen Leiter der ersten Sensorelektrode
E1 (oder E11) sind diagonal angeordnet. Gleichermaßen sind
die zwei quadratischen elektrischen Leiter der zweiten Sensorelektrode
E2 (oder E12) diagonal angeordnet.
-
Der
Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen
mit dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
Die Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich
zu der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen.
-
12 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die Sensorelektroden
E1 (oder E11) und E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode E1 (oder
E11) ist mit zwei quadratischen elektrischen Leitern strukturiert,
und die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) ist mit einem einzelnen rechteckigen
elektrischen Leiter strukturiert. Der elektrische Leiter der zweiten
Sensorelektrode E2 (oder E12) ist zwischen zwei quadratischen elektrischen
Leitern der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) angeordnet. Der
Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen mit
dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
Die Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich zu
der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen.
-
13 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung noch eines weiteren Beispiels für die Sensorelektroden
E1 (oder E11) und E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode E1 (oder
E11) ist mit drei Stücken
aus ersten dreieckigen Leitern strukturiert, und die zweite Sensorelektrode
E2 (oder E12) ist mit drei Stücken von
zweiten dreieckigen Leitern strukturiert. Die sechs dreieckigen
Leiter sind insgesamt abwechselnd angeordnet, so dass sich ein Hexagon
zeigt.
-
Der
Schwerpunkt der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) stimmt im Wesentlichen
mit dem Schwerpunkt der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12) überein.
Eine Fläche
der ersten Sensorelektrode E1 (oder E11) ist im Wesentlichen gleich
zu der der zweiten Sensorelektrode E2 (oder E12). Die erste Sensorelektrode
E1 (oder E11) ist bezüglich
zumindest zweier Symmetrieebenen symmetrisch, welche den identischen
Schwerpunkt kreuzen. Gleichermaßen
ist die zweite Sensorelektrode E2 (oder E12) bezüglich der zumindest zwei Symmetrieebenen
symmetrisch, welche den identischen Schwerpunkt kreuzen. Die Form
der Elektrode ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
und kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden.
-
[viertes Ausführungsbeispiel]
-
14 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes 20 gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Kapazitätserfassungsgerät 20 beinhaltet:
eine Sensorelektrode E1; einen Bezugskondensator 21; einen
ersten An/Aus-Schalter S22; einen zweiten An/Aus-Schalter S23; einen
dritten An/Aus-Schalter S24; ein Tiefpassfilter (nachstehend als
LPF in Bezug genommen) 25; eine Diode 26 als ein
zweites Gleichrichterelement; eine Diode 27 als ein erstes Gleichrichterelement;
einen Komparator 28 und eine Steuereinheit 29.
-
Gemäß der Darstellung
aus 14 bezeichnet das nachstehend verwendete Bezugszeichen
Cx eine variable Kapazität
oder einen variablen Kondensator. Der variable Kondensator Cx beinhaltet
die Sensorelektrode E1 und einen Kopf eines Insassen eines Fahrzeugs,
der der Sensorelektrode E1 zugewandt ist. Daher dient die Sensorelektrode
E1 als eine Elektrode an einem Ende des variablen Kondensators Cx,
und der Kopf des Insassen wirkt sowohl als auf Masse gelegtes Medium
(Messobjekt) als auch als Masseelektrode des variablen Kondensators
Cx. Die variable Kapazität
variiert in Reaktion auf den Abstand zwischen der Sensorelektrode
E1 und dem Kopf des Insassen.
-
Die
erste Sensorelektrode E1 ist mit dem LPF 25 verbunden.
Das LPF 25 kann eine Ferritperle sein, die als hohe Impedanz
gegenüber
Hochfrequenz wirkt.
-
Der
Bezugskondensator 21 ist mit der ersten Energieversorgungsspannung
V1 an einer Elektrode und mit dem ersten elektrischen Knoten N1
an der anderen Elektrode verbunden. Der An/Aus-Schalter S22 ist
mit der ersten Energieversorgungsspannung V1 an einem Ende und mit
dem ersten elektrischen Knoten N1 am anderen Ende verbunden. Der
erste elektrische Knoten N1 ist ferner mit einem Ende des An/Aus-Schalters
S23 und mit einem invertierendem Eingangsanschluss (–) (erster
Eingangsanschluss) des Komparators 28 verbunden.
-
Der
An/Aus-Schalter S23 ist am anderen Ende mit dem zweiten elektrischen
Knoten N2 verbunden, der mit einem Ausgangsanschluss des LPF 25 verbunden
ist. Der zweite elektrische Knoten N2 ist zudem mit einem Ende des
An/Aus-Schalters
S24 verbunden. Der An/Aus-Schalter S24 ist am anderen Ende mit der
zweiten Energieversorgungsspannung V2 verbunden. Die zweite Energieversorgungsspannung
V2 kann beispielsweise ein elektrisches Massepotenzial sein. Die
Diode 26 ist mit der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 an ihrer Anode und mit dem Ausgangsanschluss des LPF 25 an
ihrer Kathode verbunden. Die Diode 26 verhindert, dass
die Spannung des Ausgangsanschlusses LPF 25 niedriger als
die zweite Energieversorgungsspannung V2 ist.
-
Die
Diode 27 ist an ihrer Anode mit dem Ausgangsanschluss des
LPF 25 und an ihrer Kathode mit der ersten Energieversorgungsspannung
V1 verbunden. Die Diode 27 verhindert, dass die Spannung
am Ausgangsanschluss des LPF 25 höher als die der ersten Energieversorgungsspannung
V1 ist.
-
Einem
nicht invertierenden Eingangsanschluss (+) (zweiter Eingangsanschluss)
des Komparators 28 wird eine Bezugsspannung V4 als Eingangsspannung
Vin+ eingegeben. Der Ausgangsanschluss des Komparators 28 ist
mit der Steuereinheit 29 verbunden. Der Zusammenhang zwischen
der ersten Energieversorgungsspannung V1, der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 und der Bezugsspannung V4 wird als V1 > V4 > V2
ausgedrückt.
-
Die
Steuereinheit 29 dient als Schaltsteuereinrichtung zum
Steuern eines Schaltvorgangs von jedem An/Aus-Schalter S22, S23
und S24, als Zähleinrichtung
zum Zählen
der „An"-Vorgänge
und „Aus"-Vorgänge des
An/Aus-Schalters S23, und als Erfassungseinrichtung zur Beurteilung
der Gegenwart oder Abwesenheit einer Umkehr im Ausgangsspannungspegel
des Komparators 28 und zum Erfassen der Gegenwart oder
Abwesenheit der Nähe eines
Kopfes eines Insassen zu der Sensorelektrode E1 auf der Grundlage
des Beurteilungsergebnisses und des durch die Zähleinrichtung gezählten Wertes. Die
Steuereinheit 20 ist mit einer CPU eingerichtet.
-
Nachstehend
ist die grundlegende Betriebsweise des Kapazitätserfassungsgerätes 20 beschrieben.
Die 15A bis 15G zeigen
jeweils Zeitablaufdiagramme zur Beschreibung der Betriebsweise des
Kapazitätserfassungsgerätes 20.
-
Gemäß der Darstellung
aus den 15A, 15B und 15C steuert die Steuereinheit 29 einen
ersten Schaltvorgang (s/w-Vorgang 1, vergleiche 15A), einen zweiten Schaltvorgang (s/w-Vorgang
2, vergleiche 15B) und einen dritten Schaltvorgang
(s/w-Vorgang 3, vergleiche 15). Durch
den ersten Schaltvorgang wird der An/Aus-Schalter S22 von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben und für eine vorbestimmte
Zeitdauer in dem geschlossenem Zustand gehalten, und wird danach
in den geöffneten Zustand
zurück
versetzt. Durch den zweiten Schaltvorgang wird der An/Aus-Schalter
S23 von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben und für eine vorbestimmte
Zeitdauer in dem geschlossenen Zustand gehalten, und wird danach
in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt. Durch den dritten Schaltvorgang wird der An/Aus-Schalter
S24 von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben und für eine vorbestimmte
Zeitdauer im geschlossenen Zustand gehalten, und wird danach in
einen geöffneten Zustand
zurück
versetzt. Der zweite und dritte Schaltvorgang werden dem ersten
Schaltvorgang nachfolgend abwechselnd wiederholt.
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Durch
den ersten Schaltvorgang wird das eine Ende des Bezugskondensators 21 mit
seinem anderen Ende kurz geschlossen. Folglich wird die Eingangsspannung
Vin– des
invertierenden Eingangsanschlusses (–) des Komparators 28 auf
die erste Energieversorgungsspannung V1 angehoben (vergleiche 15E), und ein zweites Ausgangssignal Vout des
Komparators 28 wird auf einen hohen Pegel verschoben (vergleiche 15F).
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Durch
den zweiten Schaltvorgang werden der Bezugskondensator 21,
das LPF 25 und der variable Kondensator Cx zwischen der
ersten Energieversorgungsspannung V1 und dem elektrischen Massenpotenzial
in Reihe geschaltet, und der Bezugskondensator 21 und der
variable Kondensator Cx werden elektrisch geladen. Folglich wird
die Spannung VE1 der ersten Sensorelektrode E1 angehoben (vergleiche 15D), und die Eingangsspannung Vin– des invertierenden
Eingangsanschlusses (–)
des Komparators 28 wird verringert (vergleiche 15E).
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Weil
die erste Sensorelektrode E1 mit der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 verbunden ist, wird durch den dritten Schaltvorgang der variable
Kondensator Cx elektrisch entladen, und die Spannung VE1 der ersten
Sensorelektrode E1 wird gleich der zweiten Energieversorgungsspannung
V2.
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Durch
die Wiederholung des zweiten und dritten Schaltvorgangs wird der
elektrisch entladene variable Kondensator Cx mit dem Bezugskondensator 21 verbunden,
so dass der Bezugskondensator 21 elektrisch entladen wird.
Folglich wird die Spannung Vin– des
invertierenden Eingangsanschlusses (–) des Komparators 28 stufenweise
verringert. Wenn die Spannung Vin– des invertierenden Eingangsanschlusses
(–) des
Komparators 28 niedriger als die Bezugsspannung V4 wird,
wird das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 von einem
niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel umgekehrt.
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Nachdem
das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 von dem niedrigen
Pegel auf den hohen Pegel umgekehrt ist, wiederholt die Steuereinheit 29 eine
Reihe aus dem ersten, zweiten und dritten Schaltvorgang.
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Die
Kapazität
des variablen Kondensators Cx wird durch einen Abstand zwischen
einem Kopf eines Insassen und der Sensorelektrode E1 bestimmt. Wenn
der Abstand zwischen dem Kopf des Insassen und der Sensorelektrode
E1 groß ist,
ist die Kapazität
des variablen Kondensators Cx klein. Wenn der Abstand dazwischen
klein ist, ist die Kapazität
der variablen Kapazität
Cx groß.
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Je
größer die
Kapazität
des variablen Kondensators Cx ist (das heißt je geringer der Abstand zwischen
dem Kopf des Insassen und der ersten Sensorelektrode E1 ist), umso
größer ist
der Abfall der Spannung Vin– am
invertierenden Eingangsanschluss (–) des Komparators 28 bei
jeder Wiederholung von zweitem und drittem Schaltvorgang. Wenn der
Abstand zwischen dem Kopf des Insassen und der ersten Sensorelektrode
E1 klein ist, ist daher die Anzahl an Wiederholungen für den zweiten
Schaltvorgang gering, bevor das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 von
einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel umgekehrt ist.
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Die
Steuereinheit 29 zählt
die Anzahl der dem ersten Schaltvorgang folgenden Wiederholungen
des zweiten Schaltvorgangs, bevor das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 von
einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel umgekehrt ist. Die Anzahl
an Vorgängen
wird verwendet, um Änderungen
in der Kapazität
des variablen Kondensators Cx zu erfassen. Wenn die Anzahl an Vorgängen kleiner
oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, urteilt die Steuereinheit 29,
dass die Sensorelektrode E1 ausreichend nahe an dem Kopf eines Insassen ist.
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Die
Spannung VE1 an der ersten Sensorelektrode E1 fluktuiert gelegentlich
auf Grund von Störungen
Vd (15G). Insbesondere wenn die
Spannung VE1 an der Sensorelektrode E1 geringer als die zweite Energieversorgungsspannung
V2 auf Grund der Störungen
Vd irgendwo innerhalb einer Zeitdauer T1 ist, die definiert ist
durch einen Moment, zu dem der An/Aus-Schalter S24 nach dem dritten
Schaltvorgang auf einen geöffneten
Zustand geschaltet wird, und einem Moment, zudem der An/Aus-Schalter S23 durch
den zweiten Schaltvorgang in einen geschlossenen Zustand geschaltet
wird, verschieben sich elektrische Ladungen von der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 zur ersten Sensorelektrode E1. Folglich wird der variable Kondensator
Cx elektrisch geladen, und Änderungen
in der Kapazität
des variablen Kondensators Cx können
fehlerhaft erfasst werden. In Anbetracht dessen wird eine Grenzfrequenz
fc1 des LPF 25 so bestimmt, dass sie die nachstehende Gleichung
(1) erfüllt. 1/T2 < fc1 < 1/(2 × T1) (1), wobei T2
die Zeitdauer des An/Aus-Schalters S23 bezeichnet, um von einem
geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand zu schalten.
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Wenn
die Grenzfrequenz fc1 des LPF 25 die Gleichung (1) erfüllt, werden
die Störungen
Vd durch das LPF 25 abgeschnitten, selbst wenn die Spannung
VE1 der Sensorelektrode E1 auf Grund der Störung Vd schwankt, wodurch eine
Verschiebung der elektrischen Ladung von der Seite der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 zu der Sensorelektrode E1 über
die Diode 26 unterdrückt
wird. Daher ist es möglich,
die Änderungen
in der Kapazität
der variablen Kapazität
Cx mit hoher Präzision
zu erfassen.
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Wenn
zudem eine Differenz zwischen der Zeitdauer T1 und der Zeitdauer
T2 kleiner wird, mögen
die Störungen
Vd nicht ausreichend abgeschnitten werden. Daher ist vorzuziehen,
dass die Zeitdauer T1 ausreichend kürzer als die Zeitdauer T2 eingestellt
wird.
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[fünftes
Ausführungsbeispiel]
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16 zeigt
eine Ansicht zur Darstellung eines Kapazitätserfassungsgerätes 30 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Zu 14 identische Elemente sind
jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen. Das Kapazitätserfassungsgerät 30 ist
in einem Fahrzeugssitz eingebaut. Wie das Kapazitätserfassungsgerät 20 gemäß dem viertem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das Kapazitätserfassungsgerät 30 die
Sensorelektrode E1; den Bezugskondensator 21; die An/Aus-Schalter S22,
S23, S24; das LPF 25; die Dioden 26, 27;
den Komparator 28; und die Steuereinheit 29, und
alle diese Komponenten sind auf dieselbe Weise wie bei 14 verbunden.
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Das
Kapazitätserfassungsgerät 30 beinhaltet
ferner einen ein Hochpassfilter (das nachstehend mit HPF abgekürzt ist)
konfigurierenden Kondensator 31a, einen Puffer 32,
einen Widerstand 33 und einen Kondensator 34.
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Der
Kondensator 31a ist mit einer Elektrode mit der Sensorelektrode
E1 verbunden. Der Puffer 32, der mit einem Operationsverstärker strukturiert ist,
ist an seinem nicht invertierenden Eingangsanschluss (+) mit dem
Ausgangsanschluss des LPF 25 verbunden. Der invertierende
Eingangsanschluss des Puffers 32 ist mit einem Ausgangsanschluss
des Puffers 32 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Puffers 32 ist
mit einer Elektrode des Kondensators 34 über den
Widerstand 33 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators 34 ist
auf Masse gelegt. Der Widerstand 33 und der Kondensator 34 bilden ein
LPF 35, und ein Verbindungspunkt des Widerstands 33 und
des Kondensators 34 dient als Ausgangsanschluss des LPF 35.
Der Ausgangsanschluss des LPF 35 ist mit der anderen Elektrode
des Kondensators 31a verbunden.
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Auf
dieselbe Weise wie bei dem Kapazitätserfassungsgeräts 20 gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
wiederholt die Steuereinheit 29 des Kapazitätserfassungsgerätes 30 abwechselnd
einen zweiten Schaltvorgang, durch den der An/Aus-Schalter S23 von
einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben
und in dem geschlossenen Zustand für eine vorbestimmte Zeitdauer
gehalten wird, und danach in einen geöffneten Zustand zurück versetzt
wird, und einen dritten Schaltvorgang, durch den der An/Aus-Schalter S24 von
einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand verschoben und in dem geschlossenen
Zustand für
eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird, und danach in einen geöffneten
Zustand zurück
versetzt wird, was einem ersten Schaltvorgang nachfolgt, durch den
der An/Aus-Schalter S22 von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen
Zustand verschoben und in dem geschlossenen Zustand für eine vorbestimmte
Zeitdauer gehalten wird, und danach in den geöffneten Zustand zurück versetzt
wird.
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Eine
Grenzfrequenz fc1 des LPF 25 ist zu Erfüllung der vorstehend beschriebenen
Gleichung (1) eingestellt. Eine Grenzfrequenz fc2 des LPF 35 ist
so eingestellt, dass die nachstehende Gleichung (2) erfüllt ist. 1/T2 < fc2 < 1/(2 × T1) (2).
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Durch
den ersten Schaltvorgang wird eine Elektrode des Bezugskondensators 21 mit
ihrer anderen Elektrode kurz geschlossen. Durch den zweiten Schaltvorgang
werden der Bezugskondensator 21, das LPF 25 und
der variable Kondensator Cx zwischen der ersten Energieversorgungsspannung
V1 und dem elektrischen Massepotential in Reihe geschaltet. Durch
den dritten Schaltvorgang wird die Sensorelektrode E1 mit der zweiten
Energieversorgungsspannung V2 verbunden, und der variable Kondensator
Cx wird elektrisch entladen. Folglich wird die Spannung der ersten
Sensorelektrode E1 gleich der Spannung der der zweiten Energieversorgungsspannung
V2. Durch die Wiederholung des zweiten und dritten Schaltvorgangs
wird der elektrisch entladene variable Kondensator Cx mit dem Bezugskondensator 21 verbunden,
so dass der Bezugskondensator 21 elektrisch entladen wird.
Folglich wird die Spannung Vin– des
invertierenden Eingangsanschlusses (–) des Komparators 28 stufenweise
verringert. Wenn die Spannung Vin– des invertierenden Eingangsanschlusses
(–) des
Komparators 28 niedriger als die Bezugsspannung V4 wird,
wird das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 von einem
niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel umgekehrt.
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Nachdem
das Ausgangssignal Vout des Komparators 28 vom niedrigen
Pegel auf den hohen Pegel umgekehrt wird, wiederholt die Steuereinheit 29 eine
Reihe aus dem ersten, zweiten und dritten Schaltvorgang.
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Die
Steuereinheit 29 zählt
die Anzahl an Wiederholungen für
den zweiten Schaltvorgang. Die Anzahl der Vorgänge wird zur Erfassung von Änderungen
in der Kapazität
des variablen Kondensators Cx verwendet. Wenn die Anzahl an Vorgängen kleiner oder
gleich einem vorbestimmten Wert ist, urteilt die Steuereinheit 29,
das die Sensorelektrode E1 ausreichend nahe bei dem Kopf eines Insassen
ist.
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Wie
bei dem Kapazitätserfassungsgeräts 20 nach
dem vierten Ausführungsbeispiel
wird die Grenzfrequenz fc1 des LPF 25 zur Erfüllung der
Gleichung (1) eingestellt. Selbst wenn die Spannung VE1 der Sensorelektrode
E1 auf Grund der Störungen
Vd schwankt, werden daher die Störungen
Vd durch das LPF 25 abgeschnitten, wodurch eine Verschiebung der
elektrischen Ladung von der Seite der zweiten Energieversorgungsspannung
V2 zu der Sensorelektrode E über
die Diode 26 unterdrückt
wird. Daher ist es möglich,
eine fehlerhafte Erfassung von Änderungen
in der Kapazität
zu vermeiden.
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Ferner
beinhaltet das Kapazitätserfassungsgerät 30 den
Kondensator 31a als HPF 31. Der Kondensator 31a schickt
einen Hochfrequenzanteil der Störungen
Vd an Masse, welche der Spannung der Sensorelektrode E1 überlagert
sind. Daher ist es möglich,
die Einflüsse
der Störungen
Vd stärker
als bei dem Kapazitätserfassungsgerät 20 zu
reduzieren. Zudem sind der Ausgangsanschluss des LPF 25 und
die andere Elektrode des Kondensators 31a, welche der Ausgangsanschluss
des HPF 31 ist, über den
Puffer 32 verbunden. Daher ist die Spannung an der anderen
Elektrode des Kondensators 31a auf die Spannung VE1 der
Sensorelektrode E1 eingestellt, welches die Spannung VE1 ist, der
keine Störungen Vd überlagert
sind. Folglich wird der Kondensator 31a davor bewahrt,
als parasitärer
Kondensator der Sensorelektrode E1 zu dienen, wodurch ein Einfluss auf
Messänderungen
in der Kapazität
unterdrückt wird.
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Außerdem ist
die andere Elektrode des Kondensators 31a mit einem Verbindungspunkt
des Widerstands 33 und des Kondensators 34 verbunden. Daher
ist es möglich,
eine Rückkehr
der Störung
Vd zum Ausgangsanschluss des LPF 25 über den Puffer 32 zu
meiden.
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Das
Kapazitätserfassungsgerät 30 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
ist nicht auf die vorstehende Beschreibung beschränkt, und
kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden. Es kann beispielsweise
das nachstehend beschriebene LPF angewendet werden.
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[sechstes Ausführungsbeispiel]
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- (1) 17 zeigt
ein Schaltbild zur Darstellung einer Abwandlung des Kapazitätserfassungsgerätes gemäß 16.
Zur 16 identische Elemente sind jeweils mit identischen
Bezugszeichen versehen. Das Kapazitätserfassungsgerät 30 aus 16 verwendet
das LPF 35 mit dem Widerstand 33 und dem Kondensator 34.
Alternativ kann das LPF 35 auf ein LPF 40 gemäß 17 abgewandelt
werden. Das LPF 40 gemäß 17 beinhaltet:
einen mit dem Ausgangsanschluss des Puffers 32 an einem
Ende verbundenen Widerstand 41; einen mit dem einen Ende
an dem anderen Ende des Widerstands 41 verbundenen Widerstand 42;
einen mit dem anderen Ende des Widerstandes 42 an einem
Ende und mit Masse an dem anderen Ende verbundener Kondensator 43;
ein mit dem anderen Ende des Widerstands 42 an einem nicht
invertierendem Eingangsanschluss (+) verbundener Puffer 44;
und ein Kondensator 45. Eine Elektrode des Kondensators 45 ist
mit einem Verbindungspunkt des Widerstands 41 und des Widerstands 42 verbunden.
Die andere Elektrode des Kondensators 45 ist mit einem Ausgangsanschluss
des Puffers 44 verbunden. Ein invertierender Eingangsanschluss
(7) des Puffers 44 ist mit dem Ausgangsanschluss des Puffers 44 verbunden.
Der Ausgangsanschluss des Puffers 44 dient als ein Ausgangsanschluss des
LPF 40 und ist mit der anderen Elektrode des Kondensators 31a verbunden.
Bei dem LPF 40 wird ein den Puffer 32 passierender
Hochfrequenzanteil durch die Widerstände 41, 42 und
den Kondensator 43 entfernt. Ein Hochfrequenzanteil von
dem Kondensator 31a wird über den Kondensator 45,
den Widerstand 42 und den Kondensator 43 auf Masse
geschickt. Der Widerstand 41 vermeidet eine Rückkehr des
Hochfrequenzanteils von dem Kondensator 31a zu der Seite
des Ausgangsanschlusses des LPF 25 über den Puffer 32.
Eine Änderung
von dem LPF 30 auf das LPF 40 erhöht die Erfassungspräzision des
Kapazitätserfassungsgerätes 30.
- (2) Beide Kapazitätserfassungsgeräte der 16 und 17 verwenden
das LPF 25. Wenn jedoch ein Hochfrequenzanteil an dem Kondensator 31a wie
etwa durch das HPF ausreichend entfernt wird, wird das LPF 25 nicht
benötigt.
-
Nach
vorstehender Beschreibung umfasst ein Kapazitätserfassungsgerät: einen
ersten An/Aus-Schalter S11; einen ersten Bezugskondensator Cs1;
einen zweiten An/Aus-Schalter S21; einen dritten An/Aus-Schalter
S31; eine erste Sensorelektrode E11; einen vierten An/Aus-Schalter S12; eine zweite
Bezugskapazität
Cs2; einen fünften An/Aus-Schalter
S22; einen sechsten An/Aus-Schalter S32; eine zweite Sensorelektrode 21;
und einen Komparator CMP1. Ein zweiter Schaltvorgang und ein dritter
Schaltvorgang werden einem ersten Schaltvorgang nachfolgend abwechselnd
wiederholt. Die Anzahl der Vorgänge
zum Wiederholen des zweiten Schaltvorgangs wird gezählt. Änderungen
in den Kapazitäten
bezüglich
der ersten und zweiten Sensorelektrode E11, E21 werden auf der Grundlage
der Anzahl der Vorgänge
zum Wiederholen des zweiten Schaltvorgangs, bevor ein Spannungspegel
am ersten Eingangsanschluss und ein Spannungspegel am zweiten Eingangsanschluss
umgekehrt wurden, beurteilt.