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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensorkopf.
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Kapazitive Sensoren arbeiten berührungslos und werden beispielsweise zum Erkennung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines bestimmten dielektrischen Mediums eingesetzt. Beispiele hierfür sind Näherungssensoren, Sensoren zum Erfassen eines Füllstandes oder von Etiketten oder ähnlichem. Die Medien können flüssig, gasförmig oder auch fest, z.B. auch in Form von Pulver oder Granulat vorliegen. Das Medium kann elektrisch leitend oder elektrisch nicht-leitend sein, wobei auch der Mensch an sich als Medium dienen kann.
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Das Funktionsprinzip eines kapazitiven Sensors beruht im Wesentlichen darauf, dass zwischen wenigstens zwei Elektroden durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld aufgebaut wird, welches daraufhin einen aktiven Sensorbereich definiert. Eine Elektrode bildet quasi eine aktive Fläche zu einer Gegenelektrode aus.
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Weist das zu erfassende Medium gegenüber der sonstigen Umgebung, wie beispielsweise Luft, eine andere Dielektrizitätskonstante auf, so verändert sich bei vorhandenem oder auch zunehmendem Medium in dem aktiven Sensorbereich zwischen zwei Elektroden die Koppelkapazität zwischen den Elektroden. Somit können Medien aus elektrisch leitfähigen und aus nicht elektrisch leitfähigen Stoffen mit einem kapazitiven Sensor erfasst werden.
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Zum Definieren eines derart aktiven Sensorbereichs eines kapazitiven Sensors umfasst dieser hierzu anwendungsspezifisch einen Sensorkopf, der die metallischen Elektroden umfasst, wobei der aktive Sensorbereich folglich auch durch die Größe und Form der Elektroden des Sensorkopfes maßgeblich mitbestimmt wird.
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Mit einer elektronischen Schaltung wird eine sich verändernde Kapazität ermittelt und beispielsweise gegenüber einem kritischen Schwellwert verglichen. Die Elektroden sind hierzu üblicherweise mit dem Rückkopplungszweig eines Oszillators verbunden, der so abgestimmt ist, dass er bei freiem aktiven Sensorbereich nicht schwingt. Nähert sich ein Medium einem aktiven Sensorbereich, so gelangt es in das elektrische Feld zwischen den Elektroden und bewirkt eine Änderung der Koppelkapazität, wodurch der Oszillator zu schwingen beginnt. Die Annäherung von Metallen oder Nichtmetallen in die aktive Zone bzw. den aktiven Bereich des kapazitiven Sensors, die sodann eine Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden bewirkt, wird auch als Bedämpfung bezeichnet. Dadurch ändert sich zumindest die Amplitude des Oszillators. Die Schwingungsamplitude wird über eine Auswerteschaltung erfasst und z.B. in einen Schaltbefehl umgesetzt. Alternativ kann der Oszillator auch abgestimmt sein, dass er bei freiem aktiven Sensorbereich bereits schwingt und ein sich näherndes Medium durch Änderung der Koppelkapazität eine Änderung der Schwingung bewirkt.
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Gegenüber mechanischen und anderen umgebungsbedingten Einflüssen ist der Sensor oder auch nur der Sensorkopf herkömmlicherweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches somit zumindest die Elektroden und Teile der Rückkopplungs- und/oder Auswerteschaltung aufnimmt. Das Gehäuse ist meist zylindrisch ausgebildet und die darin umfassten Elektroden des Sensorkopfes sind konzentrisch angeordnet.
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Gegenüber frei am kapazitiven Sensorkopf angeordneten Elektroden, d.h. ohne ein den Sensorkopf umgebendes Gehäuse, hat bei einem den Sensorkopf umgebenden Gehäuse dessen Form, Wandstärke und Material wiederum Einfluss auf die Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung des Oszillators, d.h. auf die „voreingestellte“ Kapazität des Oszillators.
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Die Druckschrift
DE 41 19 244 A1 beschreibt eine kapazitive Sensoreinrichtung mit einem Sensorkopf, der eine Elektrode trägt, an die ein Sensorpotential anlegbar ist. Der Sensorkopf ist ferner mit wenigstens einer benachbart zur Elektrode liegenden weiteren Elektrode ausgestattet. Darüber hinaus enthält die kapazitive Sensoreinrichtung eine Umschalteinrichtung, um wahlweise das Sensorpotential oder ein Schirmpotential an die einzelnen Elektroden anlegen zu können. Durch Auswahl der Elektroden für das Sensorpotential lässt sich der Sichtbereich des Sensorkopfs in Übereinstimmung mit den gestellten Anforderungen einstellen.
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Die Druckschrift
EP 1 239 420 A1 betrifft ein Identifikationssystem und einen Codegeber zum Nachweis einer Berechtigung für den Zugang zu einem Objekt oder die Benutzung eines Objekts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Der Codegeber weist flächig ausgebildete Elektroden einer Feldmesseinrichtung auf. Die Elektroden sind dabei derart ausgebildet, dass sie die Feldmesseinrichtung weitgehend umschließen.
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Die Druckschrift
DE 40 35 403 A1 bezieht sich auf ein Sensorsystem zur berührungslosen Messung des Abstands zwischen einem Sensorkörper und einem Objekt. Der Sensorkörper weist einen Kennungswiderstand auf, dessen Widerstandswert durch eine mit dem Sensorkörper verbundene Steuereinheit abgefragt werden kann, die sich außerhalb des Sensorkörpers befindet. Durch die Abfrage lässt sich feststellen, ob die elektrische Verbindung zwischen Steuereinheit und Sensorkörper existiert oder unterbrochen ist. Ist sie unterbrochen, so kann dies die Steuereinheit aufgrund der fehlenden Verbindung mit dem Kennungswiderstand in eindeutiger Weise detektieren und ein Alarmsignal erzeugen, um eine fehlerhafte Positionierung des Sensorkörpers relativ zum Objekt zu vermeiden.
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Die Druckschrift
US 5 539 292 A offenbart eine Vielzahl von kapazitiven Näherungssensoren sowie mindestens eine Abschirmung, welche allesamt auf einem robotergesteuerten Gerät angebracht sind, um eine bestimmte Oberfläche zu „sehen“. Beim Annähern des Geräts an ein Objekt antworten die Sensoren mit einem geänderten Strom. Das Gerät wird robotergesteuert berührungslos über das Objekt bewegt und kann letztendlich durch einen Prozess der Minimierung der gemessenen Ströme in eine Position auf dem Objekt, beispielsweise eine Ausnehmung, gebracht werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen kapazitiven Sensorkopf mit einer Struktur aufzuzeigen, die gegenüber Strukturen des Standes der Technik verbesserte Eigenschaften mit sich bringt.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind durch die Gegenstände der anhängenden Ansprüche gegeben.
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Die Erfindung sieht folglich einen kapazitiven Sensorkopf bzw. einen Sensorkopf eines kapazitiven Sensors mit einer aktiven Elektrode, einer Gegenelektrode und einer Isolierschicht zwischen der aktiven Elektrode und der Gegenelektrode vor, wobei zwischen den Außenflächen der aktiven Elektrode und der Gegenelektrode durch Anlegen einer Spannung ein aktiver Sensorbereich definiert ist. Die aktive Elektrode weist eine halbkugelförmige Außenstruktur und die Gegenelektrode eine zylindrische Außenstruktur auf.
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Hierdurch kann der aktive Sensorbereich auf einfache Weise bei ansonsten gleich großen Dimensionen wesentlich vergrößert werden bzw. können die Elektroden und damit der Sensorkopf insgesamt für einen geforderten Sensorbereich wesentlich verkleinert werden.
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Erfordern es die anwendungsspezifischen Umstände den kapazitiven Sensorkopf zusätzlich mit einem Gehäuse auszubilden, wird dieses in dem Bereich um die halbkugelförmig ausgebildete Elektrode herum in zweckmäßiger Weise ebenfalls mit halbkugelförmig ausgebildet.
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Hierdurch kann die Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung klein gehalten werden.
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Die halbkugelförmig ausgebildete Elektrode ist somit zweckmäßig am vorderen Sensorkopfende angeordnet.
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In praktischer Ausführung ist das Innere der halbkugelförmigen Elektrode herstellungsspezifisch durch Vollmaterial oder durch einen halbkugelförmigen Hohlraum definiert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Ansicht eines kapazitiven Sensors nach der Erfindung mit einem halbkugelförmig zulaufenden Sensorkopf, wobei ein Gehäuse aus Darstellungsgründen weggelassen ist,
- 2 eine aus Gründen der Vereinfachung stark vereinfachte Schnittansicht durch den Sensorkopf eines kapazitiven Sensors nach 1, bei welcher im Wesentlichen lediglich die Anordnung der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur innerhalb eines Gehäuses dargestellt ist, und
- 3 eine der 2 vergleichbare Schnittansicht durch den Sensorkopf eines kapazitiven Sensor, bei welchem jedoch eine Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik verwirklicht ist.
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Bei 1 ist eine Ansicht eines kapazitiven Sensors 100 nach der Erfindung dargestellt. Der Sensor 100, umfasst einen rückwärtigen Bereich mit einer Platine 200, auf welcher Teile einer Rückkopplungs- und/oder Auswerteschaltung angeordnet sind, die über eine Verkabelung 250 mit weiteren, außerhalb des Sensors angeordneten Einrichtungen verbunden ist und einen vorderen Bereich mit einem Sensorkopf 400. Der Sensorkopf 400, nachfolgend auch als kapazitiver Sensorkopf bezeichnet, ist im Wesentlichen aus drei metallischen Komponenten 410, 420 und 430 mit jeweils dazwischen angeordneten Isolierschichten 440 zusammengesetzt.
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Gemäß 1 bildet die vorne am Sensorkopf angeordnete metallische Komponente 410 eine erste Elektrode, die metallische Komponente 420 eine zweite Elektrode und die metallische Komponente 430 die Masse. Die Materiallagen 440 sind vollkommen unmetallisiert und stellen somit jeweils eine Isolierschicht zwischen den metallischen Komponenten 410 und 420 sowie 420 und 430 bereit, wobei über die Dicke der Materiallagen ein bestimmter Isolationsabstand eingestellt ist.
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Die erste Elektrode 410 ist die aktive Elektrode und stellt die aktive Fläche eines Kondensators für den kapazitiven Sensor bereit. Die andere oder Gegenelektrode wird durch die zweite Elektrode 420 bereitgestellt. Die Elektrode 420 und die Masse 430 weisen eine zylindrische Außenstruktur auf. Gemäß der Erfindung weist die aktive Elektrode 410 eine halbkugelförmige Struktur auf.
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Die aktive Elektrode 410, die Gegenelektrode 420 und die Masse 430 des Sensorkopfes sind mit den auf der Platine 200 angeordneten Schaltungsteilen anwendungsspezifisch elektrisch verbunden. Die Schaltung und die elektrischen Verbindungen sind herkömmlicherweise ausführungsspezifisch unterschiedlich, können jedoch grundsätzlich einen Aufbau besitzen, der für einen Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist, so dass daher nachfolgend nicht näher darauf eingegangen wird. Aufgrund der isolierenden Materiallagen 440 wird somit zwischen den Außenflächen der Elektroden 410 und 420 durch Anlegen einer Spannung ein aktiver Sensorbereich definiert.
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Die aktive Elektrode 410 bildet den vorderen Endbereich des Sensorkopfes 400, so dass der Sensorkopf 400 insgesamt von einer zylindrischen Außenform nach vorne hin ebenfalls habkugelförmig zuläuft. Herstellungsspezifisch und je nach Anwendung kann das Innere der Halbkugelform-Elektrode Vollmaterial oder hohl sein.
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Der Sensor 100 besitzt zweckmäßig ferner ein Gehäuse, welches aus Darstellungsgründen bei 1 weggelassen ist und bei 2 durch das Bezugszeichen 300 angedeutet ist. Die Platine 200 und der Sensorkopf 400 sind somit bevorzugt innerhalb des Gehäuses 300 angeordnet ist. Das Gehäuse 300 kann insgesamt einteilig ober mehrteilig ausgebildet bzw. zusammengesetzt sein.
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2 zeigt eine aus Gründen der Vereinfachung stark vereinfachte Schnittansicht durch den Sensorkopf des kapazitiven Sensors nach 1. Dargestellt sind lediglich ein Gehäuseabschnitt 300, der im Sensorkopf angeordnete Bereich der Platine 200 und die aktive Elektrode 410.
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Wie bei 2 jedoch zu sehen, ist die Elektrode 410, welche über deren Außenfläche die erste, aktive Kondensatorfläche für einen Sensorkopf nach der Erfindung bereitstellt, halbkugelförmig ausgebildet. Die Elektrode 410 ist über deren rückwärtige oder innere Seite auf nicht näher dargestellte Weise mit der Platine 200 zur weiteren Signalverarbeitung verbunden.
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Das Gehäuse 300 läuft zum vorderen Endbereich 350, welcher den Sensorkopf nach vorne hin umgibt halbkugelförmig zu. Infolge dessen, dass das Gehäuse also in dem Bereich um die halbkugelförmige Elektrode 410 herum ebenfalls halbkugelförmig ausgebildet ist, wird die durch die Elektrode 410 bereitgestellte aktive halbkugelförmige Kondensatorfläche gleichmäßig umschlossen. Es ist somit in Bezug auf die aktive Kondensatorfläche stets ein gleicher Abstand und eine gleiche Wandstärke gewährleistet, je nach dem, welches Material für das Gehäuse des Sensorkopfes 400 gewählt ist.
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Die 3 zeigt eine mit der 2 vergleichbare Schnittansicht durch den Sensorkopf eines kapazitiven Sensor, bei welchem jedoch eine aktive Elektrode 410' mit einer Struktur nach dem Stand der Technik verwirklicht ist.
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Wie zu sehen ist, ist die am vorderen Endbereich eines Sensorkopfes angeordnete Elektrode 410' im dargestellten Beispiel generell plattenförmig ausgebildet und das Gehäuse 300 weist in dem den Sensorkopf umschließenden vorderen Bereich 350 ebenfalls eine Halbkugelform auf.
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Eine Gegenüberstellung dieser beiden Sensorköpfe verdeutlicht die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Sensorkopfes.
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Die Kapazität eines Kondensators berechnet sich grundsätzlich nach:
- C = (ε0*εr)*A/d, wobei (ε0*εr) der Dielektrizitätskonstanten des abzufragenden bzw. zu erfassenden Mediums entspricht, A die Fläche des Kondensators ist und d der Abstand der Flächen des Kondensators ist. Nunmehr sei angenommen, dass die bei den 2 und 3 dargestellten aktiven Messelektroden 410 bzw. 410' abgesehen von der halbkugelförmigen bzw. plattenförmigen Ausbildung jeweils eine runde Grundfläche mit einem Radius r von 12mm besitzen.
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Die aktive Kondensatorfläche eines Sensorkopfes gemäß
3 beträgt somit:
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Die aktive Kondensatorfläche eines erfindungsgemäßen Sensorkopfes gemäß
1 beträgt aufgrund der halbkugelförmigen Fläche:
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Mit anderen Worten gewährleistet eine Elektrodenform des kapazitiven Sensorkopfes nach der Erfindung gemäß 1 und 2 eine im Wesentlichen doppelt so große Kondensatorfläche und infolge somit bei im Wesentlichen ansonsten gleichen weiteren Bedingungen eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit.
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Bei Umhüllung des Sensorkopfes mit einem Gehäuse gemäß den 2 und 3 stellt sich ferner eine wesentlich verminderte Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung bei dem Sensorkopf nach 2 gegenüber einem Sensorkopf nach 3 ein, wobei als Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung der Einfluss des Außenmaterials des Sensorkopfes auf den Oszillator verstanden wird. Je größer die Wandstärke und Elektrizitätskonstante eines Gehäusematerials ist und gegebenenfalls die Dicke und Elektrizitätskonstante eines zwischen Kondensatorfläche und Gehäusematerial befindlichen Füllmediums ist, um so größer ist auch die Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung.
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Die wesentlich verminderte Vorbedämpfung und/oder Vorankopplung folgt aus der bei einem Sensorkopf nach 2 erzielten Eigenschaft, dass die halbkugelförmige Elektrode 410 des Sensorkopfes dem Verlauf bzw. der Form des Gehäuses 300 im Bereich 350 folgt und dadurch die Wandstärke des Gehäuses an allen Stellen gleichbleibend gering gehalten werden kann bzw. der mit einem Medium gefüllte Abstand zwischen Gehäuse und Kondensatorfläche stets konstant ist.
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Selbst wenn bei einer Elektrodenform gemäß 3 der Gehäusebereich 350 nicht halbkugelförmig sondern rechtwinklig ausgebildet wäre, kann die mit einer Elektrodenform gemäß 2 erzielbare Gleichmäßigkeit zwischen Elektrode und Gehäuse nicht erreicht werden.
