DE102007026307A1

DE102007026307A1 - Anordnung zur Generierung eines für die Präsenz eines Objektes innerhalb eines Observationsbereiches indikativen Signals

Info

Publication number: DE102007026307A1
Application number: DE102007026307A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Fasshauer
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Eine Anordnung zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich umfasst eine Sendeelektrodeneinrichtung zur Emission eines Wechselfeldes in einen Emissionsbereich und eine Empfangselektrodeneinrichtung zur Erfassung eines in einem Detektionsbereich präsenten Wechselfeldes, wobei die Empfangselektrodeneinrichtung an eine Transimpedanzverstärkerschaltung (TIV) angeschlossen ist. Diese Anordnung ermöglicht es, Fehldetektionen durch umgebungsbedingte, z. B. durch Wassereinwirkung verursachte, jedoch nicht detektionsrelevante Veränderungen der Kapazität des die Empfangselektrodeneinrichtung umfassenden Kondensatorsystems zu vermeiden und damit eine tatsächliche Annäherung eines Objektes an die Detektionselektrode mit hoher Zuverlässigkeit festzustellen.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zur Bewerkstelligung der Erfassung der Präsenz, Position, und/oder des Eindringens eines Objektes, insbesondere von Gliedmaßen in einem bzw. in einen Observationsbereich. Die Erfindung richtet sich hierbei insbesondere auf eine Anordnung, durch welche diese Erfassung auf Grundlage feldelektrischer Wechselwirkungseffekte erfolgt.
Es sind bereits Näherungs- und Berührungssensoren bekannt, bei welchen eine Präsenzerfassung menschlicher Gliedmaßen auf Grundlage feldelektrischer Wechselwirkungseffekte durchgeführt wird. Maßgeblich ist hierbei eine elektrische Eigenschaft des menschlichen Körpers, die darin besteht, dass der leitende Körper in der Nähe einer Detektionselektrode deren Kapazität beeinflusst. Die Kapazität der Detektionselektrode ist bei den bekannten Erfassungssystemen für das Sensorsignal bestimmend. Durch Frequenz- oder Phasenmessung kann die Annäherung detektiert werden.
Ein Problem hierbei ist die für bestimmte Anwendungen erforderliche Empfindlichkeit und Störfestigkeit des Verfahrens. Bei der Detektion kleinster Körperteile, wie z.B. eines Fingers ergeben sich häufig nur geringe Kapazitätsänderungen von 0,01 bis 0,1 pF, die noch erkannt werden müssen. Die erreichbare Empfindlichkeit beim Frequenzmessverfahren wird dabei durch die relative Kapazitätsänderung gegenüber der Grundkapazität eines Oszillators bestimmt, die üblicherweise möglichst klein ist, was wiederum eine hohe Schwingfrequenz bedeutet, die einmal hinsichtlich der EMV Problematik und außerdem gegen von außen einwirkende Störspannungen kritisch sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Annäherung eines Objektes, insbesondere eines belebten Körpers an eine Sensorelektrode in einer gegenüber bisherigen Ansätzen sichereren Weise zu erfassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltung zur Erfassung der der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, mit:

– einer Sendeelektrodeneinrichtung zur Emission eines Wechselfeldes in einen Emissionsbereich, und
– einer Empfangselektrodeneinrichtung zur Erfassung eines in einem Detektionsbereich präsenten Wechselfeldes,
– wobei die Empfangselektrodeneinrichtung an eine selektiv wirkende Transimpedanzverstärkerschaltung angeschlossen ist.

Diese Anordnung ermöglicht es, Fehldetektionen durch umgebungsbedingte, z.B. durch Wassereinwirkung verursachte, jedoch nicht detektionsrelevante Veränderungen der Kapazität des die Empfangselektrodeneinrichtung umfassenden Kondensatorsystems zu vermeiden und damit eine tatsächliche Annäherung eines Objektes an die Detektionselektrode mit hoher Zuverlässigkeit festzustellen.
Vorzugsweise ist die Transimpedanzverstärkerschaltung derart an die Detektionselektrode angeschlossen, dass ein Näherungszustand anhand eines aus der Transimpedanzverstärkerschaltung abgreifbaren Signals ermittelt werden kann. Bei diesem Signal handelt es sich um ein Signal, das Aufschluss darüber gibt, welcher Strom über den Transimpedanzverstärker fließt.
Über den Transimpedanzverstärker wird vorzugsweise der Spannungsaufbau an der Detektionselektrode auf einen bestimmten, vorzugsweise äußerst niedrigen Pegel begrenzt. Dieser Pegel ist vorzugsweise derart niedrig gewählt, dass ein paralleler Stromabfluss über Störkapazitäten vermieden wird. Durch diese Maßnahme wird es möglich, Fehldetektionen aufgrund temporärer, typischerweise weitgehend statischer Veränderungen der Kapazität des Detektionselektrodensystems zu verhindern.
Dabei wird der Stromfluss zu oder vom Transimpedanzverstärker (TIV) mittels der Ausgangspannung des TIV als Detektionssignal erfasst. In Abweichung von der klassischen Struktur eines TIV mit einem ohmschen Widerstand im Gegenkopplungszweig wird erfindungsgemäß anstelle des Widerstands ein auf die Frequenz des Sendesignals abgestimmter Parallelschwingkreis verwendet, wodurch eine hohe Selektionswirkung gegenüber einwirkenden Störsignalen erreicht wird.
Anstelle einer klassischen Transimpedanzverstärkerschaltung können insbesondere unter Rückgriffnahme auf das Senderereignis auch anderweitige Schaltungen an die Detektionselektrode angeschlossen werden, durch welche einer Detektionsverfälschung durch parallele Störkapazitäten begegnet werden kann. Insbesondere kann einem parallelen Stromfluss durch Herabsetzung der Eingangsimpedanz begegnet werden.
Die erfindungsgemäße Detektionsanordnung eignet sich insbesondere zur Absicherung von verletzungsrelevanten Spaltbereichen, beispielsweise zur Absicherung von Schließspalten von Klappen, Türen, Kofferraumdeckeln und Heckklappen, Fenstern, Dreh- und Schiebetüren. Sie eignet sich auch zur Realisierung von Schaltern, die bei hinreichender Annäherung ein Schalsignal generieren.
Es ist ferner möglich, aus dem über den Transimpedanzverstärker fließenden Strom Abstandsinformationen abzuleiten, so dass hierdurch eine Erfassung des räumlichen Bewegungsablaufs eines detektierten Objekts, beispielsweise einer Hand, bewerkstelligt werden kann. Durch Verwendung mehrerer Detektionselektroden können für einer Hand-Geste indikative Signale gewonnen werden. Auf der Grundlage dieser Signale lässt eine Steuerung, beispielsweise zur Koordination von Schaltungsvorgängen in einem Fahrzeugcockpit, realisieren.
Die erfindungsgemäße Detektionsanordnung kann so ausgebildet sein, dass diese mehrere Sender- und Detektionselektrodensegmente umfasst, die abfolgend oder nach Maßgabe eines geeigneten zeitlichen Musters hinsichtlich eines zwischen diesen anliegenden Feldes in die Signalauswertungen einbezogen werden. Die abfolgende Ansteuerung und Abfrage der einzelnen Elektrodensegmente kann über ein Multiplexersystem mittels adressiertem Ansprechen der einzelnen Elektrodensegmente erfolgen.
Die segmentierte Sendeelektrodeneinrichtung zur Bereitstellung des Wechselfeldes ist vorzugsweise so angeordnet, dass diese sich entlang einer Zone erstreckt, die beispielsweise ebenfalls einer Klemmkante folgt. Die Segmentierung der Sendeelektrode hat dabei den Vorteil, dass die dort angelegte Generatorspannung im Bereich des jeweiligen Segmentes eine zur Empfangselektrode hin gerichtete hohe Feldstärke erzeugt, da die das Feld erzeugende elektrische Ladung jeweils im Segmentbereich konzentriert wird und hierdurch Feldänderungen durch Körperteile zu höheren Sensorsignalen führen als ohne diese Maßnahme.
Die über die Detektionselektrodensegmente erhobenen Signale können mit weiteren Informationen, z.B. Informationen über den Schließwinkel einer Heckklappe verknüpft ausgewertet werden.
Es ist möglich, die Dynamik der aus den Empfangselektrodeneinrichtungen abgegriffenen Signale bei der Beurteilung des Vorliegens eines Detektionsereignisses zu berücksichtigen. Insbesondere ist es möglich, Pegeländerungen der aus den Detektionselektrodesegmenten abgegriffenen Signale, deren Dynamik von einer stellvorgangsbedingten (z.B. durch das Schließen der Heckklappe verursachten) Dynamik abweicht, als Detektionsereignis zu klassifizieren.
Es ist möglich, zumindest einen Teil der Detektionsschaltung, insbesondere die Transimpedanzverstärkerschaltung unmittelbar auf ein Elektrodensegment oder eine dieses tragende flexible Leiterplatte aufzubringen. Die Transimpedanzverstärkerschaltung und ggf. weitere zur Generierung der erfindungsgemäßen Detektionssignale erforderliche Schaltungsabschnitte können als ASIC ausgeführt und unmittelbar der Detetektionselektrode zugeordnet werden.
Die Detektionselektrode ist vorzugsweise so angeordnet, dass diese sich möglichst nahe entlang einer klemmrelevanten Zone (z.B. Schließfalz) erstreckt. Die Detektionselektrode kann in eine Dichtungseinrichtung eingebunden sein. Es ist auch möglich, die Detektionselektrode als auf eine Fahrzeugkarosserie aufbringbare, insbesondere aufklebbare Elektrode auszuführen und diese ggf. zu verspachteln und mit einer Überlackierung zu versehen. Die Detektionselektrode kann auch in anderweitige Bauteile, insbesondere Blenden, Leisten, Aufsätze und dgl. eingebunden sein. Die Detektionselektrode kann auch auf eine Glasstruktur aufgebracht oder in diese eingebunden sein. Die Detektionselektrode kann auch in ein verdeckgestänge oder in Klemmkanten eines anderweitig durch einen Stelltrieb bewegten Systems (z.B. Dachschalenverdeck) eingebunden sein.
Insbesondere für die Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltung als Klemmschutz von Heckklappen bzw. Kofferraumdeckeln von Kraftfahrzeugen ist es möglich, eine Rahmen- oder Brilleneinrichtung zu schaffen, die als solche die Elektrodeneinrichtung und vorzugsweise auch Auswertungsschaltungen enthält, und die als weitgehend vormontierte Baugruppe in den entsprechenden Schließfalzbereich des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann. Diese Baugruppe kann auch eine Heckklappendichtung umfassen.
Vorzugsweise erfolgt die Absicherung des Heckklappenbereiches durch mehrere entlang der Schließkante abfolgend angeordnete Elektrodensegmente. Es ist möglich, die Elektrodensegmente so auszubilden, dass jeweils paar- oder gruppenweise zueinander weitgehend symmetrische Elektrodensegmente vorliegen. Die zu den jeweils zueinander symmetrischen Elektrodensegmenten gewonnenen Sigalereignisse können miteinander auf Asymmetrien der jeweiligen Signale betrachtet oder anderweitig verknüpft ausgewertet werden.
Insbesondere besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung bei einer Heckklappenabsicherung darin, links und rechts der Klappe jeweils ein Sende- und Empfangselektrodensystem anzuordnen und zwischen den an den Links/Rechts-Segmentpaaren entstehenden Empfangssignalen eine Differenzbildung durchzuführen. Dies hat den Vorteil, einmal die bei der Klappenbewegung entstehenden großen Pegeländerungen infolge Änderungen der Koppelkapazitäten zwischen Sende- und Empfangselektroden der links- und rechtsseitigen Signale zu kompensieren und zum anderen gleichartig auf die Links/Rechts-Elektrodenpaare einwirkende Umwelt einflösse wie z.B. Wasserbildung bei Regen weitgehend zu eliminieren.
Es ist möglich, die erfindungsgemäße Anbindung einer Transimpedanzverstärkerschaltung an das jeweilige Detetionselektrodensegment in Kombination mit weiteren Auswertungsschaltungsstrukturen vorzunehmen. Insbesondere ist es möglich, zusätzlich zu jener Transimpedanzverstärkerschaltung eine weitere Auswertungsschaltung vorzusehen, die derart konfiguriert und aufgebaut ist, dass diese eine Annäherung eines Objektes an die Sensorelektrodeneinrichtung anhand einer Änderung des Resonanzverhaltens eines das Detektionselektrodensegment umfassenden LC-Netzwerkes detektiert. Als Änderung des Resonanzverhaltens wird hierbei gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Veränderung der Phaselage eines Vergleichssignals aus dem LC-Netzwerk gegenüber einem Vergleichssignal aus dem Bereich des Generators erfasst. Das aus dem Bereich des Generators abgegriffene Signal kann die Generatorspannung oder insbesondere auch ein Generatortriggersignal sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich diese auch auf ein Verfahren zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, unter Verwendung einer Geberelektrodeneinrichtung und einer Detektionselektrodeneinrichtung, wobei durch die Geberelektrodeneinrichtung ein Wechselfeld generiert wird, das durch das zu detektierende Objekt, insbesondere durch menschliche Gliedmaßen in einen Detektionsbereich ausgebreitet wird, wobei dieses ausgebreitete Feld über die Detektionselektrodeneinrichtung detektiert wird, wobei die Detektionselektrodeneinrichtung über eine Transimpedanzverstärkerschaltung derart angeschaltet ist, dass deren Eingangsimpedanz nahezu Null wird.
Es ist möglich, die erfindungsgemäße Schaltung zur Erfassung des an der Detektionselektrodeneinrichtung anliegenden Spannungsereignisses in unmittelbarer Nachbarschaft der Sensorelektrode anzuordnen, so dass auf aufwendige, ggf. abgeschirmte Verbindungsleitungen zwischen der Sensorelektrode und der Detektionsschaltung verzichtet werden kann.
Als aufbereitetes Signal kann, beispielsweise in digitaler Form, die Information exportiert werden, welcher Strom über den Transimpedanzverstärker fließt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivisches Schema zur Veranschaulichung einer Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Detektionsschaltung als Klemmschutz für eine Kraftfahrzeug-Heckklappe;
2 eine Schaltungsskizze zur Veranschaulichung weiterer Einzelheiten einer Detektionsschaltung nach 1.
Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Erfassung der Präsenz menschlicher Gliedmaßen im Heckbereich eines Kraftfahrzeuges. Diese Anordnung umfasst eine Sendeelektrodeneinrichtung mit mehreren segmentierten Sendeelektroden 1, 1' an der Innenseite eines Kofferraumdeckels und eine Empfängerelektrodeneinrichtung mit mehreren Detektionselektroden 2, 2', die entlang eines verletzungsrelevanten Schließkantenbereichs angeordnet sind. Im Falle der Erkennung eines Objektes, insbesondere eines Armes in dem Schließkantenbereich kann die Absenkung des Kofferraumdeckels unterbrochen werden. Der Schließkantenbereich erstreckt sich in einem größeren Observationsbereich. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen elektrischen Signalgenerator G zur Emission eines Wechselfeldes in einen Emissionsbereich, der sich entlang der segmentierten Sendeelektrodeneinrichtung erstreckt. Die Sendeelektrodeneinrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass das durch diese generierte Feld eine gewisse Ausrichtung zur unteren Schließkante hin erhält, entlang der die Empfangselektrodeneinrichtung angebracht ist, die ebenfalls noch segmentiert werden könnte. Dies kann erreicht werden, indem die Sendeelektrodeneinrichtung auf ihrer der unteren Schließkante abgewandten Rückseite mit einer Abschirmungselektrode versehen ist. Die Anordnung umfasst ferner eine Multiplexereinrichtung, die das vom Generator G erzeugte Signal den segmentierten Sendeelektroden 1, 1' zuführt, so dass jeweils innerhalb eines gewissen Zeitabschnittes das Signal an jeder Sendeelektrode 1, 1' anliegt, wobei die linke und rechte Elektroden jeweils parallel angeschlossen sind.
Eine Auswertungsschaltung 3 umfasst weiterhin zwei Transimpedanzverstärker TIV1 und TIV2 bzw. 4 und 5 mit zwei angeschlossenen AC/DC-Wandlern, die das empfangene hochfrequente Signal in eine Gleichspannung umwandeln. Mittels eines weiter angeschlossenen Differenzverstärkers 6 wird anschließend das Links-und-Rechts-Signal voneinander subtrahiert und einem Analog/Digitalwandler 7 zur weiteren Verarbeitung in einem Mikrocontroller zugeführt. Erfolgt ein Eingriff der Hand einer Person in einen durch eine geöffnete Heckklappe definierten Klemmspalt, so kann dies durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Schaltung detektiert werden. Die Detektion des Eingriffs erfolgt über die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6 und die nachfolgende Auswertung im Mikrocontroller.
2 zeigt die Schaltungsstruktur der verwendeten Transimpedanzverstärker 4 bzw. 5 mit angeschlossener Empfangselektrode 2 und der nachfolgenden AC/DC-Wandlung 7. Im Rückkopplungszweig eines invertierenden OPV befindet sich vorteilhaft ein Parallel-Resonanzkreis 8, der auf die Sendefrequenz abgestimmt ist und eine hohe Selektion gegen eingestrahlte Störfrequenzen gewährleistet, da außerhalb der Resonanzfrequenz die an der Empfangselektrode 2 wirksame Eingangsimpedanz nahezu Null ist und damit Störfrequenzanteile wirksam unterdrückt werden. Im Bereich der Resonanzfrequenz ist die Eingangsimpedanz bei ausreichend hohem Verstärkungsfaktor des OPV ebenfalls sehr niederohmig, so dass Kapazitätsänderungen am Sensor z.B. durch Wassereinflüsse weitgehend unterdrückt werden. Das am Ausgang entstehende Signal s wird im wesentlichen nur von der sich bei Bewegung der Heckklappe ändernden Kopplungskapazität zwischen Sende- und Empfangselektrode 1, 1' und 2, 2' bestimmt bzw. vom Eingriff eines Körperteils zwischen den Elektroden, der ebenfalls zu einer Änderung der Koppelkapazität führt.

Claims

Anordnung zur Erfassung der Präsenz eines Objektes in einem Observationsbereich, mit: – einer Sendeelektrodeneinrichtung zur Emission eines Wechselfeldes in einen Emissionsbereich, und – einer Empfangselektrodeneinrichtung zur Erfassung eines in einem Detektionsbereich präsenten Wechselfeldes, – wobei die Empfangselektrodeneinrichtung an eine Transimpedanzverstärkerschaltung (TIV) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transimpedanzverstärkerschaltung (TIV) derart betrieben wird, dass die Eingangsimpedanz an der jeweiligen Empfangselektrodeneinrichtung selektiv wirkt und im wesentlichen Null ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrodeneinrichtung mehrere Elektrodensegmente umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselektrodeneinrichtung segmentiert ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die zu Elektrodensegmenten der Empfangselektrodeneinrichtung erhobenen Messsignale einer vergleichenden Betrachtung unterzogen werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten und einem zweiten Gefähr dungsbereich eine Differenzbildung der Empfangssignale erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Gefährdungsbereich links und rechts an einer Heckklappe angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Erfassung des Eingriffes in einen Heckklappenschließspalt eines Kraftfahrzeuges ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Öffnungsgrad der Heckklappe in die Signalauswertung der Empfangselektrodeneinrichtung Eingang findet.