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Die
Erfindung betrifft eine kapazitive Annäherungssensoranordnung
mit wenigstens einer beabstandet zu einer Massefläche angeordneten
Sensorelektrode und einer zwischen der wenigstens einen Sensorelektrode
und der Massefläche angeordneten Schirmelektrode und einer
mit der wenigstens einen Sensorelektrode, der Schirmelektrode und
mit Masse verbundenen Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung
dafür sorgt, dass das Potenzial der Schirmelektrode dem
Potenzial der wenigstens einen Sensorelektrode folgt, wobei die
Steuerschaltung eine Messschaltung zum Messen der Kapazität
der wenigstens einen Sensorelektrode gegenüber Masse aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
kapazitiven Annäherungssensors, der wenigstens eine beabstandet
zu einer Massefläche angeordnete Sensorelektrode und eine zwischen
der wenigstens einen Sensorelektrode und der Massefläche
angeordnete Schirmelektrode aufweist und mit einer mit der wenigstens
einen Sensorelektrode, der Schirmelektrode und mit Masse verbundenen
Steuerschaltung gekoppelt ist, wobei das Potenzial der Schirmelektrode
von der Steuerschaltung dem Potenzial der wenigstens einen Sensorelektrode
nachgeführt wird, wobei die Kapazität der wenigstens
einen Sensorelektrode gegenüber Masse von einer Messschaltung
der Steuerschaltung gemessen wird.
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Eine
kapazitive Annäherungssensoranordnung der eingangs genannten
Art wird beispielsweise als Sensoranordnung zum Erfassen der Annäherung
eines Bedieners, insbesondere der Annäherung einer Hand
des Bedieners, an einem Türgriff eines Kraftfahrzeugs zum
Zwecke des Auslösens einer Abfrage eines von dem Bediener
mitgeführten ID-Gebers (elektronischen Schlüssels)
durch eine in dem Kraftfahrzeug angeordnete Steuereinheit verwendet. Eine
derartige Sensoranordnung kann andererseits beispielsweise auch
bei einer Einklemmschutzeinrich tung für eine von einem
Antrieb bewegbare Tür oder Klappe Anwendung finden. Solche
Anwendungen sowie eine kapazitive Annäherungssensoranordnung
der eingangs genannten Art sind beispielsweise in der Veröffentlichung
EP 1 164 240 A2 bzw.
der Veröffentlichung
DE 10 2006 044 778 A1 beschrieben.
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Eine
Messschaltung zum Messen der Kapazität einer Sensorelektrode
gegenüber Masse bei einem solchen Annäherungssensor
ist beispielsweise in der Patentschrift
DE 196 81 725 B4 beschrieben.
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Die
Form und die Anordnung der Sensorelektrode (oder mehrerer Sensorelektroden)
ist primär vom gewünschten Einsatzzweck des kapazitiven
Annäherungssensors abhängig, insbesondere von
den konstruktiven Gegebenheiten am Ort der Anordnung der Sensorelektrode,
von der gewünschten Empfindlichkeit und von den am Einsatzort
zu erwartenden Umgebungsbedingungen. Sofern ein derartiger Annäherungssensor
in einem sicherheitsrelevanten Bereich eingesetzt wird, bei dem
ein Ausfall oder ein Nicht-Funktionieren der Sensoranordnung zu
einer Gefahrensituation für den Bediener führen
kann, ist es erforderlich, die Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung
vor deren endgültigen Einsatz zu testen. Selbstverständlich
könnte die Funktionsfähigkeit eines Sensors dadurch
getestet werden, dass ein Objekt definierter Größe
(welches ein Körperteil eines Bedieners simuliert) in vorgegebener
Weise der installierten Sensoranordnung angenähert wird
und das Ansprechen des Sensors überwacht und mit einer
Sollfunktion verglichen wird. Eine solche Prüfanordnung
ist allerdings relativ aufwendig und würde insbesondere
beim Prüfen zahlreicher Sensoranordnungen in einer Großserienproduktion
zu erheblichen Kosten führen.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache Möglichkeit
zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit
der Annäherungssensoranordnung ohne aufwändige
Simulation der Annäherung eines Bedienerkörperteils
zu schaffen, insbesondere eine einfache Überprüfungsmöglichkeit
mit Hilfe einer programmgesteuerten Steuerelektronik zu schaffen,
so dass die Überprüfung des Annäherungssensors
in einen elektronisch gesteuerten Testablauf eingebunden werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine kapazitive
Annäherungssensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe bei einer kapazitiven
Annäherungssensoranordnung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass benachbart zu und beabstandet von der wenigstens
einen Sensorelektrode sowie beabstandet von der Schirmelektrode
eine Diagnoseelektrode angeordnet ist, und dass die Steuerschaltung
in einem Normalbetriebsmodus die Diagnoseelektrode mit der Sensorelektrode
verbindet oder auf einem schwebenden Potenzial belässt
und in einem Diagnosebetriebsmodus ein vorgegebenes Testpotenzial
an die Diagnoseelektrode anlegt und eine sich daraus ergebende Änderung
der gegenüber Masse gemessenen Kapazität der Sensorelektrode
erfasst.
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Ferner
wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Erfindungsgemäß ist
ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet,
dass benachbart zu und beabstandet von der wenigstens einen Sensorelektrode
sowie beabstandet von der Schirmelektrode eine Diagnoseelektrode
angeordnet wird, dass in einem Normalbetriebsmodus die Diagnoseelektrode
mit der Sensorelektrode verbunden oder auf einem schwebenden Potenzial
belassen wird und in einem ersten Diagnosebetriebsmodus ein vorgegebenes
Testpotenzial an die Diagnoseelektrode angelegt und eine sich daraus ergebende Änderung
der gegenüber Masse gemessenen Kapazität der Sensorelektrode
erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird.
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Durch
dieses erfindungsgemäße Beaufschlagen der Diagnoseelektrode
mit einem vorgegebenen Potenzial lässt sich auf einfache
Weise die ordnungsgemäße Funktion des kapazitiven
Annäherungssensors überprüfen. Die mit
dem vorgegebenen Potenzial beaufschlagte Diagnoseelektrode simuliert
dabei ein in den Erfassungsbereich des Annäherungssensors
eindringendes Objekt.
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Der
Abstand der Diagnoseelektrode von der Sensorelektrode einerseits
und der Schirmelektrode andererseits sowie die Ausbildung der Diagnoseelektrode
selbst können in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet
stark variieren. Vorzugsweise sind die Diagnoseelektroden wie auch
die Sensorelektroden als Platten oder Metallschichten ausgebildet,
wobei Sensorelektrode und Diagnoseelektrode beispielsweise in einer
Ebene angeordnet sind, welche in einem vorgegebenen Abstand vor
der Schirmelektrode, welche die Sensorelektrode und die Diagnoseelektrode
gegenüber Masse abschirmt, angeordnet sind. Bei anderen
Ausführungsformen kann die Diagnoseelektrode auch teilweise
oder vollständig überlappend über der
Sensorelektrode angeordnet sein, so dass sich die Reihenfolge Masseebene,
Schirmelektrode, Sensorelektrode und Diagnoseelektrode ergibt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
kapazitiven Annäherungssensoranordnung entspricht das Testpotenzial
Masse. Alternativ ist eine Ausführungsform denkbar, bei
der das Testpotenzial einem Spannungsversorgungspotenzial oder einem
konstanten, zwischen dem Spannungsversorgungspotenzial und Masse
liegenden Zwischenpotenzial entspricht.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensorelektrode
wenigstens einen langgestreckten Metallstreifen (der sich beispielsweise entlang
eines Türgriffs oder entlang einer Türöffnung erstreckt)
und umfasst die Diagnoseelektrode einen zu dem wenigstens einen
langgestreckten Metallstreifen parallelen Metallstreifen. Die beiden
nebeneinander angeordneten Metallstreifen der Sensorelektrode und
der Diagnoseelektrode können beispielsweise von gleicher
Länge sein. Beispielsweise ist der Abstand zwischen dem
Metallstreifen der Sensorelektrode und dem Metallstreifen der Diagnoseelektrode
geringer als deren Breite. Bei einer alternativen Ausführungsform
mit einer Sensorelektrode, die einen langgestreckten Metallstreifen
umfasst, könnte die Diagnoseelektrode auch lediglich benachbart
zu einem Endbereich des Metallstreifens der Sensorelektrode angeordnet
sein, wobei der andere Endbereich des Metallstreifens der Sensorelektrode
mit einer Anschlussleitung gekoppelt ist. Bei einer solchen Anordnung
könnte die Stärke des Ansprechens beim Anlegen
des vorgegebenen Potenzials an die Diagnoseelektrode einen Hinweis
darauf geben, ob die Sensorelektrode an irgendeiner Stelle zwischen
den beiden Endbereichen unterbrochen ist. Es ist auch denkbar, dass
mehrere Diagnoseelektroden benachbart zu einer Sensorelektrode oder
mehrere Sensorelektroden benachbart zu einer Diagnoseelektrode angeordnet
sind.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
kapazitiven Annäherungssensors ist dadurch gekennzeichnet,
dass Anschlussleitungen und Widerstandsbauelemente derart mit der
Sensorelektrode und der Diagnoseelektrode gekoppelt sind, dass eine
mit der Steuerschaltung verbundene, die Elektroden einschließende
Serienschaltung gebildet wird, deren Gesamtwiderstand von der Steuerschaltung
erfasst werden kann. Der Gesamtwiderstand der Serienschaltung aus
Anschlussleitungen, Sensorelektrode, Widerstandsbauelement und Diagnoseelektrode
gestattet eine Aussage über die bauliche Integrität
der Elektroden. Sofern eine der Elektroden unterbrochen oder eine
Anschlussleitung nicht richtig angekoppelt ist, kann dies sofort
durch den stark erhöhten Gesamtwiderstand erfasst werden.
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Bei
einer entsprechenden bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Sensorelektrode bzw. wenigstens eine der Sensorelektroden
an zwei beabstandeten Orten mit zwei mit der Steuerschaltung gekoppelten
Anschlüssen versehen und wird in einem zweiten Diagnosebetriebsmodus
der Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen überprüft.
Vorzugsweise wird hierbei auch die Diagnoseelektrode an zwei beabstandeten Orten
mit zwei Anschlüssen versehen und wird in dem zweiten Diagnosebetriebsmodus
auch der Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen der
Diagnoseelektrode überprüft.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der zuletzt genannten
Weiterbildung umfasst die Sensorelektrode einen langgestreckten
Metallstreifen und ist die Diagnoseelektrode ein dazu paralleler
Metallstreifen, wobei beide Metallstreifen in Längsrichtung in
die Serienschaltung eingebunden sind. Vorzugsweise sind der Metallstreifen
der Sensorelektrode und der parallele Metallstreifen der Diagnoseelektrode
an einem Ende über ein Widerstandsbauelement miteinander
verbunden und an dem jeweils anderen Ende mit den Anschlussleitungen
versehen. Das Widerstandsbauelement sollte einen Widerstand haben,
der hoch genug ist, um im Diagnosebetriebsmodus ein Ziehen der Sensorelektrode
auf das fixe Potenzial der Diagnoseelektrode zu vermeiden, der aber
nicht derart hoch ist, dass der von diesem Widerstandsbauelement
maßgeblich bestimmte Gesamtwiderstand der Serienschaltung
durch die Steuerschaltung nicht mehr vom Gesamtwiderstand der Serienschaltung
bei unterbrochener Diagnoseelektrode oder unterbrochener Sensorelektrode
bzw. nicht ordnungsgemäßem Anschluss unterscheidbar ist.
Eine entsprechende bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode
bzw. wenigstens eine der Sensorelektroden langgestreckt ausgebildet
und an ihren Enden mit je einem Anschluss versehen wird, dass die
Diagnoseelektrode ebenfalls langgestreckt und parallel zu der Sensorelektrode
ausgebildet und an ihren Enden mit je einem Anschluss versehen wird,
dass die an einem der benachbarten Enden angeordneten Anschlüssen über ein
Widerstandsbauelement miteinander verbunden und die anderen beiden
Anschlüsse mit der Steuerschaltung gekoppelt werden und
dass in dem zweiten Diagnosebetriebsmodus der Widerstand der Serienschaltung
der Sensorelektrode, des Widerstandsbauelements und der Diagnoseelektrode überprüft wird.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass eine langgestreckte
kapazitive Sensoranordnung nur an einem Ende mit Anschlussleitungen
zu versehen ist, was eine einfachere konstruktive Unterbringung gestattet.
Das an dem anderen Ende vorgesehen Widerstandsbauelement kann ein
diskretes Bauelement mit Anschlussleitungen oder auch ein Schichtwiderstandsbauelement
sein.
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Bei
einer alternativen Annäherungssensoranordnung umfasst die
Sensorelektrode zwei parallel nebeneinander angeordnete langgestreckte
Metallstreifen und ist die Diagnoseelektrode ein dazwischen angeordneter,
paralleler Metallstreifen, wobei wenigstens zwei der drei Metallstreifen
in Längsrichtung in die Serienschaltung eingebunden sind.
Beispielsweise sind einer der Metallstreifen der Sensorelektrode
und der Metallstreifen der Diagnoseelektrode in Serie geschaltet.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die beiden Metallstreifen der
Sensorelektrode in Serie geschaltet sind, wobei in diesem Fall die
Integrität der Diagnoseelektrode nicht mit überprüft
wird.
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Bei
dem zuletzt genannten Fall sind die beiden parallelen Metallstreifen
der Sensorelektrode an einem Ende über einen Widerstand
oder auch eine Kurzschlussleitung miteinander verbunden, wobei an dem
jeweils anderen Ende die Anschlussleitungen für die Steuerschaltung
angekoppelt sind.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der erste Diagnosebetriebsmodus (bei dem das Ansprechen
der Sensorelektrode mit Hilfe der Diagnoseelektrode getestet wird)
während einer Initialisierung aktiviert und wird ein Bezugswert
abgespeichert, der der beim Anliegen des vorgegebenen Testpotenzials
an der Diagnoseelektrode gegenüber Masse gemessenen Kapazität
der Sensorelektrode entspricht. Während des nachfolgenden
Betriebs wird der erste Diagnosebetriebsmodus wiederholt aktiviert,
wobei dann der während der Initialisierung abgespeicherte
Bezugswert mit einem Wert verglichen wird, der der beim Anliegen
des vorgegebenen Testpotenzials an der Diagnoseelektrode gemessenen
Kapazität der Sensorelektrode entspricht. Bei Überschreiten
einer vorgegebenen Abweichung wird dann ein ein Aufliegen eines Objekts
auf dem Annäherungssensor anzeigendes Signal erzeugt. Auf
diese Weise ist es möglich, dass während des ersten
Diagnosebetriebsmodus, der wiederholt in Intervallen während
des Betriebs aktiviert wird, das statische Aufliegen beispielsweise
einer Hand auf der Oberfläche des kapazitiven Annäherungssensors
erfasst werden kann, was bei bekannten Annäherungssensoranordnungen
durch eine ständig nachgeführte Kalibrierung (zum
Vermeiden eines Ansprechens des Sensors bei Umgebungsänderungen
langsamer Art) nicht ohne weiteres erfasst werden konnte.
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Vorteilhafte
und/oder bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivdarstellung der Anordnung verschiedener Elektroden
einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Annäherungssensoranordnung;
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2 eine
schematische Perspektivdarstellung der Elektrodenanordnung einer
zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Annäherungssensoranordnung;
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3A und 3B schematische
Darstellungen zweier Betriebszustände der erfindungsgemäßen
Annäherungssensoranordnung mit einer neben der Sensorelektrode
angeordneten Diagnoseelektrode; und
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4A und 4B zwei
Betriebszustände einer alternativen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Annäherungssensoranordnung
mit einer über der Sensorelektrode angeordneten Diagnoseelektrode.
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1 zeigte
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Annäherungssensoranordnung. Der kapazitive Annäherungssensor
umfasst wenigstens eine Sensorelektrode 1, die beabstandet
zu einer Massefläche 2 angeordnet ist. Die Sensorelektrode 1 und
die Massefläche 2 sind in der schematischen Darstellung
der 1 als rechteckige Platten dargestellt. In der
Praxis wird die Massefläche 2 von einer leitenden
Oberfläche beliebiger Gestaltung, beispielsweise von einem
Karosseriebauteil, oder auch von einer Metallisierungsebene einer Leiterplatte
gebildet. Die Sensorelektrode 1 kann ebenfalls nahezu beliebige
Formen annehmen. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Metallschicht,
beispielsweise einer Leiterplatte, oder um ein in vorgegebener Weise
geformtes Metallblech. Die Sensorelektrode 1 ist mit wenigstens
einer Anschlussleitung 3 verbunden, welche die Sensorelektrode 1 mit
einer Steuerschaltung 4 koppelt, wobei die Steuerschaltung 4,
welche auch als Ansteuerelektronik bezeichnet wird, in 1 als
Block dargestellt ist. Die Steuerschaltung 4 enthält
unter anderem eine Auswerteelektronik oder Messschaltung zum Bestimmen
der Kapazität der Sensorelektronik gegenüber einer
Masse. Die Steuerschaltung 4 ist bei der in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsform über eine weitere
Anschlussleitung 5 mit der Masse in Form der Massefläche 2 verbunden.
Zwischen der Sensorelektrode 1 und der Masse ist eine bestimmte Kapazität
messbar, die einerseits von Form und Anordnung der Sensorelektrode
gegenüber der Massefläche 2 und andererseits
sowohl von dem zwischen der Sensorelektrode 1 und der Massefläche 2 angeordneten
Medium als auch von den sich in der Umgebung der Sensorelektrode 1 aufhaltenden
Objekten abhängig ist. Wenn über die Anschlussleitungen 3 und 5 zwischen
der Sensorelektrode 1 und der Massefläche 2 eine
Spannung angelegt wird, so bildet sich zwischen der Sensorelektrode 1 und
der Masse eine elektrisches Feld aus, welches normalerweise dort,
wo die Sensorelektrode 1 den geringsten Abstand von der
Massefläche 2 hat, seine höchste Dichte
(höchste Feldstärke) annimmt. Das stärkste
elektrische Feld würde sich direkt in dem Spalt zwischen der
Sensorelektrode 1 und der Massefläche 2 ausbilden,
und nur ein geringer Teil des elektrischen Feldes würde
in den Umgebungsraum hineinreichen. Dieses wiederum würde
bedeuten, dass Änderungen der sich im Raum befindenden
Objekte einen relativ geringen Einfluss auf das elektrische Feld
und somit die zwischen Sensorelektrode 1 und Massefläche 2 gemessene
Kapazität haben würden. Um die Empfindlichkeit
des kapazitiven Sensors zu erhöhen, wurde vorgeschlagen,
zwischen der Sensorelektrode 1 und der Massefläche 2 eine
Schirmelektrode 6 anzuordnen. Die Schirmelektrode 6 ist über
eine Zuleitung 7 ebenfalls mit der Steuerschaltung 4 verbunden.
Die Steuerschaltung 4 sorgt dafür, dass das Potenzial
der Schirmelektrode 6 dem Potenzial der Sensorelektrode 1 nachgeführt
wird, wobei aber die Sensorelektrode 1 nicht direkt mit
der Schirmelektrode verbunden ist. Die Folge des Einsatzes einer
solchen Schirmelektrode 6 mit entsprechender Ansteuerung
ist dann, dass sich kein starkes elektrisches Feld mehr in dem Spalt
zwischen Sensorelektrode 1 und Massefläche 2 ausbildet,
sondern sich das Feld primär in den Raum oberhalb der Sensoranordnung
hinein ausbreitet. Dies wiederum führt zu einer stärkeren
Abhängigkeit der Feldstärke bzw. der Kapazität
der gesamten Anordnung von den sich in dem Raum befindenden Objekten,
das heißt zu einer höheren Empfindlichkeit des
kapazitiven Annäherungssensors.
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Die
Steuerschaltung
4 enthält eine Messschaltung zum
Messen der Kapazität der wenigstens einen Steuerelektrode
1 gegenüber
der Massefläche
2. Um diese Kapazität
zu messen, gibt es verschiedene Vorgehensweisen. Bei den meisten
Verfahren wird eine sich ändernde Spannung zwischen der Sensorelektrode
1 und
der Masse
2 angelegt, was wiederum bedeutet, dass das Potenzial
der Schirmelektrode
6 ständig dem Potenzial der
Sensorelektrode
1 nachgeführt werden muss. Die
Vorgehensweisen beim Messen der Kapazität und beim Nachführen
des Potenzials sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise
aus den Druckschriften
EP
1 164 240 A2 ,
EP
0 518 836 A1 ,
DE
196 81 725 D4 oder
DE 10 2006 044 778 A1 . Die Messprinzipien und
die Technik des Nachführens des Potenzials der Schirmelektrode
sollen hier deshalb nicht näher beschrieben werden.
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Ein
solcher kapazitiver Annäherungssensor mit Schirmelektrode
wird beispielsweise als Annäherungssensor zum Erfassen
der Annäherung der Hand eines Bedieners an einen Türgriff
oder bei Sensoren eingesetzt, welche erfassen, ob sich ein Objekt derart
in einer Türöffnung befindet, dass es beim Schließen
der Tür eingeklemmt werden kann. Insbesondere bei Systemen,
bei denen ein fehlerhaftes Nicht-Erfassen des Objekts zu Sicherheitsproblemen führen
kann, ist es erwünscht, die ordnungsgemäße Funktion
des Sensors regelmäßig zu testen. Dies ist beispielsweise
bei Schiebetüren, Heckklappen, Cabrioverdecken, Seitentüren,
Schiebedächern oder Fensterhebern der Fall. Hier benötigt
eine Steuerelektronik Aussagen darüber, ob der Sensor grundsätzlich
funktioniert oder nicht.
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Bei
dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
ist deshalb erfindungsgemäß parallel zu der Sensorelektrode 1 eine
Diagnoseelektrode 8 vorgesehen, die über eine
weitere Anschlussleitung 9 mit der Steuerschaltung 4 gekoppelt
ist. In einem normalen Betrieb ist die Diagnoseelektrode 8 inaktiv,
indem sie beispielsweise auf schwebendem Potenzial belassen wird
oder indem sie über die Steuerschaltung 4 mit
der Sensorelektrode 1 verbunden wird. Zumindest bei den
Ausführungsformen (wie in 1), bei
denen die Diagnoseelektrode 8 im normalen Betriebsmodus
mit der Sensorelektrode 1 verbunden wird, erstreckt sich
die Schirmelektrode 6 auch unter die Diagnoseelektrode 8.
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Soll
ein Funktionstest des kapazitiven Sensors mit der Steuerelektrode 1 ausgeführt
werden, so wird die Diagnoseelektrode 8 auf ein konstantes
Potenzial, beispielsweise auf Masse, gelegt. Dann verhält
sich die Diagnoseelektrode 8 wie ein in das Feld der Sensorelektrode 1 eindringendes,
mit Masse gekoppeltes Objekt. Bei ordnungsgemäßer
Funktion des kapazitiven Annäherungssensors muss dies zu einem
das Eindringen eines Objekts anzeigenden Ausgabesignal führen.
Wird ein solches Ausgabesignal erfasst, so kann von einer ordnungsgemäßen Funktion
der Sensoranordnung ausgegangen werden.
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Die
zu diesem Diagnosezweck kurzzeitig auf Masse gelegte Diagnoseelektrode 8 kann
sich bei einem Ausführungsbeispiel parallel zu einer streifenförmigen
Sensorelektrode 1 erstrecken. Bei anderen Ausführungsformen
kann sie an einer beliebigen Stelle benachbart zu der Sensorelektrode 1 angeordnet
sein.
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Bei
einer parallel zu einer streifenförmigen Sensorelektrode 1 angeordneten
Diagnoseelektrode 8 ist nicht feststellbar, ob die Sensorelektrode 1 quer zu
ihrer Längserstreckung unterbrochen ist (beispielsweise
durchgerissen), sofern noch eine ausreichende Kopplung zwischen
dem mit der Zuleitung 3 geschalteten Rest der Sensorelektrode 1 und
der Diagnoseelektrode 8 besteht. Deshalb ist bei dem in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die
Sensorelektrode 1 und die Diagnoseelektrode 8,
welche sich als parallele Streifen oberhalb der Schirmelektrode 6 erstrecken, an
einem Ende mit den Anschlussleitungen 3 bzw. 9 mit
der Steuerschaltung 4 und an dem entgegengesetzten Ende über
ein Widerstandsbauelement 10 miteinander gekoppelt sind.
Aus der Zuleitung 3, der Sensorelektrode 1, dem
Widerstandsbauelement 10, der Diagnoseelektrode 8 und
der Zuleitung 9 wird somit eine Schleife gebildet, deren
Gesamtwiderstand von der Steuerschaltung 4 gemessen werden
kann. Sofern der Widerstand in einem vorgegebenem Bereich liegt,
der näherungsweise dem Widerstandswert des Bauelements 10 entspricht,
kann sowohl von einer näherungsweise intakten Sensorelektrode 1 als
auch von einer intakten Diagnoseelektrode 8 ausgegangen
werden. Dieser Schleifenwiderstand wird wiederum in einem Diagnosebetriebsmodus
von der Steuerschaltung 4 gemessen und ausgewertet.
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In
regelmäßigen Abständen kann während des
Betriebs der Sensoranordnung einerseits das ordnungsgemäße
Funktionieren des kapazitiven Sensors durch ein Beschalten der Diagnoseelektrode 8 mit
Masse (Simulation des Eindringen eines Objekts) sowie andererseits
die Unversehrtheit der Elektroden durch Messen des Schleifenwiderstands zwischen
den Anschlussleitungen 3 und 9 überprüft werden.
Es ist klar, dass während dieser Funktionstests reale Objekte
außerhalb der Sensoranordnung nicht vom Sensor erfasst
werden können. Deshalb wird dieser Test immer nur kurzzeitig
in vorgegeben Abstände während des normalen Betriebs
vorgenommen, beispielsweise beim Einschalten der Steuerschaltung,
das heißt bei deren Initialisierung.
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Die
Dicken der in 1 schematisch dargestellten
Elektroden, die Abstände der Elektrodenflächen
voneinander sowie der Abstand zwischen der Diagnoseelektrode 8 und
der Sensorelektrode 1 hängen einerseits von der
Herstellungstechnologie anderseits vom gewünschten Einsatzgebiet
des Annäherungssensors ab. Beispielsweise ist der Abstand zwischen
der Sensorelektrode 1 und der Diagnoseelektrode 8 geringer
als deren Breite.
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Der
Widerstand des Widerstandsbauelements 10 muss relativ hoch
sein, damit bei dem Funktionstest des Ansprechens des kapazitiven
Sensors durch ein Auf-Masse-Legen der Diagnoseelektrode 8 keine
die Kapazitätsmessung wesentlich beeinflussenden Ströme
durch das Bauelement 10 fließen. Andererseits
darf der Widerstand des Bauelements 10 nicht so groß sein,
dass kein Schleifenwiderstand zwischen den Anschlüssen 3 und 9 mehr messbar
wäre.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform,
bei der eine Diagnoseelektrode 8 zwischen zwei parallel
verlaufenden Sensorelektroden 1A und 1B angeordnet
ist. Im normalen Betrieb wirken die beiden Sensorelektroden 1A und 1B zusammen,
das heißt, sie sind miteinander verbunden, und es wird
die Kapazität der miteinander verbunde nen Sensorelektroden 1A und 1B gegenüber
Masse 2 gemessen. Dabei liegt die Diagnoseelektrode 8 entweder
wiederum auf einem schwebendem Potenzial oder ist ebenfalls mit
den Sensorelektroden 1A und 1B verbunden. Auch
bei der Diagnose der kapazitiven Sensorfunktion, bei der in einem
ersten Diagnosebetriebsmodus die Diagnoseelektrode 8 von
der Steuerschaltung 4 auf Masse gelegt wird und die sich
daraus ergebende Änderung der Kapazität der Sensorelektroden 1A und 1B gegenüber
Masse erfasst wird, bleiben die beiden Sensorelektroden 1a und 1b miteinander
verbunden. Erst in einem weiteren, zweiten Diagnosebetriebmodus
wird der Widerstand einer Schleife gemessen, die sich aus der Zuleitung 3A,
der ersten Sensorelektrode 1A, dem Widerstandsbauelement 11,
der zweiten Sensorelektrode 1B und der zweiten Zuleitung 3b zusammensetzt.
Dabei sind die Anschlussleitungen 3A, 3B und 9 an
einem Ende der parallelen Streifenelektroden-Anordnung angekoppelt,
während die Sensorelektroden 1A und 1B am
entgegengesetzten Ende über das Widerstandsbauelement 11 miteinander
gekoppelt sind. Das Widerstandsbauelement 11 kann hierbei
einen sehr geringen Widerstand haben, so dass es als Kurzschluss
zwischen den Enden der Sensorelektroden 1A und 1B wirkt.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Annäherungssensoranordnung
befasst sich mit dem Problem, welches sich dann ergibt, wenn ein
mit Masse gekoppeltes Objekt, beispielsweise eine Hand des Bedieners,
dauerhaft (d. h. für einen längeren Zeitraum)
auf dem kapazitiven Sensor aufliegt. Dieses Problem tritt immer
dann auf, wenn der Sensor so ausgebildet ist, dass seine Empfindlichkeit sich ändernden
Umgebungsbedingungen nachgeregelt wird. Da der kapazitive Sensor
grundsätzlich immer dann ein Ausgangssignal auslöst,
wenn sich seine Kapazität ändert, und da eine
Kapazitätsänderung einerseits dann auftritt, wenn
sich ein zu erfassendes Objekt annähert, aber andererseits
auch dann auftritt, wenn sich die Umgebungsbedingungen langsam ändern
(beispielsweise eine höhere Feuchtigkeit der Umgebung auftritt),
was nicht zu einem Ansprechen des Sensors führen soll,
weisen derartige Sensoren üblicherweise eine Schaltung
auf, die langsame Änderungen oder lang anhaltende Änderungen
der Kapazität nicht erfassen, so dass der Sensor nur dann die
Annäherung eines Objekts erfasst, wenn sich relativ kurzfristig
die Kapazität um einen vorgegebenen Betrag ändert.
Wenn beispielsweise eine Hand auf einen solchen Sensor aufgelegt
wird, so wird zunächst die kurzzeitige Änderung
der Kapazität durch das Annähern der Hand erfasst.
Wenn dann aber die Hand auf den Sensor liegen bleibt und sich somit
keine weitere Kapazitätsänderung ergibt, so geht
die Auswerteschaltung nach einiger Zeit davon aus, dass kein Objekt
auf dem Annäherungssensor vorhanden ist. Beispielsweise
kann dies dazu führen, dass bei einem als Einklemmschutz
dienenden Sensor die dauerhaft (d. h. länger) aufliegende
Hand ignoriert wird, so dass ein anschließendes Schließen der überwachten Öffnung
zu einem Einklemmen der Hand führen könnte. Es
wäre also grundsätzlich wünschenswert,
nicht nur kurzzeitige Änderungen der Kapazität
in einem normalen Betrieb erfassen zu können, sondern darüber
hinaus auch bestimmte Änderungen der Grundkapazität
(absolute Änderungen). Dies wird erfindungsgemäß durch
folgende Vorgehensweise erreicht.
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Zunächst
wird bei einer Initialisierung die Diagnoseelektrode 8 (wie
auch beim Test der Sensoranordnung) auf Masse gelegt. Dann wird
die dabei sich ausbildende Kapazität der Sensorelektrode 1 gegenüber
Masse gemessen, die in diesem Fall im Wesentlichen von der Kapazität
zwischen der Sensorelektrode 1 und der benachbarten, auf
Masse liegenden Diagnoseelektrode 8 bestimmt wird. Ein
diesem Kapazitätswert entsprechender Bezugswert wird während
der Initialisierung für eine spätere Verwendung
gespeichert.
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Während
des Betriebs des kapazitiven Annäherungssensors wird dann
regelmäßig ein Diagnosemodus zum Erkennen eines
aufliegenden Objekts (einer aufliegenden Hand) in den normalen Betrieb periodisch
eingeschachtelt. Dabei wird die Diagnoseelektrode 8 wiederum
auf Masse gelegt und der dann sich bildende Kapazitätswert
zwischen der Sensorelektrode und Masse gemessen. Aufgrund des Umstands,
dass der dann gemessene Kapazitätswert im Wesentlichen
von der Kapazität zwischen Sensorelektrode 1 und
Diagnoseelektrode 8 abhängt und nur im gerin gen
Maße von dem sich nach außen ausbreitenden Streufeld,
ist der so geschaltete Sensor relativ unempfindlich gegen sich annähernde,
mit Masse gekoppelte Objekte. Wenn jedoch die Hand eines Bedieners
unmittelbar dicht auf dem Sensorbereich aufliegt, so führt
diese relativ starke Ankopplung einer weiteren Massefläche
dennoch zu einer messbaren Kapazitätsänderung.
Diese wird erfasst, indem der gemessene Kapazitätswert
mit dem Wert des bei der Initialisierung gespeicherten Bezugswerts
verglichen wird. Wenn die Differenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet,
so geht die Steuerelektronik davon aus, dass ein mit Masse gekoppeltes
Objekt, insbesondere ein Körperteil des Bedieners auf dem
Sensor aufliegt.
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3A und 3B zeigen
schematisch einen Querschnitt durch die Sensoranordnung während
des Diagnosemodus zum Erfassen des Aufliegens eines mit Masse gekoppelten
Objekts, wobei 3A die Anordnung ohne aufliegendes
Objekt und die 3B die Anordnung mit aufliegendem
Objekt (aufliegende Hand) zeigt. Mit den Pfeilen sind Feldlinien,
insbesondere zwischen der Sensorelektrode 1 und der Diagnoseelektrode 8 sowie
zwischen der Schirmelektrode 6 und der Massefläche 2,
angedeutet. Bei dem in den 3A und 3B dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Diagnoseelektrode 8 neben
der Sensorelektrode 1 angeordnet. 3A stellt
gleichzeitig schematisch diejenige Feldverteilung dar, die sich
während des Initialisierens ergibt.
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In
den 4A und 4B ist
schematisch eine andere Anordnung der Diagnoseelektrode 8 dargestellt.
Die Diagnoseelektrode 8 überdeckt hier die Sensorelektrode 1.
Im hier nicht dargestellten normalen Betriebsmodus kann die Diagnoseelektrode 8 unmittelbar
mit der Sensorelektrode 1 verbunden sein. Bei dem ersten
Diagnosebetriebsmodus, bei dem das Ansprechen des kapazitiven Sensors getestet
wird, wird die Diagnoseelektrode 8, wie bereits beschrieben,
kurzzeitig auf Masse gelegt, wobei die sich ergebende Kapazitätsänderung
der Sensorelektrode 1 gegenüber Masse gemessen
und ausgewertet wird.
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Anhand
der 4A und 4B soll
ein alternatives Verfahren zum Erfassen des Aufliegens eines Objekts,
insbesondere des Aufliegens einer Hand, auf dem Sensor beschrieben
werden. In einer in 4A dargestellten Initialisierungsphase
wird die Diagnoseelektrode 8 auf Masse gelegt. Dann wird
die Kapazität der Sensorelektrode 1 gegenüber
Masse gemessen, die wiederum im Wesentlichen von der Kapazität
zwischen der Sensorelektrode 1 und der Diagnoseelektrode 8 bestimmt
wird. Die gemessene Kapazität entspricht einer Kapazität
der Sensorelektrode 1 für den Fall, dass ein mit
Masse verbundenes Objekt ganzflächig auf der Sensorelektrode
in geringem Abstand aufliegt. Die gemessene Kapazität wird dann
als Bezugswert gespeichert. Im späteren Betrieb, bei dem,
wie es in 4B gezeigt ist, die Diagnoseelektrode 8 sich
auf einem schwebenden Potenzial befindet (sie kann auch mit der
Sensorelektrode 1 gekoppelt sein), wird nicht nur die Kapazitätsänderung
sondern auch die absolute Kapazität der Sensorelektrode 1 gegenüber
Masse 2 gemessen. Wenn dabei ein Kapazitätswert
festgestellt wird, der nur geringfügig unter dem gespeicherten
Bezugswert liegt, so kann die Ursache nur eine dicht auf der Oberfläche
der Sensorelektrode 1 aufliegende Massefläche sein.
Die Steuerschaltung kann dann vom Aufliegen eines mit Masse gekoppelten
Objekts, beispielsweise einer Hand, ausgehen.
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Beim
Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
werden der normale Betriebsmodus und die verschiedenen zuvor beschriebenen
Diagnosebetriebsmodi in Abhängigkeit von der Abarbeitung einer
Steuersoftware aktiviert und die Messungen ausgewertet. Auf diese
Weise können regelmäßig das ordnungsgemäße
Funktionieren des Sensors, die Unversehrtheit der Elektroden und/oder
das (längere) Aufliegen einer Hand festgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1164240
A2 [0002, 0025]
- - DE 102006044778 A1 [0002, 0025]
- - DE 19681725 B4 [0003]
- - EP 0518836 A1 [0025]
- - DE 19681725 D4 [0025]