DE102010002559A1

DE102010002559A1 - Kapazitive Sensoranordnung zur Schaltung einer Türöffnung an einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010002559A1
Application number: DE201010002559
Authority: DE
Inventors: Bernd Gerdes; Dennis Kortus; Michael Geber
Original assignee: Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Current assignee: Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Eine Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungsgesten an einem Kraftfahrzeug. Mit einer kapazitivien Sensoranordnung ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung gekoppelt, welche eine Änderung der Kapazität der Sensoranordnung gegenüber einem Referenzpotential erfasst. Dazu wird die Sensoranordnung mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch auf- und entladen, und wenigstens ein Parameter eines Strom- oder Spannungsverlaufs erfasst. Es wird wenigstens eine längliche, abschnittsweise segmentierte und kapazitiv erfassende erste Sensorelektrodenanordnung verwendet. Die Segmente sind in Längsrichtung angeordnet und ermöglichen eine abschnittsweise unterschiedliche kapazitive Detektion.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoranordnung mit einer Sensorelektrode, mit deren Hilfe das Eindringen eines Objekts in einen Raum vor der Sensorelektrode erfasst werden soll, einer mit der Sensorelektrode gekoppelten Steuer- und Auswerteschaltung, die eine Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber einem Referenzpotential erfasst, indem sie die Sensorelektrode mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch auf- und entlädt und wenigstens einen Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs zur Erfassung der Kapazitätsänderung auswertet.
Eine kapazitive Sensoranordnung mit einer Sensorelektrode, mit deren Hilfe die Annäherung eines Objekts erfasst werden soll, und mit einer mit der Sensorelektrode gekoppelten Steuer- und Auswerteschaltung, die eine Änderung der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber Masse erfasst, indem sie die Sensorelektrode mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch wiederholt mit einer Betriebsspannung koppelt und wenigstens einen Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs zur Erfassung der Kapazitätsänderung auswertet, ist beispielsweise aus dem US-Patent 5,730,165 bzw. der entsprechenden Patentschrift DE 196 81 725 B4 bekannt. Der Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs ist dabei eine über einem Kondensator messbare Spannung, die von der auf dem Kondensator angesammelten Ladung abhängt, wobei diese Ladung dadurch angesammelt wird, dass periodisch wiederholt die Sensorelektrode durch Koppeln mit der Betriebsspannung aufgeladen und anschließend durch Koppeln mit dem Kondensator über diesen entladen wird. Ein anderer derartiger kapazitiver Sensor ist aus der Patentschrift EP 1 339 025 B1 bekannt.
Eine kapazitive Sensoranordnung mit einer Sensorelektrode, mit einer beabstandet hinter der Sensorelektrode angeordneten Masse-Hintergrundelektrode und mit einer Schirmelektrode, die zwischen der Sensorelektrode und der Masse-Hintergrundelektrode angeordnet ist und die über eine Steuer- und Auswerteschaltung derart mit der Sensorelektrode gekoppelt ist, dass ihr Potential dem Potential der Sensorelektrode nachgeführt wird, ist beispielsweise aus den Veröffentlichungen EP 0 518 836 A1 , US 6,825,752 B2 , DE 101 31 243 C1 und DE 10 2006 044 778 A1 bekannt. Das aus diesen Druckschriften bekannte Vorsehen einer Schirmelektrode zwischen der Sensorelektrode und der auf Masse-Potential liegenden Hintergrundelektrode hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit des so gebildeten kapazitiven Sensors gegenüber Veränderungen im Raum vor der Sensorelektrode, beispielsweise durch Einbringen von Objekten, erhöht wird. Dies liegt vor allem daran, dass sich das von der Sensorelektrode ausbreitende Feld stärker in den Raum vor der Sensorelektrode (Detektionsbereich) erstreckt, weil nicht mehr – wie bei fehlender Schirmelektrode – ein großer Teil des Feldes zu der auf Masse-Potential liegenden Hintergrundelektrode kurzgeschlossen wird. Aufgrund des Umstands, dass die Schirmelektrode derart mit der Sensorelektrode gekoppelt ist, dass sie deren Potential nachgeführt wird, entsteht das starke elektrische Feld zwischen der Schirmelektrode und der Hintergrundelektrode; vor allem aber bildet sich praktisch kein Feld aus zwischen der Sensorelektrode und der potentialmäßig nachgeführten Schirmelektrode.
Die bekannte Anordnung von Sensorelektrode, Schirmelektrode und Hintergrundelektrode ist üblicherweise von einem elektrischen Isolator, beispielsweise einem Kunststoff, umhüllt, so dass sich eine Isolatorschicht, beispielsweise Kunststoffschicht, auf der Sensorelektrode und somit zwischen der Sensorelektrode und dem zu überwachenden Raum vor der Sensorelektrode, das heißt dem Detektionsbereich, befindet.
Derartige Sensorelektroden können verwendet werden, um eine Tür eines Kraftfahrzeugs, z. B. die Heckklappe zu betätigen. Dazu können Sensorelektroden verwendet werden, welche die Annäherung eines Körperteils, z. B. eine Schwenkbewegung eines Beines unter den Stoßfänger, detektieren und in ein Kommando zum Öffnen oder Schließen der Heckklappe an eine Steuereinrichtung im Kraftfahrzeug weiterleiten.
Ein Problem mit den bekannten Einrichtungen besteht darin, dass es zu Fehlerkennungen kommen kann, welche unerwünschte Schalt- bzw. Betätigungsvorgänge auslösen, wenn Bewegungen von Gegenständen durch die Sensorik fehlinterpretiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verlässliche Sensorik bereitzustellen, welche die Fehlerfassungen von Betätigungsanforderungen reduziert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine kapazitive Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße kapazitive Sensoranordnung umfasst eine sich entlang einer ersten Koordinatenlinie erstreckende erste Sensorelektrode, mit deren Hilfe das Eindringen eines Objekts in einen Raum vor der ersten Sensorelektrode erfasst werden soll. Die Koordinatenlinie ist beispielsweise eine gerade Koordinatenlinie eines kartesischen Koordinatensystems; sie kann aber auch im Raum gekrümmt sein.
Die kapazitive Sensoranordnung weist ferner eine mit der ersten Sensorelektrode gekoppelten Steuer- und Auswerteschaltung auf, die eine Änderung der Kapazität der ersten Sensorelektrode gegenüber einem Referenzpotential erfasst, indem sie die erste Sensorelektrode mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch auf- und entlädt und wenigstens einen Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der ersten Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs zur Erfassung der Kapazitätsänderung auswertet. Das periodische Auf- und Entladen führt sie beispielsweise aus, indem sie die Sensorelektrode mit der vorgegebenen Frequenz periodisch wiederholt mit einem vorgegebenen Potential, beispielsweise dem Betriebsspannungspotential, koppelt. Der Spannungsverlauf kann beispielsweise der Spannungsverlauf am Anschluss der ersten Sensorelektrode sein. Der Parameter kann beispielsweise eine Spannung, die über einem Ladung ansammelnden Kondensator gemessen wird, oder eine bestimmte Anzahl von Perioden des Ladens und Entladens bis zum Überschreiten einer Schaltschwelle durch eine an der ersten Sensorelektrode gemessene Spannung sein.
Die kapazitive Sensoranordnung weist weiterhin mindestens eine weitere, sich parallel oder im spitzen Winkel zu der ersten Koordinatenlinie erstreckende segmentierte Sensorelektrodenanordnung auf. Diese Sensorelektrodenanordnung ist mit derselben oder einer entsprechenden separaten Steuer- und Auswerteschaltung zur Aufladung und Detektion verbunden. Die segmentierte Sensorelektrodenanordnung weist entlang ihrer Erstreckung Bereiche mit unterschiedlicher kapazitiver Sensitivität auf oder ist aus alternierenden Abschnitten mehrerer Elektroden gebildet. Dies bedeutet, dass die segmentierte Sensorelektrodenanordnung in Richtung der Erstreckung der ersten Sensorelektrode eine je nach Lage entlang der ersten Sensorelektrode verschiedene Detektion erlaubt. Ein Körperteil, welches entlang der ersten Sensorelektrode bewegt wird, erzeugt je nach Position entsprechend unterschiedlich detektierbare Signale an der zweiten Sensorelektrodenanordnung während die Signale in der ersten Sensorelektrode gleich bleiben, sofern sich der Abstand des Körperteils gegenüber der Elektrode nicht ändert. Diese Einrichtung erlaubt daher die Detektion einer Annäherung über die erste Sensorelektrode und die weitere Sensorelektrodenanordnung und außerdem eine Detektion einer Bewegung entlang der segmentierten Elektrodenanordnung durch wiederholtes Abfragen dieser segmentierten Elektrodenanordnung. Treten bei wiederholten Abfragen veränderte Signalwerte an der segmentierten Sensorelektrode auf, weist dies auf eine Bewegung entlang der Elektrodenanordnung hin. Dadurch können Bewegungen, welche eine Bedienungsgeste darstellen von anderen Bewegungen sicherer unterschieden werden.
Die segmentierte Elektrodenanordnung kann als durchgehende Elektrode mit segmentierten Isolierungen oder Abschirmungen gebildet sein (z. B. Koax-Kabel mit segmentiert entfernter Schirmung). Alternativ können mehrere Segmente von separat gesteuerten und abgefragten Elektrodenabschnitten in einer Linie oder segmentweise versetzt angeordnet sein. Die Anzahl der Segmente beträgt wenigstens zwei, ist nach oben jedoch unbegrenzt.
Die erste Sensorelektrode und die weitere Sensorelektrodenanordnung werden z. B. in einem Heckstoßfänger angeordnet, um den Bereich hinter dem Stoßfänger und unter dem Stoßfänger zu überwachen. Die Umgebung der Mittel beschreibt die Einbauumgebung der Mittel in das Fahrzeug. Damit ist sowohl die Umgebung im rückseitigen Bereich als auch die Umgebung unterhalb des Rückbereiches des Fahrzeuges erfasst. Die Signalmuster der ersten Sensorelektrode und der weiteren Sensoranordnung werden wiederholt abgefragt (z. B. in Reaktion auf die Detektion eines ID-Gebers von einem Keyless-Entry-System).
Eine vorgegebene Geste eines Benutzers, z. B. ein angetäuschter Kick unter den Stossfänger, soll zu einem Öffnungs- oder Schließvorgang führen. Dazu wird die erste Sensorelektrode abgefragt, ob das zeitliche Signalmuster charakteristisch für eines solche Bewegung ist, im genannten Beispiel also eine Annäherung des Unterschenkels eines Benutzers detektiert und zu ansteigenden Signalwerten führt. Zeitgleich wird die weitere Sensoranordnung abgefragt, welche aufgrund ihrer Segmentierten Ausbildung neben einer Annäherung auch eine Bewegung entlang der Längsachse der Anordnung erfasst. Handelt es sich beispielsweise um Elektrodensegmente mit einigen cm Länge, so deutet ein rascher Wechsel der Signalstärken (entweder aufgrund segmentierten Schirmung oder aufgrund Abfrage segmentierter Elektrodenabschnitte) auf eine Bewegung entlang der Längsachse hin. Dadurch kann eine Geste ausgefiltert werden, welche z. B. durch ein spielendes Kind bei Tritt gegen einen Ball hinter dem Fahrzeug ausgeführt wird oder durch ein Tier hervorgerufen würde.
Wesentlich ist, dass die segmentierte Elektrodenanordnung erlaubt, durch wiederholte Signalabfrage eine Lageveränderung des detektierten Körpers entlang der Erstreckung der Anordnung zu erkennen. Ist die segmentierte Elektrodenanordnung aus drei verschiedenen Elektroden mit alternierenden Segmenten (im Schema -1-2-3-1-2-3- etc.) gebildet, ist sogar eine Richtungserkennung der Bewegung möglich.
Sie weitere Sensoranordnung ist zu der ersten Sensorelektrode versetzt angeordnet, z. B. in einem tiefer gelegenen oder höher gelegenen Bereich des Stossfängers. Es ist außerdem möglich, mehrere segmentierte Sensoranordnungen vorzusehen oder die erste Sensorelektrode zusätzlich ebenfalls als segmentiere Sensoranordnung auszubilden.
In einer bevorzugten Gestaltung besteht die weitere Sensoranordnung aus einem länglichen durchgehenden Leiter, der abschnittsweise wechselnde Bereiche mit unterschiedlicher Abschirmung aufweist.
Derartige Sensorelektroden sind besonders einfach herzustellen, da von handelsüblichen Kabeln lediglich abschnittsweise die Isolation oder Abschirmung (z. B. Geflecht bei Koaxialkabeln) zu entfernen ist. Außerdem kann auch ein Draht verwendet werden, der in eine Halterung mit wechselnder Abschirmung in Richtung der Längserstreckung versehen ist. Der Draht erhält dann seine segmentierte Eigenschaft als Sensoranordnung durch Einbringung in die Halterung mit segmentweise unterschiedlicher Schirmwirkung.
In einer weiteren Gestaltung besteht die weitere Sensoranordnung aus zwei Sensorelektroden, welche segmentweise in unterschiedlichem Abstand vom Detektionsbereich verlaufen oder mit gegensätzlicher Abschirmung versehen sind. So eine Anordnung kann bspw. durch phasenversetztes umwickeln eines Stabes durch zwei separate Sensorelektroden realisiert werden. Die Elektroden verlaufen wechselnd in unterschiedlichem Abstand und mit unterschiedlicher Schirmung (wechseln vor dem Stab liegend und hinter dem Stab liegend) in Längsrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die segmentierte Sensoranordnung aus drei getrennt abgefragten Sensorelektroden mit alternierenden Abschnitten gebildet.
Eine solche Anordnung erlaubt neben der Erfassung einer Annäherung außerdem die Erfassung der Bewegungsrichtung vor der Sensorelektrodenanordnung. Dazu wird die Abfolge der Sensorsignale erfasst und die Laufrichtung eines Signalmaximums ermittelt.
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt die Anordnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug;
2 zeigt die Anordnung aus 1 in einer schematischen Aufsicht;
3a zeigt eine erste segmentierte Sensoranordnung zum Einsatz in einer Einrichtung gemäß der Erfindung;
3b zeigt einen schematischen Signalverlauf bei Detektion einer Längsbewegung mit einer Sensoranordnung aus 3a;
4a zeigt eine zweite segmentierte Sensoranordnung zum Einsatz in einer Einrichtung gemäß der Erfindung;
4b zeigt einen schematischen Signalverlauf bei Detektion einer Längsbewegung mit einer Sensoranordnung aus 4a;
In 1 ist das Heck eines Fahrzeugs 1 gezeigt. Bereich des Heckstossfängers ist eine segmentierte Sensorelektrodenanordnung 2 angebracht. Unterhalb der Sensorelektrodenanordnung 2 ist eine weitere Sensorelektrode 3 angeordnet. Die Sensorelektroden 2 und 3 sind jeweils mit Steuer- und Auswerteeinrichtungen verbunden, die sich in einer Fahrzeugsteuereinheit 4 befinden (siehe 2). Die Elektroden werden über diese Einrichtung aufgeladen und deren Kapazitätsänderung bei Annäherung eines Körpers, z. B. eines Bedienerkörperteils kann durch Ladungsauswertung erfasst werden. Dieses Prinzip eines kapazitiven Sensors ist im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt.
Die Sensorelektrodenanordnung 3 verläuft im wesentlichen parallel zu der Elektrode 2. Die Anordnung 2 ist jedoch segmentiert ausgebildet. Die segmentierte Ausbildung ist derart, dass die Anordnung 2 in Richtung der Erstreckung des Stoßfängers Bereiche mit wechselnder Erfassungssensitivität aufweist. Diese Elektrodenanordnung 2 kann also sowohl eine Annäherung erfassen (durch absolute Veränderung des erfassten Signals) als auch eine Bewegung eines Körpers entlang der Segmente. Liegt nämlich der Körper derart vor der Sensorelektrode, dass mehr Segmente bzw. größere Abschnitte mit höherer Erfassungssensitivität hinter Körper liegen als Segmente mit niedrigerer Erfassungssensitivität ist das ermittelte Signal höher als in dem Fall, dass der Körper derart vor der Sensorelektrode angeordnet ist, dass mehr Segmente bzw. größere Abschnitte mit geringerer Erfassungssensitivität hinter Körper liegen als Segmente mit höherer Erfassungssensitivität. Bewegt sich der Körper entlang der Anordnung, ist dies durch eine Signalfluktuation erkennbar, die mit der Auswerteeinrichtung messbar ist. Die Segmente sollten in ihrer Längsabmessung auf die gewünschte Erfassungsgenauigkeit abgestimmt sein, sie können z. B. jeweils eine Länge von 5 cm bis 30 cm aufweisen.
Bei einem Bedienerwunsch kann ein Beniener bspw. seinen Unterschenkel in einer Schwenkbewegung unter den Stossfänger bewegen. Diese Bewegung und Annäherung wird sowohl durch die segmentierte Elektrodenanordnung 2 erfasst, als auch durch die Sensorelektrode 3, da die Kapazitätsänderung zeitlich wiederholt abgefragt und die Veränderung ausgewertet wird.
Ein Öffnungskommando wird jedoch nur von der zentralen Steuereinrichtung 4 generiert, wenn die Anordnung 2 bei zeitlicher Abfrage nicht eine Querbewegung registriert, die oberhalb einer zulässigen Schwelle liegt. Es soll nämlich nur eine gerade, auf das Fahrzeug gerichtete Geste als Öffnungskommando interpretiert werden. Demnach wird die Gesamtheit der erfassten Signale ausgewertet, um eine sichere Interpretation einer Öffnungsgeste zu ermöglichen.
Die Anordnung kann noch um weitere segmentierte Sensorelektrodenanordnungen ergänzt werden.
3a zeigt in schematischer Weise eine mögliche Gestaltung einer segmentierten Sensoranordnung. Eine Sensorelektrode 10 ist in einer Halterung 11 geführt. Die Halterung 11 umgreift abschnittsweise die Elektrode 10 und bildet so Segmente mit größerer und geringerer Abscirmung.
Ein Objekt 15 kann sich vor der segmentierten Sensoranordnung in Querrichtung bewegen. Dabei befindet es sich je nach Lage vornehmlich vor stärker order schwächer abgeschirmten Bereichen.
3b zeigt einen Idealisierten zeitlichen Signalverlauf für eine Auswertung des Signals bei einer gleichförmigen Bewegung des Objekts vor der Anordnung. Die mittlere Signalstärke (oder auch Offset) wird durch die Nähe des Objekts zur Sensoranordnung bestimmt. Die Schwankung wird jedoch durch die Bewegung des Objekts in Längsrichtung der Anordnung hervorgerufen. Durch geeignete empirische Auswertung und Feststellung von charakteristischen Werten kann ein Signalverlauf 20, welcher durch ein bewegtes Objet hervorgerufen wird, von einem Verlauf 21, welcher durch eine gezielte Bewegung hervorgerufen wird (Schwenken des Beines auf die Sensoranordnung zu), unterschieden werden.
4a zeigt eine alternative Gestaltung einer segmentierten Sensoranordnung mit zwei separaten kapazitiv abgefragten Elektroden 30, 31. Diese befinden sich abschnittweise in wechselnden Abständen zu dem zu detektierenden Objekt 15.
4b zeigt wiederum einen Signalverlauf, der hier die zeitlichen Signal beider Elektroden bei einer Querbewegung (durchgezogene Linien) und einer gerichteten Bedienungsgeste (gestrichelt) wiedergibt. Auch hier sind die verschiedenen Signalverläufe klar unterscheidbar und erhöhen die Sicherheit bei der Interpretation der Sensorsignale.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5730165 [0002]
DE 19681725 B4 [0002]
EP 1339025 B1 [0002]
EP 0518836 A1 [0003]
US 6825752 B2 [0003]
DE 10131243 C1 [0003]
DE 102006044778 A1 [0003]

Claims

Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungsgesten an einem Kraftfahrzeug, mit einer kapazitiven Sensoranordnung und wenigstens einer mit der Sensoranordnung gekoppelten Steuer- und Auswerteeinrichtung, die eine Änderung der Kapazität der Sensoranordnung gegenüber einem Referenzpotential erfasst, indem sie die Sensoranordnung mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch auf- und entlädt und wenigstens einen Parameter eines vom periodischen Laden und Entladen der Sensorelektrode abhängigen Strom- oder Spannungsverlaufs zur Erfassung der Kapazitätsänderung auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine längliche abschnittsweise segmentierte kapazitiv erfassende erste Sensorelektrodenanordnung vorhanden ist, wobei die Segmente in Längsrichtung angeordnet sind und eine abschnittsweise unterschiedliche kapazitive Detektion ermöglichen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die segmentierte erste Sensorelektrodenanordnung durch eine in Längsrichtung abschnittsweise unterschiedliche Abschirmung einer Sensorelektrode gebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die segmentierte erste Sensorelektrodenanordnung durch alternierende Längsanordnung von wenigstens zwei separat ansteuerbaren Sensorelektroden gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung neben der segmentierten Sensorelektrodenanordnung eine zweite Sensorelektrodenenanordnung aufweist, welche räumlich versetzt zu der ersten Sensorelektrodenanordnung angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sensorelektrodenanordnung von der Auswerteeinrichtung abfragbar ist, um einen zeitlichen Signalverlauf zu erfassen.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sensorelektrodenanordnung aus einer homogenen Sensorelektrode gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine dritte Sensorelektrodenanordnung aus einer homogenen Sensorelektrode gebildet ist und versetzt zu den ersten beiden Sensorelektrodenanordnungen angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sensorelektrodenanordnung ebenfalls eine segmentierte Sensorelektrodenanordnung ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die segmentierte erste Sensorelektrodenanordnung in einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist.