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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor zur Detektion eines Objekts, insbesondere eines Körperteils einer Person oder eines Gegenstandes sowie auf eine Kollisionsschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor.
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Kapazitive Sensoren werden in der Fahrzeugtechnik insbesondere im Rahmen einer Kollisionsschutzvorrichtung eingesetzt. Eine solche Kollisionsschutzvorrichtung dient allgemein zur Detektion eines Hindernisses in einem Öffnungsbereich eines Fahrzeugteils, das gegenüber einem festen Rahmen zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beweglich ist. Bei dem – nachfolgend auch als „Verstellelement” bezeichneten – Fahrzeugteil handelt es sich insbesondere um eine Heckklappe. Ferner kann das zu überwachende Fahrzeugteil bzw. Verstellelement auch eine Seitentür, eine Kofferraum- oder Motorraumklappe, ein Schiebedach oder ein Klappverdeck sein. Kollisionsschutzvorrichtungen werden dabei insbesondere dann eingesetzt, wenn das jeweils zugeordnete Kraftfahrzeugteil motorisch bewegt ist.
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Als Öffnungsbereich wird der Raum bezeichnet, den das Verstellelement während einer Verstellbewegung durchstreift. Zu dem Öffnungsbereich des Verstellelements gehört insbesondere der Raumbereich, der zwischen einer Schließkante des Verstellelements und einer in der Schließstellung des Verstellelements an dieser anliegenden korrespondierenden Kante des Rahmens angeordnet ist.
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Beim Schließen von Verstellelementen eines Fahrzeugs, insbesondere einer Heckklappe, besteht generell die Gefahr, dass Körperteile oder sonstige Gegenstände des Verstellelements zwischen der Schließkante des Verstellelementes und der Karosserie eingeklemmt werden. Die in diesem Anwendungsfall auch als Einklemmschutzvorrichtung bezeichnete Kollisionsschutzvorrichtung dient zur Vermeidung eines solchen Einklemmfalls und der daraus resultierenden Gefahr eines Personen- und/oder Sachschadens, indem die Kollisionsschutzvorrichtung Hindernisse im Öffnungsbereich erkennt und in diesem Fall die Schließbewegung stoppt oder reversiert.
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Eine solche Kollisionsschutzvorrichtung kann des Weiteren auch eingesetzt werden, um Hindernisse zu erkennen, die der Öffnung des Verstellelements im Wege stehen. Auch in diesem Anwendungsfall stoppt oder reversiert die Kollisionsschutzvorrichtung die Bewegung des Verstellelements, wenn sie ein solches Hindernis erkennt, um einen Sachschaden infolge einer Kollision des Verstellelements mit dem Hindernis zu vermeiden.
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Es wird hierbei zwischen indirekten und direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterschieden. Eine indirekte Kollisionsschutzvorrichtung erkennt den Einklemm- oder Kollisionsfall anhand einer Überwachung einer Betriebsgröße des das Verstellelement antreibenden Stellmotors, insbesondere an einem abnormalen Anstieg des Motorstroms oder einer abnormalen Abnahme der Motordrehzahl. Eine direkte Kollisionsschutzvorrichtung umfasst üblicherweise einen oder mehrere Sensoren, die eine für die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Hindernisses im Öffnungsbereich charakteristische Messgröße erfassen, sowie eine Auswerteeinheit, die anhand dieser Messgröße entscheidet, ob ein Hindernis im Öffnungsbereich vorliegt und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen auslöst. Unter den direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterscheidet man wiederum Systeme mit so genannten Berührungssensoren, die die Anwesenheit eines Hindernisses erst anzeigen, wenn das Hindernis den Sensor bereits berührt, und Systeme mit berührungslosen Sensoren, die ein Hindernis bereits in einem gewissen Abstand zu dem Sensor detektieren. Zu den berührungslosen Sensoren gehören insbesondere so genannte kapazitive Sensoren.
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Ein kapazitiver Sensor umfasst eine Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Elektroden, über die ein elektrisches Feld im Öffnungsbereich des Verstellelements aufgebaut wird. Ein Hindernis im Öffnungsbereich wird durch Überwachung der Kapazität der Elektrodenanordnung erkannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Hindernis, insbesondere ein menschliches Körperteil das von dem Sensor erzeugte elektrische Feld, und somit die Kapazität der Elektrodenanordnung beeinflusst.
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In einer üblichen Bauform eines solchen kapazitiven Sensors umfasst die Elektrodenanordnung dieses Sensors mindestens eine Sendeelektrode, die mit einem Signalerzeugungsschaltkreis verschaltet ist, sowie eine Empfangselektrode, die mit einem Empfangsschaltkreis verbunden ist. Ein solcher Sensor misst die zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildete differentielle Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße.
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Eine zur Überwachung des Öffnungsbereichs einer Heckklappe vorgesehene Kollisionsschutzvorrichtung bzw. Einklemmschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor ist aus
DE 20 2007 008 440 U1 bekannt.
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Als Sendesignal wird hierbei meist ein elektrisches Wechselsignal herangezogen, das mit einer vorgegebenen Sendefrequenz oszilliert. Als Signalerzeugungsschaltkreis wird in diesem Fall in der Regel ein elektronischer Schwingkreis eingesetzt.
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Bei einem kapazitiven Sensor liegt in der Regel lediglich ein äußerst geringer Signalhub vor. Mit anderen Worten ist die Signaländerung, die ein im Erfassungsbereich des Sensors befindliches Objekts verursacht, regelmäßig nur sehr gering gegenüber dem Absolutwert des Signals. Das Messsignal des Sensors wird vielmehr aufgrund parasitärer Effekte zum großen Teil durch einen konstanten Offset verursacht, was die Auflösung, und somit die Detektionsgenauigkeit des Sensors schmälert.
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Bei einem kapazitiven Sensor einer Kollisionsschutzvorrichtung können signifikante Signaländerungen des Weiteren durch die Bewegung des überwachten Verstellelements hervorgerufen werden. Um zu verhindern, dass durch solche Effekte fehlerhaft als Einklemm- oder Kollisionsfall erkannt werden, wird von dem Sensorsignal im Rahmen einer Kollisionsschutzvorrichtung häufig ein Offset abgezogen, dessen Wert von der Stellung des Verstellelements abhängt. Bei einem Seitenfenster wird beispielweise der Offset erhöht, wenn das Seitenfenster in die Nähe der Fensterdichtung und somit in die Nähe des hier üblicherweise angeordneten Sensors gelangt. Hierdurch wird ein entsprechender Anstieg des Sensorsignals kompensiert, der durch das Fenster verursacht wird.
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Eine solche Offset-Korrektur der Kapazitätsmessgrößen wird häufig mittels eines Mikrocontrollers durchgeführt. Das resultierende und nach Offset-Korrektur gegebenenfalls verstärkte Differenzsignal weist aber nachteiligerweise oft ein erhebliches Quantisierungsrauschen auf, was wiederum die Detektionsgenauigkeit einer den Sensor umfassenden Kollisionsschutzvorrichtung beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach realisierbaren, gleichzeitig aber präzisen kapazitiven Sensor zur Detektion eines Objekts sowie eine zugehörige Kollisionsschutzvorrichtung, insbesondere zur Detektion und Vermeidung eines Einklemmfalls oder einer sonstigen Kollision eines beweglichen Fahrzeugteils mit einem Objekt anzugeben.
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Bezüglich des kapazitiven Sensors wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Kollisionsschutzvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Der erfindungsgemäße Sensor umfasst danach eine Elektrodenanordnung, die mindestens eine Sendeelektrode und mindestens eine Empfangselektrode umfasst. Der Sensor umfasst des Weiteren einen Signalerzeugungsschaltkreis, der der mindestens einen Sendeelektrode vorgeschaltet ist und zur Erzeugung eines Sendesignals einer vorgegebenen Sendefrequenz dient, sowie ein Kapazitätsmessglied, das der mindestens einen Empfangselektrode unmittelbar oder mittelbar nachgeschaltet ist und zur Ermittlung einer Kapazitätsmessgröße dient. Das Kapazitätsmessglied ermittelt die Kapazitätsmessgröße hierbei aus einem Empfangssignal, das in der mindestens einen Empfangselektrode unter Wirkung des von der mindestens einen Sendeelektrode emittieren elektrischen Feldes erzeugt wird. Das Kapazitätsmessglied ist dabei dazu eingerichtet, die Kapazitätsmessgröße als Analogsignal auszugeben. Erfindungsgemäß ist dem Kapazitätsmessglied eine Analogstufe unmittelbar oder mittelbar nachgeschaltet, die dazu dient, von der Kapazitätsmessgröße einen Offset-Wert zu substrahieren.
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Vorzugsweise ist der Analogstufe unmittelbar oder mittelbar ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet, der die um den Offset-Wert reduzierte Messgröße (d. h. das aus der Messgröße und dem Offset-Wert gebildete Differenzsignal) digitalisiert. Durch die Analogstufe wird die Offset-Korrektur der Kapazitätsmessgröße somit insbesondere vor der Digitalisierung vorgenommen, wodurch der im Zuge der Digitalisierung durch Quantisierungsrauschen verursachte Präzisionsverlust erheblich reduziert wird. Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäß an dem Analogsignal der Kapazitätsmessgröße vorgenommene Offset-Korrektur ein – im Vergleich zu einer digitalen Offset-Korrektur – wesentlich verbessertes Signal-Rauch-Verhältnis erzielt.
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Die absolute, d. h. unkorrigierte Kapazitätsmessgröße kann im Rahmen der Erfindung zusätzlich zu dem Offset-korrigierten Differenzsignal für die Detektion eines Einklemm- oder Kollisionsfalls herangezogen werden.
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In bevorzugter Ausführung dient die Analogstufe nicht lediglich zur Offset-Korrektur, sondern zugleich auch zur Verstärkung der Kapazitätsmessgröße. Die Analogstufe ist hierbei insbesondere durch einen Differenzverstärker gebildet.
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Die Kollisionsschutzvorrichtung umfasst erfindungsgemäß einen kapazitiven Sensor der vorstehend beschriebenen Art.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung das Heck eines Kraftfahrzeugs mit einer sich in einer Schließstellung befindenden Heckklappe,
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2 in Darstellung gemäß 1 das Fahrzeugheck, wobei die Heckklappe in unterschiedlichen Öffnungsstellungen dargestellt ist,
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3 in einem schematischen Blockschaltbild eine Stellvorrichtung zur motorischen Verstellung der Heckklappe mit einer zugeordneten Kollisionsschutzvorrichtung (hier in der Anwendung als Einklemmschutzvorrichtung), die einen kapazitiven Sensor umfasst, und
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4 in einem schematischen Blockschaltbild den Aufbau des Sensors gemäß 3.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung das Heck eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer schwenkbaren Heckklappe 2.
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Die Heckklappe 2 ist im Bereich einer Oberkante 3 an einer Karosserie 4 des Kraftfahrzeugs 1 angelenkt. Die Oberkante 3 definiert hierbei eine Schwenkachse A, um welche die Heckklappe 2 aus einer in 1 dargestellten Schließstellung 5 reversibel in eine in 2 gestrichelt angedeutete Öffnungsstellung 6 schwenkbar ist. 2 zeigt weiterhin eine Zwischenstellung 7, in welcher die Heckklappe 2 teilweise geöffnet ist.
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Entlang des Schwenkweges zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 durchstreift die Heckklappe 2 hierbei ein als Öffnungsbereich 8 bezeichnetes Raumvolumen, das in der Projektion gemäß 2 etwa die Fläche eines (gestrichelt angedeuteten) Viertelkreises einnimmt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heckklappe 2 durch eine in 3 schematisch skizzierte Stellvorrichtung 10 motorisch zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 verstellbar.
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Die in 3 nur grob skizzierte Stellvorrichtung 10 umfasst einen elektrischen Antrieb 11, der über eine Stellmechanik 12 mit der Heckklappe 2 gekoppelt ist. Teil der Stellmechanik 12 ist hierbei ein teleskopierbarer Hebelarm 13, der exzentrisch bezüglich der Schwenkachse A an der Karosserie 4 und der Heckklappe 2 derart angelenkt ist, dass durch Verlängerung bzw. Verkürzung des Hebelarms 13 die Heckklappe 2 zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 geschwenkt wird.
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Der Hebelarm 13 umfasst ein Zylinderrohr 14, in dem eine Spindel 15 unter Wirkung des Antriebs 11 verschiebbar geführt ist.
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Beim Verstellen, insbesondere beim Schließen der Heckklappe 2 besteht ein gewisses Risiko, dass ein sich im Öffnungsbereich 8 befindendes Hindernis, insbesondere ein Körperteil eines Fahrzeugbenutzers, wie zum Beispiel eine Hand oder ein Finger, eingeklemmt wird. Ein diesbezüglich relevanter Gefährdungsbereich ist vorrangig zwischen einer Schließkante 16 der Heckklappe 2 und einer gegenüberliegenden Kante 17 der Karosserie 4 aufgespannt.
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Zur rechtzeitigen Erkennung und Vermeidung eines Einklemmfalls ist der Stellvorrichtung 10 daher eine Kollisionsschutzvorrichtung 20 beigeordnet, die ebenfalls grob schematisch in 3 skizziert ist. Die Kollisionsschutzvorrichtung 20 umfasst einen Sensor 21 sowie eine Auswerteeinheit 22.
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Im Betrieb der Stellvorrichtung 10, insbesondere beim Schließen der Heckklappe 2, erhebt hierbei der Sensor 21 eine Messgröße M, die einen Rückschluss auf die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses im Öffnungsbereich 8 zulässt und führt diese Messgröße M der Auswerteeinheit 22 zu. Zusätzlich oder alternativ zu der Messgröße M, die insbesondere für den Absolutwert der Kapazität oder einer Kapazitätsänderung charakteristisch ist, gibt der Sensor 21 ein Differenzsignal ΔM an die Auswerteeinheit 22 aus, das proportional zu der Differenz der Messgröße M und eines Offsetwerts O ist. Der Offset-Wert O ist dabei insbesondere variabel einstellbar, beispielsweise um einen in Abhängigkeit der Stellposition variierenden Einfluss der Heckklappe 2 auf die Messgröße M zu kompensieren. Der Offset-Wert O kann dabei intern in dem Sensor 21 erzeugt oder – wie in
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3 angedeutet – von der Auswerteeinheit 22 erzeugt und dem Sensor 21 zugeführt werden.
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Die Auswerteeinheit 22 erkennt durch Überprüfung der Messgröße M, ob ein Hindernis im Öffnungsbereich 8 vorhanden ist und somit ein Einklemmfall vorliegt. Gegebenenfalls sendet die Auswerteeinheit 22 ein Warnsignal W an den Antrieb 11, aufgrund dessen der Antrieb 11 den Vorschub der Stellmechanik 12 reversiert. Mit anderen Worten wird bei Erkennung eines Einklemmfalles der Schließvorgang der Heckklappe 2 abgebrochen und die Heckklappe 2 wiederum um einen vorgegebenen Stellwegabschnitt geöffnet.
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Der Sensor 21 basiert auf einer kapazitiven Messtechnik. Die Sensor 21 umfasst daher eine Elektrodenanordnung 25 (4), durch die ein elektrisches Feld im Öffnungsbereich 8 erzeugt wird. Die Messgröße M ist hierbei repräsentativ für die Kapazität der Sensoreinrichtung 21, gibt also entweder die Kapazität selbst oder eine hiermit korrelierte, insbesondere proportionale Größe, wieder. Der Sensor 21 ist im Beispiel gemäß 3 an der Kante 17 der in die Karosserie 4 eingebrachten Heckklappenöffnung angebracht. Er kann alternativ hierzu aber auch an der Schließkante 16 der Heckklappe 2 angeordnet sein. Wiederum alternativ kann jeweils ein Teil des Sensors 21 an der Schließkante 16 und der gegenüberliegenden Kante 17 angeordnet sein.
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Wie in 4 schematisch angedeutet ist, umfasst die Elektrodenanordnung 25 mindestens eine Sendeelektrode 30 sowie mindestens eine Gegenelektrode bzw. Empfangselektrode 31. Bevorzugt umfasst die Elektrodenanordnung 25 mehrere, insbesondere acht Sendeelektroden 30, die mit einer gemeinsamen Empfangselektrode 31 wechselwirken. Die Sendeelektroden 30 sind dabei insbesondere durch längliche Elektrodenstreifen gebildet, die sich in Reihe um die Kante 17 herum erstrecken, und die von der gemeinsamen Empfangselektrode 31 flankiert werden.
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Im Betrieb des Sensors 21 wird durch Applikation einer elektrischen Wechselspannung auf die Sendeelektroden 30 ein elektrisches Feld in dem Öffnungsbereich 8 erzeugt, während über die Empfangselektrode 31 die sich zwischen den Elektroden 30 und 31 ausbildende differenzielle Kapazität erfasst wird.
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Im Einzelnen umfasst der Sensor 21 zusätzlich zu der Elektrodenanordnung 25 einen Signalerzeugungsschaltkreis in Form eines Schwingkreises 40, einen (Zeit-)Multiplexer 41, einen Ausgangsverstärker 42, einen Eingangsverstärker 43, ein Kapazitätsmessglied 44 und einen Analog-Digital-Wandler (nachfolgend kurz A/D-Wandler 45). In Parallelschaltung zu dem A/D-Wandler 45 umfasst der Sensor 21 einen Digital-Analog-Wandler (nachfolgend D/A-Wandler 46), eine Analogstufe 47, insbesondere in Form eines analogen Differenzverstärkers, sowie einen weiteren Analog-Digital-Wandler (nachfolgend kurz A/D-Wandler 48). Außerdem umfasst der Sensor 21 eine Steuereinheit 49 in Form eines Mikrocontrollers.
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Der Schwingkreis 40 erzeugt ein Sendesignal ST in Form einer sinusförmigen elektrischen Wechselspannung mit einer Sendefrequenz fS.
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Nach Maßgabe eines von der Steuereinheit 49 zugeführten Multiplexsignals CM speist der Multiplexer 41 das Sendesignal ST zeitlich alternierend in jeweils einen von acht Kanälen 50 ein, wobei jeder Kanal 50 über den Ausgangsverstärker 42 mit jeweils einer zugeordneten Sendeelektrode 30 verbunden ist. Unter Wirkung des Sendesignals ST erzeugt die jeweils angesteuerte Sendeelektrode 30 in dem umgebenden Raumbereich ein mit der Sendefrequenz fS oszillierendes elektrisches Feld. Unter Wirkung dieses elektrischen Feldes wird in der Empfangselektrode 31 eine ebenfalls mit der Sendefrequenz fS oszillierende elektrische Wechselspannung erzeugt, die nachfolgend als Empfangssignal SE bezeichnet ist.
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Das Empfangssignal SE wird dem Kapazitätsmessglied 44 zugeleitet, das hieraus die Messgröße M zunächst in Form eines analogen Spannungssignals erzeugt. Das Kapazitätsmessglied 44 bestimmt die kapazitätsproportionale Messgröße M vorzugsweise durch Bestimmung der Amplitude des Eingangssignals SE. Alternativ kann das Kapazitätsmessglied 44 aber die Messgröße M auch nach einem anderen Kapazitätsmessverfahren bestimmen, beispielsweise mittels des sogenannten Ladungstransferverfahrens oder durch Bestimmung von Lade- bzw. Entladezeitkonstanten.
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Die von dem Kapazitätsmessglied 44 ausgegebene Messgröße M wird – nach Digitalisierung mittels des A/D-Wandlers 45 – an die Steuereinheit 49 zurückgeleitet.
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Zusätzlich wird das der Messgröße M entsprechende Analogsignal der Analogstufe 47 zugeleitet, die weiterhin von dem D/A-Wandler 46 den Offset-Wert O in Form einer analogen Gleichspannung erhält. Die Analogstufe 47 bildet aus der Messgröße M und dem Offset-Wert O das Differenzsignal ΔM und gibt dieses Differenzsignal ΔM verstärkt an den A/D-Wandler 48 aus: ΔM = v·(M – O), wobei die Variable v einen fest vorgegeben oder einstellbaren Verstärkungsfaktor bezeichnet.
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Das Differenzsignal ΔM, d. h. die um den Offsetwert O reduzierte Messgröße M, wird durch den A/D-Wandler 48 digitalisiert und an die Steuereinheit 49 ausgegeben.
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Der Offsetwert O wird seinerseits von dem D/A-Wandler 46 nach Maßgabe eines digitalen Steuersignals CS erzeugt, das dem D/A-Wandler 46 von der Steuereinheit 49 zugeführt ist.
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In bevorzugter Ausführung ist die Steuereinheit 49 in die Auswerteeinheit 22 der Kollisionsschutzvorrichtung 20 integriert. Insbesondere können sich der Sensor 21 und die Auswerteeinheit 22 einen gemeinsamen Mikrocontroller teilen, in dem sowohl die Steuerlogik für den Sensor 21 als auch die Algorithmen für die Erkennung des Einklemmfalls implementiert sind. Alternativ hierzu kann der Sensor 21 aber auch über eine eigene Steuereinheit 49 verfügen. In diesem Fall werden die Messgröße M und das daraus abgeleitete Differenzsignal ΔM von der Steuereinheit 49 an die Auswerteeinheit 22 der Kollisionsschutzvorrichtung 20 weitergeleitet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Heckklappe
- 3
- Oberkante
- 4
- Karosserie
- 5
- Schließstellung
- 6
- Öffnungsstellung
- 7
- Zwischenstellung
- 8
- Öffnungsbereich
- 10
- Stellvorrichtung
- 11
- Antrieb
- 12
- Stellmechanik
- 13
- Hebelarm
- 14
- Zylinderrohr
- 15
- Spindel
- 16
- Schließkante
- 17
- Kante
- 20
- Kollisionsschutzvorrichtung
- 21
- Sensor
- 22
- Auswerteeinheit
- 25
- Elektrodenanordnung
- 30
- Sendeelektrode
- 31
- Empfangselektrode
- 40
- Schwingkreis
- 41
- (Zeit-)Multiplexer
- 42
- Ausgangsverstärker
- 43
- Eingangsverstärker
- 44
- Kapazitätsmessglied
- 45
- A/D-Wandler
- 46
- D/A-Wandler
- 47
- Analogstufe
- 48
- A/D-Wandler
- 49
- Steuereinheit
- 50
- Kanal
- ΔM
- Differenzsignal
- fS
- Sendefrequenz
- A
- Schwenkachse
- CM
- Multiplex-Signal
- CS
- Steuersignal
- M
- Messgröße
- O
- Offset-Wert
- SE
- Empfangssignal
- ST
- Sendesignal
- W
- Warnsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007008440 U1 [0009]
