DE102012010228B4 - Kapazitiver Sensor für eine Kollisionsschutzvorrichtung - Google Patents

Abstract

Kapazitiver Sensor (2) zur Detektion eines Objekts,
- mit einer Elektrodenanordnung (4), die mindestens eine Sendeelektrode (5) und mindestens eine Empfangselektrode (6) umfasst,
- wobei der Sendeelektrode (5) ein Signalerzeugungsschaltkreis (7) zur Erzeugung eines Sendesignals (S_E) vorschaltet ist, wobei die Empfangselektrode (6) mit einem Empfangsschaltkreis (8) verbunden ist, um die zwischen der Sendeelektrode (5) und der Empfangselektrode (6) gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße zu messen,
- wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) das Sendesignal (S_E) als unmittelbar einer Pseudo-Zufalls-Bitfolge entsprechendes Rechteckpulssignal erzeugt, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (7) unmittelbar auf die Sendeelektrode (5) gegeben wird.

Description

• 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.
• 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.
• 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 korrespondierenden Kante des Rahmens angeordnet ist, in der das Verstellelement in der Schließstellung mit seiner Schließkante anliegt.
• 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.
• Eine 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.
• Es wird hierbei zwischen indirekten und direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterschieden. Eine indirekte Kollisionsschutzvorrichtung erkennt den Kollisionsfall (insbesondere Einklemmfall) 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.
• 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.
• 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 Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße.
• Eine zur Überwachung des Öffnungsbereichs einer Heckklappe vorgesehene Kollisionsschutzvorrichtung bzw. Einklemmschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor ist aus DE 20 2007 008 440 U1 bekannt.
• 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.
• Bei einem aus EP 1 828 524 B1 bekannten Sensor werden die Sendefrequenz und/oder das Tastverhältnis verändert, um reale Ereignisse, die auf einen Einklemm- oder Kollisionsfall hindeuten, besser von Störereignissen wie beispielsweise Nebel oder Regen unterscheiden zu können. Hierzu werden mindestens zwei Messungen bei unterschiedlichen Sendefrequenzen und/oder Tastverhältnissen gemacht. Ein Ereignis wird dann als echt, also auf einen Einklemm- oder Kollisionsfall hindeutend, erkannt, wenn die gemessene Änderung der Kapazität für alle Messungen im Wesentlichen gleich ist. Ein Ereignis wird dagegen dann als Störereignis identifiziert, wenn die gemessene Änderung der Kapazität bei allen Messungen andere Werte annimmt.
• Um Störungen des Empfangssignals durch elektromagnetische Störquellen zu vermeiden, wird bei kapazitiven Sensoren, wie sie aus DE 10 2007 058 707 A1 , DE 10 2007 041 646 A1 und EP 0 945 984 A2 bekannt sind, ein periodisches Grundsignal zur Erzeugung des Sendesignals frequenzgespreizt, indem dem Grundsignal ein Rauschsignal aufmoduliert wird.
• Ein weiterer kapazitiver Sensor zur Detektion eines Objekts ist aus WO 2011/154467 A1 bekannt. In einer Ausführungsform weist dieser Sensor eine Elektrode auf, deren Kapazität gegenüber Masse gemessen wird. Der einen Elektrode ist ein Signalerzeugsschaltkreis vorgeschaltet, der eine erste Wechselspannungsquelle und eine zweite Wechselspannungsquelle umfasst. Die zweite Spannungsquelle gibt eine binäre Pseudo-Zufalls-Rauschfolge aus, die in einem Mischer mit einem höherfrequenten Signal der ersten Wechselspannungsquelle gemischt wird. Das von dem Mischer ausgegebene Mischsignal wird dann als Sendesignal an die Sensorelektrode angelegt. In einer anderen Ausführungsform weist der aus WO 2011/154467 A1 bekannte Sensor eine Elektrodenanordnung mit einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode auf. Der Sendeelektrode ist ein Signalerzeugungsschaltkreis vorgeschaltet, der dem vorstehend beschriebenen Signalerzeugungsschaltkreis gemäß 3 entspricht. Nachteiligerweise sind solche Sensoren aber vergleichsweise komplex aufgebaut.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen störungsunfälligen, gleichzeitig aber besonders einfachen kapazitiven Sensor sowie eine Kollisionsschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor anzugeben.
• Bezüglich des Sensors wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Kollisionsschutzvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Der erfindungsgemäße Sensor umfasst eine Elektrodenanordnung, die mindestens eine Sendeelektrode und mindestens eine Empfangselektrode umfasst. Der Sensor umfasst des Weiteren einen Signalerzeugungsschaltkreis, der der mindestens einen Sendeelektrode vorschaltet ist und der zur Erzeugung eines Sendesignals für diese Sendeelektrode(n) dient. Als Sendesignal wird hierbei von dem Signalerzeugungsschaltkreis ein einer Pseudo-Zufalls-Bitfolge unmittelbar entsprechendes Rechteckpulssignal erzeugt. Das Sendesignal ist hierbei insbesondere aus einer Folge von Takten gebildet. In jedem Takt weist das Sendesignal einen Signalwert auf, der einem zugehörigen Bitwert der Pseudo-Zufalls-Bitfolge entspricht. Beispielsweise weist das Sendesignal in jedem Takt, der einem „1“-Wert der Pseudo-Zufalls-Bitfolge zugeordnet ist, einen „hohen“ Spannungswert („HIGH“) von z.B. +5V auf, während das Sendesignal in jedem Takt, der einem „0“-Wert der Pseudo-Zufalls-Bitfolge zugeordnet ist, einen „niedrigen“ Spannungswert („LOW“) von z.B. 0V oder +0,5 V aufweist. Dieses Rechteckpulssignal wird von dem Signalerzeugungsschaltkreis unmittelbar auf die Sendeelektrode gegeben.
• Als Pseudo-Zufalls-Bitfolge wird eine Folge von binären (Bit-)Werten („0“ und „1“) verstanden, die den Eindruck einer zufälligen Bitfolge erweckt, die also keine Regelmäßigkeit erkennen lässt. Die Folge hat eine endliche Länge und wird kontinuierlich wiederholt. Diese Länge ist aber hinreichend groß gewählt, dass die Zykluszeit für die Abarbeitung der gesamten Folge die typische Zeitskala einer Messung oder einer zusammengehörigen Messreihe übersteigt. Dies hat zur Folge, dass die Wiederholung der Bitfolge messtechnisch regelmäßig nicht beobachtbar ist.
• Das unmittelbar der Pseudo-Zufalls-Bitfolge entsprechende Sendesignal weist somit auf messungsrelevanten Zeitskalen keine periodischen Anteile auf. Hierdurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Sendesignal insbesondere von Signalen, die zumindest zeitintervallweise eine vorgegebene Sendefrequenz aufweisen oder durch Aufmodulation eines Frequenzspreizsignals auf eine Grundfrequenz erzeugt werden. Infolge der Aperiodizität des Sendesignals wird einerseits eine besonders hohe Störungsunanfälligkeit des Sensors gegenüber Fremdsignalen erreicht. Andererseits kommt der Sensor durch die unmittelbare Ausgabe der Pseudo-Zufalls-Bitfolge auf die Sendeelektrode ohne Frequenzerzeuger, insbesondere ohne Oszillator aus, wodurch der Aufbau des Sensors wesentlich vereinfacht werden kann.
• Zur Verarbeitung des in der mindestens einen Empfangselektrode erzeugten Empfangssignals umfasst der Sensor in zweckmäßiger Ausgestaltung einen nachgeschalteten Empfangsschaltkreis. Um aus dem Empfangssignal die von dem aperiodischen Sendesignal hervorgerufenen Signalanteile auf einfache und effektive Weise von Störsignalen trennen zu können, ist dieser Empfangsschaltkreis in zweckmäßiger Ausgestaltung des Sensors als Synchrondemodulator ausgebildet, der die dem Sendesignal entsprechende Pseudo-Zufalls-Bitfolge aus dem Empfangssignal demoduliert.
• Der Empfangsschaltkreis umfasst hierzu zweckmäßigerweise einen Mischer, in dem das Empfangssignal mit dem Sendesignal zur Erzeugung eines Mischsignals gemischt wird. Das resultierende Mischsignal ist einem Kapazitätsmessglied zugeführt. Der Mischer ist in einfacher und vorteilhafter Ausgestaltung des Sensors insbesondere durch einen Multiplikator gebildet.
• Um hochfrequente Störsignale in dem Empfangssignal zu eliminieren und somit das Empfangssignal vorzufiltern, ist vorzugsweise der Empfangselektrode und dem Mischer ein Tiefpass zwischengeschaltet.
• In einer schaltungstechnisch besonders einfach realisierbaren Bauform umfasst der Signalerzeugungsschaltkreis zur Erzeugung des pseudo-zufälligen Rechteckpulssignals ein linear rückgekoppeltes Schieberegister. Alternativ hierzu ist der Signalerzeugungsschaltkreis durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem ein Pseudo-Zufallszahlengenerator softwaretechnisch implementiert ist. In beiden Fällen wird die pseudo-zufällige Bitwert-Erzeugung vorzugsweise durch ein Taktsignal angestoßen (getriggert), das seinerseits aperiodisch ist. Bei schaltungstechnischer Realisierung der Signalerzeugungsschaltkreises wird das Taktsignal durch eine aperiodische Triggerschaltung erzeugt. Die aperiodische Triggerschaltung ist beispielsweise durch einen Rauschgenerator, beispielsweise durch eine Zener-Diode mit Begrenzer gebildet. Alternativ kann das aperiodische Taktsignal auch mittels eines Mikrocontrollers erzeugt werden.
• In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist der Signalerzeugungsschaltkreis dazu ausgebildet, die Art, Länge und/oder Amplitude der Pseudo-Zufalls-Bitfolge oder des Sendesignals in Abhängigkeit mindestens einer für einen Umgebungs- oder Störeinfluss charakteristischen Führungsgröße zu variieren. Beispielsweise ist der Signalerzeugungsschaltkreis dazu eingerichtet,
• - die Amplitude des Sendesignals proportional oder stufenweise mit der Größe eines erkannten Störpegels zu vergrößern, und/oder
• - die Art und/oder Länge Pseudo-Zufalls-Bitfolge einfach oder wiederholt zu verändern, wenn eine Störung erkannt wird; beispielsweise wird die Länge der Pseudo-Zufalls-Bitfolge erhöht, wenn kurzzeitige Störungen auf dem Empfangssignal festgestellt werden.
• Zusätzlich oder alternativ hierzu kann im Rahmen der Erfindung auch das zur Taktung der Pseudo-Zufalls-Bitfolge, also zur Umsetzung der Pseudo-Zufalls-Bitfolge in das Sendesignal herangezogene Taktsignal in Abhängigkeit mindestens einer für einen Umgebungs- oder Störeinfluss charakteristischen Führungsgröße variiert werden. Hierbei kann beispielweise die Taktlänge und/oder - bei einem aperiodischen Taktsignal - die Aperiodizität, insbesondere die mittlere Streubreite der Taktlänge variiert werden.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
• 1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Einklemmschutzvorrichtung zur Erkennung und Vermeidung eines Einklemmfalls bei einem beweglichen Fahrzeugteil, mit einem kapazitiven Sensor, der eine Sendeelektrode, eine Empfangselektrode, einen der Sendeelektrode vorgeschalteten Signalerzeugungsschaltkreis sowie einen der Empfangselektrode nachgeschalteten Empfangsschaltkreis umfasst,
• 2 in einem vereinfachten elektrischen Schaltbild den Aufbau des Signalerzeugungsschaltkreises, der hier durch ein linear rückgekoppeltes Schieberegister mit einer vorgeschalteten aperiodischen Triggerschaltung gebildet ist,
• 3 in zwei synchronen Diagrammen gegen die Zeit ein von der Triggerschaltung erzeugtes Triggersignal und ein von dem Schieberegister unter Wirkung des Triggersignals erzeugtes Rechteckpulssignal mit pseudo-zufälliger Variation der Pulslänge, und
• 4 in einem vereinfachten elektrischen Schaltbild den Aufbau des Empfangsschaltkreises, der hier nach Art eines Synchrondemodulators ausgebildet ist und einen Transimpedanzverstärker mit nachgeschaltetem Mischer und wiederum nachgeschalteten Tiefpass umfasst.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Einklemmschutzvorrichtung 1 für ein (nicht näher dargestelltes) bewegliches Verstellelement eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine motorisch bewegte Seitenscheibe oder eine motorisch bewegte Tür oder Heckklappe. Die Einklemmschutzvorrichtung 1 umfasst einen kapazitiven Sensor 2 sowie eine Überwachungseinheit 3.
• Der Sensor 2 basiert auf einer kapazitiven Messtechnik. Der Sensor 2 umfasst entsprechend eine Elektrodenanordnung 4 mit mindestens einer Sendeelektrode 5 sowie mindestens einer Gegenelektrode bzw. Empfangselektrode 6. Bevorzugt umfasst die Elektrodenanordnung 4 (in nicht näher dargestellter Weise) eine Mehrzahl von Sendeelektroden 5, die mit einer gemeinsamen Empfangselektrode 6 wechselwirken.
• Im Betrieb des Sensors 2 wird durch Applikation einer elektrischen Wechselspannung auf die oder jede Sendeelektrode 5 ein (lediglich angedeutetes) elektrisches Feld F in einem Öffnungsbereich des Verstellelements erzeugt, während über die Empfangselektrode 6 die (elektrische) Kapazität des aus der feldemittierenden Sendeelektrode 5 und der Empfangselektrode 6 gebildeten Kondensators erfasst wird.
• Im Einzelnen umfasst der Sensor 2 zusätzlich zu der Elektrodenanordnung 4 einen Signalerzeugungsschaltkreis 7, einen Empfangsschaltkreis 8 und ein Kapazitätsmessglied 9.
• Im Betrieb des Sensors 2 erzeugt der Signalerzeugungsschaltkreis 7 ein Sendesignal S_E in Form einer Rechteckpulsfolge. Diese Rechteckpulsfolge ist - wie in 3 angedeutet ist - aus einzelnen aufeinanderfolgenden Takten C gebildet, wobei das Sendesignal S_E in jedem Takt eines von zwei Signalwerten „High“ (z.B. +5V) oder „Low“ (z.B. +0,5V) annehmen kann. Die Abfolge der Signalwerte in den aufeinanderfolgenden Takten C entspricht somit unmittelbar einer Bitfolge, wobei beispielsweise dem Signalwert „High“ der Bitwert „1“, und dem Signalwert „Low“ der Bitwert „0“ zugeordnet werden kann.
• Das Sendesignal S_E entspricht dabei einer Pseudo-Zufalls-Bitfolge insofern als die Signalwerte der innerhalb der Rechteckpulsfolge aufeinanderfolgenden Takte C in keiner regelmäßigen Beziehung stehen. Die Rechteckpulsfolge umfasst mehrere hundert, tausend oder zehntausend Takte C (beispielsweise 2¹⁰ - 1 Takte) und wird nach Abarbeitung der gesamten Folge zyklisch wiederholt. Aufgrund der hohen Taktzahl beträgt die Zykluszeit für die Erzeugung und Emission der gesamten Rechteckpulsfolge mehr als 0,03 sec. Sie übersteigt damit die für eine Einzelmessung benötigte Zeit (typischerweise auf der Größenordnung von 1 ms) wesentlich, so dass die Rechteckpulsfolge auf messrelevanten Zeitskalen zufällig erscheint.
• Wie 2 zu entnehmen ist, umfasst der Signalerzeugungsschaltkreis 7 zur Erzeugung des Sendesignals S_E als pseudo-zufälliges Rechteckpulssignal ein linear rückgekoppeltes Schieberegister 10. Das Schieberegister 10 wird seinerseits gebildet durch eine Reihenschaltung von sogenannten D-Flip-Flops 11. Der Ausgang Q des letzten D-Flip-Flops 11 ist hierbei auf den Dateneingang D des ersten D-Flip-Flops 11 rückverbunden, wobei der Ausgabewert des letzten D-Flip-Flops 11 mit den jeweiligen Ausgabewerten bestimmter weiterer (jedoch nicht aller) D-Flip-Flops 11 der Reihenschaltung in einer XOR-Verknüpfung summiert wird. Die D-Flip-Flops 11 sind durch Zuführung eines Taktsignals S_T über ihren jeweiligen Takteingang T synchron getaktet, wobei mit jedem Takt der Ausgabewert des jeweils vorderen D-Flip-Flops 11 auf das nachfolgende D-Flip-Flop 11 übertragen (verschoben) wird. Der Ausgabewert des letzten D-Flip-Flops 11 wird als Sendesignal S_E auf die mindestens eine Sendeelektrode 5 gelegt. 3 zeigt im unteren Diagramm einen beispielhaften Verlauf des Sendesignals S_E in Abhängigkeit der Zeit t. In dem oberen Diagramm der 3 ist dem Sendesignal S_E der zeitliche Verlauf des Taktsignals S_T gegenübergestellt.
• Das Taktsignal S_T wird von einer Triggerschaltung 12 des Signalerzeugungsschaltkreises 7 als aperiodisches Pulssignal, insbesondere Pulssignal mit aperiodisch variierendem Pulsabstand erzeugt. Die Triggerschaltung 12 ist beispielsweise gebildet durch einen Rauschgenerator, der durch eine Zener-Diode mit zugeordnetem Begrenzer gebildet ist.
• Der Frequenzgenerator 7 gibt das Sendesignal S_E unmittelbar auf die Sendeelektrode 5, die unter Wirkung des Sendesignals S_E das elektrische Feld F emittiert. Sofern der Sensor 2 mehrere Sendeelektroden 5 umfasst, ist dem Frequenzgenerator 7 und der Elektrodenanordnung 4 vorzugsweise ein (nicht näher dargestellter) Zeitmultiplexer zwischengeschaltet, der das Sendesignal S_T zeitlich alternierend auf jeweils eine der mehreren Sendeelektroden 5 gibt.
• Unter Wirkung des elektrischen Feldes F wird in der Empfangselektrode 6 ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, das nachfolgend als Empfangssignal S_R bezeichnet ist. Das Empfangssignal S_R ist phasensynchron mit dem Sendesignal S_E , weist also definierte Schaltflanken zwischen einem hohen Signallevel und einem niedrigen Signallevel auf, die mit den Pulsflanken des Sendesignals S_E zeitlich übereinstimmen. Im Gegensatz zu dem Sendesignal S_E variiert die Signalamplitude des Empfangssignals S_R aber zusätzlich in Abhängigkeit von der zu messenden Kapazität.
• Das Empfangssignal S_R ist dem Empfangsschaltkreis 8 als Eingangssignal zugeführt. Der Empfangselektrode 6 und dem Empfangsschaltkreis 8 ist hierbei optional ein (nicht explizit dargestellter) Tiefpass zur Vorfilterung des Empfangssignals S_R zwischengeschaltet.
• Der Empfangsschaltkreis 8 ist nach Art eines Synchrondemodulators ausgebildet. Entsprechend ist dem Empfangsschaltkreis 8 zusätzlich zu dem Empfangssignal S_R auch das Sendesignal S_E unter Umgehung der Elektrodenanordnung 4 zugeführt.
• Gemäß 4 umfasst der Empfangsschaltkreis 8 zur Verstärkung des Empfangssignals S_R einen Transimpedanzverstärker 13. Der Transimpedanzverstärker 13 gibt ein zu der Stromstärke des Empfangssignals S_R proportionales Spannungssignal S_R' an einen Mischer 14 des Empfangsschaltkreises 8 aus. Dem Mischer 14, der hier als Multiplikatorschaltung ausgebildet ist, ist als zweite Eingangsgröße das Sendesignal S_E zugeführt. Der Mischer 14 erzeugt durch Multiplikation des Spannungssignal S_R' mit dem Sendesignals S_E ein Mischsignal S_M und führt dieses einem nachgeschalteten Tiefpass 15 des Empfangsschaltkreises 8 zu. Das Mischsignal S_M entspricht im Wesentlichen der Multiplikation zeitsynchroner Werte des Spannungssignals S_R' und eines modifizierten (nämlich hinsichtlich des Pegels und der Phase angepassten) Sendesignals S_E', das durch einen Pegelwandler 16 und einen Phasenschieber 17 aus dem ursprünglichen Sendesignal S_E erzeugt wird $$S_M\left(t\right)\approx S_R^{\text{'}}\left(t\right)\cdot S_E^{\text{'}}\left(t\right)$$

  
• Das Mischsignal S_M wird durch die Multiplikation näherungsweise um den Einfluss des aperiodischen Sendesignals S_E auf den Verlauf des Empfangssignals S_R bereinigt. Bei geringem Phasenversatz des Spannungssignals S_R' bezüglich des Sendesignals S_E sowie aufgrund externer Störungen enthält das Mischsignal S_M allerdings häufig hochfrequente Signalanteile. Diese werden in einem dem Mischer 14 nachgeschalteten Tiefpass 15 der Empfangsschaltung 8 eliminiert.
• Der Verlauf eines von dem Tiefpass 15 ausgegebenen, gefilterten Mischsignals S_M' wird maßgeblich von der Änderung der Kapazität zwischen Sendeelektrode 5 und Empfangselektrode 6 bestimmt. Dieses gefilterte Mischsignal S_M' wird dem der Empfangsschaltung 8 nachgeschalteten Kapazitätsmessglied 9 zugeführt, das aus dem gefilterten Mischsignal S_M' eine kapazitätsproportionale Messgröße K erzeugt.
• Die Messgröße K wird der dem Sensor 2 nachgeschalteten Überwachungseinheit 3 zugeführt. Die Überwachungseinheit 3, die vorzugsweise durch einen Mikrocontroller mit einer darin implementierten Überwachungssoftware gebildet ist, vergleicht die Messgröße K mit einem hinterlegten Auslöseschwellwert. Bei Schwellwertüberschreitung gibt die Überwachungseinheit 3 ein Auslösesignal A aus, das auf einen möglichen Einklemmfall hinweist, und unter dessen Wirkung die Bewegung des der Einklemmschutzvorrichtung 1 zugeordneten Verstellelements reversiert wird.
• In einer nicht explizit dargestellten weiteren Ausführungsform der Einklemmschutzvorrichtung 1 ist der Signalerzeugungsschaltkreis 7 abweichend durch einen Mikrocontroller gebildet. Die Pseudo-Zufalls-Bitfolge und das dieser entsprechende Rechteckpulssignal wird hierbei nicht durch ein Schieberegister oder sonstige schaltungstechnische Mittel erzeugt. Vielmehr wird das pseudozufällige Rechteckpulssignal durch einen softwaretechnisch in dem Mikrocontroller implementierten Pseudo-Zufallszahlengenerator erzeugt, der durch eine Programmschleife in kontinuierlicher Wiederholung aufgerufen wird. Da in einem Microcontroller gewöhnlicherweise eine wechselnde Anzahl von Prozessen mit fluktuierendem Ressourcenbedarf parallel verarbeitet werden, und dem Zufallsgenerator somit unter normalen Umständen eine schwankende Rechenleistung zur Verfügung steht, erfolgt die Zufallszahlengenerierung auch in diesem Ausführungsbeispiel regelmäßig in einer Taktfolge mit aperiodisch schwankender Taktlänge. Der Mikrocontroller unterstützt somit die Zufälligkeit des Sendesignals durch aperiodische Taktung des Zufallszahlengenerators. Zweckmäßigerweise wird die Zufallszahlengenerierung hierzu niedrig priorisiert, wodurch die Zufallszahlen durch den Mikrocontroller regelmäßig in einem Zeitraster mit erheblichen aperiodischen Schwankungen bereitgestellt werden.
• Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Einklemmschutzvorrichtung

2

Sensor

3

Überwachungseinheit

4

Elektrodenanordnung

5

Sendeelektrode

6

Empfangselektrode

7

Signalerzeugungsschaltkreis

8

Empfangsschaltkreis

9

Kapazitätsmessglied

10

(linear rückgekoppeltes) Schieberegister

11

D-Flip-Flop

12

Triggerschaltung

13

Transimpedanzverstärker

14

Mischer

15

Tiefpass

16

Pegelwandler

17

Phasenschieber

A

Auslösesignal

C

Takt

t

Zeit

D

Dateneingang

F

(elektrisches) Feld

k

Messgröße

Q

Ausgang

S_E

Sendesignal

S_E'

(modifiziertes) Sendesignal

S_M

Mischsignal

S_M'

(gefiltertes) Mischsignal

S_R

Empfangssignal

S_R'

Spannungssignal

S_T

Taktsignal

T

Takteingang

Claims (11)

1. Kapazitiver Sensor (2) zur Detektion eines Objekts, - mit einer Elektrodenanordnung (4), die mindestens eine Sendeelektrode (5) und mindestens eine Empfangselektrode (6) umfasst, - wobei der Sendeelektrode (5) ein Signalerzeugungsschaltkreis (7) zur Erzeugung eines Sendesignals (S_E) vorschaltet ist, wobei die Empfangselektrode (6) mit einem Empfangsschaltkreis (8) verbunden ist, um die zwischen der Sendeelektrode (5) und der Empfangselektrode (6) gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße zu messen, - wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) das Sendesignal (S_E) als unmittelbar einer Pseudo-Zufalls-Bitfolge entsprechendes Rechteckpulssignal erzeugt, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (7) unmittelbar auf die Sendeelektrode (5) gegeben wird.
2. Kapazitiver Sensor (2) nach Anspruch 1, mit einem der mindestens einen Empfangselektrode (6) nachgeschalteten Empfangsschaltkreis (8) zur Verarbeitung eines in der mindestens einen Empfangselektrode (6) erzeugten Empfangssignals (S_R), wobei der Empfangsschaltkreis (8) als Synchrondemodulator zur Demodulation der dem Sendesignal (S_E) entsprechenden Pseudo-Zufalls-Bitfolge aus dem Empfangssignal (S_R) ausgebildet ist.
3. Sensor (2) nach Anspruch 2, wobei der Empfangsschaltkreis (8) einen Mischer (14) umfasst, in dem das Empfangssignal (S_R) mit dem Sendesignal (S_E) zur Erzeugung eines Mischsignals (S_M) gemischt wird, wobei das Mischsignal (S_M) einem Kapazitätsmessglied (9) zugeführt ist.
4. Sensor (2) nach Anspruch 3, wobei der Mischer (14) durch einen Multiplikator gebildet ist.
5. Sensor (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei dem Mischer (14) ein Tief- oder Bandpass (15) zur Filterung von hochfrequenten Signalanteilen aus dem Mischsignal (S_M) nachgeschaltet ist.
6. Sensor (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Empfangselektrode (6) und dem Mischer (14) ein Tiefpass zur Vorfilterung des Empfangssignals (S_R) zwischengeschaltet ist.
7. Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) zur Erzeugung der Pseudo-Zufalls-Bitfolge ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (10) umfasst.
8. Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) durch einen Mikrocontroller gebildet ist, in dem zur Erzeugung der Pseudo-Zufalls-Bitfolge ein Pseudo-Zufallszahlengenerator softwaretechnisch implementiert ist.
9. Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Sendesignal (S_E) aus einer Folge von Takten gebildet ist, wobei das Sendesignal in jedem Takt einen einem zugehörigen Bitwert der Pseudo-Zufalls-Bitfolge entsprechenden Signalwert hat, wobei die aufeinanderfolgenden Takte eine aperiodisch variierende, zeitliche Taktlänge aufweisen.
10. Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) dazu eingerichtet ist, die Art, Länge und/oder Amplitude der Pseudo-Zufalls-Bitfolge und/oder ein zur Umsetzung der Pseudo-Zufalls-Bitfolge in das Sendesignal (S_E) herangezogenes Taktsignal (S_T) in Abhängigkeit mindestens einer für einen Umgebungs- oder Störeinfluss charakteristischen Führungsgröße zu variieren.
11. Kollisionsschutzvorrichtung (1) mit einem kapazitiven Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

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