DE102012022927A1

DE102012022927A1 - Kapazitiver Näherungssensor

Info

Publication number: DE102012022927A1
Application number: DE201210022927
Authority: DE
Inventors: Andre Gunreben
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2012-11-24
Filing date: 2012-11-24
Publication date: 2014-05-28

Abstract

Es wird ein kapazitiver Näherungssensor (1) angegeben. Der Näherungssensor (1) umfasst eine Messelektrode (2), eine Auswerteelektronik (7) sowie eine die Messelektrode (2) mit der Auswerteelektronik (7) verbindende Signalleitung (8). Die Messelektrode (2) ist hierbei durch einen Außenleiter (3) eines Koaxialkabels (4) gebildet, das zusätzlich zu dem Außenleiter (3) einen koaxial im Inneren des Außenleiters (3) geführten Innenleiter (5) umfasst. Neben der Signalleitung (8) ist eine Testleitung (9) geführt, die den Innenleiter (5) des Koaxialkabels (4) mit der Auswerteelektronik (7) verbindet. Die Auswerteelektronik (7) ist dabei dazu eingerichtet, ein durch die Signalleitung (8) zugeführtes Messsignal (IM) vergleichend mit einem durch die Testleitung (9) zugeführten Testsignal (IT) auszuwerten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Ein kapazitiver Näherungssensor umfasst allgemein eine Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Elektroden, über die ein elektrisches Feld in einem der jeweiligen Elektrode vorgelagerten Raumbereich (Detektionsraum) aufgebaut wird. Die Anwesenheit eines Körperteils oder Gegenstands in diesem Detektionsraum wird durch Überwachung der elektrischen Kapazität der Elektrodenanordnung erkannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Körperteil oder Gegenstand das von dem Sensor erzeugte elektrische Feld, und somit die Kapazität der Elektrodenanordnung beeinflusst.
In einer üblichen Bauform eines solchen kapazitiven Näherungssensors umfasst die Elektrodenanordnung dieses Sensors zwei Arten von Messelektroden, nämlich mindestens eine Sendeelektrode sowie mindestens eine Empfangselektrode. Die oder jede Sendeelektrode ist hierbei zur Erzeugung des elektrischen Feldes mit einem Signalerzeugungsschaltkreis verschaltet, während die mindestens eine Empfangselektrode zur Kapazitätsmessung mit einem Empfangsschaltkreis verbunden ist. Ein solcher Sensor misst die zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße (Sender-Empfänger-Prinzip).
In einer anderen Bauform eines kapazitiven Näherungssensors umfasst die Elektrodenanordnung des Sensors lediglich eine Messelektrode oder mehrere gleichartige (also nicht in Empfangselektroden und Sendeelektroden differenzierte) Messelektroden. Mittels dieser mindestens einen Messelektrode wird dabei ein elektrisches Feld gegen Masse aufgebaut. Ein solcher Sensor misst somit die zwischen der mindestens einen Messelektrode und Masse gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße.
Kapazitive Näherungssensoren werden in der modernen Kraftfahrzeugtechnik einerseits als Sensoren für eine Einklemm- oder Kollisionsschutzvorrichtung, sowie andererseits als berührungsunabhängige (insbesondere berührungslos betätigbare) Schalter verwendet. In dem letztgenannten Anwendungsgebiet werden kapazitive Näherungssensoren insbesondere für die berührungslose Betätigung von automatisch verstellbaren Kraftfahrzeugtüren eingesetzt. In einer speziellen Anwendung werden kapazitive Näherungssensoren als Heckklappenschalter eingesetzt, die es einem Fahrzeugnutzer ermöglichen, die automatische Öffnung einer Kraftfahrzeug-Heckklappe auszulösen, ohne hierfür die Hände zu Hilfe nehmen zu müssen. Ein solcher Näherungssensor umfasst üblicherweise mindestens eine Messelektrode, die im Bereich des hinteren Stoßfängers des Kraftfahrzeugs angebracht oder integriert ist. Der Näherungssensor gibt hierbei einen Öffnungsbefehl an eine Heckklappensteuerung aus, wenn ein Kraftfahrzeugnutzer vorübergehend einen Fuß an die Messelektrode annähert.
Ein solcher Näherungssensor ist beispielsweise aus DE 20 2010 011 656 U1 bekannt. Bei diesem Sensor ist die Messelektrode durch den hohlzylindrischen Außenleiter eines Koaxialkabels gebildet, das zusätzlich zu dem Außenleiter einen darin koaxial geführten Innenleiter (Seele) aufweisen kann. Die Messelektrode ist über eine Signalleitung mit einer Auswerteelektronik verbunden. Die Verwendung des Außenleiters eines Koaxialkabels als Messelektrode erlaubt hierbei auf besonders rationelle Weise, eine Messelektrode mit vergleichsweise großer Elektrodenfläche in Zylindergeometrie zu schaffen.
Der Innenleiter des Koaxialkabels ist für den Einsatzzweck des Sensors, d. h. die Messung eines sich nähernden Körperteils oder Gegenstands, weder nötig noch geeignet, zumal der Innenleiter durch den Außenleiter elektrisch abgeschirmt ist. Entsprechend kann der Innenleiter nach der Lehre der DE 20 2010 011 656 U1 mit dem Außenleiter elektrisch kurz geschlossen, gänzlich weggelassen oder durch ein elektrisch isolierendes Material ersetzt werden. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, den Innenleiter – sofern vorhanden – gegenüber der Umwelt zu isolieren.
Nachteiligerweise ist bei einem solchen Näherungssensor nicht ausschließlich die Messelektrode sensitiv für Annäherungsereignisse. Vielmehr kann auch durch Annäherung eines Gegenstands oder Körperteils an die Signalleitung eine gewisse Änderung des in der Signalleitung geführten Messsignals verursacht werden. Diese Signaländerung kann unter ungünstigen Umständen zur Fehlauslösung des Näherungssensors führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen effektiven, rationell (kostengünstig) herstellbaren oder fehlersicheren kapazitiven Näherungssensor anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Näherungssensor eine Messelektrode, eine Auswerteelektronik sowie eine Signalleitung, über die die Messelektrode mit der Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist. Die Messelektrode ist hierbei durch den Außenleiter eines Koaxialkabels gebildet. Dieses Koaxialkabel umfasst – gemäß der üblichen Bauform eines Koaxialkabels – zusätzlich zu dem hohlzylindrischen Außenleiter einen Innenleiter (Seele), der koaxial im Inneren des Außenleiters geführt ist.
Zusätzlich zu der Signalleitung, die die Auswerteelektronik mit der Messelektrode, d. h. dem Außenleiter des Koaxialkabels verbindet, ist bei dem Näherungssensor erfindungsgemäß eine Testleitung vorgesehen, über die der Innenleiter des Koaxialkabels mit der Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist. Die Signalleitung und Testleitung sind hierbei nebeneinander geführt (und somit insbesondere nicht in Koaxialgeometrie zueinander angeordnet). Die Auswerteelektronik ist dabei dazu eingerichtet, ein Messsignal, das der Auswerteelektronik durch die Signalleitung zugeführt wird, und ein Testsignal, das der Auswerteelektronik durch die Testleitung zugeführt wird, vergleichend auszuwerten.
Durch die vergleichende Auswertung der mit der Messelektrode verbundenen Signalleitung und der mit dem Innenleiter des Koaxialkabels verbundenen Testleitung können Ereignisse, die die gemessene Kapazität beeinflussen, besser charakterisiert werden. Insbesondere kann eine Annäherung eines Körperteils an die Messelektrode besser von einem Störereignis im Bereich der Signalleitung unterschieden werden. Dies liegt insbesondere daran, dass Annäherungsereignisse im Bereich der Messelektrode den Innenleiter des Koaxialkabels nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise beeinflussen, zumal der Innenleiter durch die Messelektrode elektrisch abgeschirmt ist. Folglich äußern sich solche „echten” Annäherungsereignisse nur in dem Signal der Signalleitung (Messsignal), nicht aber in dem Signal der Testleitung (Testsignal). Im Gegensatz hierzu beeinflusst eine Annäherung eines Körperteils oder Gegenstands an die Signalleitung auch die Testleitung, so dass sich die durch dieses Störereignis hervorgerufene Signaländerung in gleicher oder ähnlicher Weise sowohl im dem Messsignal als auch in dem Testsignal wiederspiegelt.
Entsprechend ist die Auswerteelektronik vorzugsweise dazu eingerichtet, im Falle einer detektierten Änderung des Messsignals nach Maßgabe der vergleichenden Auswertung des Messsignals und des Testsignals zwischen einem durch die Messelektrode hervorgerufenen Messereignis und einem durch die Signalleitung und/oder die Testleitung hervorgerufenen Störereignis zu unterscheiden. Im Falle eines Störereignisses wird die entsprechende Änderung des Messsignals durch die Auswerteelektronik unterdrückt. Mit anderen Worten wird durch die Auswerteelektronik verhindert, dass sich die dem Störereignis zugeordnete Messsignaländerung in störender Weise auf ein Ausgabesignal des Näherungssensors auswirkt.
Bei dem der Signalleitung zugeordneten Messsignal handelt es sich insbesondere um die Stromstärke des in der Signalleitung fließenden elektrischen Stroms. Entsprechend handelt es sich bei dem der Testleitung zugeordneten Testsignal insbesondere um die Stromstärke des in der Testleitung fließenden elektrischen Stroms.
Bei dem erfindungsgemäßen Näherungssensor kann es sich wahlweise um einen kapazitiven Näherungssensor handeln, der nach dem Sender-Empfänger-Prinzip arbeitet, oder um einen kapazitiven Näherungssensor, der nach dem Ein-Elektroden-Prinzip arbeitet. In dem erstgenannten Fall dient die vorstehend beschriebene Messelektrode als Empfangselektrode. Bei der Auswerteelektronik, mit der die Messelektrode über die Signalleitung verschaltet ist, handelt es sich entsprechend um einen Empfangsschaltkreis im vorstehend beschriebenen Sinne. Zusätzlich zu dieser Empfangselektrode umfasst der Näherungssensor in diesem Fall mindestens eine weitere Messelektrode, die als Sendeelektrode betrieben wird, und die zur Erzeugung des elektrischen Feldes mit einem Sendeschaltkreis verschaltet ist.
Sofern der erfindungsgemäße Näherungssensor nach dem Ein-Elektroden-Prinzip arbeitet, dient die Messelektrode sowohl zur Erzeugung des elektrischen Feldes als auch zur Messung der Kapazität der Messelektrode gegen Masse. Zur Erzeugung des elektrischen Feldes wird die Messelektrode in diesem Fall über die Signalleitung mit einem Anregungssignal in Form einer elektrischen Spannung angeregt.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteelektronik das Messsignal der Signalleitung und das Testsignal der Testleitung unmittelbar miteinander vergleicht. Vorzugsweise ist die Auswerteelektronik aber dazu eingerichtet, sowohl aus dem Messsignal als auch aus dem Testsignal zunächst jeweils ein zugehöriges Kapazitätsmaß abzuleiten und diese Kapazitätsmaße vergleichend auszuwerten. Als „Kapazitätsmaß” wird hier allgemein eine Größe bezeichnet, die mit der an der Signalleitung bzw. an der Testleitung messbaren elektrischen Kapazität korreliert, die also in einer eindeutigen Beziehung zu der jeweiligen Kapazität steht. Bei dem jeweiligen Kapazitätsmaß kann es sich um die Kapazität selbst handeln oder um eine andere Größe, die mit der Kapazität linear oder nicht-linear korreliert. Das dem Messsignal zugeordnete Kapazitätsmaß ist nachfolgend auch als „Messkapazität” bezeichnet. Das dem Testsignal zugeordnete Kapazitätsmaß ist in Abgrenzung hierzu nachfolgend als „Testkapazität” bezeichnet.
Um sowohl das Messsignal als auch das Testsignal auswerten zu können, umfasst die Auswerteelektronik in einer vorteilhaften Bauvariante einen Auswerteschaltkreis, mit dem die Signalleitung und die Testleitung alternativ und wechselweise verbindbar sind. Dieser eine Auswerteschaltkreis ist hierbei dazu eingerichtet, aus dem Signal der gerade angeschlossenen Leitung das zugehörige Kapazitätsmaß abzuleiten. Der Auswerteschaltkreis ist mithin dazu eingerichtet, anhand des durch die Signalleitung zugeführten Messsignals die Messkapazität oder anhand des durch die Testleitung zugeführten Testsignals die Testkapazität zu bestimmen, und diese Kapazitätsmaße vergleichend zu auszuwerten. Die Auswerteelektronik ist dabei insbesondere dazu eingerichtet, die Signalleitung und die Testleitung in zeitlich alternierendem Wechsel mit dem Auswerteschaltkreis zu verbinden und somit die Messkapazität und die Testkapazität abwechselnd zu bestimmen. Sofern der Näherungssensor nach dem Ein-Elektroden-Prinzip arbeitet, ist die Auswerteelektronik vorzugsweise des Weiteren dazu eingerichtet, die Signalleitung und die Testleitung in zeitlich alternierendem Wechsel mit einem Anregungssignal zu beaufschlagen.
In einer alternativen Ausführung des Näherungssensors umfasst die Auswerteelektronik zwei voneinander getrennte Auswerteschaltkreise, von denen einer mit der Signalleitung, und der andere mit der Testleitung verbunden ist. Jeder dieser beiden Auswerteschaltkreise ist hierbei dazu eingerichtet, aus dem Signal der jeweils angeschlossenen Leitung das zugehörige Kapazitätsmaß zu bestimmen. Mithin ist der mit der Signalleitung verschaltete Auswerteschaltkreis dazu eingerichtet, aus dem Messsignal die Messkapazität abzuleiten, während der mit der Testleitung verschaltete Auswerteschaltkreis dazu eingerichtet ist, aus dem Testsignal die Testkapazität abzuleiten. Ebenso wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Näherungssensors ist die Auswerteelektronik wiederum dazu eingerichtet, die beiden Kapazitätsmaße vergleichend auszuwerten. Vorzugsweise ist die Auswerteelektronik hierbei dazu eingerichtet, die Messkapazität und die Testkapazität exakt oder zumindest näherungsweise zeitgleich zu bestimmen. Sofern der Näherungssensor nach dem Sender-Empfänger-Prinzip arbeitet, ist die Auswerteelektronik zweckmäßigerweise des Weiteren dazu eingerichtet, die Signalleitung und die Testleitung gleichzeitig mit gleichphasigen Anregungssignalen zu beaufschlagen. Vorzugsweise sind diese Anregungssignale nicht nur hinsichtlich ihrer Phase, sondern auch hinsichtlich ihrer Signalstärke und Signalform identisch. Die gleichphasige Anregung der Signalleitung und der Testleitung mit insbesondere identischen Anregungssignalen hat hierbei den Vorteil, dass der Einfluss der Innenelektrode auf das Testsignal besonders präzise ausgeblendet werden kann, zumal in diesem Fall die Außenelektrode als potentialgesteuerte Abschirmung („Driven Shield”) wirkt.
Um auf einfache, aber dennoch effektive Weise „echte” Annäherungsereignisse im Bereich der Messelektrode von – auf die Signalleitung wirkenden – Störereignissen unterscheiden und letztere unterdrücken zu können, ist die Auswerteelektronik in zweckmäßiger Ausgestaltung dazu eingerichtet, aus dem Messsignal und dem Testsignal ein Differenzsignal zu bilden und aus diesem das Ausgabesignal des Näherungssensors abzuleiten. Das Messsignal und das Testsignal können hierbei im Rahmen der Erfindung unmittelbar – ggf. zeitverschoben – voneinander subtrahiert werden. Vorzugsweise leitet die Auswerteelektronik zunächst aber aus dem Messsignal und dem Testsignal das zugehörige Kapazitätsmaß, also die Messkapazität bzw. die Testkapazität ab, und bildet das Differenzsignal aus der Differenz dieser Kapazitätsmaße. Das resultierende Differenzsignal kann unmittelbar als Ausgabesignal des Näherungssensors ausgegeben oder zur Bildung des Ausgabesignals bearbeitet werden. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass das Differenzsignal innerhalb der Auswerteschaltung zunächst einem Schwellwertfilter zugeführt wird, der aus dem Differenzsignal ein binäres Stufensignal als Ausgabesignal ableitet.
Um eine feste räumliche Beziehung zwischen der Signalleitung und der Testleitung sicherzustellen, sind die Signalleitung und die Testleitung vorzugsweise als Zwillingsleitung parallel geführt (und somit durch eine gemeinsame Isolierung stoffschlüssig aneinander fixiert) oder miteinander verdrillt.
Die Auswerteelektronik ist vorzugsweise durch einen (analogen oder digitalen) Hardwareschaltkreis gebildet. Alternativ hierzu kann die Auswerteelektronik im Rahmen der Erfindung aber auch einen Mikrocontroller umfassen, in dem die vorstehend beschriebene Funktionalität der Auswerteelektronik ganz oder teilweise durch eine Betriebssoftware lauffähig implementiert ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung einen kapazitiven Näherungssensor mit einer Messelektrode, mit einer Auswerteelektronik und mit einer die Messelektrode mit der Auswerteelektronik verbindenden Signalleitung, wobei die Messelektrode durch den Außenleiter eines Koaxialkabels gebildet ist, das zusätzlich zu dem Außenleiter einen koaxial in dessen Inneren geführten Innenleiter umfasst, und wobei der Innenleiter mit der Auswerteelektronik durch eine neben der Signalleitung geführte Testleitung verbunden ist,
2 in einem schematischen Blockschaltbild die Auswerteelektronik gemäß 1,
3 in Darstellung gemäß 1 den dortigen Näherungssensor bei Annäherung einer Hand an die Messelektrode,
4 in drei synchronen Diagrammen übereinander für den Fall gemäß 3 einen beispielhaften Verlauf einer der Signalleitung zugeordneten Messkapazität in Gegenüberstellung zu einer der Testleitung zugeordneten Testkapazität (oberes Diagramm), den entsprechenden Verlauf eines durch Differenzbildung der Messkapazität und der Testkapazität gebildeten Differenzsignals (mittleres Diagramm) sowie den entsprechenden Verlauf eines durch Vergleich des Differenzsignals mit einem vorgegebenen Schwellwert erzeugten Ausgabesignals (unteres Diagramm),
5 in Darstellung gemäß 1 den dortigen Näherungssensor bei Annäherung der Hand an die Signalleitung,
6 in Darstellung gemäß 4 den Verlauf der Messkapazität, der Testkapazität, des Differenzsignals und des Ausgabesignals für den Fall gemäß 5,
7 in Darstellung gemäß 1 eine alternative Ausführung des Näherungssensors, wobei die Messelektrode als Empfangselektrode ausgebildet ist, und wobei der Näherungssensor eine zusätzliche Sendeelektrode umfasst,
8 in Darstellung gemäß 2 die Auswerteelektronik des Näherungssensors gemäß 7,
9 in Darstellung gemäß 1 den Näherungssensor gemäß 7 bei Annäherung einer Hand an die Empfangselektrode,
10 in Darstellung gemäß 1 den Näherungssensor gemäß 7 bei Annäherung der Hand an die Signalleitung, und
11 in Darstellung gemäß 2 eine weitere Ausführungsform der Auswerteelektronik für den Näherungssensor gemäß 7.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in grober schematischer Vereinfachung einen kapazitiven (Näherungs-)Sensor 1. Der Sensor 1 umfasst eine Messelektrode 2, die durch einen Außenleiter 3 eines Koaxialkabels 4 gebildet ist. Das Koaxialkabel 4 umfasst zusätzlich zu dem Außenleiter 3 einen Innenleiter 5. Der Innenleiter ist hierbei koaxial im Inneren des hohlzylindrischen Außenleiters 3 geführt, wobei der Außenleiter 3 zu dem Innenleiter 5 durch einen Isolationsmantel 6 aus elektrisch-nichtleitendem Kunststoff auf Abstand gehalten wird. Der Außenleiter 3 ist wiederum von einer (nicht explizit dargestellten) Isolierung umgeben. Bei dem Koaxialkabel 4 handelt es sich insbesondere um ein handelsübliches Koaxialkabel. Entsprechend ist der Innenleiter 5 vorzugsweise durch einen verseilten oder verdrillten Litzenleiter gebildet. Der als Messelektrode 2 dienende Außenleiter 3 ist vorzugsweise entweder durch eine leitfähige Metallfolie oder durch ein Drahtgeflecht gebildet.
Zusätzlich zu dem Koaxialkabel 4 umfasst der Sensor 1 eine Auswerteelektronik 7, eine Signalleitung 8, über die der als Messelektrode 2 dienende Außenleiter 3 des Koaxialkabels 4 mit der Auswerteelektronik 7 elektrisch verbunden ist, sowie eine Testleitung 9, über die der Innenleiter 5 des Koaxialkabels 4 elektrisch leitend mit der Auswerteelektronik 7 verbunden ist. Bei der Signalleitung 8 und der Testleitung 9 handelt es sich um einfache, vorzugsweise isolierte Draht- oder Litzenleitungen, die nebeneinander geführt sind. Vorzugsweise sind die Signalleitung 8 und die Testleitung hierbei in Form einer Zwillingsleitung parallel zueinander geführt oder miteinander verdrillt.
In der Ausführungsform gemäß 1 arbeitet der Näherungssensor 1 nach dem Ein-Elektroden-Prinzip. Entsprechend legt die Auswerteelektronik 7 im Betrieb des Sensors 1 an die Messelektrode 2 ein Anregungssignal A in Form einer elektrischen Wechselspannung an. Unter Wirkung des Anregungssignals A emittiert die Messelektrode 2 ein elektrisches (Detektions-)Feld F_D in einem umgebenden Raumbereich, der nachfolgend als Detektionsraum 10 bezeichnet ist. Das Detektionsfeld F_D erstreckt sich hierbei zwischen der Messelektrode 2 und Masse M, so dass zwischen der Messelektrode 2 und Masse M ein elektrischer Kondensator gebildet ist. Bei Einsatz des Näherungssensors 1 in einem Kraftfahrzeug ist die Masse M insbesondere durch den Erdboden sowie durch elektrisch leitende Teile der geerdeten Fahrzeugkarosserie gebildet.
Zeitgleich mit dem Anlegen des Anregungssignals A legt die Auswerteelektronik 7 ein Anregungssignal A' an die Testleitung 9, und somit den Innenleiter 5 an. Bei dem Testsignal A' handelt es sich um eine elektrische Wechselspannung, die mit dem Anregungssignal A identisch ist, d. h. die gleiche Signalstärke, Signalform, Frequenz- und Phasenlage aufweist. Aufgrund der gleichphasigen Erregung liegen der Innenleiter 5 und der als Messelektrode 2 dienende Außenleiter 3 stets auf gleichem elektrischen Potential, dass eine Feldausbreitung zwischen dem Innenleiter 5 und dem Außenleiter 3 unterbunden ist. Somit wird der Innenleiter 5 durch den Außenleiter 3 elektrisch gegenüber dem Detektionsraum 10 abgeschirmt.
Wie in 1 schematisch angedeutet ist, erzeugen die Signalleitung 8 und die Testleitung 9 unter Wirkung des jeweiligen Anregungssignals A bzw. A' ein elektrisches Streufeld F_S mit einer gegenüber dem Detektionsfeld F_D wesentlich geringeren Signalstärke.
Wie in 2 näher dargestellt ist, umfasst die Auswerteelektronik 7 zwei Signalerzeugungsschaltreise 20 und 21 zur Erzeugung des Anregungssignals A bzw. des Anregungssignals A', die beispielsweise durch elektrische Oszillatoren gebildet sind. Der Signalerzeugungsschaltkreis 20 ist hierbei mit der Signalleitung 8 verbunden, während der Signalerzeugungsschaltkreis 21 mit der Testleitung 9 verbunden ist.
Den Signalerzeugungsschaltkreisen 20 und 21 und der Signalleitung 8 bzw. Testleitung 9 ist jeweils ein (Strom-)Messglied 22 bzw. 23 zwischengeschaltet. Die Messglieder 22, 23 sind beispielsweise durch Messwiderstände (Shunts) gebildet und messen den in der jeweils zugeordneten Leitung fließenden Strom. Jedes Messglied 22, 23 gibt dabei ein stromproportionales Spannungssignal an ein nachgeschaltetes Kapazitätsmessglied 24 bzw. 25 ab. Das von dem Messglied 22 ausgegebene Spannungssignal, das die Stromstärke in der Signalleitung 8 anzeigt, ist dabei als Messsignal I_M bezeichnet. Das von dem Messglied 23 ausgegebene Spannungssignal, das die Stromstärke in der Testleitung 9 anzeigt, ist als Testsignal I_T bezeichnet.
Jedes Kapazitätsmessglied 24, 25 berechnet anhand des zugeführten Messsignals I_M bzw. Testsignals I_T ein elektrisches Gleichspannungssignal, das proportional zu der an der Signalleitung 8 bzw. der Testleitung 9 messbaren elektrischen Kapazität ist. Das von dem Messglied 24 erzeugte Signal, das der Signalleitung 8 zugeordnet ist, ist dabei nachfolgend vereinfachend als Messkapazität C_M bezeichnet. Das von dem Messglied 25 erzeugte und der Testleitung 9 zugeordnete Signal ist vereinfachend als Testkapazität C_T bezeichnet.
Das Strommessglied 22 bildet somit zusammen mit dem Kapazitätsmessglied 24 einen ersten Auswerteschaltkreis 26 zur Berechnung der (Mess-)Kapazität C_M. In gleicher Weise bildet das Strommessglied 23 zusammen mit dem Kapazitätsmessglied 25 einen zweiten Auswerteschaltkreis 27 der (Test-)Kapazität C_T.
Die Messkapazität C_M und die Testkapazität C_T werden innerhalb der Auswerteelektronik 7 einem Differenzierglied 28 zugeführt. Das Differenzierglied 28 erzeugt ein Differenzsignal ΔC, das zu der Differenz der Messkapazität C_M und der Testkapazität C_T proportional ist und leitet dieses Differenzsignal ΔC an einen nachgeschalteten Schwellwertfilter 29 weiter. In dem Schwellwertfilter 29 wird das Differenzsignal ΔC mit einem vorgegebenen Schwellwert C₀ verglichen. Der Schwellwertfilter 29 erzeugt nach Maßgabe dieses Vergleichs ein binäres Stufensignal, das von der Auswerteelektronik 7 als Ausgabesignal S ausgegeben wird. Das Ausgabesignal S hat hierbei beispielsweise den Wert 0, wenn das Differenzsignal ΔC den Schwellwert C₀ unterschreitet, und den Wert 1, wenn das Differenzsignal ΔC den Schwellwert überschreitet.
Der beschriebene Näherungssensor 1 wird insbesondere als berührungsloser Türschalter in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, der eine automatische Auslösung einer Türöffnung durch eine Hand- oder Fußbewegung ermöglicht. Das Koaxialkabel 4 mit dem als Messelektrode 2 wirkenden Außenleiter 3 ist dabei im Bereich einer Außenverkleidung des Kraftfahrzeugs angebracht und detektiert die vorübergehende Annäherung der Hand oder des Fußes anhand der typischerweise damit verbundenen Änderung der Messkapazität C_M.
Die Funktionsweise des Näherungssensors 1 ist anhand der 3 bis 6 näher dargestellt. Aus 3 ist dabei ersichtlich, dass ein an die Messelektrode 2 angenähertes Körperteil, hier eine Hand 30, im Detektionsfeld F_D als zusätzliche Gegenelektrode wirkt und somit die Messkapazität C_M für die Dauer der Annäherung vergrößert.
Wie im oberen Diagramm der 4 exemplarisch dargestellt ist, äußert sich eine vorübergehende Bewegung der Hand 30 in Nähe der Messelektrode 2 im Diagramm gegen die Zeit t in einem pulsartigen Anstieg der Messkapazität C_M. Infolge der elektrischen Abschirmung durch den Außenleiter 3 wird der Innenleiter 5 des Koaxialkabels 4 von der Annäherung der Hand 30 dagegen nicht oder allenfalls schwach beeinflusst. Die Annäherung der Hand 30 äußert sich daher – wie im oberen Diagramm der 4 ebenfalls eingetragen – in einer allenfalls schwachen Änderung der Testkapazität C_T.
Wie aus dem mittleren Diagramm der 4 zu entnehmen ist, wird das Differenzsignal ΔC somit im Wesentlichen durch die Messkapazität C_M geprägt. Der zeitliche Verlauf des Differenzsignals ΔC entspricht somit im Wesentlichen dem zeitlichen Verlauf der Messkapazität C_M, so dass bei hinreichender Annäherung der Hand 30 an die Messelektrode 2 das Differenzsignal ΔC den Schwellwert C₀ überschreitet. Wie im unteren Diagramm der 4 dargestellt ist, führt dies dazu, dass der Schwellwertfilter 29 den Wert des Ausgabesignals S vorübergehend von 0 auf 1 schaltet.
In 5 ist schematisch angedeutet, dass auch eine Annäherung der Hand 30 an die Signalleitung 8 eine Erhöhung der Messkapazität C_M bewirkt, da auch in diesem Fall die Hand 30 im Streufeld F_S der Signalleitung 8 als zusätzliche Gegenelektrode wirkt. Wie 6 zu entnehmen ist, wirkt die Hand 30 dabei aber auch auf die Testleitung 9. Dies hat – wie im oberen Diagramm der 6 zu erkennen ist – zur Folge, dass die Annäherung der Hand an die Signalleitung 8 zu einer qualitativ gleichen oder zumindest ähnlichen pulsartigen Erhöhung der Messkapazität C_M und der Testkapazität C_T führt. Wie aus dem mittleren Diagramm hervorgeht, wird die Änderung der Messkapazität C_M durch die Änderung der Testkapazität C_T vollständig oder zumindest annähernd kompensiert, so dass das Differenzsignal ΔC allenfalls eine geringe Änderung erfährt. Die Änderung des Differenzsignals ΔC ist dabei insbesondere derart gering, dass der Schwellwert C₀ nicht überschritten wird. Folglich verursacht die Annäherung der Hand 30 an die Signalleitung 8 keine Änderung des Ausgabesignals A, wie im unteren Diagramm der 6 angedeutet ist.
In den 7 bis 10 ist eine weitere Ausführungsform des Näherungssensors 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform arbeitet der Näherungssensor 1 nach dem Sender-Empfänger-Prinzip. Die durch den Außenleiter 3 des Koaxialkabels 4 gebildete Messelektrode 2 dient hierbei als reine Empfangselektrode. Zur Erzeugung des Detektionsfeldes F_D umfasst der Sensor hier eine weitere Sendeelektrode 70, die beispielsweise durch einen elektrischen Flachleiter gebildet ist, und die im Kraftfahrzeug in gewissem Abstand zu dem Koaxialkabel 4 angeordnet ist. Im Betrieb des Sensors 1 wird hier die Sendeelektrode 70 über eine Steuerleitung 71 mit dem Anregungssignal A beaufschlagt. Die Signalleitung 8 und die Testleitung 9 werden dagegen nicht durch die Auswerteelektronik 7 angeregt. Vielmehr wird in der Messelektrode 2 unter Wirkung des Detektionsfeldes F_D ein Stromfluss induziert.
Der Innenleiter 5 ist wiederum durch den Außenleiter 3 elektrisch abgeschirmt und wird somit von dem Detektionsfeld F_D nicht oder allenfalls marginal beeinflusst.
Wie in 7 angedeutet ist, bildet sich unter Wirkung des Anregungssignals A wiederum ein Streufeld F_S vergleichsweise geringer Stärke, das sich hier zwischen der Sendeelektrode 70 und der Signalleitung 8 sowie zwischen der Sendeelektrode 70 und der Testleitung 9 erstreckt. Unter Wirkung dieses Streufeldes F_S wird ein gewisser Stromfluss direkt in der Signalleitung 8 und der Testleitung 9 induziert.
Die Auswerteelektronik 7 des Sensors 1 gemäß 7 ist in 8 näher dargestellt. Darin ist erkennbar, dass die Auswerteelektronik 7 hier anstelle der Signalerzeugungsschaltkreise 20 und 21 einen Signalerzeugungsschaltkreis 80 umfasst, der das Anregungssignal A erzeugt und der Sendeelektrode 70 über die Steuerleitung 71 zuführt. Die Auswerteschaltkreise 26 und 27 sind hier wiederum durch die Strommessglieder 22 bzw. 23 und die nachgeschalteten Kapazitätsmessglieder 24 bzw. 25 gebildet, wobei die Strommessglieder 22 bzw. 23 hier beispielsweise als Transimpedanzverstärker ausgebildet und eingangsseitig mit der Signalleitung 8 bzw. mit der Testleitung 9 beschaltet sind. Im Übrigen gleicht die Auswerteelektronik 7 des Sensors 1 gemäß 7 hinsichtlich der Funktionsweise der anhand von 2 beschriebenen Ausführung der Auswerteelektronik 7.
Anhand der 9 und 10 ist verdeutlicht, dass die Annäherung eines Körperteils, insbesondere der Hand 30 an die Messelektrode 2 bzw. an die Signalleitung 8 die der Signalleitung 8 zugeordnete Messkapazität C_M und die der Testleitung 9 zugeordnete Testkapazität C_T in ähnlicher Weise beeinflusst wie im Falle des Sensors 1 gemäß 1. Somit werden auch bei dem Sensor 1 gemäß 7 Störereignisse, die lediglich auf die Signalleitung 8, nicht aber auf die Messelektrode 2 wirken, durch die Auswerteelektronik 7 erkannt und unterdrückt.
Eine weitere Ausführungsform der Auswerteelektronik 7 ist in 11 dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Auswerteelektronik 7 anstelle der beiden separaten Auswerteschaltkreise 26 und 27 einen einzigen Auswerteschaltkreis 110, der sowohl zur Bestimmung der Messkapazität C_M als auch zur Bestimmung der Testkapazität C_T dient. Der Auswerteschaltkreis 110 ist in gleicher Weise aufgebaut wie einer der Auswerteschaltkreise 26 oder 27 im Beispiel der 8. Er umfasst entsprechend ein Strommessglied 111 und ein nachgeschaltetes Kapazitätsmessglied 112. Das Strommessglied 111 wird hierbei zeitlich alternierend mittels eines Schaltelements 113 mit der Signalleitung 8 oder der Testleitung 9 verschaltet und berechnet entsprechend abwechselnd das Messsignal I_M und das Testsignal I_T. Das nachgeschaltete Kapazitätsmessglied 112 leitet hieraus entsprechend abwechselnd die Messkapazität C_M und die Testkapazität C_T ab. Die berechneten Werte für die Messkapazität C_M und die Testkapazität C_T werden für die anschließende Subtraktion in dem Differenzierglied 28 in jeweils einem zugehörigen Speichermodul 114 bzw. 115 zwischengespeichert. Das Kapazitätsmessglied 112 wird hierzu beispielsweise mittels eines weiteren Schaltelements 116 alternierend mit dem Speichermodul 114 und dem Speichermodul 115 verbunden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Auswerteschaltung 7 beispielhaft als (nicht-programmierbare) elektronische Hardware-Schaltung beschrieben. Alternativ ist die Funktionalität der Auswerteelektronik 7 ganz oder teilweise softwaretechnisch implementiert. Die Steuerschaltung 7 ist hierbei im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem die Funktionalität der Auswerteschaltkreise 26, 27 und 110, des Differenzierglieds 28 und des Schwellwertfilters 29 durch Softwaremodule abgebildet sind.
Obwohl die Erfindung anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiele besonders deutlich wird, ist der Umfang der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale miteinander auch in anderer Weise kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: (Näherungs-)Sensor
2: Messelektrode
3: Außenleiter
4: Koaxialkabel
5: Innenleiter
6: Isolationsmantel
7: Auswerteelektronik
8: Signalleitung
9: Testleitung
10: Detektionsraum
20: Signalerzeugungsschaltkreis
21: Signalerzeugungsschaltkreis
22: (Strom-)Messglied
23: (Strom-)Messglied
24: (Kapazitäts-)Messglied
25: (Kapazitäts-)Messglied
26: Auswerteschaltkreis
27: Auswerteschaltkreis
28: Differenzierglied
29: Schwellwertfilter
30: Hand
70: Sendelektrode
71: Steuerleitung
80: Signalerzeugungsschaltkreis
110: Auswerteschaltkreis
111: (Strom-)Messglied
112: (Kapazitäts-)Messglied
113: Schaltelement
114: Speichermodul
115: Speichermodul
116: Schaltelement
A: Anregungssignal
A': Anregungssignal
C₀: Schwellwert
C_M: (Mess-)Kapazität
C_T: Testkapazität
I_M: Messsignal
I_T: Testsignal
F_D: Detektionsfeld
F_S: Streufeld
M: Masse
S: Ausgabesignal
ΔC: Differenzsignal
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010011656 U1 [0006, 0007]

Claims

Kapazitiver Näherungsensor (1) mit einer Messelektrode (2), mit einer Auswerteelektronik (7) und mit einer die Messelektrode (2) mit der Auswerteelektronik (7) verbindenden Signalleitung (8), – wobei die Messelektrode (2) durch den Außenleiter (3) eines Koaxialkabels (4) gebildet ist, das zusätzlich zu dem Außenleiter (3) einen koaxial im Inneren des Außenleiters (3) geführten Innenleiter (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass neben der Signalleitung (8) eine Testleitung (9) geführt ist, die den Innenleiter (5) des Koaxialkabels (4) mit der Auswerteelektronik (7) verbindet, und – dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, ein durch die Signalleitung (8) zugeführtes Messsignal (I_M) vergleichend mit einem durch die Testleitung (9) zugeführten Testsignal (I_T) auszuwerten.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) innerhalb der Auswerteelektronik (7) alternativ und wechselweise mit einem Auswerteschaltkreis (110) verbindbar sind, – dass der Auswerteschaltkreis (110) dazu eingerichtet ist, anhand des durch die Signalleitung (8) zugeführten Messsignals (I_M) bzw. anhand des durch die Testleitung (9) zugeführten Testsignals (I_T) jeweils ein zugehöriges Kapazitätsmaß (C_M, C_T) zu bestimmen, und – dass die Auswerteelektronik (7) zur vergleichenden Auswertung der Kapazitätsmaße (C_M, C_T) eingerichtet ist.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) in zeitlich alternierendem Wechsel mit dem Auswerteschaltkreis (110) zu verbinden, und das dem Messsignal (I_M) zugeordnete Kapazitätsmaß (C_M) sowie das dem Testsignal (I_T) zugeordnete Kapazitätsmaß (C_T) abwechselnd zu bestimmen.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) in zeitlich alternierendem Wechsel mit einem Anregungssignal (A, A') zu beaufschlagen.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) innerhalb der Auswerteelektronik (7) getrennt voneinander mit jeweils einem zugeordneten Auswerteschaltkreis (26, 27) verbunden sind, – dass die Auswerteschaltkreise (26, 27) dazu eingerichtet sind, anhand des durch die Signalleitung (8) zugeführten Messsignals (I_M) bzw. anhand des durch die Testleitung (9) zugeführten Testsignals (I_T) jeweils ein zugehöriges Kapazitätsmaß (C_M, C_T) zu bestimmen, und – dass die Auswerteelektronik (7) zur vergleichenden Auswertung der Kapazitätsmaße (C_M, C_T) eingerichtet ist.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, das dem Messsignal (I_M) zugeordnete Kapazitätsmaß (C_M) sowie das dem Testsignal (I_T) zugeordnete Kapazitätsmaß (C_T) exakt oder zumindest näherungsweise zeitgleich zu bestimmen.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) gleichzeitig mit gleichphasigen, insbesondere identischen Anregungssignalen (A, A') zu beaufschlagen.
Näherungssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, im Falle einer detektierten Messsignaländerung nach Maßgabe der vergleichenden Auswertung des Messsignals (I_M) und des Testsignals (I_T) zwischen einem durch die Messelektrode (2) hervorgerufenen Messereignis und einem durch die Signalleitung (8) und/oder die Testleitung (9) hervorgerufenen Störereignis zu unterscheiden, und die Messsignaländerung in letzterem Fall zu unterdrücken.
Näherungssensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, ein Ausgabesignal (S) auszugeben, dass aus einem aus dem Messsignal (I_M) und dem Testsignal (I_T) mittelbar oder unmittelbar gebildeten Differenzsignal (ΔC) abgeleitet ist.
Näherungssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (8) und die Testleitung (9) als Zwillingsleitung parallel geführt oder miteinander verdrillt sind.