DE102012100762A1 - Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors und optoelektronischer Annäherungssensor - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors und optoelektronischer Annäherungssensor Download PDF

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Dr. Müller Christian
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors (1) angegeben, wobei der Annäherungssensor (1) ein strahlungsemittierendes Bauelement (2), ein strahlungsdetektierendes Bauelement (3) und eine Steuereinheit (4) aufweist. Das strahlungsemittierende Bauelement (2) wird mit einem gepulsten Strom (Ie) betrieben, wobei der gepulste Strom während einer Messperiode (Tm) eine Einzeit (ton) und eine Auszeit (toff) aufweist, und die Steuereinheit (4) ein Detektorsignal (Id) des strahlungsdetektierenden Bauelements (3) während der Einzeit (ton) auswertet und die Einzeit (ton) beendet, wenn das Detektorsignal (Id) einen Schwellwert (Ith) überschreitet. Weiterhin wird ein optoelektronischer Annäherungssensor (1) angegeben, der mit dem Verfahren betrieben werden kann.

Description

  • Optoelektronische Annäherungssensoren werden in der Regel dazu eingesetzt, die Annäherung eines Objekts zu detektieren und gegebenenfalls einen Schaltvorgang auszulösen.
  • Beispielsweise kann ein optoelektronischer Annäherungssensor dazu verwendet werden, ein elektronisches Gerät ein- oder auszuschalten, wenn es von einem Benutzer berührt wird oder sich ein Körperteil des Benutzers in geringer Entfernung zum Gerät befindet.
  • Ein optoelektronischer Annäherungssensor enthält typischerweise ein strahlungsemittierendes Bauelement und ein daneben angeordnetes strahlungsdetektierendes Bauelement, wobei das strahlungsdetektierende Bauelement die von einem Objekt reflektierte Strahlung des strahlungsemittierenden Bauelements empfängt, wenn sich ein solches Objekt in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors befindet. Mit anderen Worten beruht die Funktion eines optoelektronischen Annäherungssensors auf dem Prinzip einer Reflexlichtschranke.
  • Um eine hohe Empfindlichkeit und/oder eine große Reichweite des optoelektronischen Annäherungssensors zu erzielen, muss das strahlungsemittierende Bauelement mit einer vergleichsweise hohen Stromstärke betrieben werden. Die Stromaufnahme eines optoelektronischen Annäherungssensors wird daher wesentlich von der Stromaufnahme des strahlungsemittierenden Bauelements bestimmt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors und einen optoelektronischen Annäherungssensor anzugeben, bei dem der Stromverbrauch des strahlungsemittierenden Bauelements vermindert ist, ohne die Empfindlichkeit und/oder die Reichweite des optoelektronischen Annäherungssensors wesentlich zu beeinträchtigen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors und einen optoelektronischen Annäherungssensor gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Bei dem Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors weist der Annäherungssensor gemäß einer Ausgestaltung mindestens ein strahlungsemittierendes Bauelement auf. Das strahlungsemittierende Bauelement ist vorzugsweise ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement. Bei dem strahlungsemittierenden Bauelement handelt es sich vorzugsweise um eine LED, insbesondere um eine Infrarot-LED. Beispielsweise kann eine Infrarot-LED mit einer Wellenlänge von etwa 850 nm verwendet werden.
  • Weiterhin weist der optoelektronische Annäherungssensor ein strahlungsdetektierendes Bauelement auf. Das strahlungsdetektierende Bauelement ist dazu geeignet, die an einem Objekt reflektierte Strahlung des strahlungsemittierenden Bauelements zu detektieren. Das strahlungsdetektierende Bauelement ist vorzugsweise ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor.
  • Weiterhin weist der optoelektronische Annäherungssensor eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist insbesondere zur Ansteuerung des strahlungsemittierenden Bauelements und des strahlungsdetektierenden Bauelements sowie zur Auswertung eines Detektorsignals des strahlungsdetektierenden Bauelements vorgesehen. Die Steuereinheit kann beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob ein Detektorsignal des strahlungsdetektierenden Bauelements einen Schwellwert überschreitet oder nicht, ein logisches Ausgangssignal ausgeben, z. B. "L", falls sich kein Objekt in der Nähe des Annäherungssensors befindet und somit der Schwellwert des Detektorsignals nicht überschritten wird, oder "H", falls sich ein Objekt in der Nähe des Annäherungssensors befindet und somit der Schwellwert des Detektorsignals überschritten wird. Ein Ausgangssignal der Steuereinheit kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen elektrischen Schaltvorgang auszulösen.
  • Das strahlungsemittierende Bauelement wird vorteilhaft mit einem gepulsten Strom betrieben. Auf diese Weise wird in periodischen Abständen eine Messung durchgeführt, ob sich ein Objekt in der Nähe des Annäherungssensors befindet oder nicht. Die Messperiode Tm, das heißt die Periode des gepulsten Stroms des strahlungsemittierenden Bauelements, kann beispielsweise zwischen einschließlich 1 ms und einschließlich 2000 ms betragen. Während einer Messperiode Tm weist der gepulste Strom des strahlungsemittierenden Bauelements eine Einzeit ton und eine Auszeit toff auf. Die Einzeit ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Auszeit und auch wesentlich kleiner als die Messperiode Tm. Die Einzeit ton kann beispielsweise zwischen einschließlich 1 µs und 100 ms betragen. Das Tastverhältnis ton / Tm des gepulsten Stroms des strahlungsemittierenden Bauelements ist vorteilhaft kleiner als 1/10, vorzugsweise kleiner als 1/100 oder sogar kleiner als 1/1000. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass das strahlungsemittierende Bauelement nur während eines geringen Bruchteils der Messperiode betrieben wird, wodurch der Stromverbrauch des optoelektronischen Annäherungssensors vermindert wird.
  • Eine vorteilhafte weitere Verminderung des Stromverbrauchs des optoelektronischen Annäherungssensors wird gemäß dem hier vorgeschlagenen Prinzip dadurch erreicht, dass die Steuereinheit ein Detektorsignal des strahlungsdetektierenden Bauelements während der Einzeit auswertet und die Einzeit beendet, wenn das Detektorsignal einen Schwellwert überschreitet. Bei dem Detektorsignal kann es sich um den Fotostrom des strahlungsdetektierenden Bauelements oder eine daraus abgeleitete Größe handeln, beispielsweise das Integral über den Fotostrom während der Einzeit oder eine zur Kompensation des Einflusses des Umgebungslichts berechnete Differenzgröße zwischen dem Fotostrom und einem aus dem Unmgebungslicht resultierenden Fotostrom. Dadurch, dass die Steuereinheit die Einzeit beendet, wenn das Detektorsignal während der Einzeit einen Schwellwert überschreitet, verkürzt sich die Einzeit während einer Messperiode, in der ein Objekt in der Nähe des Annäherungssensors detektiert wird.
  • Mit anderen Worten wird das Tastverhältnis ton / Tm der gepulsten Stromstärke des strahlungsemittierenden Bauelements durch die Steuereinheit vermindert, wenn das Detektorsignal einen Schwellwert überschreitet hat, d. h. wenn ein Objekt durch den optoelektronischen Annäherungssensor detektiert wird. Auf diese Weise kann der Stromverbrauch des optoelektronischen Annäherungssensors im Vergleich zu einem optoelektronischen Annäherungssensor, bei dem der Strom des strahlungsemittierenden Bauelements ein fest vorgegebenes Tastverhältnis ton / Tm aufweist, deutlich vermindert werden. Das Tastverhältnis der gepulsten Stromstärke ist also von der Stärke des Detektorsignals abhängig und um so geringer, je näher sich ein Objekt an dem optoelektronischen Annäherungssensor befindet und/oder je besser das Objekt die Strahlung des strahlungsemittierenden Bauelements reflektiert.
  • Wenn das Detektorsignal während der Einzeit des strahlungsemittierenden Bauelements den vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet, emittiert das strahlungsemittierende Bauelement vorteilhaft einen Puls mit einer vorgegebenen maximalen Einzeit, für die der optoelektronische Annäherungssensor die für die jeweilige Anordnung erforderliche Empfindlichkeit aufweist. Da die Einzeit des gepulsten Stroms des strahlungsemittierenden Bauelements nur dann vermindert wird, wenn das Detektorsignal den Schwellwert überschreitet, wird die Empfindlichkeit des optoelektronischen Annäherungssensors in Zeitbereichen, in denen sich kein Objekt in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors befindet, das ein ausreichend hohes Detektorsignal bewirkt, vorteilhaft nicht vermindert.
  • Durch die Anpassung des Tastverhältnisses des gepulsten Stroms des strahlungsemittierenden Bauelements wird daher eine Verminderung des Stromverbrauchs des strahlungsemittierenden Bauelements in Zeiträumen erzielt, in denen sich ein Objekt in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors befindet, ohne die Empfindlichkeit in den Zeiträumen herabzusetzen, in denen sich kein Objekt in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors befindet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Messperiode des optoelektronischen Annäherungssensors zwischen einschließlich 1 ms und einschließlich 2000 ms.
  • Wenn das Detektorsignal den Schwellwert nicht überschreitet, weist die Stromstärke des strahlungsemittierenden Bauelements während einer Messperiode eine vorgegebene maximale Einzeit auf. Die maximale Einzeit beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 µs und 100 ms.
  • Bei dem Verfahren vermindert sich die Einzeit, wenn das Detektorsignal den Schwellwert überschreitet. Eine maximale Verminderung der Einzeit tritt bei einem maximalen Detektorsignal ein, also wenn sich ein reflektierendes Objekt in einer so geringen Entfernug vom Annäherungssensor befindet, dass das Dektorsignal einen vom Strom des strahlungsemittierenden Bauelements und der Geomtrie der Anordnung abhängigen Maximalwert errreicht. Vorzugseise wird die Einzeit bei dem maximalen Detektorsignal im Vergleich zur maximalen Einzeit um mindestens einen Faktor 10, bevorzugt um mindestens einen Faktor 100 oder sogar um mindestens einen Faktor 1000 vermindert.
  • Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist der Strom des strahlungsemittierenden Bauelements während der Einzeit eine Pulssequenz auf. Bei dieser Ausgestaltung emittiert also das strahlungsemittierende Bauelement während der Einzeit nicht einen einzigen Puls, sondern eine Sequenz vieler aufeinander folgender Pulse. In diesem Fall ist die Pulsdauer der einzelnen Pulse der Pulsfrequenz vorzugsweise wesentlich kleiner als die Einzeit, insbesondere um mindestens einen Faktor 10 kleiner als die Einzeit. Bei dieser Ausgestaltung wird hier und im Folgenden unter der Einzeit ton des gepulsten Stroms die Dauer der Pulssequenz und unter dem Tastverhältnis des gepulsten Stroms das Verhältnis der Dauer der Pulssequenz ton zur Messperiode Tm verstanden. Das Beenden der Einzeit erfolgt bei dieser Ausgestaltung in gleicher Weise wie in dem Fall, in dem die gepulste Stromstärke während der Einzeit einen einzelnen Puls emittiert. Die Steuereinheit beendet in diesem Fall also nicht einen einzelnen Puls des Stroms des strahlungsemittierenden Bauelements, sondern die Pulssequenz, wenn das Detektorsignal den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
  • Der optoelektronische Annäherungssensor ist vorzugsweise dazu ausgelegt, Objekte in vergleichsweise geringen Entfernungen zu detektieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Detektorsignal den Schwellwert überschreitet, wenn sich ein Objekt in einer Entfernung von weniger als 2 cm, weniger als 5 cm oder weniger als 10 cm von dem Annäherungssensor befindet.
  • Es wird weiterhin ein optoelektronischer Annäherungssensor angegeben, der dazu eingerichtet ist, mit dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Die zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens gelten auch für den optoelektronischen Annäherungssensor und umgekehrt.
  • Insbesondere wird ein optoelektronischer Annäherungssensor mit einem strahlungsemittierenden Bauelement, einem strahlungsdetektierenden Bauelement und einer Steuereinheit angegeben, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das strahlungsemittierende Bauelement mit einem gepulsten Strom zu betreiben, wobei der gepulste Strom während einer Messperiode eine Einzeit und eine Auszeit aufweist. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein Detektorsignal des strahlungsdetektierenden Bauelements während der Einzeit auszuwerten und die Einzeit zu beenden, wenn das Detektorsignal einen Schwellwert überschreitet.
  • Es wird weiterhin ein elektronisches Gerät mit dem beschriebenen optoelektronischen Annäherungssensor angegeben. Das elektronische Gerät kann insbesondere eine berührungsempfindliche Eingabe- und Anzeigevorrichtung (Touchscreen) enthalten. Der optoelektronische Annäherungssensor kann insbesondere dazu vorgesehen sein, eine derartige berührungsempfindliche Eingabe- und Anzeigevorrichtung ein- oder auszuschalten, wenn das Detektorsignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
  • Bei dem elektronischen Gerät kann es sich beispielsweise um ein Mobiltelefon, einen Tablet-PC oder ein Navigationsgerät handeln. Im Fall eines Mobiltelefons kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mittels des optoelektronischen Annäherungssensors während eines Telefonats ermittelt wird, ob das Mobiltelefon sich am Ohr des Benutzers befindet. In diesem Fall kann der optoelektronische Annäherungssensor beispielsweise die Reflektion der von dem strahlungsemittierenden Bauelement emittierten Strahlung am Ohr und/oder an der Wange des Benutzers detektieren. Der optoelektronische Annäherungssensor kann in diesem Fall einen Schaltvorgang auslösen, durch den vorteilhaft die berührungsempfindliche Eingabe- und Anzeigevorrichtung des Mobiltelefons während der Dauer des Telefonats abgeschaltet wird. Auf diese Weise wird während der Zeit des Anrufs eine unerwünschte Auslösung von Funktionen des Bedienfelds vermieden und ein unnötiger Stromverbrauch durch die Eingabe- und Anzeigevorrichtung vermieden. Während der Zeit des Telefonats, bei dem das Mobiltelefon sich am Kopf des Benutzers befindet, besteht ein geringer Abstand zwischen dem optoelektronischen Annäherungssensor und dem als Reflektor wirkenden Kopf des Benutzers, so dass das Detektorsignal schon nach kurzer Dauer eines Pulses oder einer Pulssequenz den Schwellwert überschreitet. Somit kann mit dem hierin beschriebenen Verfahren insbesondere während der Dauer eines Telefonats der Stromverbrauch des optoelektronischen Annäherungssensors eines Mobiltelefons erheblich vermindert werden.
  • In einer beispielhaften Berechnung wurde ein Strom des strahlungsemittierenden Bauelements von 200 mA, ein Tastverhältnis von 0,0005, ein Stromverbrauch des Annäherungssensors bei ausgeschaltetem LED-Puls von 50 µA und ein Schwellwert des Detektorsignals, der sich für eine Objektentfernung von maximal 5 cm ergibt, angenommen. Dabei hat sich ergeben, dass der Stromverbrauch mit der hierin beschriebenen dynamischen Anpassung des Tastverhältnisses an die Stärke das Detektorsignals bei einem Telefonat von 200 s Dauer um 65 % reduziert werden kann, wenn die maximale Einzeit der Pulse zur Erzielung der höchsten Empfindlichkeit nur für eine Dauer von 3 s benötigt wird, weil sich während der restlichen Dauer des Telefonats das Mobiltelefon am Ohr des Benutzers befindet und somit die Einzeit der Pulse wegen eines starken Detektorsignals reduziert wird. Der Stromverbrauch vermindert sich bei Anwendung des hier beschriebenen Betriebsverfahrens im Vergleich zum Betrieb ohne Anpassung der Einzeit der Pulse an die Stärke des Detektorsignals noch stärker, wenn der Schwellwert für eine größere maximale Objektentfernung von beispielsweise 10 cm oder sogar 20 cm eingestellt ist.
  • Der optoelektronische Annäherungssensor kann selbstverständlich auch bei anderen elektronischen Geräten mit Vorteil zur Auslösung eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit davon, ob ein Benutzer das Gerät berührt oder sich in unmittelbarer Nähe des Annäherungssensors befindet, eingesetzt werden. Dies ist insbesondere bei mobilen Geräten vorteilhaft, die im Akku-Betrieb benutzt werden, wobei eine automatische Ein- und/oder Ausschaltung des Geräts in Abhängigkeit von der Position des Benutzers die Laufzeit des Akkus wesentlich verlängern kann. Beispielsweise kann der optoelektronische Annäherungssensor in eine 3D-Shutter-Brille integriert sein, die zur dreidimensionalen Wiedergabe von Filmen verwendet wird, um die Brille einzuschalten wenn der Benutzer sie aufsetzt, und auszuschalten, wenn der Benutzer die Brille wieder absetzt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Annäherungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2A und 2B eine schematische grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stroms Ie des strahlungsemittierenden Bauelements bei einem schwachen Detektorsignal und einem starken Detektorsignal bei einem optoelektronischen Annäherungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Detektorsignals Id sowie des Stroms Ie des strahlungsemittierenden Bauelements während der Einzeit eines Pulses bei einem optoelektronischen Annäherungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
  • 4A und 4B eine schematische grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stroms Ie des strahlungsemittierenden Bauelements bei einem starken Detektorsignal und einem schwachen Detektorsignal bei einem optoelektronischen Annäherungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Der in 1 dargestellte optoelektronische Annäherungssensor 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein strahlungsemittierendes Bauelement 2 und ein strahlungsdetektierendes Bauelement 3 auf. Das strahlungsemittierende Bauelement 2 und das strahlungsdetektierende Bauelement 3 können beispielsweise nebeneinander auf einer gemeinsamen Leiterplatte montiert sein. Das strahlungsemittierende Bauelement 2 ist vorzugsweise ein strahlungsemitierendes Halbleiterbauelement. Das strahlungsemittierende Bauelement ist beispielsweise eine Lumineszenzdiode, insbesondere eine Infrarot-Lumineszenzdiode. Insbesondere kann das strahlungsemittierende Bauelement 2 eine IR-LED sein, die beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 850 nm aufweist.
  • Das strahlungsemittierende Bauelement 2 emittiert elektromagnetische Strahlung 6 in eine Abstrahlrichtung. Wenn sich ein Objekt 5 in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors 1 befindet, wird die von dem strahlungsemittierenden Bauelement 2 emittierte elektromagnetische Strahlung 6 an diesem reflektiert. Das reflektierende Objekt 5 kann insbesondere ein Körperteil eines Benutzers sein, der ein elektrisches Gerät benutzt, in das der optoelektronische Annäherungssensor integriert ist. Wenn sich das reflektierende Objekt 5 in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors 1 befindet, trifft zumindest ein Teil der an dem Objekt 5 reflektierten elektromagnetischen Strahlung 7 auf das strahlungsdetektierende Bauelement 3 auf. Das strahlungsdetektierende Bauelement 3 ist vorzugsweise ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein anderes Halbleiterbauelement, das zur Detektion der reflektierten Strahlung 7 geeignet ist.
  • Weiterhin umfasst der optoelektronische Annäherungssensor 1 eine Steuereinheit 4, die insbesondere zur elektrischen Ansteuerung des strahlungsemittierenden Bauelements 2 und des strahlungsdetektierenden Bauelements 3 vorgesehen ist. Die Steuereinheit 4 dient auch zur Auswertung eines Detektorsignals des strahlungsdetektierenden Bauelements 3. Die Steuereinheit 4 kann beispielsweise einen integrierten Schaltkreis (IC), insbesondere einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), aufweisen. Es ist auch möglich, dass das strahlungsdetektierende Bauelement 3 und/oder das strahlungsemittierende Bauelement 2 ein Halbleiterbauelement ist, das in einen als Steuereinheit fungierenden ASIC integriert ist. Beispielsweise kann das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement 3 eine monolithisch in einen ASIC integrierte Fotodiode sein.
  • Das strahlungsemittierende Bauelement 2 wird bei dem optoelektronischen Annäherungssensor 1 mit einer gepulsten Stromstärke betrieben. Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der gepulsten Stromstärke Ie(t) ist schematisch in 2A dargestellt. Während einer Messperiode Tm ist das strahlungsemittierende Bauelement 2 während einer Einzeit ton eingeschaltet und danach für die restliche Zeit toff der Messperiode Tm ausgeschaltet. Die Messperiode Tm beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 ms und 2000 ms.
  • Die Einzeit ton ist bei dem optoelektronischen Annäherungssensor 1, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, von der Stärke des mit dem strahlungsdetektierenden Bauelements 3 detektierten Detektorsignals abhängig. Die Einzeit ton ist maximal, wenn das Detektorsignal einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet, also insbesondere dann, wenn sich kein Objekt 5 in der Nähe optoelektronischen Annäherungssensors befindet. Die maximale Einzeit ton ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Auszeit toff während einer Messperiode Tm. Die maximale Einzeit ton, wenn das Detektorsignal den Schwellwert nicht überschreitet, kann beispielsweise zwischen 1 µs und 100 ms betragen.
  • Das Verhältnis Einzeit ton zur Messperiode Tm, also das Tastverhältnis ton / Tm der gepulsten Stromstärke Ie(t), beträgt vorteilhaft weniger als ein 1/10, bevorzugt weniger als ein 1/100 oder sogar weniger als ein 1/1000.
  • 3 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Stromstärke Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements 2 (untere Grafik) sowie des daraus resultierenden Detektorsignals Id(t) (obere Grafik) während einer Einzeit ton einer Messperiode, wobei Ie(t) und Id(t) in willkürlichen Einheiten dargestellt sind. Der Strom Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements 2 (Kurve 8) erreicht schon nach sehr kurzer Zeit seinen Maximalwert, so dass die Pulse des strahlungsemittierenden Bauelements 2 nahezu rechteckförmig sind. Während eines Pulses des strahlungsemittierenden Bauelements 2 nähert sich das Detektorsignal Id(t), beispielsweise der Fotostrom, gemäß einer Exponentialfunktion einem Maximalwert an, der von dem Abstand und der Reflektivität des detektierten Objekts 5 abhängt.
  • Die Steuereinheit 4 des optoelektronischen Annäherungssensors 1 misst das Detektorsignal Id(t) während der Einzeit und vergleicht das Detektorsignal mit einem vorgegebenen Schwellwert Ith. Die Steuereinheit 4 kann beispielsweise ein logisches Ausgangssignal ausgeben, das davon abhängt, ob der Schwellwert Ith überschritten wird oder nicht. Auf diese Weise kann insbesondere ein Schaltvorgang ausgelöst werden, wenn sich ein Objekt 5 in der Nähe des optoelektronischen Annäherungssensors 1 befindet, das ein Detektorsignal Id(t) auslöst, das den Schwellwert Ith überschreitet.
  • Die Kurve 9 in 3 stellt ein Detektorsignal Id(t) dar, das erst am Ende einer Einzeit von beispielsweise ton = 40 µs den Schwellwert Ith erreicht. In diesem Fall befindet sich also ein Objekt 5 in der maximalen Entfernung vom optoelektronischen Annäherungssensor 1, in der gerade noch der Schwellwert Ith des Detektorsignals erreicht und beispielsweise ein Schaltvorgang von der Steuereinheit 4 ausgelöst wird. Wenn sich das Objekt 5 in einer größeren Entfernung von dem optoelektronischen Annäherungssensor 1 befinden würde und/oder eine geringere Reflektivität aufweisen würde, würde das Detektorsignal Id(t) während der Einzeit ton den Schwellwert Ith nicht erreichen und somit kein Schaltvorgang ausgelöst.
  • Die Kurve 10 in 3 zeigt ein Beispiel für ein Detektorsignal Id(t), das sich bei der Anwesenheit eines Objekts ergibt, das einen deutlich geringeren Abstand als dem zum Erreichen des Schwellwerts Ith vorgesehenen maximalen Abstands aufweist. In diesem Fall überschreitet das Detektorsignal Id(t) schon nach kurzer Zeit den Schwellwert Ith und würde ohne weitere Maßnahmen bis zum Ende der Einzeit auf einen Maximalwert ansteigen, der erheblich größer als der Schwellwert Ith ist. Bei dem hierin beschriebenen optoelektronischen Annäherungssensor wird in diesem Fall aber vorteilhaft die Einzeit des strahlungsemittierenden Bauelements beendet, wenn das Detektorsignal Id(t) den Schwellwert Ith überschritten hat. Der Zeitpunkt tcut, an dem die Einzeit beendet wird, kann unmittelbar mit dem Überschreiten des Schwellwerts Ith durch das Detektorsignal Id(t) zusammenfallen oder, beispielsweise aufgrund einer geringfügigen Schaltverzögerung, kurz nach dem Überschreiten des Schwellwerts Ith liegen. In 3 ist der Abschaltzeitpunkt tcut durch die senkrechte Linie 11 dargestellt. Bei einem starken Detektorsignal Id(t), das beispielhaft als Kurve 10 dargestellt ist, wird also der in der Grafik rechts von der senkrechten Linie 11 dargestellte Teil der Kurve 8 nicht durchlaufen, sondern der Strom Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements bereits zum Zeitpunkt tcut abgeschaltet.
  • Im Fall eines starken Detektorsignals wird der optoelektronische Annäherungssensor 1, wie in 2B schematsich dargestellt, mit einer verkürzten Einzeit ton des gepulsten Stroms Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements 2 betrieben, da die Einzeit ton von der Steuereinheit 4 zum Zeitpunkt tcut beendet wird. Die Einzeit ton erreicht bei dem optoelektronischen Annäherungssensor 1 also nur dann einen vorgegebenen Maximalwert, wenn das strahlungsdetektierende Bauelement 3 kein Detektorsignal detektiert, das den Schwellwert Ith überschreitet. Wenn das Detektorsignal dagegen den Schwellwert Ith überschreitet, wird die Einzeit ton beendet, sobald die Steuereinheit 4 ein Überschreiten des Schwellwerts Ith registriert hat. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den Stromverbrauch des optoelektronischen Annäherungssensors 1 wesentlich zu reduzieren, während ein Objekt 5 von dem optoelektronischen Annäherungssensor 1 detektiert wird.
  • Die Verminderung der Einzeit ton ist umso stärker, je größer das Detektorsignal ist. Vorteilhaft wird die Einzeit für mindestens ein Detektorsignal, insbesondere bei dem von der Geometrie der Anordnung und dem Strom abhängigen maximalen Detektorsignal, um mindestens eine Faktor 10, vorzugsweise mindestens einen Faktor 100 oder sogar um mindestens einen Faktor 1000 vermindert.
  • Bei einer Ausgestaltung des optoelektronischen Annäherungssensors 1 emittiert das strahlungsemittierende Bauelement 2 während der Einzeit ton nicht einen einzigen Puls, sondern eine Pulssequenz. Der zeitliche Verlauf der Stromstärke Ie(t) bei dieser Ausgestaltung ist für ein Detektorsignal unterhalb des Schwellwerts Ith in 4A und für ein Detektorsignal oberhalb des Schwellwerts Ith in 4B schematisch dargestellt.
  • Wie in 4A dargestellt, weist die Stromstärke Ie(t) während der Einzeit ton eine Sequenz von Rechteckpulsen auf. Während einer Messperiode Tm ist das strahlungsemittierende Bauelement nach der Pulssequenz für eine Auszeit toff ausgeschaltet. Unter der Einzeit ton wird bei dieser Ausgestaltung die Dauer der Pulssequenz verstanden. Die Pulssequenz weist eine Periodendauer Tps auf, die vorzugsweise wesentlich kleiner als die Messperiode Tm ist. Beispielsweise gilt Tps / Tm < 1/10, bevorzugt Tps / Tm < 1/100 oder sogar Tps / Tm< 1/1000. Die kurzperiodische Modulation der Stromstärke Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements 2 während der Einzeit ton ist vorteilhaft auch im Detektorsignal feststellbar und dient insbesondere zur Verminderung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Bei der Auswertung des Detektorsignals können z. B. nicht modulierte Anteile des Detektorsignals, die z. B. durch den Einfluss von Umgebungslicht entstehen, herausgefiltert werden.
  • Wie in 4B dargestellt, wird wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel die Einzeit ton vermindert, wenn das Detektorsignal während der Einzeit ton den Schwellwert Ith überschreitet. Bei dieser Ausgestaltung bedeutet dies, dass die Pulssequenz des Stroms Ie(t) des strahlungsemittierenden Bauelements an einem Zeitpunkt tcut beendet wird, an dem das Detektorsignal den Schwellwert Ith überschritten hat. Die Dauer der Pulssequenz ton ist also bei einem starken Detektorsignal kürzer als bei einem Detektorsignal, das den Schwellwert Ith nicht überschreitet. Auf diese Weise wird der Stromverbrauch des optoelektronischen Annäherungssensors wie im Fall des Betriebs mit Einzelpulsen vorteilhaft vermindert.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Annäherungssensors (1), wobei – der Annäherungssensor (1) ein strahlungsemittierendes Bauelement (2), ein strahlungsdetektierendes Bauelement (3) und eine Steuereinheit (4) aufweist, – das strahlungsemittierende Bauelement (2) mit einem gepulsten Strom (Ie) betrieben wird, – der gepulste Strom (Ie) des strahlungsemittierenden Bauelements (2) während einer Messperiode (Tm) eine Einzeit (ton) und eine Auszeit (toff) aufweist, – die Steuereinheit (4) ein Detektorsignal (Id) des strahlungsdetektierenden Bauelements (3) während der Einzeit (ton) auswertet und die Einzeit (ton) beendet, wenn das Detektorsignal (Id) einen Schwellwert (Ith) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messperiode (Tm) zwischen 1 ms und 2000 ms beträgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Strom (Ie) des strahlungsemittierenden Bauelements (2) während einer Messperiode (Tm) eine vorgegebene maximale Einzeit (ton) aufweist, wenn das Detektorsignal (Id) den Schwellwert (Ith) nicht überschreitet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die maximale Einzeit (ton) zwischen 1 µs und 100 ms beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzeit (ton) bei einem maximalen Detektorsignal (Id) um minmdestens einen Faktor 10 vermindert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Einzeit (ton) bei einem maximalen Detektorsignal (Id) um mindestens einen Faktor 100 vermindert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Strom (Ie) des strahlungsemittierenden Bauelements (2) während der Einzeit (ton) einer Messperiode (Tm) eine Pulssequenz aufweist, wobei eine Periode (Tps) der Pulssequenz um mindestens einen Faktor 10 kleiner als die Einzeit (ton) ist.
  8. Optoelektronischer Annäherungssensor (1) mit einem strahlungsemittierenden Bauelement (2), einem strahlungsdetektierenden Bauelement (3) und einer Steuereinheit (4), wobei die Steuereinheit (4) dazu eingerichtet ist – das strahlungsemittierende Bauelement (2) mit einem gepulsten Strom (Ie) zu betreiben, wobei der gepulste Strom (Ie) während einer Messperiode (Tm) eine Einzeit (ton) und eine Auszeit (toff) aufweist, und – ein Detektorsignal (Id) des strahlungsdetektierenden Bauelements (3) während der Einzeit (ton) auszuwerten und die Einzeit (ton) zu beenden, wenn das Detektorsignal (Id) einen Schwellwert (Ith) überschreitet.
  9. Optoelektronischer Annäherungssensor (1) nach Anspruch 8, bei dem der gepulste Strom (Ie) des strahlungsemittierenden Bauelements (2) während einer Messperiode (Tm) eine vorgegebene maximale Einzeit (ton) aufweist, wenn das Detektorsignal (Id) den Schwellwert (Ith) nicht überschreitet.
  10. Optoelektronischer Annäherungssensor (1) nach Anspruch 9, bei dem die maximale Einzeit (ton) zwischen 1 µs und 100 ms beträgt.
  11. Optoelektronischer Annäherungssensor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Einzeit (ton) bei einem maximalen Detektorsignal (Id) um mindestens einen Faktor 10 vermindert wird.
  12. Optoelektronischer Annäherungssensor (1) nach Anspruch 11, bei dem die Einzeit (ton) bei einem maximalen Detektorsignal (Id) um mindestens einen Faktor 100 vermindert wird.
  13. Elektronisches Gerät, umfassend einen optoelektronischen Annäherungssensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12.
  14. Elektronisches Gerät nach Anspruch 13, wobei das elektronische Gerät eine berührungsempfindliche Eingabe- und Anzeigevorrichtung enthält.
  15. Elektronisches Gerät nach Anspruch 13 oder 14, wobei das elektronische Gerät ein Mobiltelefon, ein Tablet-PC oder ein Navigationsgerät ist.
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