DE102012224037A1

DE102012224037A1 - Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung und hochempfindlicher kapazitiver Näherungssensor, insbesondere zur Messung kleiner Kapazitäten/Ladungen und/oder Kapazitäts-/Ladungs-Änderungen

Info

Publication number: DE102012224037A1
Application number: DE201210224037
Authority: DE
Inventors: Jörg Schulz
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bidirektionalen Ladungsübertragung zwischen einem Messkondensator (Cx) und einem Ladekondensator (CL) ausschließlich über einen elektronisch bzw. elektrisch steuerbaren elektronischen Umschalter (S2), wobei a) zwischen dem Eingangsanschluss (1) des Umschalters (S2) und Schaltungsmasse (MS) ein Störunterdrückungskondensator (C26, C3) geschaltet ist, dessen Kapazität ebenso wie die Messkondensators (Cxd) um ein mehrfaches kleiner ist wie die Kapazität des an einen (4) der beiden Umschaltkontakte (3, 4) angeschlossenen Ladekondensators (CL) zur gezielten, impulsartigen Entladung des Messkondensators (Cx), b) eine Ansteuereinheit (AE) als niederohmige Impulsspannungsquelle mit ihrem Ausgang sowohl an den Anschluss 2 als auch an den Umschaltkontakt 3 des Umschalters S2 angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Umschalter-gesteuerte bidirektional arbeitende Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung zur möglichst effektiven bzw. verlustarmen Übertragung zumindest eines Teils der Ladung des mehrmalig gezielt über einen elektronischen Umschalter auf- und entladbaren, anschließbaren/angeschlossenen Messkondensators nach jedem Aufladevorgang auf einen Umschaltkontakt-seitigen Ladekondensator als Messsignal-Ausgang für eine anschließbare/angeschlossene Auswerteeinheit.
Es sind kapazitiv arbeitende Ladungsübertragungs- und Messschaltungen bekannt, insbesondere für Näherungsschalter und/oder Näherungssensoren, um die auf einen Lade- bzw. Speicherkondensator über einen elektronischen Umschalter rückübertragene Ladung bzw. die Kapazitätsänderung eines Messkondensators zu bestimmen. Problematisch ist dies hinsichtlich der Messgenauigkeit und Mess- bzw. Reaktionsgeschwindigkeit, insbesondere bei kleiner Messkapazität (kleinen Messkapazitäten) bzw. kleiner Differenzladungsmenge (kleinen Differenzladungsmengen). Gerade bei Näherungssensoren kommen elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Störungen hinzu, die die Funktionsfähigkeit und/oder die Messgenauigkeit der Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung bzw. des Näherungssensors negativ beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladungsübertragungs-Vorrichtung anzugeben, die einerseits selbst wenig Hf-Störstrahlung abgibt, andererseits bzgl. des Messsignals und der Arbeitssicherheit wenig anfällig für von extern eingekoppelte Störstrahlung ist, aber trotzdem sich diese Maßnahmen möglichst wenig auf die Messsignalgröße auswirken.
Gelöst ist diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale. Erläuterungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen, den Unteransprüchen und in der Beschreibung angegeben.
Die erfindungsgemäße Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) dient zur bidirektionalen Ladungsübertragung zwischen einem Messkondensator und einem Ladekondensator, die ausschließlich über einen elektronisch bzw. elektrisch steuerbaren elektronischen Umschalter erfolgt. Wesentlich ist ein Entstörkondensator und ein Ankoppelnetzwerk am Eingang des Umschalters, der/das sowohl die Ströabstrahlung durch die Vorrichtung bzw. seine Messelektrode selbst reduziert als auch die negative Beeinflussung des Messsignals durch von extern eingekoppelte Strahlung reduziert. Diese Maßnahmen führen üblicherweise zu einer verringerten Messempfindlichkeit, die jedoch durch eine bestimmte Abfolge der Spannungsimpulse einer Ansteuereinheit für den Umschalter und der Ausnutzung einer (geringen) Umschaltverzögerung minimal gemacht werden. Wesentlich ist auch eine Induktivität, die zwischen dem Mittelkontakt des Umschalters und dem Anschluss für die Messelektrode bzw. dem Messkondensator geschaltet, insbesondere als Teil eines Ankoppelnetzwerkes mit mindestens einem Widerstand und mindestens einem Kondensator. Einerseits ist dadurch die Beeinflussung des Messsignales durch eingekoppelte Störstrahlung reduzierbar, insbesondere durch hochfrequente Strahlung (einige hundert Kilohertz und mehr), und andererseits läßt sich bei geeigneter Dimensionierung der Spuleeigenschaften in Verbindung mit den ohmschen bzw. komplexen Widerständen des Umschalters und/oder den anderen Bauelementen des Ankoppelnetzwerkes überraschenderweise eine Erhöhung des Messignals erreichen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) und eine erfindungsgemäße, kapazitiv arbeitende Näherungssensorschaltung NS zur möglichst störsignalarmen Übertragung zumindest eines Teils der Ladung des mehrmalig gezielt über den Umschalter (S2) auf- und entladbaren (1–3; 1–4), angeschlossenen geerdeten Messkondensators (Cx), der durch eine mit dem Eingang E verbundene Messelektrode EL und ein nicht gezeigtes angenähertes geerdetes Subjekt und/oder Objekt gebildet ist, z.B. ein in Richtung der Elektrode EL ausgestreckter Fuß, wobei die Elektrode (oder mehrere) vzw. auf und/oder in der Karosserie eines Kfz fixiert ist und durch die Detektion einer dynamische Annäherung dieses Körperteils z.B. die Heckklappe des Kfz automatisch geöffnet werden kann.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) und eine erfindungsgemäße, kapazitiv arbeitende Sensorschaltung RS zur möglichst störsignalarmen Übertragung zumindest eines Teils der Ladung des mehrmalig gezielt über den Umschalter S2 auf- und entladbaren (1–3; 1–4), angeschlossenen Messkondensators Cx bzw. Kondensator-Bauelementes, dessen Kapazität bestimmt werden soll.
1: Durch die zwei in Reihe geschalteten Spulen (L) bzw. Induktivitätsbauelemente (LB) kann die Vorrichtung (V) bzw. die Schaltung bzw. der Näherungssensor bzw. das Näherungssensorgerät möglichst störungs- und fehlerfrei arbeiten, wobei die parasitäre Gesamtkapazität der Anordnung durch zwei solche Bauelemente geringer ist als bei einem einzigen Bauelement mit gleicher Gesamtinduktivität. Bei geeigneter Dimensionierung jeder Spule (L) bzw. jedes Induktivitätsbauelementes (LB) ist überraschenderweise nicht nur eine Verringerung der Störabstrahlung und verringerte Empfindlichekit für Störeinstrahlung erreichbar, sondern auch eine nicht zu erwartende Erhöhung des Messsignals feststellbar. Generell gesagt: Wesentlich ist eine Induktivität, die zwischen dem Mittelkontakt 1 des Umschalters S2 und dem Anschluss E für die Messelektrode EL bzw. dem Messkondensator Cx geschaltet ist, insbesondere als Teil eines Ankoppelnetzwerkes ANmit mindestens einem Widerstand R43, R42, R1 und mindestens einem Kondensator C28, C26, C3. Einerseits ist dadurch die Beeinflussung des Messsignales durch eingekoppelte Störstrahlung reduzierbar, insbesondere durch hochfrequente Strahlung (einige hundert Kilohertz und mehr), und andererseits läßt sich bei geeigneter Dimensionierung der Spuleeigenschaften in Verbindung mit den ohmschen bzw. komplexen Widerständen des Umschalters und/oder den anderen Bauelementen des Ankoppelnetzwerkes überraschenderweise eine Erhöhung des Messignals erreichen.
Der Anschluss 2 und der Anschluss 3 des elektronisch bzw. elektrisch umsteuerbaren elektronischen Schalters S2, vzw. CMOS-Umschalters, sind galvanisch miteinander und mit einer niederohmigen Spannungsquelle in Form einer Ansteuereinheit AE verbunden, die vzw. eine internen Impulsgenerator und einen Impulsformer IF aufweist.
Diese besondere Schalter-S2-Anschlüsseverbindung in Verbindung mit dieser besonderen Impulsspannungsquelle gestattet
Bezugszeichenliste

A: Anschluss und/oder Ausgang
AE: Ansteuereinheit als besondere Impulsspannungsquelle
AM: Messsignalausgang für den Anschluss an den Messsignaleingang der Auswerteeinrichtung AWE, vzw. direkt am Ladekondensator CL
AWE: Auswerteeinrichtung
E: Eingang
K: Konditioniereinrichtung zur optimalen Gestaltung und Gewinnung des Mess- bzw. Ausgangssignales (AM), die z.B. von der Auswerteeinrichtung versorgbar und/oder steuerbar ist und z.B. aus einem Widerstand R1 (2) oder einem Widerstand R5 und einem parallelgeschalteten Kondensator C5 (2) besteht
LV: Bidirektionale Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung zwischen mindestens einem Messkondensator Cx und genau einem Ladekonsator CL bzw. Vorrichtung zur bidirektionalen Ladungsübertragung, wobei diese bidirektionale Ladungsübertragung ausschließlich über einen elektrisch bzw. elektronisch steuerbaren elektronischer Umschalter S2 bzw. eine elektronische Schaltereinheit S2 mit Umschaltfunktion erfolgen kann
M: Masse
ME: Erdmasse, Erdung
MS: Schaltungsmasse, die mit dem zweiten Anschluss der Messkondensators bzw. der „Erdelektrode“ bzw. Erde möglichst niederohmig verbunden ist
NG: Kapazitiv arbeitendes Näherungssensorgerät
NS: Kapazitiv arbeitende Näherungssensor-Schaltung, die für ein kapazitiv arbeitendes Näherungssensorgerät NG geeignet ist
P: (Spannungs)Potenzial
PR: Referenz(spannungs)potenzial
PRME: Erdmasse als Referenzpotenzial PR
PRMS: Schaltungsmasse als Referenzpotenzial PR
RG: Kapazitiv arbeitendes Sensorgerät
RS: Kapazitiv arbeitende Sensor-Schaltung, die für ein kapazitiv arbeitendes Sensorgerät RG geeignet ist
SA: Schaltungsanordnung
S1: Elektronischer Umschalter zu Abgleichzwecken
S2: Elektrisch bzw. elektronisch steuerbarer elektronischer Umschalter bzw. elektronische Schaltereinheit S2 mit Umschaltfunktion
S3: Elektronischer Kurzschlussschalter zum Kurzschließen des Ladekondensators CL, damit der Ladekondensator vor dem Entladevorgang auf ein definiertes Referenzpotenzial PR entladbar ist, vzw. auf Schaltungsmasse PRMS
1: Messkondensator-Cx-seitiger Mittelanschluss des Umschalters S2
3: Ladekondensator-CL-seitiger Umschaltanschluss des Umschalters S2, über den in der Stellung 1–3 des Umschalters S2 der Messkondensator Cx durch eine Umschaltanschluss-3-seitige Spannungsquelle aufladbar ist
4: Ladekondensator-CL-seitiger Umschaltanschluss des Umschalters S2, über den in der Stellung 1–4 des Umschalters S2 der Messkondensator Cx durch eine Umschaltanschluss-4-seitigen Ladekondensator CL entladbar ist

Claims

Verfahren zur bidirektionalen Ladungsübertragung zwischen einem Messkondensator (Cx) und einem Ladekondensator (CL) ausschließlich über einen elektronisch bzw. elektrisch steuerbaren elektronischen Umschalter (S2), wobei a) zwischen dem Eingangsanschluss (1) des Umschalters (S2) und Schaltungsmasse (MS) ein Störunterdrückungskondensator (C26, C3) geschaltet ist, dessen Kapazität ebenso wie die Messkondensators (Cxd) um ein mehrfaches kleiner ist wie die Kapazität des an einen (4) der beiden Umschaltkontakte (3, 4) angeschlossenen Ladekondensators (CL) zur gezielten, impulsartigen Entladung des Messkondensators (Cx), b) eine Ansteuereinheit (AE) als niederohmige Impulsspannungsquelle mit ihrem Ausgang sowohl an den Anschluss 2 als auch an den Umschaltkontakt 3 des Umschalters S2 angeschlossen ist, mit folgenden Verfahrensschritten: c) Abgabe eines betragsmäßig großen Spannungspulses durch die Ansteuereinheit (AE) an den Steueranschluss (2), so dass der Umschalter (S2) die erste Schaltstellung (1–3) erreicht und dadurch und durch das Anliegen diesen betragsmäßig großen Spannung an dem ersten Umschaltkontakt (3) der Messkondensator (Cx) aufgeladen wird und nach Impulsende aufgeladen ist, wobei zwischen dem Messkondensator (Cx) bzw. des Messelektrode (EL) ein Ankoppelnetzwerk liegt, dass aus einem parallelen, mit Schaltungsmasse verbundenen Kondensator (C3, C26) besteht und zumindest entweder aus einem seriellen Widerstand (R43, R42, R1) und/oder mindestens einem seriellem Kondensator (C28), d) Abgabe eines betragsmäßig kleinen oder sehr kleinen Spannungspulses, z.B. mit dem Betrag Null, durch die Ansteuereinheit AE an den Steueranschluss (2), so dass durch die kleine bzw. sehr kleine, aber vorhandene Umschaltverzögerung des Umschalters (S2) zunächst der parallele Entstörkondensator (C26, C3) stark entladen wird, der Messkondensator (Cx) aufgrund des vorhandenen Ankoppel- und Schutznetzwerkes (AN) wenig, und nach Erreichen der zweiten Umschalterposition (1–4) der Entstörkondensator (C26, C3) stark entladen ist und der Messkondensator (Cx) ausschließlich über die zweite Umschalter-(S2-)Stellung (1–4) auf den Ladekondensator (CL) entladen wird und für eine Auswerteeinheit (AE) zur Verfügung steht, wobei dessen, gegenüber dem Messkondensator (Cx) und Entstörkondensator (C26, C3) um ein Mehrfaches größere Kapazität sicherstellt, dass der größte Teil der vom Messkondensator (Cx) abgezogenen Ladung zum Ladekondensator (CL) gelangt und nicht zum Entstörkondensator (C26, C3).
Elektronische Umschalter-(S2-)gesteuerte Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgehenden Ansprüche und zur Übertragung zumindest eines Teils der Ladung des mehrmalig gezielt über den Umschalter (S2) auf- und entladbaren (1–3; 1–4), anschließbaren/angeschlossenen (E) Messkondensators (Cx) nach jedem Aufladevorgang auf einem Umschaltkontakt-(4-)seitigen Ladekondensator (CL) als Messsignal-Ausgang (AM) für eine anschließbare/angeschlossene Auswerteeinheit (AWE), wobei a) dieser elektronische Umschalter (S2) für diese bidirektionale, Umschalter Ladungsübertragung zum/vom Messkondensator (Cx) mittels einer elektronischen Ansteuervorrichtung (AE) umsteuerbar (1–3; 1–4) ist und b) zwischen dem Eingangsanschluss (E) und dem Mittelanschluss (1) des Umschalters (S2) direkt oder indirekt eine Induktivität (L), vzw. eine Spule bzw. ein entsprechendes SMD-Bauelement (LB), geschaltet ist, wobei dieses Induktivitätsbauelement (LB) so gestaltet und/oder dimensioniert ist, dass im Betriebszustand der Vorrichtung (V) b1) über den Eingang (E) und/oder zwischen Eingang (E) und dem Induktivitätsbauelement (LB) eingestrahlte oder eingekoppelte elektromagnetische, elektrische und/oder magnetische Störungen das Messsignal am Ausgang (A2) bzw. am zweiten Anschluss des Entladekondensators (CL) weniger stören bzw. beeinflussen und/oder b2) bei vorhandenem Induktivitätsbauelement (LB) und durch dieses ein größeres Messsignal, d.h. mehr Ladung am Ausgang (A2) bzw. am zweiten Anschluss des Entladekondensators (CL) zur Verfügung stellbar ist bzw. gestellt ist, was gleichbedeutend mit höherer Ladungsübertragungseffizienz ist.
Elektronische Umschalter-(S2-)gesteuerte Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) zur zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und zur aufeinanderfolgenden Auf- und Entladung eines an diese Vorrichtung (V) anschließbaren bzw. angeschlossenen Messkondensators (Cx) über diesen elektronischen, über eine elektronische Ansteuervorrichtung (AE) umsteuerbaren elektronischen Schalters (S2) mit Umschaltfunktion (Cx-Auflade- bzw. -Entladestellung: 1–3 bzw. 1–4), d.h. mit einem ersten Umschaltkontakt (3), einem zweiten, Ladekondensator-(CL-)seitigen Umschaltkontakt (4) und einem Eingangsseitigem (E) bzw. Messkondensator-(Cx-)seitigem Mittelanschluss (1), wobei im Betriebsfall a) der teilweise über diesen Schalter (S2) auf den Ladekondensator (CL) gezielt entladene bzw. entladbare Messkondensators (Cx) in einer ersten Schaltstellung (1–3; Aufladestellung mit der Dauer TS2a) des Schalters (S2) während oder innerhalb der Dauer (TS2a) dieser Aufladestellung aufladbar ist (Aufladephase Ta), wobei während der Aufladephase (Ta) eine bestimmte Referenzspannung (U3r) einer in –oder externen Spannungs- bzw. Stromquelle (V3i, V3e mit AWE-P5) zumindest zeitweilig am ersten Umschaltkontakt (3) des Schalters (S2) ansteht, so dass der an den Eingang (E) angeschlossene Messkondensator (Cx), vzw. in Form einer sensitiven Elektrode (EL) eines kapazitiv arbeitenden Näherungsssensors (NS), während der Ladestellung des Schalters (S2) bzw. zumindest zum Ende der Aufladephase (Ta) eine höhere Spannung und/oder Ladung erreichen kann, b) der so aufgeladene Messkondensators (Cx) in einer zweiten Schaltstellung (1-4; Entladestellung mit der Dauer TS2e) des Schalters (S2) ausschließlich über diesen (S2: 1–4) gezielt auf den Ladekondensator (CL, zweiter Anschluss) zumindest teilweise entladbar ist und so während der Entladestellung (TS2e) eine zur Messung durch eine Auswerteeinheit (AWE) bestimmte Ladungsmenge (?) auf den Ladekondensator (CL) während einer Entladezeit (Ta4) übertragbar ist, wobei der Ladekondensator (CL) mit seinem ersten Anschluss auf konstantem Referenzpotenzial, vzw. auf Schaltungsmasse (MS), liegt, c) die Vorrichtung (LV) weiterhin aufweist: c1) besagten Umschalter (S2) c2) besagten Ladekondensator (CL), dessen zweiter Anschluss (ACL) den Messsignal-Ausgang (AM) der Vorrichtung (LV) für eine Auswerteeinheit (AWE) bildet oder mit diesem Messsignal-Ausgang (AM) galvanisch verbunden ist, c3) einer Kurzschlusseinrichtung (K), die den Ladekondensator (CL) kurzschließt, so dass der zweite Anschluss auf dem gleichen Referenzpotenzial (MS) liegt wie sein erster Anschluss und so Ladekondensator (CL) zu 8 mindest unmittelbar vor Beginn der Entladestellung (1–4) des Schalters (S2) definiert entladen ist, c4) besagte interne Referenzspannungsquelle (V3i) für den Anschluss (3) des Schalters (S2) und/oder einen Anschluss für eine externe Referenzspannungsquelle (V3e, P6 in AWE), c5) einen zweipoligen Eingang (E, EM) Anschlüsse für den Messkondensator (Cx), vzw. für mindestens eine sensitive Elektrode (EL) eines kapazitiv arbeitenden Näherungsssensors zur Detektion eines geerdeten Subjektes und/oder Objektes, c6) ein Ankoppelnetzwerk (AN) zwischen dem Eingang (E) der Vorrichtung (LV) und dem Mittelanschluss (1) des Schalters (S2), dass zumindest ein in Reihe zu diesen beiden Anschlüssen geschaltetes Induktivitätsbauelement (BL) aufweist, das direkt oder indirekt zwischen diese beiden Anschlüsse (E, 1 von S2) geschaltet ist, wobei dieses Induktivitätsbauelement (BL) so gestaltet und/oder dimensioniert ist, dass im Betriebszustand der Vorrichtung (LV) c6a) über den Eingang (E) und/oder zwischen Eingang (E) und dem Induktivitätsbauelement (BL) eingestrahlte oder eingekoppelte elektromagnetische, elektrische und/oder magnetische Störungen das Messsignal am Ausgang (A2) bzw. am zweiten Anschluss des Entladekondensators (CL) weniger stören bzw. beeinflussen und/oder c6b) bei vorhandenem Induktivitätsbauelement (BL) und durch dieses ein größeres Messsignal, d.h. mehr Ladung am Ausgang (A2) bzw. am zweiten Anschluss des Entladekondensators (CL) zur Verfügung stellbar ist bzw. gestellt ist, was gleichbedeutend mit höherer Ladungsübertragungseffizienz ist.
Vorrichtung (LV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei oder mehr in Reihe geschalteten Induktivitätsbauelementen (BL), wodurch die durch ein einziges Induktivitätsbauelement (BL) zu realisierende Induktivität nicht vergrößert ist, aber die wirksame, parasitäre Gesamtkapazität verkleinert ist.
Kapazitiver Näherungssensor mit mindestens einer flächigen Elektrode (EL) zur Detektion der Annäherung eines geerdeten (ME) Subjektes und/oder Objektes mit einer Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung (LV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode(n) (EL) an den Eingang (E) der Vorrichtung (LV) und eine Auswerteeinheit (AWE) an den Ausgang der Vorrichtung (LV) angeschlossenen ist (sind).
Kraftfahrzeug (Kfz) mit einem kapazitiver Näherungssensor nach Anspruch x, wobei die mindestens eine Elektrode (EL) an einem Karosserieteil so angebracht ist, dass die Annäherung, vzw. die Annäherung und Entfernung, insbesondere die Dynamik der Annäherung bzw. der Annäherung und Entfernung, einer Person bzw. dessen Körperteiles oder Körperteile durch diesen Näherungssensor detektierbar ist (sind) und mit Hilfe des Messsignal-relevanten Ausgangssignales der Auswerteeinheit (AWE) die Öffnung einer Tür des Kfzs, insbesondere seiner Heckklappe, steuerbar ist.