DE102013013203A1

DE102013013203A1 - Kapazitiver Sensor zur Erfassung von Änderungen um einen Griff

Info

Publication number: DE102013013203A1
Application number: DE102013013203.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Eine Kapazitive Sensoreinrichtung dient zur Erfassung von Änderungen in einem sensoraktiven Bereich eines Sensors unter Erzeugung eines elektrischen Feldes. Der Sensor weist wenigstens eine erste das elektrische Feld erzeugende Sendeelektrode (2) auf. Eine Steuereinheit ist zur Auswertung der vom Sensor gemessenen Änderungen vorgesehen, wobei die Sendeelektrode (2) an die weitere Elektrode (1) gekoppelt ist und zwischen der weiteren Elektrode (1) und einem Bezugspotenzial angeordnet ist und im Betrieb mittels der Steuereinheit ein elektrisches Feld erzeugt. Ein Ausgang der Steuereinheit ist niederohmig mit der Sendeelektrode (2) und ein Eingang der Steuereinheit hochohmig mit der weiteren Elektrode (1) gekoppelt. Sendeelektrode (2) und weitere Elektrode (1) werden mit einem eigenständigen Signal gespeist werden, so dass sowohl die Sendeelektrode (2) als auch die weitere Elektrode (1) jeweils ein Sensorsignal aussenden, wobei die Sendeelektrode (2) und die weitere Elektrode (1) gegengekoppelt sind. Mittels der Steuereinheit wird eine Änderung der Kapazität zwischen weiterer Elektrode (1) und Bezugspotenzial detektiert wird. Dadurch dass die Sensorelektrode (2) und die weitere Elektrode (1) in einen Griff, vorzugsweise einen Türgriff eines Fahrzeugs integriert sind, wird es möglich, eine kapazitive Änderung um einen Griff zu erfassen und entsprechend zu reagieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Erfassung von Änderungen um einen Griff nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Griffe sind Teil einer Sache wie z. B. einer Tür, die in Form einer Klinke, eines Knaufs, eines Henkels, Bügels oder dergleichen vorkommen und ein Zupacken der Hand ermöglichen.
Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu Grunde liegenden DE 10 2008 035 627 A1 ist ein kapazitiver Sensor zur kapazitiven Messung von Änderungen mit einem sensoraktiven Bereich bekannt. Der Sensor besitzt wenigstens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine Sendelektrode ein elektrisches Feld erzeugt. Eine Treiber-/Auswerteeinheit ist zur Auswertung der vom Sensor gemessenen Änderungen vorgesehen. Eine weitere Elektrode ist kapazitiv an die Sendeelektrode gekoppelt, wobei die Sendeelektrode zwischen der weiteren Elektrode und einem Bezugspotenzial angeordnet ist. Ein Ausgang der Treiber-/Auswerteeinheit ist niederohmig mit der Sendeelektrode und ein Eingang der Treiber-/Auswerteeinheit hochohmig mit der weiteren Elektrode gekoppelt ist. Sendeelektrode und weitere Elektrode werden mit einem eigenständigen Signal gespeist, so dass sowohl die Sendeelektrode als auch die weitere Elektrode jeweils ein Sensorsignal aussenden, wobei die Sendeelektrode und die weitere Elektrode gegengekoppelt sind. Aufgrund des von der Sendeelektrode erzeugten elektrischen Feldes zwischen Sendeelektrode und weiterer Elektrode bildet sich ein elektrisches Feld zwischen weiterer Elektrode und dem Bezugspotenzial aus, wobei mittels der Treiber-/Auswerteeinheit eine Änderung der Kapazität zwischen weiterer Elektrode und Bezugspotenzial detektiert wird. Damit wird ein kapazitiver Sensor geschaffen, mit dem eine verlässliche Erfassung von Änderungen im Sensorumfeld erreicht werden kann und der auch bei einem Belag oder einer Benetzung hin zu einem Bezugspotenzial unempfindlich ist.
Im Stand der Technik sind bereits weitere kapazitive Sensoren in Griffen verbaut. Diese haben in den meisten Fällen die Aufgabe, eine kapazitive Änderung durch die Anwesenheit einer Hand zu registrieren und eine entsprechende Aktion auszulösen. Dabei ergibt sich das Problem, dass der kapazitive Sensor nicht zwischen einer menschlichen Hand und Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit unterscheiden kann, da Umwelteinflüsse ebenso wie die Hand eine kapazitive Änderung hervorrufen. Das führt oft zu einem unkontrolliertem Auslösen des kapazitiven Sensors, so dass die entsprechende Aktion nicht durch eine Hand, sondern durch Umwelteinflüsse ausgelöst wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine kapazitive Änderung um einen Griff zu erfassen und entsprechend zu reagieren.
Diese Aufgabe wird durch eine kapazitive Sensoreinrichtung zur Erfassung von Änderungen um einen Griff mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung zielt darauf ab, die im Stand der Technik auftretenden Probleme zu beseitigen. Die Erfindung unterscheidet zuverlässig zwischen kapazitiven Änderungen durch eine Hand oder durch Umwelteinflüsse. Auch unter Umwelteinflüssen bleibt dem Sensor seine Funktionalität erhalten und er kann sicher eine bewusste kapazitive Änderung registrieren. Für den kapazitiven Sensor wird eine Technologie nach der DE 10 2008 035 627 A1 verwendet, die es einer Sensorik ermöglicht, zwischen kapazitiven Änderungen zu unterscheiden, die z. B. zum einen durch Umwelteinflüsse und zum anderen durch eine menschliche Hand hervorgerufen werden.
Dabei wird die Sensorik vorzugsweise in den Griff integriert, kann aber auch an jeder anderen für den Sensor sinnvollen Position platziert werden. Nähert sich ein Objekt wie z. B. eine Hand dem Griff, registriert der Sensor diese kapazitive Änderung durch die Hand und führt eine vorher festgelegte Aktion aus. Der Sensor wird von möglichen Umwelteinflüssen auf oder um den Griff nicht in seiner Funktion beeinträchtigt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1a eine Ansicht einer möglichen Elektrodenanordnung eines kapazitiven Sensors,
1b die Feldlinienausbreitung der Elektrodenanordnung gemäß 1,
2 eine Elektrodenanordnung in einem Griff,
3 eine Hand im Detektionsbereich des Sensors im Griff,
4 die Feldlinienausbreitung der Elektrodenanordnung bei Annäherung der Hand gemäß 3,
5 Feuchtigkeit im Detektionsbereich des Sensors im Griff,
6 die Feldlinienausbreitung der Elektrodenanordnung bei Feuchtigkeit gemäß 5,
7, 8 Sensorsignal bei einer Hand und Feuchtigkeit im Detektionsbereich des Sensors
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Rahmen dieser Anmeldung werden die Begriffe „niederohmig” und „hochohmig” verwendet. Eine niederohmige Verbindung liegt vor, wenn die Sendeelektrode 2 direkt oder über einen Widerstand oder ein Widerstandsnetzwerk an einem Ausgang einer zeichnerisch nicht dargestellten Treiber-/Auswerteeinheit angeschlossen ist und die auftretende Kapazität gegen Masse zum Beispiel 80 pF beträgt, so dass das Signal an der Sendeelektrode so wenig „verschliffen” wird, dass sich keine Auswirkungen zeigen. Eine Objektannäherung mit einer Änderung von z. B. 1 pF ruft dann keine Wirkung im Ausgangssignal hervor. Hochohmig bedeutet, dass ein Signal, das über diesen Widerstand oder dieses Widerstandsnetzwerk geschickt wird, eine Veränderung zum Beispiel bei der Objektannäherung erfährt, die eindeutig erfasst werden kann und im Messsignal eine messbare Veränderung bewirkt. Im konkreten Fall liegt nach dieser Definition eine niederohmige Verbindung im Bereich von z. B. < 200 Ohm vor, während eine hochohmige Verbindung bei einem Widerstand im Bereich von z. B. > 50 kOhm vorliegt. Zwischen diesen Werten sind von beiden beschriebenen Szenarien Einflüsse festzustellen. Die hier genannten Werte sind abhängig von der verwendeten Messfrequenz. Wesentlich ist, dass ohne Objektannäherung die Spannung an der weiteren Elektrode 1 auf Grund der Kapazität zwischen Sendelektrode 2 und weiterer Elektrode 1 nahezu gleich groß ist wie die Spannung der Sendeelektrode 2. Dies kann durch Abnahme der Spannung der weiteren Elektrode 1 mittels eines hochohmigen Feldeffekttransistors oder einer hochohmigen Einkoppelung mittels eines hochohmigen Widerstandes in einen relativ niederohmigen Verstärkereingang erfolgen. Dies führt zu den unten genannten „weichen” und „starren” elektrischen Feldern. Eine derartige Ausgestaltung ist an sich aus der DE 10 2008 035 627 A1 bekannt, deren Inhalt hiermit durch Bezug auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, wobei soweit erforderlich ihr Inhalt auch hier beschrieben wird.
Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens einen kapazitiven Sensor, der in einen Griff 3 integriert ist. Dieser kann nur eine oder auch mehrere Aktionen ausführen, nachdem der Sensor eine bewusste kapazitive Änderung erfasst hat. Die Funktionsweise des kapazitiven Sensors wird anhand eines PKW-Türgriffes 3, als Beispiel für einen beliebigen Griff, beschrieben. Befindet sich eine Hand 4, also eine bewusst ausgelöste kapazitive Änderung im Detektionsbereich des Sensors, erfasst der Sensor diese kapazitive Änderung und entriegelt den PKW. Wird hingegen die kapazitive Änderung durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit hervorgerufen, erfolgt keine Aktion, wie das Ent- oder Verriegeln des PKW. zeigt eine mögliche Elektrodenanordnung des kapazitiven Sensors.
Wie aus der DE 10 2008 035 627 A1 bekannt, wird wenigstens eine Sendeelektrode 2 und wenigstens eine weitere Elektrode 1 für eine Elektrodenanordnung gemäß 1a verwendet. Zur robusten und zuverlässigen Detektion wird dabei von der im Stand der Technik bekannten reinen „active Guard”-Lösung abgegangen. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist die Sendeelektrode 2 niederohmig mit einer Steuereinheit verbunden, während die weitere Elektrode 1 hochohmig mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Elektroden werden jeweils mit einem eigenständigen Signal gespeist. Vielmehr wird an der weiteren Elektrode 1 ein Signal hochohmig abgegriffen, das ein Indikator für eine Veränderung der Kapazität zwischen der weiteren Elektrode 1 und einem Bezugspotenzial ist. Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, dass das Signal der Sendeelektrode 2 nicht wie im Stand der Technik von der Sensorelektrode abgegriffen, z. B. mit einem „hochohmigen” Eingang eines Impedanzwandlers, und dann „niederohmig” an eine Schirmelektrode, wie dies bei der bekannten „active Guard”-Lösung erfolgt, gegeben wird. Stattdessen wird die Sendeelektrode 2 mit einem eigenständigen Signal von der weiteren Elektrode 1 gespeist. Daraus folgt, dass wenn sich das Signal aufgrund von Verschmutzungen oder Benetzungen des Sensors verringert, nicht wie im Stand der Technik das Signal der Sendeelektrode verringert wird, sondern unbeeinflusst bleibt oder sogar vergrößert wird.
Die Sendeelektrode 2 wird mit einem Wechselstromsignal gespeist und aufgrund der Kapazität zwischen den beiden Elektroden folgt die weitere Elektrode 1 dem Signalverlauf an der Sendeelektrode 2. Die weitere Elektrode 1 strahlt somit das Wechselstromsignal ins Sensorumfeld ab. Damit verlaufen die elektrischen Feldlinien ohne ein Objekt gemäß 1b ins Umfeld. Das heißt: wenn aus irgendwelchen Gründen das „Signal” an der weiteren Elektrode 1 sich ändert, z. B. in Folge einer Benetzung verringert wird, wird das Signal an der Sendeelektrode 2 nicht wie im Stand der Technik mit verringert, sondern bleibt unbeeinflusst.
Im erfindungsgemäßen Verfahren bleibt bei einer irgendwie gearteten Änderung der Spannung an der weiteren Elektrode 1 die Sendeelektrode 2 weitestgehend unbeeinflusst. Bei einer theoretischen „Abnahme” der Spannung an der weiteren Elektrode 1 durch Wassereinfluss zwischen der weiteren Elektrode und umgebender Nassfläche wird der Feuchtefilm durch die dazwischen liegende Sendelektrode 2 direkt oder kapazitiv weiterhin mit der ursprünglichen, nicht veränderten Signalspannung beaufschlagt. Dies führt dazu, dass das Spannungssignal an der Sendeelektrode 2 höher ist als an der weiteren Elektrode 1. Im Ausführungsbeispiel wird durch die vorliegende Gegenkopplung der Elektroden bei „Abnahme” der Spannung an der weiteren Elektrode 1 die Spannung an der Sendeelektrode 2 erhöht, so dass die „Abnahme” der Spannung an der weiteren Elektrode 1 wieder ausgeglichen wird. Dies ist somit genau das Gegenteil der Lösungen im Stand der Technik.
Die Wirkweise und Feldlinienausbreitung der Elektroden gemäß 1b entspricht der aus DE 10 2008 035 627 A1 . Auch die Wirkweise des Sensors wird dort weiter erläutert. Sendeelektrode 2 und weitere Elektrode 1 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 2 in den Griff 3 integriert, können sich aber auch an jeder anderen für die Sensorfunktion sinnvollen Position befinden oder in jeder für die Sensorfunktion sinnvolle Anordnung angebracht werden.
Nähert sich eine menschliche Hand 4 dem Detektionsbereich des Sensors im Griff 3, registriert der Sensor eine kapazitive Änderung und entriegelt den PKW. Das starre elektrische Feld, welches die Sendeelektrode 2 abstrahlt, wird von der Hand 4 gemäß 3 aufgenommen, jedoch bildet die Hand 4 zusammen mit dem menschlichen Körper eine sehr große Masse und eine sehr große Kapazität zur Umgebung. Die Hand 4 bzw. der Körper kann mit dem starren Feld der Sendeelektrode 2 daher nicht beaufschlagt werden, um es über die kapazitive Kopplung an die weitere Elektrode 1 zu übertragen. Das starre Feld fließt über die Hand 4 ab. Die weitere Elektrode 1 erfährt auf Grund dessen eine Schwächung ihres weichen Feldes durch die Hand (Masse) und der Sensor registriert gemäß 4 eine kapazitive Änderung. Anders als im Stand der Technik bleibt die Amplitude des starren Feldes der Sendeelektrode 2 dabei gleich oder steigt etwas an.
Durch die aus der DE 10 2008 035 627 A1 bekannte Technologie ist der kapazitive Sensor im Griff 3 in der Lage zwischen einer Hand 4 und Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit 5 gemäß 5 zu unterscheiden. Wird eine kapazitive Änderung durch z. B. Feuchtigkeit 5 hervorgerufen, wird diese ebenso wie die Hand 4 vom Sensor detektiert. Das bedeutet, dass beide Objekte, also Hand 4 sowie Feuchtigkeit 5, eine kapazitive Kopplung mit dem Sensor aufbauen. Jedoch löst die Feuchtigkeit 5 im Gegensatz zur Hand 4 keine Aktion wie das Entriegeln des PKW aus. Ist der Griff 3 bzw. der Sensor von Feuchtigkeit 5 umgeben, wird diese vom starren elektrischen Feld der Sendeelektrode 2 erfasst und gemäß 6 mit diesem Feld beaufschlagt. Die Feuchtigkeit 5 führt nun selbst das starre elektrische Feld und überträgt es, über die kapazitive Kopplung, auf die weitere Elektrode 1. Das weiche elektrische Feld der weiteren Elektrode 1 wird dadurch mit dem starren elektrischen Feld verstärkt. Dieser Effekt hat zur Folge, dass das elektrische Feld der weiteren Elektrode 1 verstärkt oder geschwächt wird.
Dem Schwächen und Verstärken des elektrischen Feldes der weiteren Elektrode 1 folgt das Sensorsignal, indem es entsprechend gemäß 8 sinkt oder gemäß 7 steigt. Über das steigende Sensorsignal 7 gemäß 7 und eine vorher definierte Schaltschwelle 6 kann der Sensor zuverlässig die Annäherung der Hand 4 erkennen und den PKW entriegeln bzw. verriegeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008035627 A1 [0003, 0007, 0020, 0022, 0025, 0027]

Claims

Kapazitive Sensoreinrichtung zur Erfassung von Änderungen in einem sensoraktiven Bereich eines Sensors unter Erzeugung eines elektrischen Feldes, wobei der Sensor wenigstens zwei Elektroden aufweist, von denen wenigstens eine erste Elektrode eine das elektrische Feld erzeugende Sendeelektrode (2) ist, sowie mit einer Steuereinheit zur Auswertung der vom Sensor gemessenen Änderungen, wobei die Sendeelektrode (2) an die weitere Elektrode (1) gekoppelt ist und zwischen der weiteren Elektrode (1) und einem Bezugspotenzial angeordnet ist und im Betrieb mittels der Steuereinheit ein elektrisches Feld erzeugt, wobei ein Ausgang der Steuereinheit niederohmig mit der Sendeelektrode (2) und ein Eingang der Steuereinheit hochohmig mit der weiteren Elektrode (1) gekoppelt ist, wobei die Sendeelektrode (2) und die weitere Elektrode (1) mit einem eigenständigen Signal gespeist werden, so dass sowohl die Sendeelektrode (2) als auch die weitere Elektrode (1) jeweils ein Sensorsignal aussenden, wobei die Sendeelektrode (2) und die weitere Elektrode (1) gegengekoppelt sind, wobei sich aufgrund des von der Sendeelektrode (2) erzeugten elektrischen Feldes zwischen Sendeelektrode (2) und weiterer Elektrode (1) ein elektrisches Feld zwischen weiterer Elektrode (1) und einem Bezugspotenzial ausbildet, wobei mittels der Steuereinheit eine Änderung der Kapazität zwischen weiterer Elektrode (1) und Bezugspotenzial detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (2) und die weitere Elektrode (1) in einen Griff, vorzugsweise einen Türgriff eines Fahrzeugs integriert sind.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug das Bezugspotential bildet.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrode (2) ein „starres elektrisches Feld” ausbildet, das bei einer Masse (Hand 4) mit einer großen Kapazität zur Umgebung im sensoraktiven Bereich des Sensors über die Masse abfließt.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der weiteren Elektrode (1) ein „weiches elektrisches Feld” vorhanden ist und dass am Sensor vorhandene Feuchtigkeit (5) von einem an der Sendeelektrode (2) anliegenden „starren elektrischen Feld” erfasst und mit diesem so beaufschlagt ist, dass die Feuchtigkeit selbst das starre elektrische Feld führt und über die kapazitive Kopplung auf die weitere Elektrode (1) überträgt.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Elektrode (1) rein kapazitiv an die Sendeelektrode (2) gekoppelt ist.
Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrode (2) die weitere Elektrode (1) wenigstens teilweise umgibt.