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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Kapazitive Näherungssensoren werden häufig bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um im Rahmen eines Kollisions- oder Einklemmschutzsystems Hindernisse zu erkennen, die der Bewegung eines verstellbaren Fahrzeugteils (beispielsweise einer absenkbaren Fensterscheibe) entgegenstehen. Alternativ werden kapazitive Näherungssensoren in Kraftfahrzeugen auch zur berührungslosen Erkennung eines Bedienbefehls eines Fahrzeugnutzers eingesetzt.
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Ein solcher Näherungssensor weist üblicherweise eine Elektrodenanordnung auf, die eine oder mehrere Sensorelektroden umfasst. Weiterhin umfasst ein solcher Näherungssensor üblicherweise eine Steuereinheit, die die Elektrodenanordnung messtechnisch ansteuert. Die Sensorelektroden sind häufig über zwischengeschaltete elektrische Zuleitungen mit der Steuereinheit verbunden. Zur Unterdrückung von Messfehlern sind diese Zuleitungen, insbesondere bei sensiblen Anwendungen wie z.B. der berührungslosen Erfassung von Bedienbefehlen, häufig elektrisch geschirmt. Die Sensorelektroden oder deren Zuleitungen sind zudem meist über Steckverbindungen mit der Steuereinheit verbunden.
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Im Betrieb eines kapazitiven Näherungssensors kann es zu Funktionsstörungen kommen, die entweder durch Kontaktverlust zwischen der Steuereinheit und einer oder mehreren Sensorelektroden (z.B. infolge einer fehlerhaften Steckverbindung oder eines Leitungsbruchs) oder durch elektrischen Kontakt einer oder mehrerer Sensorelektroden mit anderen Leitern (z.B. anderen Sensorelektroden oder deren Zuleitungen, mit Masse oder spannungsführenden Leitern) verursacht werden. Solche Funktionsstörungen können beispielsweise durch eine Beschädigung oder einen fehlerhaften Einbau des Näherungssensors hervorgerufen werden.
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Bei einer sicherheitskritischen Anwendung eines Näherungssensors, beispielsweise in einem Einklemmschutzsystem, stellt ein fehlerhafter Näherungssensor regelmäßig ein ernstes Sicherheitsrisiko dar. Bei anderen Anwendungen wie z.B. der berührungslosen Erfassung von Nutzerbefehlen führen Funktionsstörungen jedenfalls regelmäßig zu Unannehmlichkeiten für den Fahrzeugnutzer. Es ist daher wünschenswert, im Betrieb eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten kapazitiven Näherungssensors solche Funktionsstörungen frühzeitig zu erkennen, um den Fehler beheben oder zumindest Gegenmaßnahmen zur Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit oder des Nutzerkomforts einleiten zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Näherungssensor anzugeben, bei dem Funktionsstörungen der vorstehend beschriebenen Art einfach und sicher erkennbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Näherungssensor weist einen ersten elektrischen Leiter in Form einer ersten Sensorelektrode auf. Weiterhin umfasst der Näherungssensor eine Steuereinheit, die elektrisch mit geringer Impedanz mit der ersten Sensorelektrode verbunden, insbesondere kurzgeschlossen ist, um die erste Sensorelektrode mit einem felderzeugenden elektrischen Signal mit einer vorgegebenen Messfrequenz zu beaufschlagen und/oder einen Elektrodenstrom der ersten Sensorelektrode bei der Messfrequenz zu messen. Bei der vorgegebenen Messfrequenz kann es sich hierbei im Rahmen der Erfindung auch um einen Frequenzbereich handeln. Beispielsweise kann das felderzeugende elektrische Signal im Rahmen der Erfindung als frequenzgespreiztes Signal erzeugt werden, dessen Frequenzanteile innerhalb dieses vorgegebenen Frequenzbereichs liegen.
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Zusätzlich zu der ersten Sensorelektrode umfasst der Näherungssensor in bevorzugter Ausführung mindestens einen zweiten elektrischen Leiter, der ebenfalls mit der Steuereinheit verbunden ist. Erfindungsgemäß umfasst der Näherungsensor weiterhin ein Diagnoseelement, das die erste Sensorelektrode zumindest bei der Messfrequenz mit hoher Impedanz mit dem zweiten Leiter verbindet, so dass über die erste Sensorelektrode, das Diagnoseelement und den zweiten Leiter ein von der Steuereinheit ausgehender und zu der Steuereinheit zurückführender Diagnosestromkreis gebildet ist.
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In einer Variante der Erfindung ist das Diagnoseelement nicht direkt mit der ersten Sensorelektrode verbunden, sondern mit einem parallel zu dieser oder ihrer Zuleitung geführten Parallelleiter, insbesondere mit einem Schirmleiter einer elektrisch geschirmten Zuleitung. Der Diagnosestromkreis wird in diesem Fall durch den Parallelleiter, das Diagnoseelement und den zweiten Leiter gebildet. Die Steuereinheit ist hierbei dazu eingerichtet, den Diagnosestromkreis auf elektrische Durchgängigkeit (d.h. die Übertragbarkeit von Strom- oder Spannungssignalen) zu prüfen.
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Bei dem Diagnoseelement handelt es sich vorzugsweise um einen hochohmigen Widerstand (z.B. mit einem Widerstandswert von 100 kΩ), eine Induktivität (Spule) oder ein komplexeres Impedanzglied, z.B. einen Tiefpass oder Bandpass. Die vorstehend verwendeten Begriffe „geringe Impedanz“ und „hohe Impedanz“ sind dabei relativ zueinander zu verstehen. Die Impedanz (also der Wechselstromwiderstand) des Diagnoseelements ist also hoch im Vergleich zu der Impedanz, mit der die erste Sensorelektrode mit der Steuereinheit verbunden ist. Sofern die Impedanz des Diagnoseelements – wie z.B. bei Verwendung einer Spule – eine Frequenzabhängigkeit aufweist, ist die Impedanz bei der Messfrequenz relevant.
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Infolge seiner vergleichsweise hohen Impedanz bei der Messfrequenz ist das Diagnoseelement im normalen Betrieb des Näherungssensors zumindest näherungsweise nicht-leitend und lässt hierdurch die Funktion des Näherungssensors in dessen Normalbetrieb zumindest weitgehend unbeeinträchtigt. Andererseits ermöglicht das Diagnoseelement des Aufbau einer elektrischen Verbindung über den Diagnosestromkreis, insbesondere durch Beaufschlagung der Sensorelektrode oder des Parallelleiters mit einem Gleichstromsignal oder einem im Vergleich zu der Messfrequenz niederfrequenten Diagnosesignal, wodurch Funktionsstörung des Näherungssensors im Bereich der ersten Sensorelektrode (z.B. Kontaktverlust oder Massekontakt) sicher erkannt werden.
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Zweckmäßigerweise ist das Diagnoseelement (z.B. bei Verwendung eines Widerstands oder einer Spule) bidirektional galvanisch leitend. Dies ermöglicht eine bevorzugte Ausbildung des Näherungssensors, in der die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Sensorelektrode gleichzeitig auf Kontakt mit Masse und Kontakt mit spannungsführenden Teilen zu prüfen. In einer ebenfalls vorteilhaften Alternativausführung ist das Diagnoseelement unidirektional leitend. In dieser Ausführung ist das Diagnoseelement beispielsweise durch eine Diode gebildet. Diese Diode wird dabei entweder in Kombination mit einem Widerstand eingesetzt oder im Normalbetrieb des Näherungssensors mit Sperrspannung betrieben, so dass die Diode unter Normalbetriebsbedingungen nicht-leitend ist.
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Die erste Sensorelektrode ist insbesondere an ihrem anschlussfernen (d.h. zu der Zuleitung und/oder der Steuereinheit entgegengesetzten) Ende mit dem Diagnoseelement verbunden. Auf diese Weise ist die erste Sensorelektrode über ihre ganze Länge in den Diagnosestromkreis eingebunden, so dass Leitungsbrüche im Bereich der Sensorelektrode erkannt werden.
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In bevorzugter Ausführung umfasst der Näherungssensor mehrere Sensorelektroden (insbesondere zumindest eine zweite Sensorelektrode), wobei die Steuereinheit auch mit der oder jeder weiteren Sensorelektrode elektrisch mit geringer Impedanz verbunden, insbesondere kurzgeschlossen ist, um diese Sensorelektrode mit dem felderzeugenden elektrischen Signal zu beaufschlagen und/oder den der weiteren Sensorelektrode zugehörigen Elektrodenstrom zu messen.
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In einer zweckmäßigen Variante des Näherungssensors ist das Diagnoseelement in diesem Fall zwischen die erste Sensorelektrode und die zweite Sensorelektrode, und zwar vorzugsweise zwischen die anschlussfernen Enden dieser Sensorelektroden, geschaltet. In diesem Fall bildet somit die zweite Sensorelektrode den (den Diagnosestromkreis vervollständigenden) zweiten Leiter.
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Insbesondere wenn die beiden Sensorelektroden räumlich voneinander entfernt angeordnet sind, wird dabei in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung anstelle eines einzelnen Diagnoseelements eine Serienschaltung aus zwei Diagnoseelementen zwischen die beiden Sensorelektroden geschaltet, wobei diese Diagnoseelemente ihrerseits durch einen Verbindungsleiter elektrisch verbunden sind. Ein erstes der beiden Diagnoseelemente schließt dabei direkt an die erste Sensorelektrode an, während das zweite Diagnoseelement direkt an die zweite Sensorelektrode anschließt. Infolge der beidseitigen Begrenzung durch die Diagnoseelemente trägt der Verbindungsleiter im Normalbetrieb des Näherungssensors nicht zur Felderzeugung bei. Somit können die Erfassungsbereiche der beiden Sensorelektroden voneinander getrennt werden.
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Sofern der Näherungssensor mehrere Sensorelektroden umfasst, ist bevorzugt jeder dieser Sensorelektroden ein Diagnoseelement zugeordnet. Als „erste Sensorelektrode“ im Sinne der vorstehenden Ausführungen ist dabei stets diejenige Sensorelektrode anzusehen, deren ordnungsgemäße Kontaktierung im Zuge der Diagnose überprüft wird. Entsprechend kann jede der mehreren Sensorelektroden in diesem Fall als „erste Sensorelektrode“ im Sinne der vorstehenden Ausführungen betrachtet werden. Die mehreren Diagnoseelemente weisen in zweckmäßiger Weiterbildung bei der Messfrequenz unterschiedliche Impedanzen (z.B. Widerstandswerte) auf. Die Diagnoseelemente sind hierdurch für die Steuereinheit eindeutig erkennbar und unterscheidbar, woran gegebenenfalls eine vertauschte Kontaktierung der Sensorelektroden mit der Steuereinheit (z.B. durch falsche Steckerbelegung) erkannt wird.
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Vorzugsweise ist die erste Sensorelektrode über eine erste geschirmte Zuleitung mit der Steuereinheit verbunden. Die erste Zuleitung weist somit einen Schirmleiter (oder Mantelleiter) auf, der die eigentliche Zuleitung umgibt und an den ein vorgegebenes elektrisches Potential, insbesondere Masse, angelegt ist. Das Diagnoseelement ist dabei in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung zwischen die Sensorelektrode und den Schirmleiter der zugeordneten Zuleitung geschaltet. Hier bildet somit der eigene Schirmleiter der Sensorelektrode den vorstehend erwähnten zweiten Leiter.
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Sofern der Näherungssensor mehrere Sensorelektroden mit geschirmten Zuleitungen aufweist, ist vorzugsweise zwischen jede Sensorelektrode und den Schirmleiter der zugehörigen Zuleitung ein Diagnoseelement geschaltet, so dass jede Sensorelektrode separat überprüfbar ist. In einer vereinfachten Ausführung ist bei mehreren Sensorelektroden, die über einen gemeinsamen Steckverbinder mit der Steuereinheit verbunden sind, alternativ nur bei einer der Sensorelektroden ein Diagnoseelement vorgesehen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Näherungssensors ist das Diagnoseelement zwischen die erste Sensorelektrode und den Schirmleiter der zweiten Zuleitung geschaltet. Hier bildet somit ein fremder Schirmleiter den vorstehend erwähnten zweiten Leiter.
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In einer ersten Variante dieser Ausführungsform sind die beiden Sensorelektroden gegensinnig orientiert, so dass ein anschlussfernes Ende der ersten Sensorelektrode nahe an einem anschlussseitigen Ende der zweiten Sensorelektrode (und somit nah an dem dort endenden Schirmleiter) angeordnet ist. Das Diagnoseelement ist hierbei zwischen das anschlussferne Ende der ersten Sensorelektrode und den Schirmleiter der zweiten Sensorelektrode geschaltet.
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In einer zweiten Variante sind die beiden Sensorelektroden als Elektrodensegmente eines segmentierten Elektrodenstrangs entlang ihrer Längsrichtung gleichsinnig und miteinander fluchtend in Reihe angeordnet, so dass ein anschlussfernes Ende der ersten Sensorelektrode nahe an einem anschlussseitigen Ende der zweiten Sensorelektrode angeordnet ist, und wobei das Diagnoseelement wiederum zwischen das anschlussferne Ende der ersten Sensorelektrode und den Schirmleiter der zweiten Sensorelektrode geschaltet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Näherungssensors ist das Diagnoseelement zwischen die Schirmleiter der ersten Zuleitung und der zweiten Zuleitung geschaltet. In diesem Fall bildet der Schirmleiter der ersten Zuleitung den vorstehend erwähnten Parallelleiter zu der ersten Sensorelektrode, während der Schirmleiter der zweiten Zuleitung den vorstehend erwähnten zweiten Leiter bildet.
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Der Näherungssensor wird insbesondere nach dem sogenannten „Ein-Elektroden-Prinzip“ oder nach dem sogenannten „Sender-Empfänger-Prinzip“ betrieben.
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Im ersteren Fall, d.h. bei Funktion nach dem „Ein-Elektroden-Prinzip“, umfasst der Nährungssensor entweder nur eine einzige Sensorelektrode oder eine Mehrzahl gleichartiger Sensorelektroden. Die oder jede Sensorelektrode wird von der zugehörigen Steuereinheit mit einem felderzeugenden Signal in Form einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, so dass die oder jede Sensorelektrode ein elektrisches Feld gegenüber Masse (beispielsweise einem geerdeten Fahrzeugteil) aufbaut. Gleichzeitig misst die Steuereinheit den Elektrodenstrom, der unter Wirkung der Wechselspannung auf die jeweilige Sensorelektrode fließt oder von dieser abfließt, als Maß für die elektrische Kapazität des zwischen der jeweiligen Sensorelektrode und Masse gebildeten Kondensators.
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Im letzteren Fall, d.h. bei Funktion nach dem „Sender-Empfänger-Prinzip“ umfasst der Näherungssensor mindestens zwei Sensorelektroden, nämlich eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode. In diesem Fall regt die Steuereinheit die Sendeelektrode durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Wechselspannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes an. Gleichzeitig misst die Steuereinheit an der Empfangselektrode den Elektrodenstrom, der unter Wirkung dieses elektrischen Feldes induziert wird, als Maß für die elektrische Kapazität des zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildeten Kondensators.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen kapazitiven Näherungssensor zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einer drei Sensorelektroden umfassenden Elektrodenanordnung sowie mit einer Steuereinheit, wobei die Sensorelektroden über geschirmte Zuleitungen mit der Steuereinheit verbunden sind, sowie mit Diagnoseelementen, durch die jede der Sensorelektroden mit einem zweiten Leiter, hier einer der anderen Sensorelektroden verbunden ist,
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2–9 in schematischer Darstellung jeweils unterschiedliche Ausführungen der Elektrodenanordnung mit unterschiedlicher Anordnung der Diagnoseelemente,
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10 eine weitere Ausführungsform des Näherungssensors, mit zwei schlaufenförmig verlegten Sensorelektroden, die durch ein Diagnoseelement endseitig verbunden sind, sowie
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11 in Darstellung gemäß 10 eine Variante des dortigen Näherungssensors, bei der die Sensorelektroden durch zwei Diagnoseelemente mit einem zwischengeschalteten Verbindungsleiter verbunden sind.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen kapazitiven Näherungssensor 1, der zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Hinderniserkennung im Rahmen eines Einklemmschutzsystems für eine automatisch betätigte Fahrzeugtür oder Heckklappe eingerichtet und vorgesehen ist.
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Der Näherungssensor 1 umfasst eine Steuereinheit 2 sowie eine Elektrodenanordnung 3, die in dem in 1 dargestellten Fall durch drei längliche Sensorelektroden 4, 5 und 6 gebildet ist.
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Jede der Sensorelektroden 4, 5, 6 ist hierbei über eine zugeordnete, geschirmte elektrische Zuleitung 7, 8 bzw. 9 mit der Steuereinheit 2 elektrisch kurzgeschlossen. Die Zuleitungen 7, 8, 9 sind über eine gemeinsame Steckverbindung 10 mit der Steuereinheit 2 kontaktiert. Optional sind die Sensorelektroden 4, 5 und 6 auf einen in 1 mit einem Rechteck angedeuteten gemeinsamen Träger in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert.
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Die Sensorelektroden 4 und 5 sind im Beispiel gemäß 1 derart zueinander angeordnet, dass sie – entlang ihrer Längsrichtung gesehen – miteinander fluchten. Die Sensorelektroden 4 und 5 bilden somit zwei Elektrodensegmente eines segmentierten Elektrodenstrangs. Die Sensorelektrode 6 ist parallel versetzt zu den Sensorelektroden 4 und 5 angeordnet und erstreckt sich dabei über die gesamte Länge des aus den Sensorelektroden 4 und 5 gebildeten Elektrodenstrangs. Mit anderen Worten flankiert die Sensorelektrode 6 die Sensorelektroden 4 und 5 über deren gesamte Länge.
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Die Steuereinheit 2 ist beispielsweise durch einen applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet. Sie ist dabei vorzugsweise zum Betrieb des Näherungssensors 1 nach dem vorstehend beschriebenen „Sender-Empfänger-Prinzip“ eingerichtet. Hierbei betreibt sie die Sensorelektroden 4 und 5 jeweils zeitlich alternierend als Sendeelektroden, indem sie diese Sensorelektroden 4 und 5 mit einem felderzeugenden elektrischen Signal in Form einer (z.B. sinusförmigen oder rechteckigen) Wechselspannung einer vorgegebenen Messfrequenz fm (z.B. 10 MHz) beaufschlagt. Diese Wechselspannung ist auch als Erregerspannung Ue bezeichnet.
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Unter Wirkung der Erregerspannung Ue erzeugt die jeweils angesteuerte Sensorelektrode 4 bzw. 5 ein elektrisches Feld, unter dessen Wirkung in der Sensorelektrode 6 ein Elektrodenstrom I induziert wird. Die Steuereinheit 2 betreibt die Sensorelektrode 6 entsprechend als Empfangselektrode, indem sie diesen Elektrodenstrom I als Maß für die Kapazität des zwischen der jeweils angesteuerten Sensorelektrode 4 bzw. 5 und der Sensorelektrode 6 misst. Genauer gesagt erfasst die Steuereinheit 2 als Elektrodenstrom I hierbei den Absolut- oder Effektivwert des – optional geglätteten und frequenzselektiv im Bereich der Messfrequenz fm erfassten – Verschiebestroms, der auf die Sensorelektrode 6 fließt.
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Die Funktion des Näherungssensors 1 beruht dabei auf dem Effekt, dass durch Annäherung eines Objekts, insbesondere eines Körperteils eines Fahrzeugnutzers, an die Elektrodenanordnung 3 die an der Sensorelektrode 6 gemessene Kapazität und damit der Elektrodenstrom I geändert werden. Die Steuereinheit 2 erkennt ein solches Annäherungsereignis entsprechend an der damit verbundenen Änderung des Elektrodenstroms I.
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Neben dem vorstehend beschriebenen Normalbetrieb kann die Steuereinheit 2 den Näherungssensor 1 auch in einem Diagnosemodus betreiben. Für diesen Diagnosemodus umfasst der Näherungssensor 1 in der Darstellung gemäß 1 zwei Diagnoseelemente 11 und 12. Das Diagnoseelement 11 ist hierbei zwischen ein anschlussfernes Ende 13 der Sensorelektrode 4 und die Sensorelektrode 6 geschaltet. Das Diagnoseelement 12 ist dagegen zwischen ein anschlussfernes Ende 14 der Sensorelektrode 5 und ein anschlussfernes Ende 15 der Sensorelektrode 6 geschaltet.
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Die Diagnoseelemente 11 und 12 sind vorzugsweise jeweils durch einen hochohmigen Widerstand (z.B. in der Größenordnung von 100 kΩ) gebildet und haben somit – auch bei der Messfrequenz fm – eine sehr hohe Impedanz im Vergleich zu der Impedanz der Sensorelektroden 4–6 und der Zuleitungen 7–9. Die Diagnoseelemente 11 und 12 sind daher für die Erregerspannung Ue und den induzierten Elektrodenstrom I weitgehend undurchlässig. Mithin beeinflussen die Diagnoseelemente 11 und 12 den Normalbetrieb des Näherungssensors 1 allenfalls in vernachlässigbarem Umfang.
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In dem Diagnosemodus legt die Steuereinheit 2 dagegen an die Sensorelektroden 5 und 6, wiederum zeitlich alternierend, eine geringfügige Gleichspannung (Diagnosespannung) in Höhe von z.B. 4 Volt an. Gleichzeitig misst sie die an der Sensorelektrode 6 anliegende Spannung. Die Steuereinheit 2 nutzt hierbei, dass über die Diagnoseelemente 11 und 12 zwischen der Sensorelektrode 4 und der Sensorelektrode 6 bzw. zwischen der Sensorelektrode 5 und der Sensorelektrode 6 jeweils ein Diagnosestromkreis gebildet ist, dessen elektrische Durchgängigkeit die ordnungsgemäße Funktion des Näherungssensors 1 anzeigt. Konkret misst die Steuereinheit 2 an der Sensorelektrode 6 nur dann die um den Spannungsabfall an dem Diagnoseelement 11, 12 verminderte Diagnosespannung, wenn die Sensorelektroden 4–6 ordnungsgemäß mit der Steuereinheit 2 kontaktiert und gegenüber ihrer Umgebung isoliert sind. Wenn die Steuereinheit 2 im Diagnosemodus dagegen an der Sensorelektrode 6 keine Gleichspannung oder eine zu niedrige oder zu hohe Spannung misst, schließt die Steuereinheit 2 auf eine Funktionsstörung im Bereich der Elektrodenanordnung. In diesem Fall gibt die Steuereinheit 2 vorzugsweise ein entsprechendes Fehlersignal an ein angeschlossenes Bordnetz des Kraftfahrzeugs aus.
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Die 2 zeigt die Elektrodenanordnung 3 des Näherungssensors 1 in größerem Detail. Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die geschirmten Zuleitungen 7, 8, 9 jeweils von einem – insbesondere auf Massepotential gelegten – Schirmleiter 16 umgeben sind.
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3 zeigt eine Variante der Elektrodenanordnung 3, bei der die Sensorelektrode 6 mittig mit ihrer Zuleitung 9 kontaktiert ist. Die Sensorelektrode 6 hat in diesem Fall also zwei anschlussferne Enden 15, die diametral voneinander weggerichtet sind. Im Bereich der Anschlussstelle der Sensorelektrode 6 mit der Zuleitung 9 sind auch die Sensorelektroden 4 und 5 mit ihren jeweiligen Zuleitungen 7 bzw. 8 verbunden, so dass die anschlussfernen Enden 13 und 14 der Sensorelektroden 4 und 5 voneinander weggerichtet sind.
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Auch im Falle der 3 sind die Diagnoseelemente 11 und 12 zwischen die Sensorelektroden 4 und 6 bzw. 5 und 6 geschaltet. Die Diagnoseelemente 11 und 12 sind hierbei jeweils im Bereich der anschlussfernen Enden 13, 15 bzw. 14, 15 angeschlossen.
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In den Ausführungen gemäß 4 und 5 entspricht die Elektrodenanordnung 3 wiederum der Ausführungsform gemäß 2. Allerdings sind gemäß 4 anstelle der Diagnoseelemente 11 und 12 drei Diagnoseelemente 17, 18 und 19 vorgesehen, die jeweils zwischen eine der Sensorelektroden 4, 5 bzw. 6 und den Schirmleiter 16 der jeweils zugeordneten (eigenen) Zuleitung 7, 8 bzw. 9 geschaltet sind.
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In der Variante gemäß 5 ist hiervon lediglich das zwischen die Sensorelektrode 6 und den eigenen Schirmleiter 16 geschaltete Diagnoseelement 19 vorhanden. Die weiteren Diagnoseelemente 17 und 18 sind hier weggelassen, zumal die Zuleitungen 7–9 über die gemeinsame Steckverbindung 10 mit der Steuereinheit 2 verbunden sind (vgl. 1). Dieser vereinfachten Ausführung liegt die Überlegung zugrunde, dass die weitaus wahrscheinlichste Fehlerquelle bei dem Näherungssensor 1 in einem fehlerhaften Kontakt der Steckverbindung 10 besteht. In diesem Fall fallen erkanntermaßen stets alle drei Sensorelektroden 4–6 aus, so dass das eine Diagnoseelement 19 zur Erkennung dieses Fehlers ausreicht.
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Die 6 und 7 zeigen die Elektrodenanordnung 3 in Ausführungen, die der Ausführung gemäß 2 bzw. 3 entsprechen. Im Unterschied hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 allerdings anstelle der Diagnoseelemente 11 und 12 ein Diagnoseelement 20 vorgesehen, das zwischen den Schirmleiter 16 der Zuleitung 7 und den Schirmleiter 16 der Zuleitung 9 geschaltet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist zusätzlich zu dem Diagnoseelement 20 ein weiteres Diagnoseelement 21 vorgesehen, das zwischen die Schirmleiter 16 der Zuleitungen 8 und 9 geschaltet ist. Der Diagnosestromkreis läuft in diesem Fall also ausschließlich über die Schirmleiter 16, wodurch vorteilhafterweise ein Einfluss der Diagnoseelemente 20 und 21 auf den Normalbetrieb des Näherungssensors 1 ausgeschlossen wird.
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Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung 3 sind drei Diagnoseelemente 22, 23 und 24 vorgesehen, die jeweils zwischen einer der Sensorelektroden 4, 5, 6 und den Schirmleiter 16 einer fremden Zuleitung 8, 9 bzw. 7 geschaltet sind. So sind
- – das Diagnoseelement 22 zwischen das anschlussferne Ende 13 der Sensorelektrode 4 und den Schirmleiter 16 der (der Sensorelektrode 5 zugeordneten) Zuleitung 8,
- – das Diagnoseelement 23 zwischen das anschlussferne Ende 14 der Sensorelektrode 5 und den Schirmleiter 16 der (der Sensorelektrode 6 zugeordneten) Zuleitung 9, und
- – das Diagnoseelement 24 zwischen das anschlussferne Ende 15 der Sensorelektrode 6 und den Schirmleiter 16 der (der Sensorelektrode 4 zugeordneten) Zuleitung 7
geschaltet.
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Die Elektrodenanordnung 3 entspricht hier wiederum der Ausführungsform gemäß 2. Allerdings ist die Sensorelektrode 6 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 gegensinnig zu den Sensorelektroden 4 und 5 orientiert, so dass das anschlussferne Ende 15 der Sensorelektrode 6 von den anschlussfernen Enden 13 und 14 der Sensorelektroden 4 und 5 abgewandt ist. Diese Form der Elektrodenanordnung 3 ermöglicht es vorteilhafterweise, die Diagnoseelemente 22–24 jeweils auf besonders kurzem Weg zwischen den anschlussfernen Enden 13–15 der Sensorelektroden 4–6 und dem jeweils angrenzenden Schirmleiter 16 zu schalten.
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Eine besonders bevorzugte Ausführung der Elektrodenanordnung 3 ist in 9 gezeigt. Die dortige Elektrodenanordnung 3 entspricht wiederum im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2. Auch ist dieser Elektrodenanordnung 3 das bereits im Zusammenhang mit 2 beschriebene Diagnoseelement 12 zugeordnet, das zwischen die anschlussfernen Enden 14 und 15 der Sensorelektroden 5 und 6 geschaltet ist. Das Diagnoseelement 11 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 9 aber ersetzt durch das im Zusammenhang mit 8 beschriebene Diagnoseelement 22, das zwischen das anschlussferne Ende 13 der Sensorelektrode 4 und den Schirmleiter 16 der Zuleitung 8 geschaltet ist.
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Die 10 und 11 zeigen eine alternative Ausführungsform des Näherungssensors 1, bei der der Näherungssensor 1 lediglich zwei Sensorelektroden 25 und 26 umfasst, die ohne zwischengeschaltete Zuleitungen direkt mit der Steuereinheit 2 verbunden sind. In der Ausführung gemäß 10 und 11 ist die Steuereinheit 2 vorzugsweise zum Betrieb des Näherungssensors 1 nach dem vorstehend beschriebenen „Ein-Elektroden-Prinzip“ eingerichtet. Hierbei beaufschlagt die Steuereinheit 2 die beiden Sensorelektroden 25 und 26 gleichzeitig oder zeitversetzt alternierend mit der Erregerspannung Ue und misst (jeweils an der mit der Erregerspannung Ue beaufschlagten Sensorelektrode 25, 26) den Elektrodenstrom I, der unter Wirkung der Erregerspannung Ue auf die jeweilige Sensorelektrode 25, 26 fließt. Die Steuereinheit 2 misst hier somit (mittelbar unter den Elektrodenstrom I) die Kapazität des Kondensators, der zwischen der jeweiligen Sensorelektrode 25, 26 und Masse gebildet ist.
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Wie aus den 10 und 11 zu erkennen ist, sind die (hier vorzugsweise aus Draht bestehenden) Sensorelektroden 25, 26 in einer schlaufenförmigen Geometrie verlegt, um mit vergleichsweise geringem Einsatz an Leitermaterial eine große Sensorfläche zu realisieren. Als Sensorfläche wird hierbei die Fläche bezeichnet, von der das elektrische Feld der jeweiligen Sensorelektrode 25, 26 ausgeht, und die somit den räumlichen Erfassungsbereich der jeweiligen Sensorelektrode 25, 26 bestimmt. In Folge der schlaufenförmigen Verlegung erzeugen die beiden Sensorelektroden 25 und 26 insbesondere jeweils ein elektrisches Feld, das dem einer flächigen Sensorelektrode ähnelt.
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Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 ein Diagnoseelement 29 vorgesehen, das zwischen die anschlussfernen Enden 27 und 28 der Sensorelektroden 25 und 26 geschaltet ist. Der Diagnosestromkreis ist in diesem Fall also über die Sensorelektroden 25 und 26 und das Diagnoseelement 29 gebildet.
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Das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 10. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist das eine Diagnoseelement 29 allerdings ersetzt durch zwei Diagnoseelemente 30 und 31, die jeweils direkt an die anschlussfernen Enden 27 und 28 der Sensorelektroden 25 bzw. 26 anschließen, und die durch einen Verbindungsleiter 32 verbunden sind. Da der Verbindungsleiter 32 im Normalbetrieb des Näherungssensors 1 durch die Diagnoseelemente 30 und 31 von der Erregerspannung Ue entkoppelt ist, trägt er im Normalbetrieb des Näherungssensors 1 nicht zur Felderzeugung bei. Die Ausführungsform gemäß 11 erlaubt somit im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 10 eine bessere räumliche Trennung der Sensorelektroden 25 und 26 und der diesen jeweils zugeordneten Erfassungsbereiche.
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Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der Figuren beschriebenen Einzelmerkmale (insbesondere betreffend der Orientierung der Sensorelektroden 3–6, 25 und 26 sowie der Anordnung der Diagnoseelemente 11, 12, 17–24, 29–31) auch in anderer Form beliebig kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
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Alle Diagnoseelemente 11, 12, 17–24, 29–31 können – wie im Zusammenhang mit 2 und 3 beschrieben – durch ohmsche Widerstände realisiert sein. Alternativ hierzu kann jedes der Diagnoseelemente 11, 12, 17–24, 29–31 allerdings auch durch ein anderes elektronisches Bauteil mit vergleichsweise hoher Impedanz bei der Messfrequenz fm ersetzt sein, beispielsweise durch eine Spule, einen Tiefpass, einen Bandpass oder eine Diodenschaltung. Sofern mehrere Diagnoseelemente vorhanden sind, sind diese vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie für das Diagnosesignal jeweils eine unterschiedliche Impedanz (beispielsweise einen unterschiedlichen Widerstandswert) aufweisen, so dass jedes vorhandene Diagnoseelement für die Steuereinheit 2 eindeutig erkennbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Näherungssensor
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Elektrodenanordnung
- 4–6
- Sensorelektrode
- 7–9
- Zuleitung
- 10
- Steckverbindung
- 11–12
- Diagnoseelement
- 13–15
- (anschlussfernes) Ende
- 16
- Schirmleiter
- 17–24
- Diagnoseelement
- 25–26
- Sensorelektrode
- 27–28
- (anschlussfernes) Ende
- 29–31
- Diagnoseelement
- 32
- Verbindungsleiter
- fm
- Messfrequenz
- Ue
- Erregerspannung
- I
- Elektrodenstrom
