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Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Betätigungsanordnung.
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Induktive Sensoranordnungen spielen bei modernen Kraftfahrzeugen zunehmend eine Rolle, beispielsweise zur Erkennung einer Betätigung eines sogenannten feststehenden Türgriffs und eine dadurch ausgelöste Auslösung der Türöffnung. Das Funktionsprinzip induktiver Sensoranordnungen beruht auf der Erkennung einer Veränderung eines elektromagnetischen Felds, wenn ein metallisches oder ferromagnetisches Betätigungselement sich in dem elektromagnetischen Feld bewegt. Der zu Grunde liegende physikalische Effekt ist die Änderung der Induktivität und/oder der Güte der Induktivität infolge einer Lageänderung des leitfähigen und/oder ferromagnetischen Elements relativ zu dem die Induktivität erzeugenden Bauteil. Bei dem leitfähigen oder ferromagnetischen Element kann es sich beispielsweise um einen Betätigungsbereich einer Handhabe eines Türgriffs oder um einen Teil eines Betätigungsbereichs der Handhabe des Türgriffs handeln. Dadurch, dass mit induktiven Sensoren auch geringfügige Lageänderungen, beispielsweise im Mikrometerbereich, erkannt werden können, ist die Nutzung induktiver Sensoren insbesondere bei den zunehmend verwendeten sogenannten feststehenden Türgriffen interessant.
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Bei der Bereitstellung von Betätigungsanordnungen mit induktiven Sensoranordnungen ist eine zuverlässige Erfassung einer Ortsänderung eines metallischen Betätigungselements wichtig. Außerdem ist wünschenswert, dass die Betätigungsanordnung wirtschaftlich herstellbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative für bereits existierende Betätigungsanordnungen bereitzustellen. Die zu findenden Überlegungen sollen eine ausreichend zuverlässige Erfassung einer Ortsänderung eines Betätigungselements erwarten lassen und eine Herstellung einer Betätigungsanordnung mit vernünftiger Wirtschaftlichkeit erlauben.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer induktiven Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Betätigungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Es ist eine induktive Sensoranordnung zur Erfassung einer Lageänderung eines Betätigungselements, insbesondere eines metallischen Betätigungselements, vorgesehen. Die Sensoranordnung weist wenigstens die nachfolgend genannten Bestandteile auf:
- - einen LC-Schwingkreis mit einem induktiven Glied (L), bevorzugt einer Spule oder einer Kombination mehrerer Spulen, und mit einem kapazitiven Glied (C), beispielsweise einem Kondensator oder mehreren Kondensatoren;
- - einen Anregungsversorger, der zur Anregung des LC-Schwingkreises mit einer Anregungsspannung (U) mit dem LC-Schwingkreis gekoppelt ist.
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Der Anregungsversorger ist über den Schwingkreis mit einem ersten Eingang eines XOR-Glieds gekoppelt. Außerdem ist der Anregungsversorger über eine parallel zum Schwingkreis angeordnete Leitungsverbindung mit einem zweiten Eingang des XOR-Glieds gekoppelt. Das bedeutet, dass an beiden der zwei Eingängen des XOR-Glieds, auch als XOR-Gatter bezeichnet, die Spannung aus dem Anregungsversorger anliegt, wobei allerdings an dem ersten Eingang eine Phasenverschiebung der Spannung durch den LC-Schwingkreis herbeigeführt wird. Parallel dazu erreicht liegt die Spannung des Anregungsversorgers am zweiten Eingang ohne Phasenverschiebung an, wobei minimale Phasenverschiebungen beispielsweise aufgrund von stets vorhandenen Eigeninduktivitäten der Leiter oder eventuell vorhandener Ohmscher Widerstände als vernachlässigbar und im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht vorhanden angesehen werden.
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Die Anregungsspannung wird bevorzugt als Folge von Spannungspulsen ausgegeben, besonders bevorzugt als Folge von Rechteckpulsen. Die Spannungspulse können beispielsweise mit einer Arbeitsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz, bevorzugt 2 MHz bis 5 MHz, ausgegeben werden.
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Als Anregungsversorger kann beispielsweise ein NOC, numerically controlled oscillator, oft auch als DCO, digitally controlled oscillator, verwendet werden wodurch sich der Vorteil ergibt, dass ein zur Ausgabe von Spannungspulsen erforderlicher Zeitgeber bereits Bestandteil des Anregungsversorgers ist.
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Der LC-Schwingkreis ist bevorzugt ein Parallelschwingkreis, die Sensoranordnung ist prinzipiell aber auch mit einem als Serienschwingkreis ausgebildeten LC-Schwingkreis funktionsfähig.
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Bevorzugt ist eine konstruktiv einfache Variante, in welcher genau eine Spule als induktives Glied und genau ein Kondensator als kapazitives Glied den LC-Schwingkreis bilden. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass mehrere induktive Bauteile und/oder mehrere kapazitive Bauteile vorgesehen sind, wobei dann das kapazitive Glied die kapazitive Gesamtwirkung beziehungsweise das induktive Glied die induktive Gesamtwirkung im Rahmen einer Ersatzschaltbildbetrachtung repräsentieren.
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Eine Ausgangsspannung des XOR-Glieds ist erfindungsgemäß mit einer Auswerteanordnung gekoppelt. Die Auswerteanordnung dient einer Feststellung einer Lageänderung des Betätigungselements über die Auswertung der Ausgangsspannung am Ausgang des XOR-Glieds.
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Die Auswerteanordnung umfasst wenigstens ein Auswertelement, welches die Ausgangsspannung des XOR-Glieds auswertet. Das Auswerten kann beispielsweise über das Erfassen einer über einen vorgegebenen Zeitraum integrierten Spannung erfolgen, was konstruktiv beispielsweise über das Sammeln von Ladungsträgern auf einem Kondensator oder zwei Kondensatoren erfolgt, die zu dem Auswerteelement parallel geschaltet sind.
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Grundsätzlich ist also ein Prinzip umgesetzt, das im Kern aus den folgenden Überlegungen basiert:
- Eine, beispielsweise gepulste, Anregungsspannung wird über einen Schwingkreis in einem ersten Eingang eines XOR-Glieds und in einer Vergleichsstrecke, das heißt ohne oder mit vernachlässigbarer induktiver Beeinflussung, in einem zweiten Eingang des XOR-Glieds zum Vergleich der induktiv beeinflussten und der nicht induktiv beeinflussten Anregungsspannung bereitgestellt. Die Pulse der Anregungsspannung verschieben sich zueinander in ihrer Phase, sobald das induktive Glied, beispielsweise eine Spule, in ihrer Induktivität und/oder in der Güte ihrer Induktivität geändert wird. Hierdurch ändert sich die Ausgangsspannung des XOR-Glieds, welche eine unmittelbare Korrelation mit der Phasenverschiebung aufweist.
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Hiernach wird die Ausgangsspannung oder ein von der Ausgangsspannung abhängiger Wert erfasst und aus der erfassten Ausgangsspannung beziehungsweise dem von dieser abhängigen Wert abgeleitet, ob eine Lageänderung eines Betätigungselements über ein gewisses Mindestmaß hinaus stattgefunden hat oder nicht.
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Gegenüber anderen Verfahren zur Ermittlung einer Lageanordnung eines Betätigungselements hat die Ermittlung einer Phasenverschiebung über den XOR-Vergleich einer Anregungsspannung und, parallel hierzu geschaltet, der induktiv beeinflussten Anregungsspannung den besonderen Vorteil, dass das Verfahren äußerst robust gegenüber äußeren Einflüssen ist. Insbesondere ist die Ausgangsspannung des XOR-Glieds innerhalb der praktisch relevanten Genauigkeit temperaturunabhängig, es besteht also kein Temperaturdrift. Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung kann aus diesem Grund ohne besondere Anpassungsmaßnahmen ohne Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen am Einsatzort vertrieben und verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist, dass durch die Erfassung eines Phasenunterschieds als für das Messergebnis relevante Größe
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Schwingkreis über einen Komparator mit dem XOR-Glied gekoppelt. Der Komparator dient der Verstärkung der in dem zweiten Eingang des XOR-Glieds anliegenden Spannung. Die Verstärkung der anliegenden Spannung erfolgt unter Berücksichtigung der Auslegung des verwendeten XOR-Glieds. Ein zweiter Eingang des Komparators ist entweder geerdet oder liegt an einer Vergleichsspannung an, beispielsweise an einer durch einen Pin eines Mikrocontrollers bereitgestellten Vergleichsspannung.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens der Anregungsversorger, der Schwingkreis, die Leitungsverbindung und das XOR-Glied in einem selben Mikrocontroller enthalten sind, bevorzugt außerdem der Komparator und/oder die Auswerteanordnung. Die Bereitstellung aller oder vieler Funktionalitäten der Sensoranordnung innerhalb von einem Mikrocontroller führt dazu, dass die Sensoranordnung sehr kostengünstig durch Programmierung einer
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Besonders bevorzugt sind der Anregungsversorger, die Leitungsverbindung, das XOR-Glied, der Komparator und die Auswerteanordnung sowie optional das kapazitive Glied in dem Mikrocontroller enthalten und dieser Mikrocontroller auf einer Platine angeordnet, welche die Spule aufweist. In einer solchen Ausführungsform ist eine kostengünstige Bereitstellung der Sensoranordnung in sehr hoher Zahl möglich.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteanordnung ein in dem Mikrocontroller vorhandenes ADC ist, alternativ ein ADC als Bestandteil aufweist.
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Bevorzugt weist die Auswerteanordnung einen ersten Auswertekondensator auf, der zu dem ADC parallel geschaltet ist. Besonders bevorzugt weist die Auswerteanordnung außerdem einen zweiten Auswertekondensator auf, der zu dem ADC und dem ersten Auswertekondensator parallel geschaltet ist.
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Der Anregungsversorger ist in einer bevorzugten Ausführung eingerichtet, die Anregungsspannung mit einer Arbeitsfrequenz auszugeben, die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entspricht oder auf diese abgestimmt ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anregungsspannung weniger als 5 Prozent von der Eigenfrequenz des Schwingkreises abweicht. Eine Arbeitsfrequenz in Nähe der Eigenfrequenz des Schwingkreises hat zur Folge, dass bereits eine geringe Änderung der Induktivität des induktiven Glieds und/oder der Güte der Induktivität des induktiven Glieds zu einer starken Phasenverschiebung der über dem Schwingkreis abfallenden Spannung führen, was in der Folge zu einer hohen Messempfindlichkeit der induktiven Sensoranordnung führt.
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Gemäß einer Ausführung der Sensoranordnung ist die Auswerteanordnung eingerichtet, eine Lageänderung genau dann als vorhanden zu erkennen, wenn ein oberer Schwellspannungswert überschritten ist oder wenn ein unterer Schwellspannungswert unterschritten ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lageänderung genau dann als vorhanden zu erkennen, wenn ein oberer Schwellspannungswert einer über die Zeit integrierten Ausgangsspannung am XOR-Glied überschritten ist oder wenn ein unterer Schwellspannungswert einer über die Zeit integrierten Ausgangsspannung am XOR-Glied unterschritten ist. Für das Ermitteln einer über die Zeit integrierten Ausgangsspannung am XOR-Glied kann beispielsweise die oben bereits erwähnte Parallelanordnung zweier Kondensatoren zueinander und zu einem ADC als Bestandteil der Auswerteanordnung dienen.
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Ein Gedanke der Erfindung betrifft eine Betätigungsanordnung, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, aufweisend eine Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein metallisches Betätigungselement, wobei das metallische Betätigungselement bei Betätigung eine Lageänderung vollzieht relativ zu dem induktiven Glied.
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Das metallische Betätigungselement ist relativ zu dem elektromagnetischen Feld des induktiven Glieds beweglich oder verformbar, was beides von dem Oberbegriff der Lageänderung umfasst ist. Durch die Lageänderung ergibt sich die eingangs bereits erläuterte Änderung von Induktivität und/oder Ersatzinduktivität und/oder Güte der Induktivität des induktiven Glieds, wodurch wiederum eine Phasenverschiebung der über dem Schwingkreis an dem ersten Eingang des XOR-Glieds anfallenden Spannung gegenüber der Anregungsspannung herbeigeführt wird. Die derart herbeigeführte Phasenverschiebung führt zu einer Änderung des Spannungsverlaufs am Ausgang des XOR-Glieds, aus der unmittelbar auf die Lageänderung des metallischen Betätigungselements rückgeschlossen werden kann.
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Der Begriff des metallischen Betätigungselements bezeichnet dabei die Eigenschaft, das durch das induktive Glied erzeugte elektromagnetische Feld, und damit beispielsweise die Güte der Induktivität des induktiven Glieds, zu beeinflussen. Hierzu kann das metallische Betätigungselement beispielsweise aus einem Metall bestehen oder ein Metall aufweisen, aber das Betätigungselement kann auch durch andere Werkstoffe als Metalle als metallisches Betätigungselement qualifiziert werden, beispielsweise durch einen Werkstoff, der in zur Beeinflussung des elektromagnetischen Felds ausreichender Weise metallische Leitungseigenschaften aufweist, wie es beispielsweise bei einigen Übergangsmetallnitriden wie beispielsweise Titannitrid der Fall ist.
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Es obliegt selbstredend dem mit der Ausführung der Erfindung beauftragten Fachmann, Dimensionierung von Schwingkreis und Anregungsspannung einerseits sowie Ausformung und Positionierung des Betätigungselements andererseits aufeinander hin anzupassen und beide abzustimmen mit einer minimalen Veränderung des Spannungsverlaufs am Ausgang des XOR-Glieds von welcher an von einer Lageänderung des Betätigungselements ausgegangen werden kann beziehungsweise soll. Dies ist aber für die prinzipielle Funktionsweise der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich, solange das Betätigungselement bei Ortsänderung innerhalb vorgegebener Parameter das elektromagnetische Feld des Betätigungselements beeinflusst und diese Beeinflussung in reproduzierbarer Weise zu einer sicher erkennbaren Phasenverschiebung führt, die oberhalb eines vom Fachmann festgelegten Werts als Erkennung der Betätigung der Lageänderung betrachtet wird. Eine solche Auslegung an sich stellt den Fachmann vor keine prinzipiellen Herausforderungen, sondern es sind fachübliche Abwägungen zu treffen, beispielsweise zwischen geforderter Empfindlichkeit einer Erkennung der Lageänderung einerseits und toleriertem Ausmaß an False-Positive-Erkennungen.
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Bevorzugt ist die Betätigungsanordnung ein Türgriff einer Fahrzeugtür oder einer Fahrzeugklappe, wobei die induktive Sensoranordnung innerhalb des Türgriffs angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist das Betätigungselement an dem Türgriff angeordnet oder Bestandteil des Türgriffs, bevorzugt Bestanteil eines Hüllenabschnitts des Türgriffs.
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Es zeigen:
- 1a und 1b: Prinzipskizzen einer Betätigungsanordnung 1;
- 2: schematisches Schaltbild einer induktiven Sensoranordnung;
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In 1a ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Betätigungsanordnung 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Betätigungsanordnung 1 ist in der beispielhaft dargestellten Ausführungsform eine Handhabe eines Türgriffs, welche im Querschnitt dargestellt ist. Innerhalb der Handhabe 1 ist eine induktive Sensoranordnung 2 dargestellt, die in der gezeigten Ausführungsform in ihrer Gesamtheit auf einer Platine angeordnet ist. Die induktive Sensoranordnung weist einen Schwingkreis mit einer Spule L auf. An dem Hüllenabschnitt des Türgriffs und innenseitig des Türgriffs ist ein als Metallfolie ausgebildetes metallisches Betätigungselement 4 angeordnet. Das metallische Betätigungselement 4 ist der Spule L der induktiven Sensoranordnung 2 gegenüberliegend angeordnet. Aufgrund des elastischen Verhaltens des Hüllenabschnitts des Türgriffs ist das metallische Betätigungselement 4 relativ zu der Sensoranordnung 2 beweglich.
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In 1b ist dargestellt, wie infolge der Kraftausübung (symbolisiert durch den dargestellten Pfeil 3) eine Einwirkung auf den Hüllenabschnitt herbeigeführt ist. Infolge der Krafteinwirkung hat das als Metallfolie ausgebildete metallische Betätigungselement 4 eine Lageänderung vollzogen. Die Lageänderung ist Konsequenz einer abschnittsweisen Ortsänderung des Betätigungselements 4 zu der Sensoranordnung 2 als Folge der Verformung des Betätigungselements 4. Die Ortsänderung des Betätigungselements ist insbesondere auch relativ zu der Spule L der Sensoranordnung 2 aufgetreten. Die Sensoranordnung 2 dient dem Zweck, die in der Verformung des Betätigungselements 4 sich ausprägende Betätigung zu erkennen.
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In dem schematischen Schaltbild der 2 ist eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gezeigt.
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Ein LC-Schwingkreis (5) wird durch das induktive Glied (L) und das kapazitive Glied (C) gebildet. Eine, beispielsweise gepulste, Versorgungsspannung, wird durch den Anregungsversorger (6) bereitgestellt, wobei der Anregungsversorger beispielsweise ein NCO sein kann. Der Anregungsversorger ist zur Anregung des LC-Schwingkreises mit der Anregungsspannung (U) mit dem LC-Schwingkreis gekoppelt ist, wobei der LC-Schwingkreis über den Komparator (7) in einen ersten Eingang des XOR-Gatters (10) hineingeführt ist, wobei eine Parallelleitung den Anregungsversorger (6) mit dem zweiten Eingang (9) des XOR-Glieds (10) koppelt. Die Ausgangsspannung des XOR-Glieds wird mit einer Auswerteanordnung erfasst, wobei die Auswerteanordnung über die Kondensatoren C1 und C2 eine über die Zeit integrierte Ladungserfassung mittel ADC (11) vornimmt. Sobald ADC (11) eine Abweichung der erfassten Ladung (oder analog der erfassten Spannung) von dem erwarteten beziehungsweise im Nichtbetätigungszustand vorliegenden Wert feststellt, wird dies als Betätigung gewertet und dieses Ergebnis weiterverarbeitet, beispielsweise als Auslösung einer Türöffnung.
