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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für ein Gerät. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bedienvorrichtung mit einem kapazitiven Bedienelement.
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Ein Gerät, beispielsweise ein Induktionsherd, umfasst eine Bedienvorrichtung mit einem kapazitiven Bedienelement. Eine Auswertevorrichtung ist dazu eingerichtet, eine Kapazität des Bedienelements zu bestimmen und mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen. Berührt ein Benutzer das Bedienelement, so ändert sich die durch die Auswertevorrichtung bestimmte Kapazität. Übersteigt die Änderung einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann auf eine Berührung durch den Benutzer geschlossen und das Gerät in Abhängigkeit der Berührung gesteuert werden.
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Um sicherzustellen, dass die Auswertevorrichtung korrekt arbeitet, wurde vorgeschlagen, das kapazitive Bedienelement mit einer Ringelektrode zu umgeben. Die Ringelektrode kann vorübergehend mit Masse beziehungsweise Erde verbunden werden, sodass die Kapazität des Bedienelements vergrößert ist. Aufgrund der veränderten Kapazität sollte die Auswertevorrichtung in diesem Fall eine Berührung durch einen Benutzer bestimmen. Sollte die Auswertevorrichtung bei geerdeter Ringelektrode keine Berührung bestimmen, so kann darauf geschlossen werden, dass sie nicht korrekt arbeitet.
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Beispielsweise an einem Induktionsherd kann eine Vielzahl unterschiedlicher Bedienelemente erforderlich sein, sodass bereits individuelle Ringelektroden aus Platzgründen schwer zu realisieren sein können. Außerdem kann ein schaltungstechnischer Aufwand für die Ansteuerung der verschiedenen Ringelektroden hoch sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Bereitstellung einer Bedienvorrichtung, die eine gegen Fehlfunktion geschützte Auswertevorrichtung umfasst. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Bedienvorrichtung eine Sensorfläche, einen Signalgenerator zur Bereitstellung eines vorbestimmten Ansteuersignals für die Sensorfläche; eine Auswertevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein von der Kapazität der Sensorfläche abhängiges Sensorsignal bereitzustellen; und eine Überwachungseinrichtung. Dabei ist die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet, das Ansteuersignal in einer vorbestimmten Weise zu verändern und ein Fehlersignal bereitzustellen, falls das Sensorsignal der Änderung des Ansteuersignals nicht in einer vorbestimmten Weise folgt.
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Erfindungsgemäß kann auf eine zusätzliche Elektrode zur Beeinflussung der Kapazität der Sensorfläche verzichtet werden. Die Sensorfläche kann gegenüber bekannten Lösungen kleiner sein und mehrere Sensorflächen können in größerer Dichte auf einer vorbestimmten Bedienoberfläche angebracht werden. Das Fehlersignal kann unabhängig von dem Sensorsignal bereitgestellt werden, sodass die Bestimmung des Fehlers von der Bestimmung der Berührung unabhängig erfolgen kann.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das Ansteuersignal ein Wechselsignal mit einer vorbestimmten Frequenz umfasst, wobei die Frequenz durch die Überwachungseinrichtung verändert wird. Verwendete Frequenzen können beispielsweise im Kilohertzbereich liegen. Durch die Veränderung der Frequenz kann ein ähnlicher Effekt an der Auswertevorrichtung hervorgerufen werden wie bei der Veränderung der Kapazität durch Berührung durch einen Benutzer. So kann durch ein einfaches Verändern der Frequenz eine Berührung simuliert werden. Ein schaltungstechnischer Aufwand hierfür kann gering sein.
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Weiter bevorzugt ist die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet, die Frequenz des Ansteuersignals von einer ersten auf eine zweite Frequenz zu verändern und unter den verschiedenen Frequenzen bereitgestellte Sensorsignale miteinander zu vergleichen. Dazu kann eine erwartete Veränderung des Sensorsignals auf der Basis der Veränderung der Frequenz des Ansteuersignals bestimmt werden. Weicht das mittels der Auswertevorrichtung bestimmte Sensorsignal um mehr als einen vorbestimmten Betrag oder Faktor von dem erwarteten Signal ab, so kann das Fehlersignal bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform kann ein komplexer Widerstand (Impedanz) der Sensorfläche bestimmt werden. Auf der Basis der Impedanz kann vorhergesagt werden, mit welchem Sensorsignal bei einer vorbestimmten Frequenz des Ansteuersignals gerechnet werden kann. Weicht ein tatsächliches Sensorsignal um mehr als einen vorbestimmten, relativen oder absoluten Betrag vom vorhergesagten ab, so kann das Fehlersignal bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet, die Frequenz des Ansteuersignals auf eine dritte Frequenz zu verändern und das Fehlersignal bereitzustellen, falls das Sensorsignal der Änderung nicht in einer vorbestimmten Weise folgt. Anders ausgedrückt ist die hierin beschriebene Technik nicht auf die Verwendung von nur zwei Frequenzen eingeschränkt. Beispielsweise können auch drei, vier oder beliebig viele verschiedene Frequenzen vorgesehen sein. Die Funktionsüberwachung der Auswertevorrichtung kann mit zwei, drei oder beliebig vielen Frequenzen erfolgen. In einer Ausführungsform können unterschiedliche Frequenzen in einer vorbestimmten Reihenfolge zum Prüfen der Funktion der Auswertevorrichtung angesteuert werden.
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Die Änderung auf eine dritte Frequenz kann nur dann erfolgen, falls das Sensorsignal der Änderung von der ersten auf die zweite Frequenz nicht ausreichend gefolgt ist. Dies kann insbesondere dann bestimmt werden, wenn sich das Sensorsignal nicht ganz oder nur knapp ausreichend verändert hat. In diesem Fall kann ein uneindeutiges Testergebnis bestimmt werden. Sicherheitshalber kann in einem solchen Fall der Test mit der dritten Frequenz durchgeführt werden. Die dritte Frequenz kann fest vorbestimmt sein oder dynamisch in Abhängigkeit des Testergebnisses von der ersten zur zweiten Frequenz gewählt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Lade- und/oder Entladestrom des Ansteuersignals für die Sensorfläche verändert. Dadurch kann ebenfalls ein Verändern der Kapazität der Sensorfläche simuliert werden, sodass eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der Kapazitätsveränderung auf eine korrekte Funktion geprüft werden kann.
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Es ist allgemein bevorzugt, dass die Auswertevorrichtung das Sensorsignal auf der Basis des Ansteuersignals mittels eines Sigma-Delta-Verfahrens bestimmt. Dabei können Lade- und Entladezeiten der Sensorfläche bestimmt werden. Das Sigma-Delta-Verfahren kann insbesondere digital umgesetzt werden, sodass die Bedienvorrichtung integriert auf der Basis eines Mikrocomputers oder Mikrocontrollers kostengünstig aufgebaut werden kann.
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In einer Ausführungsform wird eine Berührung auf der Basis einer Anzahl bestimmt, mit der die Kapazität der Sensorfläche aus einem anderen Kondensator aufgeladen werden kann. Ist der Kondensator ausreichend geladen, so kann er wieder entladen werden. Dabei wird der andere Kondensator mit einem vorbestimmten Strom aufgeladen und die Änderung des Ansteuersignals umfasst eine Änderung des Stroms. Optional kann zusätzlich auch die Frequenz geändert werden, mit welcher der Kondensator aus dem anderen Kondensator aufgeladen wird.
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Ein Fehlersignal kann bereitgestellt werden, falls eine Verringerung des vorbestimmten Stroms nicht zu einer erwarteten Verringerung der Anzahl führt. Das Fehlersignal kann auch bereitgestellt werden, falls eine Erhöhung des vorbestimmten Stroms nicht zu einer erwarteten Erhöhung der Anzahl führt. So kann bestimmt werden, ob ein Arbeitspunkt der Bedienvorrichtung angemessen ist und ob sowohl eine positive als auch eine negative Änderung erzeugt werden kann.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die Bedienvorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen Verbraucher in Abhängigkeit des Sensorsignals und des Fehlersignals anzusteuern. Der Verbraucher kann insbesondere einen elektrischen Verbraucher umfassen. Bevorzugt kann die Bedienvorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Verbrauchers mit einer hohen Leistung eingesetzt werden, dessen unbeabsichtigte oder fehlerbehaftete Steuerung ein Sicherheitsrisiko darstellen kann.
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Die Steuereinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, den Verbraucher in einen sicheren Zustand zu steuern, falls das Fehlersignal vorliegt. In Anwesenheit des Fehlersignals kann das Sensorsignal ignoriert werden. Der sichere Zustand kann insbesondere ein Abschalten des elektrischen Verbrauchers umfassen. Zusätzlich kann ein Signal an einen Benutzer ausgegeben werden, beispielsweise optisch, akustisch oder haptisch, um ihn auf die Fehlfunktion der Auswertevorrichtung hinzuweisen.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Haushaltsgerät eine hierin beschriebene Bedienvorrichtung.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren Schritte des Beaufschlagens einer Sensorfläche mit einem vorbestimmten Ansteuersignal, des Bestimmens eines von einer Kapazität der Sensorfläche abhängigen Sensorsignals; des Veränderns des Ansteuersignals in einer vorbestimmten Weise; und des Bereitstellens eines Fehlersignals, falls das Sensorsignal der Änderung des Ansteuersignals nicht in einer vorbestimmten Weise folgt.
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Das Verfahren kann teilweise oder vollständig mittels einer hierin beschriebenen Bedienvorrichtung ausgeführt werden. Dazu kann das Verfahren in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Merkmale oder Vorteile der Bedienvorrichtung können auf das Verfahren übertragen werden oder umgekehrt.
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Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Haushaltsgerät; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Geräts; und
- 3 einen Schaltplan für eine beispielhafte Bedienvorrichtung
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Haushaltsgeräts 100 mit einem Verbraucher 105 und einer Bedienvorrichtung 110. Rein exemplarisch ist das Haushaltsgerät 100 als Herd ausgebildet, beispielsweise als Induktionsherd zum Einsatz in einem Haushalt. Dabei umfasst der Verbraucher 105 eine induktive Spule zur elektromagnetischen Erwärmung eines Kochgefäßes.
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Die Bedienvorrichtung 110 ist dazu eingerichtet, den Verbraucher 105 in Abhängigkeit einer durch einen Benutzer 115 gesteuerten Berührung zu steuern. Insbesondere kann ein Grad der Erwärmung des Kochgefäßes in Abhängigkeit einer bestimmten Berührung verändert werden. Die Bedienvorrichtung 110 umfasst eine Sensorfläche 120 zur Berührung durch den Benutzer 115, einen Signalgenerator 125 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals für die Sensorfläche 120, eine Auswertevorrichtung 130 zur Bestimmung eines von der Kapazität der Sensorfläche 120 abhängigen Sensorsignals und eine Überwachungseinrichtung 135. Eine erste Schnittstelle 140 kann zur Bereitstellung des Sensorsignals und eine zweite Schnittstelle 145 zur Bereitstellung des Fehlersignals vorgesehen sein. Eine Steuereinrichtung 150 kann auf der Basis des Sensorsignals und/oder des Fehlersignals den Verbraucher 105 ansteuern.
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Das Ansteuersignal des Signalgenerators 125 umfasst ein Wechselsignal, bevorzugt ein Rechtecksignal. Die Auswertevorrichtung 130 arbeitet bevorzugt nach dem Sigma-Delta-Verfahren, um ein Sensorsignal bereitzustellen, das von der Kapazität der Sensorfläche 120 abhängig ist. Das Sensorsignal ist bevorzugt ein nicht-binäres Signal, das entweder analog oder mit einer Vielzahl vorbestimmter Schritte bereitgestellt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform können ca. 10 bis 15 Bit, weiter bevorzugt ca. 13 Bit zur Darstellung des Sensorsignals eingesetzt sein.
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Das durch die Auswertevorrichtung 130 bereitgestellte Sensorsignal ist bevorzugt zudem abhängig von einer Frequenz des durch den Signalgenerator 125 bereitgestellten Ansteuersignals. Die Überwachungseinrichtung 135 kann den Signalgenerator 125 dazu ansteuern, die Frequenz des bereitgestellten Ansteuersignals zu verändern. Eine solche Ansteuerung kann beispielsweise periodisch oder ereignisgesteuert erfolgen. Üblicherweise erfolgt die Veränderung immer nur kurzzeitig, beispielsweise mit einem Tastverhältnis von 1 zu 10 oder weniger.
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Die Überwachungseinrichtung 135 kann das Sensorsignal der Auswertevorrichtung 130 in Abhängigkeit der gesteuerten Veränderung der Frequenz des Ansteuersignals bestimmen. Wird beispielsweise die Frequenz des Ansteuersignals verdoppelt, so kann eine Verdoppelung des Sensorsignals erwartet werden. Weicht das tatsächliche, von der Auswertevorrichtung 130 bereitgestellte Sensorsignal um mehr als ein vorbestimmtes Maß vom erwarteten Sensorsignal ab, so kann das Fehlersignal bereitgestellt werden. Das vorbestimmte Maß kann absolut oder relativ angegeben sein.
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Die Steuereinrichtung 150 kann den Verbraucher 105 in Abhängigkeit des Sensorsignals steuern, solange das Fehlersignal nicht vorliegt. Liegt das Fehlersignal vor, so kann der Verbraucher 105 in einen sicheren Zustand gebracht werden, insbesondere durch Deaktivieren oder Abschalten. Sollten noch weitere Verbraucher 105 vom Haushaltsgerät 100 umfasst sein, so kann die Steuereinrichtung 150 im Fehlerfall auch diese abstellen. Die anderen Verbraucher können durch weitere Sensorflächen 120 steuerbar sein. Es können auch eine oder mehrere weitere Sensorflächen 120 zur Steuerung des Verbrauchers 105 vorgesehen sein. Es ist besonders bevorzugt, dass die Bedienvorrichtung 110 mehrere Verbraucher 105 auf der Basis von bestimmten Berührungen an mehreren Sensorflächen 120 steuert.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Geräts, insbesondere eines Haushaltsgeräts 100.
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In einem Schritt 205 kann die Sensorfläche 120 mit einem Ansteuersignal einer vorbestimmten Frequenz angesteuert werden. Diese Frequenz wird hierin als erste Frequenz bezeichnet. In einem Schritt 210 kann ein von der Kapazität der Sensorfläche 120 abhängiges Sensorsignal bereitgestellt werden. In einem Schritt 215 kann auf der Basis des Sensorsignals eine Berührung der Sensorfläche 120 bestimmt werden. Schließlich kann in einem Schritt 220 das Gerät 100 bzw. ein von ihm umfasster Verbraucher 105 auf der Basis der Berührung gesteuert werden.
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Zur Prüfung der korrekten Verarbeitung einer durch einen Benutzer 115 gesteuerten Berührung der Sensorfläche 120 kann in einem Schritt 225 eine Frequenz des Ansteuersignals gewählt werden. Insbesondere kann die Frequenz vorübergehend verändert werden, insbesondere auf eine vorbestimmte zweite Frequenz. Die erste und die zweite Frequenz sind bevorzugt derart gewählt, dass sie unter üblichen Umständen eine signifikante Änderung des Sensorsignals bewirken. Diese Änderung ist weiter bevorzugt größer als ein zu erwartendes Rauschen.
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In einem Schritt 230 kann eine auf der Basis der Änderung der Frequenz erwartete Änderung des Sensorsignals bestimmt werden. Ein Zusammenhang zwischen der Änderung der Frequenz und einer erwarteten Änderung des Sensorsignals kann von einem Betrag des Sensorsignals vor der Änderung abhängig sein. Die Änderung kann beispielsweise algorithmisch oder tabellarisch vorbestimmt sein.
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In einem Schritt 235 kann ein Auswertungsfehler bestimmt werden. Der Auswertungsfehler betrifft einen Unterschied zwischen der erwarteten Änderung und der tatsächlichen beobachteten Änderung des Sensorsignals. Übersteigt der Auswertungsfehler einen vorbestimmten Betrag, der absolut oder relativ angegeben sein kann, so kann ein Fehlersignal bereitgestellt werden. Im Schritt 200 kann die Steuerung des Geräts auf das Fehlersignal eingehen und insbesondere den Verbraucher 105 in einen sicheren Zustand verbringen.
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3 zeigt einen Schaltplan einer Bedienvorrichtung 110. Dabei sind lediglich Elemente dargestellt, die für die Bestimmung der Kapazität der Sensorfläche 120 erforderlich sind.
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Eine Glasscheibe 305 oder eine ähnliche, elektrisch isolierende Fläche bildet eine Bedienfläche für ein Haushaltsgerät 100 mit der Bedienvorrichtung 110. Die Sensorfläche 120 ist auf einer Innenseite der Glasscheibe 305 angebracht und kann zusammen mit einem Finger einer Person auf der Außenseite einen Kondensator 310 bilden. Parallel dazu ist ein Sensorkondensator 315 geschaltet. Außerdem ist ein Modulationskondensator 320 vorgesehen, der üblicherweise eine um mehrere Größenordnungen größere Kapazität als der Kondensator 310 zusammen mit dem parallel geschalteten Sensorkondensator 315 aufweist. In einer Ausführungsform kann die Kapazität des Modulationskondensators 320 ca. 2 - 10 nF betragen, während der Sensorkondensator 315 eine Kapazität von ca. 1 - 30 pF aufweisen kann.
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Eine Steuervorrichtung 325 kann beispielsweise durch einen integrierten Mikrocontroller gebildet sein. Die Steuervorrichtung 325 kann Teile der in 1 dargestellten Funktionsböcke umfassen oder realisieren. In der Steuervorrichtung 325 sind bevorzugt eine Stromquelle 330, ein erster Schalter 335 und ein zweiter Schalter 340 vorgesehen. Der erste Schalter 335 führt von der Stromquelle 330 zu einem Anschluss 345, der extern mit dem Kondensator 310 und dem Sensorkondensator 315 verbunden ist. Der zweite Schalter 340 führt vom Anschluss 345 nach Masse. Die Steuervorrichtung 325 ist dazu eingerichtet, die Schalter 335 und 340 abwechselnd zu öffnen und zu schließen, sodass immer nur maximal ein Schalter 335, 340 geschlossen ist. Eine Frequenz, mit der dies erfolgt, entspricht der Frequenz des hierin beschriebenen Ansteuersignals.
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Der Modulationskondensator 320 wird aus der Stromquelle 330 aufgeladen. Durch Schließen nur des ersten Schalters 335 kann der Sensorkondensator 315 aus dem Modulationskondensator 320 und/oder der Stromquelle aufgeladen und anschließend durch Schließen nur des zweiten Schalters 340 wieder entladen werden. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis die am Modulationskondensator 320 anliegende Spannung, die hier an einem Anschluss 350 anliegt, einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Zur Bestimmung der Unterschreitung kann ein Komparator 355 vorgesehen sein. Ein Zähler zur Bestimmung der Anzahl ist nicht in 3 dargestellt.
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Unterschreitet die bestimmte Anzahl einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann auf eine Berührung der Sensorfläche 120 geschlossen werden. Die Anzahl kann von der Kapazität des Kondensators 310, der Frequenz und dem von der Stromquelle 330 bereitgestellten Strom abhängig sein. Die Kapazität des Kondensators 310 ändert sich, wenn die Sensorfläche 120 durch einen Benutzer berührt wird. Eine Berührung kann daher auch durch eine Änderung der Frequenz und/oder des Stroms der Stromquelle 330 simuliert werden. Dabei kann das Messprinzip zur Bestimmung der Kapazität der Sensorfläche 120 beibehalten werden, sodass alle Elemente, die zur Bestimmung einer Berührung beitragen, nach Art einer geschlossenen Schleife geprüft werden können.
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Um eine Berührung zu simulieren, kann wie beschrieben die Frequenz verändert werden, mit der die Schalter 335 und 340 betätigt werden. Alternativ kann auch der von der Stromquelle 330 bereitgestellte Strom verändert werden. Ein höherer Strom kann zu einer größeren Aufladung des Modulationskondensators 320 führen, sodass eine größere Anzahl Entladezyklen bestimmt werden kann. Umgekehrt kann ein kleinerer Strom zu einer geringeren Aufladung des Modulationskondensators 320 führen, sodass eine geringere Anzahl Entladezyklen bestimmt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Haushaltsgerät
- 105
- Verbraucher
- 110
- Bedienvorrichtung
- 115
- Benutzer
- 120
- Sensorfläche
- 125
- Signalgenerator
- 130
- Auswertevorrichtung
- 135
- Überwachungseinrichtung
- 140
- erste Schnittstelle
- 145
- zweite Schnittstelle
- 150
- Steuereinrichtung
- 200
- Verfahren
- 205
- Sensorfläche mit Frequenz ansteuern
- 210
- kapazitätsabhängiges Sensorsignal bereitstellen
- 215
- Berührung bestimmen
- 220
- Gerät steuern
- 225
- Frequenz wählen
- 230
- erwartete Änderung bestimmen
- 235
- Auswertungsfehler bestimmen
- 305
- Glasscheibe
- 310
- Kondensator
- 315
- Sensorkondensator
- 320
- Modulationskondensator
- 325
- Steuervorrichtung
- 330
- Stromquelle
- 335
- erster Schalter
- 340
- zweiter Schalter
- 345
- Anschluss
- 350
- Anschluss
- 355
- Komparator
