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QUERBEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der provisorischen US-Anmeldung Nummer 61/954 005, die am 17. März 2014 eingereicht wurde. Die gesamte Offenbarung der obigen Anmeldung wird hier durch Bezugnahme eingebracht.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der kapazitiven Sensoren und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Treiben eines kapazitiven Sensors zur Verwendung in Fahrzeugen und anderen Vorrichtungen.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt liefert Hintergrundinformation, die sich auf die vorliegende Offenbarung bezieht und nicht notwendigerweise Stand der Technik ist.
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In Kraftfahrzeugen wie Minivans, Geländewagen und ähnlichen ist es zu einer üblichen Praxis geworden, den Fahrzeugkörper mit einer großen Hecköffnung zu versehen. Eine Hubtür (auch als Heckklappe bezeichnet) ist typischerweise an dem Fahrzeugkörper oder dem Chassis mit Scharnieren für eine Schwenkbewegung um eine quer verlaufende Achse zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position montiert. Typischerweise kann die Hubtür manuell oder mit einem gespeisten Antriebsmechanismus einschließlich eines umkehrbaren Elektromotors betätigt werden.
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Während des Betriebs eines angetriebenen Hubtür-Systems in einem Kraftfahrzeug kann die Hubtür unerwartet gegen ein Objekt oder ein Hindernis in ihrem Weg anstoßen. Es ist deshalb wünschenswert, die angetriebene Bewegung in diesem Fall zu beenden, um eine Beschädigung des Hindernisses und/oder der Hubtür durch einen Anstoß oder durch Einklemmen des Hindernisses zwischen der Hubtür und dem Fahrzeugkörper zu verhindern.
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Hindernissensoren werden in solchen Fahrzeugen, die mit einem angetriebenen Hubtür-System versehen sind, verwendet, um zu verhindern, dass sich die Hubtür schließt, falls ein Hindernis (beispielsweise eine Person etc.) erkannt wird, wenn sich die Hubtür schließt. Hindernissensoren gibt es in unterschiedlichen Formen einschließlich Nicht-Kontakt- oder Näherungssensoren, die typischerweise auf kapazitiven Änderungen basieren. Derartige Nicht-Kontakt/Näherungssensoren werden allgemein als kapazitive Sensoren bezeichnet.
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Kapazitive Sensoren umfassen typischerweise einen Metallstreifen oder -draht, der in einen Kunststoff- oder Gummistreifen eingebettet ist, der entlang und angrenzend an den Umfang der Hubtür geführt ist. Der Metallstreifen oder -draht und das Chassis des Fahrzeugs bilden zusammen zwei Platten oder Elektroden eines Sensorkondensators. Ein Hindernis, das zwischen diesen beiden Elektroden platziert ist, ändert die dielektrische Konstante und variiert somit den Betrag von Ladung, die durch den Sensorkondensator über eine gegebene Zeitspanne gespeichert wird. Die von dem Sensorkondensator gespeicherte Ladung wird zu einem Bezugskondensator übertragen, um das Vorhandensein des Hindernisses zu erfassen. Der kapazitive Sensor wird typischerweise mit einem gepulsten Signal von einer Steuerung betrieben, die typischerweise auch ihrerseits den Betrieb des angetriebenen Antriebsmechanismus, der dem angetriebenen Hubtür-System zugeordnet ist, steuert.
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Ein Problem bei solchen kapazitiven Sensoren bezieht sich auf ihren Erfassungsbereich. Ein größerer Bereich der Erfassung wäre bei mehreren Anwendungen nützlich.
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Es besteht somit ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren und System zum Treiben eines kapazitiven Sensors zur Verwendung in Fahrzeugen und anderen Vorrichtungen. Dementsprechend wird eine Lösung gewünscht, die zumindest teilweise die obigen und andere Nachteile berücksichtigt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser Abschnitt liefert eine Zusammenfassung der Offenbarung und ist nicht als umfassende Offenbarung des vollständigen Umfangs oder aller Aspekte, Aufgaben und/oder Merkmale gedacht.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Kapazitätswerts eines kapazitiven Sensors geschaffen mit: Anlegen eines Sensorsignals an den kapazitiven Sensor, wobei das Sensorsignal eine Anzahl von Ladungs-Entladungs-Pulspaaren aufweist, die über eine erste Zeitspanne verteilt sind, wobei jedes Pulspaar eine unterschiedliche Pulsperiode aufweist, Sammeln einer Anzahl von Proben einer Bezugsspannung, die über einen Bezugskondensator gemessen wird, der mit dem kapazitiven Sensor verbunden ist, über eine zweite Zeitspanne, um einen angesammelten Kapazitätswert zu erzeugen, und Teilen des angesammelten Kapazitätswerts durch die Zahl der Proben zur Bestimmung des Kapazitätswerts.
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In Übereinstimmung mit einem zugeordneten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das Verfahren zur Bestimmung des Kapazitätswerts eines kapazitiven Sensors in ein kapazitives Erfassungssystem zur Verwendung in Kraftfahrzeugen integriert.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren zugeordneten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das kapazitive Erfassungssystem einem angetriebenen Hubtür-System in einem Kraftfahrzeug zugeordnet.
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In Übereinstimmung mit noch einem weiteren zugeordneten Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das kapazitive Erfassungssystem einem anderen angetriebenen System einschließlich angetriebener Schiebetüren, angetriebener Fenster und angetriebener Sonnendächer eines Kraftfahrzeugs zugeordnet sein.
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Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier gelieferten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und bestimmte Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Zwecke der Erläuterung gedacht und nicht zur Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale und Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 eine perspektivische Rückansicht ist, die ein kapazitives Erfassungssystem für ein angetriebenes Hubtür-System eines Kraftfahrzeugs zeigt, das in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung aufgebaut und betreibbar ist,
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2 ein Blockdiagramm ist, das das kapazitive Erfassungssystem der 1 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt,
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3 eine Schnittdarstellung eines kapazitiven Sensors ist, der zur Verwendung mit dem kapazitiven Erfassungssystem der 1 und 2 ausgebildet ist und in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist,
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4 ein Blockdiagramm ist, das eine Erfassungsschaltung für das kapazitive Erfassungssystem in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt,
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5 ein Flussdiagramm ist, das Vorgänge von Modulen in dem kapazitiven Erfassungssystem zur Bestimmung eines Kapazitätswerts eines kapazitiven Sensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung erläutert, und
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6 eine Tabelle ist, die beispielhafte Tastzyklen für ein Sensorsignal in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung auflistet.
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Es soll festgestellt werden, dass in den beigefügten Zeichnungen durchgängig gleiche Merkmale durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In der folgenden Beschreibung sind Details fortgesetzt, um ein Verständnis der Erfindung zu liefern. In einigen Fällen werden bestimmte Schaltungen, Strukturen und Techniken nicht beschrieben oder nicht im Detail gezeigt, um die Erfindung nicht zu verschleiern.
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Ausführungsbeispiele werden nun vollständiger mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind nur dafür vorgesehen, dass die Offenbarung vollständig ist und vollständig den Umfang an Fachleute übermittelt. Viele spezifische Details werden fortgesetzt als Beispiele von bestimmten Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung zu schaffen. Es ist für Fachleute ersichtlich, dass bestimmte Details nicht eingesetzt werden müssen, dass Ausführungsbeispiele in vielen unterschiedlichen Formen umgesetzt werden können und dass keines zur Beschränkung des Umfangs der Offenbarung anzusehen ist. In einigen Ausführungsbeispielen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Rückansicht, die ein kapazitives Erfassungssystem 10 für eine Hubtür 12 eines Kraftfahrzeugs 14 zeigt, das in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut und betreibbar ist. Das kapazitive Erfassungssystem 10 und die Hubtür 12 sind Teil eines angetriebenen Hubtür-Systems, das dem Kraftfahrzeug 14 zugeordnet ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das das kapazitive Erfassungssystem 10 der 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Das dargestellte kapazitive Erfassungssystem 10 ist betriebsfähig mit einer Verschlussklappe, die vorstehend als Hubtür 12 angegeben wurde, des Kraftfahrzeugs 14 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verschlussklappe die Hubtür 12. Es ist für Fachleute jedoch ersichtlich, dass das kapazitive Erfassungssystem 10 auch mit anderen Verschlussklappen und/oder Fenstern eines Fahrzeugs oder im Zusammenhang mit anderen Vorrichtungen verwendet werden kann.
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Die Hubtür
12 ist an einen Körper
16 des Fahrzeugs
14 über ein Paar Scharniere
18 montiert, um um eine sich quer erstreckende Schwenkachse mit Bezug auf eine große Öffnung
100 zu schwenken, die an dem Heckteil des Körpers
16 vorgesehen ist. Die Hubtür ist zur Schwenkung um ihre Scharnierachse zwischen einer geschlossenen Position, in der sie Öffnung
100 verschließt, und einer offenen Position, in der sie die Öffnung
100 für einen freien Zugriff in das Innere des Fahrzeugkörpers freigibt und eine leicht nach oben abgewinkelte Position über der Horizontalen einnimmt, montiert. Die Hubtür
12 ist in ihrer geschlossenen Position durch einen Verriegelungsmechanismus (nicht dargestellt) gesichert. Die Hubtür wird durch einen leistungsbetriebenen Antriebsmechanismus
20 mit optionaler Unterstützung eines Paares von Gasfedern
21, die zwischen der Hubtür
12 und dem Körper
16 angebracht sind, geöffnet und geschlossen. Der Antriebsmechanismus
20 kann ähnlich zu dem sein, der in der internationalen PCT-Patentanmeldung Nummer
PCT/CA 2012/000870 beschrieben ist, die am 20. September 2012 eingereicht wurde und die hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Der Antriebsmechanismus
20 kann eine angetriebene Strebe sein oder aufweisen, die in dem Patent Nr.
7 938 473 der Vereinigten Staaten beschrieben ist, das am 20. Mai 2011 erteilt wurde und das hier ebenfalls durch Bezugnahme eingebracht wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das kapazitive Erfassungssystem 10 einen oder mehrere Sensoren 22 und eine Steuerung 26. Eine Anzahl von drei (3) Sensoren 22 sind in der 1 dargestellt, die der Hubtür 12 zugeordnet sind. Die Sensoren 22 können positioniert sein, um einen Bereich 110 abzudecken, der an der Innenseite der Hubtür 12 angeordnet ist. Die Sensoren 22 können elektrisch mit einem optionalen Kabelbaum (nicht dargestellt) verbunden sein, der ausgebildet ist, um in die Steuerung 26 eingesteckt zu werden. Die Steuerung 26 steuert normalerweise den Antriebsmechanismus 20 zum Öffnen und Schließen der Hubtür 12. Die Steuerung 26 steuert jedoch auch den Antriebsmechanismus 20, um die Hubtür 12 in dem Fall zu öffnen, dass sie ein entsprechendes elektrisches Signal von einem oder mehreren der Sensoren 22 erhält.
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Wenn im Betrieb die Hubtür 12 sich einem Hindernis in der Nähe des einen oder der mehreren Sensoren 22 nähert, wenn sie zu ihrer geschlossenen Position schwenkt, werden der eine oder die mehreren Sensoren 22 aktiviert. Die Aktivierung des einen oder der mehreren Sensoren 22 wird durch die Steuerung 26 erfasst. Als Antwort kehrt die Steuerung 26 den Antriebsmechanismus 20 um, um die Hubtür 12 in ihre offene Position zu bringen.
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Der Antriebsmechanismus 20 wird teilweise durch das kapazitive Erfassungssystem 10 gesteuert. Wie erwähnt wurde, umfasst das kapazitive Erfassungssystem 10 längliche Sensoren 22, die dabei helfen, die Hubtür an einem Kontakt oder einem Anstoß an einem Hindernis wie die Hand oder der Kopf (nicht dargestellt) einer Person zu hindern, das sich durch die Öffnung 100 erstrecken kann, wenn sich die Hubtür 12 zu ihrer geschlossenen Position absenkt. Es ist für Fachleute ersichtlich, dass das kapazitive Erfassungssystem 10 bei jeder motorisierten oder automatisierten Verschlussklappenstruktur eingesetzt werden kann, die sich zwischen einer offenen Position und einer geschlossene Position bewegt. Beispielsweise kann eine nicht erschöpfende Liste von Verschlussklappen Fensterscheiben, Schiebetüren, Heckklappen, Sonnendächer und dergleichen aufweisen. Für Anwendungen wie bei Fensterscheiben oder Sonnendächern können die länglichen Sensoren 22 an dem Körper 16 des Fahrzeugs 14 montiert werden, und bei Anwendungen wie bei angetriebenen Hubtüren und Schiebetüren können die länglichen Sensoren 22 an der Verschlussklappe selbst montiert sein, d. h. innerhalb der Verkleidung der Hubtür 12.
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3 ist eine Schnittdarstellung, die einen kapazitiven Sensor
22 zeigt, der in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der kapazitive Sensor
22 ist ein Zwei-Elektroden-Sensor, der einen kapazitiven Modus der Hinderniserkennung erlaubt. Im Allgemeinen funktionieren zwei Elektroden
1,
2 in einer Konfiguration mit gespeister Abschirmung (driven shield) (d. h. wobei die obere Elektrode
2 die angesteuerte oder gespeiste Abschirmung ist). Ein Gehäuse
300 positioniert die beiden Elektroden
1,
2 in einer Anordnung, die den Betrieb des Sensors
22 in einem kapazitiven Modus erleichtert. Eine erste oder untere Elektrode
1 (optional mit einem Leiter
1a, der in ein leitfähiges Harz
1b eingebettet ist) arbeitet als eine kapazitive Sensorelektrode, und eine zweite oder obere Elektrode
2 (optional mit einem Leiter
2a, der in ein leitfähiges Harz
2b eingebettet ist) arbeitet als eine kapazitive Abschirmungselektrode. Ein Dielektrikum
320 (das heißt ein Teil
320 des Gehäuses
300) ist zwischen der kapazitiven Abschirmungselektrode
2 und der kapazitiven Sensorelektrode
1 angeordnet, um zu isolieren und den Abstand zwischen den beiden zu halten. Die Steuerung (oder der Sensorprozessor („ECU”))
26 steht in elektrischer Verbindung mit den Elektroden
1,
2 zur Verarbeitung von Erfassungsdaten, die davon erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der kapazitive Sensor
22 ähnlich zu dem sein, der in dem
US-Patent 6 946 853 von Gifford und anderen beschrieben ist, das am 20. September 2005 erteilt wurde und hier durch Bezugnahme eingebracht wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der kapazitive Sensor 22 ein längliches nicht leitendes Gehäuse 300 mit zwei länglichen Leitungselektroden 1, 2, die sich entlang seiner Länge erstrecken. Die Elektroden 1, 2 sind im Gehäuse 300 eingekapselt und voneinander beabstandet. Wenn ein Hindernis zwischen die Hecktür 12 und den Körper 16 des Fahrzeugs 14 kommt, beeinflusst es die Effekte des elektrischen Feldes, das von der kapazitiven Sensorelektrode 1 erzeugt wird, was zu einer Änderung der Kapazität zwischen den beiden Elektroden 1, 2 führt, was die Nähe des Hindernisses zur Hubtür 12 anzeigt. Somit funktionieren die beiden Elektroden 1, 2 als ein kapazitiver Nicht-Kontakt- oder Näherungssensor.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die kapazitive Sensorelektrode 1 einen ersten Leiter 1a aufweisen, der in einem ersten teilweise leitenden Körper 1b eingebettet ist, und die kapazitive Abschirmungselektrode 2 kann einen zweiten Leiter 2a aufweisen, der in einem zweiten teilweise leitenden Körper 2b eingebettet ist. Die Leiter 1a, 2a können aus einem Metalldraht gebildet sein. Die teilweise leitenden Körper 1b, 2b können aus einem leitfähigen Harz gebildet sein. Und das Gehäuse 300 kann aus einem nicht leitfähigen (dielektrischen) Material (beispielsweise Gummi etc.) gebildet sein. Wieder ist die kapazitive Sensorelektrode 1 von der kapazitiven Abschirmungselektrode 2 durch einen Teil 320 des Gehäuses 300 getrennt.
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Mit Bezug auf kapazitive Erkennung isoliert der Teil 320 des Gehäuses 300 elektrisch die kapazitive Sensorelektrode 1 und die kapazitive Abschirmungselektrode 2, so dass elektrische Ladung dazwischen in der Art eines konventionellen Kondensators gespeichert werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Innenfläche 2d der kapazitiven Abschirmungselektrode 2 geformt sein, um die Abschirmungsfunktion der Elektrode 2 zu verbessern. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Innenfläche 2d flach sein, wie in 3 dargestellt ist.
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4 ist ein Blockdiagramm, das eine Erfassungsschaltung 400 für ein kapazitives Erfassungssystem 10 darstellt, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung aufgebaut und betreibbar ist. Die Erfassungsschaltung 400 kann einen Teil der Steuerung 26 bilden.
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Der Sensor 22 wird durch die Steuerung 56 verwendet, um eine Kapazität (oder einen Kapazitätswert) Cx eines elektrischen Feldes zu messen, das sich durch die Öffnung 100 unter der Hubtür 12 erstreckt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel funktioniert die kapazitive Abschirmungselektrode 2 als eine Abschirmungselektrode, da sie näher an dem Metallblech der Hubtür 12 angeordnet ist. Als solches wird das elektrische Feld, das durch die kapazitive Sensorelektrode 1 erfasst wird, einfacher durch die nähere kapazitive Abschirmungselektrode 2 als durch das Fahrzeug-Metallblech beeinflusst.
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Im Allgemeinen wird die Kapazität (oder der Kapazitätswert) Cx des Sensors 22 wie folgt gemessen. Die kapazitive Sensorelektrode 1 und die kapazitive Abschirmungselektrode 2 werden durch die Steuerung 26 auf dasselbe Potenzial unter Verwendung eines vorgegebenen Pulszug-Sensorsignals Vx geladen. Für jenen Zyklus überträgt die Steuerung 26 die Ladung, die sich zwischen den Elektroden 1, 2 angesammelt hat, zu einem größeren Bezugskondensator Cs und zeichnet eine elektrische Charakteristik auf, die die Kapazität Cx des Sensors 22 angibt. Die elektrische Charakteristik kann die resultierende Spannung Vs über den Bezugskondensator Cs sein, wobei eine feste Anzahl von Zyklen verwendet wird, um die Elektroden 1, 2 zu laden, oder eine Zyklenzahl (oder Zeit), bei der eine variable Zahl von Pulsen verwendet wird, um den Bezugskondensator Cs auf eine vorgegebene Spannung zu laden. Die gemittelte Kapazität des Sensors 22 über die Zyklen kann also direkt berechnet werden. Wenn ein Hindernis in die Öffnung 100 unter der Hubtür 12 gelangt, ändert sich die die elektrische Konstante zwischen den Elektroden 1, 2, was typischerweise die Kapazität Cx des Sensors 22 erhöht und somit die aufgezeichnete elektrische Charakteristik beeinflusst. Dieser Anstieg der gemessenen Kapazität Cx zeigt das Vorhandensein des Hindernisses an (das heißt seine Nähe zu der Hubtür 12).
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Im Detail verwendet die Steuerung 26 eine Ladungsübertragungstechnik, um den Kapazitätswert Cx des Sensors 22 zu messen. Die Ladungsübertragungstechnik lädt den Sensor 22 (oder den erfassenden Kondensator Cx) in einer Phase (Schalter SW1 ist geschlossen, Schalter SW2 ist offen) und entlädt den Kondensator Cx in einen Bezugs-(oder aufsummierenden)Kondensator Cs in einer zweiten Phase (SW1 offen, SW2 geschlossen). Die ersten beiden Schalter SW1 und SW2 werden in einer Weise betrieben, um wiederholt die Ladung von dem Erfassungskondensator Cx zu dem Bezugskondensator Cs zu übertragen.
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Die Erfassungsschaltung 400 wird betrieben, um die Kapazität Cx des Sensors 22 in der folgenden Weise zu messen. In einer anfänglichen Stufe wird der Bezugskondensator Cs durch Entladung der Ladung auf ihm durch zeitweiliges Schließen des dritten Schalters SW3 zurückgestellt. Dann beginnen die Schalter SW1 und SW2 einen Betrieb in zwei Phasen, der den Erfassungskondensator Cx lädt und die Ladungen von dem Erfassungskondensator Cx zu dem Bezugskondensator Cs überträgt. Die Spannung Vs über den Bezugskondensator Cs steigt mit jeder Ladungsübertragungsphase. Die Kapazität des Erfassungskondensators Cx kann durch Messung der Anzahl von Zyklen (oder der Zeit), die erforderlich ist, um den Bezugskondensator Cs auf einen bestimmten Spannungspegel zu erhöhen, gemessen werden. Alternativ kann die Kapazität des Erfassungskondensators Cx durch Messung der Spannung Vs über den Bezugskondensator Cs gemessen werden, nachdem eine vorgegebene Zahl von Ladungsübertragungszyklen ausgeführt wurden.
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Mit Bezug auf die Messung der Spannung Vs über den Bezugskondensator Cs umfasst die Erfassungsschaltung 400 einen Verstärker 410 zum Verstärken der Spannung Vs. Die Ausgabe des Verstärkers 410 wird an einen Analog-Digital-Wandler („ADC”) 420 gekoppelt, der ein digitales Signal erzeugt, das von einem Prozessor („CPU”) 430 der Steuerung 26 für eine weitere Verarbeitung empfangen wird. Die über den Bezugskondensator Cs gemessene Spannung Vs wird von der Steuerung 26 verwendet, um eine Bestimmung durchzuführen, ob ein Hindernis vorhanden ist. Die Steuerung 26 gibt auch den Pulszug oder das Sensorsignal Vx an den Sensor 22 (oder den Erfassungskondensator Cx) wie folgend beschrieben wird.
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren, das insgesamt durch eine Bezugsziffer 500 bezeichnet wird, des Betreibens von Modulen innerhalb des kapazitiven Erfassungssystems 10 zur Bestimmung eines Kapazitätswerts Cx des kapazitiven Sensors 22 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Zusätzlich ist 6 eine Tabelle, die beispielhafte Tastzyklen für ein Sensorsignal Vx in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auflistet. Es soll festgestellt werden, dass, da die Frequenz umgekehrt proportional zu der Periode ist, Pulsperioden in dem Nanosekunden(ns)-Bereich, der in der Tabelle der 4 aufgelistet ist, zu Frequenzen im Megahertz(MHz)-Bereich korrespondieren. Beispielsweise entspricht eine Pulsperiode von 250 ns einer Frequenz von 1/(250 ns) oder 4 MHz.
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Wie oben erwähnt wurde, kann Rauschen, das durch den Sensor 22 bei Anlegung des Sensorsignals Vx emittiert wird, externe AM-, FM- und Satellitenübertragungen unterbrechen. Zur Reduktion von Interferenz mit externen AM-, FM-, Satelliten- und anderen Übertragungen verwendet die Erfindung ein Spreizspektrum-Sensorsignal Vx. Durch Verwendung der Spreizspektrum- oder Frequenzsprung-Signalgebung wird das Sensorsignal Vx über viele Frequenzen in einem willkürlichen Muster verteilt, um so die gesamten Rauschpegel bei jeder einen Frequenz zu vermindern und auch um immuner gegen jede eine empfangene Frequenz mit Bezug auf Rauschen/Interferenz zu sein. Durch Verwendung des kapazitiven Sensors 22 mit angesteuerter Abschirmung in Verbindung mit höheren Signalgebungsfrequenzen des Sensorsignals Vx kann eine kapazitive Näherungserfassung mit längerer Reichweite erzielt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie in 5 dargelegt ist, beginnt ein Verfahren 500 des Betreibens von Modulen innerhalb des kapazitiven Sensorsystems 10 mit dem Modul, Schritt oder dem Betrieb, der durch den Block 502 angegeben ist, des Initialisierens der Sensorvariablen und der zugeordneten Eingaben/Ausgaben für den kapazitiven Sensor 22. Beispielsweise kann der kapazitive Kondensator Cs zurückgestellt werden, sodass der angesammelte Kapazitätswert („SAMMELN”) einen Wert von null hat. Das Verfahren geht dann zu dem Modul, Schritt oder dem Betrieb, der durch den Block 504 angegeben ist, zur Ausgabe einer Zahl „X” von Lade-/Entlade-Pulsen, wobei jedes Paar eine unterschiedliche Periode aufweist. Beispielsweise wird eine Probemessung der Bezugskondensator-Spannung Vs alle „T” Sekunden durchgeführt (d. h. T = 10 ms). Jede Probemessung besteht aus einer Zahl „N” (d. h. N = 10) von Probepaketen, die angesammelt werden. Jedem der N Probepakete ist eine Zahl „X” von Lade-Entlade-Pulsen oder Pulspaaren zugeordnet, die an den Sensor 22 ausgegeben werden, wobei jedes Pulspaar eine unterschiedliche Periode (oder Frequenz) aufweist. Die Figur listet beispielhaft Perioden für Lade-Entlade-Pulspaare auf. Die elektromagnetische Spitzen-Interferenz-Emission („EMI”) von dem Sensor 22 wird durch Variation der Periode (oder der Frequenz) jedes Lade-Entlade-Pulspaars deutlich reduziert. Dies kann als einer Art von Pulsbreitenmodulation(„PWM”)-Schwankung angesehen werden.
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Die Zahl X von Pulspaaren, die jeden Probepaket zugeordnet sind, kann klein sein (d. h. 5–12). Diese geringe Anzahl von Pulspaaren führt zu einer geringeren EMI-Emission von dem Sensor 22, hat aber einen negativen Effekt auf die Probemessungs-Empfindlichkeit. Um eine höhere Probemessungs-Empfindlichkeit zu erzielen, wird die Zahl von N Probepaketen über die Probemessung-Zeit T verteilt (das heißt 10 ms). Beispielsweise kann 1 Probepaket jede 1 ms ausgegeben werden. Somit wird eine Form der Überabtastung umgesetzt.
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Wie weiter in 5 dargestellt ist, geht das Verfahren 500 des Betriebs der Module innerhalb des kapazitiven Erfassungssystems 10 zu dem Modul, Schritt oder dem Betrieb, der durch den Block 506 angegeben ist, zur Messung eines verstärkten Kapazitätswerts, der von dem Mikrocontroller ADC resultiert. Beispielsweise verstärkt der Verstärker (d. h. ein Operationsverstärker oder „OP-AMP”) 410 die angesammelte analoge Ladungsspannung Vs. Die Verwendung von Überabtastung und Verstärkung führt zu einer Rückkehr der „verlorenen Empfindlichkeit” aufgrund der geringen Zahl X von Lade-Entlade-Pulspaaren, die verwendet werden. Die gesamte Empfindlichkeitsverstärkung wird durch die Verstärkerverstärkung G (analoge Verstärkung) und die Überabtastung (digitale Verstärkung) erhöht. Anders gesagt wird die Spannung der Ladung, die durch den Bezugskondensator Cs gesammelt wurde, durch den OP-AMP mit einem Verstärkungsfaktor = G verstärkt.
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Die Verwendung von Frequenzen für das Sensorsignal Vx im Megahertz-Bereich reduziert ferner die Interferenz aufgrund von Harmonischen mit externen Funkübertragungen (zum Beispiel AM). Diese Reduktion der Interferenz ist mit niedrigeren Treiberfrequenzen im kHz-Bereich nicht erzielbar. Niederfrequente Sensorsignale oder ihre Harmonischen tendieren dazu, Interferenz mit AM-, FM- oder Satellitenübertragungen zu verursachen. Während jedes abgestrahlte Signal EMC/EMI-Vorfälle verursachen kann, tendieren hochfrequente Signalgebungen dazu, eine Interferenz mit oberen AM- und FM-Funkbändern zu verursachen. Die Spreizspektrum-Signalgebung der vorliegenden Erfindung vergrößert die Bandbreite des Leistungsspektrums, wodurch Rauschen bei jeder einen Frequenz reduziert wird (d. h. die Interferenz tritt bei jeder einen Frequenz deutlich weniger auf). Als solche hat eine digitale Signalverarbeitung („DSP”) innerhalb eines Radios die Gelegenheit, Rauschen zu entfernen, das nicht bei einer festen Frequenz zentriert ist. Ältere kapazitive Sensoren, die beispielsweise in dem 100 kHz-Bereich arbeiten, haben eine deutlich geringere Bandbreite, in der sie irgendeine Spreizspektrum-Signalgebung einsetzen können, wenn überhaupt, da nur weniger als 100 kHz der Bandbreite verwendbar sind. Demgegenüber hat die Sensor-Signalgebung der vorliegenden Erfindung, da sie in dem MHz-Bereich arbeitet, eine große Bandbreite (d. h. einige MHz der Bandbreite), in der eine Sensor-Signalgebung aufgelöst werden kann.
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Wie ferner in 5 dargestellt ist, geht das Verfahren 500 des Betriebs von Modulen innerhalb eines kapazitiven Erfassungssystems 10 weiter zu einem Modul, Schritt oder Betrieb, der durch den Block 508 angegeben ist, zum Aufsummieren oder Sammeln der Proben der resultierenden Spannung Vs, die über den Bezugskondensator Cs gemessen wurde, zur Erzeugung eines gesammelten Kapazitätswerts („SAMMELN”). Das Verfahren geht dann zu einem Modul, Schritt oder einem Betrieb, der durch den Block 510 angegeben ist, zur Bestimmung, ob die Zahl von Proben größer ist als „N”. Falls die Anzahl der Proben geringer ist als „N”, geht das Verfahren rezyklierend und durch die Schritte 504, 506 und 508. Sobald die Zahl von Proben größer ist als „N”, geht das Verfahren 500 zu einem Modul, Schritt oder einem Betrieb, der durch den Block 512 angegeben ist, bei dem der angesammelte Kapazitätswert („SAMMELN”) durch die Zahl N von Proben geteilt wird, um den Kapazitätswert Cx zu bestimmen. Anders gesagt, wie in 5 dargestellt ist, wird die endliche Messprobe des Kapazitätswerts Cx durch Division des GESAMMELTEN durch N erhalten. Als Ergebnis kann eine 10-fach größere Messprobe („SAMMELN”) als Ergebnis der Ansammlung erzielt werden.
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Dementsprechend wird gemäß dem einem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Bestimmung eines Kapazitätswerts Cx eines kapazitiven Sensors 22 geschaffen mit: Anlegen eines Sensorsignals Vx an den kapazitiven Sensor 22, wobei das Signal Vx eine Anzahl X von Lade-Entlade-Pulspaaren aufweist, die über eine erste Zeitperiode T/N verteilt sind, wobei jedes Pulspaar eine unterschiedliche Pulsperiode aufweist, Sammeln einer Zahl von N Proben einer Bezugsspannung Vs, die über einen Bezugskondensator Cs gemessen wird, der mit dem kapazitiven Sensor 22 verbunden ist, über eine zweite Zeitspanne T, um einen angesammelten Kapazitätswert (SAMMELN) zu erzeugen, und Teilen des angesammelten Kapazitätswerts (SAMMELN) durch die Zahl N von Proben, um den Kapazitätswert Cx zu bestimmen.
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Bei dem obigen Verfahren kann die Pulsperiode in einem nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel zwischen etwa 250 ns und etwa 1000 ns liegen. Die Zahl X von Lade-Entlade-Pulspaaren kann in dem einen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel zwischen 5 und 12 liegen. Die zweite Zeitspanne T kann 10 ms betragen, die Zahl von Proben N kann 10 betragen, und die erste Zeitspanne T/N kann 1 ms betragen. Der kapazitive Sensor 22 kann ein kapazitiver Sensor mit angesteuerter Abschirmung sein. Und der kapazitive Sensor 22 kann ein kapazitiver Sensor 22 in einem kapazitiven Erfassungssystem 10 für eine Hubtür 12 eines Fahrzeugs 14 sein.
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Die obigen Ausführungsbeispiele tragen zu einem verbesserten Verfahren und einem System zum Treiben kapazitiver Sensoren 22 bei und schaffen einen oder mehrere Vorteile. Erstens reduziert die Verwendung von Frequenzen für das Sensorsignal Vx in dem MHz-Bereich die Interferenz aufgrund von Harmonischen mit externen Funkübertragungen (beispielsweise AM). Zweitens reduziert die Verwendung von Spreizspektrum-Sensorsignalen Vx die maximale Leistung von EMI-Signalen, die von dem kapazitiven Sensor 22 ausgegeben werden.
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Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen wurde zum Zweck der Erläuterung und der Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie erschöpfend ist oder die Offenbarung beschränkt. Individuelle Elemente oder Merkmale eines bestimmten Ausführungsbeispiels sind allgemein nicht auf das bestimmte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sind, wenn anwendbar, austauschbar und können in einem ausgewählten Ausführungsbeispiel verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell dargestellt oder beschrieben ist. Dieselben können auch auf viele verschiedene Weisen geändert werden. Solche Variationen sollen nicht als eine Abweichung von der Offenbarung angesehen werden, und es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen innerhalb des Umfangs der Offenbarung eingeschlossen sind.
