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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für druckempfindliche Kraftaufnehmer
zur Bestimmung einer relativen Position.
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Im
Bereich der Tastsensoren setzt sich eine Technologie, die druckempfindliche
Widerstände (auch
bekannt unter dem Namen FSR-Sensor für „Force Sensing Resistor") verwendet, immer
mehr gegenüber
anderen äquivalenten
Technologien durch, wie beispielsweise die kapazitiven oder auch die
optischen Technologien, da sie einfach zu verwirklichen und robust
ist.
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Derartige
Sensoren sind z.B. als Digitalisierbretter („digitizer pad") bekannt, als Stand
der Technik seien die folgenden Druckschriften genannt:
US 4,810,992 ,
US 5,008,497 ,
FR 2683649 oder auch
EP 0 541 102 .
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Diese
Sensoren enthalten Halbleiterschichten, die beispielsweise zwischen
einer leitenden Schicht und einer Widerstandsschicht eingebettet sind.
Bei Ausübung
eines Drucks auf die FSR-Schicht, verringert sich ihr ohmscher Widerstand
und erlaubt so, durch Anlegen einer passenden Spannung, den ausgeübten Druck
zu messen und/oder den Ort, an dem der Druck ausgeübt wird, zu
lokalisieren.
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Die
Druckschriften
US 5,008,497 und
EP 0 541 102 offenbaren
jeweils eine Methode um die Position zu bestimmen, an der der Sensor
berührt
wird. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der Teilerbrücke.
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Jedoch
benötigen
die oben angeführten
Verfahren elektronische Bauteile von großer Präzision, die teuer sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel eine Anordnung vorzuschlagen,
die ein Verfahren zur Bestimmung einer relativen Position für druckempfindliche
Kraftaufnehmer verwendet, das sowohl robust genug ist beispielsweise
für eine
Verwendung im Automobilbereich und einfach, so daß billige
elektronische Bauteile benutzt werden können, um die Berührungsposition
zu bestimmen.
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Unabhängig davon,
unter einem anderen Blickwinkel, ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Lösung
für das
Problem der bei einer Zustandsänderung
auftretenden Transienten vorzuschlagen, d.h. wenn während eines
Abtastvorgangs eine Berührung
beginnt oder endet.
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Die
Erfindung stellt eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 für druckempfindliche Kraftaufnehmer
zur Bestimmung einer linearen Position bereit. Die Anordnung umfaßt:
- – ein
resistives Bauteil, das entsprechend einer Steuergröße einen
linearen Widerstand definiert, dessen einer Anschluß an die
Masse und dessen anderer Anschluß an ein Versorgungspotential angeschlossen
ist,
- – eine
zugehörige
Halbleiterschicht, die in der Weise druckempfindlich ist, daß ihr ohmscher
Widerstand an der Position lokal verringert wird, an der ein Druck
auf die Schicht ausgeübt
wird, wobei diese Schicht mit einer Fläche am resistiven Bauteil angeordnet
ist und die andere Oberfläche an
einen Eingang eines Referenzwiderstandes so angeschlossen ist, daß eine Berührung auf
der Halbleiterschicht den Referenzwiderstand an einen spezifischen
Punkt des linearen Widerstands anschließt, so daß ein Schaltkreis gebildet
wird, der einem Potentiometer äquivalent
ist,
- – Mittel
zum Schalten, die es erlauben, den Ausgang des Referenzwiderstandes
abwechselnd und nacheinander an die Masse und an das Versorgungspotential
anzuschließen,
- – Mittel
zum Messen einer Spannung zwischen dem Eingang des Referenzwiderstandes
und der Masse, und
- – Mittel
zur Berechnung einer relativen Position der Berührung in Abhängigkeit
von den gemessenen Spannungen zwischen dem Eingang des Referenzwiderstandes
und der Masse, wenn der Ausgang des Referenzwiderstandes einerseits mit
der Masse und andererseits mit dem Versorgungspotential verbunden
ist.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Steuermodul für Kraftfahrzeuge zur Verfügung, insbesondere für die Steuerung
von elektrischen Fensterhebern, Rückspiegeln, der Scheinwerferposition,
einer Klimaanlage, einem Mechanismus für elektrische Schiebedächer, einem
elektrischen Vorhang, einem Audiosystem oder einem Navigationssystem,
dadurch gekennzeichnet, daß es
mindestens eine erfindungsgemäße Anordnung
wie oben geschildert enthält.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
basiert dabei auf einem Verfahren, in dem:
- – ein resistives
Bauteil, das entsprechend einer Steuergröße einen linearen Widerstand
definiert, mit einem Anschluß an
die Masse und mit dem anderen Anschluß an ein Versorgungspotential angeschlossen
ist,
- – eine
zugehörige
Halbleiterschicht, die in der Weise druckempfindlich ist, daß ihr ohmscher
Widerstand an der Position lokal verringert wird, an der ein Druck
auf die Schicht ausgeübt
wird, mit einer Fläche
am resistiven Bauteil angeordnet ist und mit der anderen Oberfläche an einen
Eingang eines Referenzwiderstandes so angeschlossen ist, daß eine Berührung auf
der Halbleiterschicht den Referenzwiderstand an einen spezifischen Punkt
des linearen Widerstands anschließt, so daß ein Schaltkreis gebildet
wird, der einem Potentiometer äquivalent
ist.
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Das
Verfahren, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgeführt wird,
umfaßt
außerdem folgende
Schritte:
- – Verbinden
des Ausgangs des Referenzwiderstands mit der Masse,
- – Messen
einer ersten Spannung zwischen dem Eingang des Referenzwiderstands
und der Masse,
- – Verbinden
des Ausgangs des Referenzwiderstands mit dem Versorgungspotential,
- – Messen
einer zweiten Spannung zwischen dem Eingang des Referenzwiderstands
und der Masse,
- – Berechnen
der Berührungsposition
in Abhängigkeit
von den gemessenen ersten und zweiten Spannung.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung ersichtlich, die beispielhaft und nicht limitierend
zu verstehen ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren,
in denen:
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1 ein Übersichtsschaltbild
einer Schaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, und
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2 drei
Zeitdiagramme darstellt, von denen zwei gemessene Spannungen und
eine die Berührungskraft
auf der Anordnung verdeutlichen.
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Ein
die Erfindung nicht beschränkendes
Ausführungsbeispiel
wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
in schematischer Form den elektrischen Schaltkreis einer Anordnung 1 zur
Bestimmung einer linearen Position für druckempfindliche Kraftaufnehmer.
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Genauer
enthält
Anordnung 1 ein resistives Bauteil, das gemäß einer
Steuergröße einen
linearen Widerstand R definiert, dessen einer Anschluß 3 an die
Masse angeschlossen ist und dessen anderer Anschluß 5 an
ein Versorgungspotential angeschlossen ist. Das Versorgungspotential
hat einen Wert von ungefähr
5 Volt und ist mit Valim bezeichnet.
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Das
resistive Bauteil kann eine beliebige Form aufweisen, solange zwischen
den beiden vorgenannten Anschlüssen
eine lineare Steuergröße entsprechend
einem linearen Widerstand definiert ist.
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Unter
linearem Widerstand ist ein leitendes Material zu verstehen, das
einen gewissen ohmschen Widerstand aufweist, und dessen Form allgemein
länglich
ist. In dem vorliegenden Beispiel ist eine rechteckige Form dargestellt,
verschiedene andere längliche
Formen sind möglich,
beispielsweise kreisbogenförmig
oder geschlängelt,
ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.
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Die
Anordnung umfaßt
außerdem
eine zugeordnete Halbleiterschicht FSR, die in der Weise druckempfindlich
ist, daß ihr
ohmschen Widerstand lokal an der Position verringert wird, an der
ein Druck auf diese Schicht ausgeübt wird. Vorzugsweise besitzt
die FSR-Schicht in etwa die gleichen Abmessungen wie das resistive
Bauteil R.
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In
für Sensoren
des Typs FSR bekannter Weise und in 1 nicht
dargestellt, ist die FSR-Schicht mit einer Oberfläche gegen
das resistive Bauteil angeordnet und die andere Oberfläche ist beispielsweise über einen
leitenden Film, der auf diese Oberfläche aufgebracht ist, an einen
Eingang eines Referenzwiderstandes Rref angeschlossen.
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Vorzugsweise
wird der Wert des Referenzwiderstands gemäß der nachfolgenden Beziehung
ausgewählt: 0,25 R << Rref wobei
R der Gesamtwiderstand über
die gesamte Steuerlänge
des resistiven Bauteils ist und Rref der Widerstandwert
des Referenzwiderstandes.
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In
der Schaltung ist die FSR-Schicht mit einem Doppelpfeil dargestellt,
um zu verdeutlichen, daß ihr
ohmscher Widerstand sich abhängig
davon ob eine Berührung
auf der Schicht vorliegt oder nicht verändert.
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So
verringert eine Berührung,
beispielsweise mit einem Finger, in deutlicher Weise den ohmschen Widerstand
der FSR-Schicht im Bereich der Berührungszone und die lineare
FSR-Schicht schließt
den Referenzwiderstand Rref an einem spezifischen
Punkt 7 des resistiven Bauteils R, d.h. am Berührungspunkt,
an, so daß eine
einem Potentiometer äquivalente
Schaltung gebildet wird.
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Mittel 8 zur
Messung einer Spannung zwischen dem Eingang des Referenzwiderstandes
Rref und der Masse sind am Punkt 9 der
Schaltung angeschlossen.
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Die
Mittel 8 können
durch einen beliebigen geeigneten Schaltkreis realisiert werden.
Im vorliegenden Fall sind sie durch einen Operationsverstärker 11 verwirklicht,
der als Spannungsfolger geschaltet ist, gefolgt von einer Steuer-
und Verarbeitungseinheit 13, die u.a. die Analog-Digital-Wandlung
der gemessenen Spannung sicherstellt. Diese Einheit kann in Form
eines Mikrocontrollers, eines ASIC oder auch durch einen AD-Wandler
realisiert sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung, enthält
Anordnung 1 Mittel 15 zum Schalten, die es erlauben,
den Referenzwiderstand Rref abwechselnd
und nacheinander (dargestellt durch die Pfeile 17) an die
Masse und an das Versorgungspotential Valim anzuschließen.
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Das
Schalten der Mittel 15 wird von der Einheit 13 gesteuert
(siehe den gestrichelten Pfeil 19), so daß während eines
vorbestimmten Abtastintervalls abwechselnd und nacheinander der
Ausgang 16 des Referenzwiderstands an die Masse und dann während eines
weiteren vorbestimmten Abtastintervalls an die Versorgungsspannung
Valim angeschlossen ist.
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Die
Dauer des Abtastintervalls wird zwischen 200 μs und 1 ms gewählt, vorzugsweise
zwischen 400 μs
und 600 μs
und insbesondere bei etwa 500 μs.
Diese Dauer wird abgestimmt auf die für die Steuerung der Anordnung
definierten ergonomischen Bewegungen gewählt und hängt von der zeitlichen Reaktionsdauer
ab, die man zu erreichen wünscht.
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Der
Ausgang der Einheit 13 ist an den Eingang der Mittel 21 zur
Berechnung einer relativen Position der Berührung in Abhängigkeit
von den gemessenen Spannungen zwischen dem Eingang des Referenzwiderstands
Rref und der Masse, wenn der Ausgang des
Referenzwiderstands einerseits mit der Masse und andererseits mit
dem Versorgungspotential verbunden ist, angeschlossen.
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Für die weiteren
Ausführungen
sei V1 die Spannung zwischen dem Eingang 9 des
Referenzwiderstandes Rref und der Masse,
wenn der Ausgang des Referenzwiderstandes mit der Masse verbunden ist,
und V2 sei die gemessene Spannung zwischen dem
Eingang 9 des Referenzwiderstandes Rref und der
Masse, wenn der Ausgang des Referenzwiderstands mit der Versorgungsspannung
Valim verbunden ist.
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Der
zeitliche Ablauf der Messung wird weiter unten im Zusammenhang mit 2 erläutert.
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Mit
den oben angeführten
Festlegungen, wird die relative Position X der Berührung durch
die Mittel
21 zur Berechnung unter Benutzung der nachstehenden
Formel bestimmt:
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Diese
Berührungsposition
ist selbstverständlich
eine relative Position, die einen Wert 1 besitzt an dem Ende des
resistiven Bauteils, das an die Versorgungsspannung Valim angeschlossen
ist, und einen Wert 0 an dem Ende des resistiven Bauteils, das an die
Masse angeschlossen ist.
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Tatsächlich erkennt
man im Aufbau in 1, daß der Widerstand zwischen der
Masse und dem Berührungspunkt 7 den
Wert X·R
aufweist, während der Widerstand
zwischen dem Berührungspunkt 7 und
dem Anschluß 5 den
Wert (1 – X)·R aufweist.
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Selbstverständlich erhält man in
einfacher Weise die absolute Position, indem man X mit der gesamten
Steuerlänge
des resistiven Bauteils multipliziert.
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Es
ist festzuhalten, daß die
Bestimmung der Berührungsposition
X in vorteilhafter Weise unabhängig
ist von dem vom Benutzer ausgeübten
Druck.
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Um
jeden unerwünschten
Befehl zu verhindern, sind die Mittel 21 zur Berechnung
so ausgelegt, daß sie
eine Position nur berechnen, wenn für eine vorbestimmte Anzahl
von Meßwerten
(zwischen 1 bis 5 Werten), die folgende Bedingung erfüllt ist: Valim > (V2 – V1)
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Durch
diese Bedingung wird sichergestellt, daß tatsächlich eine willentliche Berührung der FSR-Schicht
durch einen Benutzer vorliegt.
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Fakultativ,
insbesondere wenn es gewünscht ist „tote", d.h. unempfindliche,
Zonen an den Enden des resistiven Bauteils zu definieren, kann man
als zusätzliche
Bedingung für
die Durchführung
der Berechnung hinzufügen,
daß die
Spannung zwischen dem Eingang des Referenzwiderstandes Rref und der Masse größer sein soll als ein erster
Schwellenwert V1seuil, wenn der Referenzwiderstand
an die Masse angeschlossen ist, und daß die Spannung zwischen dem
Eingang des Referenzwiderstands Rref und
der Masse geringer ist als ein zweiter Schwellwert V2seuil, wenn
der Referenzwiderstand mit der Versorgungsspannung Valim verbunden
ist.
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Die
erfindungsgemäße Funktionsweise
der Anordnung wird im folgenden unter Bezugnahme auf 2 geschrieben.
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2 zeigt
drei Zeitdiagramme 30, 31, 32 deren Zeitmaßstab auf
der Abzisse eingeteilt ist in Perioden von 500 μs, die der Dauer eine Abtastvorgangs
entsprechen.
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Um
die Beschreibung zu erleichtern, sind die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle
bezeichnet mit Ij, Ij+1,
Ij+2... Ij+8...
wobei j eine beliebige natürliche
Zahl ist.
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Diagramm 30 zeigt
auf der Ordinate die Berührungskraft
F auf die Meßanordnung.
Im gewählten Beispiel
ist die Kraft F = 0 während
der Intervalle Ij bis Ij+4,
dann erkennt man eine Berührung
mit einer gewissen Kraft während
des Intervalls Ij+5 und diese Berührungskraft
bleibt während
der nachfolgenden Intervalle Ij+6 bis Ij+8 konstant.
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Diagramm 31 zeigt
mit durchgezogener Linie die Spannung V1 zwischen
dem Eingang des Referenzwiderstandes Rref und
der Masse, wenn der Ausgang des Referenzwiderstandes mit der Masse
verbunden ist, und in gestrichelter Linie die Tatsache, daß der Ausgang
des Referenzwiderstandes für
die Messung von V2 mit der Versorgungsspannung
Valim verbunden ist [daraus folgt, daß V1 während
dieser Periode nicht meßbar
ist]. Die Kreise 35 mit einem Schachbrettmuster verdeutlichen
die Meßzeitpunkte der
Spannung V1. Man sieht also, daß V1 jede Millisekunde gemessen wird und daß der Ausgang
des Referenzwiderstandes Rref mit der Masse
ungefähr
300 bis 100 μs
vor dem Meßzeitpunkt 35 verbunden
ist, um die Stabilisierung der zu messenden Spannung zu erlauben.
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Man
erkennt, daß bis
zum Berührungszeitpunkt
während
der Periode Ij+5 die Spannung V1 niedriger
ist als die vordefinierte Schwellspannung V1seuil, so
daß keine
Berechnung durch die Mittel 21 zur Berechnung durchgeführt wird.
Anschließend
kann man am Beginn der Intervalle Ij+6 und
Ij+8 einen gewissen Wert messen, der größer ist
als die Spannung V1seuil.
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Diagramm 32 zeigt
mit durchgezogener Linie die Spannung V2 zwischen
dem Eingang des Referenzwiderstands Rref und
der Masse, wenn der Ausgang des Referenzwiderstandes mit der Versorgungsspannung
Valim verbunden ist, und in gestrichelter
Linie die Tatsache, daß der
Ausgang des Referenzwiderstandes mit der Masse verbunden ist, um die
Spannung V1 zu messen [folglich kann V2 nicht während
dieser Zeitperiode gemessen werden]. Das Diagramm liest sich in
der gleichen Weise wie das Diagramm 31 und die Kreise 37 stellen
die Meßzeitpunkte
für die
Spannung V2 dar.
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Man
erkennt somit auf den Diagrammen 31 und 32 deutlich
die abwechselnde Verbindung des Ausgangs des Referenzwiderstandes
mit der Masse und mit der Versorgungsspannung Valim sowie
die abwechselnde Messung von V1 und V2, die vorteilhafterweise durch die gleichen
Mittel 8 zum Messen erfolgt.
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Bis
zum Berührungszeitpunkt
während
der Periode Ij+5 ist die Spannung V2 größer als
die vordefinierte Schwellspannung V2seuil,
so daß keine
Berechnung durch die Mittel 21 zur Berechnung durchgeführt wird.
Dann mißt
man einen gewissen Wert niedriger als V2seuil am
Anfang der Intervalle Ij+7 und Ij+9.
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Vorteilhafterweise
enthält
die Anordnung außerdem
Mittel 40 (siehe 1) um eine
Transiente bei einem Abtastvorgang zu erkennen und Mittel, die bei
der Berechnung der Berührungsposition
Spannungsmeßwerte
unterdrücken,
die gemessen worden sind, wenn eine Transiente bei einem Meßvorgang
entdeckt worden ist.
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Tatsächlich ist
die Unterdrückung
derartiger Transienten wichtig, denn bei der Berechnung der relativen
Position X würde
die Berücksichtigung
einer Transiente zu einer fehlerhafte und daher vom Benutzer unerwünschten
Position führen.
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Die
Mittel 40 zum Erkennen einer Transiente bei einem Abtastvorgang
und die Mittel zur Meßwertunterdrückung sind
in die Verarbeitungseinheit 13 integriert.
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Die
Mittel 40 umfassen Mittel zum Vergleichen der gemessenen
Spannung zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten,
die den gleichen Schaltzustand besitzen, d.h. entweder einen Schaltzustand,
der den Ausgang des Referenzwiderstandes an die Masse anschließt (Intervalle Ij+2k (wobei k eine natürliche Zahl ist)) oder einen Schaltzustand
der den Ausgang des Referenzwiderstandes an die Versorgungsspannung
anschließt
(Intervalle Ij+2k+1 (wobei k eine natürliche Zahl
ist)). Ein Abtastvorgang wird als eine Transiente enthaltend angesehen,
wenn die Spannungsdifferenz zu den vorangegangenen Abtastwerten
einen vordefinierten Differenzschwellwert überschreitet.
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Im
Beispiel wird die Spannung V1, gemessen am
Anfang des Intervalls Ij+6, mit der Spannung
verglichen, die am Anfang des Intervalls Ij+4 gemessen wurde,
und da der Abstand zwischen den zwei gemessenen Spannungen groß ist, schließen die
Mittel 40 daraus, daß dazwischen
eine Transiente liegt.
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Analogerweise
wird die Spannung V2, die am Anfang des
Intervalls Ij+7 gemessen wird, verglichen mit
der, die am Anfang des Intervalls Ij+5 gemessen wurde,
und da der Abstand zwischen den zwei gemessenen Spannungen groß ist, schließen die
Mittel 40 daraus, daß dazwischen
eine Transiente liegt.
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Unter
diesen Bedingungen behält
die Anordnung ein Ausgangssignal, das dem vorhergegangenen Ausgangssignal
entspricht.
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Im
Gegensatz dazu ist die Spannung V1, gemessen
am Anfang des Intervalls Ij+8 nahe oder gleich
derjenigen, die am Anfang des Intervalls Ij+6 gemessen
wurde und die Spannung V2, gemessen am Anfang
des Intervalls Ij+9 ist gleich derjenigen,
die am Anfang des Intervalls Ij+7 gemessen
wurde, so daß die
Mittel 21 die relative Berührungsposition berechnen und
während
des Intervalls Ij+9 übermitteln können.
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Das
Berührungssignal
wird also mit einer geringen Verspätung übermittelt.
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Man
erkennt, daß die
erfindungsgemäße Anordnung
mit begrenzten und einfachen elektronischen Mitteln eine genaue
Positionsmessung für
einen Kraftaufnehmer des Typs FSR erlaubt.
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Die
Anordnung ist gut geeignet um in einem Steuermodul für Kraftfahrzeuge
verwendet zu werden, insbesondere für die Steuerung von elektrischen
Fensterhebern, Rückspiegeln,
der Scheinwerferposition, einer Klimaanlage, einem Mechanismus für elektrische
Schiebedächer.
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Entsprechend
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann das gleiche Verfahren in einer analogen Anordnung eingesetzt
werden, die ein zweidimensionales resistives Bauteil umfaßt, zum
Beispiel in quadratischer Form, wobei zwei Anschlüsse jeweils
mit der Versorgungsspannung und auf der jeweils gegenüberliegenden
Seite des Quadrats mit der Masse verbunden werden. Für eine relative
Positionsmessung in X Richtung geht man wie zuvor beschrieben vor,
wobei die Anschlüsse
des resistiven Bauteils angeschlossen werden, die diese lineare
Steuerrichtung definieren.
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Anschließend wird
für eine
relative Positionsmessung in Y Richtung, vorzugsweise orthogonal
zur linearen X Richtung, wiederum in zuvor beschriebener Weise vorgegangen,
wobei jedoch die Anschlüsse
des resistiven Bauteils angeschlossen werden, die diese lineare
Steuerrichtung definieren.
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In
dem Fall eines zweidimensionalen Bauteils ist eine Erhöhung der
Abtastfrequenz vorgesehen.
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Eine
derartige Lösung
kostet sehr wenig, da die gesamte elektrische Schaltung für die Messung, die
Verarbeitung und die Berechnung unverändert bleiben kann.
