DE202009004327U1

DE202009004327U1 - Sensoreinrichtung

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Publication number: DE202009004327U1
Application number: DE202009004327U
Authority: DE
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2008-10-25
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2019-03-28

Abstract

Sensoreinrichtung (1) mit einem kapazitiven Einklemmsensor (2) zur Erkennung eines Hindernisses im Verstellweg eines Verstellelementes eines Kraftfahrzeuges, mit einer Senderelektrode (4) zur Erzeugung eines äußeren elektrischen Feldes gegenüber einer Empfängerelektrode (5), die ein von der Senderelektrode (4) empfangenes Wechselsignal (S_f) an eine Auswerteelektronik (3) liefert,
– wobei die Auswerteelektronik (3) ein Wechselsignal (S_f) für die Senderelektrode (4) mit einer Anzahl von unterschiedlichen Frequenzen (f_1...n) erzeugt, und
– wobei die Auswerteelektronik (3) das empfangene Wechselsignal (S_f(C)) bei jeder eingestellten Frequenz (f_1...n) auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem kapazitiven Einklemmsensor zur Erkennung eines Hindernisses im Verstellweg eines Verstellelementes, insbesondere einer Heckklappe oder einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges.
Ein Einklemmsensor der vorgenannten Art nutzt das kapazitive Messprinzip, um einen sich nähernden Gegenstand oder ein Hindernis zu erkennen. Hierzu wird mittels zweier Elektroden ein äußeres elektrisches Feld aufgebaut. Tritt in dieses elektrische Feld ein Dielektrikum ein, so verändert sich die Kapazität des von den Elektroden gebildeten Kondensators. Somit kann ein Hindernis im Weg eines Stellelements eines Kraftfahrzeugs detektiert werden, sofern sich dessen relative Dielektrizitätszahl ε_r von der relativen Dielektrizitätszahl von Luft unterscheidet.
Das Hindernis im Weg eines Stellelements wird mit einem solchen berührungslosen Einklemmsensor ohne einen physischen Kontakt erkannt. Wird eine Kapazitätsänderung detektiert, so können als Einklemmschutzmaßnahme rechtzeitig Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein Stoppen oder ein Reversieren des Antriebs eingeleitet werden, bevor es zu einem tatsächlichen Einklemmen des Hindernisses kommt. Bei den Stellelementen eines Kraftfahrzeuges kann es sich beispielsweise um ein elektrisch betätigbares Fenster, eine elektrisch betätigbare Schiebetür oder eine elektrisch betätigbare Heckklappe handeln. Auch kann ein auf dem kapazitiven Messprinzip beruhender Einklemmsensor zur Detektion von Hindernissen im Falle eines elektrisch betätigbaren Sitzes eingesetzt werden.
Ein kapazitiver Sensor mit zwei durch einen materialfreien Hohlraum voneinander getrennt in einem elastischen Isoliermaterial verlegten Leitern zum Erkennen eines Hindernisses im Öffnungsbereich eines Stellelementes ist beispielsweise aus der EP 1 455 044 A2 bekannt. Durch Anlegen einer Spannung an die beiden Leiter wird ein elektrisches Außenfeld generiert, das die zwischen den Leitern erfassbare Kapazität beeinflusst. Demnach führt ein sich diesem Sensor nähernder Gegenstand infolge dessen Dielektrizitätskonstanten zu einer Änderung des elektrischen Außenfeldes und somit zu einer detektierbaren Kapazitätsänderung.
Nachteilig bei den bekannten kapazitiven Sensoren ist deren hohe Empfindlichkeit gegenüber störenden äußeren elektromagnetischen Feldern, was eine nur beschränkte EMV-Sörfestigkeit (Elektromagnetische Verträglichkeit) zur Folge hat.
Um derartige Störeinflüsse zu reduzieren und die Empfindlichkeit eines solchen Sensors zu erhöhen ist es bekannt, den Sensor mit einer als Abschirmung wirksamen zusätzlichen Elektrode als kapazitiven Näherungssensor auszuführen. Ein solcher, auch als Capaciflector bezeichneter Sensor ist aus der WO 99/48730 oder aus der DE 40 36 465 A1 für den Einsatz als Einklemmschutz eines Fensterhebers eines Kraftfahrzeuges prinzipiell bekannt. Ein Capaciflector als kapazitiver Sensor mit dreischichtigem Elektrodenaufbau, der als Teil einer Dichtungsanordnung beispielsweise in ein strangförmiges Trägermaterial eingebracht ist, ist aus der DE 10 2006 053 572 B3 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art mit verbesserter Sörfestigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierzu weist die Sensoreinrichtung einen kapazitiven Einklemmsensor mit einer ersten Elektrode (Sender) zur Erzeugung eines äußeren elektrischen Feldes gegenüber einer zweiten Elektrode (Empfänger) auf. Die Empfängerelektrode liefert ein von der Senderelektrode empfangenes Wechselsignal an eine Auswerteelektronik zur Bestimmung bzw. Auswertung der Messkapazität. Die Auswerteelektronik erzeugt ein Wechselsignal mit mehreren, insbesondere mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei verschiedenen Frequenzen. Die von der Auswerteelektronik erzeugten und an die Senderelektrode geführten Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz werden von der Empfängerelektrode empfangen und von dort zur Auswerteelektronik geführt, die die Wechselsignale jeder eingestellten Frequenz auswertet.
Unter Wechselsignal mit einer Anzahl von unterschiedlichen Frequenzen wird insbesondere eine Wechselspannung verstanden, deren Frequenz durchstimmbar oder diskret veränderbar ist. Dabei können beispielsweise n Frequenzen der Wechselspannung im Bereich zwischen 2 MHz und 2,6 MHz mit n > 2 eingestellt sein. Die Frequenzänderung des Wechselsignals kann hierbei in vorzugsweise gleichen aufeinander folgenden Zeitabschnitten oder dadurch erfolgen, dass eine Anzahl von Wechselsignalen mit den unterschiedlichen Frequenzen zeitgleich an den Sender geführt. Zur Erkennung frequenzabhängiger und frequenzunabhängiger Änderung der Kapazitätswerte analysiert die Auswertelektronik das empfängerseitige Wechselsignal.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass einerseits bei einer Detektion einer Signaländerung des Wechselsignals mit einer bestimmten Frequenz nicht eindeutig unterschieden werden kann zwischen einer Kapazitätsänderung infolge eines Hindernis bzw. einer Annäherung an den Sensor und einer Kapazitätsänderung infolge einer Störung. Andererseits sind derartige EMV-Störungen erkanntermaßen sehr schmalbandig.
Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, dass aufgrund der beschränkten Bandbreite der Störungen sich diese lediglich auf eine bestimmte Frequenz störend auswirken werden, während andere Frequenzen ungestört bleiben. Demgegenüber wirkt sich eine Kapazitätsänderung infolge einer Annäherung bzw. eines Eindringens in das vom Sensor erzeugte äußere Feld auf jede Frequenz aus. Wird daher der Sensor mit mehreren Frequenzen parametriert bzw. vermessen, so wird die Auswertung der Kapazitätswerte der einzelnen Signalfrequenzen den Einfluss der Störung einer bestimmten Frequenz zeigen, während die Signalverläufe mit den anderen Frequenzen ungestört sind. Zeigt die Auswertung hingegen eine bei allen Frequenzen gleichermaßen vorhanden Signaländerung, so ist dies auf eine Kapazitätsänderung infolge eines Annäherungsereignisses zurückzuführen.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Einklemmsensor eine Grundelektrode auf, die eine Abschirmung bildet. Die Abschirmung ist hierbei geeigneterweise an das gleiche Potential angeschlossen, wie die Senderelektrode. Durch die zweckmäßigerweise potentialgesteuerte Schirmung (driven shield) ist sichergestellt, dass die Feldlinien in Folge der Formung durch das driven shield weit in den Raum hineinreichen, was die Sensorreichweite und -empfindlichkeit vergrößert.
Die Auswerteelektronik wertet geeigneterweise den zeitlichen Verlauf der Kapazitätsänderungen des oder jedes empfangenen Wechselsignals bei jeder eingestellten Frequenz aus. Dabei schließt die Auswerteelektronik aus einem Vergleich des empfangenen Wechselsignals und des gesendeten Wechselsignals bei jeder eingestellten Frequenz auf ein sich dem Einklemmsensor näherndes Hindernis, wenn eine Kapazitätsänderung bei allen Frequenzen ermittelt ist. Demgegenüber schließt die Auswertelelektronik auf eine Störung, wenn eine Kapazitätsänderung bei einer geringeren Anzahl als der Gesamtzahl von Frequenzen, insbesondere bei nur einer einzelnen Frequenz, eine Kapazitätsänderung ermittelt wird.
Der Auswerteelektronik ist ein Mikroprozessor zugeordnet, der die empfangenen (empfängerseitigen) Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz hinsichtlich eier Kapazitätsänderung analysiert. Eine mit dem Mikroprozessor verbundene Messschaltung dient zur Erstellung der unterschiedlichen Frequenzen des oder jedes an die Sendeelektronik geführten (senderseitigen) Wechselsignals.
Die Messschaltung kann nach Art eines steuerbaren Oszillators oder VCO (voltage controlled oszilator) mit diskret veränderbarer oder durchstimmbarer Frequenz ausgeführt sein, wobei eine diskrete Frequenzänderung besonders geeignet ist. Der einen Kondensator darstellende Einklemmsensor ist dann quasi Teil des diskret durchstimmbaren Oszillators eines gedämpften Schwingkreises. Eine Dämpfungsänderung des Schwingkreises infolge einer Kapazitätsänderung des Sensors wird über dessen Empfangselektrode detektiert und als Steuersignal oder -kriterium für einen zuverlässigen Einklemmschutz herangezogen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit einem kapazitiven Einklemmsensor und einer Auswerteelektronik mit Frequenzsprungschaltung,
2 bis 4 in einem Frequenzdiagramm die Kapazitätsänderungen bei verschiedenen Frequenzen ohne Annäherung und ohne Störung sowie im Falle einer Annäherung bzw. im Falle einer Störung, und
5 u. 6 in einem Zeitdiagramm den zeitlichen Kapazitätsverlauf bei den verschiedenen Frequenzen im Falle einer Annäherung bzw. im Fall einer Störung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Sensoreinrichtung 1 mit einem kapazitiven Einklemmsensor 2 und einer Auswerteelektronik 3 dient zum Erkennen eines Hindernisses im Öffnungsbereich eines Verstellelements und damit als Einklemmschutz, insbesondere im Bereich der Heckklappe oder eines Seitenfensters eines Kraftfahrzeugs. Der nur schematisch dargestellte Einklemmsensor 2 umfasst eine nachfolgend auch als Sender bezeichnete erste Elektrode 4 und eine diesem beabstandet gegenüberliegende, nachfolgend auch als Empfänger bezeichnete Empfängerelektrode 5. Auf der dem Empfänger 5 gegenüberliegenden Seite des Senders 4 ist eine die beiden Elektroden 4 und 5 überragende Grundelektrode 6 als Abschirmung, wiederum zum Sender 4 beabstandet, angeordnet. Der Sender 4 und der Empfänger 5 sowie die Abschirmung (Grundelektrode) 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse, beispielsweise in einem flexiblen Hohlprofil angeordnet.
Der Sender 4 ist mit einer Messschaltung 7 der Auswerteelektronik 3 verbunden. Die Messschaltung 7 liefert ein (senderseitiges) Wechselsignal S_f, d. h. eine Wechselspannung und/oder einen Wechselstrom. Die Frequenz f_n des Wechselsignals S_f ist vorzugsweise diskret veränderbar, wobei geeigneterweise zwischen mehreren Frequenzen f₁ bis f_n mit beispielsweise n = 4 umgeschaltet werden kann. Mit diesem Wechselsignal S_f mit den verfügbaren Frequenzen f_n wird der Sender 4 des Sensors 2 beaufschlagt.
Das am Empfänger 5 abgreifbare (empfängerseitige) Wechselsignal S_f(C) wird mittels eines Mikroprozessors (Mikrocontroller) 8 hinsichtlich einer frequenzabhängigen und frequenzunabhängigen Kapazitätsänderung ausgewertet. Die Messschaltung 7 bildet mit dem kapazitiven Sensor 2 einen vorzugsweise in n diskreten Werten durchstimmbaren Oszillators eines gedämpften Schwingkreises. Eine Dämpfungsänderung des Schwingkreises infolge einer Kapazitätsänderung des Sensors 2 wird über dessen Empfangselektrode 5 detektiert und mittels des Mikroprozessors 8 für einen zuverlässigen Einklemmschutz ausgewertet.
Der Sender 4 ist zudem mit dem nicht-invertierenden Eingang (+) eines Verstärkerbausteins (Operationsverstärker) 9 verbunden, dessen invertierender Eingang (–) mit dem Ausgang des als Impedanzwandler arbeiteten Operationsverstärkers 12 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Verstärker 12 mit der Grundelektrode 6 verbunden, so dass diese quasi eine potentialgesteuerte Abschirmung nach Art eines sogenannten driven shield bildet. Der Verstärker 12 treibt dieses shield mit dem Potential des Senders 4. Dies wiederum gewährleistet, dass in nicht näher dargestellter Art und Weise die Feldlinien des äußeren Feldes mit großer Reichweite in den Raum hineinragen.
Die Art und Weise der Auswertung ist in den 2 bis 6 veranschaulicht. In dem Diagramm in 2 sind n = 4 unterschiedliche Frequenzen f₁ bis f₄ mit deren jeweiligen ungeströmten Kapazitätswerten C(f_n) veranschaulicht. Die einzelnen Frequenzen sind beispielsweise f₁ = 2 MHz und f₂ = 2,2 MHz sowie f₃ = 2,4 MHz und f₄ = 2,6 MHz.
Bei einer Annäherung eines Hindernisses an den Einklemmsensor 2 mit der Folge eines Eindringens in das von diesem erzeugte äußere Feld verändern sich die Kapazitäten C(f_n) bei allen Frequenzen f₁ bis f₄ gleichermaßen, d. h. praktisch um den gleichen Kapazitätswert. Im Ausführungsbeispiel hat sich der Kapazitätswert C(f_n) bei allen Frequenzen f₁ bis f₄ gleichermaßen verringert.
Im Unterschied hierzu zeigt 4 die Änderung des Kapazitätswertes C(f₂) lediglich der einzelnen Frequenz f₂, während die Kapazitätswerte C(f_1,3,4) der übrigen Frequenzen f₁, f₃ und f₄ unverändert sind. Ein solches singuläres Verhalten ist auf eine Frequenzstörung (EMV-Störung) zurückzuführen.
Bei einem konkreten Einsatz des Einklemmsensors 2 in einem Fahrzeug kann als Reaktion auf dieses in 4 veranschaulichte Verhalten die gestörte Frequenz f₂ beispielsweise aus der Auswerteelektronik 3 herausgenommen oder aber durch eine andere Frequenz ersetzt werden.
Die 5 und 6 zeigen das Verhalten des zeitlichen Kapazitätsverlaufs C(f) der Wechselsignale S_f bei den verschiedenen Frequenzen f₁ bis f₄ wiederum im Falle einer Annäherung (5) und im Falle einer Störung (6).
Erkennbar ändert sich der Kapazitätsverlauf C_f(t) bei allen eingestellten Frequenzen f₁ bis f₄ über die Zeit t gleichermaßen. Dem gegenüber weicht gemäß 6 bei einer Störung der zeitliche Kapazitätsverlauf C_f(t) lediglich bei der Frequenz f₄ ab, während die Kapazitätsverläufe C_f(t) der übrigen Frequenzen f₁ bis f₃ gleichermaßen ungestört verlaufen.

1: Sensoreinrichtung
2: Einklemmsensor
3: Auswerteelektronik
4: Sender/-elektrode
5: Empfänger/-elektrode
6: Grundelektrode/Abschirmung
7: Messschaltung
8: Mikroprozessor
9: Verstärkerbaustein
f_1...n: Signalfrequenz
S_f: senderseitiges Wechselsignal
S_f(C): empfängerseitiges Wechselsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1455044 A2 [0004]
- WO 99/48730 [0006]
- DE 4036465 A1 [0006]
- DE 102006053572 B3 [0006]

Claims

Sensoreinrichtung (1) mit einem kapazitiven Einklemmsensor (2) zur Erkennung eines Hindernisses im Verstellweg eines Verstellelementes eines Kraftfahrzeuges, mit einer Senderelektrode (4) zur Erzeugung eines äußeren elektrischen Feldes gegenüber einer Empfängerelektrode (5), die ein von der Senderelektrode (4) empfangenes Wechselsignal (S_f) an eine Auswerteelektronik (3) liefert, – wobei die Auswerteelektronik (3) ein Wechselsignal (S_f) für die Senderelektrode (4) mit einer Anzahl von unterschiedlichen Frequenzen (f_1...n) erzeugt, und – wobei die Auswerteelektronik (3) das empfangene Wechselsignal (S_f(C)) bei jeder eingestellten Frequenz (f_1...n) auswertet.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmsensor () eine Grundelektrode () aufweist, die eine Abschirmung bildet.
Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundelektrode (6) und die Senderelektrode (4) an das gleiche Potential angeschlossen sind.
Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (3) den zeitlichen Verlauf (C(t)) der Kapazitätsänderungen des empfangenen Wechselsignal (S_f) bei jeder eingestellten Frequenz (f_1...n) auswertet.
Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Auswerteelektronik (3) aus einem Vergleich des empfangenen Wechselsignal (S_f) und des gesendeten Wechselsignal (S_f) bei jeder eingestellten Frequenz (f_1...n) auf ein sich dem Einklemmsensor (2) näherndes Hindernis schließt, wenn eine Kapazitätsänderung (C(t, f)) bei allen eingestellten Frequenz (f_1...n) ermittelt ist, und – dass die Auswerteelektronik (3) auf ein eine Störung schließt, wenn eine Kapazitätsänderung (C(t, f)) bei einer oder wenigen der eingestellten Frequenzen (f_1...n) ermittelt ist.
Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (3) einen Mikroprozessor (8) zur Auswertung der empfangenen Wechselsignale (S_f(C)) unterschiedlicher Frequenz (f_n) und eine mit Mikroprozessor (8) verbundene Messschaltung (7) zur Einstellung der unterschiedlichen Frequenzen (f_1...n) des an die Senderelektrode (4) geführten Wechselsignals (S_f) umfasst.