DE2460057B2 - Schaltanordnung mit einem streufeldkondensator - Google Patents

Description

5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 derart ansteigt, daß bei Annäherung der Masseelektrobis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- 45 de nicht mehr genügend Feldlinien abgeleitet werden, elektrode (13) über ihre Anschlußleitung (Ua) und Eine solche Anordnung ist daher nicht funktionssicher, einem daran angeschlossenen Verstärker (16) mit Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem Schaltglied (18) verbunden ist Schaltanordnung der eingangs beschriebenen Art so zu

6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch verbessern, daß sie unabhängig von Schmutz- und gekennzeichnet, daß dem Verstärker (16) ein 50 Feuchtigkeitsablagerung bei Annäherung oder Berüh-Kompensationsglied (15) mit zwei Eingängen rung des als Sensor aufgebauten Streufeldkondensators vorgeschaltet ist, dessen einer Eingang mit dem mit Sicherheit einen Schaltvorgang auszulösen vermag. Hochfrequenzgenerator (14) und dessen anderer Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Eingang mit der Empfangselektrode (13) verbunden Elektroden von einer gegen Masse und gegen diese ist. 55 Elektroden galvanisch isolierten, metallischen Abschir-

7. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch mung umgeben sind, über die im berührungslosen gekennzeichnet, daß die Empfangselektrode (32) Zustand zumindest ein Teil der von der Sendeelektrode über ihre Anschlußleitung (32a) und einem Gleich- ausgehenden Feldlinien eines elektrischen Feldes auf die richterelement (38) mit einem nachgeschalteten Empfangselektrode weitergeleitet werden und die bei Glättungsglied (39) an die Basis eines als Verstärker 60 Annäherung oder Berührung der Abschirmung durch und Kippstufe dienenden Transistors (40) ange- ein elektrisch leitendes Organ (z. B. der Zeigefinger des schlossen ist. Fahrers) teilweise über dieses Organ ableitbar sind.

Die metallische Abschirmung bewirkt im berührungs-

losen Zustand ein definiertes Empfangssignal an der

65 Empfangselektrode, welches durch Feuchtigkeit und Verschmutzung an der Außenseite der Abschirmung

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung mit unbeeinflußt bleibt. Insofern wirkt die metallische

einem Streufeldkondensator, der mindestens zwei in Abschirmung als Faradayscher Käfig. Die Abschirmung

wirkt ferner als Flächenelektrode, sobajd sich ihr der Finger des Fahrzeuglenkers oder einer anderen Person nähert oder diese berührt Der hochfrequente Signalstrom wird dadurch teilweise über den Finger und den Körper der betreffenden Person gegen Masse abgeleitet so daß der Meßstrom an der Empfangselektrode herabgesetzt wird. ν

Um eine möglichst exakt? Auswertung der Signalstronupderung zu bekommen, wird zur Weiterbildung der Erfindimg vorgeschlagen, daß die Empfangselektrode über ihre Anschlußleitung und einem daran angeschlossenen Verstärker unmittelbar oder über eine Kippstufe mit dem Schaltglied verbunden ist welches dem Verbraucher ein- bzw_; ausschaltet Um die Schaltanordnung auch noch von Schwankungen des Sendesignals unabhängig zu machen, ist es vorteilhaft dem Verstärker ein Kompensationsglied mit zwei Eingängen vorzuschalten, an dessen einem Eingang das Meßsignal der Sendeelektrode und an dessen anderem Eingang das Ausgangssignal der Empfangselektrode anliegt Als Kompensationsglied kann dabei eine an sich bekannte Summierschaltung verwendet werden, wenn zuvor eines der beiden eingehenden Signale um 180° phasenverschoben wird.

Einzelheiten der Erfindung sind an den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Schaltanordnung mit einem als kapazitiven Sensor wirkenden Sreufeldkondensator mit drei nebeneinander angeordneten, von einer Abschirmung umgebenden Elektroden in vergrößerter Darstellung,

Fig.2 die Anordnung der drei Elektroden des kapazitiven Sensors in der Draufsicht und

Fig.3 eine Schaltanordnung mit einem kapazitiven Sensor, dessen Abschirmung nur zwei Elektroden umgibt

Erfindungswesentlicher Bestandteil der in F i g. 1 gezeigten Schaltanordnung ist der mit 10 bezeichnete kapazitive Sensor. Er ist als Streufeldkondensator aufgebaut indem er drei in einer Ebene mit Abstand nebeneinander angeordnete Flächenelektroden 11, 12 und 13 aufweist. Die linke Flächenelektrode 11 wird im folgenden als Sendeelektrode bezeichnet, da sie an einem Hochfrequenzgenerator 14 angeschlossen ist. Der Hochfrequenzgenerator 14 liegt mit seinem anderen Anschluß auf Massepotential. Die rechte Elektrode 13 wird als Empfangselektrode bezeichnet, da sie mit der Sendeelektrode 11 kapazitiv gekoppelt ist. Sie ist über ein Kompensationsglied ί5, einem Signal verstärker 16 und einer Kippstufe 17 an ein Schaltglied 18 angeschlossen, welches hier als elektromagnetisches Relais einen Stromkreis 19 eines Kraftfahrzeuges — z. B. den Stromkreis eines Signalhornes — schaltet. Zwischen der Sendeelektrode 11 und der Empfangselektrode 13 ist die dritte, mit Massepotential verbundene Mittelelektrode 12 in der gleichen Ebene angeordnet.

Das Kompensationsglied 15 hat zwei Eingänge, von denen der eine Eingang mit dem das Sendesignal abgebenden Hochfrequenzgenerator 14 verbunden ist und dessen anderer Eingang an die das Empfangssignal führende Empfangselektrode angeschlossen ist.

Die Elektroden U, 12 und 13 sind von einer gegen Masse und gegen diese Elektroden galvanisch isolierten, metallischen Abschirmung 20 umgeben, über die im berührungslosen Zustand zumindest ein Teil der von der Sendeelektrode 11 ausgehenden Feldlinien eines elektrischen Feldes auf die Empfangselektrode 13 weitergeleitet werdea Die Schaltauordnung läßt sich bei Aanäherung oder Berührung der Abschirmung 20 durch ein elektrisch leitendes Organ — z. B. mit einem Finger 21 — betätigen.

Wie F i g. 2 zeigt ist der kapazitive Sensor 10 in seiner Draufsicht ein rundes Gebilde, wobei die außenliegenden Sende- und Empfangselektroden 11 und 13 eine Kreisabschnittform haben und von der zylinderförmig ausgebildeten Abschirmung 20 umfaßt sind. Die obere Stirnfläche der Abschirmung 20 dient dabei zur Berührung von außen. Auf der Rückseite der Abschirmung 20 sind dagegen die Anschlußleitungen 11a, 12a und 13a der Elektroden 11, 12 und 13 isoliert herausgeführt Die Flächen der Sende- und der Empfangselektrode 11 und 13 sind bei dieser Form der Abschirmung 20 größer als die Fläche der dazwischen angeordneten Mittele/ektrode 12

Im folgenden wird nun die Wirkungsweise der Schaltanordnung anhand der F i g. 1 näher erläutert. Zur Erzielung eines hochfrequenten elektrischen Feldes, dessen Feldlinien Fin Fig. 1 dargestellt sind, wird die Sendeelektrode 11 an den Hochfrequenzgenerator 14 angeschlossen, der ein vorzugsweise sinusförmiges Signal von 20 kHz und der Spannung von ü « 35 V liegt Das elektrische Feld bildet sich im wesentlichen zwischen der Sendeelektrode 11 und der Abschirmung 20 einerseits sowie zwischen der Abschirmung 20 und der Mittel bzw. Empfangselektrode 12 und 13 andererseits. Da die metallische Abschirmung 20 eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit besitzt als der Raum zwischen den Elektroden und der Abschirmung 20, werden die an der Sendeelektrode 11 austretenden Feldlinien über die Abschirmung 20 zum Teil zur Mittelelektrode 12 sowie zum anderen Teil zur Empfangseiektrode 13 geleitet Nur ein verhältnismäßig kleiner Streufeldanteil gelangt direkt von der Sendeelektrode 11 zur Mittelelektrode 12. Das in diesem Zustand der Schaltanordnung an der Empfangselektrode 13 abgreifbare Empfangssignal mit der Spannung von ü « 1 V und einem Strom von « 2 μΑ wird dem einen Eingang des Kompensationsgliedes 15 zugeführt. Dieses Empfangssignal wird mit dem Sendesignal des Hochfrequenzgenerators 14, welches am zweiten Eingang des Kompensationsgliedes 15 eingeht verglichen und das Differenzsignal wird über einen Signalverstärker 16 an die Kippstufe 17 gegeben. Die Kippstufe 17 ist so eingestellt, daß in diesem Zustand der Schaltungsanordnung kein Signal an ihrem Ausgang auftritt. Das Schaltglied 18 wird daher nicht betätigt.

Nähert man jetzt die Kuppe eines Fingers 21 der Oberfläche der Abschirmung 20, so wird durch die relativ großflächige Annäherung oder Berührung der Abschirmung 20 über eine kapazitive Kopplung ein Teil der elektrischen Feldlinien von der Abschirmung 20 nach außen hin zum Finger abgeleitet und durch eine weitere kapazitive Kopplung des gesamten menschlichen Körpers mit ca. 30 pF wird der Stromkreis über die Masse des Fahrzeugs geschlossen. Die Ableitung der Feldlinien bewirkt eine Schwächung des Empfangssignals an der Empfangselektrode 13 auf 0 » 0,3 V. Das im Kompensationsglied 15 gewonnene Ausgangssignal aus der Differenz zwischen Sende- und Empfangssignal wird dadurch größer und über den Signalverstärker 16 wird nunmehr die Kippstufe 17 umgeschaltet. Von ihr gelangt nun ein Einschaltsignal an das Schaltglied 18 und dieses schließt den Stromkreis 19. Die Schaltanordnung ist so aufgelegt, daß einerseits die kapazitive

Kopplung der Abschirmung 20 mit dem Chassis des Kraftfahrzeuges nicht ausreicht, daß aber andererseits die Berührung der Abschirmung 20 durch den Fahrzeuglenker auch bei angezogenem Handschuh bereits ausreicht, um das Schaltglied 18 bei einer Spannung von « 0,7 V zu betätigen.

Die F i g. 3 zeigt einen kapazitiven Sensor 30 mit nur zwei in einer Ebene mit Abstand nebeneinander angeordneten Flächenelektroden 31 und 32, die von einer Abschirmung 33 umgeben sind. Auch hier ist die Sendeelektrode 31 an einem Hochfrequenzgenerator 34 angeschlossen. Die aus der Sendeelektrode 31 austretenden elektrischen Feldlinien F werden praktisch vollständig über die metallische Abschirmung 33 auf die Empfangselektrode 32 geleitet, welche hier unmittelbar an einem Signalverstärker 35 angeschlossen ist. Der Eingang des Signalverstärkers 35 ist dabei über einen Kondensator 36 von « 1,5 pF mit dem Massepotential gekoppelt. Durch die Annäherung oder Berührung der Abschirmung 33 wird bei dieser Schaltanordnung ein größerer Anteil der Feldlinien nach außen hin zur Masse abgeleitet, so daß sich daraus eine relativ große Änderung des Empfangssignals an der Empfangselektrode 32 ergibt. Diese Änderung wird verstärkt unmittelbar als Steuersignal verwendet.

Der Kondensator 36 kann in der dargestellten Schaltung auch durch einen Widerstand von 1 ΜΩ ersetzt werden. Er bildet mit der gestrichelt angedeuteten Anschlußkapazität 37 des Sensors 30 einen Spannungsteiler, dessen Ausgangswechselspannung die Signalspannung Us ist, die über eine Diode 38 gleichgerichtet und als pulsierende Gleichspannung über einen weiteren Kondensator 39 geglättet wird, indem der Kondensator 39 und der Kathodenanschluß der Diode 38 mit der Basis eines npn-leitenden Transistors 40 verbunden ist. Der Kollektoranschluß des Transistors 40 liegt über einen großen Widerstand 41 am Pluspotential U der Leitung 35 und der Emitteranschluß ist über einen kleinen Widerstand 42 mit Masse verbunden.

Die geglättete Gleichspannung schaltet bei unberührtem Sensor 30 den Transistor 40 in den leitenden Zustand, so daß die Ausgangsspannung Ua, die am Kollektoranschluß abgegriffen wird, nahezu Null ist. Beim Berühren des Sensors 30 wird die Signalspannung Us an der Empfangselektrode 32 so weit herabgesetzt, daß die geglättete Spannung am Kondensator 39 nicht mehr ausreicht, um den Transistor 40 leitend zu halten. Dieser gelangt daher in den Sperrzustand und die Ausgangsspannung Ua wird dadurch praktisch auf das Pluspotential U angehoben. Der Transistor 40 dient hier sowohl als Verstärker als auch als Kippstufe. Seine Ausgangsspannung Ua kann unmittelbar für Schaltvorgänge verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsbeispiele beschränkt, da sowohl an den Abmessungen der Elektroden und der Abschirmung des Sensors als auch an der an ihm angeschlossenen Auswerteschaltung Änderungen möglich sind. So kann durch eine entsprechende geometrische Gestaltung der Elektrodenflächen und der Abschirmung der kapazitive Sensor auch als Näherungssensor für größere Entfernungen aufgebaut werden und beispielsweise im Bereich der Stoßstangen eines Kraftfahrzeuges angeordnet als Einparkhilfe dienen. In der Auswerteschaltung des Sensors kann anstelle des Signalverstärkers auch eine Brückenschaltung verwendet werden. Auch kann anstelle der Kippstufe ein Flipflop verwendet werden, um beispielsweise die Blinkanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer ersten Berührung der Abschirmung einzuschalten und mit einer zweiten Berührung diese wieder abzuschalten. Entsprechende Anwendungen ergeben sich auch bei der Ein-, Aus- und Umschaltung der Scheinwerferlampen von Kraftfahrzeugen. Als Schaltglied können sowohl einfache Relais und Schrittschaltrelais sowie elektronische Schalter z. B. Transistoren verwendet werden. Erfindungswesentlich ist die gegen Masse und gegen die Elektroden des Sensors galvanisch isolierte metallische Abschirmung, über die im unberührten Zustand zumindest ein Teil der von der Sendeelektrode ausgehenden Feldlinien des elektrischen Feldes auf die Empfangselektrode weitergeleitet werden und die bei Annäherung oder Berührung der Abschirmung durch ein elektrisch leitendes Organ teilweise über dieses Organ ableitbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

einer Ebene mit Abstand nebeneinander angeordnete PatentansDrüche· Flächenelektroden aufweist, von denen die eine als Patentansprüche. Sendeelektrode mit einem Signalgeber elektrisch

1. Schaltanordnung mit einem Streufeldkondensa- leitend verbunden ist und die andere als Empfangselektor der mindestens zwei in einer Ebene mit Abstand 5 tröde an ein Schaltgl.ed angeschlossen ^ durchnebeneinander angeordnete Flächenelektroden auf· welches das auf Grund einer Änderung des Feldhmen-

" weist, von denen die eine als Sendeelektrode mit Verlaufs an dieser Empfangselektrode abgreifbare

einem Signalgeber elektrisch leitend verbunden ist Meßsignal auswertbar ist

und die andere als Empfangselektrode an ein Bei einer bekannten Schaltanordnung sind zur

Schaltglied angeschlossen ist, durch welches das io selbsttätigen Einschaltung von Scheibenwischeranlagen

aufgrund einer Änderung des Feldlinienverlaufs an für Fahrzeuge die Elektroden auf einer Seite der

dieser Empfangselektrode abgreifbare Meßsignal Windschutzscheibe angeordnet (US-PS 38 26 979). Die

auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet. Windschutzscheibe bildet hier em Dielektrikum, durch

daß die Elektroden (11, 12, 13; 31, 32) von einer welches beim Anlegen einer Hochfrequenzschwingung

gegen Masse und gegen diese Elektroden galvanisch 15 an der Sendeelektrode ein Teil der von ihr ausgehenden

isolierten, metallischen Abschirmung (20; 33) umge- Feldlinien zur Empfangselektrode gelangen. Sobald sich

ben sind, über die im berührungslosen Zustand auf der Windschutzscheibe eine geringe Feucht.gkeits-

zumindest ein Teil der vor der Sendeelektrode (11; menge niederschlägt, werden die Feldlinien über diesen

31) ausgehenden Feldlinien des elektrischen Feldes Feuchtigkeitsfilm verstärkt zur Empfangselektrode

(F) auf die Empfangselektrode (13; 32) weitergeleitet 20 hingeleitet. Diese Feldlimenänderung wird als Meßsi-

werden und die bei Annäherung oder Berührung der gnal zur Einschaltung der Scheibenwischeranlage

Abschirmung durch ein elektrisch leitendes Organ ausgewertet. Solche Schaltanordnungen lassen sich aber

(21) teilweise über dieses Organ ableitbar sind. zum Ein- und Ausschalten von Scheinwerfern, Blinklam-

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch pen, Signalhörnern und anderen, individuell ein- und gekennzeichnet, daß zwischen der Sendeelektrode 15 ausschaltbaren Verbrauchern des Kraftfahrzeuges nicht (11) und der Empfangselektrode (13) eine dritte, mit verwenden, da sie unter Umständen ein Anfeuchten des Massepotential verbundene Mittelelektrode (12) in Fingers erfordern, mit dem die Schaltung vorgenommen der gleichen Ebene angeordnet ist, die weder mit der werden soll. Außerdem würden Fehlschaltungen ausge-Sende- und der Empfangselektrode noch mit der löst, wenn sich Feuchtigkeit, z.B. Tau u.a. am Abschirmung (20) galvanisch verbunden ist. 30 Streufeldkondensator niederschlägt.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch Es ist ferner bekannt, eine derartige Elektrodenangekennzeichnet, daß die Flächen der Sendeelektro- Ordnung als berührungslosen Näherungssensor auszude (It) und der Empfangselektrode (13) größer sind bilden, indem eine weitere, auf Masse gelegte Elektrode als die Fläche der Mittelelektrode (12). an die Sende- bzw. Empfangselektrode herangeführt

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 35 wird, um ein Teil der zur Empfangselektrode gelangebis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegen- nen Feldlinien abzuziehen. Die Amplitude des ursprüngden Sende- und Empfangselektroden (11, 13) eine lieh an dieser Empfangselektrode abgegriffenen Signals Kreisabschnittsform haben und von der zylinderför- wird dadurch abnehmen und dieser Meßeffekt kann zur mig ausgebildeten Abschirmung (20) umfaßt sind, Steuerung von beliebigen Verbrauchern ausgenutzt deren Stirnfläche zur Berührung dient wobei an 40 werden. Diese Lösung hat aber den wesentlichen deren Rückseite die Anschlußleitungen (Ha, 12a, Nachteil, daß durch eine Ablagerung von Schmutz und \3a) für die Elektroden (11, 12, 13) isoliert Feuchtigkeit auf der Sende-und Empfangselektrode der herausgeführt sind. an der Empfangselektrode abgenommene Meßstrom