DE60315743T2

DE60315743T2 - System zur kontaktlosen Hinderniserkennung mit hochempfindlicher kapazitiver Detektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE60315743T2
Application number: DE60315743T
Authority: DE
Inventors: Ronald H. Haag; Brian Warren Deplae; Jeremy M. Washington Husic; John Malibu Pasiecznik
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: US20030071727A1; EP1343252B1; DE60315743D1; EP1343252A2; EP1343252A3; US6750624B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Näherungserfassungssysteme und insbesondere einen biegsamen kapazitiven Streifen für den Gebrauch in einem kontaktlosen System zur Hinderniserkennung, wie es zum Beispiel in Zusammenhang mit einem kraftunterstützten Kraftfahrzeug-Hubtor, einer kraftbetriebenen Vorrichtung oder einem Perimetersystem umgesetzt werden kann.
Verschiedene Systeme wurden zum Erfassen von Hindernissen auf dem Weg einer beweglichen Tafel konzipiert, wie zum Beispiel ein kraftbetriebenes Kraftfahrzeugfenster, eine kraftbetriebene Schiebetür oder eine Tür mit kraftbetriebenen Scharnieren. Wenn ein Hindernis erfasst wird, wird die Vorwärtsbewegung (zum Beispiel Schließbewegung) der Tafel unterbrochen und optional kann die Bewegung der Tafel danach umgekehrt (zum Beispiel geöffnet) werden. Diese Erfassungssysteme können im Allgemeinen als entweder „mit Kontakt" oder „kontaktlos" charakterisiert sein. Bei einem System mit Kontakt wird ein Hindernis nur erfasst, nachdem irgendeine Form physikalischer Berührung zwischen der Tafel und dem Hindernis aufgetreten ist, und es kann Vorrichtungen wie zum Beispiel pneumatisch/druckempfindliche Streifen enthalten oder eventuell Sensoren, die auf Änderungen in der mechanischen oder elektrischen Ladung in dem Gerät, das die Tafel bewegt, reagieren.
Andererseits wird bei einem kontaktlosen System ein Hindernis erfasst, bevor der tatsächliche Kontakt auftritt. Ein spezifischer Typ eines kontaktlosen Hinderniserfassungssystems nutzt den Einsatz eines oder mehrerer kapazitiver Elemente als Näherungssensor(en). Kapazitive Näherungssensoren können einen oder mehrere elektrische Leiter aufweisen, die entlang der Vorderkante eines Objekts ausgebildet sind, sowie eine kapazitätsempfindliche Schaltung gekoppelt mit dem oder den Leitern. Ein Hindernis in der Nähe des oder der Leiter ändert die Kapazität des Sensors und die Änderung wird danach von der kapazitiven empfindlichen Schaltung erfasst.
Leider ergeben sich bestimmte Probleme beim Schaffen geeigneter kapazitiver Näherungssensoren mit der geforderten Dauerzustands-Nennkapazität, die für hochempfindliche Anwendungen wünschenswert ist, wie zum Beispiel das oben beschriebene kontaktlose Hinderniserfassungssystem. Erstens hängt der Nennkapazitätswert einer kapazitiven Erfassungsvorrichtung inhärent (unter anderen Parameter) von den physikalischen Maßen und den relativen Positionen der Kondensatorelektroden zueinander ab. Genauer genommen wirkt sich das Ausmaß, in dem die Kondensatorelektroden maßlich miteinander entlang ihrer Länge konsistent sind auf die Charakteristiken der Vorrichtung aus. Angesichts der Tatsache, dass sich ein Sensor auf einer profilierten Oberfläche befinden könnte, wie zum Beispiel auf einem Fahrzeugständer, einer Tafel oder einem beweglichen Hubtor, kann die Aussicht auf das Bilden eines verlässlichen, sensitiven kapazitiven Näherungssensors daher schwierig sein.
Da es ferner auch wünschenswert sein kann, dass sich der Sensor in einer „engen" Zone befindet, die das Profil des Sensors effektiv einschränkt, und/oder im Freien bereitgestellt wird (wie zum Beispiel auf einem Kraftfahrzeug), das notwendigerweise Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Diese Variablen wirken sich ebenfalls auf die Kapazität aus und sollten daher beim Konzipieren eines hochempfindlichen kapazitiven Präzisionsnäherungssensors berücksichtigt werden.
Ein Näherungssensor gemäß dem Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 2 538 531 bekannt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die oben besprochenen sowie weitere Nachteile und Mängel des früheren Stands der Technik werden durch einen kapazitiven Sensoraufbau überwunden oder gelindert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der Aufbau einen kapazitiven Streifen auf, der einen länglichen Körper zum biegsamen Montieren an einer Tafel entlang einer unteren Fläche des länglichen Körpers hat. Ein erster länglicher ebener Leiter ist in einem oberen Abschnitt des länglichen Körpers enthalten, während ein Längshohlraum durch einen zentralen Abschnitt des länglichen Körpers ausgebildet ist. Der Längshohlraum ist zwischen dem ebenen Leiter und der unteren Fläche angeordnet. Ein Kapazitätsdetektormodul ist in den Längshohlraum eingefügt, wobei das Kapazitätsdetektormodul eine Kapazitätsdetektorschaltung aufweist, die mit dem ersten länglichen ebenen Leiter gekoppelt ist.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der erste längliche ebene Leiter eine erste Elektrode eines Erfassungskondensators, der mit der Kapazitätsdetektorschaltung gekoppelt ist. Der Längshohlraum weist einen Abschnitt eines dielektrischen Materials des Erfassungskondensators auf. Zusätzlich weist die Tafel eine zweite Elektrode des Erfassungskondensators auf. Der ebene Leiter besteht vorzugsweise aus biegsamem Werkstoff, so dass eine im Wesentlichen konstante Entfernung zwischen dem ersten länglichen ebenen Leiter und der Tafel aufrechterhalten wird. Der längliche Körper wird durch Extrusion eines Isoliermaterials, wie zum Beispiel Santoprengummi gebildet.
Bei einem weiteren Aspekt weist das Kapazitätsdetektormodul ferner eine Leiterplatte und eine Abschirmstruktur zum Abschirmen abgestrahlter Emissionen auf, die von Geräten, die in der Leiterplatte enthalten sind, erzeugt werden. Eine Klemme verbindet die Leiterplatte elektrisch mit dem ersten länglichen ebenen Leiter. Ein erstes Ende der Klemme ist an einer Rückseite der Leiterplatte befestigt, und ein zweites Ende der Klemme ist an dem ersten länglichen ebenen Leiter befestigt. Die Abschirmstruktur enthält ferner eine erste Abschirmung zum Abschirmen eines ersten Oszillators, der in der Leiterplatte enthalten ist, und eine zweite Abschirmung zum Abschirmen eines zweiten Oszillators, der in der Leiterplatte enthalten ist.
Die oben besprochenen sowie weitere Nachteile und Mängel des früheren Stands der Technik werden ferner durch ein Verfahren zum Erfassen einer Änderung in der Kapazität eines kapazitiven Erfassungselements mit einem Nennkapazitätswert überwunden oder gelindert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verfahren das Koppeln des Erfassungselements mit einem ersten Oszillator auf, wobei der erste Oszillator eine erste Frequenz erzeugt, die von dem Kapazitätswert des Erfassungselements abhängt. Die erste Frequenz wird mit einer Referenzfrequenz verglichen, die von einem zweiten Oszillator erzeugt wird. Die Änderung in der Kapazität von dem Nennkapazitätswert wird erfasst, wenn sich die erste Frequenz von der Referenzfrequenz um einen festgelegten Frequenzwert unterscheidet.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind der erste Oszillator und der zweite Oszillator so konfiguriert, dass die erste Frequenz und die Referenzfrequenz voneinander um einen festgelegten Offsetwert verschoben sind, wenn die Kapazität des kapazitiven Erfassungselements gleich dem Nennkapazitätswert ist. Zusätzlich werden die erste Frequenz und die Referenzfrequenz in einen Mischer eingegeben. Ein Ausgang dieses Mischers wird dann in ein Tiefpassfilter eingegeben, von dem ein Ausgang eine Zwischenfrequenz (IF) ist, die dem Unterschied zwischen der ersten Frequenz und der Referenzfrequenz entspricht. Die Zwischenfrequenz (IF) liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0 bis etwa 15 MHz, während die erste Frequenz und die Referenzfrequenz mindestens 900 MHz betragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Zwischenfrequenz an ein Steuermodul übertragen, wobei die Zwischenfrequenz dann mit dem festgelegten Offsetwert verglichen wird. Dadurch wird ein Zunehmen der Kapazität ausgehend von dem Nennkapazitätswert erfasst, wenn die Zwischenfrequenz den festgelegten Offsetwert überschreitet.
Die oben besprochenen und weitere Nachteile und Mängel des früheren Stands der Technik werden ferner durch ein kontaktloses Hinderniserfassungssystem, das ultrasensitive kapazitive Techniken anwendet, überwunden oder gelindert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist das System ein Erfassungselement auf, das in der Nähe einer beweglichen Tafel oder einer Näherungserfassungsschaltung in Kommunikation mit dem Erfassungselement angeordnet ist. Die Näherungserfassungsschaltung erzeugt ein Differenzausgangssignal, das anzeigt, ob sich ein Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements befindet. Zusätzlich ist ein zentrales Steuermodul mit dem Erfassungselement in Kommunikation. Das zentrale Steuermodul bestimmt, ob das Differenzausgangssignal auf einen Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements hinweist. Wenn das Zentralsteuermodul bestimmt, dass das Differenzausgangssignal auf einen Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements hinweist und sich die bewegliche Tafel zu einer geschlossenen Stellung bewegt, erzeugt das Zentralsteuermodul ein Steuerausgangssignal, um die bewegliche Tafel daran zu hindern, sich zu der geschlossenen Stellung zu bewegen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist das Erfassungselement ferner ein kapazitives Erfassungselement mit einer Nennkapazität auf, wobei die Näherungserfassungsschaltung eine Änderung der Nennkapazität als ein Ergebnis eines Fremdkörpers in der Nähe des Erfassungselements erfasst. Die Näherungserfassungsschaltung ist in das Erfassungselement eingebaut und weist ferner einen ersten Oszillator auf, der ein erstes Frequenzsignal erzeugt. Das erste Frequenzsignal hängt von der Kapazität des Erfassungselements ab. Ein zweiter Oszillator erzeugt ein Referenzfrequenzsignal, wobei das Differenzausgangssignal durch einen Vergleich des Signals mit der ersten Frequenz und des Signals mit der Referenzfrequenz bestimmt wird.
Vorzugsweise weist das Hinderniserfassungssystem ferner ein Koaxialkabel auf, das die Näherungserfassungsschaltung und das zentrale Steuermodul koppelt, wobei das Koaxialkabel sowohl ein Gleichstromleistungssignal als auch das Differenzausgangssignal überträgt. Sowohl die Näherungserfassungsschaltung als auch das zentrale Steuermodul enthalten ferner ein „T"-Vorspanngerät.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines biegsamen kapazitiven Streifens, der in einem Kapazitivsensoraufbau gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
2a ist eine seitliche Querschnittansicht des kapazitiven Streifens der 1, an eine Tafel montiert gezeigt,
2b ist eine seitliche Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der 2a,
3 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Kapazitätsdetektormoduls, das in den biegsamen kapazitiven Streifen einzufügen ist,
4 ist eine Seitenansicht des Kapazitätsdetektormoduls der 3,
5 ist eine perspektivische Ansicht sowohl des Kapazitätsdetektormoduls als auch des kapazitiven Streifens und veranschaulicht die Positionsausrichtung des Einfügens des Kapazitätsdetektormoduls in den kapazitiven Streifen,
6 ist eine Seitenquerschnittansicht des Kapazitätsdetektormoduls, das in den kapazitiven Streifen eingefügt ist, um den Kapazitivsensoraufbau zu bilden,
7 ist eine weitere Seitenquerschnittansicht des Kapazitätsdetektormoduls, das in den kapazitiven Streifen eingefügt ist und ferner eine Endabformung veranschaulicht, die das vorstehende Ende des Kapazitätsdetektormoduls und der Kondensatorelektrode abdeckt,
8 ist eine perspektivische ausgeschnittene Ansicht einer alternativen Ausführungsform des kapazitiven Sensoraufbaus und veranschaulicht das Koaxialkabel und den Stecker,
9 ist eine Endansicht einer alternativen Ausführungsform des kapazitiven Streifens,
10 ist ein schematisches Diagramm eines kontaktlosen Hinderniserfassungssystems, das ein oder mehrere kapazitive Erfassungselemente aufweist und mit hochempfindlichen Kapazitätserfassungsschaltungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden ist,
11 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften hochempfindlichen Kapazitätsdetektors (HSCD) mit der dazugehörenden Steuermodulverkabelung,
12(a) ist ein schematisches Diagramm, das eine mögliche Schaltungsumsetzung des HSCD, der in 11 gezeigt ist, ist,
12(b) ist ein schematisches Diagramm, das eine mögliche Schaltungsumsetzung der dazugehörenden Steuermodulverkabelung, die in 11 gezeigt ist, veranschaulicht,
13 ist ein Funktionsblockschaltbild des kontaktlosen Hinderniserfassungssystems, das in 10 gezeigt ist, und
14 bis 20 sind Flussdiagramme, die beispielhafte Unterprogramme in Zusammenhang mit einem Gleitvariablenalgorithmus zum Kompensieren von Umgebungs- und Strukturänderungen veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Kapazitivsensoraufbau wird hier offenbart. Der Kapazitivsensoraufbau ist kostengünstig herzustellen und hat eine geeignet niedrige Nennkapazität (zum Beispiel in der Größenordnung von etwa 20 Picofarad (pF)) und erhält noch dreidimensionale Flexibilität zum Montieren auf einer profilierten Fläche, wie zum Beispiel auf einem Kraftfahrzeug aufrecht. Der Sensoraufbau besteht aus einem biegsamen kapazitiven Streifen, der ein relativ niedriges Profil hat, so dass er zum Beispiel zwischen einen Fahrzeugständer und eine Tür passt, die sich auf den Ständer schließt. Der Streifen ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er feuchtigkeitsfesten Schutz für die darin enthaltene Elektrode oder Elektroden bietet. Bei einem weiteren Aspekt ist der kapazitive Sensorstreifen auch für das integrale Aufnehmen der Kapazitätserfassungsschaltungen konfiguriert. Daher kann der kapazitive Streifen direkt an die Erfassungsschaltung angeschlossen werden und bietet wie unten beschrieben zusätzliche Vorteile.
Ferner werden hier ein Verfahren und ein Gerät zum Erfassen einer relativ kleinen Änderung in der Kapazität eines kapazitiven Erfassungselements offenbart, wie man sie in einem kontaktlosen Hinderniserfassungssystem antrifft.
Ferner wird hier ein kontaktloses Hinderniserfassungssystem offenbart, das ultraempfindliche Kapazitätstechniken zum Steuern der Bewegung eines elektrisch angetriebenen Systems verwendet, wie zum Beispiel eines kraftunterstützten Hubtors, kraftbetriebener Schiebetüren, kraftbetriebener Kofferraumdeckel oder einer beweglichen Tür eines Fahrzeugs. Allgemein beruht das System auf einer ultrasensitiven kapazitiven Erfassungstechnik, bei der eine Näherungserfassungsschaltung direkt in ein kapazitives Erfassungselement eingebaut ist. Das kapazitive Erfassungselement kann zum Beispiel aus einem kapazitiven Streifen bestehen, der biegsam an eine Metalltafel montiert ist, wie zum Beispiel einen Kraftfahrzeugständer oder ein Hubtor. Wenn ein Fremdkörper (zum Beispiel die Hand eines Menschen) in die Nähe des Sensorelements gerät, während sich die angetriebene Tür schließt, wird ein elektrisches Signal von einem zentralen Steuermodul erzeugt. Dieses Signal wird dann zu einem weiteren Steuermodul gesendet, das die Bewegung des kraftunterstützten Hubtors steuert und veranlasst, dass das Steuermodul den Schließvorgang stoppt.
Zuerst ist unter Bezugnahme auf die 1 und 2a eine perspektivische und seitliche Querschnittansicht (jeweils) eines kapazitiven Sensoraufbaus 10 mit einem biegsamen kapazitiven Streifen 12 gezeigt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat der Sensorstreifen 12 einen biegsamen länglichen Körper 14 mit einem Klebestreifen 16, der auf einer unteren Fläche 18 befestigt ist. Der Klebestreifen 16 bildet ein Mittel zum Sichern des Streifens 12 an einer Metalltafel 20 (zum Beispiel ein Kraftfahrzeugständer oder kraftunterstütztes Hubtor). Der Sensorkörper 14 wird vorzugsweise durch Extrusion eines isolierenden, biegsamen Werkstoffs, wie zum Beispiel Santoprengummi gebildet.
Ein biegsamer Leiter 22 dient als erste Elektrode des kapazitiven Sensoraufbaus 10 und wird in einen oberen Abschnitt 24 des Sensorkörpers 14 durch Einfügen geformt. Der Leiter 22 ist ferner im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche 18 angeordnet und sollte daher im Wesentlichen parallel zu der Metalltafel 20 sein, wenn der Streifen 12 daran befestigt ist, ungeachtet der speziellen Konturen der Tafel 20. Vorzugsweise ist der Leiter 22 ein flacher geflochtener Leiter aus verzinntem Kupfer oder dergleichen, so dass er in jede beliebige Richtung biegsam ist, ohne beschädigt zu werden, und ohne zu irgendeiner Änderung seiner elektrischen Charakteristiken entlang seiner Länge zu führen. Ein Beispiel für eine geeignete Auswahl für einen Leiter 22 weist ein flaches verzinntes Kupferflechtwerk hergestellt von Alpha Wire Company auf. Der Santoprengummi-Sensorkörper 14 deckt die gesamte Fläche des flachen geflochtenen Leiters 22 ab, um ihn daran zu hindern, Feuchtigkeit ausge setzt zu werden, und zusätzlich bietet die Extrusion des Gummis ein kosteneffizientes Verfahren zum Herstellen mehrerer Streifen 12 (die auf eine gewünschte Länge geschnitten werden können) durch einen einzigen Prozess.
Zusätzlich zu dem biegsamen Leiter 22 weist der Sensorkörper 14 einen zentralen Längshohlraum 26 zwischen dem oberen Abschnitt 24 und der unteren Fläche 18 auf. Gemäß einem Aspekt wirkt der Hohlraum 26 als ein Luftkern (das heißt Dielektrikum), das den Leiter 22 von der Metalltafel 20 trennt. Bei dieser besonderen Ausführungsform dient die Metalltafel als eine zweite Elektrode oder Erdungsebene des kapazitiven Sensoraufbaus 10. Es ist jedoch klar, dass bei Anwendungen, bei welchen der Streifen 12 an einer nicht metallischen Tafel oder an einem nicht metallischen Träger zu befestigen ist, ein zweiter länglicher Leiter durch Einfügen in den Körper 14 zwischen den Hohlraum 26 und die untere Fläche 18 geformt werden kann, wie gestrichelt von dem Leiter 28 in 2a angezeigt.
2b veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der 2a. Statt den Streifen 12 an einer Metalltafel mit einem Klebestreifen zu befestigen, kann der Sensorstreifen 12 Hohlkehlen 27 aufweisen, die in den Außenseiten des Körpers ausgebildet sind. Der Streifen 12 kann dann (anhand der Hohlkehlen 27) in einen Kunststoffträger 29 geschoben werden, der den Streifen an Ort und Stelle hält. Der Kunststoffträger 29 wiederum kann dann an einer Fahrzeugfläche (nicht gezeigt) befestigt werden, wie zum Beispiel an einer geeigneten Stelle. Es ist jedoch zu bemerken, dass der Leiter 28 bei dieser Ausführungsform als die zweite Kondensatorelektrode verwendet wird, da zwischen dem Streifen 12 und einer Metallfläche kein direkter Kontakt besteht.
Im Allgemeinen kann die Kapazität C des Sensorstreifens 12 aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden: C = (,0 ,r A)/dwobei ,₀ die Permittivität des freien Raums (8,85 pF/m) ist, ,_r die relative Permittivität (dielektrische Konstante) des oder der Werkstoffe ist, die verwendet werden, um den Streifenkörper 14 zu bilden (in diesem Fall Luft und Santoprengummi), A die Oberfläche des geflochtenen Leiters 22 ist und d die Entfernung zwischen den Elektroden des Kondensators innerhalb des Sensoraufbaus 10 ist. Bei der Ausführungsform, bei der die Tafel 20 die Erdungsebene des Streifens 12 bildet, ist d die Entfernung von dem geflochtenen Leiter 22 zu der Tafel 20. Alternativ ist d die Entfernung von dem geflochtenen Leiter 22 zu dem zweiten geflochtenen Leiter 28.
Es ist daher klar, dass die oben beschriebene Konfiguration für den kapazitiven Streifen 12 darin vorteilhaft ist, dass es ihre Biegsamkeit ihr erlaubt, sich an das Profil einer profilierten Fläche wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs zu fügen und gleichzeitig darin einen gleichförmig geformten Leiter bereitzustellen, der zu der profilierten Fläche selbst im Wesentlichen parallel bleiben kann. Ferner stellt das Santoprengummimaterial unter anderen Vorteilen Schutz für den Leiter von äußeren Elementen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit dar, die die Empfindlichkeit des Sensoraufbaus 10 ansonsten beeinträchtigen könnten. Ferner ist klar, dass die Größe des Streifens an die spezifische Anwendung angepasst werden kann, wobei der Kapazitätswert berücksichtigt wird, der in der Erfassungsschaltung verwendet werden soll. Ein kapazitiver Streifen 12, der zum Beispiel für den Gebrauch in einem kapazitiven Näherungssensor für ein Kraftfahrzeug-Hubtor bestimmt ist, kann eine Breite von etwa 10 Millimeter (mm) und eine Stärke oder Höhe von etwa 8 mm haben. Es ist jedoch wieder klar, dass die allgemeine Konfiguration des kapazitiven Streifens mehrere andere Anwendungen und daher andere Größen haben kann.
Wenn der kapazitive Streifen 12 gemeinsam mit einem Typ Kapazitätserfassungsschaltung verwendet wird, ist eine externe Verbindung nötig, um den Leiter 22 mit der Verkabelung zu verbinden. Ein externer Draht, Leiter oder eine andere Verbindung zu dem Leiter sollte daher mit einem Dichtmaterial bereitgestellt werden, um den Schutz des Leiters 22 vor Feuchtigkeit und anderen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Das ist auch der Fall für jedes Ende des Streifens 12, der auf eine gewünschte Länge geschnitten wurde; ein abgeschnittenes Ende des Streifens 12 wird vorzugsweise auch mit einer schützenden Endabformung (zum Beispiel Gummi) versehen, um die Spitze des Leiters 22 abzudichten.
Bei bestimmten Anwendungen von Kapazitätserfassungssystemen kann der Fall auftreten, dass die Erfassungsverkabelung eines oder mehrere Hochfrequenzoszillationsgeräte (zum Beispiel > 900 MHz) verwendet, um Änderungen in der Kapazität zu erfassen. Wenn die Verkabelung von dem kapazitiven Streifen 12 entfernt angeordnet ist und relativ lokal in Bezug auf andere elektronische Komponenten und Verdrahtung ist, besteht die Möglichkeit, dass von den Oszillationsvorrichtungen abgestrahlte Emissionen andere elektronische Komponenten und die dazugehörende Verkabelung beeinträchtigen. Während weitgehende Abschirmung in einem Steuermodul zum Beispiel zum Isolieren multipler Hochfrequenzvorrichtungen verwendet werden könnte, kann es auch wünschenswert sein, eine Kapazitätsdetektorschaltung in der Nähe des kapazitiven Streifens 12 selbst anzuordnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Erfassungsgerät 10 daher ferner mit einem hochempfindlichen eingebauten Kapazitätsdetektorschaltungsmodul (in der Folge HSCD-Modul genannt) versehen. Allgemein ist die Aufmachung des HSCD-Moduls konzipiert, um in den zentralen Längshohlraum 26 des Streifens 12 eingefügt zu werden. Dadurch kann das HSCD direkt an den Leiter 22 (das heißt die Kondensatorelektrode) angeschlossen werden. Derart wird auch das Potenzial für eine Variation im Nennkapazitätswert verringert, da kein Bedarf an einer Länge externen leitenden Drahts zum Verbinden des Streifens 12 mit einer dezentral angeordneten Detektorschaltung erforderlich ist.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 weist das HSCD-Modul 30 bei einer möglichen Ausführungsform eine Leiterplatte 32 auf, die einzelne HSCD-Schaltungsbauteile (nicht gezeigt) und Zusammenschaltungen dazwischen enthält. Eine Abschirmstruktur 34 weist eine erste Abschirmung 36 zum Abschirmen eines ersten Oszillators auf, und eine zweite Abschirmung 38 zum Abschirmen eines zweiten Oszillators. Das HSCD-Modul 30 kann zum Beispiel eine oder mehrere Oszillatorvorrichtungen aufweisen, und jede Vorrichtung ist daher mit ihrer eigenen Abschirmung versehen. Sowohl die erste Abschirmung 36 als auch die zweite Abschirmung 38 enthält Zungen 40, die in entsprechende Öffnungen 42 innerhalb der Leiterplatte 32 eingefügt werden.
Ferner ist das HSCD-Modul 30 zusätzlich mit einer Klemme 24 oder einem Verbindungsmechanismus zum elektrischen Verbinden des Leiters 22 innerhalb des kapazitiven Streifens mit einer Kapazitätserfassungsschaltung innerhalb des HSCD-Moduls 30 versehen. Ein erstes Ende 46 der Klemme 44 ist auf die Rückseite 48 der Leiterplatte 32 durch Einfügen der Zungen 50 auf der Klemme 44 durch entsprechende Öffnungen 52 in der Leiterplatte 32 und dann Bilden einer Lötverbindung montiert. Jedes geeignete Befestigungsmittel an der Leiterplatte 32 kann jedoch ebenfalls in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel Crimpen oder Drücken. Ferner weist die Klemme 44 einen abgewinkelten Abschnitt 54 auf, der in einem zweiten hufeisenförmigen Ende 56 endet. Das zweite Ende 56 ist wiederum konfiguriert, um mit dem Leiter 22 innerhalb des kapazitiven Streifens 12 verbunden zu werden, wie unten ausführlicher gezeigt wird. Das zweite Ende 56 braucht jedoch nicht hufeisenförmig zu sein, solange die Verbindung einen konsistenten Dauerzustandskapazitätswert ergibt.
Wie in 4 gezeigt, kann eine Erweiterung 58 auch mit der Leiterplatte 32 bereitgestellt werden. Die Erweiterung 58 weist eine Anschlussschnittstelle 60 auf, die zum Aufnehmen einer Signal- und Leistungsverbindung von einem Steuermodul (nicht gezeigt) konfiguriert ist, um eine Schnittstelle mit der Kapazitätsdetektorschaltung herzustellen.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine perspektivische Ansicht sowohl des HSCD-Moduls 30 (ohne die Erweiterung 58 und die Verbindungsschnittstelle 60 gezeigt) und des kapazitiven Streifens 12 gezeigt, die insbesondere die Positionsbeziehung zwischen ihnen veranschaulicht, wenn das Modul 30 in den Hohlraum 26 des Streifens 12 eingefügt wird. Zu beachten ist, dass der Streifen 12 in Bezug auf das Modul 30 „umgedreht" ist und umgekehrt. Mit anderen Worten liegt die untere Fläche 18 des Streifens 12 der Oberseite der Abschirmstruktur 34 am nächsten.
6 veranschaulicht das eingefügte Modul 30 innerhalb des Streifens 12. Vor dem Einfügen wird das HSCD-Modul 30 jedoch zuerst in einen Gummischuh 62 eingefügt. Der Gummischuh 62 dient dazu, das HSCD-Modul 30 knapp innerhalb des Hohlraums 26 des Streifens zu sichern, da die Gesamtform des Moduls 30 eventuell nicht gleich ist wie die Form des Hohlraums 26. Der Schuh 62 dient auch dazu, ein Ausrinnen von Gummi innerhalb des Streifens 12 zu verhindern, wenn dessen Ende überformt wird, um das HSCD-Modul 30 und die externe Verbindung damit abzudichten.
Um die Verbindung zwischen der Klemme und dem Leiter 22 herzustellen, ist ein Abschnitt 22' (zum Beispiel etwa 8 mm) des Leiters 22 bloß. Das kann während des Extrusionsprozesses eingerichtet werden, wenn der Streifen 12 auf seine gewünschte Länge geschnitten wird. Wenn das HSCD-Modul 30 und der Gummischuh 62 daher in den Hohlraum 26 des Streifens eingefügt werden, wird das zweite Ende 56 der Klemme 44 mit dem bloßen Abschnitt 22' des Leiters 22 in Berührung gebracht. Ein Lötprozess kann dann umgesetzt werden, um eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 22 und der Klemme 44 sicherzustellen. Die Hufeisenkonfiguration des zweiten Endes 56 erlaubt ein leichtes Fließen des Lötmaterials, um die Verbindung herzustellen. Dann werden die Längsenden (nur eines gezeigt) des Streifens 12 überformt, um die isolierenden Endkappen 64 (nur eine gezeigt) in 7 zu bilden. Das Ende 64 hindert Feuchtigkeit am Eindringen in den kapazitiven Streifen 12 und stellt Umgebungsschutz für das vorstehende Ende des HSCD-Moduls 30 bereit.
8 veranschaulicht eine weitere alternative Ausführungsform des eingefügten Moduls 30 innerhalb des Streifens 12. Ein Koaxialkabelstecker 66 und das dazugehörende Kabel 68 können verwendet werden, um dem HSCD-Modul 30 Leistung zuzuführen und die darin erzeugten Signale zu übertragen. Das Koaxialkabel 68 ist eine bevorzugte kostengünstige Alternative zu mehrfachen Verdrahtungskonfigurationen.
Schließlich veranschaulicht 9 eine Endansicht einer alternativen Ausführungsform des kapazitiven Streifens 12. Der kapazitive Streifen 12 kann einen Querschnitt haben, der im Allgemeinen trapezförmig ist, wobei die Seitenflächen 70 des Streifens nach oben verjüngt sind, wie durch einen spitzen Winkel α in Bezug auf die Oberfläche 18 festgelegt. Zusätzlich kann der Hohlraum 26 ausgebildet sein, um gebogene Vorsprünge 72 innerhalb des Werkstoffs des Streifens 12 zu enthalten. Derart konfiguriert kann der Streifen 12 widerstandsfähiger gegenüber Komprimieren nach innen der Seitenflächen 66 gemacht werden. Wenn Druck an den oberen Abschnitt 24 des Streifens 12 angelegt wird, bewegt sich der obere Abschnitt 24 gerade nach unten, kehrt dann aber bereitwilliger in seine Originalstellung zurück, wenn die Kompressionskraft aufhört.
Obwohl die folgende Offenbarung in dem Kontext des Hinderniserfassungssystems für den Gebrauch gemeinsam mit einem Hubtor oder einem Tor eines Kraftfahrzeugs beschrieben ist, ist klar, dass die vorliegenden Erfindungsausführungsformen ebenfalls an jedes Näherungserfassungssystem und allgemeiner an jedes System angewandt werden können, das ein oder mehrere kapazitive Erfassungselemente verwendet.
Zuerst ist unter Bezugnahme auf 10 ein schematisches Diagramm eines kontaktlosen Hinderniserfassungssystems 110 gezeigt, das zum Beispiel verbunden mit einem Kraftfahrzeug-Hubtoraufbau verwendet werden könnte. Das Hinderniserfassungssystem 110 kann ein oder mehrere kapazitive Erfassungselemente 112 aufweisen, die jeweils konfiguriert sind, um einen erstrebenswerten Nennkapazitätswert zu haben. Jedes einzelne kapazitive Erfassungselement 112 weist ferner einen biegsamen kapazitiven Streifen 114 (wie in dem Detail „A" hervorgehoben) auf, der eine hochempfindliche Kapazitätsdetektorschaltung 116 (HSCD) eingebaut hat. Die HSCD-Schaltung 116 ist in dem Detail „B" symbolisch dargestellt.
Die Erfassungselemente 112 sind jeweils mit einem zentralen Steuermodul 116 über die Leitungen 120 gekoppelt. Wie unten ausführlicher beschrieben, weisen die Leitungen 120 vorzugsweise ein verdrilltes Leiterpaar oder alternativ eine Länge Koaxialkabel auf. In beiden Fällen stellen die Leitungen 120 ein Mittel zum Zuführen eines Gleichstrom-(DC)-Leistungssignals von dem zentralen Steuermodul 118 zu der HSCD-Schaltung 116 bereit. Ferner empfängt das zentrale Steuermodul 118 ein Ausgangssignal von jedem der Erfassungselemente 112 über die Leitungen 120 und bestimmt, ob eine erfasste Änderung der Kapazität irgendeines der Erfassungselemente 112 besteht. Befindet sich ein Fremdkörper in der Nähe eines oder mehrerer Erfassungselemente 112 während eines Verschließvorgangs eines kraftbetriebenen Tors oder einer kraftbetriebenen Tafel, erzeugt das zentrale Steuermodul 118 ein Steuersignal, um den Schließvorgang zu stoppen. Das kann bei einer Ausführungsform durch Koppeln des zentralen Steuermoduls 118 mit einem angetriebenen Türsteuermodul 122 über eine Datenleitung 124 verwirklicht werden.
Allgemein weist das zentrale Steuermodul 118 vorzugsweise Computerhardware und dazugehörende Software auf (symbolisch im Detail „C" dargestellt) auf, um Ausgangssignale von den HSCD-Schaltungen 116 mit den Nennwerten, die in Nachschlag-/Profiltabellen gespeichert sind, zu vergleichen.
Wie im Detail „A" gezeigt, kann der biegsame kapazitive Streifen 114 (bei einer möglichen Ausführungsform) durch Extrudieren eines isolierenden, biegsamen Materials 126 (wie zum Beispiel Santoprengummi) um einen flachen Leiter 128 gebildet werden. Der Leiter 128 dient als eine Kondensatorelektrode des kapazitiven Erfassungselements 112. Der Leiter 128 ist ferner konzipiert, um im Wesentlichen zu einer Fläche (nicht gezeigt) entlang der ganzen Länge des Streifens 114 parallel zu sein, wenn der Streifen 114 an der Fläche befestigt wird. Bei einer Ausführungsform dient der Leiter 128 als eine Kondensatorelektrode, während die Fläche (zum Beispiel eine metallische Fahrzeugkarosserie) als die andere Elektrode dient. Ein Lufthohlraum 130 innerhalb des Streifens 114 dient bei einem Aspekt als dielektrisches Material zwischen den Kondensatorelektroden.
Unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild der 11 weist das HSCD 116 einen feststehenden (lokalen) Oszillator 140, einen variablen (RF) Oszillator 142, einen Mischer 144, ein Tiefpassfilter 146, die Verstärkungsstufe 148 und eine „T"-Vorspannanordnung 150 auf. Der feststehende Oszillator 140 produziert einen Frequenzausgang, der stabil ist. Beispielhaft kann die Frequenz des feststehenden Oszillators 140 auf eine feststehende Frequenz f_LO von etwa 925 MHz festgelegt werden. Sie kann jedoch auf jede gewünschte Frequenz festgelegt werden. Der variable Oszillator 142 ist mit dem kapazitiven Streifen 114 eines kapazitiven Erfassungselements 112 wie oben beschrieben gekoppelt, so dass der variable Oszillator 142 eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die von dem Kapazitätswert des kapazitiven Streifens 114 abhängt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der variable Oszillator 142 eingerichtet, um eine Frequenz f_RF von etwa 922 MHz (oder, mit anderen Worten, ein feststehendes Offset von etwa 3 MHz gegenüber dem feststehenden Oszillator) in einer Dauerzustandsumgebung zu erzeugen. Eine „Dauerzustands"-Umgebung bezieht sich auf einen Zustand, bei dem kein Fremdkörper in der Nähe eines gegebenen Erfassungselements 112 ist. In einer solchen Situation bleibt der Kapazitätswert des Streifens 114 auf seinem Nennwert, wie er von seinen physikalischen Parametern festgelegt wird, und )C = 0.
Wenn sich eine Hand oder ein anderer Fremdkörper dem Sensorstreifen 114 nähert, steigt dessen Kapazitätswert so, dass )C 0. Die Ausgangs frequenz f_RF des variablen Oszillators 142 wird auch geändert, so dass )f_RF proportional zu )C ist. Genauer genommen bewirkt eine Steigerung der Kapazität des Sensorstreifens 114, dass die Ausgangsfrequenz f_RF des variablen Oszillators 142 sinkt.
Sowohl die feststehende Oszillatorausgangsfrequenz als auch die variable Oszillatorausgangsfrequenz werden durch Rückkehrverlustdämpfer 143a und 143b gespeist und in den Mischer 144 eingegeben, in dem die zwei Signale sowohl subtrahiert als auch miteinander addiert werden. Wie gemäß dem Stand der Technik gut bekannt, werden Mischer in Funkkommunikationstechnologie verwendet, um ein Basisbandinformationssignal auf eine Frequenz oder Frequenzen zu verschieben, die für die elektromagnetische Ausbreitung zu dem erstrebenswerten Zielort geeignet sind. In diesem Fall ist die zu verschiebende Frequenz die variable Frequenz f_RF. Gemischt mit dem Ausgang des feststehenden (das heißt lokalen) Oszillators 140 besteht das Resultat aus zwei Ausgängen an der Zwischenfrequenz (IF)-Schnittstelle des Mischers 144. Diese IF-Ausgänge können dargestellt werden als f_LO + f_RF und f_LO – f_RF. In einem Dauerzustandsmodus sind die resultierenden Mischerausgangsfrequenzen daher etwa 3 MHz und 1847 MHz.
Ist das erstrebenswerte IF-Signal größer als das RF-Signal, wird der Mischer als ein Aufwärtswandler betrachtet, ist das erstrebenswerte IF-Signal niedriger als das RF-Signal, wird der Mischer als ein Abwärtswandler betrachtet. Wie unten beschrieben, ist die erstrebenswerte IF-Komponente für das vorliegende HSCD 116 der Frequenzunterschied zwischen dem lokalen Oszillator 140 und dem feststehenden Oszillator 142. Die Frequenzabwärtswandlung wird daher durch Eingeben des Ausgangs des Mischers 144 durch das Tiefpassfilter 146 angelegt, um durch den Unterschied der zwei Frequenzen zu laufen. Das Tiefpassfilter 146 ist vorzugsweise so konzipiert, dass eine Kapazitätsänderung, die an einem Erfassungselement 112 gesehen wird (und die resultierende Frequenzänderung des variablen Oszillators 142), die von der Gegenwart eines Fremdkörpers verursacht wird, erkannt und in Form einer Änderung (das heißt Anstiegs) in f_LO – f_RF erfasst wird.
Der Ausgang des Tiefpassfilters 146 wird dann von der Verstärkungsstufe 148 verstärkt, bevor er zu dem Steuermodul 118 zum Verarbeiten übertragen wird. Wie unten erwähnt, kann das Tiefpassfilter 146 auch konfiguriert werden, um Teil des Feedbacknetzes der Verstärkungsstufe 148 zu sein. Die „T"-Vorspannanordnung 150 ist eingebaut, um die Anzahl der Verkabelungsverbindungen, die verwendet werden, um das Steuermodul mit dem HSCD zu koppeln, zu verringern. Wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, wird eine „T"-Vorspannung verwendet, um eine Gleichspannung auf die gleiche Übertragungsleitung zu koppeln wie die, die für Wechselstrom-(RF)-Signale verwendet wird, oder um die Gleichstromkomponente eines zusammengesetzten Signals zu erfassen/entfernen. Wenn daher eine „T"-Vorspannung verwendet wird, kann ein zweidrahtiges verdrilltes Leiterpaar für Leitungen 120 verwendet werden, um das Steuermodul 118 mit dem HSCD 116 zu koppeln. Alternativ kann ein Koaxialkabel verwendet werden.
In einer einfachen Form kann eine „T"-Vorspannung eine induktive Drossel aufweisen, oder bei Frequenzen über 1 GHz spezifisch abgestimmte Elemente auf einer Leiterplatte. Zusätzliche Informationen zu „T"-Vorspannanordnungen stehen im US Patent 6 229 408 ausgestellt auf Jovanovich et al. Es ist klar, dass, wenn mehrere Erfassungselemente 112 in einem System 110 verwendet werden, das zentrale Steuermodul 118 eine mehrfache „T"-Vorspannanordnung enthält. Bei der vorliegenden Ausführungsform läuft das Wechselstromsignal, das von der Verstär kungsstufe 148 ausgegeben wird, durch die „T"-Vorspannung 150 zu dem Steuermodul 118, während ein 5-Volt-Gleichstromsignal (zum Beispiel) von dem Steuermodul 118 zu dem HSCD 116 gesendet wird, um diesem Leistung zu liefern.
Wie in 11 gezeigt, weist das Steuermodul 118 ferner eine Front End-Elektronikzone 119 auf, die eine entsprechende „T"-Vorspannung 121 hat. Eine interne Stromversorgung 123 liefert eine geregelte +5V-Ausgangsspannung für den Gebrauch durch das HSCD 116. Auf der Empfangsseite strippt die „T"-Vorspannung 121 ebenfalls das eingehende IF-Signal von dem HSCD 116, so dass das IF-Signal durch einen Schmidt-Trigger 125 gegeben werden kann und dann zu der digitalen Verarbeitung durch Software in dem Steuermodul 118.
Unter Bezugnahme auf 12(a) ist eine mögliche Schaltungsausführungsform gezeigt, die die Blockschaltbildfunktionen des HSCD 116 ausführt, das in 12 veranschaulicht ist. Wie gezeigt, weist die „T"-Vorspannung 150 den Kopplungskondensator C9 und Induktor L1 auf. Der Kondensator C9 koppelt das Ausgangs-IF-Signal von dem Tiefpassfilter 146 und der Verstärkungsstufe 148 zu der Signalleitung, während der Induktor L1 eine hohe Wechselstromimpedanz bereitstellt, um das IF-Signal daran zu hindern, in den +5V-Gleichstrombus 160 zurückzuspeisen. Ein beispielhafter Wert für L1 beträgt etwa 220 Mikrohenrie (μH), während C9 mit etwa 0,047 Mikrofarad (μF) ausgewählt werden kann.
Mehrere Filterkondensatoren C1, C2, C3 und C4 werden verwendet, um irgendwelche Welligkeitseffekte auf dem Gleichstrombus 160 zu verringern, die von dem RF-Oszillator 142 und dem lokalen Oszillator 140 erzeugt werden könnten. Insbesondere dienen C2 und C3 auch zum Isolieren eines Oszillators von dem anderen. Die Kapazitätswerte von C1 bis C4 sind (zum Beispiel 0,1 μF) im Vergleich zu denen des Kondensators C8 (zum Beispiel 3,3 μF) relativ klein, wobei C8 dazu verwendet wird, die Gleichstromenergie zu speichern, die zu dem HSCD geliefert wird.
12(a) veranschaulicht ferner schematisch den kapazitiven Streifen 114 gekoppelt mit dem RF-Oszillator 142. Obwohl er nicht gezeigt ist, wird ein serieller Kondensator vorzugsweise zwischen dem kapazitiven Streifen 114 und dem RF-Oszillator 142 gekoppelt, so dass ein kapazitiver Teiler gebildet wird, um die Empfindlichkeit der Schaltung zu verringern und abgestrahlte Strahlungen in dem FCC-zugelassenen Band zu halten. Zusätzlich werden Widerstände R1 und R4 (zum Beispiel 2,1 kΩ und 1,2 kΩ) als Spannungsteiler konfiguriert, um einen Trimmpunkt für den RF Oszillator 142 bereitzustellen.
Der lokale Oszillator 140 wird vorzugsweise mit einer Vorspannladung heruntergepuffert, um einen Dauerzustand aufrechtzuerhalten, mit einem 3 MHz-Offset von dem RF-Oszillator 142. Ein externer Kondensator C5 (mit einer beispielhaften Kapazität von etwa 30 pF) ist daher mit dem lokalen Oszillator 140 gekoppelt. Die Widerstände R2 und R4 (zum Beispiel 2,1 kΩ und 560 kΩ) sind als ein Spannungsteiler konfiguriert, um einen Trimmpunkt für den lokalen Oszillator 140 bereitzustellen.
Obwohl das Hinderniserfassungssystem 111 Umgebungskompensationssoftware in seinem Steuermodul 118 verwendet, wird ein zusätzliches Maß an Kompensation für die Variation der Betriebsbedingungen (zum Beispiel Temperaturänderungen) bereitgestellt, indem die gleiche Art von Oszillator sowohl für den RF-Oszillator 142 als auch für den lokalen Oszillator 140 verwendet wird. Derart beeinträchtigt die Auswirkung auf die Ausgangsfrequenz des lokalen Oszillators 140 (zum Beispiel als Ergebnis einer Temperaturänderung) den Frequenzunterschied zwischen dem RF- Oszillator 142 nicht, da die Temperaturänderung auf die Ausgangsfrequenz des RF-Oszillators 142 die gleiche Auswirkung haben sollte.
Das Tiefpassfilter 146 und die Verstärkungsstufe 148 sind in 12(a) als ein integriertes Element gezeigt. Ein Tiefpassfilter ersten Ranges ist durch Koppeln des Kondensators C6 zu dem Ausgang des Mischers 144 konfiguriert. Der Kapazitätswert von C6 kann mit etwa 30 Nanofarad (nF) ausgewählt werden, um eine 3 dB-Signaldämpfung bei etwa 10 MHz bereitzustellen. Die Verstärkungsstufe 148 weist einen operativen Verstärker 162 mit dazugehörenden Vorspannwiderständen R4 und R5, Feedbackwiderständen R6, R7 und R8 und einem Feedbackfilterkondensator C7 auf.
Schließlich ist 12(b) ein schematisches Diagramm, das eine mögliche Schaltungsumsetzung der dazugehörenden Steuermodulschaltungen 119, gezeigt in 11, veranschaulicht. Die entsprechende „T"-Vorspannung 121 enthält hier einen Induktor L2 und einen Kondensator C10. Ein Paar Zehnerdioden Z1, Z2 stellt eine Spannungsregelung für den Ausgang der Stromversorgung 123 sowie für den Schmidt-Trigger 125 bereit. Die Kondensatoren C11, C12 und C13 stellen ferner Filterung für die Stromversorgung 123 bereit, die (beispielhaft) eine +12-Voltgleichspannungseingangsspannung veranschaulicht, die bei Kraftfahrzeugen üblich ist.
Es ist klar, dass die in 12(a) gezeigte Schaltung nur eine beispielhafte Umsetzung des HSCD darstellt, und der Fachmann erkennt, dass mehrere alternative Schaltungskonfigurationen möglich sind und konfiguriert werden können, um in den Geltungsbereich der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu fallen.
Aus der oben stehenden Beschreibung ist klar, dass das HSCD-Verfahren und HSCD-Gerät die Frequenzabwärtswandlung nutzen, um ausreichende Empfindlichkeit bereitzustellen, um kleine Änderungen in der Kapazität zu erfassen und gleichzeitig Hochfrequenzkomponenten (lokaler Oszillator 140, variabler Oszillator 142) an den Erfassungselementen befindlich bereitstellen. Mit anderen Worten wird eine Änderung in der Sensorstreifenkapazität, ursprünglich dargestellt durch eine kleine Frequenzänderung in dem Ausgang des variablen Oszillators 142, zu einer Zwischenfrequenz (IF) abwärts gewandelt, die für den Gebrauch durch den restlichen Abschnitt des Gesamtsystems besser geeignet ist. Die Frequenzabwärtswandlungstechnik behält daher die 900 MHz-Signale, die in dem HSCD 116 enthalten sind, während das Differenzsignal f_LO – f_RF die einzige Frequenz ist, die zu einem anderen Bereich des Fahrzeugs übertragen wird. Da sich das Differenzsignal nur von etwa 0 bis etwa 15 MHz erstreckt, ist es möglich (mit der „T"-Vorspannung), ein verdrilltes Paar für die Signalübertragung zu dem zentralen Steuermodul 118 zu verwenden und dadurch eine kosteneffizientere Alternative für ein Koaxialkabel und ein Steckersystem bereitzustellen. Natürlich und bei einer alternativen Ausführungsform kann die Schaltung oder das System angepasst werden, um außerhalb des oben genannten Bereichs zu funktionieren.
Es ist jedoch auch klar, dass, obwohl ein bevorzugter Betriebsfrequenzbereich besprochen wurde, der HSCD bei jeder beliebigen Frequenz funktioniert. Die besprochenen Ausführungsformen funktionieren im Bereich des 902–928 MHz-ISM-Bands, das der FCC für Feldstörungssensoren reserviert hat. Dieses Band ist breit genug, um die Amplitude des RF-Oszillators aufzunehmen. Bei niedrigeren Frequenzen kann die Amplitude jedoch die spezifizierten FCC-Bandlimits überschreiten. Ferner erlaubt das 900 MHz-Band ein größeres gestrahltes Leistungsniveau als bei niedrigeren Frequenzen. Während die Empfindlichkeit des HSCD nicht von dem Oszillatorleistungsniveau abhängt, reguliert der FCC das maximal abgestrahlte Leistungsniveau.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Konzepts besteht darin, dass ein sauberes digitales Signal zu dem zentralen Steuermodul 118 übertragen wird. Glatte Kanten aufgrund einer Sinuswelle beschränken Oberwellen zweiten und dritten Ranges auf akzeptable Niveaus, um den Abstrahlforderungen, die in den FCC-Vorschriften und geltenden SMV-Spezifikationen enthalten sind, zu entsprechen. Zusätzlich ändern Varianzen in den Stromversorgungsparametern (Welligkeit oder Spannungsabfälle) die Ausgangssignalfrequenz bei dem vorliegenden Konzept nicht, da beide Oszillatoren durch irgendwelche der oben genannten Bedingungen in der Frequenz aufwärts oder abwärts verschieben. Mit anderen Worten hängt die Systemempfindlichkeit nicht von den spezifischen vorhandenen Leistungsniveaus ab, vorausgesetzt, die Oszillatoren bleiben stabil.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden HSCD-Konzepts besteht darin, dass das Näherungserfassungssystem gegenüber Umgebungsbedingungen selbst anpassend ist. Da das Tiefpassfilter 146 mit einer Bandbreite von 15 MHz konzipiert ist (obwohl nach Wunsch eine größere Bandbreite ausgewählt werden kann) und der Dauerzustandsfrequenzunterschied f_LO – f_RF auf etwa 3 MHz eingestellt ist, reicht eine 2 MHz-Änderung (Sinken) in der f_RF, um zu bestimmen, dass sich ein Hindernis in der Nähe des Sensorelements befindet. Der dynamische Bereich des HSCD kann daher erhöht werden, und f_LO – f_RF kann eingestellt werden, um Umgebungsänderungen wie zum Beispiel Temperaturänderungen, Schlammspritzer, leichten Regen und andere Bedingungen zu berücksichtigen.
Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass das Konzept des Sensorstreifens selbst hinsichtlich des Funktionierens des HSCD 116 besonders wichtig ist. Der Dauerzustandskapazitätswert des Streifens 114 sollte nicht zu groß sein, um den RF-Oszillator nicht zu überschwemmen. Ist der Kapazitätswert zu groß, könnte der RF-Oszillator 142 heruntergezogen und am Betrieb mit der richtigen Frequenz gehindert werden, so dass er instabil wird. Die Impedanz des Streifens 114 wird daher vorzugsweise zwischen 50 Ohm (Ω) und etwa 200 Ω ausgewählt. Eine Impedanz von etwa 200 Ω stellt mehr Gerätempfindlichkeit aufgrund eines niedrigeren Kapazitätswerts bereit, aber die ausgegebene abgestrahlte Leistung wird erhöht. Bei 50 Ω ist die abgestrahlte Leistung verringert, aber die Gerätempfindlichkeit sinkt aufgrund einer größeren Dauerzustandskapazität und schränkt daher den Betriebsfrequenzbereich ein. Ein Streifen 140 mit einer charakteristischen Impedanz von etwa 100 Ω stellt daher einen guten Kompromiss für Empfindlichkeit und abgestrahlte Leistung bereit.
Unter Bezugnahme auf die 13 bis 20 wird ein kontaktloses Hinderniserfassungssystem beschrieben, das ultrasensitive Kapazitätstechniken verwendet, um die Bewegung eines elektrisch kraftbetriebenen Systems, wie zum Beispiel eines kraftunterstützten Hubtors, kraftbetriebener Schiebetüren, eines kraftbetriebenen Kofferraumdeckels oder einer bewegliche Tür eines Kraftfahrzeugs zu steuern. Allgemein gesehen beruht das System auf einer ultrasensitiven kapazitiven Erfassungstechnik, bei der eine Näherungserfassungsschaltung direkt in ein kapazitives Erfassungselement eingebaut ist. Das kapazitive Erfassungselement kann zum Beispiel als ein kapazitiver Streifen ausgeführt werden, der biegsam an einer Metalltafel installiert ist, wie zum Beispiel eine Kraftfahrzeugsäule oder ein Hubtor. Wenn ein Fremdkörper (zum Beispiel eine menschliche Hand) in die Nähe des Sensorelements gerät, während sich die kraftbetriebene Tür schließt, wird von einem zentralen Steuermodul ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal wird dann zu einem weiteren Steuer modul gesendet, das die Bewegung des kraftbetriebenen Hubtors steuert und bewirkt, dass das Steuermodul den Schließvorgang stoppt.
Zuerst ist unter Bezugnahme auf 13 ein schematisches Diagramm eines kontaktlosen Hinderniserfassungssystems 210 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie oben erwähnt, beruht das kontaktlose System 210 auf ultrasensitiven Kapazitätssensoren und Kapazitätserfassungstechniken. Das System 210 weist daher ein oder mehrere kapazitive Erfassungselemente 212 auf, die jeweils konfiguriert sind, um einen erwünschten Nennkapazitätswert zu haben. Ferner ist jedes Erfassungselement 212 ein biegsamer Streifen 214, der konzipiert ist, um sich an eine dreidimensionale Profilfläche zu fügen und ein relativ niedriges Profil zu haben, um nicht übermäßig von der Fläche vorzustehen.
Im Allgemeinen hat jeder Streifen 214 einen biegsamen länglichen Körper mit einer Klebefläche daran befestigt, um den Streifen 214 an einer Metalltafel (zum Beispiel am Hubtor einer Kraftfahrzeugsäule) zu befestigen. Wie in dem Detail „A" in 13 gezeigt, kann der Sensorkörper durch Extrudieren eines isolierenden, flexiblen Werkstoffs 216 (wie zum Beispiel Santoprengummi) um einen flachen Leiter 218 gebildet werden, der als eine Elektrode für das kapazitive Erfassungselement 212 dient. Der Leiter 218 ist konzipiert, um im Wesentlichen zu der Tafel entlang ihrer ganzen Fläche parallel zu sein, wenn der Streifen an der Tafel befestigt wird. Bei einer Ausführungsform dient der Leiter 218 als eine Kondensatorelektrode, während der Fahrzeugkörper als die andere Elektrode dient. Ein Lufthohlraum 220 innerhalb des Streifens 214 dient bei einem Aspekt als ein dielektrisches Material zwischen den Kondensatorelektroden. Alternativ kann das Erfassungselement 212 mit zwei Leitern in seinem Inneren geformt konzipiert werden. Zusätzliche Details in Zusammenhang mit dem kapazitiven Erfassungselement 212 stehen in den 1 bis 9 und sind hier beschrieben.
Eingefügt innerhalb und gekoppelt mit jedem Erfassungselement 212 ist eine Näherungserfassungsschaltung 222, die unten auch ultrasensitiver Kapazitätsdetektor (USCD) genannt wird. Die Näherungserfassungsschaltung 222 (symbolisch dargestellt in dem Detail „B" in 13) erfasst eine Änderung der Kapazität ihres dazugehörenden kapazitiven Erfassungselements 212. Bei einer bevorzugten Ausführungsform funktioniert die Näherungserfassungsschaltung 222, indem eine erste Frequenz, die von einem ersten Oszillator erzeugt wird, mit einer Referenzfrequenz, die von einem Referenzoszillator erzeugt wird, verglichen wird. Die erste Frequenz hängt von dem Kapazitätswert des Erfassungselements 212 ab. Wenn sich der Kapazitätswert des Erfassungselements 212 ändert (zum Beispiel aufgrund eines Fremdkörpers in der Nähe des Erfassungselements), ändert sich auch die erste Frequenz. Die Referenzfrequenz bleibt festgestellt, und ein Differenzausgangssignal, das den Frequenzunterschied zwischen der ersten Frequenz und der Referenzfrequenz darstellt, wird erzeugt. Zusätzliche Information in Zusammenhang mit einer spezifischen Ausführungsform und einem Kapazitätserfassungsverfahren für die Näherungserfassungsschaltung stehen in den 1 bis 12 und sind hier beschrieben.
Ein Koaxialkabel 224 (oder alternativ ein verdrilltes Paar Leiter) wird verwendet, um das Differenzausgangssignal von jeder Näherungserfassungsschaltung 222 innerhalb eines Erfassungselements 212 zu einem zentralen Steuermodul 226 zu übertragen. Die Frequenz des Differenzausgangssignals kann um etwa 3 bis etwa 15 MHz variieren, eine relativ niedrige Frequenz für RF-Vorrichtungen. Die Auswirkung abgestrahlter Signale auf irgendwelche andere elektronische Bauteile in der Nähe des Kabels 224 sollte daher verringert sein. Hingegen funktionieren die in der Näherungserfassungsschaltung 222 verwendeten Oszillatoren bei relativ hohen Frequenzen (zum Beispiel > 900 MHz) und sie sind daher lokal angeordnet und innerhalb der Schaltung 222 abgeschirmt.
Zu bemerken ist hier, dass das System, auch wenn ein bevorzugter Frequenzbereich für die Oszillatoren in dem Bereich von 900 MHz liegt, auch bei jeder beliebigen Betriebsfrequenz funktioniert. Ein Vorteil des Betriebs über 900 MHz besteht in der gesteigerten Empfindlichkeit der Schaltung 222 gegenüber einer Änderung in der Kapazität. Zusätzlich gibt es bereits ein existierendes Frequenzband, das der FCC für Feldstörungserfassungsvorrichtungen festgelegt hat (zwischen 902 und 928 MHz), das auch die abgestrahlte Spitzenleistung deckt, die von den Vorrichtungen erzeugt wird. Das Betreiben der Schaltung mit einem unterschiedlichen Frequenzbereich kann daher zu zusätzlicher Zeit und Mehrkosten beim Erzielen irgendeiner erforderlichen FCC-Genehmigung führen.
Ein zweiter Zweck des Lufthohlraums 220 innerhalb des Erfassungselementsstreifens 214 besteht daher darin, die Näherungserfassungsschaltung 222 aufzunehmen, um die von ihr erzeugten relativ hohen Frequenzsignale zu isolieren. Weitere Details in Zusammenhang mit dem Einbau der Näherungserfassungsschaltung 222 in das Erfassungselement 212 stehen in den 11 bis 12 und den dazugehörenden Beschreibungen. Zusätzlich zum Übertragen des RF-Ausgangssignals trägt das Kabel 224 auch ein Gleichstromleistungssignal (zum Beispiel 5 Volt) von dem Steuermodul 226 zu dem entsprechenden USCD 222 und eliminiert daher den Bedarf an eigenen Leistungsleitungen und RF-Signalleitungen. Um sowohl das Gleichstromsignal als auch das RF-Signal durch eine einzige Leitung zu senden, wird vorzugsweise ein „T"-Vorspanngerät sowohl für die Näherungserfassungsschaltung als auch für das zentrale Steuermodul 226 bereitgestellt. Wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, wird eine „T"-Vorspannung im Allgemeinen verwendet, um eine Gleichspannung auf eine Leitung zu koppeln, die für Wechselstrom (RF)-Signale verwendet wird, und/oder um ein zusammengesetztes Signal aus der Gleichstromkomponente zu erfassen/entfernen. Bei einer einfachen Form kann eine „T"-Vorspannung eine induktive Drossel aufweisen oder für Frequenzen über 1 GHz spezifisch abgestimmte Elemente auf einer Leiterplatte. Zusätzliche Information zu „T"-Vorspannanordnungen steht im US Patent 6 229 408 ausgestellt auf Jovanovich et al. Es ist klar, dass beim Gebrauch mehrerer Erfassungselemente 212 in dem System 210 das zentrale Steuermodul 226 mehrere „T"-Vorspannanordnungen enthält.
Wie insbesondere aus dem Blockschaltbild der 14 ersichtlich, empfängt das zentrale Steuermodul 226 die Differenzausgangssignale von jedem USCD 222. Auch hier ist eine „T"-Vorspannanordnung 227 für jedes USCD 222 bereitgestellt, und die Eingangssignale werden durch einen Multiplexer 228 und einen binären Zähler 229 gesendet, um die spezifische Frequenz jedes Signals zu bestimmen. Die Frequenzen werden von einem einen binären Zähler 229 in ihre digitale Darstellung umgewandelt. Ein entsprechender Code (zum Beispiel ein 12-Bit-Code) wird dadurch für den Gebrauch in einem Mikroprozessor 230 innerhalb des zentralen Steuermoduls 226 erzeugt. Software in dem Modul 226, symbolisch innerhalb des Details „C" in 13 dargestellt, wird dann verwendet, um den Frequenzwert eines gegebenen Differenzausgangssignals (von einem bestimmten Erfassungselement 212 und dem entsprechenden USCD) mit einem Nennwert zu vergleichen, der in einer Profil- oder Nachschlagtabelle 232 gespeichert ist, um zu bestimmen, ob ein Hindernis gegenwärtig ist.
Die Profiltabelle 232 enthält vorzugsweise einen Nennwert für jede einzelne Türposition, wie durch ein optisch codiertes Ausgangssignal 234 bestimmt werden kann, das von einem Türsteuermodul 236 erzeugt wird. Während des Schließens einer angetriebenen Tür oder einer beweglichen Tafel 238 kann man sich zum Beispiel vorstellen, dass es eine leicht erhöhte Kapazität gibt, die von einer oder mehreren Näherungserfassungsschaltungen 222 als Ergebnis des Annäherns der Tür 238 mit dem oder den Erfassungselementen erfasst wird (bei einer Ausführungsform, bei der mindestens ein Erfassungselement 212 an einer stationären Fahrzeugssäule befestigt ist). Das System 210 ist daher kalibriert, um eine solche Steigerung zu kompensieren, um sich näherndes Fahrzeugmaterial von einem tatsächlichen Objekt in der Nähe des Erfassungselements 212 zu unterscheiden.
Bei der Umsetzung in Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug kann die Profiltabelle 232 generisch, um mehrere Fahrzeugdesigns zu decken, oder spezifisch für ein bestimmtes Fahrzeugdesign programmiert werden. Die Profiltabelle 232 ist jedoch vorzugsweise angepasst, um automatisch durch den Gebrauch eines Flash-RAM oder irgendeiner anderen geeigneten programmierbaren Speicherstruktur aktualisiert zu werden. Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass das System 210 fähig ist, als ein Hinderniserfassungssystem für Anwendungen außerhalb des Fahrzeugbereichs verwendet zu werden, wie zum Beispiel eine selbstbewegte Tür an einem Gehäuse oder an einer Struktur oder einer Garagentür. Sollte sich der Fremdkörper während eines Türschließvorgangs in der Nähe eines oder mehrerer Erfassungselemente 212 innerhalb des Hinderniserfassungssystems 210 befinden, unterscheidet sich die resultierende Differenzausgangsfrequenz von einem oder mehreren der Erfassungselementen 212 von der, die in der entsprechenden Profiltabelle enthalten ist. Der Mikroprozessor 230 in dem zentralen Steuermodul 226 sendet ein Signal 240 zu dem Türsteuermodul 236 über die Datenleitung 242 (in 1 gezeigt), das das Türsteuermodul 236 veranlasst, die Schließbewegung der Tür 238 durch das Signal 244 sowohl zu stoppen als auch umzukehren.
Zusätzlich zum Teilen von Positionsinformation auf der Tür/der Tafel 238, kann das Türsteuermodul 236 auch konfiguriert werden, um eine Anzeige über das Signal 246 dazu bereitzustellen, wenn sich die Tür 238 in einer komplett geschlossenen Stellung befindet. Optional könnte das zentrale Steuermodul 226 erweitert und in das Türsteuermodul 236 eingebaut werden, um die Verringerung der Bauteile und Kostenersparnisse zu fördern. Weitere Merkmale können einen Energiespar- oder „Schlaf"-Modus enthalten, in dem das zentrale Steuermodul 226 die Leistung zu jeder einzelnen Näherungserfassungsschaltung 222 abschaltet, wenn sich die Tür 238 in einer komplett geschlossenen Stellung befindet.
Die Software ist ferner in der Lage, Umgebungsänderungen (wie zum Beispiel die Gegenwart von Wasser auf den Erfassungselementen 212) zu kompensieren und durch den Gebrauch eines Gleitvariablenhilfsprogramms gleichzeitig präzis die Gegenwart eines Fremdkörpers zu erfassen. Da sich Änderungen in der Temperatur, Feuchtigkeit oder andere Witterungsbedingungen auf das System auswirken können, wird eine „Gleitvariable" zu dem Profiltabellenwert für jede einzelne Türstellung hinzugefügt. Die Gleitvariable steigt oder sinkt automatisch in Abhängigkeit von den spezifischen Umgebungsbedingungen oder Strukturänderungen an der angetriebenen Tür. Anderenfalls könnte eine Steigerung der Kapazität des Erfassungselements 212 zum Beispiel aufgrund der Gegenwart von Feuchtigkeit auf ihm von dem System 210 als ein Fremdkörper ausgelegt werden.
Die 15 bis 20 sind Flussdiagramme, die beispielhafte Unterprogramme in Zusammenhang mit einem Gleitvariablenalgorithmus zum Kompensieren von Umwelt- und Strukturänderungen veranschaulichen. Allgemein werden die Umgebungsänderungen durch eine globale Gleitvariable kompensiert, die einen Wert hat, der mit der Zeit, während der aktuelle Kapazitätswert von seinem aktuellen Profilwert abweicht, steigt oder sinkt. Die Änderungsrate der globalen Gleitvariablen wird relativ langsam gehalten, so dass eine „schnelle" Umgebungsänderung aufgrund menschlichen Eingreifens erfasst und von einer tatsächlichen Umgebungsänderung unterschieden werden kann. Ferner gilt die globale Gleitvariable für alle Punkte in der Profiltabelle.
Anderseits weist die Positionsgleitvariable eine spezifische Tabelle von Werten auf, die jeder Position in der Profiltabelle entsprechen. Jeder Wert wird entweder erhöht oder verringert, während sich die Tür durch eine Position bewegt. Wenn ein Unterschied zwischen der gegenwärtigen Position und dem Profilpositionswert erkannt wird, wird die Positionsgleitvariable aktualisiert. Diese Technik kompensiert für Strukturänderungen in dem Fahrzeug, wie zum Beispiel Tür-zu-Karosserie-Ausrichtung oder Strebenausrichtung, die wiederum einen Abschnitt der Profiltabelle betreffen. Das System passt sich daher an physikalische Änderungen in der Tür an, die von Fahrzeug zu Fahrzeug je nach dem Gebrauch und/oder den Schäden an der Tür selbst, die die Tür physikalisch beeinflussen können, während sie noch in der Lage ist, sich zu öffnen und zu schließen, variieren können. Daher können, während sich die Tür schließt, sie und ihr Material als Hindernisse erfasst werden. Die Profiltabelle informiert daher das System darüber, welche erfassten Hindernisse die schließende Tür sind und welche nicht. Zusätzlich wird diese Profiltabelle im Laufe der Änderungen der physikalischen oder strukturalen Merkmale der Tür aktualisiert. Das System kann daher physikalische Änderungen an der Tür und an anderem erfassbaren Material erkennen, die während des Betriebslebens dieser auftreten.
In 15 ist ein allgemeines Hilfsprogramm gezeigt, das während des Hochlaufens des Softwaresystems (Block 302) und während der Initialisierungsschritte (Block 304) umgesetzt wird. In Block 306 wird ein Timerunterbrechungshilfsprogramm eingerichtet. Das Timerunterbrechungshilfsprogramm (angezeigt im Knoten 308) ist konzipiert, um den Prozess des Eingangssammelns durch Lesen von einem oder mehreren kapazitiven Sensoren zum Verarbeiten der gesammelten Daten und Aktualisieren der globalen und Positionsgleitvariablen nach Bedarf, wenn das Fahrzeughubtor geschlossen wird, zu starten. Zum Beispiel ist die Timerunterbrechungsdauer auf etwa 500 Mikrosekunden (μs) eingestellt. Nach dem Warten des Abschließens des Timerunterbrechungshilfsprogramms in Block 310 und Knoten 312, wird der Prozess zum Knoten 308 zurückgeschickt, um das Hilfsprogramm ununterbrochen zu wiederholen. Je nach Anwendungserfordernissen kann die Timerunterbrechungsdauer natürlich größer oder kleiner sein als 500 Mikrosekunden.
16 ist ein weiteres Flussdiagramm, das spezifischer die Schritte veranschaulicht, die in dem Timerunterbrechungshilfsprogramm 400 umgesetzt werden. Im Block 402 startet das Einstellen der Timerunterbrechung einen weiteren Datenprobenannahmezyklus, der im nächsten Programmzyklus verwendet wird. Die Werte des kapazitiven Sensorstreifens werden dann gelesen und wie in Block 404 gezeigt gespeichert. Zusätzlich wird die Hubtorposition ständig überwacht, wie in den Blöcken 406 (zum Bereitstellen von Schalterentprellen des Hubtorriegels) und 408 (optisches Positionserfassen) wiedergegeben. Im Block 410 werden die Sensorstreifenwerte, die in Block 404 gelesen und gespeichert wurden, wie genauer in den 17 bis 20 beschrieben, verarbeitet. Alle gespeicherten Parameter, wie zum Beispiel die globale Gleitvariable oder Positionsgleitvariablen werden in Block 412 gespeichert, und das Verfahren kehrt von der Unterbrechung in Block 414 zurück.
Unter Bezugnahme auf 17 veranschaulicht das Flussdiagramm allgemein die drei Hauptschritte, die am Sensorstreifenwert-Verarbeitungsblock 410 in 16 beteiligt sind. Zuerst wird in 502 ein Hinderniserfassungshilfsprogramm ausgeführt, das ausführlicher in 18 beschrieben ist. Danach wird ein Hilfsprogramm der globalen Gleitvariablen in Block 504 ausgeführt, das ausführlicher in 19 beschrieben wird. Nach dem Hilfsprogramm der globalen Gleitvariablen wird ein Hilfsprogramm der Positionsgleitvariablen in Block 506 ausgeführt (ausführlicher beschrieben in 20), bevor man in 16 zum Block 412 zurückkehrt.
Unter Bezugnahme auf 18 ist ein ausführlicheres Flussdiagramm für das Hinderniserfassungshilfsprogramm 502 gezeigt. Zuerst wird ein Profilwert in Block 602 für die laufende Türposition, die von dem Hubtor in diesem Augenblick eingenommen wird, geladen. Der Profilwert entspricht dem digitalisierten Kapazitätswert, der anzeigen würde, dass kein Hindernis an der spezifischen Türposition vorhanden ist. Gemeinsam mit dem Profilwert werden auch die laufende globale Gleitvariable und die Positionsvariable (bestimmt von diesen spezifischen Hilfsprogrammen) in Block 604 geladen. In Block 606 wird dann der Profilwert zu den Gleitwerten hinzugefügt, so dass ein angepasster Profilwert entsteht, der die Gleitwerte berücksichtigt. Dann wird in Block 608 eine Toleranz für eine bestimmte Türposition geladen. Die spezifische Toleranz hängt von der Türposition ab und hilft dabei, einen Wertebereich zu erstellen, für den bestimmt wird, dass kein Hindernis vorhanden ist. Dieser Bereich wird in Block 610, in dem obere und untere Grenzwerte für einen Bereich „ohne Hindernis" berechnet werden, bestimmt.
Das Verfahren geht weiter zu Block 612, in dem der aktuelle Sensorstreifenwert zum Vergleichen mit den in Block 610 erstellten oberen und unteren Grenzwerten geladen wird. Ist der aktuelle Wert innerhalb des Bereichs, wie er im Entscheidungsblock 614 bestimmt wurde, wird davon ausgegangen, dass kein Hindernis vorhanden ist, und es wird keine Korrekturaktion in Bezug auf das Hubtor gesetzt (das heißt, das Tor wird in seiner Bewegung nicht umgekehrt, wie in Block 616 gezeigt). Dann geht das Verfahren zurück zu 17, wie in Block 618 gezeigt. Ist der aktuelle Wert jedoch nicht innerhalb des im Entscheidungsblock 614 bestimmten Bereichs, wird davon ausgegangen, dass ein Hindernis vorhanden ist. Eine Korrekturaktion, zum Beispiel ein Umkehren der Tür, wird dann in Block 620 gesteuert.
Nach dem Ausführen des Hinderniserfassungshilfsprogramms 502 wie oben beschrieben, wird wieder eine globale Gleitroutine 504 ausgeführt. Das ist im Flussdiagramm der 19 gezeigt. Die globale Gleitroutine 504 startet in Block 702, in dem der aktuelle Sensorstreifenwert geladen wird. Dann wird das aktuelle Profil zu dem zuvor gespeicherten globalen und dem Positionsgleitwert in Block 704 hinzugefügt. Dann wird ein Unterschied zwischen der Summe, die in Block 704 bestimmt wurde, und einem Referenzwert berechnet. In Block 708 wird dieser Unterschied dann mit einem vorgehenden Unterschied verglichen, der aus der vorhergehenden Iteration der globalen Gleitroutine 502 bestimmt wurde. Wird im Entscheidungsblock 710 ein Vorzeichenwechsel bestimmt, wird der Gleitzähler, wie in Block 712 gezeigt, zurückgesetzt. Anderenfalls wird der Gleitzähler wie in Block 714 gezeigt inkrementiert.
Ungeachtet der Tatsache, ob der Gleitzähler inkrementiert oder zurückgestellt wird, erfolgt im Entscheidungsblock 716 eine Abfrage dahingehend, ob der Gleitzähler einen voreingestellten maximalen Wert erreicht hat. Ist das der Fall, geht das Hilfsprogramm weiter zu Block 718, in dem der globale Gleitwert je nach den vorliegenden Bedingungen entweder erhöht oder verringert wird. Der Gleitzähler wird dann in Block 720 zurückgestellt, und der aktuelle Unterschied, der in Block 706 berechnet wurde, wird gespeichert, um als der „vorhergehende Unterschiedswert" (Block 708) für die nächste Iteration verwendet zu werden. Hat der Zähler im Entscheidungsblock 716 den maximalen voreingestellten Wert nicht erreicht, wird der globale Gleitwert hingegen nicht geändert. Das erlaubt einen langsameren Übergang des globalen Gleitwerts, um sich an Umgebungsbedingungen, wie oben beschrieben, anzupassen. Auch wenn der globale Gleitwert nicht geändert wird, wird der aktuelle Unterschied trotzdem in Block 722 gespeichert, und das Hilfsprogramm kehrt zu 17, wie in Block 724 gezeigt, zurück.
Schließlich ist die Positionsgleitroutine 506 ausführlicher in 20 veranschaulicht. Da sich jede Änderung in dem Positionsgleitwert auf die Position der Tür bezieht, wird das Hilfsprogramm 506 nur ausgeführt, wenn eine Änderung in der Türstellung auftritt. Der aktuelle Sensorstreifenwert wird in Block 802 geladen, dann werden das aktuelle Profil und der vorhergehende Positionsgleitwert in Block 804 hinzugefügt. Zu bemerken ist, dass der globale Gleitwert bei diesem Hilfsprogramm nicht berücksichtigt wird. Ähnlich wie bei dem globalen Gleitunterprogramm, berechnet die Positionsgleitroutine 502 dann in Block 806 einen Unterschied zwischen der Summe, die in Block 804 bestimmt wurde, und einem Referenzwert aus der vorhergehenden Iteration des Hilfsprogramms. Besteht ein Unterschied, wird der Positionsgleitwert sofort geändert (erhöht oder verringert), wie in Block 810 wiedergegeben, bevor zu 17 zurückgekehrt wird. Besteht kein Unterschied, wird der Positionsgleitwert nicht geändert (Block 814). Anders als bei der globalen Gleitroutine besteht hier kein Positionsgleitzähler.
Es ist aus den oben beschriebenen Ausführungsformen klar, dass das System 210 ein Mittel bereitstellt, um die Gegenwart eines Hindernisses (wie zum Beispiel einen Menschen) in der Nähe einer beweglichen kraftbetriebenen Tür ungeachtet der Änderungen der Umgebung, in der sich die Erfassungselemente 212 befinden, zu erfassen.

Claims

Hinderniserfassungssystem (10) für ein bewegliches Element, umfassend: ein Erfassungselement (12) angeordnet in der Nähe des beweglichen Elements, eine Näherungserfassungsschaltung (222) in Kommunikation mit dem Erfassungselement, wobei die Näherungserfassungsschaltung ein Differenzausgangssignal erzeugt, das darstellt, ob sich ein Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements befindet, und ein zentrales Steuermodul (226) in Kommunikation mit dem Erfassungselement, wobei das zentrale Steuermodul bestimmt, ob das Differenzausgangssignal einen Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements anzeigt, wobei, wenn das zentrale Steuermodul feststellt, dass das Differenzausgangssignal einen Fremdkörper in der Nähe des Erfassungselements anzeigt und sich das bewegliche Element zu einer Schließstellung bewegt, das zentrale Steuermodul ein Steuerausgangssignal erzeugt, um das bewegliche Element beim Bewegen zu seiner Schließposition zu stoppen, wobei ein erster Oszillator (140) ein erstes Frequenzsignal erzeugt, wobei das erste Frequenzsignal von der Kapazität des Erfassungselements abhängt, und einen zweiten Oszillator (142), der ein Referenzfrequenzsignal erzeugt, wobei das Differenzausgangssignal durch einen Vergleich zwischen dem ersten Frequenzsignal und dem Referenzfrequenzsignal bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement einen länglichen Streifen aus Isoliermaterial (24), einen länglichen ebenen Leiter (22), der in einem oberen Abschnitt des länglichen Streifens aus Isoliermaterial enthalten ist, und einen Längshohlraum aufweist, der durch einen zentralen Abschnitt des länglichen Streifens ausgebildet ist.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 1, wobei das zentrale Steuermodul ferner Folgendes aufweist: einen Mikroprozessor (230), einen Multiplexer (228), um selektiv ein ausgewähltes Differenzausgangssignal von jedem Differenzausgangsignal, das dem Multiplexer zugewiesen ist, durchzugeben, und Software zum Vergleichen des ausgewählten Differenzausgangssignals mit einem Nennwert, wobei der Nennwert von einer spezifischen Position des beweglichen Elements abhängt.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das bewegliche Element eine Tür eines Fahrzeugs ist, und wobei das Hinderniserfassungssystem ferner Folgendes aufweist: ein Steuermodul (236) der angetriebenen Tür in Kommunikation mit dem zentralen Steuermodul, wobei das Steuermodul für die angetriebene Tür die Bewegung der Tür steuert.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassungselement ferner ein kapazitives Erfassungselement (212) mit einer Nennkapazität aufweist.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 4, wobei die Näherungserfassungsschaltung eine Änderung in der Nennkapazität als das Ergebnis eines Fremdkörpers in der Nähe des Erfassungselements erfasst.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Näherungserfassungsschaltung in das Erfassungselement eingebaut ist.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner umfasst: ein Koaxialkabel (224), das die Näherungserfassungsschaltung mit dem zentralen Steuermodul koppelt, wobei das Koaxialkabel sowohl ein Gleichstromsignal als auch das Differenzausgangssignal überträgt.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Näherungserfassungsschaltung als auch das zentrale Steuermodul ferner ein „T"-Vorspanngerät (150) aufweisen, das hiermit enthalten ist.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Differenzausgangssignal einen Frequenzbereich von etwa 0 Hz bis etwa 15 MHz hat.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Frequenzsignal und das Referenzfrequenzsignal mit einer Frequenz von mindestens 900 MHz erzeugt werden.
Hinderniserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zentrale Steuermodul ferner umfasst: einen Mikroprozessor (230), und Software zum Vergleichen des Differenzausgangssignals mit einem Nennwert je nach einer spezifischen Position des beweglichen Elements oder der Tür.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 11, wobei die Software ferner ein Gleitvariablenhilfsprogramm (410) zum Kompensieren von Umgebungsänderungen und Strukturänderungen in der Nähe des beweglichen Elements oder der Tür aufweist.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 12, wobei das Gleitvariablenhilfsprogramm ferner eine globale Gleitroutine (504) und eine Positionsgleitroutine (506) aufweist, wobei die globale Gleitroutine auf Umgebungsänderungen reagiert und die Positionsgleitroutine auf Positionsänderungen des beweglichen Elements oder der Tür reagiert.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 13, wobei die globale Gleitroutine ferner einen globalen Gleitzähler (504) aufweist, wobei der globale Gleitzähler ein Ändern eines gegebenen globalen Gleitwerts verhindert, bis der globale Gleitzähler einen bestimmten Wert erreicht hat.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 12, wobei das Gleitvariablenhilfsprogramm eine globale Gleitroutine (504) und eine Positionsgleitroutine (506) aufweist, wobei die globale Gleitroutine auf Umgebungsänderungen reagiert und sich das Positionsgleithilfsprogramm an Strukturänderungen an dem beweglichen Element oder der Tür anpasst.
Hinderniserfassungssystem nach Anspruch 12, wobei sich das Positionsgleithilfsprogramm an Strukturänderungen des beweglichen Elements oder der Tür anpasst, die während des Betriebslebens des beweglichen Elements oder der Tür auftreten.