JP2006516850A - 容量性近接スイッチに用いられる回路装置 - Google Patents

Abstract

容量性近接スイッチに用いられる、電荷移動原理に基づく回路装置であって、作動状態に応じて変化する容量を有する容量性センサ素子（Ｃ３）と、中央キャパシタ（Ｃ２）と、制御信号に応じて該容量性センサ素子に充電電圧（Ｕ３）を供給する第１の制御可能な接続手段（Ｄ２）と、該容量性センサ素子から該中央キャパシタへ電荷を移動するために、該制御信号に応じて該容量性センサ素子を該中央キャパシタに接続する第２の制御可能な接続手段（Ｔ１）と、を有している形式の回路装置が記載されている。充電電圧が交流電圧であってよく、そして、該第１の接続手段又は該第２の接続手段とが交互に導通性になるように、該接続手段に該交流電圧を供給することができる。

Description

本発明は、特に、電荷移動原理に基づいた、上位概念として請求項１に記載された容量性近接スイッチに用いられる回路装置に関する。

このような形式の回路装置は公知であり、例えば欧州特許出願公開第０８５９４６８号明細書におけるこのような形式の回路装置が有する容量性センサ素子の容量は、そのセンサ素子の作動状態に応じて変化する。このような容量の変化は、作動状態を調べるために評価される。このために、センサ素子には充電電圧が供給され、これにより、センサ素子の容量と充電電圧とに応じて、所定の電荷がセンサ素子に移動される。充電時間後には、センサ素子は充電電圧から分離され、中央キャパシタに接続される。これにより、センサ素子から中央キャパシタへの電荷移動が行われる。充電およびこれに続く切換え充電の動作は、予め規定されたサイクル数にわたって繰り返される。これにより、中央キャパシタの電荷は所定の値に達する。この値は、特にセンサ素子の容量の値によって確定される。従って、中央キャパシタの電荷もしくはこれから生じる電圧は、センサ素子の測定しようとする容量の尺度である。中央キャパシタの電圧の評価後、近接スイッチの作動状態を推論することができる。電圧の評価後、中央キャパシタは規定された状態で放電され、続いて新しい測定サイクルを行うことができる。

従来、切換え動作は、比較的高価なアナログ・スイッチによって実現される。さらに、センサ素子は、中央キャパシタの瞬時電圧までしか放電することができず、これにより、移動可能な電荷は、中央キャパシタの充電量が増大するのに伴って減小し、従って信号分解能が低減する。

本発明の課題は、全ての作業条件下で近接スイッチの作動状態を確実に測定することを保証し、低廉に製造可能であり、そしてＥＭＶ−およびＨＦ−障害に対して安定的である、冒頭で述べた形式の回路装置を提供することである。

本発明は、請求項１の特徴を有する回路装置によってこのような課題を解決する。本発明の有利な実施態様および好ましい実施態様は各請求項の対象であり、これらを以下に詳しく説明する。請求項の記載内容を明白に引用することによって、これらを本明細書の内容にする。

本発明による回路装置は、制御信号に応じて容量性センサ素子に充電電圧を供給する第１の制御可能な接続手段と、容量性センサ素子から中央キャパシタへ電荷を移動するために、制御信号に応じて容量性センサ素子を中央キャパシタに接続する第２の制御可能な接続手段とを有している。充電電圧は交流電圧であり、そして、第１の接続手段と第２の接続手段とが交互に導通性になるように、接続手段に交流電圧を供給することができる。センサ素子の充電相と電荷移動相との間の切換えは、交流電圧の所定のタイミングで行われ、これにより付加的な切換え論理を省くことができる。このような回路装置は構成するのが容易であり、製造コストが低廉で、しかも障害に対して安定的である。

回路装置の別の構成の場合、充電電圧は、共通の基準電位を有する直流電圧源および方形波電圧源によって生成される。充電電圧と直流電圧源との間には、阻止方向のクランプ・ダイオードが挿入され、そして、充電電圧ノードと方形波電圧源との間には、キャパシタと抵抗とが直列に挿入されている。このような配置によって、充電電圧ノードで方形波充電電圧を生成することが可能である。この方形波充電電圧は、直流電圧源の電位、および直流電圧源の複数の電位の合計電位と、方形波電圧源の「１」−レベルもしくは「１」−電位との間で、方形波電圧源の所定のタイミングで変化する。このことは、中央キャパシタの充電電圧もしくは充電状態とは無関係に、センサ素子のほぼ完全な充電もしくは放電を可能にする。これにより、中央キャパシタにおいて線形の電圧上昇が生じる。実現可能な信号分解能がこれにより著しく改善される。

回路装置の別の構成の場合、第１の接続手段がダイオードであり、および／または、第２の接続手段は、バイポーラ・トランジスタ、特にｐｎｐ−トランジスタである。接続手段をこのように選択することにより、充電電圧に応じた切換え機能を実現することが、簡単かつ低廉に可能である。なぜならば、接続手段が充電電圧に応じて導通性もしくは阻止性になるからである。より高価で不安定なアナログスイッチを使用せずに済む。さらに、容量性センサ素子にとっては典型的な基本容量は、寄生トランジスタ容量によって十分に補償され、これにより、実質的にセンサ素子の容量変化だけが検出される。

回路装置の別の構成の場合、トランジスタのベースおよび／またはダイオードのアノードが、充電電圧ノードに接続されており、ダイオードのカソードおよび／またはトランジスタのエミッタが、フィルタ抵抗に接続されており、フィルタ抵抗が容量性センサ素子にカップリングされ、そしてトランジスタのコレクタが、中央キャパシタに接続されており、中央キャパシタの他方の接続部が、基準電位に接続されている。これらの回路形成によって、充電電圧に応じてダイオードとトランジスタとが交互に導通性になり、別の制御信号は必要ではない。フィルタ抵抗は回路装置を、ＥＭＶ−およびＨＦ−障害に対して安定的にする。

回路装置の別の構成の場合、中央キャパシタには、スイッチが並列接続されている。このことは、新たな測定の開始前に、中央キャパシタを確実に放電することを可能にする。あるいは、好適な寸法を有する抵抗を使用することもできる。

回路装置の別の構成の場合、回路装置は、それぞれ１つの第１および第２の接続手段が配属された複数の容量性センサ素子と、ただ１つの中央キャパシタとを有しており、中央キャパシタが、導通方向のそれぞれ１つのデカップリング・ダイオードを介して、それぞれの第２の接続手段に接続されており、デカップリング・ダイオードのアノードは導通方向の選択ダイオードを通して、それぞれの選択信号に接続されている。このような回路装置によって、多重作業時における複数の近接スイッチの作動状態を評価することができる。対応する近接スイッチの評価は、選択信号によって行われ、この選択信号によって、選択されたセンサ素子から唯１つの中央キャパシタへの電荷移動が自由になる。選択されないセンサ素子の電荷は、それぞれの選択ダイオードを介して流出する。充電電圧は、中央で提供することができる。

回路装置の別の構成の場合、容量性センサ素子は、誘電特性を有する面またはカバーの下側に取り付けられるように形成されており、容量性センサ素子は好ましくは、平滑な取り付け表面を有している。

回路装置の別の構成の場合、容量性センサ素子は、導電性材料から成る大容量で、弾性的な、好ましくは細長い物体である。このようなセンサ素子は、例えば欧州特許出願公開第０８５９４６７号明細書に記載されており、その内容を表現通りに引用することにより、これを本明細書の内容とする。

これらのおよびさらなる特徴は、特許請求の範囲以外に、明細書および図面からも明らかになる。個々の特徴はそれぞれ、それ自体単独でまたはいくつかで下位の組み合わせの形態を成して、本発明の一実施態様において他の分野で実現することができ、そしてこれらの個々の特徴は、有利な構成、およびそれ自体保護される権利のある構成を形成することができる。これらの構成に対してはここで保護が請求される。本願を個々の段落および中間見出しに分けても、これらのもとで行われた発言の普遍妥当性を限定することはない。

本発明の有利な実施例を図面に概略的に示し、以下に説明する。

図１は、容量性近接スイッチに用いられる、そのスイッチの作動状態を測定するための回路装置の回路図である。回路装置は、共通の基準電位、例えばアースを有する直流電圧源Ｕ１と方形波電圧源Ｕ２とを含む。充電電圧が印加される充電電圧ノードＮ１と、直流電圧源Ｕ１との間には、阻止方向のクランプ・ダイオードＤ１が挿入されており、充電電圧ノードＮ１と方形波電圧源Ｕ２との間には、キャパシタＣと抵抗Ｒ１とが直列に挿入されている。クランプ・ダイオードＤ１は、キャパシタＣ１と接続された状態で、方形波電圧源Ｕ２から供給された電圧を、直流電圧源の電圧の量だけノードＮ１において高める。図２はこのような関係を、交流電圧源Ｕ２における電圧特性および充電電圧ノードＮ１における充電電圧Ｕ３の、時間に関するダイヤグラムにおいて示す。

さらにダイオードＤ２の形態の第１の切換え手段と、ｐｎｐ−トランジスタＴ１の形態の第２の切換え手段とが設けられている。トランジスタＴ１のベースおよびダイオードＤ２のアノードは、充電電圧ノードＮ１に接続されている。ダイオードＤ２のカソードおよびトランジスタＴ１のエミッタは、フィルタ抵抗Ｒ２に接続されている。フィルタ抵抗Ｒ２は、容量性センサ素子Ｃ３にカップリングされている。そしてトランジスタＴ１のコレクタは、中央キャパシタＣ２に接続されており、中央キャパシタの他方の接続部は、基準電位に接続されている。

キャパシタＣ４は、センサ素子Ｃ３の実質的に一定の基本容量を示す。中央キャパシタＣ２にはスイッチＳ１が並列接続されている。スイッチＳ１は、測定が始まる前に閉じられ、ひいては、中央キャパシタを完全に空にする。中央キャパシタの電圧特性がマイクロコントローラによって評価される場合において、対応する入力が基準電位に短時間切換えられると、マイクロコントローラは、測定開始前に中央キャパシタＣ２を放電することができる。スイッチＳ１はこの場合には開かれる。容量性センサ素子Ｃ３は例えば、誘電特性を有する面またはカバーの下側に取り付けられる。

ダイオードＤ２およびトランジスタＴ１のベースには、充電電圧Ｕ３が供給される。これにより、ダイオードＤ２またはトランジスタ１は交互に導通性になる。充電電圧Ｕ３がより高い値を有すると、ダイオードＤ２が導通性になり、これによりセンサ素子Ｃ３の容量は、ほぼ充電電圧の量に充電される。トランジスタはこの場合阻止性である。なぜなら、トランジスタのベース−エミッタ電圧が正だからである。充電電圧Ｕ３がより低い値に低下すると、ダイオードＤ２、およびベース−エミッタ区間が導通性になり、すなわちトランジスタＴ１は導通性になる。その結果、センサ容量Ｃ３の電荷は、中央キャパシタに切換え充電され、すなわち移動される。トランジスタＴ１の寄生トランジスタ容量は、センサ素子Ｃ３の基本容量Ｃ４の一部を補償するので、実質的にはセンサ素子Ｃ３の容量変化だけが検出される。

切換え充電された電荷量は、調べるべきセンサ素子の容量Ｃ３で確定される。近接スイッチが作動すると、容量Ｃ３は増大し、これにより中央キャパシタの電圧はより急速に上昇する。

図３は、近接スイッチの作動状態に関連する中央キャパシタＣ２の電圧特性を、時間に関して示すダイヤグラムである。近接スイッチが作動していないときには、電圧は基準電圧と第１ランプ電圧ＵＲ１との間で鋸歯状に挙動する。近接スイッチ作動時の時点ｔ１とｔ２との間の時間区分において、時点ｔ１ではランプの勾配が著しく増大し、そして中央キャパシタＣ２の電圧はランプ電圧ＵＲ３まで上昇する。後続の測定サイクルは高いランプ勾配を伴って時点ｔ２まで行われ、あるランプ電圧ＵＲ２にそれぞれ達する。従って、達成されたランプ電圧は、近接スイッチの作動状態を示しており、そして、図示されていないユニットによって、例えばマイクロコントローラによって評価することができる。

図４は、３つの容量性センサ素子Ｃ３を有する回路装置を示す回路図を示す。これらの容量性センサ素子Ｃ３には、それぞれ１つのダイオードＤ２とトランジスタＴ１とが接続手段として配属されている。電圧源Ｕ１およびＵ２と、クランプ・ダイオードＤ１と、キャパシタＣ１と、抵抗Ｒ１とから成る、充電電圧を生成するための回路部分は、一度しか存在せず、それぞれの接続手段に充電電圧Ｕ３を供給する。中央キャパシタＣ２も一度しか存在しない。トランジスタＴ１のコレクタに接続されたダイオードＤ３およびＤ４は、相互のデカップリングに役立つ。測定されるべき近接スイッチは、対応する選択信号ＳＬ１、ＳＬ２もしくはＳＬ３によって選択される。選択されたもしくは選ばれた近接回路の選択信号ＳＬは、最大発生ランプ電圧よりも大きい電圧に達し、そして選択されない近接回路の選択信号ＳＬは、基準電圧に達する。選択されないセンサ素子の電荷は、それぞれのダイオードＤ３を介して流出し、これに対して、選択されたセンサ素子の電荷は、対応するダイオードＤ４を介して、中心コンデンサＣ２内に移動される。

図示の回路装置は、１つまたは２つ以上の近接スイッチの作動状態を、全ての運転条件下で確実に測定するのを可能にし、低廉に製造可能であり、そしてＥＭＶ−およびＨＦ−障害に対して安定的である。

容量性近接スイッチに用いられる、そのスイッチの作動状態を測定するための回路装置を示す回路図である。 図１の交流電圧源Ｕ２における電圧特性、および図１の充電電圧ノードＮ１における充電電圧を示すダイヤグラムである。 近接スイッチの作動状態に関連する図１の中央キャパシタＣ２の電圧特性を示すダイヤグラムである。 複数の容量性センサ素子を有する回路装置を示す回路図である。

Claims (8)

1. 容量性近接スイッチに用いられる、該スイッチの作動状態を測定するための回路装置であって、
   前記作動状態に応じて変化する容量（Ｃ３）を有する容量性センサ素子と、
   中央キャパシタ（Ｃ２）と、
   制御信号に応じて前記容量性センサ素子（Ｃ３）に充電電圧（Ｕ３）を供給する第１の制御可能な接続手段（Ｄ２）と、
   前記容量性センサ素子（Ｃ３）から前記中央キャパシタ（Ｃ２）へ電荷を移動するために、前記制御信号に応じて前記容量性センサ素子（Ｃ３）を前記中央キャパシタ（Ｃ２）に接続する第２の制御可能な接続手段（Ｔ１）と、
   を有している回路装置において、
   前記充電電圧（Ｕ３）が交流電圧であり、そして、前記第１の接続手段（Ｄ２）と前記第２の接続手段（Ｔ１）とが交互に導通性になるように、これら接続手段（Ｄ２， Ｔ１）に前記交流電圧を供給することができる、容量性近接スイッチに用いられる、該スイッチの作動状態を測定するための回路装置。
2. 前記充電電圧（Ｕ３）は、共通の基準電位を有する直流電圧源（Ｕ１）および方形波電圧源（Ｕ２）によって生成され、充電電圧ノード（Ｎ１）と前記直流電圧源（Ｕ１）との間に、阻止方向のクランプ・ダイオード（Ｄ１）が挿入され、そして前記充電電圧ノード（Ｎ１）と前記方形波電圧源（Ｕ２）との間に、キャパシタ（Ｃ１）と抵抗（Ｒ１）とが直列に挿入されている、請求項１に記載の回路装置。
3. 前記第１の接続手段がダイオード（Ｄ２）であり、および／または、前記第２の接続手段が、バイポーラ・トランジスタ、特にｐｎｐ−トランジスタ（Ｔ１）である、請求項１または２に記載の回路装置。
4. 前記トランジスタ（Ｔ１）のベースおよび／または前記ダイオード（Ｄ２）のアノードが、前記充電電圧ノード（Ｎ１）に接続されており、前記ダイオード（Ｄ２）のカソードおよび／または前記トランジスタ（Ｔ１）のエミッタが、フィルタ抵抗（Ｒ２）に接続されており、前記フィルタ抵抗（Ｒ２）が、前記容量性センサ素子（Ｃ３）にカップリングされ、そして前記トランジスタ（Ｔ１）のコレクタが、中央キャパシタ（Ｃ２）に接続されており、前記中央キャパシタ（Ｃ２）の他方の接続部が、基準電位に接続されている、請求項３に記載の回路装置。
5. 前記中央キャパシタ（Ｃ２）に、スイッチ（Ｓ１）が並列接続されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路装置。
6. 前記回路装置が、それぞれ１つの第１および第２の接続手段（Ｄ２， Ｔ１）が配属された複数の容量性センサ素子（Ｃ３）と、ただ１つの中央キャパシタ（Ｃ２）とを有しており、前記中央キャパシタが、導通方向のそれぞれ１つのデカップリング・ダイオード（Ｄ４）を介して、それぞれの前記第２の接続手段（Ｔ１）に接続されており、前記デカップリング・ダイオード（Ｄ４）のアノードは導通方向の選択ダイオード（Ｄ３）を通して、それぞれの選択信号（ＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３）に接続されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路装置。
7. 前記容量性センサ素子（Ｃ３）が、誘電特性を有する面またはカバーの下側に取り付けられるように形成されており、前記容量性センサ素子が好ましくは、平滑な取り付け表面を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路装置。
8. 前記容量性センサ素子（Ｃ３）が、導電性材料から成る大容量で、弾性的な、好ましくは細長い物体である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路装置。

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