WO2013189752A1 - Kapazitiver annäherungssensor für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Kapazitiver annäherungssensor für ein kraftfahrzeug Download PDF

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WO2013189752A1
WO2013189752A1 PCT/EP2013/061677 EP2013061677W WO2013189752A1 WO 2013189752 A1 WO2013189752 A1 WO 2013189752A1 EP 2013061677 W EP2013061677 W EP 2013061677W WO 2013189752 A1 WO2013189752 A1 WO 2013189752A1
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circuit
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coupled
switching
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Berthold Sieg
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Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
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    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • Capacitive proximity sensor for a motor vehicle
  • the invention relates to a capacitive proximity sensor for a motor vehicle with a sensor electrode, in which
  • Such capacitive proximity sensors are used in particular in automatic door or tailgate actuation devices in motor vehicles, in which case in particular the
  • the sensor electrode is coupled, for example, to a first port of a microcontroller. Furthermore, with the
  • Sensor electrode connected to a capacitor which is coupled to a second port of the microcontroller.
  • the capacitance of the capacitor is chosen so that it is greater by a multiple than a capacitance to be measured of the sensor electrode relative to the reference potential.
  • Sensor electrode to the reference potential and in particular their changes are then measured by a Umladebacter as follows.
  • the sensor electrode is coupled via the first port of the microcontroller with an operating voltage (or other fixed predetermined voltage), so that the capacity of the
  • the second port is in a high-impedance state, so that no charge can flow away from the coupled capacitor.
  • the first port is switched to high impedance, so that no charge can flow through it; at the same time, the second port is switched to ground.
  • the largest part of the charge accumulated on the capacitance of the sensor electrode discharges onto the Capacitor. This switching cycle is then repeated several thousand times, with more and more charge accumulating on the capacitor and the voltage across the capacitor gradually approaching the voltage to which the capacitance of the capacitor
  • Threshold voltage value is set below the maximum voltage and then becomes the time or the number of cycles
  • Threshold exceeds. The voltage across the capacitor reaches the threshold the earlier, the greater the capacitance of the sensor electrode relative to the reference potential. To check that the voltage threshold has been reached,
  • the input of a comparator is coupled to the first port at or after the second portion of the switching cycle (it being understood that the input must have a very high impedance in order to avoid charge drainage).
  • the fall of the tailgate may occur, such as the approach of the foot
  • the object of the invention is therefore to improve the capacitive proximity sensor, so that even under difficult environmental conditions, small changes in the capacity of the
  • Sensor electrode can be detected more secure.
  • Proximity sensor for a motor vehicle with the features of claim 1 solved.
  • the inventive capacitive proximity sensor for a motor vehicle comprises a sensor electrode, wherein changes in the capacitance of the sensor electrode relative to a on a
  • Reference potential lying surface to be detected is, for example, the
  • Ground potential or ground potential in particular the potential of the body of the motor vehicle.
  • Proximity sensor has one with the sensor electrode
  • Switching device can be coupled either with a fixed voltage potential (for example, the supply voltage potential) or with the input of a measuring circuit (which is arranged for example in a microcontroller).
  • a fixed voltage potential for example, the supply voltage potential
  • a measuring circuit which is arranged for example in a microcontroller.
  • Switching device couples when they the first
  • Circuit node coupled to the input of the measurement circuit, at the same time an integrator capacity between the first
  • a capacitor forming the integrator capacitance may be coupled between either the first circuit node and a ground coupling switch or between a switch and ground coupled to the first circuit node).
  • the measuring circuit is used to detect an over the
  • Proximity sensor further comprises a
  • Coupling capacitance which is coupled between the sensor electrode and a second circuit node, wherein the second circuit node can be coupled via a second switching device either to the fixed voltage potential or to the reference potential.
  • the first switching device and the second Switching device at least approximately synchronously drives such that when the first switching device, the first circuit node with the fixed voltage potential
  • Circuit node is not coupled to the reference potential, and then when the first switching device, the first
  • Switching device does not couple the second circuit node with the fixed voltage potential.
  • the control circuit then switches the first and the second switching device several times until the voltage applied across the integrator capacitance has at least approximately reached a stationary state. Then it causes the measuring circuit, which is above the
  • the invention is based on the recognition that at
  • Coupled voltage potential but at least not coupled with the reference potential, because this is the charging of the
  • Switching device either holds the second circuit node in the air or already coupled to the ground potential, at least not coupled with the fixed voltage potential.
  • the control circuit then switches several times until the voltage applied across the integrator capacitor at least
  • Switches can be fixed, for example, on the basis of knowledge of the behavior of the circuit arrangement, by selecting a number, of which one knows for sure that after this number of switching cycles, the further changes in voltage within a desired measurement accuracy are negligible. Another possibility is to make changes to the
  • a preferred embodiment is characterized in that the coupling capacitance is a between the sensor electrode and a fixed distance
  • the coupling electrode can
  • Embodiment is characterized in that the sensor electrode, an outer conductor of a coaxial line and the Coupling electrode is an inner conductor of this coaxial line.
  • This embodiment is particularly useful in a capacitive
  • Proximity sensor used for a tailgate opening mechanism, while in the rear apron below the tailgate across the entire or part of
  • Tailgate width arranged.
  • An embodiment of the capacitive proximity sensor is characterized in that the integrator capacitance is formed by a capacitor whose one terminal is connected to the first circuit node, and that the first
  • Switching device a first switch and a second
  • Circuit node coupled to either the fixed voltage potential or to the input of the measuring circuit, and wherein the second switch either leaves the other terminal of the capacitor open or coupled to the reference potential.
  • Switches of the first switching device are each formed by a port of the measuring circuit containing microcontroller, in particular of electronic switches
  • Each of these ports is preferably capable of the coupled
  • This embodiment has the advantage of being inexpensive
  • Switching device coupled input of the measuring circuit and the reference potential coupled capacitor or from one between the first switching device and the input of the
  • Measuring circuit coupled, formed as a low-pass RC network.
  • the first switching device connects the first circuit node either to the fixed voltage potential or to the input of the first switching node
  • Switching devices are then approximately synchronously controlled so that they connect either the two circuit nodes to the fixed voltage potential or the first circuit node to the input of the measuring circuit and the second circuit node to the reference potential (ground potential).
  • both the first and the second switching device are designed as analog switch components that have a break-before-make characteristic, that is, the respective first
  • previous potential can be decoupled before one or both circuit nodes are coupled to the subsequent potential.
  • Proximity sensors are those of the control circuit
  • Sensor electrode capacitance when coupled to the fixed voltage potential.
  • the sensor electrode is opposite the reference potential a capacity of the order of 10 pF to 100 pF.
  • the coupling of this capacitance to the fixed voltage potential via the first switching device takes place for example with a coupling resistor in the order of a few ohms.
  • the time constant of charging the sensor capacitance is thus extremely low (for example in the nanosecond to picosecond range).
  • the period of the switching is greater by at least a factor of 10, preferably at least by a factor of 100, so that in each subsection of the switching cycle, the loading or unloading of the sensor capacitance are largely completed until the next switching begins.
  • the switches initiated by the control circuit are the
  • Switching devices with a frequency between 10 kHz and 100 MHz, preferably with a frequency between 100 kHz and 10 MHz executed. In a typical embodiment, it switches with a period of 1 MHz. In such
  • Switchover frequencies can be assumed that the charging and recharging operations are completed well before the expiration of half the period.
  • the capacitive proximity sensor is characterized in that the number of switching operations of the switching devices initiated by the control circuit precedes
  • Capacitance of the sensor electrode relative to the reference potential wherein the integrator capacitor is dimensioned so that the voltage applied across the integrator capacitor voltage after about 10 to 1000 switching, preferably after a few 100 switching, approximately reaches the steady state, that is, further changes in voltage below a negligible Tolerance threshold lie.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the capacitive proximity sensor according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the capacitive proximity sensor according to the invention.
  • Figure 3 is a circuit diagram of an embodiment of the first embodiment of the capacitive according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation illustrating the setting during the reload interval
  • FIG. 1 shows a block diagram of a first
  • Circuit element but only illustrates the adjusting capacitance between the sensor electrode 1 and the ground potential 4.
  • a coupling electrode 2 Adjacent to the sensor electrode 1, a coupling electrode 2 is arranged.
  • the sensor electrode 1 may be a flat plate or
  • Metal layer can be.
  • the outer conductor of the coaxial cable serves as a sensor electrode 1
  • the coaxial inner conductor as
  • Coupling electrode 2 is used. Between the sensor electrode 1 and the coupling electrode 2 forms an approximately fixed Coupling capacity C K off. This coupling capacitance C K is imagined in FIG. 1 by the dashed line
  • Capacitor device 7 illustrated.
  • the sensor electrode 1 is connected to a first
  • Circuit node 5 coupled.
  • the circuit node 5 is connected to a first switching device 8, which the
  • Circuit node 5 can connect either to an operating voltage potential U 0 14 or to the input 11 of a measuring circuit 10.
  • the first switching device 8 is of a type that when switching from one to the other contact the first
  • the coupling electrode 2 is coupled to a second circuit node 6, which in turn is connected to a second switching device 9.
  • the second switching device 9 is of the same type as the first switching device and can the
  • Circuit node 6 connect either to the operating voltage potential 14 or to the ground potential 4. The first
  • Switching device 8 and the second switching device 9 are so coupled to a control circuit 15 (the coupling is indicated by the dashed double line 16) that they can be switched substantially synchronously, wherein in a first switching state, both the first circuit node 5 and the second Circuit node 6 with the
  • Input 11 of the measuring circuit 10 is coupled, while the second circuit node 6 is connected to the ground potential 4.
  • a capacitor 13 is coupled, which is referred to here as integrator capacitance. Alternatively, it could also be referred to as collection capacity, as can be seen from a subsequent functional description.
  • the measuring circuit 10 serves to adjust the voltage at the input 11 over the integrator capacitor 13
  • the measuring circuit 10 may contain, for example, an analog-to-digital converter which is connected to the input 11 measured voltage when a corresponding control command is transmitted by the control circuit 15, in a
  • the measuring circuit 10 could also detect only whether a predetermined minimum change over a preceding
  • the measuring circuit 10 could, for example, a
  • Comparator whose one input is coupled to the input 11 of the measuring circuit, the other input is supplied with a reference voltage at which it is
  • both the control circuit 15 and the measuring circuit 10 are part of a microcontroller.
  • the person skilled in the art is aware of how, with the aid of a programmable microcontroller, the abovementioned ones
  • the capacitive proximity sensor according to FIG. 1 operates as follows. In a first portion of a switching cycle, both the first circuit node 5 and the second are
  • Circuit node 6 connected to the operating voltage U 0 14.
  • the sensor electrode 1 is charged to the operating voltage U 0 relative to the ground 4. Which is between the
  • Measuring sequence all capacitors are discharged is also the voltage across the integrator 13 falling voltage, which is applied to the input 11 of the measuring circuit 10, equal to zero.
  • Switching device 8 and the second switching device 9 caused by the control circuit 15 to switch simultaneously.
  • the second switching device 9 sets the with the coupling electrode 2 coupled second circuit node 6 to ground 4.
  • the first switching device 8 sets the with the sensor electrode. 1
  • Capacitor 13 Since this capacitor 13 is uncharged at the beginning of the plurality of switching cycles, a part of the on the
  • the capacitance of the capacitor 13 is selected to be many times greater than the largest expected capacity of the sensor electrode 1 to ground. For this reason, during charge transfer, almost the entire charge of the sensor capacitance C s flows to the capacitor 13
  • the control circuit 15 then controls a plurality of such switching cycles, so that the sensor electrode 1 is repeatedly charged to operating voltage U 0 and
  • Capacitor 13 is transmitted via the circuit node 5. However, a portion of the charge accumulated on the sensor electrode 1 during connection to the operating voltage 14 is transferred to the coupling capacitance C K 7. Depending on the size of the sensor capacitance C s and the coupling capacitance C K , after a plurality of switching cycles, a voltage across the capacitor 13, which depends on the size of the capacitor to be detected
  • FIG. 4 illustrates the voltage relationships at the beginning and at the end of a recharging interval (second section of FIG. 4
  • Integrator capacitance C L adjusting voltage measures the capacitance C s of the sensor electrode 1 to be detected relative to the mass 4.
  • Coupling capacity should be dimensioned so that it is in the range of the measured capacitance C s .
  • Absolute amount of the voltage to be measured too low If if, for example, the capacitance to be measured can be in the range between 20 pF and 100 pF, then the coupling capacity should be selected, for example, in the range of 100 pF.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the invention
  • Comparable elements are identified by the same reference numerals as in FIG.
  • the sensor electrode 1 in turn has a capacitance C s 3 with respect to the ground potential 4.
  • the adjusting between the sensor electrode 1 and the coupling electrode 2 coupling capacitance C K is in turn by a
  • the coupling electrode 2 is in turn coupled to the second circuit node 6, which is connected to the second switching device 9, wherein the second switching device 9 connects the node 6 either with the operating voltage U 0 14 or with the ground potential 4.
  • a first change compared with the circuit according to FIG. 1 results in the coupling of the capacitor 13 '.
  • Capacitor 13 'in the embodiment according to FIG. 2 is directly connected to the first circuit node 5, which is coupled to the sensor electrode 1. This results in the necessity, the other terminal of the capacitor 13 ', which was coupled in the arrangement of Figure 1 fixed to the ground potential 4, via a further switching device with the
  • a second deviation from the embodiment according to FIG. 1 results from the fact that all switching devices are designed by switching components within the port circuits of a microcontroller 18. That's the first one
  • Microcontroller 18 connected.
  • the ground-side terminal of the capacitor 13 ' is connected to a second port 20 of the
  • the circuit node 6 is connected to a third port 21 of the microcontroller 18.
  • the microcontroller 18 is programmed to receive the first
  • Input 11 of a microcontroller 18 containing Measuring circuit 10 can couple.
  • the second port 20 is like that
  • the switching components of the first port 19 are designated overall by the reference numeral 8 'and the switching components of the second port 20 by 8 ", the third port 21 being so
  • Control circuit 15 is also located in the
  • Microcontroller 18 and is realized here by the usual components of the microcontroller, namely a microprocessor, program and data memory, bus systems and corresponding port circuits.
  • the port 20 is switched high impedance (it is absolutely necessary here to ensure that when the port 19 is switched to operating voltage U 0 , the port 20 under any circumstances Ground potential may be switched, because this would lead to an immediate charging of the relatively large capacity 13 to the full operating voltage, the resulting currents could lead to destruction of the controller circuit.
  • control circuit 15 of the microcontroller 18 implemented by program execution causes a multiple switching of the ports in the configuration shown schematically in FIG.
  • the sensor capacitance C s is charged to U 0
  • Figure 4 has been described. As a result, the capacitor 13 'is in turn charged to a voltage which is a measure of the sensor capacitance C s .
  • Figure 3 shows a circuit diagram of an embodiment of the first embodiment of the capacitive according to the invention
  • the measuring circuit 10 in this case contains an analog-to-digital converter, and the integrator capacity results from a first capacitor and a downstream low-pass filter, for example, with the capacitance and
  • the sensor electrode 1 and the coupling electrode 2 are connected to the first circuit node 5 and the second
  • Circuit node 6 via a relatively large compared to the capacitance to be measured capacitance (in Figure 3, for example, 100 nF) connected, the capacity by a relatively large resistance (100 k here) is bridged. Furthermore, the coupling contains two relatively small resistances of, for example, 10 ⁇ , between which a protective diode is connected to ground, which is intended to derive possibly occurring at the electrodes by the action of external sources overvoltages to ground.
  • Protection circuits affect the charging time constant for the sensor electrode and for the coupling electrode, but the resistance values are chosen so that the resulting time constants are always well below half

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Ein kapazitiver Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug erfasst Änderungen der Kapazität (3) einer Sensorelektrode (1) gegenüber einem Bezugspotential (4). Mit der Sensorelektrode ist ein erster Schaltungsknoten (5) gekoppelt, der über eine erste Schaltvorrichtung (8) entweder mit einem fixen Spannungspotential (14) oder mit dem Eingang (11) einer Messschaltung (10) gekoppelt werden kann. Die erste Schaltvorrichtung koppelt dann, wenn sie den Schaltungsknoten mit der Messschaltung koppelt, zugleich eine Integratorkapazität (13) zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem Bezugspotential ein. Die Messschaltung bestimmt die Spannung über der Integratorkapazität. Eine Koppelkapazität (7) ist zwischen der Sensorelektrode und einem zweiten Schaltungsknoten (6) eingekoppelt, der über eine zweite Schaltvorrichtung (9) entweder mit dem fixen Spannungspotential (14) oder mit dem Bezugspotential (4) gekoppelt werden kann. Eine Steuerschaltung (15) steuert die beiden Schaltvorrichtungen zumindest näherungsweise synchron derart an, dass dann, wenn die erste Schaltvorrichtung den ersten Schaltungsknoten (5) mit dem fixen Spannungspotential (14) koppelt, die zweite Schaltvorrichtung den zweiten Schaltungsknoten (6) nicht mit dem Bezugspotential (4) koppelt, und dann, wenn die erste Schaltvorrichtung den ersten Schaltungsknoten mit der Messschaltung koppelt, die zweite Schaltvorrichtung den zweiten Schaltungsknoten nicht mit dem fixen Spannungspotential koppelt. Die Steuerschaltung schaltet die Schaltvorrichtungen mehrfach solange um, bis die Spannung über der Integratorkapazität zumindest näherungsweise einen stationären Zustand erreicht hat, und veranlasst danach die Messschaltung, die Spannung über der Integratorkapazität oder deren Änderung gegenüber einem Referenzwert als Maß für die Kapazität der Sensorelektrode bzw. deren Änderung zu bestimmen.

Description

Kapazitiver Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug mit einer Sensorelektrode, bei dem
Änderungen der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber einer auf einem Bezugspotential liegenden Oberfläche erfasst werden sollen .
Derartige kapazitive Annäherungssensoren werden insbesondere bei automatischen Tür- oder Heckklappenbetätigungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei hier insbesondere die
Annäherung eines Körperteils (Hand oder Fuß) eines Bedieners erfasst werden soll, um in Abhängigkeit davon einen Öffnungs¬ oder einen Schließvorgang auszulösen.
Bei einem bekannten derartigen kapazitiven Annäherungssensor ist die Sensorelektrode beispielsweise mit einem ersten Port eines MikroControllers gekoppelt. Ferner ist mit der
Sensorelektrode ein Kondensator verbunden, der mit einem zweiten Port des MikroControllers gekoppelt ist. Die Kapazität des Kondensators ist dabei so gewählt, dass sie um ein Vielfaches größer als eine zu messende Kapazität der Sensorelektrode gegenüber dem Bezugspotential ist. Die Kapazität der
Sensorelektrode gegenüber dem Bezugspotential und insbesondere deren Änderungen werden dann durch ein Umladeverfahren wie folgt gemessen. In einem ersten Abschnitt eines Schaltzyklus wird die Sensorelektrode über den ersten Port des MikroControllers mit einer Betriebsspannung (oder einer anderen fest vorgegebenen Spannung) gekoppelt, so dass sich die Kapazität der
Sensorelektrode auf die Betriebsspannung auflädt. Dabei befindet sich der zweite Port in einem hochohmigen Zustand, so dass keine Ladung von dem angekoppelten Kondensator abfließen kann. In einem darauffolgenden zweiten Abschnitt des Schaltzyklus wird der erste Port hochohmig geschaltet, so dass über diesen keine Ladung abfließen kann; gleichzeitig wird der zweite Port auf Masse geschaltet. Dabei entlädt sich der größte Teil der auf der Kapazität der Sensorelektrode angesammelten Ladung auf den Kondensator. Dieser Schaltzyklus wird dann mehrere 1000 Mal wiederholt, wobei sich immer mehr Ladung auf dem Kondensator ansammelt und die Spannung über dem Kondensator allmählich sich derjenigen Spannung annähert, auf die die Kapazität der
Sensorelektrode in dem ersten Abschnitt des Zyklus jeweils aufgeladen wird. Zur Messung der Kapazität wird ein
Schwellspannungswert unterhalb der maximalen Spannung festgelegt und wird dann die Zeit bzw. werden die Anzahl der Zyklen
gemessen, bis die Spannung über dem Kondensator diesen
Schwellwert überschreitet. Die Spannung über dem Kondensator erreicht den Schwellwert umso früher, je größer die Kapazität der Sensorelektrode gegenüber dem Bezugspotential ist. Um das Erreichen des Spannungsschwellwerts zu überprüfen, wird
innerhalb des MikroControllers an den ersten Port im oder nach dem zweiten Abschnitt des Schaltzyklus jeweils der Eingang eines Komparators angekoppelt (wobei der Eingang selbstverständlich eine sehr hohe Impedanz aufweisen muss, um einen Ladungsabfluss zu vermeiden) .
Es hat sich gezeigt, dass diese bekannte Sensoranordnung unter bestimmten Betriebsbedingungen, die im Fahrzeugbetrieb auftreten können, Änderungen der Kapazität der Sensorelektrode nicht mehr mit ausreichender Genauigkeit feststellen kann. Wird beispielsweise die Sensorelektrode im Bereich einer Heckschürze eines Kraftfahrzeugs zu dem Zweck angebracht, dort die
Annäherung eines Fußes des Bedieners zu erfassen, um ausgehend von der Erfassung dieser Fußbewegung die Betätigung der
Heckklappe auszulösen, so kann beispielsweise dann, wenn die Umgebung des Sensors durch Feuchtigkeit (Wasser und Eis) und Schmutz (insbesondere Salze) stark verunreinigt ist, der Fall eintreten, dass die Annäherung des Fußes und die damit
verbundene Kapazitätsänderung nicht mehr sicher erfasst werden kann. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Schaltzyklen bis zum Erreichen des Schwellspannungswerts bei Annäherung des Fußes des Bedieners unter diesen Umgebungsbedingungen nicht ausreichend variiert, um diese sicher von Störeinflüssen (Rauschen)
unterscheiden zu können. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den kapazitiven Annäherungssensor zu verbessern, so dass auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen geringe Änderungen der Kapazität der
Sensorelektrode sicherer erfasst werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven
Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße kapazitive Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Sensorelektrode, wobei Änderungen der Kapazität der Sensorelektrode gegenüber einer auf einem
Bezugspotential liegenden Oberfläche erfasst werden sollen. Bei dem Bezugspotential handelt es sich beispielsweise um das
Erdpotential oder Masse-Potential, insbesondere das Potential der Karosserie des Kraftfahrzeugs. Der kapazitive
Annäherungssensor weist einen mit der Sensorelektrode
gekoppelten ersten Schaltungsknoten auf, der über eine
Schaltvorrichtung entweder mit einem fixen Spannungspotential (beispielsweise dem Versorgungsspannungspotential ) oder mit dem Eingang einer Messschaltung (die z.B. in einem MikroController angeordnet ist) gekoppelt werden kann. Die erste
Schaltvorrichtung koppelt dann, wenn sie den ersten
Schaltungsknoten mit dem Eingang der Messschaltung koppelt, zugleich eine Integratorkapazität zwischen dem ersten
Schaltungsknoten und dem Bezugspotential ein (Dabei kann
beispielsweise ein die Integratorkapazität bildender Kondensator entweder zwischen dem ersten Schaltungsknoten und einem mit Masse koppelnden Schalter oder zwischen einem mit dem ersten Schaltungsknoten koppelnden Schalter und Masse eingekoppelt sein) . Die Messschaltung dient zum Erfassen einer über der
Integratorkapazität anliegenden Spannung. Der kapazitive
Annäherungssensor umfasst erfindungsgemäß ferner eine
Koppelkapazität, die zwischen der Sensorelektrode und einem zweiten Schaltungsknoten eingekoppelt ist, wobei der zweite Schaltungsknoten über eine zweite Schaltvorrichtung entweder mit dem fixen Spannungspotential oder mit dem Bezugspotential gekoppelt werden kann. Ferner ist eine Steuerschaltung
vorgesehen, die die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung zumindest näherungsweise synchron derart ansteuert, dass dann, wenn die erste Schaltvorrichtung den ersten Schaltungsknoten mit dem fixen Spannungspotential
koppelt, die zweite Schaltvorrichtung den zweiten
Schaltungsknoten nicht mit dem Bezugspotential koppelt, und dann, wenn die erste Schaltvorrichtung den ersten
Schaltungsknoten mit der Messschaltung koppelt, die zweite
Schaltvorrichtung den zweiten Schaltungsknoten nicht mit dem fixen Spannungspotential koppelt. Die Steuerschaltung schaltet dann die erste und die zweite Schaltvorrichtung mehrfach solange um, bis die über der Integratorkapazität anliegende Spannung zumindest näherungsweise einen stationären Zustand erreicht hat. Danach veranlasst sie die Messschaltung, die über der
Integratorkapazität anliegende Spannung oder deren Änderung gegenüber einem Referenzwert als Maß für die Kapazität der
Sensorelektrode bzw. deren Änderung zu bestimmen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei
Ankopplung einer Koppelkapazität an die Sensorelektrode und deren zumindest näherungsweise synchrones Schalten zwischen dem Bezugspotential und dem fixen Spannungspotential im
eingeschwungenen Zustand eine Ladungsaufteilung derart
stattfindet, dass die Spannung über der Integratorkapazität nach mehrfachem Umschalten schließlich sich einem Wert annähert, der ein Maß für die Kapazität der Sensorelektrode darstellt. Unter einer „näherungsweise synchronen" Ansteuerung soll hier nicht nur die völlig synchrone Ansteuerung sondern auch ein
(beispielsweise durch technologische Toleranzen bedingtes) geringfügig versetztes Ansteuern der beiden Schaltvorrichtungen verstanden werden, bei dem aber einerseits gewährleistet ist, dass dann, wenn die erste Schaltvorrichtung derart umschaltet, dass sie den ersten Schaltungsknoten mit dem fixen
Spannungspotential koppelt, die zweite Schaltvorrichtung den zweiten Schaltungsknoten entweder noch hochohmig hält (mit keinem Potential koppelt) oder ihn ebenfalls mit dem fixen
Spannungspotential koppelt, ihn aber jedenfalls nicht mit dem Bezugspotential koppelt, weil dies die Aufladung der
Koppelkapazität auf die volle Spannungsdifferenz zur Folge hätte) . Andererseits ist bei dem geringfügig versetzt synchronen Schalten gewährleistet, dass dann, wenn die erste
Schaltvorrichtung derart umschaltet, dass sie den ersten
Schaltungsknoten mit der Messschaltung koppelt, die zweite
Schaltvorrichtung den zweiten Schaltungsknoten entweder noch in der Luft hält oder bereits mit dem Massepotential koppelt, ihn jedenfalls nicht mit dem fixen Spannungspotential koppelt. Die Steuerschaltung schaltet dann mehrfach solange um, bis die über der Integratorkapazität anliegende Spannung zumindest
näherungsweise einen stationären Zustand erreicht hat. Da sich der Spannungsverlauf asymptotisch einem stationären Zustand annähert, wird dieser - genau betrachtet - nicht erreicht. Unter einem näherungsweise stationären Zustand soll deshalb ein solcher Zustand verstanden werden, bei dem die weiteren
Änderungen der anliegenden Spannung innerhalb einer zulässigen Toleranz liegen. Die Anzahl der dazu erforderlichen
Umschaltungen kann beispielsweise aufgrund von Kenntnissen des Verhaltens der Schaltungsanordnung fest vorgegeben werden, indem man eine Anzahl wählt, von der man sicher weiß, dass nach dieser Anzahl von Schaltzyklen die weiteren Änderungen der Spannung im Rahmen einer gewünschten Messgenauigkeit vernachlässigbar sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Änderungen der
Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen zu überwachen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen geringen Schwellwerts das Umschalten zu beenden und/oder den zuletzt gemessenen Messwert zu übernehmen.
Die Koppelkapazität könnte bei einer Ausführungsform
beispielsweise durch ein Kondensatorbauelement gebildet sein, das zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten
eingekoppelt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelkapazität eine sich zwischen der Sensorelektrode und einer im festen Abstand
benachbart zur Sensorelektrode angeordneten Koppelelektrode ausbildende Kapazität ist. Die Koppelelektrode kann
beispielsweise eine Schirmelektrode sein. Eine bevorzugte
Ausführungsform ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode ein Außenleiter einer Koaxialleitung und die Koppelelektrode ein Innenleiter dieser Koaxialleitung ist. Diese Ausführungsform wird insbesondere bei einem kapazitiven
Annäherungssensor für einen Heckklappen-Öffnungsmechanismus verwendet und dabei im Bereich der Heckschürze unterhalb der Heckklappe quer über die gesamte oder einen Teil der
Heckklappenbreite angeordnet. Mit einer solchen kapazitiven Sensoranordnung soll die Bewegung eines Fußes eines Bedieners in Fahrzeuglängsrichtung in Richtung auf und unter die Heckschürze erfasst werden.
Eine Ausführungsform des kapazitiven Annäherungssensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Integratorkapazität von einem Kondensator gebildet wird, dessen einer Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten verbunden ist, und dass die erste
Schaltvorrichtung einen ersten Schalter und einen zweiten
Schalter umfasst, wobei der erste Schalter den ersten
Schaltungsknoten entweder mit dem fixen Spannungspotential oder mit dem Eingang der Messschaltung koppelt, und wobei der zweite Schalter den anderen Anschluss des Kondensators entweder offen lässt oder mit dem Bezugspotential koppelt. Bei dieser
Ausführungsform ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Schaltvorrichtung sowie der erste Schalter und der zweite
Schalter der ersten Schaltvorrichtung jeweils von einem Port eines die Messschaltung enthaltenden MikroControllers gebildet werden, insbesondere von elektronischen Schaltern
(beispielsweise FET) dieser Ports. Jeder dieser Ports ist vorzugsweise grundsätzlich in der Lage, den angekoppelten
Anschluss entweder mit dem fixen Spannungspotential
(beispielsweise Betriebsspannung) oder dem Bezugspotential (beispielsweise Masse) und/oder mit dem Eingang einer
Auswerteschaltung zu koppeln oder hochohmig offen zu lassen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer preiswerten
Realisierung, da neben dem MikroController lediglich ein
externer Kondensator (und hier nicht näher beschriebene weitere Eingangsschutzschaltungen) benötigt werden. Nachteilig sind bei dieser Ausführungsform parasitäre Kapazitäten der Ports des
MikroControllers und dessen Schaltverhalten, beispielsweise die bei der Programmierung der Umschaltfunktionen zu beachtenden Schaltverzögerungen, die von Port zu Port abweichen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die
Integratorkapazität von einem zwischen dem mit der ersten
Schaltvorrichtung gekoppelten Eingang der Messschaltung und dem Bezugspotential eingekoppelten Kondensator oder von einem zwischen der ersten Schaltvorrichtung und dem Eingang der
Messschaltung eingekoppelten, als Tiefpass geschalteten RC- Netzwerk gebildet. Bei dieser Ausführungsform verbindet die erste Schaltvorrichtung den ersten Schaltungsknoten entweder mit dem fixen Spannungspotential oder mit dem Eingang der
Messschaltung (und dem mit Masse gekoppelten Kondensator) bzw. mit dem Eingang des RC-Net zwerks . Die erste und die zweite
Schaltvorrichtung werden dann näherungsweise synchron so gesteuert, dass sie entweder die beiden Schaltungsknoten mit dem fixen Spannungspotential oder den ersten Schaltungsknoten mit dem Eingang der Messschaltung und dem zweiten Schaltungsknoten mit dem Bezugspotential (Masse-Potential) verbinden. Bei dieser Ausführungsform ist es vorzugsweise vorgesehen, dass sowohl die erste als auch die zweite Schaltvorrichtung als Analogschalter- Bauelemente ausgebildet sind, die eine Break-before-make- Charakteristik haben, die also zunächst den jeweiligen
Schaltungsknoten von einem Potential entkoppeln, bevor sie ihn mit dem anderen Potential koppeln. Die näherungsweise synchrone Ansteuerung der beiden Analogschalterbauelemente geschieht dann derart, dass stets zunächst beide Schaltungsknoten vom
vorhergehenden Potential entkoppelt werden, bevor einer oder beide Schaltungsknoten mit dem nachfolgenden Potential gekoppelt werden .
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Annäherungssensors werden die von der Steuerschaltung
veranlassten Umschaltungen der Schaltvorrichtungen mit einer Periodendauer ausgeführt, die mindestens um den Faktor 10 größer ist als die Zeitkonstante des Aufladens der von der
Sensorelektrode gebildeten Kapazität bei deren Kopplung mit dem fixen Spannungspotential. Bei einer typischen Anordnung hat die Sensorelektrode gegenüber dem Bezugspotential beispielsweise eine Kapazität in der Größenordnung von 10 pF bis 100 pF . Die Ankopplung dieser Kapazität an das fixe Spannungspotential über die erste Schaltvorrichtung erfolgt beispielsweise mit einem Ankopplungswiderstand in der Größenordnung von wenigen Ohm. Die Zeitkonstante des Aufladens der Sensorkapazität ist somit extrem gering (beispielsweise im Nano- bis Picosekundenbereich) . Die Periodendauer des Umschaltens ist mindestens um den Faktor 10 größer, vorzugsweise mindestens um den Faktor 100 größer, so dass in jedem Teilabschnitt des Umschalt zyklus die Auf- bzw. Entladevorgänge der Sensorkapazität weitgehend bis vollständig abgeschlossen sind, bevor das nächste Umschalten beginnt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die von der Steuerschaltung veranlassten Umschaltungen der
Schaltvorrichtungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz, ausgeführt. Bei einer typischen Ausführungsform wird mit einer Periodendauer von 1 MHz umgeschaltet. Bei solchen
Umschaltfrequenzen kann davon ausgegangen werden, dass die Auf- und Umladevorgänge weit vor Ablauf der halben Periodendauer abgeschlossen sind.
Vorzugsweise ist der kapazitive Annäherungssensor dadurch gekennzeichnet, dass die von der Steuerschaltung veranlasste Anzahl der Umschaltungen der Schaltvorrichtungen vor dem
Bestimmen der über der Integratorkapazität anliegenden Spannung vom Verhältnis der Integratorkapazität zu der zu messenden
Kapazität der Sensorelektrode gegenüber dem Bezugspotential abhängt, wobei die Integratorkapazität so dimensioniert ist, dass die über der Integratorkapazität anliegende Spannung nach etwa 10 bis 1000 Umschaltungen, vorzugsweise nach wenigen 100 Umschaltungen, näherungsweise den stationären Zustand erreicht, das heißt weitere Änderungen der Spannung unterhalb einer vernachlässigbaren Toleranzschwelle liegen.
Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensor kann auch dadurch, dass die Integratorkapazität geringer ist als die Kapazität des in der bekannten Schaltung verwendeten
Kondensators, eine deutlich verringerte Messzeit erzielt werden. Die Anzahl der erforderlichen Umschalt zyklen liegt nicht mehr bei mehreren 1000, sondern beispielsweise bei mehreren 100
Zyklen (bei vergleichbarer Schaltfrequenzen von beispielsweise 1 MHz) .
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den
Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors;
Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungssensors;
Figur 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven
Annäherungssensors; und
Figur 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der sich während des Umlade-Intervalls einstellenden
Spannungsverhältnisse am Eingang der Messschaltung.
Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven
Annäherungssensors für ein Kraftfahrzeug mit einer
Sensorelektrode 1, deren Kapazität Cs 3 gegenüber einer auf einem Masse-Potential 4 liegenden Oberfläche 4A erfasst werden soll. Die gestrichelt dargestellte Kapazität 3 ist kein reales
Schaltungselement, sondern veranschaulicht lediglich die sich einstellende Kapazität zwischen der Sensorelektrode 1 und dem Masse-Potential 4. Benachbart zu der Sensorelektrode 1 ist eine Koppelelektrode 2 angeordnet. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Sensorelektrode 1 um eine ebene Platte oder
Metallschicht handeln, wobei die Koppelektrode 2 eine dazu planparallel angeordnete beabstandete Metallplatte oder
Metallschicht sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der beispielsweise ein handelsübliches Koaxialkabel
verwendet werden kann, dient der Außenleiter des Koaxialkabels als Sensorelektrode 1, während der koaxiale Innenleiter als
Koppelelektrode 2 dient. Zwischen der Sensorelektrode 1 und der Koppelelektrode 2 bildet sich eine näherungsweise fixe Koppelkapazität CK aus. Diese Koppelkapazität CK ist in Figur 1 durch das gestrichelt dargestellte gedachte
Kondensatorbauelement 7 veranschaulicht.
Die Sensorelektrode 1 ist mit einem ersten
Schaltungsknoten 5 gekoppelt. Der Schaltungsknoten 5 ist mit einer ersten Schaltvorrichtung 8 verbunden, welche den
Schaltungsknoten 5 entweder mit einem Betriebsspannungspotential U0 14 oder mit dem Eingang 11 einer Messschaltung 10 verbinden kann. Die erste Schaltvorrichtung 8 ist von einer Art, die beim Umschalten von dem einen zu dem anderen Kontakt den ersten
Schaltungsknoten 5 von beiden Kontakten kurzzeitig entkoppelt. Die Koppelelektrode 2 ist mit einem zweiten Schaltungsknoten 6 gekoppelt, der wiederum mit einer zweiten Schaltvorrichtung 9 verbunden ist. Die zweite Schaltvorrichtung 9 ist von derselben Art wie die erste Schaltvorrichtung und kann den
Schaltungsknoten 6 wahlweise mit dem Betriebsspannungspotential 14 oder mit dem Masse-Potential 4 verbinden. Die erste
Schaltvorrichtung 8 und die zweite Schaltvorrichtung 9 sind derart mit einer Steuerschaltung 15 gekoppelt (die Kopplung ist durch die gestrichelte Doppellinie 16 angedeutet), dass sie im Wesentlichen synchron umgeschaltet werden können, wobei in einem ersten Schalt zustand sowohl der erste Schaltungsknoten 5 als auch der zweite Schaltungsknoten 6 mit dem
Betriebsspannungspotential 14 verbunden sind, während in einem zweiten Schalt zustand der erste Schaltungsknoten 5 mit dem
Eingang 11 der Messschaltung 10 gekoppelt ist, während der zweite Schaltungsknoten 6 mit dem Masse-Potential 4 verbunden ist .
Zwischen dem Eingang 11 der Messschaltung 10 und dem Masse- Potential 4 ist ein Kondensator 13 eingekoppelt, der hier als Integratorkapazität bezeichnet wird. Alternativ könnte er auch als Sammelkapazität bezeichnet werden, wie sich aus einer nachfolgenden Funktionsbeschreibung ergibt.
Die Messschaltung 10 dient dazu, die sich am Eingang 11 einstellende Spannung über der Integratorkapazität 13 zu
erfassen. Hierbei kann die Messschaltung 10 beispielsweise einen Analog-Digital-Umsetzer enthalten, der die am Eingang 11 gemessene Spannung dann, wenn ein entsprechender Steuerbefehl durch die Steuerschaltung 15 übermittelt wird, in einen
Digitalwert umsetzt, wobei der Digitalwert am Ausgang 12
ausgegeben werden kann. Die Kopplung der Messschaltung 10 mit der Steuerschaltung 15 ist durch die Doppelstrichlinie 17 veranschaulicht. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte die Messschaltung 10 auch lediglich erfassen, ob sich eine vorgegebene Mindeständerung gegenüber einer vorangehenden
Messung der über dem Kondensator 13 abfallenden Spannung ergibt. Hierzu könnte die Messschaltung 10 beispielsweise einen
Komparator enthalten, dessen einer Eingang mit dem Eingang 11 der Messschaltung gekoppelt ist, wobei der andere Eingang mit einer Referenzspannung versorgt wird, bei der es sich
beispielsweise um eine aus der vorangegangenen Messung
abgeleitete Spannung handeln kann. Beispielsweise sind sowohl die Steuerschaltung 15 als auch die Messschaltung 10 Teil eines Mikrocontrollers. Dem Fachmann ist bekannt, wie mit Hilfe eines programmierbaren Mikrocontrollers die oben genannten
unterschiedlichen Messabläufe realisiert werden können, weshalb dies hier nicht näher beschrieben zu werden braucht.
Der kapazitive Annäherungssensor gemäß Figur 1 arbeitet wie folgt. In einem ersten Abschnitt eines Schaltzyklus sind sowohl der erste Schaltungsknoten 5 als auch der zweite
Schaltungsknoten 6 mit der Betriebsspannung U0 14 verbunden.
Deshalb wird die Sensorelektrode 1 auf die Betriebsspannung U0 gegenüber der Masse 4 aufgeladen. Die sich zwischen der
Sensorelektrode 1 und der Koppelelektrode 2 ergebende Kapazität CK bleibt dagegen ungeladen, da sich beide Anschlüsse auf demselben Potential befinden. Da zu Beginn des gesamten
Messablaufs sämtliche Kondensatoren entladen sind, ist auch die über der Integratorkapazität 13 abfallende Spannung, welche am Eingang 11 der Messschaltung 10 anliegt, gleich Null.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer, die beispielsweise der Hälfte der Schaltzyklus entspricht, werden die erste
Schaltvorrichtung 8 und die zweite Schaltvorrichtung 9 durch die Steuerschaltung 15 veranlasst, gleichzeitig umzuschalten. Dabei legt die zweite Schaltvorrichtung 9 den mit der Koppelelektrode 2 gekoppelten zweiten Schaltungsknoten 6 auf Masse 4. Die erste Schaltvorrichtung 8 legt den mit der Sensorelektrode 1
gekoppelten ersten Schaltungsknoten 5 an den Eingang 11 der Messschaltung 10 und zugleich an einen Anschluss des
Kondensators 13. Da dieser Kondensator 13 zu Beginn der mehreren Schaltzyklen ungeladen ist, wird ein Teil der sich auf der
Kapazität Cs der Sensorelektrode 1 befindenden Ladung über den Schaltungsknoten 5 und die erste Schaltvorrichtung 8 auf den Kondensator 13 übertragen. Die Kapazität des Kondensators 13 ist um ein Vielfaches größer als die größte erwartete Kapazität der Sensorelektrode 1 gegenüber Masse gewählt. Aus diesem Grund fließt bei der Ladungsübertragung nahezu die gesamte Ladung der Sensorkapazität Cs auf den Kondensator 13. Dabei sinkt die
Spannung auf dem Schaltungsknoten 5 auf einen Wert, der zwischen Masse-Potential und Betriebsspannung U0 liegt.
Die Steuerschaltung 15 steuert dann eine Vielzahl von derartigen Schaltzyklen an, so dass die Sensorelektrode 1 mehrfach auf Betriebsspannung U0 aufgeladen wird und
anschließend mehrfach einen Teil dieser Ladung auf den
Kondensator 13 über den Schaltungsknoten 5 übertragen wird. Ein Teil der auf der Sensorelektrode 1 während des Verbindens mit der Betriebsspannung 14 angesammelten Ladung wird jedoch auf die Koppelkapazität CK 7 übertragen. In Abhängigkeit von der Größe der Sensorkapazität Cs und der Koppelkapazität CK stellt sich nach einer Vielzahl von Schaltzyklen eine Spannung über dem Kondensator 13 ein, die von der Größe der zu erfassenden
Sensorkapazität abhängt. Dies soll anhand der Figur 4 näher erläutert werden.
Figur 4 veranschaulicht die Spannungsverhältnisse zu Beginn und am Ende eines Umlade-Intervalls (zweiten Abschnitts des
Schalt zyklus ) zu einem Zeitpunkt, bei dem sich die Aufladung des Kondensators 13 (CL) nicht weiter ändert, also die Spannung UL nicht weiter ändert, also die Spannung UL über dem Kondensator 13 einen stationären Zustand erreicht hat.
Auf der linken Seite ist der Beginn des Umlade-Intervalls dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt trennen die beiden
Schaltvorrichtungen 8 und 9 die beiden Kapazitäten Cs und CK von der Betriebsspannung U0 14. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kapazität Cs auf die Spannung U0 aufgeladen, so dass die Ladung Qsi = U0CS beträgt. Die Ladung auf der Kapazität CK ist Null (QK1 = 0) .
Dann beginnt das Umlade-Intervall , dessen Ende auf der rechten Seite der Figur 4 dargestellt ist. Hierbei kann aufgrund des Umstands, dass sich über dem Kondensator CL ein stationärer Zustand eingestellt hat, sich also dessen Spannung UL nicht mehr ändert, davon ausgegangen werden, dass keine Ladung von dem Knoten 5 über die Schaltvorrichtung 8 zu dem Kondensator CL 13 abfließt. Dies ist durch die Gleichung Q = 0 in Figur 4
dargestellt. Am Ende des Umlade-Intervalls kann ferner davon ausgegangen werden, dass zwischen dem ersten Schaltungsknoten 5 und Masse und somit über sämtlichen drei Kapazitäten CL, Cs und CK dieselbe Spannung, nämlich UL, abfällt. Daraus folgt, dass die Ladung der Kapazität Cs sich wie folgt berechnet: Qs2 = UL * Cs . Die Ladung auf der Koppelkapazität CK beträgt: QK2 = UL * CK.
Da während des Umlade-Intervalls keine Ladung durch die Schaltvorrichtung 8 abfloss, muss die auf den Kapazitäten Cs und CK vorhandene Kapazität zu Beginn und zum Ende des Umlade- Intervalls gleich sein: Qsl + QK1 = Qs2 + QK2 ·
Wie in Figur 4 unten dargestellt, ergibt sich daraus eine Gleichung zur Berechnung der sich über der Integratorkapazität CL des Kondensators 13 einstellenden Spannung UL :
uL = U0 * 1/(1 + CK/CS) .
Somit ist die sich im stationären Zustand über der
Integratorkapazität CL einstellende Spannung ein Maß für die zu erfassende Kapazität Cs der Sensorelektrode 1 gegenüber der Masse 4.
Aus der Gleichung ergibt sich weiterhin, dass die
Koppelkapazität so dimensioniert werden sollte, dass sie im Bereich der zu messenden Kapazität Cs liegt. Wird die
Koppelkapazität kleiner als die zu messende Kapazität, so ist die Änderung der gemessenen Spannung in Abhängigkeit von der Änderung der zu messenden Kapazität geringer; wird die
Koppelkapazität wesentlich größer gewählt, so ist der
Absolutbetrag der zu messenden Spannung zu gering. Wenn beispielsweise die zu messende Kapazität im Bereich zwischen 20 pF und 100 pF liegen kann, so sollte die Koppelkapazität beispielsweise im Bereich von 100 pF gewählt werden.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors. Gleiche oder
vergleichbare Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 gekennzeichnet. Die Sensorelektrode 1 weist wiederum eine Kapazität Cs 3 gegenüber dem Masse-Potential 4 auf. Die sich zwischen der Sensorelektrode 1 und der Koppelelektrode 2 einstellende Koppelkapazität CK ist wiederum durch eine
gestrichelt dargestellten Kondensator 7 veranschaulicht. Die Koppelektrode 2 ist wiederum mit dem zweiten Schaltungsknoten 6 gekoppelt, der mit der zweiten Schaltvorrichtung 9 verbunden ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung 9 den Knoten 6 entweder mit der Betriebsspannung U0 14 oder mit dem Masse-Potential 4 verbindet .
Eine erste Änderung gegenüber der Schaltung gemäß Figur 1 ergibt sich in der Ankopplung des Kondensators 13 ' . Der
Kondensator 13 ' ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 unmittelbar mit dem ersten Schaltungsknoten 5 verbunden, der mit der Sensorelektrode 1 gekoppelt ist. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den anderen Anschluss des Kondensators 13 ' , der bei der Anordnung gemäß Figur 1 fest mit dem Masse-Potential 4 gekoppelt war, über eine weitere Schaltvorrichtung mit dem
Masse-Potential 4 zu koppeln.
Eine zweite Abweichung gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 1 ergibt sich dadurch, dass sämtliche Schaltvorrichtungen durch Schaltbauelemente innerhalb der Port-Schaltungen eines MikroControllers 18 ausgeführt sind. So ist der erste
Schaltungsknoten 5 mit einem ersten Port 19 eines
MikroControllers 18 verbunden. Der masseseitige Anschluss des Kondensators 13 ' ist mit einem zweiten Port 20 des
MikroControllers 18 verbunden. Der Schaltungsknoten 6 ist mit einem dritten Port 21 des MikroControllers 18 verbunden. Der MikroController 18 ist so programmiert, dass er den ersten
Port 19 wahlweise mit der Betriebsspannung U0 oder mit dem
Eingang 11 einer in dem MikroController 18 enthaltenden Messschaltung 10 koppeln kann. Der zweite Port 20 ist so
programmiert, dass er den Anschluss des Kondensators 13 ' entweder hochohmig entkoppeln oder mit Masse-Potential 4 koppeln kann. Die Schaltbauelemente des ersten Ports 19 sind insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 ' und die Schaltbauelemente des zweiten Ports 20 mit 8" bezeichnet. Der dritte Port 21 ist so
programmiert, dass er entweder mit der Betriebsspannung U0 oder mit dem Masse-Potential 4 verbunden werden kann. Die
Steuerschaltung 15 befindet sich ebenfalls in dem
MikroController 18 und wird hier durch die üblichen Bestandteile des MikroControllers, nämlich einen Mikroprozessor, Program- und Datenspeicher, Bussysteme und entsprechende Port-Schaltungen realisiert .
Programmgesteuert laufen dann in dem MikroController 18 folgende Vorgänge ab, die zu einer Messung der Sensorkapazität Cs führen. Zu Beginn ist wiederum der Kondensator 13 ' entladen und sind die Ports 19 und 21 mit der Betriebsspannung U0
gekoppelt. Zugleich wird der untere Anschluss des Kondensators 13 ' entkoppelt, das heißt der Port 20 hochohmig geschaltet (es ist hier unbedingt erforderlich, dafür zu sorgen, dass dann, wenn der Port 19 auf Betriebsspannung U0 geschaltet ist, der Port 20 unter keinen Umständen auf Masse-Potential geschaltet werden darf, weil dies zu einem sofortigen Aufladen der relativ großen Kapazität 13 auf die volle Betriebsspannung führen würde, wobei die dabei auftretenden Ströme zu einer Zerstörung der Controllerschaltung führen könnten.
Anschließend veranlasst die durch Programmabarbeitung realisierte Steuerschaltung 15 des MikroControllers 18 ein mehrfaches Umschalten der Ports in der in Figur 2 schematisch dargestellten Konfiguration. Hierbei wird wiederum in einem ersten Abschnitt jedes Schaltzyklus die Sensorkapazität Cs auf U0 aufgeladen, während in einem zweiten Abschnitt das Umladen der Ladungen von Cs auf den Kondensator 13 ' bzw. auf die
Koppelkapazität CK stattfindet, wie es bereits anhand von
Figur 4 beschrieben worden ist. Im Ergebnis wird der Kondensator 13 ' wiederum auf eine Spannung aufgeladen, die ein Maß für die Sensorkapazität Cs darstellt. Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven
Annäherungssensors, das insbesondere die an den Anschlüssen zu den Sensorelektroden 1, 2 vorhandenen Schutzschaltungen und die Eingangsbeschaltung der Messschaltung 10 näher veranschaulicht. Die Messschaltung 10 enthält hierbei einen Analog-Digital- Umsetzer, und die Integratorkapazität ergibt sich aus einem ersten Kondensator und einem nachgeschalteten Tiefpassfilter , beispielsweise mit den dargestellten Kapazitäts- und
Widerstandswerten.
Die Sensorelektrode 1 und auch die Koppelelektrode 2 sind mit dem ersten Schaltungsknoten 5 bzw. dem zweiten
Schaltungsknoten 6 über eine im Vergleich zu den zu messenden Kapazitäten relativ große Kapazität (in Figur 3 beispielsweise 100 nF) verbunden, wobei die Kapazität durch einen relativ großen Widerstand (hier 100 k ) überbrückt ist. Ferner enthält die Kopplung zwei relativ kleine Widerstände von beispielsweise 10 Ω, zwischen die eine Schutzdiode nach Masse geführt ist, die ggf. an den Elektroden durch Einwirkung von Fremdquellen auftretende Überspannungen nach Masse ableiten soll. Diese
Schutzschaltungen beeinflussen die Aufladezeitkonstante für die Sensorelektrode und die für die Koppelelektrode, wobei die Widerstandswerte allerdings so gewählt sind, dass die sich ergebenden Zeitkonstanten stets weit unter der halben
Schaltdauer der von der Steuerschaltung 15 vorgegebenen
Umschaltung liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitiver Annäherungssensor für ein Kraftfahrzeug mit einer Sensorelektrode (1), wobei Änderungen der Kapazität (3; Cs) der Sensorelektrode (1) gegenüber einer auf einem
Bezugspotential (4) liegenden Oberfläche (4A) erfasst werden sollen,
wobei der kapazitive Annäherungssensor aufweist:
einen mit der Sensorelektrode (1) gekoppelten ersten
Schaltungsknoten (5), der über eine erste Schaltvorrichtung (8) entweder mit einem fixen Spannungspotential (14) oder mit dem Eingang (11) einer Messschaltung (10) gekoppelt werden kann,
wobei die erste Schaltvorrichtung (8; 8 ' , 8") dann, wenn sie den ersten Schaltungsknoten (5) mit dem Eingang (11) der Messschaltung (10) koppelt, zugleich eine Integratorkapazität (13; CL) zwischen dem ersten Schaltungsknoten (5) und dem Bezugspotential (4) einkoppelt,
wobei die Messschaltung (10) zum Bestimmen einer über der Integratorkapazität (13) anliegenden Spannung dient,
eine Koppelkapazität (7; CK) , die zwischen der Sensor¬ elektrode (1) und einem zweiten Schaltungsknoten (6) eingekoppelt ist, wobei der zweite Schaltungsknoten (6) über eine zweite Schaltvorrichtung (9) entweder mit dem fixen
Spannungspotential (14) oder mit dem Bezugspotential (4) gekoppelt werden kann,
eine Steuerschaltung (15), die die erste Schaltvorrichtung (8; 8 ' , 8") und die zweite Schaltvorrichtung (9) zumindest näherungsweise synchron derart ansteuert, dass dann, wenn die erste Schaltvorrichtung (8; 8 ' , 8") den ersten
Schaltungsknoten (5) mit dem fixen Spannungspotential (14) koppelt, die zweite Schaltvorrichtung (9) den zweiten
Schaltungsknoten (6) nicht mit dem Bezugspotential (4) koppelt, und dann, wenn die erste Schaltvorrichtung (8) den ersten Schaltungsknoten (5) mit der Messschaltung (10) koppelt, die zweite Schaltvorrichtung (9) den zweiten Schaltungsknoten (6) nicht mit dem fixen Spannungspotential (14) koppelt,
wobei die Steuerschaltung (15) die erste und die zweite Schaltvorrichtung (9, 8; 8 ' , 8") mehrfach solange umschaltet, bis die über der Integratorkapazität (13) anliegende Spannung zumindest näherungsweise einen stationären Zustand erreicht hat, und danach die Messschaltung (10) veranlasst, die über der Integratorkapazität (13) anliegende Spannung oder deren Änderung gegenüber einem Referenzwert als Maß für die Kapazi- tät der Sensorelektrode (1) bzw. deren Änderung zu bestimmen.
2. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugspotential ein Masse-Potential (4) und das fixe Spannungspotential ein
Versorgungsspannungspotential (14) ist.
3. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelkapazität (7) eine sich zwischen der Sensorelektrode (1) und einer in festem Abstand benachbart zur Sensorelektrode (1) angeordneten Koppelelekt¬ rode (2) ausbildende Kapazität (CK) ist.
4. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (1) ein Außenleiter einer Koaxialleitung und die Koppelelektrode (2) ein
Innenleiter der Koaxialleitung ist.
5. Kapazitiver Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratorkapazität (CL) von einem Kondensator (13 ') gebildet wird, dessen einer Anschluss mit dem ersten Knoten (5) verbunden ist, und dass die erste Schaltvorrichtung einen ersten Schalter ( 8 ' ) und einen zweiten Schalter (8") umfasst, wobei der erste Schalter ( 8 ' ) den ersten Schaltungsknoten (5) entweder mit dem fixen Spannungspotential (14) oder mit dem Eingang (11) der Mess¬ schaltung (10) koppelt und wobei der zweite Schalter ( 8 ' ) den anderen Anschluss des Kondensators (13 ' ) entweder offen lässt oder mit dem Bezugspotential (4) koppelt.
6. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltvorrichtung (9) sowie der erste Schalter ( 8 ' ) und der zweite Schalter (8") der ersten Schaltvorrichtung jeweils von einem Port (19 - 21) eines die Messschaltung (10) enthaltenden MikroControllers (18) gebildet werden.
7. Kapazitiver Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratorkapazität (CL) von einem zwischen dem Eingang (11) der Messschaltung (10) und dem Bezugspotential (4) eingekoppelten Kondensator (13) oder von einem zwischen der ersten Schaltvorrichtung (8) und dem Eingang (11) der Messschaltung (10) eingekoppelten, als Tiefpass geschalteten RC-Netzwerk gebildet wird.
8. Kapazitiver Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der
Steuerschaltung (15) veranlassten Umschaltungen der
Schaltvorrichtungen (9, 8; 8 ' , 8") mit einer Periodendauer ausgeführt werden, die mindestens um den Faktor 10 größer ist als die Zeitkonstante des Aufladens der Sensorkapazität (3) bei deren Kopplung mit dem fixen Spannungspotential (14) .
9. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Steuerschaltung (15) veranlassten Umschaltungen der Schaltvorrichtungen (9, 8; 8 ' , 8") mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz, ausgeführt werden .
10. Kapazitiver Annäherungssensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Steuerschaltung (15) veranlasste Anzahl der Umschaltungen der Schaltvorrichtungen (9, 8; 8 ' , 8") vor dem Bestimmen der über der Integratorkapazität anliegenden Spannung vom Verhältnis der Integratorkapazität zu der zu messenden Kapazität der
Sensorelektrode (1) abhängt, wobei die Integratorkapazität so dimensioniert ist, dass die über der Integratorkapazität anliegende Spannung nach etwa 10 bis 1000 Umschaltungen näherungsweise den stationären Zustand erreicht.
11. Kapazitiver Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtungen (9, 8; 8 ' , 8") Analogschalter sind, die eine Break-before- Make-Charakteristik haben.
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