WO2014114669A2 - Kapazitiver näherungssensor - Google Patents

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WO2014114669A2
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Florian Pohl
Christoph Brand
Holger WÜRSTLEIN
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Hallstadt
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    • G01B7/023—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object
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    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/2405—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by varying dielectric
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    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches
    • H03K2217/960775—Emitter-receiver or "fringe" type detection, i.e. one or more field emitting electrodes and corresponding one or more receiving electrodes

Definitions

  • the invention relates to a capacitive proximity sensor, in particular for use in a motor vehicle.
  • a capacitive proximity sensor generally comprises an electrode arrangement with one or more measuring electrodes, via which an electric field is built up in a space region (detection space) located upstream of the respective electrode.
  • the presence of a body part or object in this detection space is detected by monitoring the electrical capacitance of the electrode assembly.
  • the electrode arrangement comprises two types of measuring electrodes, namely at least one transmitting electrode and at least one receiving electrode.
  • the or each transmitting electrode is in this case interconnected with a signal generating circuit for generating the electric field, while the at least one receiving electrode for capacitance measurement is connected to a receiving circuit.
  • Such a sensor measures the capacitance formed between the transmitting electrode and the receiving electrode-that is to say the capacitance of the capacitor formed from the transmitting electrode and the receiving electrode-or a measured variable correlating therewith (transmitter-receiver principle).
  • the electrode arrangement of the sensor comprises only one measuring electrode or a plurality of identical measuring electrodes (that is, not differentiated in receiving electrodes and transmitting electrodes). By means of this at least one measuring electrode while an electric field is built up to ground. Such a sensor thus measures the between the capacitance formed at least one measuring electrode and mass or a measured variable correlating therewith (one-electrode principle).
  • Capacitive proximity sensors are used in modern automotive engineering, in particular as sensors for an anti-pinch or collision protection device in a - in particular automatically - adjustable vehicle part such. a side window, a vehicle door, a tailgate, etc. used.
  • a sensor When a body part or object is detected in the detection space, such a sensor outputs a detection signal which triggers the stopping or reversing of the adjusting movement of the vehicle part.
  • capacitive sensors do not only react to the approach of body parts, but also to the presence of water in the detection space. This is because even a small amount of water, because of the high permittivity (dielectric constant) of water, greatly affects the capacity of the sensor. This can lead to malfunction of the sensor used as a pinch or collision protection sensor when the associated vehicle is exposed to rain or wash water.
  • a capacitive sensor and an associated operating method are known.
  • a group of at least two measurements is always performed in succession, in which the sensor is operated at different frequencies or clock ratios. If the sensor signal varies between the individual measurements of a group, it is concluded that the presence of water. By contrast, the sensor recognizes the approach of a body part because the sensor signal is essentially the same for all measurements of the group.
  • the invention has for its object to provide a capacitive sensor and an associated operating method, which allows in a particularly simple, yet effective manner, one in the detection space of the sensor penetrating body part of other substances and objects, especially water to distinguish.
  • a first capacitance measurement variable and a second capacitance variable are detected by means of the (proximity) sensor.
  • the first capacitance variable is correlated with the capacitance of at least one of the measuring electrodes with respect to ground, while the second capacitance variable is correlated with the capacitance between the measuring electrodes.
  • a measurement is carried out according to the one-electrode principle described above (one electrode measurement).
  • a measurement is carried out according to the transmitter-receiver principle described above (transmitter-receiver measurement).
  • the two measurements can be made within the scope of the invention in any desired time sequence.
  • the measurements are made exactly at the same time or at least in a narrow time interval, so that the capacitance-determining environmental conditions of the sensor do not change significantly between the measurements.
  • the capacitance measures may either directly represent the respective capacitance or be in a unique (linear or non-linear) relationship with that capacitance.
  • a change of the first capacitance variable is evaluated together with a synchronous signal curve of the second capacitance variable in order to approximate an electrically (conductive or capacitive) grounded electrical conductor to the sensor from the approximation of the latter. to distinguish between lectric matter.
  • the course of the second capacitance measurement variable in a time segment which is in temporal connection with a detected change of the first capacitance measurement variable, in particular occurs simultaneously, is understood as a synchronous signal course of the second capacitance measurement variable.
  • the direction of the change of the first capacitance measured variable can be compared with the direction of a change of the second capacitance measured variable.
  • the two capacitance measured variables are additively linked (in particular by subtraction) or multiplicatively.
  • the invention is based on the recognition that the electrical property of a material penetrating into the detection space of the sensor has a different effect on the measurable capacity as a function of the detection principle of the sensor.
  • the invention makes use of this knowledge by combining the per se alternative functional principles in a capacitive proximity sensor in order to obtain additional information about the electrical property of a detected object by common, in particular comparative evaluation of the respective measured capacitance values obtained according to both functional principles.
  • the invention further proceeds from the consideration that the human body in the electrical field of the sensor on the one hand - mainly due to the water content of the human body - forms a dielectric medium, but that the body on the other hand also has an electrical conductivity and by conductive and / or capacitive coupling with the ground (mass) acts as a counter electrode to the measuring electrode of the sensor. It is recognized that the latter effect predominates. In the field of a capacitive sensor, therefore, the human body is more than a conductor coupled to ground than a dielectric. It is recognized that this property can be used to easily and effectively distinguish body parts of water (especially rain or wash water).
  • the first capacitance measurement variable and the second capacitance measurement variable are determined such that they are correlated in a corresponding manner with the capacitance of the transmitting electrode relative to ground or the capacitance between the transmitting electrode and the receiving electrode.
  • the first capacitance measurement variable and the second capacitance measurement variable preferably reflect a change in the respective capacitance in the same or at least a similar manner, so that the two capacitance measured variables can be directly compared with one another as a measure of the magnitude of the respective capacitance.
  • both capacitance measures are directly proportional to the magnitude of the respective capacitance.
  • the approach of a ground-coupled electrical conductor, in particular a body part is preferably detected upon detection of an opposite change in the two capacitance measures, while detection of a gleichloisen change of the two capacitance measures the approach of dielectric matter, in particular water is detected.
  • the approach of a mass-coupled electrical conductor, in particular of a body part is preferably also detected upon detection of a change in the first capacitance variable that does not enter into a synchronous change of the second capacitance variable.
  • the approach of a body part can advantageously be reliably detected even if this approaching event is superimposed by the simultaneous presence of water in the detection space, so that these two events with respect to their effect on the capacity of the electrode assembly in the two-electrode measurement or partially compensate.
  • the approach of a person in a very wet environment e.g., heavy rain
  • a detection signal is generated and / or a protective measure is initiated.
  • the protective measure consists in particular in the stopping or reversing of an adjusting movement of the vehicle part.
  • this detection signal or this protective measure are suppressed.
  • a different detection signal can be generated in this case.
  • the (proximity) sensor according to the invention comprises an electrode arrangement with at least two measuring electrodes.
  • the sensor further comprises at least one signal generating unit for generating an electrical transmission signal for one of the measuring electrodes, and at least one receiving circuit for detecting a capacitance-dependent response signal, from which a capacitance measured variable can be derived.
  • response signal generally refers to an electrical quantity which is caused by the transmission signal and the magnitude of which depends on the capacitance of the electrode arrangement to be measured
  • the magnitude of the electric current is detected, which flows under the effect of the transmission signal to the measuring circuit connected to the receiving circuit (the current flowing away from the measuring electrode due to the transmission signal leads correspondingly to negative values of the response signal.)
  • another capacity-dependent variable can be used as a response signal, for example the phase angle between the transmission signal and the current flow caused thereby.
  • the sensor also comprises a control unit, which is set up in terms of circuit and / or program technology for automatically carrying out the method according to the invention, in particular in one of the embodiment variants described above.
  • control unit preferably comprises a microcontroller, in which the functionality for automatically carrying out the method is implemented programmatically in the form of a control program (firmware).
  • control unit can also be wholly or partially formed by a non-programmable electronic hardware circuit, for example a logic circuit.
  • a non-programmable electronic hardware circuit for example a logic circuit.
  • separate signal generation circuits and / or receiving circuits for the one-electrode measurement and the transmitter-receiver measurement may each be provided within the scope of the invention.
  • the sensor may comprise two signal generating circuits and / or receiving circuits, one of which is used only for the one-electrode measurement, and the other only for the transmitter-receiver measurement. In a particularly simple design of the sensor, however, one and the same signal generation circuit and one and the same reception circuit are used both for the electrode measurement and for the transmitter-receiver measurement.
  • the signal generating circuit is permanently connected to one of the measuring electrodes.
  • the sensor in this case thus has a fixed transmitting electrode which is used for both the single-electrode measurement and for the transmitter-receiver measurement for the emission of the electric field.
  • the receiving circuit is alternately connectable either likewise to this transmitting electrode or to the other measuring electrode (receiving electrode). The receiving circuit is thus switchable between the transmitting electrode and the receiving electrode. In the state connected to the transmitting electrode, a first response signal characteristic of the first capacitance variable is detected by means of the receiving circuit. In the state connected to the receiving electrode, by contrast, a second response signal characteristic of the second capacitance variable is detected by means of the receiving circuit.
  • the senor of the receiving circuit is permanently connected to one of the measuring electrodes, while the signal generating circuit is alternately switchable between this measuring electrode and the other measuring electrode.
  • a first response signal characteristic of the first capacitance variable is detected by means of the receiving circuit.
  • a second response signal characteristic of the second capacitance variable can be detected by means of the receiving circuit.
  • Embodiments of the invention are furthermore a control unit of the type described above as such, ie without the remaining components of the sensor, and a computer program product.
  • the control unit is set up in terms of circuitry and / or programming technology for automatically carrying out the method according to the invention, in particular in one of the embodiment variants described above.
  • the computer program product contains-in particular on a non-volatile storage medium such as a CD-ROM or a hard disk-computer-readable instructions, in the execution of which the method according to the invention is carried out automatically, in particular in one of the embodiments described above.
  • the computer program product is in particular designed and suitable for execution in the control unit of the capacitive proximity sensor-microprocessor-based in this case.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a capacitive (proximity) sensor with an electrode arrangement comprising two measuring electrodes, with a signal generating circuit, a receiving circuit and with a control unit,
  • FIG. 1 in the illustration according to FIG. 1 the sensor during the measurement of the capacitance between a measuring electrode and ground (one-electrode measurement), FIG.
  • FIG. 1 in the illustration according to FIG. 1 the sensor during the measurement of the capacitance between the two measuring electrodes (transmitter-receiver measurement), FIG.
  • FIG. 4 shows, in two synchronous diagrams arranged one above the other, a typical course of a first capacitance measured by the sensor during the electrode measurement and a second capacitance measured by the sensor during transceiver measurement (upper diagram) and one of the first and second ones Capacitance measurement difference signal (lower diagram) in the case of a temporary approach of a body part to the sensor,
  • FIG. 5 is a representation according to FIG. 4 of the typical course of the first and second capacitance variable (upper diagram) and the difference signal (lower diagram) in the case of a temporary presence of water in the vicinity of the sensor, FIG.
  • FIG. 6 is a representation according to FIG. 4 of the possible course of the first and second capacitance measurement variables (upper diagram) and the difference signal (lower diagram) in the case of a simultaneous approach of water and a body part to the sensor, FIG.
  • FIG. 8 in illustration of FIG. 1, the sensor of FIG. 7 during the one-electrode measurement, and
  • FIG. 9 in representation of FIG. 1, the sensor of FIG. 7 during the transmitter-receiver measurement.
  • FIG. 1 shows in simplified form a capacitive (proximity) sensor 1, which is used, for example, as part of an anti-pinch system in an electromotive motor vehicle control device, in particular in an electric window regulator.
  • the sensor 1 comprises a first measuring electrode 2, a second measuring electrode 3, a signal generating circuit 4, a receiving circuit 5 and a switching device 6, which is formed in the illustrated example by three switches 7, 8 and 9.
  • the sensor 1 further comprises a control unit 10.
  • the measuring electrode 2 is connected upstream of the receiving circuit 5.
  • the receiving circuit 5, in turn, the switching device 6 is connected upstream.
  • the receiving circuit 5 in this case alternately connected to either ground M or to the signal generating circuit 4.
  • the signal generating circuit 4 can be reversibly connected to the measuring electrode 3.
  • the switches 7, 8 and 9 are in particular formed by semiconductor switching elements.
  • the signal generating circuit 4 is used to generate a transmission signal S E , under the action of which an electric field F (FIGS. 2, 3) is generated via one of the measuring electrodes 2 or 3 in a detection space 11 located upstream of the measuring electrodes 2, 3.
  • the transmission signal SE is generated in the form of a relative to mass M periodically changing electrical voltage.
  • the signal generating circuit 4 is formed for this purpose, for example, by an electrical oscillator (resonant circuit).
  • the receiving circuit 5 is used to detect a response signal ⁇ - ⁇ (Fig. 2) or A 2 (Fig. 3), which is correlated with the measurable on the measuring electrode 2 electrical capacitance.
  • a response signal ⁇ - ⁇ (Fig. 2) or A 2 (Fig. 3)
  • the current strength of the current flowing under the direct or indirect influence of the transmission signal SE on the measuring electrode 2 is measured as a response signal ⁇ - 1 or A 2 (current flowing away from the measuring electrode 2 is detected in the response signal Ai, A 2 with a negative amount).
  • the receiving circuit 5 is for this purpose formed for example by a transimpedance amplifier.
  • the control unit 10 drives the signal generating circuit 4 and the switches 7-9 of the switching device 6. It also receives as input from the receiving circuit 5 continuously measured values of the response signal Ai and A 2 , for example in the form of a current-proportional electrical voltage.
  • the control unit 10 is formed by a microcontroller in which a control program (firmware) for the automatic operation of the sensor 1 is implemented in an executable manner.
  • the senor 1 is operated by the control unit 10 in two operating states, which are shown in FIGS. 2 and 3.
  • the control unit 10 is not shown for reasons of clarity.
  • the measuring electrode 2 is connected to the signal generating circuit 4 via the receiving circuit 5 by closing the switch 8 by the control unit 10.
  • the switches 7 and 9 are opened by the control unit 10, however, so that in particular the measuring electrode 3 is electrically isolated from the environment.
  • the measuring electrode 3 can also be set to a specific electrical potential. This potential can be constant in time or, for example - in the sense of a "driven shield" - be carried along with the potential of the measuring electrode 2.
  • the electric field F generated under the action of the transmission signal SE extends in the operating state according to FIG. 2 between the measuring electrode 2 and the mass M, i. earthed or capacitively coupled to ground M electrical conductors in the vicinity of the sensor. 1 Accordingly, the response signal Ai detected in the one-electrode measurement depends on the electrical capacitance of the measuring electrode 2 with respect to ground M.
  • the measuring electrode 2 is connected via the receiving circuit 5 to ground M, and the measuring electrode 3 is connected to the signal generating circuit 4 by the switches 7 and 9 being closed by the control unit 10 while the switch 8 is opened.
  • the electric field F generated under the effect of the transmission signal S E extends in the operating state according to FIG. 3 primarily between the measuring electrode 2 and the measuring electrode 3. Accordingly, the response signal A 2 detected in the transmitter-receiver measurement depends on that between the measuring electrodes 2 and 3 formed capacitance (ie the capacity of the capacitor formed by the measuring electrodes 2 and 3) from.
  • the control unit 10 switches alternately in time between the operating states according to FIG. 2 and FIG. 3.
  • the control unit 10 thus detected by appropriate control of the switching device 6 alternately in a one-electrode measurement, a measured value of the response signal Ai and in a transmitter-receiver measurement, a measured value of the response signal A second From the measured values of the response signal Ai and the response signal A 2 , the control unit 10 derives, in addition to the transmission signal SE, an associated capacitance variable Ki or K 2 .
  • the capacitance measurement variables Ki and K 2 are in each case proportional to the capacitance measurable with the one-electrode measurement or the transmitter-receiver measurement.
  • Each two values of the capacitance measured variables Ki and K 2 recorded chronologically successively are examined comparatively by the control unit 10 for changes which are significant for an approach of a body part or non-conductive matter (in particular water) to the sensor 1.
  • Threshold D 0 Threshold D 0 .
  • the control unit 10 If the difference signal D exceeds the threshold value D 0 (D> D 0 ), the control unit 10 outputs a detection signal W.
  • the detection signal W triggers the reversal of an actuating movement of the associated motor vehicle actuating device as a protective measure against a trapping case.
  • the window movement is reversed due to the detection signal W.
  • a change of the capacitance measured variables Ki and K 2 caused by a body part can be caused by a change in the capacitance variables ⁇ - 1 and ist caused by water (or another non-conductor) K 2 under- are separated, wherein only in the former case, the detection signal W is generated.
  • the temporary penetration of water into the detection space 1 leads according to FIG. 5 to a synchronously synchronous change of the capacitance variables Ki and K 2, which at least approximately compensates in the difference signal D.
  • the penetrating water at most causes a slight change in the difference signal D, so that the latter in this case does not exceed the threshold value D 0 and as a result the detection signal W is not triggered.
  • FIGS. 7 to 9 show an alternative embodiment of the sensor 1.
  • the sensor 1 instead of the switching device 6, the sensor 1 here comprises a modified switching device 6 'with switches 12, 13, 14, 15 and 16, which in turn are preferably formed by semiconductor switching elements.
  • the measuring electrode 2 can in this case by means of the switching device 6 'alternately either directly via the switch 12 or indirectly via the switch 15, the receiving circuit 5 and the switch 13 to the signal generating circuit 4 are connected.
  • the measuring electrode 3 can be reversibly connected via the switch 16, the receiving circuit 5 and the switch 14 to ground M.
  • the switches 13 and 15 are closed by the control unit 10 according to FIG. 8, and the switches 12, 14 and 16 are opened.
  • the measuring electrode 3 is electrically isolated from the environment, whereas the measuring electrode 2 is connected via the receiving circuit 5 to the signal generating circuit 4.
  • the measuring electrode 3 can again be set to a specific electrical potential, in particular to be carried along with the potential of the measuring electrode 2.
  • the switches 12, 14 and 16 are closed by the control unit 10 as shown in FIG. 9 and the switches 13 and 15 are opened.
  • the measuring electrode 2 are directly connected to the signal generating circuit 4, and the measuring electrode 3 is connected directly to the receiving circuit 5.
  • the sensor 1 according to FIGS. 7 to 9 moreover equals the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3.
  • the deviations of the capacitance variables Ki and K 2 from predetermined normal values Kio or K 2 o (FIG Body part to the sensor 1 to distinguish from penetrating water.
  • the sign of the resulting product signal is examined, which in the case of a counter-synchronous deviation of the Capacitance variables ⁇ - ⁇ and K 2 negative and positive in a synchronous deviation of the capacitance measured variables Ki and K 2 positive.

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Abstract

Im Betrieb eines mit mindestens zwei Messelektroden (2,3) versehenen kapazitiven Näherungssensors (1) werden eine erste Kapazitätsmessgröße (K1) und eine zweite Kapazitätsmessgröße (K2) erfasst, wobei die erste Kapazitätsmessgröße (K1) mit der Kapazität mindestens einer der Messelektroden (2) gegenüber Masse (M) korreliert ist, während die zweite Kapazitätsmessgröße (K2) mit der Kapazität zwischen mindestens einer der Messelektroden (2) und mindestens einer weiteren Messelektrode (3) korreliert ist. Eine Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße (K1) wird dabei gemeinsam mit einem synchronen Signalverlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße (K2) ausgewertet, um eine Annäherung eines elektrisch mit Masse gekoppelten Leiters von der Annäherung von dielektrischer Materie zu unterscheiden. Auf diese Weise kann ein in den Detektionsraum (11) des Näherungssensors (1) eindringendes Körperteil von anderen Stoffen und Gegenständen, insbesondere Wasser effektiv unterschieden werden.

Description

Beschreibung
Kapazitiver Näherungssensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Ein kapazitiver Näherungssensor umfasst allgemein eine Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Messelektroden, über die ein elektrisches Feld in einem der jeweiligen Elektrode vorgelagerten Raumbereich (Detektionsraum) aufgebaut wird. Die Anwesenheit eines Körperteils oder Gegenstands in diesem Detektionsraum wird durch Überwachung der elektrischen Kapazität der Elektrodenanordnung erkannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Körperteil oder Gegenstand das von dem Sensor erzeugte elektrische Feld, und somit die Kapazität der Elektrodenanordnung beeinflusst.
In einer üblichen Bauform eines solchen kapazitiven Näherungssensors umfasst die Elektrodenanordnung zwei Arten von Messelektroden, nämlich mindestens eine Sendeelektrode sowie mindestens eine Empfangselektrode. Die oder jede Sendeelektrode ist hierbei zur Erzeugung des elektrischen Feldes mit einem Signalerzeugungsschaltkreis verschaltet, während die mindestens eine Empfangselektrode zur Kapazitätsmessung mit einem Empfangsschaltkreis verbunden ist. Ein solcher Sensor misst die zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildete Kapazität - also die Kapazität des aus der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildeten Kondensators - oder eine damit korrelierende Messgröße (Sender-Empfänger-Prinzip).
In einer alternativen Bauform eines kapazitiven Näherungssensors umfasst die Elektrodenanordnung des Sensors lediglich eine Messelektrode oder mehrere gleichartige (also nicht in Empfangselektroden und Sendeelektroden differenzierte) Messelektroden. Mittels dieser mindestens einen Messelektrode wird dabei ein elektrisches Feld gegen Masse aufgebaut. Ein solcher Sensor misst somit die zwischen der mindestens einen Messelektrode und Masse gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße (Ein-Elektroden-Prinzip).
Kapazitive Näherungssensoren werden in der modernen Kraftfahrzeugtechnik insbesondere als Sensoren für eine Einklemm- oder Kollisionsschutzvorrichtung bei einem - insbesondere automatisch - verstellbaren Fahrzeugteil wie z.B. einem Seitenfenster, einer Fahrzeugtür, einer Heckklappe, etc. herangezogen. Ein solcher Sensor gibt bei Erkennung eines Körperteils oder Gegenstands im Detektionsraum ein Detektionssignal aus, das das Stoppen oder Reversieren der Stellbewegung des Fahrzeugteils auslöst.
Nachteiligerweise reagieren kapazitive Sensoren allerdings nicht nur auf die Annäherung von Körperteilen, sondern auch auf die Anwesenheit von Wasser im Detektionsraum. Dies liegt darin, dass schon eine geringe Menge an Wasser aufgrund der hohen Permittivität (Dielektrizitätszahl) von Wasser die Kapazität des Sensors stark beeinflusst. Dies kann zur Fehlfunktionen des als Einklemm- oder Kollisionsschutzsensor eingesetzten Sensors führen, wenn das zugehörige Fahrzeug Regen oder Waschwasser ausgesetzt wird.
Aus EP 1 828 524 B1 sind ein kapazitiver Sensor und ein zugehöriges Betriebsverfahren bekannt. Um bei diesem Sensor ein durch Wasser verursachtes Ereignis von der Annäherung eines Körperteils zu unterscheiden, wird stets eine Gruppe von mindestens zwei Messungen in Folge vorgenommen, in denen der Sensor mit unterschiedlichen Frequenzen oder Taktverhältnissen betrieben wird. Wenn das Sensorsignal zwischen den einzelnen Messungen einer Gruppe variiert, wird hierbei auf die Anwesenheit von Wasser geschlossen. Die Annäherung eines Körperteils erkennt der Sensor dagegen daran, dass das Sensorsignal bei allen Messungen der Gruppe im Wesentlichen gleich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor und ein zugehöriges Betriebsverfahren anzugeben, der bzw. das auf besonders einfache, aber dennoch effektive Weise ermöglicht, ein in den Detektionsraum des Sensors eindringendes Körperteil von anderen Stoffen und Gegenständen, insbesondere Wasser zu unterscheiden.
Diese Aufgabe wird bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb eines kapazitiven Näherungssensors mit mindestens zwei Messelektroden erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Bezüglich eines kapazitiven Näherungssensors wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Verfahrensgemäß werden mittels des (Näherungs-)Sensors eine erste Kapazitätsmessgröße und eine zweite Kapazitätsgröße erfasst. Die erste Kapazitätsmessgröße ist dabei mit der Kapazität mindestens einer der Messelektroden gegenüber Masse korreliert, während die zweite Kapazitätsmessgröße mit der Kapazität zwischen den Messelektroden korreliert ist. Mit anderen Worten wird mittels des Sensors zur Ermittlung der ersten Kapazitätsmessgröße eine Messung nach dem eingangs beschriebenen Ein-Elektroden-Prinzip durchgeführt (EinElektroden-Messung). Zur Ermittlung der zweiten Kapazitätsmessgröße wird dagegen eine Messung nach dem eingangs beschriebenen Sender-Empfänger- Prinzip durchgeführt (Sender-Empfänger-Messung). Die beiden Messungen können im Rahmen der Erfindung in beliebiger zeitlicher Reihenfolge vorgenommen werden. Vorzugsweise werden die Messungen aber exakt gleichzeitig oder zumindest in engem zeitlichen Abstand vorgenommen, so dass sich die kapazitätsbestimmenden Umgebungsbedingungen des Sensors zwischen den Messungen nicht wesentlich ändern. Die Kapazitätsmessgrößen können die jeweilige Kapazität entweder unmittelbar wiedergeben oder mit dieser Kapazität in einer eindeutigen (linearen oder nicht-linearen) Beziehung stehen.
Verfahrensgemäß wird eine Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße gemeinsam mit einem synchronen Signalverlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße ausgewertet, um eine Annäherung eines elektrisch (leitend oder kapazitiv) mit Masse gekoppelten elektrischen Leiters an den Sensor von der Annäherung von die- lektrischer Materie zu unterscheiden. Als synchroner Signalverlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße wird der Verlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße in einem Zeitabschnitt verstanden, der mit einer erfassten Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße in zeitlichem Zusammenhang steht, insbesondere gleichzeitig auftritt. Im Zuge der gemeinsamen Auswertung der Kapazitätsmessgrößen kann beispielsweise die Richtung der Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße mit der Richtung einer Änderung der zweiten Kapazitätsmessgröße verglichen werden. Hierzu werden in zweckmäßiger Ausführung die beiden Kapazitätsmessgrößen additiv (insbesondere durch Differenzbildung) oder multiplikativ verknüpft.
Anhand der gemeinsamen, insbesondere vergleichenden Auswertung der Änderungen der ersten und zweiten Kapazitätsmessgröße wird dabei insbesondere eine Annäherung eines Körperteils von dem Eindringen von Wasser in den Detek- tionsraum des Sensors unterschieden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich die elektrische Eigenschaft eines in den Detektionsraum des Sensors eindringenden Materials in Abhängigkeit des Detektionsprinzips des Sensors unterschiedlich auf die messbare Kapazität auswirkt.
So führt die Einführung eines mit Masse gekoppelten Leiters in den Detektionsraum eines nach dem Ein-Elektroden-Prinzip betriebenen Sensors regelmäßig zu einer Erhöhung der messbaren Kapazität, da der Leiter eine Gegenelektrode mit vergleichbar geringem Abstand zu der Messelektrode des Sensors bildet. Bei einem nach dem Sender-Empfänger-Prinzip betriebenen Sensor führt die Annäherung eines mit Masse gekoppelten Leiters dagegen regelmäßig zu einer Erniedrigung der messbaren Kapazität der Sensoranordnung, da der Leiter die Messeelektroden des Sensors mehr oder weniger stark gegeneinander abschirmt.
Die Einführung eines dielektrischen Mediums in das Feld des Sensors führt dagegen in jedem Fall, also sowohl bei einer Messung nach dem Ein-Elektroden- Prinzip als auch bei einer Messung nach dem Sender-Empfänger-Prinzip zu einer Erhöhung der messbaren Kapazität. Mit anderen Worten äußert sich die Annäherung eines mit Masse gekoppelten Leiters bei den beiden Sensorbauformen in der messbaren Kapazität gegenläufig, während ein dielektrisches Medium die Kapazität beider Sensortypen gleichläufig beeinflusst.
Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis, indem sie die an sich alternativen Funktionsprinzipien in einem kapazitiven Näherungssensor kombiniert, um durch gemeinsame, insbesondere vergleichende Auswertung der gemäß beider Funktionsprinzipien jeweils gewonnenen Kapazitätsmessgrößen eine zusätzliche Information über die elektrische Eigenschaft eines detektierten Objekts zu gewinnen.
In Hinblick auf die Detektion eines menschlichen Körpers oder Körperteils geht die Erfindung weiterhin von der Überlegung aus, dass der menschliche Körper in dem elektrischen Feld des Sensors zwar einerseits - vor allem aufgrund des Wassergehalts des menschlichen Körpers - ein dielektrisches Medium bildet, dass aber der Körper andererseits auch eine elektrische Leitfähigkeit aufweist und durch leitende und/oder kapazitive Kopplung mit dem Untergrund (Masse) als Gegenelektrode zu der Messelektrode des Sensors wirkt. Erkanntermaßen überwiegt dabei der letztere Effekt. Der menschliche Körper ist im Feld eines kapazitiven Sensors also mehr als mit Masse gekoppelter Leiter denn als Dielektrikum zu betrachten. Erkanntermaßen ist diese Eigenschaft nutzbar, um Körperteile von Wasser (insbesondere Regen oder Waschwasser) einfach und effektiv zu unterscheiden.
Zweckmäßigerweise werden die erste Kapazitätsmessgröße und die zweite Kapazitätsmessgröße derart bestimmt, dass sie in entsprechender Weise mit der Kapazität der Sendeelektrode gegenüber Masse bzw. der Kapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode korreliert sind. Mit anderen Worten spiegeln die erste Kapazitätsmessgröße und die zweite Kapazitätsmessgröße eine Änderung der jeweiligen Kapazität vorzugsweise in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise wieder, so dass die beiden Kapazitätsmessgrößen als Maß für den Betrag der jeweiligen Kapazität direkt miteinander verglichen werden können. Insbesondere sind beide Kapazitätsmessgrößen direkt proportional zu dem Betrag der jeweiligen Kapazität.
Dabei wird vorzugsweise bei Erkennung einer gegenläufigen Änderung der beiden Kapazitätsmessgrößen die Annäherung eines mit Masse gekoppelten elektrischen Leiters, insbesondere eines Körperteils detektiert, während bei Erkennung einer gleichläufigen Änderung der beiden Kapazitätsmessgrößen die Annäherung von dielektrischer Materie, insbesondere Wasser detektiert wird.
Des Weiteren wird vorzugsweise auch bei Erkennung einer Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße, die nicht mit einer synchronen Änderung der zweiten Kapazitätsmessgröße eingeht, die Annäherung eines mit Masse gekoppelten elektrischen Leiters, insbesondere eines Körperteils detektiert. So kann vorteilhafterweise die Annäherung eines Körperteils auch dann sicher erkannt werden, wenn dieses Annäherungsereignis durch die gleichzeitige Anwesenheit von Wasser im Detektionsraum überlagert wird, so dass sich diese beiden Ereignisse hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Kapazität der Elektrodenanordnung in der Zwei-Elektroden- Messung ganz oder teilweise kompensieren. So kann insbesondere - anders als bei einer einfachen Ein-Elektroden-Messung oder einer einfachen Zwei- Elektroden-Messung - die Annäherung einer Person in sehr nasser Umgebung (z.B. Starkregen) erkannt und von einem rein wasserbedingten Ereignis unterschieden werden.
Bei Detektion eines Körperteils im Detektionsraum des Sensors wird insbesondere ein Detektionssignal erzeugt und/oder eine Schutzmaßnahme eingeleitet. Bei einem als Einklemmschutzvorrichtung im Rahmen einer Stellvorrichtung für ein bewegbares Fahrzeugteil eingesetzten Sensor besteht die Schutzmaßnahme insbesondere in dem Stoppen oder Reversieren einer Stellbewegung des Fahrzeugteils. Bei Detektion von dielektrischer Materie, z.B. Wasser im Detektionsraum, werden dieses Detektionssignal bzw. diese Schutzmaßnahme dagegen unterdrückt. Im Rahmen der Erfindung kann in diesem Fall allerdings ein anderes Detektionssignal erzeugt werden. Der erfindungsgemäße (Näherungs-)Sensor umfasst eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Messelektroden. Der Sensor umfasst des Weiteren mindestens eine Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines elektrischen Sendesignals für eine der Messelektroden, sowie mindestens einen Empfangsschaltkreis zur Erfassung eines kapazitätsabhängigen Antwortsignals, aus dem eine Kapazitätsmessgröße ableitbar ist.
Als„Antwortsignal" wird allgemein eine elektrische Größe bezeichnet, die durch das Sendesignal verursacht wird, und deren Betrag von der zu messenden Kapazität der Elektrodenanordnung abhängt. Als Antwortsignal, das mithin quasi die kapazitätsabhängige Antwort der Elektrodenanordnung auf die Anregung durch das Sendesignal darstellt, wird vorzugsweise die Stärke des elektrischen Stroms erfasst, der unter Wirkung des Sendesignals auf die mit dem Empfangsschaltkreis verschaltete Messelektrode fließt (der aufgrund des Sendesignals von der Messelektrode abfließende Strom führt hierbei entsprechend zu negativen Werten des Antwortsignals). Alternativ hierzu kann im Rahmen der Erfindung aber auch eine andere kapazitätsabhängige Größe als Antwortsignal herangezogen werden, beispielsweise der Phasenwinkel zwischen dem Sendesignal und dem hierdurch verursachten Stromfluss.
Der Sensor umfasst außerdem eine Steuereinheit, die schaltungs- und/oder programmtechnisch zur automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsvarianten eingerichtet ist.
Die Steuereinheit umfasst dabei vorzugsweise einen MikroController, in dem die Funktionalität zur automatischen Durchführung des Verfahrens programmtechnisch in Form eines Steuerprogramms (Firmware) implementiert ist. Die Steuereinheit kann allerdings im Rahmen der Erfindung auch ganz oder teilweise durch eine nicht-programmierbare elektronische Hardware-Schaltung, beispielsweise einen Logikschaltkreis gebildet sein. Grundsätzlich können im Rahmen der Erfindung jeweils eigene Signalerzeugungsschaltkreise und/oder Empfangsschaltkreise für die Ein-Elektroden- Messung und die Sender-Empfänger-Messung vorgesehen sein. Der Sensor kann also zwei Signalerzeugungsschaltkreise und/oder Empfangsschaltkreise umfassen, von denen einer nur für die Ein-Elektroden-Messung, und der andere nur für die Sender-Empfänger-Messung herangezogen wird. In einer besonders einfachen Bauform des Sensors werden aber ein und derselbe Signalerzeugungsschaltkreis und ein und derselbe Empfangsschaltkreis sowohl für die EinElektroden-Messung als auch für die Sender-Empfänger-Messung herangezogen.
Hierzu ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Sensors der Signalerzeugungsschaltkreis permanent mit einer der Messelektroden verbunden. Der Sensor hat in diesem Fall somit eine feste Sendeelektrode, die sowohl für die EinElektroden-Messung als auch für die Sender-Empfänger-Messung zur Emission des elektrischen Feldes verwendet wird. Der Empfangsschaltkreis ist dagegen wechselweise entweder ebenfalls mit dieser Sendeelektrode oder der anderen Messelektrode (Empfangselektrode) verbindbar. Der Empfangsschaltkreis ist also zwischen der Sendelektrode und der Empfangselektrode schaltbar. In dem mit der Sendeelektrode verschalteten Zustand wird mittels des Empfangsschaltkreises dabei ein für die erste Kapazitätsmessgröße charakteristisches erstes Antwortsignal erfasst. In dem mit der Empfangselektrode verschalteten Zustand wird mittels des Empfangsschaltkreises dagegen ein für die zweite Kapazitätsmessgröße charakteristisches zweites Antwortsignal erfasst.
In einer alternativen Ausführungsvariante des Sensors ist der Empfangsschaltkreis permanent mit einer der Messelektroden verbunden, während der Signalerzeugungsschaltkreis wechselweise zwischen dieser Messelektrode und der anderen Messelektrode schaltbar ist. In erstgenannten Fall wird mittels des Empfangsschaltkreises ein für die erste Kapazitätsmessgröße charakteristisches erstes Antwortsignal erfasst. Im zweiten Fall ist mittels des Empfangsschaltkreises ein für die zweite Kapazitätsmessgröße charakteristisches zweites Antwortsignal erfassbar. Verkörperungen der Erfindung sind ferner eine Steuereinheit der vorstehend beschriebenen Art als solche, d.h. ohne die übrigen Bestandteile des Sensors, und ein Computerprogrammprodukt. Die Steuereinheit ist dabei schaltungs- und/oder programmtechnisch zur automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsvarianten eingerichtet. Das Computerprogrammprodukt enthält - insbesondere auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium wie zum Beispiel einer CD-ROM oder einer Festplatte - computerlesbare Anweisungen, bei deren Ausführung das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsvarianten automatisch durchgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt ist dabei insbesondere zur Ausführung in der - in diesem Fall mik- rocontrollerbasierten - Steuereinheit des kapazitiven Näherungssensors bestimmt und geeignet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild einen kapazitiven (Nähe- rungs-)Sensor mit einer Elektrodenanordnung, die zwei Messelektroden umfasst, mit einem Signalerzeugungsschaltkreis, einem Empfangsschaltkreis und mit einer Steuereinheit,
Fig. 2 in Darstellung gemäß Fig. 1 den Sensor während der Messung der Kapazität zwischen einer Messelektrode und Masse (EinElektroden-Messung),
Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 1 den Sensor während der Messung der Kapazität zwischen den beiden Messelektroden (Sender- Empfänger-Messung),
Fig. 4 in zwei übereinander geordneten synchronen Diagrammen einen typischen Verlauf einer von dem Sensor während der EinElektroden-Messung erfassten ersten Kapazitätsmessgröße und einer von dem Sensor während der Sender-Empfänger-Messung erfassten zweiten Kapazitätsmessgröße (oberes Diagramm) sowie eines aus der ersten und zweiten Kapazitätsmessgröße gebilde- ten Differenzsignals (unteres Diagramm) für den Fall einer vorübergehenden Annäherung eines Körperteils an den Sensor,
Fig. 5 in Darstellung gemäß Fig. 4 den typischen Verlauf der ersten und zweiten Kapazitätsmessgröße (oberes Diagramm) und des Differenzsignals (unteres Diagramm) für den Fall einer vorübergehenden Anwesenheit von Wasser im Umfeld des Sensors,
Fig. 6 in Darstellung gemäß Fig. 4 den möglichen Verlauf der ersten und zweiten Kapazitätsmessgröße (oberes Diagramm) und des Differenzsignals (unteres Diagramm) für den Fall einer gleichzeitigen Annäherung von Wasser und einem Körperteil an den Sensor,
Fig. 7 in Darstellung gemäß Fig.1 eine alternative Ausführungsform des
Sensors,
Fig. 8 in Darstellung gemäß Fig. 1 den Sensor gemäß Fig. 7 während der Ein-Elektroden-Messung, und
Fig. 9 in Darstellung gemäß Fig. 1 den Sensor gemäß Fig. 7 während der Sender-Empfänger-Messung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt vereinfacht einen kapazitiven (Näherungs-)Sensor 1 , der beispielsweise als Bestandteil eines Einklemmschutzsystems bei einer elektromotorischen Kraftfahrzeugstellvorrichtung, insbesondere bei einem elektrischen Fensterheber eingesetzt ist.
Der Sensor 1 umfasst eine erste Messelektrode 2, eine zweite Messelektrode 3, einen Signalerzeugungsschaltkreis 4, einen Empfangsschaltkreis 5 sowie eine Schalteinrichtung 6, die im dargestellten Beispiel durch drei Schalter 7, 8 und 9 gebildet ist. Der Sensor 1 umfasst des Weiteren eine Steuereinheit 10.
Der Messelektrode 2 ist der Empfangsschaltkreis 5 vorgeschaltet. Dem Empfangsschaltkreis 5 ist wiederum die Schalteinrichtung 6 vorgeschaltet. Über die Schalter 7 und 8 der Schalteinrichtung 6 kann der Empfangsschaltkreis 5 hierbei wechselweise entweder mit Masse M bzw. mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4 verbunden werden. Über den Schalter 9 der Schalteinrichtung 6 kann der Signalerzeugungsschaltkreis 4 reversibel mit der Messelektrode 3 verbunden werden. Die Schalter 7, 8 und 9 sind insbesondere durch Halbleiterschaltelemente gebildet.
Der Signalerzeugungsschaltkreis 4 dient zur Erzeugung eines Sendesignals SE, unter dessen Wirkung über eine der Messelektroden 2 oder 3 in einem den Messelektroden 2,3 vorgelagerten Detektionsraum 1 1 ein elektrisches Feld F (Fig. 2,3) erzeugt wird. Das Sendesignal SE wird in Form einer relativ zu Masse M periodisch wechselnden elektrischen Spannung erzeugt. Der Signalerzeugungsschaltkreis 4 ist hierzu beispielsweise durch einen elektrischen Oszillator (Schwingkreis) gebildet.
Der Empfangsschaltkreis 5 dient zur Erfassung eines Antwortsignals Α-ι (Fig. 2) bzw. A2 (Fig. 3), das mit der an der Messelektrode 2 messbaren elektrischen Kapazität korreliert ist. Als Antwortsignal Α-ι bzw. A2 wird insbesondere die Stromstärke des - unter mittelbarem oder unmittelbarem Einfluss des Sendesignals SE - auf die Messelektrode 2 fließenden Stroms gemessen (von der Messelektrode 2 abfließender Strom wird im Antwortsignal A-i,A2 mit negativem Betrag erfasst). Der Empfangsschaltkreis 5 ist hierzu beispielsweise durch einen Transimpedanzverstärker gebildet.
Die Steuereinheit 10 steuert den Signalerzeugungsschaltkreis 4 und die Schalter 7-9 der Schalteinrichtung 6 an. Sie erhält zudem als Eingangsgröße von dem Empfangsschaltkreis 5 fortlaufend Messwerte des Antwortsignals Ai bzw. A2, beispielsweise in Form einer stromproportionalen elektrischen Spannung. Die Steuereinheit 10 ist hierbei in bevorzugter Ausführung durch einen MikroController gebildet, in dem ein Steuerprogramm (Firmware) zum automatischen Betrieb des Sensors 1 lauffähig implementiert ist.
Bestimmungsgemäß wird der Sensor 1 durch die Steuereinheit 10 in zwei Be- triebszuständen betrieben, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. In den Fig. 2 und 3 ist lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit die Steuereinheit 10 jeweils nicht mit abgebildet.
In dem Betriebszustand gemäß Fig. 2 wird für die Durchführung einer EinElektroden-Messung die Messelektrode 2 über den Empfangsschaltkreis 5 mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4 verbunden, indem durch die Steuereinheit 10 der Schalter 8 geschlossen wird. Die Schalter 7 und 9 werden durch die Steuereinheit 10 dagegen geöffnet, so dass insbesondere die Messelektrode 3 von der Umwelt elektrisch isoliert ist. Alternativ hierzu kann die Messelektrode 3 auch auf ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt werden. Dieses Potential kann zeitlich konstant sein oder beispielsweise - im Sinne eines„Driven Shield" - mit dem Potential der Messelektrode 2 mitgeführt werden.
Das unter der Wirkung des Sendesignals SE erzeugte elektrische Feld F erstreckt sich in dem Betriebszustand gemäß Fig. 2 zwischen der Messelektrode 2 und Masse M, d.h. geerdeten oder kapazitiv mit Masse M gekoppelten elektrischen Leitern im Umfeld des Sensors 1 . Entsprechend hängt das in der Ein-Elektroden- Messung erfasste Antwortsignal Ai von der elektrischen Kapazität der Messelektrode 2 gegenüber Masse M ab.
In dem alternativen Betriebszustand gemäß Fig. 3 werden für die Durchführung einer Sender-Empfänger-Messung die Messelektrode 2 über den Empfangsschaltkreis 5 mit Masse M, und die Messelektrode 3 mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4 verbunden, indem durch die Steuereinheit 10 die Schalter 7 und 9 geschlossen werden, während der Schalter 8 geöffnet wird.
Das unter der Wirkung des Sendesignals SE erzeugte elektrische Feld F erstreckt sich in dem Betriebszustand gemäß Fig. 3 vorrangig zwischen der Messelektrode 2 und der Messelektrode 3. Entsprechend hängt das in der Sender-Empfänger- Messung erfasste Antwortsignal A2 mit der zwischen den Messelektroden 2 und 3 gebildeten Kapazität (also der Kapazität des durch die Messelektroden 2 und 3 gebildeten Kondensators) ab. Im Betrieb des Sensors 1 schaltet die Steuereinheit 10 zeitlich alternierend zwischen den Betriebszuständen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 hin und her. Die Steuereinheit 10 erfasst somit durch entsprechende Ansteuerung der Schalteinrichtung 6 abwechselnd in einer Ein-Elektroden-Messung einen Messwert des Antwortsignals Ai und in einer Sender-Empfänger-Messung einen Messwert des Antwortsignals A2. Aus den Messwerten des Antwortsignals Ai und des Antwortsignals A2 leitet die Steuereinheit 10 unter zusätzlicher Berücksichtigung des Sendesignals SE jeweils eine zugehörige Kapazitätsmessgröße Ki bzw. K2 ab. Die Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 sind hierbei jeweils proportional zu der mit der EinElektroden-Messung bzw. der Sender-Empfänger-Messung messbaren Kapazität.
Je zwei zeitlich aufeinanderfolgend erfasste Werte der Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 werden von der Steuereinheit 10 vergleichend auf Änderungen untersucht, die signifikant für eine Annäherung eines Körperteils oder nicht-leitender Materie (insbesondere Wasser) an den Sensor 1 sind.
Die Steuereinheit 10 berechnet hierzu in einer bevorzugten Ausführung des Sensors 10 aus den Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 gemäß Fig. 4 und 5 ein Differenzsignal D (mit D = Ki - K2) und vergleicht dieses mit einem hinterlegten
Schwellwert D0.
Überschreitet das Differenzsignal D den Schwellwert D0 (D > D0), so gibt die Steuereinheit 10 ein Detektionssignal W aus. Im Rahmen eines Einklemmschutzsystems löst das Detektionssignal W als Schutzmaßnahme gegen einen Einklemmfall die Reversierung einer Stellbewegung der zugeordneten Kraftfahrzeugstellvorrichtung aus. Bei Einsatz des Sensors 1 in einen Fensterheber wird aufgrund des Detektionssignals W beispielsweise die Fensterbewegung reversiert.
Wie anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert ist, kann mittels der vorstehend beschriebenen Auswertung eine durch ein Körperteil verursachte Änderung der Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 von einer durch Wasser (oder einen sonstigen Nicht-Leiter) verursachten Änderung der Kapazitätsmessgrößen Κ-ι und K2 unter- schieden werden, wobei nur in dem ersteren Fall das Detektionssignal W erzeugt wird.
In dem oberen Diagramm der Fig. 4 ist hierzu gegen die Zeit t ein typischer Verlauf der Kapazitätsmessgrößen Κ-ι und K2 bei einer vorübergehenden Annäherung eines Körperteils an den Sensor 1 abgebildet. Der Darstellung ist zu entnehmen, dass die Kapazitätsmessgrößen Κ-ι und K2 in diesem Fall aufgrund der oben beschriebenen Effekte einen gegenläufigen Verlauf aufweisen. Die synchron gegenläufige Änderung der Kapazitätsmessgrößen Κ-ι und K2 verstärkt sich in dem Differenzsignal D, so dass dieses - wie im unteren Diagramm der Fig. 4 dargestellt - zu einem Zeitpunkt t0 den Schwellwert D0 überschreitet.
Das vorübergehende Eindringen von Wasser in den Detektionsraum 1 1 führt gemäß Fig. 5 dagegen zu einer gleichläufig synchronen Änderung der Kapazitätsmessgrößen Ki und K2, die sich in dem Differenzsignal D zumindest näherungsweise kompensiert. Das eindringende Wasser verursacht mit anderen Worten allenfalls eine geringfügige Änderung des Differenzsignals D, so dass letzteres in diesem Fall den Schwellwert D0 nicht überschreitet und infolgedessen das Detektionssignal W nicht ausgelöst wird.
In einem anhand von Fig. 6 dargestellten Fall, in dem Wasser und ein Körperteil gleichzeitig in den Detektionsraum 1 1 eindringen, kann es wie dargestellt dazu kommen, dass sich diese beiden Annäherungsereignisse hinsichtlich ihrer Wirkung auf die zweite Kapazitätsmessgröße K2 kompensieren. Dieses doppelte Annäherungsereignis für somit nur in der Kapazitätsmessgröße Κ-ι zu einer erkennbaren Änderung, während sich der Betrag die Kapazitätsmessgröße K2 in dem Zeitraum dieser Änderung nicht oder allenfalls schwach ändert. Die Änderung der Kapazitätsmessgröße Ki führt allerdings wiederum zu einer hinreichenden Änderung des Differenzsignals D, so dass dieses - wie im unteren Diagramm der Fig. 6 dargestellt - zu einem Zeitpunkt t0 den Schwellwert D0 überschreitet.
Somit wird das Risiko einer Fehlauslösung des kapazitiven Einklemmschutzsystems durch Wasser effektiv reduziert. In den Fig. 7 bis 9 ist eine alternative Ausführungsform des Sensors 1 dargestellt. Anstelle der Schalteinrichtung 6 umfasst der Sensor 1 hier eine modifizierte Schalteinrichtung 6' mit Schaltern 12, 13, 14, 15 und 16, die wiederum vorzugsweise durch Halbleiterschaltelemente gebildet sind.
Die Messelektrode 2 kann hierbei mittels der Schalteinrichtung 6' wechselweise entweder direkt über den Schalter 12 oder indirekt über den Schalter 15, den Empfangsschaltkreis 5 und den Schalter 13 mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4 verbunden werden. Die Messelektrode 3 kann reversibel über den Schalter 16, den Empfangsschaltkreis 5 und den Schalter 14 mit Masse M verbunden werden.
Für die Ein-Elektroden-Messung werden durch die Steuereinheit 10 gemäß Fig. 8 die Schalter 13 und 15 geschlossen, und die Schalter 12, 14 und 16 geöffnet. Hierdurch ist wiederum die Messelektrode 3 von der Umwelt elektrisch isoliert, wohingegen die Messelektrode 2 über den Empfangsschaltkreis 5 mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4 verbunden ist. Alternativ kann die Messelektrode 3 wiederum auf ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt, insbesondere mit dem Potential der Messelektrode 2 mitgeführt werden. Für die Sender-Empfänger- Messung werden durch die Steuereinheit 10 dagegen gemäß Fig. 9 die Schalter 12, 14 und 16 geschlossen und die Schalter 13 und 15 geöffnet. Hierdurch werden die Messelektrode 2 direkt mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 4, und die Messelektrode 3 direkt mit dem Empfangsschaltkreis 5 verschaltet. Hinsichtlich der Funktion und Betriebsweise gleicht der Sensor 1 gemäß Fig. 7 bis 9 im Übrigen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3.
Alternativ zu der anhand der Fig. 4 bis 6 beschriebenen Auswertung können auch die Abweichungen der Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 von vorgegebenen Normalwerten Kio bzw. K2o (Fig. 4,5) durch die Steuereinheit 10 multiplikativ verknüpft werden, um die Annährung eines Körperteils an den Sensor 1 von eindringendem Wasser zu unterscheiden. In diesem Fall wird das Vorzeichen des resultierenden Produktsignals untersucht, das bei einer gegenläufig synchronen Abweichung der Kapazitätsmessgrößen Κ-ι und K2 negativ und bei einer gleichläufig synchronen Abweichung der Kapazitätsmessgrößen Ki und K2 positiv ist.
Die Erfindung wird anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele besonders deutlich, ist auf diese aber nicht beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste
1 (Näherungs-)Sensor
2 (erste) Messelektrode
3 (zweite) Messelektrode
4 Signalerzeugungsschaltkreis
5 Empfangsschaltkreis
6,6' Schalteinrichtung
7-9 Schalter
10 Steuereinheit
1 1 Detektionsraum
12-16 Schalter
M Masse
SE Sendesignal
AI , A2 Antwortsignal
F (elektrisches) Feld
D Summensignal
Do Schwell wert
W Detektionssignal
t Zeit
to Zeitpunkt
Ki , K2 Kapazitätsmessgröße
io , 20 Normalwert

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Näherungssensors (1 ) mit mindestens zwei Messelektroden (2,3),
- wobei eine erste Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) erfasst wird, die mit der Kapazität mindestens einer der Messelektroden (2) gegenüber Masse (M) korreliert ist,
- wobei eine zweite Kapazitätsmessgröße (K2) erfasst wird, die mit der Kapazität zwischen mindestens einer der Messelektroden (2) und mindestens einer weiteren Messelektrode (3) korreliert ist, und
- wobei eine Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) gemeinsam mit einem synchronen Signalverlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße (K2) ausgewertet wird, um eine Annäherung eines elektrisch mit Masse (M) gekoppelten Leiters von der Annäherung dielektrischer Materie zu unterscheiden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 ,
wobei die Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) gemeinsam mit dem synchronen Signalverlauf der zweiten Kapazitätsmessgröße (K2) ausgewertet wird, um eine Annäherung eines Körperteils von der Annäherung von Wasser zu unterscheiden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
- wobei bei Erkennung einer gegenläufigen Änderung der beiden Kapazitätsmessgrößen (K-i,K2) die Annäherung eines elektrisch mit Masse (M) gekoppelten Leiters, insbesondere eines Körperteils detektiert wird, und - wobei bei Erkennung einer gleichläufigen Änderung der beiden Kapazi- tätsmessgrößen (K-i,K2) die Annäherung von dielektrischer Materie, insbesondere Wasser detektiert wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3,
wobei bei Erkennung einer Änderung der ersten Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) ohne Erkennung einer synchronen Änderung der zweiten Kapazitätsmessgröße (K2) die Annäherung eines elektrisch mit Masse (M) gekoppelten Leiters, insbesondere eines Körperteils detektiert wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4,
- wobei bei Detektion der Annäherung eines elektrisch mit Masse (M) gekoppelten elektrischen Leiters, insbesondere eines Körperteils ein Detek- tionssignal (W) erzeugt und/oder eine Schutzmaßnahme eingeleitet wird, und
- wobei bei Detektion der Annäherung von dielektrischer Materie, insbesondere Wasser dieses Detektionssignal (W) bzw. diese Schutzmaßnahme unterdrückt wird.
6. Kapazitiver Näherungssensor (1 )
- mit einer Elektrodenanordnung, die mindestens zwei Messelektroden (2,3) umfasst,
- mit mindestens einer Signalerzeugungseinheit (4) zur Erzeugung eines elektrischen Sendesignals (SE) für eine der Messelektroden (2),
- mit mindestens einem Empfangsschaltkreis (5) zur Erfassung eines kapazitätsabhängigen Antwortsignals (A-i,A2), aus dem eine Kapazitätsmessgröße (K-i,K2) ableitbar ist, und
- mit einer Steuereinheit (10),
wobei die Steuereinheit (10) zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet ist.
7. Näherungssensor (1 ) nach Anspruch 6, - wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (4) mit einer der Messelektroden (2) verbunden ist, und
- wobei der Empfangsschaltkreis (5) wechselweise
-- entweder mit derselben Messelektrode (2) verbindbar ist, um ein für die erste Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) charakteristisches erstes Antwortsignal (A-i ) zu erfassen,
-- oder mit der anderen Messelektrode (3) verbindbar ist, um ein für die zweite Kapazitätsmessgröße (K2) charakteristisches zweites Antwortsignal (A2) zu erfassen.
8. Näherungssensor (1 ) nach Anspruch 6 oder 7,
- wobei der Empfangsschaltkreis (5) mit einer der Messelektroden (2) verbunden ist, und
- wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (4) wechselweise
- entweder mit derselben Messelektrode (2) verbindbar ist, so dass mittels des Empfangsschaltkreises (5) ein für die erste Kapazitätsmessgröße (Κ-ι) charakteristisches erstes Antwortsignal (Α-ι) erfassbar ist,
-- oder mit der anderen Messelektrode (3) verbindbar ist, so dass mittels des Empfangsschaltkreises (5) ein für die zweite Kapazitätsmessgröße (K2) charakteristisches zweites Antwortsignal (A2) erfassbar ist.
9. Steuereinheit (10) für einen kapazitiven Näherungssensor (1 ), der
- eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Messelektroden (2,3),
- eine Signalerzeugungseinheit (4) zur Erzeugung eines elektrischen Sendesignals (SE) für eine der Messelektroden (2,3), und
- mindestens einen Empfangsschaltkreis (5) zur Erfassung eines kapazitätsabhängigen Antwortsignals (Α-ι, A2)
umfasst, wobei die Steuereinheit (10) zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet ist.
Computerprogrammprodukt, das computerlesbare Anweisungen umfasst, bei deren Ausführung in der mikrocontrollerbasierten Steuereinheit (10) ei- nes kapazitiven Näherungssensors (1 ) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 automatisch durchgeführt wird.
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