DE102007012111B4 - Arrangement for generating an electric field, and including the same realized sensor device - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung mit: – einer Feldbereitungselektrodeneinrichtung die als solche in ein LC-Netzwerk eingebunden ist, und die derart zu einem Feldraumbereich hin freiliegt, dass sich die Kapazität eines unter Einschluss der Feldbereitungselektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der in dem Feldraumbereich vorhandenen Materie ändert, – einer Isolatorlage, die sich auf einer dem Feldraumbereich abgewandten Rückseite der Feldbereitungselektrodeneinrichtung erstreckt, – einer Abschirmelektrodeneinrichtung, die sich auf einer der Feldbereitungselektrodeneinrichtung abgewandten Rückseite der Isolatorlage erstreckt, und – einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung, die als solche eine einem Extinktionsbereich zugewandte Elektrodenfläche aufweist, – wobei die Feldbereitungselektrodeneinrichtung und die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und spannungsbeaufschlagt sind, dass der Feldraumbereich und der Extinktionsbereich einander abschnittsweise überlagern, wobei die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese der Raum vor dem Sensor aufgeteilt und eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung ausgeblendet wird.Circuit arrangement comprising: a field-preparation electrode device, which as such is integrated into an LC network and exposed to a field space region in such a way that the capacitance of a capacitor system formed with the field-preparation electrode device changes depending on the dielectric properties of the material present in the field space region An insulator layer which extends on a rear side of the field preparation electrode device facing away from the field space region, a shielding electrode device which extends on a rear side of the insulator layer facing away from the field preparation electrode device, and a field extinction electrode device, which as such has an electrode surface facing an extinction region, the field preparation electrode device and the field extinction electrode device are arranged and subjected to a voltage such that the field space region u The extinction region is overlapped in sections, the field extinction electrode device being arranged and connected in such a way that it divides the space in front of the sensor and hides an edge zone of the field of the field preparation electrode device penetrating into the field space region.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Generierung eines hinsichtlich seiner räumlichen Ausbreitung markant beeinflussten elektrischen Feldes, sowie auch auf eine unter Einschluss derselben gebildete Sensoreinrichtung.The invention relates to an arrangement for generating a markedly influenced in terms of its spatial propagation electric field, as well as on a sensor device including the inclusion thereof.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, ein an sich quasistatisches elektrisches Wechselfeld zu generieren, das sich mit einer gewissen Fokussierung in einen als Überwachungs- oder Signalübertragungsbereich relevanten Präferenzbereich hinein ausbreitet.The invention has for its object to provide solutions by which it is possible to generate a quasi-static alternating electric field, which propagates with a certain focus in a relevant as a monitoring or signal transmission range preference area.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit:
- – einer Feldbereitungselektrodeneinrichtung die als solche in ein LC-Netzwerk eingebunden ist, und die derart zu einem Feldraumbereich hin freiliegt, dass sich die Kapazität eines unter Einschluss der Feldbereitungselektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der in dem Feldraumbereich vorhandenen Materie ändert,
- – einer Isolatorlage, die sich auf einer dem Feldraumbereich abgewandten Rückseite der Feldbereitungselektrodeneinrichtung erstreckt,
- – einer Abschirmelektrodeneinrichtung, die sich auf einer der Feldbereitungselektrodeneinrichtung abgewandten Rückseite der Isolatorlage erstreckt, und
- – einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung, die als solche eine einem Extinktionsbereich zugewandte Elektrodenfläche aufweist, wobei die Feldbereitungselektrodeneinrichtung und die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und spannungsbeaufschlagt sind, dass der Feldraumbereich und der Extinktionsbereich einander abschnittsweise überlagern, und wobei die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese der Raum vor dem Sensor aufgeteilt und eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung ausgeblendet wird.
- A field preparation electrode device which as such is integrated in an LC network and which is exposed in such a way to a field space region that the capacitance of a capacitor system formed with the inclusion of the field preparation electrode device changes depending on the dielectric properties of the material present in the field space region,
- An insulator layer which extends on a rear side of the field preparation electrode device facing away from the field space region,
- A shielding electrode device which extends on a rear side of the insulator layer facing away from the field preparation electrode device, and
- A field extinction electrode device having, as such, an electrode surface facing an extinction region, wherein the field formation electrode device and the field extinction electrode device are arranged and energized such that the field space region and the extinction region overlap each other in sections, and wherein the field extinction electrode device is arranged and turned on so as to cause the field extinction electrode device Space is divided in front of the sensor and an edge zone of the penetrating into the field space field of the field preparation electrode device is hidden.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den seitlich ausfließenden Randbereich des durch die Feldbereitungselektrode generierten Feldes zu kappen und den über die Feldbereitungselektrode observierten Raumbereich relativ scharf zu begrenzen.This makes it possible in an advantageous manner to cut off the laterally outflowing edge region of the field generated by the field preparation electrode and to limit the spatial region observed via the field preparation electrode relatively sharply.
Zwischen der Feldbereitungselektrodeneinrichtung und der Feldextinktionselektrodeneinrichtung ist vorzugsweise eine Trennelektrodeneinrichtung vorgesehen ist. Diese Trennelektrodeneinrichtung ist vorzugsweise zwischen zwei Isolatormateriallagen aufgenommen und mit der Abschirmelektrodeneinrichtung gekoppelt. Die Trennelektrodeneinrichtung kann mit der Abschirmelektrodeneinrichtung direkt leitend gekoppelt sein, insbesondere integral mit diese ausgebildet sein.Between the field preparation electrode device and the field extinction electrode device, a separation electrode device is preferably provided. This separation electrode device is preferably accommodated between two insulator material layers and coupled to the shielding electrode device. The separating electrode device may be coupled directly to the shielding electrode device, in particular integrally formed therewith.
An die Feldextinktionselektrodeneinrichtung wird erfindungsgemäß eine Spannung mit einem in Bezug zur Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung phasenversetzten Verlauf angelegt. Der Phasenversatz beträgt vorzugsweise im Wesentlichen π und die Spannung liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung. Es ist möglich, die Schaltung so aufzubauen, dass der Phasenversatz und der Spannungsabstand einstellbar veränderbar sind.According to the invention, a voltage having a phase-offset characteristic with respect to the voltage at the field-preparing electrode device is applied to the field extinction electrode device. The phase offset is preferably substantially π and the voltage is preferably of the order of magnitude of the voltage at the field preparation electrode device. It is possible to construct the circuit in such a way that the phase offset and the voltage interval can be variably changed.
Die Trennelektrodeneinrichtung kann so ausgebildet sein, dass diese stegartig zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode verläuft. Die Trennelektrodeneinrichtung kann insbesondere integral mit der Abschirmelektrodeneinrichtung ausgebildet sein.The separating electrode device can be designed such that it runs like a web between the field-preparing electrode and the field extinction electrode. The separation electrode device may in particular be formed integrally with the shielding electrode device.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, relativ niederfrequent betriebene kapazitive Sensoren mit ausgeprägter Richtwirkung zu realisieren. Die Erfindung ermöglicht es, kapazitive Sensoren durch eine geeignete Sensor-Struktur und eine geeignete Elektronik mit einer Richtcharakteristik zu versehen.The inventive concept makes it possible to realize relatively low-frequency operated capacitive sensors with pronounced directivity. The invention makes it possible to provide capacitive sensors with a directional characteristic by means of a suitable sensor structure and suitable electronics.
Die Feld bereitungselektrodeneinrichtung bildet Bestandteil eines Oszillators, dessen frequenzbestimmende Kapazität von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung der Feldbereitungselektrodeneinrichtung abhängig ist. Nähert sich ein Körper der Feldbereitungselektrodeneinrichtung, so erhöht sich die Kapazität und damit verändert sich die Frequenz. Damit Masseflächen nicht die Empfindlichkeit des Systems reduzieren, wird die Massefläche durch ein mit dem Sensor gleichphasiges Signal gleicher Spannung ausgeblendet. (Transimpedanzwandler als Shield-Treiber)The field preparation electrode device forms part of an oscillator whose frequency-determining capacitance is dependent on the dielectric properties of the environment of the field preparation electrode device. When a body approaches the field-preparation electrode device, the capacitance increases and thus the frequency changes. So that ground planes do not reduce the sensitivity of the system, the ground plane becomes in-phase with the sensor same voltage hidden. (Transimpedance converter as shield driver)
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigtFurther details and features of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the drawings. It shows
In
In
Das nachfolgend insbesondere in Verbindung mit
Es sind erfindungsgemäß Elektroden vorgesehen, deren Wirkung es ist, das elektrische Sensor-Feld in einem gewünschten Raum effektiv zu neutralisieren bzw. ,abzusaugen'. Im weiteren wird deshalb von ,Saugelektroden' gesprochen.
Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil dort eingesetzt werden, wo eine ausgeprägte Richtwirkung notwendig ist. Dies ist z. B. bei Ersatz von Lichtschranken oder Lichtgittern der Fall oder bei einem Einklemmschutz, bei dem ganz gezielt nur der gefährdete Bereich detektiert wird. Sie eignet sich auch für eine Aneinander-Reihung von Kapazitiven Schalter auf engstem Raum.The invention can be used with particular advantage where a pronounced directivity is necessary. This is z. As in the case of replacement of light barriers or light curtains of the case or in a pinch protection, in which only specifically the vulnerable area is detected. It is also suitable for a juxtaposition of capacitive switches in a confined space.
Es ist möglich, die jeweilige Sensorschaltung, adressierbar ansteuerbar zu gestalten. Es ist auch möglich, deren Funktionsweise phasenweise zu variieren. So kann beispielsweise für eine bestimmte Anzahl oder Zeitdauer von Wechselzyklen des Detektionsfeldes auch die Art der Begrenzung des Detektionsfeldes – vorzugsweise adressiert angesteuert – verändert werden. Hierdurch wird eine Kombinierte Überwachung des umfassenden Observationsbereiches und eine Unterscheidung zwischen der Präsenz eines Objektes im gekappten, oder im großen Bereich möglich. Es ist grundsätzlich auch möglich, schaltungstechnische Maßnahmen zu treffen die es ermöglichen ausgewählte Elektroden wechselweise als Feldbereitungs- und als Feldextinktionselektroden zu verwenden.It is possible to design the respective sensor circuit in an addressable manner. It is also possible to vary their operation in phases. Thus, for example, for a certain number or duration of change cycles of the detection field and the type of limitation of the detection field - preferably addressed addressed - be changed. As a result, a combined monitoring of the comprehensive observation area and a distinction between the presence of an object in the capped, or in the large area possible. In principle, it is also possible to take circuit-technical measures which make it possible to use selected electrodes alternately as field preparation and as field extinction electrodes.
Wie aus
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