DE102014216247A1

DE102014216247A1 - Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen

Info

Publication number: DE102014216247A1
Application number: DE102014216247.5A
Authority: DE
Inventors: Dominic Czempas; Manuel Kelsch; Gerd Reime; Martin Scheible; Thomas Wiest
Original assignee: Mayser GmbH and Co KG
Current assignee: Mayser GmbH and Co KG
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-08-16
Also published as: US20170219386A1; EP3180858A1; DE102014216247B4; WO2016023863A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen, mit einem kapazitiven Sensor mit wenigstens zwei leitfähigen Elementen und einer mit den leitfähigen Elementen verbundenen Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung eine Brückenschaltung aufweist, wobei ein erstes Ende Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung hinteren leitfähigen Element des Sensors und ein zweites Ende des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung vorderen Leiter des Schaltleistenprofils verbunden ist, wobei mittels eines Ansteuerabschnitts der Steuerschaltung ein Ansteuersignal erzeugt und in beiden leitfähigen Elemente eingespeist wird und wobei die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, kleiner ist als die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem zweiten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, bei dem eine Auswerteelektronik zum Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen mit einem kapazitiven Sensor mit wenigstens zwei leitfähigen Elementen und einer mit den leitfähigen Elementen verbundenen Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung eine Brückenschaltung aufweist, wobei ein erstes Ende des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung hinteren leitfähigem Element des Sensors und ein zweites Ende des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung vorderen leitfähigen Element des Sensors verbunden ist, wobei mittels eines Ansteuerabschnitts der Steuerschaltung ein Ansteuersignal erzeugt wird und wobei die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, kleiner ist als die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem zweiten Ende des Brückenzweiges verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum kapazitiven Erfassung von Hindernissen.
Aus der US-Patentschrift 8,334,623 B2 ist ein Schaltleistensystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen bekannt. Die dort in 14 gezeigte Ausführungsform weist eine Brückenschaltung auf, wobei die beiden Leiter eines Schaltleistenprofils mit jeweils einem Ende des Brückenzweiges verbunden sind. Eine Auswertung des Schaltleistensystems erfolgt aber dadurch, dass eine Spannung an dem in Erfassungsrichtung vorne liegenden Leiter mit einem von einer Veränderung der Kapazität zwischen den beiden Leitern und einem Hindernis unbeeinflussten Referenzsignal verglichen wird.
Aus der US-Patentschrift US 6,750,624 ist ein Schaltleistensystem zum kapazitiven Erfassen von Hindernissen bekannt, bei dem ein Schaltleistenprofil mit wenigstens einem in Längsrichtung durchgehenden Leiter, eine Zentralelektronik, eine Frontendelektronik und eine Übertragungsleitung zwischen der Zentralelektronik und der Frontendelektronik vorgesehen ist. Die Frontendelektronik weist einen Oszillator auf, um ein Ansteuersignal mit einer hohen Frequenz von etwa 900 MHz zu erzeugen und zu dem wenigstens einen elektrischen Leiter im Schaltleistenprofil zu übertragen. Eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen des auf dem Leiter des Schaltprofils anliegenden Signals und des nicht beeinflussten Ansteuersignals ist ebenfalls in der Frontendelektronik vorgesehen. Ein Ausgangssignal der Frontendelektronik wird über die Übertragungsleitung zu der Zentralelektronik übertragen. Die Übertragungsleitung ist als Koaxialkabel oder als Twisted-pair-Leitung ausgebildet.
Mit der Erfindung soll ein Sensorsystem und ein Verfahren zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen, insbesondere im Hinblick auf eine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Temperaturschwankungen, verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen mit einem kapazitiven Sensor mit wenigstens zwei leitfähigen Elementen und einer mit den leitfähigen Elementen verbundenen Ansteuerschaltung vorgesehen, wobei die Ansteuerschaltung eine Brückenschaltung aufweist, wobei ein erstes Ende des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung hinteren leitfähigen Element des Sensors und ein zweites Ende des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung vorderen leitfähigen Element des Sensors verbunden ist, wobei mittels eines Ansteuerabschnitts der Steuerschaltung ein Ansteuersignal erzeugt wird und wobei die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, kleiner ist als die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem zweiten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, bei dem eine Auswerteelektronik zum Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges vorgesehen ist.
Indem erfindungsgemäß eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges ausgewertet wird, haben Störeinflüsse auf das Signal der beiden Elektroden keinen Einfluss auf die Auswertung der Spannungsdifferenz, da Störeinflüsse in der Regel beide Elektroden bzw. alle Elektroden des Sensors betreffen und dadurch bei der Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges eliminiert werden. Dies gilt beispielsweise für Signalveränderungen aufgrund des Temperaturverhaltens der Steuerschaltung sowie des Schaltleistenprofils selbst. Die Temperaturunterschiede zwischen den wenigstens zwei leitfähigen Elementen des Sensors sind zu vernachlässigen, so dass temperaturabhängige Anteile der Brückenspannung bei der Auswertung der Spannungsdifferenz automatisch eliminiert werden. Dies gilt auch bei dem Vorhandensein elektromagnetischer Störungen. Beide bzw. alle Leiter des Schaltleistenprofils werden durch elektromagnetische Störungen im Wesentlichen in der gleichen Weise beeinflusst, so dass auch diese Störeinflüsse bei der Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges automatisch eliminiert werden.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist dadurch äußerst unempfindlich gegenüber Störeinflüssen und in besonderer Weise für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen geeignet, beispielsweise zur Absicherung elektromotorisch betriebener Klappen, Fenster und Türen. Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass der prinzipielle Nachteil beim Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen zwei leitfähigen Elementen des Sensors und speziell zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende eines Brückenzweiges, durch die Vorteile bei der Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen, insbesondere Temperatureinflüsse und EMV-Störungen, mehr als kompensiert werden. Denn bei einem Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen bilden sowohl der in Erfassungsrichtung hintere als auch das in Erfassungsrichtung vordere leitfähige Element des Sensors eine Kapazität mit dem Hindernis aus und diese beiden Kapazitäten verändern sich bei der Annäherung eines Hindernisses. Gegenüber dem Vergleich des Signals lediglich eines leitfähigen Elements mit einem unveränderten Referenzsignal hat also die Differenzbildung der Signale beider Elemente den Nachteil, dass das Differenzsignal kleiner ist als bei einer Schaltung mit unbeeinflusstem Referenzpfad, wie beispielsweise in der US 8,334,623 B2 , 14, gezeigt ist. Speziell tritt bei der erfindungsgemäßen Lösung der Nachteil auf, dass der Spannungshub, der bei der Annäherung eines Hindernisses an die beiden Elektroden des Sensors auftritt, zu einem gewissen Teil durch die Bildung der Spannungsdifferenz aus den Spannungen, die an den beiden Elektroden anliegen, kompensiert wird. Jedoch ergeben sich durch die erfindungsgemäße Lösung wesentliche Vorteile im Bereich des EMV- und Temperatur-Verhaltens. Durch die Differenzbildung bzw. die Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges ergibt sich ein sehr rauscharmes Signal, das sehr hoch verstärkt werden kann. Durch das gegenüber dem Stand der Technik entsprechenden Schaltungen verbesserte Signal-Rauschverhältnis dieses Spannungsdifferenzsignals können überraschenderweise deutlich kleinere Änderungen im Spannungsdifferenzsignal ausgewertet werden, so dass der prinzipbedingte Nachteil kompensiert und gleichzeitig eine große Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen erzielt werden kann. Das Ansteuersignal wird in beide Elektroden beziehungsweise alle Elektroden des Schaltleistenprofils eingespeist. Das von der in Erfassungsrichtung hinteren Elektrode abgestrahlte Feld ist dann dazu vorgesehen, das von der in Erfassungsrichtung vorderen Elektrode abgestrahlte Feld in gewissem Ausmaß auszurichten. Die leitfähigen Elemente oder Elektroden des Sensors können als in Längsrichtung eines Schaltleistenprofils durchgehende Leiter oder auch als flächige Elektroden, beispielsweise Folienelektroden, oder Gitterelektroden eines kapazitiven Flächensensors ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Ansteuerabschnitt eine erste Impedanz auf, wobei das erste Ende des Brückenzweiges zwischen einer zweiten und einer dritten Impedanz angeordnet ist und das zweite Ende des Brückenzweiges zwischen einer vierten und fünften Impedanz angeordnet ist, wobei die erste Impedanz kleiner ist als die Summe der zweiten und dritten Impedanz und die Summe der zweiten und dritten Impedanz kleiner ist als die Summe der vierten und fünften Impedanz.
Der Ansteuerabschnitt ist dadurch im Vergleich zu den Brückenzweigen niederohmig angebunden. Indem der in Erfassungsrichtung hintere Leiter des Schaltleistenprofils zwar höherohmiger als der Ansteuerabschnitt, aber niederohmiger als der in Erfassungsrichtung vordere Leiter des Schaltleistenprofils angebunden ist, verändert sich bei der Annäherung eines Hindernisses an das Schaltleistenprofil das Signal auf dem in Erfassungsrichtung vorne liegenden Leiter stärker als das Signal auf dem in Erfassungsrichtung gesehen hinten liegenden Leiter. Die Annäherung eines Hindernisses an das Schaltleistenprofil verursacht somit eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern bzw. zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges, die dann ausgewertet werden kann. Beispielsweise werden die Impedanzen so gewählt, dass die Summe der Impedanzen Z₄ und Z₅ größer oder gleich dem Fünffachen der Summe der Impedanzen Z₂ und Z₃ ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist parallel zu wenigstens einer der Impedanzen der Brückenschaltung eine einstellbare Impedanz vorgesehen, um über eine Veränderung der einstellbaren Impedanz einen Abgleich der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges zu bewirken.
Auf diese Weise kann ein Ruhewert oder ein Ausgangswert des Schaltleistensystems in einfacher Weise auf einen vordefinierten Wert eingestellt werden. Dieser Wert kann null sein, in der Praxis wird aber ein von null verschiedener Wert gewählt. Mittels der einstellbaren Impedanz kann somit das Schaltleistensystem im eingebauten Zustand auf eine vordefinierte Spannungsdifferenz eingestellt werden. Dies ist von erheblicher Bedeutung, wenn das erfindungsgemäße Schaltleistensystem als Serienprodukt verbaut wird. Es lässt sich gar nicht vermeiden, dass die Einbauverhältnisse des Schaltleistensystems, beispielsweise an einer motorisch betriebenen Heckklappe eines Fahrzeuges, nicht immer exakt gleich sind. Über die einstellbare Impedanz kann dann unmittelbar nach dem Einbau des Schaltleistensystems ein automatischer Abgleich vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen noch am Fließband erfolgen. Der Auswerteelektronik kann dadurch im Ruhezustand, d.h. ohne ein Hindernis, immer derselbe Spannungswert zugeführt werden. Die einstellbare Impedanz kann zum Beispiel mit einer oder mehreren Kapazitätsdioden in Parallel- und/oder Serienschaltung ausgebildet sein, die dann mittels einer insbesondere automatischen Steuerung so verschaltet werden, dass sich der gewünschte Wert der einstellbaren Impedanz ergibt. Möglich ist auch die Verwendung eines Kondensatorarrays der entsprechend angesteuert wird, oder eines Drehkondensators.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteelektronik eine einstellbare Impedanz auf, um einen Abgleich des Ausgangssignals der Auswerteelektronik zu bewirken.
Die einstellbare Impedanz kann in der Auswerteelektronik selbst vorgesehen sein, und vorteilhafterweise ist die einstellbare Impedanz im Rückkopplungszweig eines Verstärkers der Auswerteelektronik vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung beträgt ein Spannungspegel des Ansteuersignals das Zweifache bis Fünfzehnfache, insbesondere das Zehnfache, der Versorgungsspannung der Auswerteelektronik.
Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit des Schaltleistensystems gegenüber elektromagnetischen Störungen weiter verringert werden. Der durch die Annäherung eines Hindernisses erzeugte Spannungshub ist durch den hohen Spannungspegel des Ansteuersignals deutlich höher als der Einfluss von elektromagnetischen Störungen, so dass die Sicherheit einer Detektion von Hindernissen erhöht werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Ansteuersignal als Sinussignal ausgebildet. Dieses Sinussignal weist vorteilhafterweise einen Spannungshub zwischen 20 V und 40 V, insbesondere 30 V, auf.
Vorteilhafterweise weist die Ansteuerschaltung einen Schwingkreis auf, mit dem das als Sinussignal ausgebildet Ansteuersignal erzeugt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Summe der Impedanzen des Schwingkreises kleiner als die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges verbunden sind. Dadurch ist der Schwingkreis niederohmig angebunden und durch Annäherung eines Hindernisses wird das Ansteuersignal selbst nicht beeinflusst.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Schwingkreis teilweise durch die Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges verbunden sind, gebildet. Durch eine solche teilweise Integration des Schwingkreises in die Brückenschaltung kann die Summe der Impedanzen der Brückenschaltung, die mit dem ersten Ende des Brückenzweiges und somit dem in Erfassungsrichtung hinteren Leiter des Schaltleistenprofils verbunden sind, niederimpedanter gestaltet werden. Dadurch kann die Reichweite bei der Detektion von Hindernissen mit dem erfindungsgemäßen Schaltleistensystem verbessert werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteelektronik einen Differenzierer auf, wobei Eingangssignale des Differenzierers unterschiedlich gewichtet werden, um einen Abgleich des Ausgangssignals der Auswerteelektronik zu bewirken.
Auch mittels unterschiedlicher Gewichtung der Eingangssignale eines Differenzierers kann ein automatischer Abgleich des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems vorgenommen werden, so dass beispielsweise geringfügig unterschiedliche Einbauverhältnisse bei der Serienproduktion automatisch kompensiert werden können.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteelektronik einen Mikrocontroller auf, wobei der Mikrocontroller unmittelbar mit dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges verbunden ist.
Auch mittels eines Mikrocontrollers kann ein automatischer Abgleich der Spannungsdifferenz auf einen vorbestimmten Wert erfolgen, um gegebenenfalls unterschiedliche Einbauverhältnisse bei der Serienproduktion automatisch kompensieren zu können.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Verfahren zum kapazitiven Erfassen von Hindernissen mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem gelöst, bei dem das Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Brückenzweiges vorgesehen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen können dabei in beliebiger Weise kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Messprinzips des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
3 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
4 ein Prinzipschaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
5 ein Prinzipschaltbild einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
6 ein Prinzipschaltbild einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
7 ein Prinzipschaltbild einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems,
8 ein Prinzipschaltbild einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems, wobei verschiedene mögliche Positionen einer oder mehrerer einstellbarer Impedanzen gestrichelt dargestellt sind und
9 ein Prinzipschaltbild einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltleistensystems.
Die Darstellung der 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems oder Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein Schaltleistenprofil 10 weist einen in einer Erfassungsrichtung 12 gesehen hinteren Leiter 14 und einen in Erfassungsrichtung 12 gesehen vorderen Leiter 16 auf. Die Erfassungsrichtung 12 stellt dabei lediglich die Mittellinie eines Erfassungsbereichs dar, der sich über einen größeren Winkelbereich erstrecken kann. Die beiden Leiter 16, 14 sind lediglich schematisch dargestellt und können eine andere geometrische Form aufweisen als die dargestellte geometrische Form. Der Einfachheit halber sind lediglich zwei Leiter 14, 16 dargestellt. Das Schaltleistenprofil 10 kann im Rahmen der Erfindung mehr als zwei Leiter aufweisen, beispielsweise einen in Erfassungsrichtung 12 hinten liegenden Leiter 14 und drei in Erfassungsrichtung 12 vorne liegende Leiter 16. Anstelle des Schaltleistenprofils kann im Rahmen der Erfindung auch allgemein ein kapazitiver Sensor mit wenigstens zwei leitfähigen Elementen vorgesehen sein, beispielsweise ein Flächensensor.
Das Schaltleistensystem weist eine Steuerschaltung mit einem Ansteuerabschnitt 18 und einer Auswerteelektronik 20 auf. Die Auswerteelektronik 20 ist in dem Prinzipschaltbild der 1 lediglich in Form eines einzigen Operationsverstärkers 22 dargestellt, kann aber selbstverständlich mehrere Verstärker, Mikrocontroller oder dergleichen aufweisen, solange sie in der Lage ist, eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Leiter 14 und dem zweiten Leiter 16 auszuwerten.
Der Ansteuerabschnitt 18 weist eine Brückenschaltung 24 mit vier Impedanzen Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ auf. Ein Brückenzweig ist zwischen den Punkten P₁ und P₂ definiert und der in Erfassungsrichtung 12 hintere Leiter 14 des Schaltleistenprofils 10 ist mit dem ersten Ende P₁ des Brückenzweiges verbunden und der in Erfassungsrichtung 12 vordere Leiter 16 des Schaltleistenprofils 10 ist mit dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges verbunden. Mit dem ersten Ende P₁ des Brückenzweiges verbunden sind die beiden Impedanzen Z₂ und Z₃. Z₃ verbindet das erste Ende P₁ mit Masse. Z₂ verbindet das erste Ende P₁ des Brückenzweiges mit einem Schwingkreis 26.
Das zweite Ende P₂ des Brückenzweiges ist mit den Impedanzen Z₄ und Z₅ verbunden. Z₅ verbindet das zweite Ende P₂ des Brückenzweiges mit Masse. Z₄ verbindet das zweite Ende P₂ des Brückenzweiges mit dem Schwingkreis 26.
Der Schwingkreis 26 weist eine erste Impedanz Z₀ und eine zweite Impedanz Z₁ auf. Die Impedanzen Z₂ und Z₄ sind mit einem Punkt zwischen den beiden Impedanz Z₀ und Z₁ verbunden. Z₁ ist andererseits mit Masse verbunden. Die Darstellung des Schwingkreises 26 ist lediglich schematisch, der Schwingkreis 26 wird so angeregt, dass sich an dem Punkt zwischen den Impedanzen Z₀ und Z₁ ein Sinussignal ausbildet.
Die Summe der Impedanzen Z₀ und Z₁, die die Impedanz des Schwingkreises 26 bilden, ist dabei kleiner als die Summe der zweiten Impedanz Z₂ und der dritten Impedanz Z₃. Die Summe der Impedanzen Z₂ und Z₃ ist wiederum kleiner als die Summe der vierten Impedanz Z₄ und der fünften Impedanz Z₅.
Die Impedanzen Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ werden so gewählt, dass an dem hinteren Leiter 14 und dem vorderen Leiter 16 jeweils ein gewünschter Spannungspegel anliegt. Im Betrieb des Schaltleistensystems liegt somit an beiden Leitern 14, 16 ein Sinussignal an, wobei die Spannungsamplituden und die Spannungspegel dieser Sinussignale unterschiedlich sein können, je nach dem vorgesehenen Anwendungszweck aber auch gleich sein können.
Die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 22 bzw. allgemein die beiden Eingänge der Auswerteelektronik 20 sind mit dem ersten Ende P₁ des Brückenzweiges bzw. dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges und somit auch mit den oder dem hinteren Leiter 14 bzw. den oder dem vorderen Leiter 16 verbunden. Der Operationsverstärker 22 bzw. die Auswerteelektronik 20 wertet somit eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ des Brückenzweiges und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges und, damit gleichbedeutend, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern 14, 16 aus.
Im Ruhezustand, also dann, wenn sich in Erfassungsrichtung 12 gesehen kein Hindernis vor dem Schaltleistenprofil 10 befindet, erkennt die Auswerteelektronik 20 eine konstante Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern 14, 16. Nähert sich nun ein Hindernis an das Schaltleistenprofil 10 an, so verändern sich die Kapazitäten zwischen dem hinteren Leiter 14 und Masse sowie zwischen dem vorderen Leiter 16 und Masse. Dies deshalb, da ein Hindernis, beispielsweise eine menschliche Hand, eine Kapazität zwischen sich und jedem der beiden Leiter 14, 16 bildet und darüber hinaus auch eine Kapazität zwischen sich und Masse ausbildet. Die Annäherung eines Hindernisses wird somit auch das Signal auf den beiden Leitern 14, 16 verändern. Da die Summe der Kapazitäten Z₂ und Z₃ von der Summe der Kapazitäten Z₄ und Z₅ verschieden ist, wird die Annäherung eines Hindernisses das Signal auf dem hinteren Leiter 14 anders beeinflussen als das Signal auf dem vorderen Leiter 16. Zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges wird sich somit eine Spannungsdifferenz ausbilden, die mittels der Auswerteelektronik 20 erfasst und dahingehend ausgewertet werden kann, dass bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts ein Hindernis detektiert wird. Infolge der Detektion eines Hindernisses kann dann beispielsweise der Antrieb einer elektrisch angetriebenen Heckklappe gestoppt oder reversiert werden.
Anhand der Darstellung der 1 wird deutlich, dass die Annäherung eines Hindernisses sowohl das Signal auf dem hinteren Leiter 14 als auch das Signal auf dem vorderen Leiter 16 beeinflusst. Die Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem hinteren Leiter 14 und dem vorderen Leiter 16 bzw. zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges hat somit den prinzipiellen Nachteil, dass die Annäherung eines Hindernisses teilweise kompensiert wird. Überraschenderweise hat die Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges aber den erheblichen Vorteil, dass auch Störeinflüsse auf den beiden Leitern 14, 16 selbsttätig kompensiert werden. Liegt die Schaltleiste 10 beispielsweise im Feld einer elektromagnetischen Strahlung, so werden hierdurch beide Leiter 14, 16 beeinflusst und somit wird auch das Signal auf beiden Leitern 14, 16 den Einfluss dieser elektromagnetischen Störung wiederspiegeln. Bei der Bildung der Differenz zwischen den Spannungen auf den beiden Leitern 14, 16 wird diese elektromagnetische Störung aber automatisch eliminiert. Dies gilt beispielsweise auch bei einer Störung durch Temperatureinfluss, beispielsweise wenn die Schaltleiste 10 ihre Temperatur verändert. Dadurch ändern sich auch zwangsläufig die Widerstände der Leiter 14, 16 und gegebenenfalls auch eine Kapazität zwischen den beiden Leitern 14, 16 sowie gegebenenfalls auch eine Kapazität der beiden Leiter 14, 16 zur Masse. Auch in einem solchen Fall werden aber die Signale auf beiden Leitern 14, 16 beeinflusst, so dass durch die Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges diese Störeinflüsse eliminiert werden. Der prinzipbedingte Nachteil bei der Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen beiden Leitern 14, 16 wird also durch den erheblichen Vorteil einer sehr geringen Empfindlichkeit gegenüber Störungen mehr als kompensiert.
Die Darstellung der 2 dient zur Verdeutlichung des Messprinzips mit dem erfindungsgemäßen Schaltleistensystem, wobei die Messschaltung selbst der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet ist. Die beiden Leiter 14, 16 des Schaltleistenprofils 10 bilden jeweils eine Kapazität gegen Masse. Eine Kapazität zwischen dem in Erfassungsrichtung 12 gesehen hinteren Leiter 14 ist mit Z₃₁ bezeichnet, eine Kapazität zwischen dem in Erfassungsrichtung 12 vorderen Leiter 16 und Masse ist mit Z₅₁ bezeichnet. Eine Hand 30 bildet ein mittels des Schaltleistensystems zu detektierendes Hindernis. Die Hand 30 hat zur Masse eine Kapazität Z₆₂, die den menschlichen Körper mit seiner Ableitung gegen Masse repräsentiert. Die Hand 30 bildet mit dem in Erfassungsrichtung 12 vorderen Leiter 16 eine Kapazität Z₆₀ aus und mit dem in Erfassungsrichtung 12 hinteren Leiter 14 eine Kapazität Z₆₁. Durch die Hand 30 werden somit die Spannungssignale auf beiden Leitern 14, 16 beeinflusst. Durch das Vorhandensein der Hand 30 verändern sich somit die Spannungen am ersten Ende P₁ des Brückenzweiges und am zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges in die gleiche Richtung, jedoch unterschiedlich stark, da, wie erläutert wurde, die Impedanzen Z₂ und Z₃ im Vergleich zu Z₄ und Z₅ verschieden sind. Dadurch ergibt sich eine Spannungsdifferenz, die dann ausgewertet werden kann. Als vorteilhaft hat sich eine Bemessung der Impedanzen Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅, siehe 1, in der Weise ergeben, dass das Verhältnis
gleich dem Verhältnis der Summe der Impedanzen im ersten bzw. zweiten Brückenzweiges ist, also
Das Ziel ist dabei, dass nach Möglichkeit an den Eingängen des Operationsverstärkers 22 keine Phasenverschiebung der Eingangssignale auftritt.
Die Darstellung der 3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Erläutert werden lediglich die zur Ausführungsform der 1 unterschiedlichen Merkmale.
Bei der Ausführungsform der 3 ist ein Schwingkreis in die Brückenschaltung 24 integriert. Der Schwingkreis wird durch die Impedanzen Z₀, Z₁₂ und Z₁₃ gebildet. Das erste Ende P₁ des Brückenzweiges liegt zwischen den Impedanzen Z₁₂ und Z₁₃. Die Impedanz Z₄ ist mit einem Punkt zwischen den Impedanzen Z₀ und Z₁₂ verbunden. Durch die Integration des Schwingkreises in den Zweig der Brückenschaltung, der mit dem ersten Ende P₁ des Brückenzweiges verbunden ist, kann diese Seite der Brückenschaltung niederimpedanter gestaltet werden. Die Impedanz Z₁₃ kann im Verhältnis zur Impedanz Z₃ gemäß 1 somit kleiner gewählt werden.
Bei Annäherung eines Hindernisses liegt, siehe 2, die Impedanz Z₁₃ parallel zur Kapazität Z₃₁, da sowohl die Impedanz Z₁₃ als auch die Kapazität Z₃₁ den in Erfassungsrichtung hinten liegenden Leiter 14 bzw. das erste Ende P₁ des Brückenzweiges mit Masse verbinden. Gegenüber der Ausführungsform der 1 wird dadurch aber die Impedanz, die durch die Parallelschaltung der Impedanzen Z₁₃ und Z₃₁ gebildet ist, im Verhältnis zu der Summe der Impedanzen Z₆₁ und Z₆₂, siehe 2, kleiner. Die Impedanzen Z₆₁ und Z₆₂ stellen die Kapazität der Hand 30 zum hinteren Leiter 14 bzw. zwischen der Hand 30 und Masse dar. Dadurch reagiert das Schaltleistensystem empfindlicher auf die Annäherung einer Hand 30 und die Reichweite kann optimiert werden.
Die Darstellung der 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems. Das Schaltleistensystem der 4 weist ein erstes Schaltleistenprofil 10 und ein zweites Schaltleistenprofil 10‘ auf. Weitere Schaltleistungsprofile können in gleicher Weise angeschlossen sein. Jedem Schaltleistenprofil 10, 10‘ ist eine Auswerteelektronik 20 bzw. 20‘ zugeordnet. Jedem Schaltleistenprofil 10, 10‘ ist auch eine Brückenschaltung 24 bzw. 24‘ zugeordnet. Der Schwingkreis 26 speist das erzeugte Sinussignal sowohl in die Brückenschaltung 24 und damit in die Leiter des Schaltleistenprofils 10 als auch in die Brückenschaltung 24‘ und damit in die Leiter des Schaltleistenprofils 10‘ ein. Auf diese Weise können zwei oder mehr Schaltleistenprofile 10, 10‘ mit demselben Sinussignal angesteuert werden. Beispielsweise können Schaltleisten auf verschiedenen Seiten einer motorisch angetriebenen Heckklappe auf diese Weise angesteuert und ausgewertet werden.
Die Darstellung der 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems. Auch bei dieser Ausführungsform sind zwei oder mehr Schaltleisten 10, 10‘ oder mehrere Sensoren vorgesehen und jeder dieser Schaltleisten 10, 10‘ oder Sensoren ist einer Auswerteelektronik 20 bzw. 20‘ zugeordnet. Wie bei der anhand der 3 erläuterten Ausführungsform ist der Schwingkreis in die Seite der Brückenschaltung integriert, die mit dem ersten Ende P₁ bzw. P₁‘ des Brückenzweiges verbunden ist. Beispielsweise können zwei Schaltleisten 10, 10‘ mit einem oder mehreren kapazitiven Flächensensoren kombiniert werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltleistensystems, wobei im Vergleich zu dem Schaltleistensystem der 1 lediglich eine einstellbare Impedanz Z_V vorgesehen ist. Die einstellbare Impedanz Z_V ist im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 22 vorgesehen. Mit der einstellbaren Impedanz Z_V lässt sich die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leiter 14, 16 bzw. die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges auf einen gewünschten Wert einstellen. Dadurch lassen sich beispielsweise geringfügig unterschiedliche Einbauverhältnisse bei der Serienproduktion kompensieren, und an dem Operationsverstärker 22 bzw. an der Auswerteelektronik liegt im Ruhezustand, also ohne Vorhandensein eines Hindernisses, immer die gleiche Spannungsdifferenz an. Die einstellbare Impedanz Z_V wird vorteilhafterweise unmittelbar nach dem Einbau des Schaltleistenprofils 10 eingestellt und das Schaltleistensystem dadurch abgeglichen. Dies kann beispielsweise während der Produktion am Fließband geschehen, beispielsweise dann, wenn das Schaltleistenprofil 10 im Bereich der Heckklappe eines Kraftfahrzeugs angebracht wurde.
Die Darstellung der 7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Schaltleistensystem, wobei im Unterschied zu der Darstellung der 6 die einstellbare Impedanz Z_V nun parallel zur Impedanz Z₂ vorgesehen wurde, die das erste Ende P₁ des Brückenzweiges mit dem Punkt zwischen den Impedanzen Z₀ und Z₁ verbindet. Auch eine solche Anordnung der einstellbaren Impedanz Z_V erlaubt einen insbesondere automatischen Abgleich der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges.
Die Darstellung der 8 zeigt das Schaltleistensystem der 1, wobei gestrichelt unterschiedliche mögliche Positionen der einstellbaren Impedanz Z_V eingetragen sind. Jede dieser gestrichelt eingetragenen Positionen der einstellbaren Impedanz Z_V kann alleine gewählt werden, es sind aber auch zwei oder mehr einstellbare Impedanzen Z_V an den dargestellten Positionen möglich, um einen automatischen Abgleich der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende P₁ und dem zweiten Ende P₂ des Brückenzweiges vorzusehen.
Die Darstellung der 9 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorsystem, wobei zwischen den Operationsverstärker 22 und den beiden Leitern 14, 16 der Schaltleiste 10 eine weitere Impedanz Z_E vorgesehen ist, die die beiden Leiter 14, 16 der Schaltleiste 10 miteinander verbindet. Die Impedanz Z_E ist als Induktivität ausgebildet und zweckmäßigerweise an einem Ende der Schaltleiste 10 vorgesehen. Mittels der Impedanz Z_E kann die Schaltung sehr schmalbandig gemacht werden, wodurch im Bereich der Resonanzfrequenz eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Zusätzlich kann die Impedanz Z_E zur Diagnose der Schaltleiste 10 verwendet werden, also zur Überprüfung, ob die Leiter 16 der Schaltleiste 10 unterbrochen oder auch kurz geschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8334623 B2 [0002, 0007]
US 6750624 [0003]

Claims

Sensorsystem zur kapazitiven Erfassung von Hindernissen, mit einem kapazitiven Sensor mit wenigstens zwei leitfähigen Elementen (14, 16) und einer mit den Leitern (14, 16) verbundenen Steuerschaltung (18), wobei die Steuerschaltung (18) eine Brückenschaltung (24) aufweist, wobei ein erstes Ende (P₁) des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung (12) hinteren leitfähigen Element (14) des Sensors (10) und ein zweites Ende (P₂) des Brückenzweiges mit einem in Erfassungsrichtung (12) vorderen leitfähigen Element (14) des Sensors (10) verbunden ist, wobei mittels eines Ansteuerabschnitts der Steuerschaltung (18) ein Ansteuersignal erzeugt wird und wobei die Summe der Impedanzen (Z₂, Z₃) der Brückenschaltung (24), die mit dem ersten Ende (P₁) des Brückenzweiges verbunden sind, kleiner ist als die Summe der Impedanzen (Z₄, Z₅) der Brückenschaltung (24), die mit dem zweiten Ende (P₂) des Brückenzweiges verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal in beide leitfähigen Elemente (14, 16) eingespeist wird und dass eine Auswerteelektronik (20) zum Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende (P1) und dem zweiten Ende (P2) des Brückenzweiges vorgesehen ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden leitfähigen Elemente als in Längsrichtung eines Schaltleistenprofils (10) durchgehende Leiter (14, 16) oder als flächige Elektroden oder Gitterelektroden eines kapazitiven Flächensensors ausgebildet sind.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerabschnitt eine erste Impedanz aufweist, wobei das erste Ende (P1) des Brückenzweiges zwischen einer zweiten und einer dritten Impedanz (Z2, Z3) angeordnet ist und das zweite Ende (P2) des Brückenzweiges zwischen einer vierten und fünften Impedanz (Z4, Z5) angeordnet ist, wobei die erste Impedanz kleiner ist als die Summe der zweiten und dritten Impedanz (Z2, Z3) und die Summe der zweiten und dritten Impedanz (Z2, Z3) kleiner ist als die Summe der vierten und fünften Impedanz (Z4, Z5).
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu wenigstens einer der Impedanzen (Z2, Z3, Z4, Z5) der Brückenschaltung eine einstellbare Impedanz (Zv) vorgesehen ist, um über eine Veränderung der einstellbaren Impedanz (Zv) einen Abgleich der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende (P1) und dem zweiten Ende des Brückenzweiges zu bewirken.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (20) eine einstellbare Impedanz (Zv) aufweist, um einen Abgleich des Ausgangssignals der Auswerteelektronik (20) zu bewirken.
Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare Impedanz (Zv) im Rückkopplungszweig eines Verstärkers (22) der Auswerteelektronik (20) vorgesehen ist.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungspegel des Ansteuersignals das Zweifache bis 15fache, insbesondere das zehnfache, der Versorgungsspannung der Auswerteelektronik (20) beträgt.
Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal als Sinussignal ausgebildet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinussignal einen Spannungshub zwischen 20 Volt und 40 Volt, insbesondere 30 Volt, aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung einen Schwingkreis (26) aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Impedanzen (Z0, Z1) des Schwingkreises kleiner ist als die Summe der Impedanzen (Z2, Z3) der Brückenschaltung (24), die mit dem ersten Ende (P1) des Brückenzweiges verbunden sind.
Sensorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis teilweise durch die Impedanzen (Z12, Z13) der Brückenschaltung (24), die mit dem ersten Ende (P1) des Brückenzweiges verbunden sind, gebildet ist.
Verfahren zum kapazitiven Erfassen von Hindernissen mit einem Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Auswerten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ende (P1) und dem zweiten Ende (P2) des Brückenzweiges.