DE19837526A1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor (1) mit mindestens einer Sensorkondensatorplatte (2, 3) und einer mindestens eine nicht geerdete Sensorkondensatorplatte (2, 3) ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung (4), wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (4) mindestens ein eine Beeinflussung der nicht geerdeten Sensorkondensatorplatte (2, 3) wiedergebendes Ausgangssignal liefert. Die Montage eines bekannten kapazitiven Sensors wird erfindungsgemäß dadurch deutlich erleichtert, daß zur Ansteuerung der Sensorkondensatorplatte (3) zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung (4) und der Sensorkondensatorplatte (3) mindestens eine Koppelkapazität (6) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Sensorkondensatorplatte und einer mindestens eine nicht geerdete Sensorkondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der nicht geerdeten Sensorkondensatorplatte wiedergebendes Ausgangssignal liefert.

Kapazitive Sensoren, teilweise auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen zur Detektion von Gegenständen oder Personen eingesetzt. Besonders im Bereich der Automatisierungstechnik werden heute kapazitive Sensoren in großer Vielzahl eingesetzt. Auch der Einsatz kapazitiver Sensoren zur Detektion von Personen in besonderen Anwendungsfällen ist an sich bekannt. Kapazitive Sensoren sind prinzipiell so aufgebaut, daß sie zumindest eine nicht geerdete Sensorkondensatorplatte aufweisen, die von einer Steuer- und Auswerteschaltung angesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist der Begriff Sensorkondensatorplatte so zu verstehen, daß es sich bei dem so bezeichneten Bauteil um einen leitfähigen Gegenstand beliebiger Form handelt. Kapazitive Sensoren sind insbesondere nicht darauf beschränkt, daß das Bauteil der Sensorkondensatorplatte dem Wortsinne nach als Platte, also als ebenes Bauteil geringer Dicke, ausgebildet ist. Für das als Sensorkondensatorplatte bezeichnete Bauteil kommt nahezu jede, an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßte räumliche Gestaltung in Frage. Bei einem kapazitiven Sensor weist nun diese nicht geerdete Sensorkondensatorplatte eine veränderliche Kapazität gegenüber weiteren in der Umgebung vorhandenen Gegenständen, insbesondere, der Einfachheit halber ebenfalls als Sensorkondensatorplatten bezeichnet, geerdeten, leitfähigen Gegenständen, auf. Teilweise ist bei kapazitiven Sensoren eine Verbindung zum Erdpotential hergestellt, so daß eine leitende Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor und in der Umgebung angeordneten geerdeten Sensorkondensatorplatten besteht. Alternativ sind kapazitive Sensoren auch derart ausgestaltet, daß eine zweite Sensorkondensatorplatte, geerdet oder nicht geerdet, direkt mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbunden ist. Insgesamt ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, einen funktionsfähigen kapazitiven Sensor aufzubauen, die zusammengefaßt den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bilden.

Kapazitive Sensoren basieren nun darauf, daß das zu erkennende Objekt eine Kapazitätsveränderung der Sensorkondensatorplatten verursacht, wobei als Sensorkondensatorplatten regelmäßig Metallplatten verwendet werden. Zur Detektion dieser Kapazitätsänderung ist es notwendig, daß zumindest eine nicht geerdete Sensorkondensatorplatte von der Steuer- und Auswerteschaltung angesteuert wird. Hierzu ist im Stand der Technik stets eine leitende Verbindung zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und der Sensorkondensatorplatte vorgesehen, wobei der Kontakt an der Sensorkondensatorplatte üblicherweise durch Löten, Quetschen oder ähnliche Techniken hergestellt wird.

Diese bekannten Techniken zur Kontaktierung der Sensorkondensatorplatten stellen sich dann als problematisch heraus, wenn die als Sensorkondensatorplatten vorgesehenen Metallplatten, die bereits vor der Installation eines kapazitiven Sensors aus anderen Gründen vorhanden sein können, elektrisch nicht zugänglich sind, weil sie z. B. wassergeschützt oder unter einem Teppich montiert sind. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn ein bekannter kapazitiver Sensor zur Detektion von Personen eingesetzt wird, wie dies beispielsweise in der DE 198 03 641 A1 beschrieben ist. Auch ist bei den bekannten kapazitiven Sensoren problematisch, daß separate Steckverbindungen oder ähnliches nötig sind, um zusätzliche Sensorkondensatorplatten an einen kapazitiven Sensor zu koppeln, der bereits über eingebaute Sensorkondensatorplatten verfügt.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen bekannten kapazitiven Sensor derart auszugestalten und weiterzubilden, daß gewährleistet ist, daß die Ansteuerung einer Sensorkondensatorplatte durch die Steuer- und Auswerteschaltung auch bei einer fehlenden oder nicht gewünschten unmittelbaren Zugänglichkeit der Sensorkondensatorplatte ohne weiteres möglich ist.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ansteuerung einer Sensorkondensatorplatte zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und der Sensorkondensatorplatte mindestens eine Koppelkapazität vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt vorteilhaft auch eine Konstruktion von kapazitiven Sensoren, bei denen die Kontaktierung mit externen Metallplatten nicht (nur) auf der Herstellung eines unmittelbaren elektrischen Kontakts beruht, sondern zumindest teilweise darauf, daß eine kapazitive Kopplung zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und einer oder mehreren Sensorkondensatorplatten hergestellt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der kapazitive Sensor beispielsweise lediglich auf die Metallfläche einer Sensorkondensatorplatte aufgeschraubt wird und wegen einer Verschmutzung oder aufgrund der Materialeigenschaften, beispielsweise bildet Aluminium auf seiner Oberfläche eine nicht leitfähige Aluminiumoxidschicht, keine sichere elektrische Kontaktierung garantiert werden kann. Die Erfindung erlaubt in solchen Fällen eine viel einfachere Konstruktion der Kontaktfläche, weil ein galvanischer Kontakt erlaubt, aber nicht mehr notwendig ist.

Die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre ermöglicht es beispielsweise, eine preiswerte Halterung für kapazitive Sensoren herzustellen, die z. B. an Fußböden, Regalen oder Plakatwänden vorgesehen wird, und aus der der kapazitive Sensor über erfindungsgemäße Koppelkapazitäten externe Sensorkondensatorplatten ansteuert, wenn der kapazitive Sensor in die Halterung gebracht wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den eigentlichen kapazitiven Sensor mit der Steuer- und Auswerteschaltung nur bei Bedarf in der Halterung anzuordnen. Selbstverständlich kann jedoch der kapazitive Sensor auch dauerhaft in der Halterung belassen werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die nur zeitweise Anbringung des kapazitiven Sensors in der Halterung, da etwa Hersteller von Fußböden, Ladeneinrichtungen, Regalen, Wühltischen oder Plakatwänden standardmäßig billige Sensorkondensatorplatten in Form von Aluminium oder Kupferfolien oder anderen Metallteilen an den für die kapazitive Erkennung von Personen günstigen Stellen vorsehen können und zusätzlich lediglich eine möglichst einheitliche Halterung für einen kapazitiven Sensor vorgesehen wird. Die vorliegende Erfindung erlaubt dann eine besonders preiswerte und einfache Konstruktion einer solchen Sensorhalterung, weil sie denkbar geringe und fehlertolerante Ansprüche an die Verbindung zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung des kapazitiven Sensors und den externen Sensorkondensatorplatten stellt. Durch diese standardmäßige Anordnung von Halterungen an verschiedenen für eine spätere Auswertung interessanten Orten ist es beispielsweise möglich, daß in einem Warenhaus insgesamt zehn kapazitive Sensoren, bzw. deren Zentraleinheit, vorhanden sind, die je nach Bedarf über mechanisch einheitlich gestaltete Halterungen für bestimmte Zeiträume an den Wühltischen, Plakatwänden usw. befestigt werden können.

Die Größe der Koppelkapazität ist bei einem erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor konstruktiv, durch Wahl der Koppelfläche und des Dielektrikums, so zu wählen, daß diese in Reihe zur Sensorkapazität liegenden Koppelkapazitäten das Meßergebnis nicht störend beeinflussen.

Eine erste Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße kapazitive Sensor dadurch, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient. Diese Ausgestaltung gewährleistet entweder die Verwendung des kapazitiven Sensors ohne externe Sensorkondensatorplatten oder die Verwendung des kapazitiven Sensors einerseits mit interner Sensorkondensatorplatte und andererseits mit gleichzeitig aktiven externen Sensorkondensatorplatten. Somit ist u. a. ein besonders einfaches Nachrüsten eines kapazitiven Sensors mit weiteren Sensorkondensatorplatten zusätzlich zu den bereits eingebauten Sensorkondensatorplatten möglich.

Eine weitere Möglichkeit zur Vervielfältigung der Sensorkondensatorplatten besteht darin, daß zur Ansteuerung mehrerer Sensorkondensatorplatten zwischen jeweils zwei Sensorkondensatorplatten mindestens eine Koppelkapazität vorgesehen ist. Beispielsweise ist eine erste Koppelkapazität zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und einer ersten Sensorkondensatorplatte vorgesehen und eine zweite Koppelkapazität zwischen der ersten Sensorkondensatorplatte und einer zweiten, dritten usw. Sensorkondensatorplatte vorgesehen.

Eine weitere, auch unabhängig realisierbare Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre erfährt ein bekannter kapazitiver Sensor dadurch, daß zur Übertragung des Ausgangssignals zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und einer zentralen Verarbeitungseinheit eine Koppelkapazität vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht, auch unabhängig von der Ansteuerung der Sensorkondensatorplatte durch die Steuer- und Auswerteschaltung über eine Koppelkapazität, die Übertragung des Ausgangssignals bzw. der in der Steuer- und Auswerteschaltung gespeicherten Informationen über die Beeinflussungen der Sensorkondensatorplatte ohne die Notwendigkeit der Herstellung einer galvanischen Verbindung zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und einer zentralen Verarbeitungseinheit. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Anwendung des kapazitiven Sensors in der Steuer- und Auswerteschaltung zu speichernde Zählungen erfordert oder eine Aufzeichnung von Ereignissen im kapazitiven Sensor notwendig macht und der kapazitive Sensor leicht montier- und demontierbar ausgestaltet ist, da in diesen Fällen dann eine Übertragung vom oder zum kapazitiven Sensor nach Demontage des kapazitiven Sensors möglich ist, ohne daß eine galvanische Verbindung, etwa über eine Klemme, zwischen einer zentralen Verarbeitungseinheit und dem kapazitiven Sensor erforderlich ist, was die Handhabbarkeit und Zuverlässigkeit erheblich erhöht.

Die soeben beschriebene Ausgestaltung erfährt eine weitere Verbesserung dadurch, daß die mit der zentralen Verarbeitungseinheit unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient. Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß eine mit einer zentralen Verarbeitungseinheit verbundene Kondensatorplatte einerseits im Meßbetrieb des kapazitiven Sensors als Sensorkondensatorplatte arbeiten kann und andererseits in Meßpausen, z. B. bei gepulstem Betrieb oder bei der Übertragung von aufgezeichneten Zählungen über Nacht, als Koppelkondensatorplatte zur Übertragung an die zentrale Verarbeitungseinheit dient.

Alternativ oder kumulativ zur soeben beschriebenen Maßnahme wird der erfindungsgemäße kapazitive Sensor dadurch weitergebildet, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient. Diese Ausgestaltung erlaubt es beispielsweise, einen kapazitiven Sensor so zu gestalten, daß dieser lediglich eine Kondensatorplatte aufweist, die je nach Anwendung als einzige Sensorkondensatorplatte, als Sensorkondensatorplatte bei gleichzeitiger Ankoppelung weiterer externer Sensorkondensatorplatten und als Koppelkondensatorplatte zur Übertragung von Informationen dient.

Um zu gewährleisten, daß keine galvanische Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor und seiner Umgebung notwendig ist, ist es vorteilhaft, daß zur Energieversorgung mindestens eine Batterie und/oder mindestens eine Solarzelle vorgesehen ist. Bei einer solchen Batterie kann es sich sowohl um eine einmalig verwendbare als auch um eine wieder aufladbare Batterie handeln. Die Anordnung einer Batterie zur Energieversorgung im kapazitiven Sensor ermöglicht die Herstellung eines völlig gekapselten, z. B. wasserdichten, kapazitiven Sensors.

Alternativ oder kumulativ zur Anordnung einer Batterie ist es vorteilhaft, einen kapazitiven Sensor dadurch auszugestalten, daß zur Energieversorgung der Steuer- und Auswerteschaltung eine Koppelkapazität und/oder eine Koppelinduktivität vorgesehen ist. Auch in bezug auf diese Lehre gilt wiederum, daß diese auch unabhängig von der eigentlichen erfindungsgemäßen Lehre zu verwirklichen ist. Bei dieser Ausgestaltung ist es einerseits denkbar, daß über eine entsprechende Koppelkapazität und/oder eine Koppelinduktivität ständig Energie zugeführt wird, oder daß über den Koppelkondensator eine wieder aufladbare Batterie innerhalb des kapazitiven Sensors periodisch aufgeladen wird.

Auch diese unabhängig realisierbare Ausgestaltung des kapazitiven Sensors erfährt eine vorteilhafte Weiterbildung dadurch, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbundene Kondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung einer einzigen Kondensatorplatte innerhalb des kapazitiven Sensors, die als Sensorkondensatorplatte zur Detektion von Objekten, als Koppelkondensatorplatte zur Übertragung von Informationen und als Koppelkondensatorplatte zur Übertragung von Energie dient. Diese Ausgestaltung bietet je nach Anwendung erhebliche anwendungstechnische Vorteile.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten kapazitiven Sensors.

Das in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors 1 weist zwei interne Sensorkondensatorplatten 2, zwei externe Sensorkondensatorplatten 3 und eine die nicht geerdeten internen und externen Sensorkondensatorplatten 2, 3 ansteuernde Steuer- und Auswerteschaltung 4 auf. Die Steuer- und Auswerteschaltung stellt an einem Ausgang 5 ein eine Beeinflussung der Sensorkondensatorplatten 2, 3 wiedergebendes Ausgangssignal zur Verfügung. Dieses Ausgangssignal kann entweder zeitsynchron mit der Beeinflussung ausgegeben werden oder in Form eines Berichtes über die detektierten Ereignisse periodisch erzeugt werden. Die interne Sensorkondensatorplatten 2 sind mit der Steuer- und Auswerteschaltung 4 unmittelbar, d. h. galvanisch leitend, verbunden.

Erfindungsgemäß ist zur Ansteuerung der externen Sensorkondensatorplatten 3 zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung 4 und den externen Kondensatorplatten 3 jeweils eine Koppelkapazität 6 vorgesehen.

Bei dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel dienen ersichtlich die mit der Steuer- und Auswerteschaltung 4 unmittelbar-verbundenen Koppelkondensatorplatten ebenfalls als interne Sensorkondensatorplatten 2. Parallel zur Anordnung der Koppelkapazitäten 6 zwischen den internen Sensorkondensatorplatten 2 und den externen Sensorkondensatorplatten 3 ist zwischen den externen Sensorkondensatorplatten 3 eine zweite Koppelkapazität 7 vorgesehen, so daß eine der Koppelkapazitäten 6 zwischen den internen Sensorkondensatorplatten 2 und den externen Sensorkondensatorplatten 3 entfallen könnte, ohne daß die Funktion der betroffenen externen Sensorkondensatorplatte 3 beeinträchtigt würde.

Claims (9)

1. Kapazitiver Sensor (1) mit mindestens einer Sensorkondensatorplatte (2, 3) und einer mindestens eine nicht geerdete Sensorkondensatorplatte (2, 3) ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung (4), wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (4) mindestens ein eine Beeinflussung der nicht geerdeten Sensorkondensatorplatte (2, 3) wiedergebendes Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung einer Sensorkondensatorplatte (3) zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung (4) und der Sensorkondensatorplatte (3) mindestens eine Koppelkapazität (6) vorgesehen ist.

2. Kapazitiver Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung (4) unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte (2) dient.

3. Kapazitiver Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung mehrerer Sensorkondensatorplatten (3) zwischen jeweils zwei Sensorkondensatorplatten (3) mindestens eine Koppelkapazität (7) vorgesehen ist.

4. Kapazitiver Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Ausgangssignals zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung (4) und einer zentralen Verarbeitungseinheit eine Koppelkapazität vorgesehen ist.

5. Kapazitiver Sensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der zentralen Verarbeitungseinheit unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient.

6. Kapazitiver Sensor (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung (4) unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient.

7. Kapazitiver Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung mindestens eine Batterie und/oder mindestens eine Solarzelle vorgesehen ist.

8. Kapazitiver Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung der Steuer- und Auswerteschaltung (4) eine Koppelkapazität und/oder eine Koppelinduktivität vorgesehen ist.

9. Kapazitiver Sensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Steuer- und Auswerteschaltung (4) unmittelbar verbundene Koppelkondensatorplatte ebenfalls als Sensorkondensatorplatte dient.