WO2014000891A2 - Kapazitiver sensor für eine kollisionsschutzvorrichtung - Google Patents

Kapazitiver sensor für eine kollisionsschutzvorrichtung Download PDF

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WO2014000891A2 PCT/EP2013/001903 EP2013001903W WO2014000891A2 WO 2014000891 A2 WO2014000891 A2 WO 2014000891A2 EP 2013001903 W EP2013001903 W EP 2013001903W WO 2014000891 A2 WO2014000891 A2 WO 2014000891A2
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Holger WÜRSTLEIN
Detlef Russ
Ralf Daiminger
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co.
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    • 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 collision protection device which is also referred to as anti-pinch device in this application, serves to avoid such a trapping case and the resulting risk of personal injury.
  • a sinusoidal electrical alternating signal is usually used, which oscillates at a predetermined transmission frequency.
  • the generation of such a sinusoidal signal requires a comparatively complicated circuit technique.
  • a square-wave pulse signal is sometimes used as the transmission signal, which can be generated much less expensively by a simple switching element.
  • such a rectangular pulse signal disadvantageously complies with a high harmonic content and is thus critical with respect to the electromagnetic compatibility (EMC) of the sensor.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the invention has for its object to provide an electromagnetically acceptable, but at the same time particularly simple capacitive sensor and a collision protection device with such a sensor.
  • the sensor according to the invention comprises an electrode arrangement which comprises at least one sensor electrode.
  • the sensor further comprises a signal generating circuit, which is connected upstream of the at least one sensor electrode and which serves to generate a transmission signal for this sensor electrode (s).
  • the signal generation circuit generates the transmission signal as a pulse signal having a trapezoidal or triangular time pulse shape.
  • a waveform is referred to as a trapezoidal pulse shape in which the signal strength in each pulse rises (or decreases) from at least approximately linear with time to a maximum (or minimum) signal value a given plateau time remains at least approximately constant, and only then again at least approximately linearly decreasing (or increasing) with time to a minimum (or maximum) signal level.
  • the invention can basically be applied to capacitive sensors operating on the one-electrode principle, which sense the capacitance of their sensor electrode (s) to ground.
  • the sensor is a capacitive sensor which operates according to the transmitter-receiver principle.
  • the electrode arrangement preferably comprises at least one transmitting electrode and at least one receiving electrode as sensor electrodes.
  • the signal generating circuit is connected upstream of the at least one transmitting electrode.
  • the signal generation circuit generates the transmission signal in particular as a result of pulses whose edge rise time and / or flank descent time correspond to at least 1%, preferably at least 5%, in particular at least 10% of the total period duration.
  • the period duration corresponds to the time that elapses between the start (or end) of a pulse and the beginning (or end) of the next pulse.
  • the period duration thus includes the (temporal) pulse length as well as an optional interpulse time formed between two pulses.
  • the signal generating circuit is essentially formed by a switching element and a downstream amplifier circuit. In this case, the switching element serves to generate a rectangular pulse signal which is converted by the amplifier circuit into the - triangular or trapezoidal - transmission signal.
  • the amplifier circuit is limited in this case according to the desired pulse shape of the transmission signal, thus has a correspondingly low slew rate.
  • the amplifier circuit is designed as an integrator.
  • an electrical field F (merely indicated) is generated in an opening region of the adjusting element by application of an alternating electrical voltage to the or each transmitting electrode 5, while via the receiving electrode 6 the (electrical) capacitance of the field emitting transmitting electrode 5 and the Receiving electrode 6 formed capacitor is detected.
  • the senor 2 includes a signal generating circuit 7, a receiving circuit 8, and a capacitance measuring element 9.
  • the received signal SR is phase-synchronized with the transmission signal SE, thus having defined pulse edges between a high signal level and a low signal level, which coincide with the pulse edges of the transmission signal SE in time.
  • the signal amplitude of the reception signal SR additionally varies depending on the capacitance to be measured.
  • the received signal SR is supplied to the receiving circuit 8 as an input signal.
  • the receiving electrode 6 and the receiving circuit 8 are optionally interposed with a low-pass filter (not explicitly shown) for prefiltering the received signal SR.
  • the receiving circuit 8 is designed for example as a transimpedance amplifier.
  • the receiving circuit 8 outputs a voltage signal, hereinafter referred to as the received signal SR ', which is proportional to the displacement current induced in the receiving electrode 6 under the effect of the transmission signal SE.
  • This received signal SR ' is fed to the capacitance measuring element 9 connected downstream of the receiving circuit 8, which generates a capacitance-proportional measured variable K from this.
  • the transmission signal SE is not an ordinary rectangular pulse signal but has a pulse signal with non-negligible temporal signal rise and fall regions, wherein the signal value in these ranges changes at least approximately linearly over time.
  • the signal generation circuit 7 comprises a microcontroller 20 and an electronic integrating circuit downstream of it (hereinafter integrator 21).
  • the integrator 21 is itself formed by an operational amplifier 22, an input resistor 23, which is connected upstream of the inverting input of the operational amplifier 22, a coupling capacitor 24, via which the output of the operational amplifier 22 is fed back to the inverting input, and a coupling capacitor 24 in parallel coupling resistance 25.
  • the non-inverting input of the operational amplifier 22 is connected to ground M.
  • the vertical, ie temporally instantaneous, rising and falling edges of the rectangular pulse signal R are ground by the downstream integrator 21 into "oblique", ie temporally linear rise and fall, edges of the transmission signal SE. flanks is determined by the circuitry dimensioning of the integrator 21.
  • the input resistor 23 has an amount of 1 kQ
  • the coupling capacitor 24 an amount of 100nF
  • the coupling resistor 25 an amount of 1 ⁇ .
  • the triangular pulse shape of the transmission signal SE according to FIG. 4 follows from the trapezoidal pulse shape according to FIG. 3 for the special case that the plateau time t P and the interpulse time ti go to zero.
  • the edge rise time t R and the edge fall time t F respectively correspond to at least 10% of the period P.
  • the ratio of the edge rise time t R or edge fall time t F to the period between 10% and 50% can be selected by correspondingly variable setting of the period P in the microcontroller 20.
  • the microcontroller 20 or the control program implemented therein
  • the integrator 21 may be designed such that the transmission signal S E output from the signal generation circuit 7 is asymmetrical in that the edge rise time t R is from the edge fall time t F and / or the Plateau time tp can differ from the interpulse time ti.
  • the pulses 27 may also be defined as negative pulses, in which case each pulse starts with a falling edge and ends a rising edge.
  • the function of this microcontroller 20 can also be used in the microcontroller of another integrated device.
  • the monitoring unit 3 and the signal generation circuit 7 share a common microcontroller.

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Abstract

Es wird ein kapazitiver Sensor (2) zur Detektion eines Objekts, insbesondere zur Detektion eines Kollisionsfalls bei einem beweglichen Fahrzeugteil angegeben. Der Sensor (2) umfasst eine Elektrodenanordnung (4) mit mindestens einer Sensorelektrode (6). Der Sensor (2) umfasst weiterhin einen der mindestens einen Sensorelektrode (5) vorgeschalteten Signalerzeugungsschaltkreis (7) zur Erzeugung eines Sendesignals (SE), wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) das Sendesignal (SE) als Pulssignal mit einer trapezförmigen oder dreieckförmigen zeitlichen Pulsform erzeugt.

Description

Beschreibung
Kapazitiver Sensor für eine Kollisionsschutzvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor zur Detektion eines Objekts, insbesondere eines Körperteils einer Person oder eines Gegenstandes sowie auf eine Kollisionsschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor.
Kapazitive Sensoren werden in der Fahrzeugtechnik insbesondere im Rahmen einer Kollisionsschutzvorrichtung eingesetzt. Eine solche Kollisionsschutzvorrichtung dient allgemein zur Detektion eines Hindernisses in einem Öffnungsbereich eines Fahrzeugteils, das gegenüber einem festen Rahmen zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beweglich ist. Bei dem - nachfolgend auch als„Verstellelement" bezeichneten - Fahrzeugteil handelt es sich insbesondere um eine Heckklappe. Ferner kann das zu überwachende Verstellelement auch eine Seitentür, eine Kofferraum- oder Motorraumklappe, ein Schiebedach oder ein Klappverdeck sein. Kollisionsschutzvorrichtungen werden dabei insbesondere dann eingesetzt, wenn das jeweils zugeordnete Verstellelement motorisch bewegt ist.
Als Öffnungsbereich wird der Raum bezeichnet, den das Verstellelement während einer Verstellbewegung durchstreift. Zu dem Öffnungsbereich des Verstellelements gehört insbesondere der Raumbereich, der zwischen einer Schließkante des Verstellelements und einer korrespondierenden Kante des Rahmens angeordnet ist, an der das Verstellelement in der Schließstellung mit seiner Schließkante anliegt.
Beim Schließen von Verstellelementen eines Fahrzeugs, insbesondere einer Heckklappe, besteht häufig die Gefahr, dass Körperteile oder sonstige Gegenstände zwischen der Schließkante des Verstellelementes und der Karosserie eingeklemmt werden. Die in diesem Anwendungsfall auch als Einklemmschutzvorrichtung bezeichnete Kollisionsschutzvorrichtung dient zur Vermeidung eines solchen Einklemmfalls und der daraus resultierenden Gefahr eines Personen-
BESTÄTIGUNGSKOPIE und/oder Sachschadens, indem die Kollisionsschutzvorrichtung Hindernisse im Öffnungsbereich erkennt und in diesem Fall die Schließbewegung stoppt oder reversiert.
Eine Kollisionsschutzvorrichtung kann des Weiteren auch eingesetzt werden, um Hindernisse zu erkennen, die der Öffnung des Verstellelements im Wege stehen. Auch in diesem Anwendungsfall stoppt oder reversiert die Kollisionsschutzvorrichtung die Bewegung des Verstellelements, wenn sie ein solches Hindernis erkennt, um einen Sachschaden infolge einer Kollision des Verstellelements mit dem Hindernis zu vermeiden.
Es wird zwischen indirekten und direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterschieden. Eine indirekte Kollisionsschutzvorrichtung erkennt den Kollisionsfall (insbesondere Einklemmfall) anhand einer Überwachung einer Betriebsgröße des das Verstellelement antreibenden Stellmotors, insbesondere an einem abnormalen Anstieg des Motorstroms oder einer abnormalen Abnahme der Motordrehzahl.
Eine direkte Kollisionsschutzvorrichtung umfasst dagegen üblicherweise einen oder mehrere Sensoren, die eine für die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Hindernisses im Öffnungsbereich charakteristische Messgröße erfassen, sowie eine Auswerteeinheit, die anhand dieser Messgröße entscheidet, ob ein Hindernis im Öffnungsbereich vorliegt und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen auslöst. Unter den direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterscheidet man wiederum Systeme mit so genannten Berührungssensoren, die die Anwesenheit eines Hindernisses erst anzeigen, wenn das Hindernis den Sensor bereits berührt, und Systeme mit berührungslosen Sensoren, die ein Hindernis bereits in einem gewissen Abstand zu dem Sensor detektieren. Zu den berührungslosen Sensoren gehören insbesondere so genannte kapazitive (Näherungs-)Sensoren.
Ein kapazitiver Sensor umfasst eine Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Elektroden, über die ein elektrisches Feld im Öffnungsbereich des Verstellelements aufgebaut wird. Ein Hindernis im Öffnungsbereich wird durch Überwachung der Kapazität der Elektrodenanordnung erkannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Hindernis, insbesondere ein menschliches Körperteil das von dem Sensor erzeugte elektrische Feld, und somit die Kapazität der Elektrodenanordnung beeinflusst.
In einer üblichen Bauform eines solchen kapazitiven Sensors umfasst die Elektrodenanordnung dieses Sensors mindestens eine Sendeelektrode, die mit einem Signalerzeugungsschaltkreis verschaltet ist, sowie eine Empfangselektrode, die mit einem Empfangsschaltkreis verbunden ist (Sender-Empfänger-Prinzip). Ein solcher Sensor misst die zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode gebildete Kapazität oder eine damit korrelierende Messgröße.
In einer alternativen Bauform umfasst die Elektrodenanordnung eines kapazitiven Sensors nur eine Sensorelektrode oder mehrere gleichartige Sensorelektroden, die mit dem Sendesignal beaufschlagt werden, und über die auch das kapazitätsabhängige Empfangs- oder Antwortsignal, z.B. in Form des Verschiebestroms, erfasst wird (Ein-Elektroden-Prinzip). Bei einem solchen Sensor wird als Gegenelektrode ein sensorexterner, auf assepotential liegender Gegenstand herangezogen, insbesondere die Karosserie des Fahrzeugs, in dem der Sensor eingebaut ist. Bei einem solchen Sensor wird somit als Messgröße die Kapazität der Sensorelektrode(n) gegen Masse erfasst.
Eine zur Überwachung des Öffnungsbereichs einer Heckklappe vorgesehene Kollisionsschutzvorrichtung bzw. Einklemmschutzvorrichtung mit einem kapazitiven Sensor ist aus DE 20 2007 008 440 U1 bekannt.
Als Sendesignal wird meist ein sinusförmiges elektrisches Wechselsignal herangezogen, das mit einer vorgegebenen Sendefrequenz oszilliert. Nachteiligerweise erfordert die Erzeugung eines solchen Sinussignals eine vergleichsweise aufwändige Schaltungstechnik. Alternativ hierzu wird als Sendesignal mitunter ein Rechteckpulssignal herangezogen, das wesentlich unaufwändiger durch ein einfaches Schaltglied erzeugbar ist. Nachteiligerweise einhält ein solches Rechteckpulssignal aber einen hohen Oberwellenanteil und ist somit kritisch in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Sensors. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetisch verträglichen, gleichzeitig aber besonders einfachen kapazitiven Sensor sowie eine Kollisionsschutzvorrichtung mit einem solchen Sensor anzugeben.
Bezüglich des Sensors wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Kollisionsschutzvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst eine Elektrodenanordnung, die mindestens eine Sensorelektrode umfasst. Der Sensor umfasst des Weiteren einen Signalerzeugungsschaltkreis, der der mindestens einen Sensorelektrode vorgeschaltet ist und der zur Erzeugung eines Sendesignals für diese Sensorelektrode(n) dient. Erfindungsgemäß erzeugt der Signalerzeugungsschaltkreis hierbei das Sendesignal als Pulssignal mit einer trapezförmigen oder dreieckförmigen zeitlichen Pulsform.
Als dreieckförmige Pulsform wird hierbei ein Signalverlauf bezeichnet, bei der die Signalstärke - insbesondere die elektrische Spannung - des Sendesignals in jedem Puls ausgehend von einem minimalen (bzw. maximalen) Signalwert zumindest näherungsweise linear mit der Zeit bis zu einem maximalen (bzw. minimalen) Signalwert ansteigt (bzw. abfällt), und unmittelbar darauffolgend wieder zumindest näherungsweise linear mit der Zeit bis zu einem minimalen (bzw. maximalen) Signalwert abfällt (bzw. ansteigt).
Als trapezförmige Pulsform wird dagegen ein Signalverlauf bezeichnet, bei der die Signalstärke in jeden Puls ausgehend von einem minimalen (bzw. maximalen) Signalwert zumindest näherungsweise linear mit der Zeit bis zu einem maximalen (bzw. minimalen) Signalwert ansteigt (bzw. abfällt), für eine vorgegebene Plateauzeit zumindest näherungsweise konstant bleibt, und erst hierauf wieder zumindest näherungsweise linear mit der Zeit bis zu einem minimalen (bzw. maximalen) Signalwert abfällt (bzw. ansteigt).
Das Sendesignal ist vorzugsweise bezüglich eines Vorzeichenwechsels versetzt symmetrisch. In diesem Fall schließen bei dreieckförmiger Pulsform die Pulse zeitlich unmittelbar aneinander an, während im Falle der trapezförmigen Pulsform zwei aufeinanderfolgende Pulse durch eine der Plateauzeit entsprechende Inter- pulszeit getrennt sind. Die Pulse des Sendesignals können im Rahmen der Erfindung abweichend aber auch durch längere Interpulszeiten getrennt sein.
Die Erzeugung des Sendesignals als dreieck- oder trapezförmiges Pulssignal hat den Vorteil, dass das Sendesignal einerseits - wie ein Rechteckpulssignal - durch einfaches Schalten erzeugbar ist. Gegenüber einem Rechteckpulssignal hat das erfindungsgemäße Sendesignal aber wiederum den Vorteil, dass es nur vergleichsweise schwache Oberwellenanteile aufweist, was sich positiv auf die elektromagnetische Verträglichkeit des Sensors auswirkt.
Die Erfindung kann grundsätzlich auf nach dem Ein-Elektroden-Prinzip arbeitende kapazitive Sensoren angewendet werden, die die Kapazität ihrer Sensorelektrode(n) gegen Masse sensieren. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensor aber um einen kapazitiven Sensor, der nach dem Sender-Empfänger-Prinzip arbeitet. Entsprechend umfasst die Elektrodenanordnung bevorzugt als Sensorelektroden mindestens eine Sendeelektrode und mindestens eine Empfangselektrode. Der Signalerzeugungsschaltkreis ist hier der mindestens einen Sendeelektrode vorgeschaltet.
In bevorzugter Dimensionierung erzeugt der Signalerzeugungsschaltkreis das Sendesignal insbesondere als Folge von Pulsen, deren Flankenanstiegszeit und/oder Flankenabstiegszeit mindestens 1 %, vorzugsweise mindestens 5%, insbesondere mindestens 10% der gesamten Periodendauer entspricht. Die Periodendauer entspricht hierbei der Zeit, die zwischen dem Beginn (oder Ende) eines Pulses und dem Beginn (bzw. Ende) des nächstfolgenden Pulses verstreicht. Die Periodendauer umfasst somit die (zeitliche) Pulslänge sowie eine gegebenenfalls zwischen zwei Pulsen gebildete Interpulszeit. In besonders einfacher Bauform ist der Signalerzeugungsschaltkreis im Wesentlichen durch ein Schaltglied und eine nachgeschaltete Verstärkerschaltung gebildet. Das Schaltglied dient hierbei zur Erzeugung eines Rechteckpulssignals, das durch die Verstärkerschaltung in das - dreieck- oder trapezförmige - Sendesignal umgewandelt wird. Die Verstärkerschaltung ist hierbei entsprechend der gewünschten Pulsform des Sendesignals anstiegsbegrenzt, weist also eine entsprechend niedrige Slew Rate auf. In einer bevorzugten Ausbildungsform ist die Verstärkerschaltung als Integrierer ausgebildet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltungsvariante umfasst der Sensor einen Mikro- controller. In diesem Fall ist ein Digitalausgang des MikroControllers vorzugsweise als Schaltglied zur Erzeugung des Rechteckpulssignals herangezogen.
Die erfindungsgemäße Kollisionsschutzvorrichtung umfasst einen kapazitiven Sensor der vorstehend beschriebenen Art.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Einklemmschutzvorrichtung zur Erkennung und Vermeidung eines Einklemmfalls bei einem beweglichen Fahrzeugteil, mit einem kapazitiven Sensor, der eine Sendeelektrode, eine Empfangselektrode, einen der Sendeelektrode vorgeschalteten Signalerzeugungsschaltkreis sowie einen der Empfangselektrode nachgeschalteten Empfangsschaltkreis umfasst,
Fig. 2 in einem vereinfachten elektrischen Schaltbild den Aufbau des Signalerzeugungsschaltkreises, der hier durch einen Mikrocontroller mit einem als Schaltglied zur Erzeugung einer Rechteckpulsspannung dienenden Digitalausgang sowie durch einen nachgeschalteten Integrierer gebildet ist, sowie Fig. 3 und 4 zwei Varianten eines mittels des Signalerzeugungsschaltkreises gemäß Fig. 2 erzeugbaren Sendesignals.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Einklemmschutzvorrichtung 1 für ein (nicht näher dargestelltes) bewegliches Verstellelement eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine motorisch bewegte Tür oder Heckklappe. Die Einklemmschutzvorrichtung 1 umfasst einen kapazitiven Sensor 2 sowie eine Überwachungseinheit 3.
Der Sensor 2 basiert auf einer kapazitiven Messtechnik. Der Sensor 2 umfasst eine Elektrodenanordnung 4 mit mindestens einer Sendeelektrode 5 sowie mindestens einer Gegenelektrode bzw. Empfangselektrode 6. Bevorzugt umfasst die Elektrodenanordnung 4 (in nicht näher dargestellter Weise) eine Mehrzahl von Sendeelektroden 5, die mit einer gemeinsamen Empfangselektrode 6 wechselwirken.
Im Betrieb des Sensors 2 wird durch Applikation einer elektrischen Wechselspannung auf die oder jede Sendeelektrode 5 ein (lediglich angedeutetes) elektrisches Feld F in einem Öffnungsbereich des Verstellelements erzeugt, während über die Empfangselektrode 6 die (elektrische) Kapazität des aus der feldemittierenden Sendeelektrode 5 und der Empfangselektrode 6 gebildeten Kondensators erfasst wird.
Im Einzelnen umfasst der Sensor 2 zusätzlich zu der Elektrodenanordnung 4 einen Signalerzeugungsschaltkreis 7, einen Empfangsschaltkreis 8 und ein Kapazitätsmessglied 9.
Im Betrieb des Sensors 2 erzeugt der Signalerzeugungsschaltkreis 7 ein Sendesignal SE in Form eines Pulssignals. Der Signalerzeugungsschaltkreis 7 gibt das Sendesignal SE auf die Sendeelektrode 5, die unter Wirkung des Sendesignals SE das elektrische Feld F emittiert. Sofern der Sensor 2 mehrere Sendeelektroden 5 umfasst, ist dem Signalerzeugungsschaltkreis 7 und der Elektrodenanordnung 4 vorzugsweise ein (nicht näher dargestellter) Zeitmultiplexer zwischengeschaltet, der das Sendesignal SE zeitlich alternierend auf jeweils eine der mehreren Sendeelektroden 5 gibt.
Unter Wirkung des elektrischen Feldes F wird in der Empfangselektrode 6 ein elektrisches Wechselsignal erzeugt, das nachfolgend als Empfangssignal SR bezeichnet ist. Das Empfangssignal SR ist phasensynchron mit dem Sendesignal SE, weist also definierte Pulsflanken zwischen einem hohen Signallevel und einem niedrigen Signallevel auf, die mit den Pulsflanken des Sendesignals SE zeitlich übereinstimmen. Im Gegensatz zu dem Sendesignal SE variiert die Signalamplitude des Empfangssignals SR aber zusätzlich in Abhängigkeit von der zu messenden Kapazität.
Das Empfangssignal SR ist dem Empfangsschaltkreis 8 als Eingangssignal zugeführt. Der Empfangselektrode 6 und dem Empfangsschaltkreis 8 ist hierbei optional ein (nicht explizit dargestellter) Tiefpass zur Vorfilterung des Empfangssignals SR zwischengeschaltet. Der Empfangsschaltkreis 8 ist beispielsweise als Transimpedanzverstärker ausgebildet. In dieser Ausführung gibt der Empfangsschaltkreis 8 ein - nachfolgend als Empfangssignal SR' bezeichnetes - Spannungssignal aus, das proportional zu dem unter Wirkung des Sendesignals SE in der Empfangselektrode 6 induzierten Verschiebestroms ist. Dieses Empfangssignal SR' wird dem der Empfangsschaltung 8 nachgeschalteten Kapazitätsmessglied 9 zugeführt, das hieraus eine kapazitätsproportionale Messgröße K erzeugt.
Die Messgröße K wird der dem Sensor 2 nachgeschalteten Überwachungseinheit 3 zugeführt. Die Überwachungseinheit 3, die vorzugsweise durch einen Mikrocon- troller mit einer darin implementierten Überwachungssoftware gebildet ist, vergleicht die Messgröße K mit einem hinterlegten Auslöseschwellwert. Bei Schwellwertüberschreitung gibt die Überwachungseinheit 3 ein Auslösesignal A aus, das auf einen möglichen Einklemmfall hinweist, und unter dessen Wirkung die Bewe- gung des der Einklemmschutzvorrichtung 1 zugeordneten Verstellelements reversiert wird.
Bei dem Sendesignal SE handelt es sich nicht um ein gewöhnliches Rechteckpulssignal, sondern um ein Pulssignal mit nicht vernachlässigbaren zeitlichen Signalanstiegs- und Signalabfallbereichen aufweist, wobei sich der Signalwert in diesen Bereichen zumindest näherungsweise zeitlich linear ändert. Zur Erzeugung dieses Sendesignals SE umfasst der Signalerzeugungsschaltkreis 7 gemäß Fig. 2 einen Mikrocontroller 20 sowie einen diesem nachgeschalteten elektronischen Integrierschaltkreis (nachfolgend Integrierer 21 ). Der Integrierer 21 ist seinerseits gebildet durch einen Operationsverstärker 22, einen Eingangswiderstand 23, der dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 vorgeschaltet ist, einen Koppelkondensator 24, über den der Ausgang des Operationsverstärkers 22 mit dem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, sowie einen dem Koppelkondensator 24 parallelgeschalteten Koppelwiderstand 25. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 22 ist auf Masse M gelegt.
Der Integrierer 21 ist seinerseits gebildet durch einen Operationsverstärker 22, eine Eingangswiderstand 23, der dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 vorgeschaltet ist, einen Koppelkondensator 24, über den der Ausgang des Operationsverstärkers 22 mit dem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, sowie einen dem Koppelkondensator 24 parallelgeschalteten Koppelwiderstand 25. Der digitale Ausgang 26 wird als Schaltglied zur Erzeugung eines Rechteckpulssignals R verwendet, indem der Mikrocontroller 20 unter Wirkung eines darin implementierten Steuerprogramms den Digitalausgang 26 zeitlich alternierend (insbesondere periodisch) zwischen einem hohen Spannungswert (z.B. +5V) und einem niedrigen Spannungswert (z.B. -5V). Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 22 ist auf Masse M (0V) oder ein sonstiges, mittig zwischen den Spannungswerten des Rechteckpulssignals R liegendes Bezugspotential gelegt. Die senkrechten, d.h. zeitlich instantanen Anstiegs- und Abfallflanken des Rechteckpulssignals R werden durch den nachgeschalteten Integrierer 21 zu „schrägen", d.h. zeitlich linearen Anstiegs- und Abfallflanken des Sendesignals SE verschliffen. Die Steigung des Signalwertes im Bereich der Anstiegs- und Abfall- flanken ist dabei durch die schaltungstechnische Dimensionierung des Integrierers 21 festgelegt. In geeigneter Dimensionierung haben beispielsweise der Eingangswiderstand 23 einen Betrag von 1 kQ, der Koppelkondensator 24 einen Betrag von 100nF und der Koppelwiderstand 25 einen Betrag von 1 ΜΩ.
Die resultierende Signalform des Sendesignals SE kann hierbei durch Vorgabe der Frequenz, und somit der Periodendauer P (Fig. 3) der Rechteckpulssignals R vorgegeben werden. Sofern diese Periodendauer P größer gewählt ist als die zweifache Flankenanstiegszeit tR (Fig. 3) des Sendesignals SE, ergibt sich für das Sendesignal SE eine trapezförmige Pulsform, die beispielhaft in Fig. 3 in einem Diagramm des Sendesignals SE gegen die Zeit t dargestellt ist. Ansonsten nimmt das Sendesignal SE eine beispielhaft in Fig. 4 dargestellte, dreieckige Pulsform an. Die Periodendauer P, mit der der MikroController 20 das Rechteckpulssignal erzeugt, kann durch das im MikroController 20 implementierte Steuerprogramm fest vorgegeben sein. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Periodendauer P - durch Parametrierung des Steuerprogramms oder automatisch in Abhängigkeit von dem MikroController 20 zugeführten Umgebungsvariablen - veränderlich (d.h. in Form einer Programmvariable) implementiert ist.
Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, weist im Falle einer trapezförmigen Pulsform jeder Puls 27 des Sendesignals SE eine Anstiegsflanke 28, eine Abfallflanke 29 und ein dazwischen gebildetes Plateau 30 auf, wobei in der Anstiegsflanke 28 der Signalwert des Sendesignals SE innerhalb der Flankenanstiegszeit tR zeitlich linear von Null auf einen Maximalwert ansteigt,
im Plateau 30 der Signalwert auf dem Maximalwert für die Dauer einer Plateauzeit tp konstant bleibt, und
innerhalb der Abfallflanke 29 der Signalwert innerhalb einer Flankenabfallszeit t,F wiederum zeitlich linear von dem Maximalwert auf Null zurückfällt.
Die Pulse 27 sind hierbei jeweils zeitlich symmetrisch, so dass die Flankenabfallszeit tF der Flankenanstiegszeit tR der Größe nach entspricht. Die gesamte Puls- dauer D ergibt sich somit aus der Summe der Flankenanstiegszeit tR, der Plateauzeit tP und der Flankenabfallszeit tF. Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Pulsen 27 ist eine Interpulszeit ti gebildet, die der Größe nach der Plateauzeit tR entspricht, und die in Summe mit der Pulsdauer D die Periodendauer P ergibt.
Wie aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, folgt die dreieckige Pulsform des Sendesignals SE gemäß Fig. 4 aus der trapezförmigen Pulsform gemäß Fig. 3 für den Spezialfall, dass die Plateauzeit tP und die Interpulszeit ti gegen Null gehen.
Durch entsprechende Auslegung des Integrierers 21 und des im Mikrocontroller 20 implementierten Steuerprogramms ist sichergestellt, dass die Flankenanstiegszeit tR sowie die Flankenabfallszeit tF jeweils mindestens 10% der Periodendauer P entsprechen. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch entsprechend variable Einstellung der Periodendauer P im Mikrocontroller 20 das Verhältnis der Flankenanstiegszeit tR bzw. Flankenabfallszeit tF zur Periodendauer zwischen 10% und 50% gewählt werden kann.
Obwohl die Erfindung an dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besonders deutlich wird, ist sie hierauf nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann anhand der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können der Mikrocontroller 20 (bzw. das darin implementierte Steuerprogramm) und der Integrierer 21 derart gestaltet sein, dass das von dem Signalerzeugungsschaltkreis 7 ausgegebene Sendesignal SE unsymmetrisch ist insofern, als sich die Flankenanstiegszeit tR von der Flankenabfallszeit tF und/oder die Plateauzeit tp von der Interpulszeit ti unterscheiden können. Vollständig äquivalent zu der vorstehenden Beschreibung können die Pulse 27 ferner auch als negative Pulse definiert werden, wobei in diesem Fall jeder Puls mit einer Abfallflanke beginnt und einer Anstiegsflanke endet.
Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem der Signalerzeugungsschaltkreis 7 den eigenen Mikrocontroller 20 umfasst, kann die Funktion dieses Mikrocontrollers 20 auch in dem Mikrocontroller eines ande- ren Geräts integriert sein. Insbesondere ist in einer zweckmäßigen Ausführungsvariante vorgesehen, dass sich die Überwachungseinheit 3 und der Signalerzeugungsschaltkreis 7 einen gemeinsamen Mikrocontroller teilen.
Sowohl im Falle des Signalerzeugungsschaltkreises 7 als auch im Falle der Überwachungseinheit 3 kann der Mikrocontroller ferner auch durch einen nichtprogrammierbaren Hardware-Schaltkreis, beispielsweise einen ASIC ersetzt sein.
Bezugszeichenliste
1 Einklemmschutzvorrichtung
2 Sensor tF Flankenabstiegszeit
3 Überwachungseinheit tl Interpulszeit
4 Elektrodenanordnung tp Plateauzeit
5 Sendeelektrode tR Flankenanfallszeit
6 Empfangselektrode A Auslösesignal
7 Signalerzeugungsschaltkreis D Pulsdauer
8 Empfangsschaltkreis F (elektrisches) Feld
9 Kapazitätsmessglied K Kapazitätsmessgröße
20 Mikrocontroller M Masse
21 Integrierer P Periodendauer
22 Operationsverstärker R Rechteckpulsspannung
23 Eingangswiderstand SE Sendesignal
24 Koppelkondensator SR Empfangssignal
25 Koppelwiderstand SR. Empfangssignal
26 Digitalausgang
27 Puls
28 Anstiegsflanke
29 Abfallflanke
30 Plateau

Claims

Ansprüche
1. Kapazitiver Sensor (2) zur Detektion eines Objekts, insbesondere zur Detektion eines Kollisionsfalls bei einem beweglichen Fahrzeugteil,
- mit einer Elektrodenanordnung (4), die mindestens eine Sensorelektrode (6) umfasst,
- mit einem der mindestens einen Sensorelektrode (5) vorgeschalteten Signalerzeugungsschaltkreis (7) zur Erzeugung eines Sendesignals (SE), wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) das Sendesignal (SE) als Pulssignal mit einer trapezförmigen oder dreieckförmigen zeitlichen Pulsform erzeugt.
2. Sensor (2) nach Anspruch 1 ,
- wobei die Elektrodenanordnung (4) als Sensorelektroden mindestens eine Sendeelektrode (5) zur Emission eines elektrischen Feldes (F) unter Beaufschlagung mit dem Sendesignal (SE) sowie mindestens eine Empfangselektrode (6) umfasst, und
- wobei der Empfangselektrode (6) ein Empfangsschaltkreis (8) zur Verarbeitung eines in der Empfangselektrode (6) unter Wirkung des elektrischen Feldes (F) erzeugten Empfangssignals (SR) nachgeschaltet ist.
3. Sensor (2) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) das Sendesignal (SE) als Folge von Pulsen (27) mit einer Periodendauer (P) und einer Flankenanstiegszeit (tR) sowie einer Flankenabstiegszeit (tF) erzeugt, wobei die Flankenanstiegszeit (tR) und/oder die Flankenabstiegszeit (if) mindestens 1 %, vorzugsweise mindestens 5%, insbesondere mindestens 10% der Periodendauer (P) entsprechen.
4. Sensor (2) nach Anspruch 3,
wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (7) ein Schaltglied (26) zur Erzeugung eines Rechteckpulssignals (R) sowie eine nachgeschaltete Verstärkerschaltung (21 ) zur Umformung des Rechteckpulssignals (R) in das Sendesignal (SE) umfasst.
5. Sensor (2) nach Anspruch 4,
wobei als Schaltglied ein Digitalausgang (26) eines Mikrocontrollers (20) herangezogen ist.
6. Sensor (2) nach Anspruch 4 oder 5,
wobei die Verstärkerschaltung als Integrierer (21 ) ausgebildet ist.
7. Kollisionsschutzvorrichtung (1 ) mit einem kapazitiven Sensor (2) nach
der Ansprüche 1 bis 6.
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