*DE B *

Transkript

1 (19) *DE B * (10) DE B (12) Patentschrift (21) Aktenzeichen: (22) Anmeldetag: (43) Offenlegungstag: (45) Veröffentlichungstag der Patenterteilung: (51) Int Cl.: G01D 5/24 ( ) G01B 7/14 ( ) H03K 3/023 ( ) Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach 59 Patentgesetz gegen das Patent Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten ( 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu 2 Abs. 1 Patentkostengesetz). (73) Patentinhaber: ifm electronic gmbh, Essen, DE (72) Erfinder: Schulz, Jörg, Tettnang, DE (56) Ermittelter Stand der Technik: DE A1 US 2011 / A1 (54) Bezeichnung: Impulsgenerator für einen kapazitiven Sensor (57) Hauptanspruch: Impulsgenerator (1) zur Erzeugung von Messimpulsen für einen kapazitiven Sensor mit einstellbarer Impulszeit im Bereich von 10ns bis 200ns mit einer integrierenden Schaltung (2), mit einer ersten RC-Kombination (3), mit einem Schwellwertschalter (4), mit einem Entladeschalter (5) und einer Steuereinheit (7), wobei die integrierende Schaltung (2) über die RC-Kombination (3) mit einem von der Steuereinheit (7) erzeugtem Taktsignal beaufschlagt wird und über den Entladeschalter (5) zyklisch wieder entladen wird, die integrierende Schaltung (2) mit dem Schwellwertschalter (4) verbunden ist und der Schwellwertschalter (4) die Messimpulse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierende Schaltung (2) neben dem über die RC-Kombination (3) zugeführten Taktsignal ein einstellbares Vorladesignal VL erhält, was den Entladevorgang der integrierenden Schaltung (2) beeinflusst und so zu unterschiedlichen Impulslängen der Messimpulse führt.

2 Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator für einen kapazitiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. [0002] Kapazitive Sensoren sind nicht nur in der Automatisierungstechnik, sondern neuerdings auch in der Automobiltechnik weit verbreitet, wo sie u. a. als Kofferraum-, Türöffner, oder zur Sitzbelegungserkennung Anwendung finden. [0003] Sie weisen mindestens eine von außen beeinflussbare Elektrodenkapazität auf, deren Elektroden mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden. Die von einem in das elektrische Wechselfeld eintauchenden Objekt hervorgerufenen Kapazitätsänderungen werden zur besseren Weiterverarbeitung meist in einen Impuls mit variabler Länge umgewandelt. Geräte dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. [0004] Um Fehlschaltungen zu vermeiden, werden mehrere Elektroden verwendet, die eine genauere Analyse der Situation ermöglichen. Beispielsweise müssen Regen, Schnee oder fallende Blätter oder auch unbeabsichtigte menschliche Beeinflussungen wie z.b. Vorbeigehen sicher von einer sich in definierter Weise nähernden Hand oder einem Fuß unterschieden werden. [0005] Eine solche kapazitive Sensoranordnung mit einem Ladungsimpulsausgang wird in der Literatur auch als Front-end-Elektronik bezeichnet. [0006] Zu ihrem Betrieb benötigt sie einen Impulsgenerator zur Erzeugung von kurzen elektrischen Impulsen. Ein geeigneter Impulsgenerator wird in der DE A1 gezeigt. [0007] Hierbei ist allerdings die Impulsdauer nicht einstellbar, was nachteilig bei der Realisierung von verschiedenen Messaufgaben mit unterschiedlichen Impulslängen ist. [0008] Außerdem ist diese Schaltung nicht zur Ansteuerung von digitalen Baugruppen geeignet, was ebenfalls als Nachteil angesehen wird. [0009] Eine Schaltung zur Einstellung der Impulsbreite des Taktsignals für einen Mikroprozessor mit der Bezeichnung impulse width timing circuit wird in der US 2011 / A1 gezeigt. Hier wird ein rechteckförmiges Eingangssignal zwei komplementären RC-Gliedern zugeführt. Komplementär bedeutet hier, dass eine Kapazität durch einen ersten Widerstandspfad schnell und durch einen zweiten entgegengesetzt wirkenden Widerstandspfad langsam umgeladen werden kann. In der oben genannten Schrift wird eine variable Verzögerungszeit durch eine variable Kapazität und eine Impulsdauer durch variable Kapazitäten und/oder Widerstände eingestellt. Als nachteilig werden die abstimmbaren Widerstände und Kapazitäten angesehen. [0010] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen universell für verschiedene Messaufgaben einsetzbaren Impulsgenerator mit einstellbarer Impulszeit anzugeben, der diese Nachteile vermeidet. Insbesondere soll auf variable Widerstände und Kapazitäten verzichtet werden. Außerdem soll der Impulsgenerator auch zur Ansteuerung digitaler Baugruppen geeignet sein. [0011] Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. [0012] Außerdem wird noch eine sogenannte Front- Schaltung für einen kapazitiven Sensor mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator angegeben. [0013] Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, zunächst in bekannter Weise eine integrierende Schaltung mit einem Schwellwertschalter zu verbinden, diese über eine RC-Kombination mit einem Taktsignal zu beaufschlagen und anschließend mit einem Entladeschalter zyklisch wieder zu entladen. Um sehr kurze Impulszeiten im Zeitbereich von 10ns bis 70ns oder auch längere bis 200ns präzise mit einem handelsüblichen Mikrocontroller mit einer Taktfrequenz unter 20 MHz einzustellen, wird die integrierende Schaltung erfindungsgemäß mit einem Vorladesignal VL vorgeladen, so dass der den Messimpuls erzeugende Schwellwertschalter eine von diesem Vorladesignal abhängige Vorspannung erhält. [0014] Dazu wird die o. g. RC-Kombination differenzierend mit einer ersten Zeitkonstante CT1, RT1 ausgeführt und die integrierende Schaltung als zweite RC-Kombination mit einer zweiten, größeren Zeitkonstante RT2, CT2 versehen, so dass der Schwellwertschalter durch den zweiten, langsameren Ladevorgang eine vom Vorladesignal VL abhängige Vorspannung erhält. [0015] Somit ist der erfindungsgemäße Impulsgenerator für eine sog. Front-Schaltung zur kapazitiven Erfassung des Abstandes, der Geschwindigkeit oder der Position eines Objekts geeignet. Diese weist mindestens zwei auch miteinander gekoppelte Elektrodenkapazitäten auf, deren Ladung in bekannter Weise auf einen Ladungsimpulsausgang übertragen wird. [0016] Im Kraftfahrzeug kann das ein Sitzbelegungssensor, ein kapazitiver Türöffner oder auch ein Heckklappenöffner sein. 2/6

3 [0017] Die Messwerte können zur Erzeugung eines binären Schaltsignals oder zur Erzeugung von binären oder analogen Diagnosesignalen verwendet werden, die über eine Busschnittstelle übertagbar sind. [0018] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. [0019] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Impulsgenerator als Bestandteil einer Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor. [0020] Fig. 2 zeigt eine Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator. [0021] Fig. 3 zeigt das Impulsdiagramm des erfindungsgemäßen Impulsgenerators [0022] Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Impulsgenerator 1 mit einstellbarer Impulsdauer als Teil der in Fig. 2 gezeigten Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor. Der erfindungsgemäße Impulsgenerator 1 dient zur Erzeugung von Messimpulsen im Zeitbereich von 10ns bis 200ns für die o. g. Schaltung. Die Impulsdauer kann von der Steuereinheit 7 variabel eingestellt werden. Hierzu sind ein Taktsignal, ein zeitlich einstellbares Vorladesignal und ein Entladesignal erforderlich. Die Vorladezeit liegt im Bereich von µs. Der Vorteil der Schaltung besteht darin, dass die o. g. Signale in einem für handelsübliche Mikrocontroller noch gut beherrschbaren Frequenzbereich bis zu 20 MHz liegen können. Die Messimpulse werden von einem Schwellwertschalter 4 erzeugt, der neben dem Taktsignal eine variable Vorspannung erhält. Dazu wird eine integrierende Schaltung 2 mit einem von der Steuereinheit 7 erzeugten Vorladesignal VL beaufschlagt. Das Taktsignal gelangt über eine erste, vorzugsweise differenzierende RC-Kombination 3 mit einer ersten Zeitkonstante CT1, RT1 ebenfalls auf die integrierende Schaltung 2, die eine zweite Zeitkonstante C2, RT2 aufweist. Da die zweite Zeitkonstante RT2, CT2 größer ist als die erste Zeitkonstante CT1, RT1, wird durch diesen zweiten, langsameren Ladevorgang eine einstellbare Vorspannung für den Schwellwertschalter 4 erzeugt. Der ebenfalls von der Steuereinheit 7 gesteuerte Entladeschalter 5 sorgt zyklisch nach jedem Sendepuls für die Entladung der integrierenden Schaltung 2 [0023] Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung dient dazu, die mit 9 und 10 bezeichneten Kapazitäten der Elektroden E1 und E2 gegen Masse zu bestimmen. Der Kondensator Cu repräsentiert die gegenseitige Kapazität 11 der beiden Elektroden. Selbstverständlich können noch weitere Messeelektroden vorhanden sein. Die Ladungen werden in Impulse mit variabler Ladungsmenge umgewandelt und auf einen größeren und leichter auswertbaren, auch als Ladungsausgang 12 bezeichneten Kondensator CL übertragen. [0024] Die beiden Elektrodenkapazitäten 9 und 10 enthalten weiterhin Kondensatoren C7, bzw. C8, die über hier vereinfacht dargestellte 330Ω-Widerstände (sinnvoller Bereich: 50Ω... 1kΩ), mit den Kondensatoren CT10, bzw. CT11 verbunden sind. [0025] Die Elektrodenkapazitäten 9 und 10 können über zwei Analogschalter S2 und S3 mit dem Ladekondensator CL des Ladungsimpulsausgangs 12 oder den Ausgängen des Multiplexers 6 verbunden werden. [0026] Der Multiplexer 6 wird von dem einzigen Impulsgenerator 1 mit den erforderlichen Messimpulsen versorgt. Der Impulsgenerator 1 und der Multiplexer 6 werden von einer Auswerteschaltung 7, gesteuert, die vorteilhaft als Mikrocontroller ausgeführt ist. [0027] Auf diese Weise können die Elektrodenkapazitäten 9 und 10 für die Dauer der durch den Impulsgenerator 1 definierten Impulszeit erfindungsgemäß, sofern sie nicht mit dem Ladekondensator CL verbunden sind, sowohl mit negativen als auch mit positiven Impulsen beaufschlagt werden. Diese Spannungsquellen sind nicht dargestellt, sondern werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den in diesem Fall digitalen Multiplexer 6 selbst bereitgestellt. Die Ausgänge des Mikrocontrollers 7 haben nur die Funktion von logischen Steuersignalen. Deshalb sind die betreffenden Ausgänge des Mikrocontrollers 7 auch nicht direkt mit den Eingängen des Multiplexers 6 verbunden. [0028] Alternativ kann auch ein analoger Multiplexer 6 verwendet werden. In diesem Fall werden die von den Elektroden benötigten Messspannungen direkt von den Ausgängen des Mikrocontrollers 7 bereitgestellt. [0029] Die Analogschalter S2 und S3 können z. B. in einer integrierten Schaltung 74LVCT1G53 untergebracht sein. Der Multiplexer 6 kann beispielsweise ein IC 74(A)HCT157 sein. So können die beiden Elektroden E1 und E2 wahlweise synchron, asynchron, aktiv, passiv, sensitiv oder insensitiv, gleichphasig oder gegenphasig gesteuert und ausgewertet werden. [0030] Man erhält ohne wesentlichen Mehraufwand und durch intelligente Steuerung Informationen über die kapazitive Umwelt, die gegenseitige Beeinflussung der Elektroden, über Bauteilstreuungen usw., so dass hierdurch entscheidende Erweiterungen oder Verbesserungen in der Anwendung erreicht werden. So können in bestimmten Zeitabständen Diagnosemodi zur Überprüfung des Sensors eingestellt werden 3/6

4 [0031] Die daraus resultierenden Ergebnisse können als binäre Schalt- oder Diagnosesignale oder als andere analoge oder digitale Entscheidungssignale, beispielsweise auch über eine Busschnittstelle 8, ausgegeben werden. [0032] Die erfindungsgemäße Schaltung ist besonders als Türöffner für Kraftfahrzeuge, z. B. auch als Kofferraum- oder Heckklappenöffner geeignet. [0033] Die Fig. 3 zeigt das Impulsdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Impulsgenerators 1. Vor jedem neuen Impuls wird die integrierende Schaltung 2 durch den Entladeschalter 5 entladen, dessen Ausgangssignal (Low) in der obersten Zeile als Funktion der Zeit dargestellt ist. Dann wird die integrierende Schaltung 2 mit dem darunter dargestellten Vorladesignal vorgeladen, d. h. auf ein höheres Potential gebracht. Das Vorladesignal kann variabel sein. Dargestellt sind zwei unterschiedlich lange Vorladesignale, die erfindungsgemäß eine unterschiedliche Vorspannung in der integrierenden Schaltung 2 erzeugen. Bei Erscheinen des Taktsignals, dass i.a. wie in Fig. 1 dargestellt, vorher noch differenziert werden kann, kommt es zur Überschreitung der mit Schwelle High bezeichneten Einschaltschwelle des Schwellwertschalters 4, der daraufhin die positive Taktflanke ausgibt. Anschließend wird die integrierende Schaltung 2 durch den Entladeschalter 5 wieder entladen, was zur Unterschreitung der mit Schwelle Low bezeichneten Ausschaltschwelle des Schwellwertschalters führt und den Impuls damit beendet. Wie man anhand der beiden unten dargestellten Beispiele mit unterschiedlicher Vorladung erkennt, führt die Anhebung oder Absenkung des näherungsweise exponentiell verlaufenden Entladevorgangs der integrierenden Schaltung 2 zu unterschiedliche Impulslängen. Der Schwellwertschalter 4 erhält eine Vorspannung Uo und einen vorzugsweise positiven Nadelimpuls, wobei die Spitze des Nadelimpulses die Schaltschwelle während eines Zeitintervalls delta t übersteigt, wobei dieses Zeitintervall von der Vorspannung Uo abhängt. Bezugszeichenliste 1 Impulsgenerator zur Erzeugung von Messimpulsen 2 Integrierende Schaltung, Zweite RC-Kombination CT2, RT2 3 Differenzierende Schaltung, Erste RC- Kombination CT1, RT1 4 Schwellwertschalter 5 Entladeschalter 6 Multiplexer (digital oder analog) 7 Steuereinheit und Auswerteschaltung (Mikrocontroller) 8 Busschnittstelle 9 Erste Elektrodenkapazität mit der Elektrode E1 10 Zweite Elektrodenkapazität mit der Elektrode E2 11 Gegenseitige Kapazität der beiden Elektrodenkapazitäten 1 und 2 12 Ladungsimpulsausgang Patentansprüche 1. Impulsgenerator (1) zur Erzeugung von Messimpulsen für einen kapazitiven Sensor mit einstellbarer Impulszeit im Bereich von 10ns bis 200ns mit einer integrierenden Schaltung (2), mit einer ersten RC-Kombination (3), mit einem Schwellwertschalter (4), mit einem Entladeschalter (5) und einer Steuereinheit (7), wobei die integrierende Schaltung (2) über die RC-Kombination (3) mit einem von der Steuereinheit (7) erzeugtem Taktsignal beaufschlagt wird und über den Entladeschalter (5) zyklisch wieder entladen wird, die integrierende Schaltung (2) mit dem Schwellwertschalter (4) verbunden ist und der Schwellwertschalter (4) die Messimpulse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierende Schaltung (2) neben dem über die RC-Kombination (3) zugeführten Taktsignal ein einstellbares Vorladesignal VL erhält, was den Entladevorgang der integrierenden Schaltung (2) beeinflusst und so zu unterschiedlichen Impulslängen der Messimpulse führt. 2. Impulsgenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste RC-Kombination (3) differenzierend ist und eine erste Zeitkonstante CT1, RT1 aufweist, die integrierende Schaltung (2) eine zweite RC-Kombination mit einer zweiten Zeitkonstante CT2, RT2 aufweist, wobei die zweite Zeitkonstante größer ist als die erste. 3. Verwendung eines Impulsgenerators (1) nach Anspruch 1 oder 2 in einem kapazitiven Sensor, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (7) zur Auswertung der Messsignale und zur Ausgabe eines binären Schaltsignals und /oder eines Diagnosesignals dient. 4. Verwendung eines Impulsgenerators (1) nach Anspruch 1 oder 2 in einem kapazitiven Sensor, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (7) zur Auswertung der Messsignale und zur Ausgabe eines binären Schaltsignals und /oder eines Diagnosesignals über eine Busschnittstelle (8) dient. 5. Verwendung eines Impulsgenerators 1 nach Anspruch 1 oder 2 für einen kapazitiven Sensor in einem Kraftfahrzeug zur Öffnung einer Tür, einer Heckklappe oder des Kofferraums. Es folgen 2 Seiten Zeichnungen 4/6

5 Anhängende Zeichnungen 5/6

6 6/6