![]() Capacitive proximity detector
专利摘要:
公开号:WO1989008352A1 申请号:PCT/T1989/000021 申请日:1989-03-02 公开日:1989-09-08 发明作者:Jiri Marek 申请人:Setec Messgeräte Gesellschaft M.B.H.; IPC主号:H03K17-00
专利说明:
Kapazitiver Näherungsgeber Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungsgeber, bei dem zwei voneinander isoliert gehaltene Elektroden mit einem Signalgenerator elektrisch verbunden sind, von denen mindestens eine flächig ausgebildet ist, wobei der Eingang eines Verstärkers mit einer dieser Elektroden verbunden ist. Ein solcher Näherungsgeber wurde z. B. durch die DE-OS 35 09 507 bekannt. Bei dieser vorbekannten Lösung sind zwei eine gemeinsame Elektrode aufweisende Rondensatoren vorgesehen, von denen jeweils einer im Rückkopplungskreis eines Differenzverstärkers eingeschaltet ist, wobei aber die dritte Elektrode jeweils potential frei gehalten ist. Bei dieser Lösung ergeben sich jedoch erhebliche Probleme bei der Auswertung der erhaltenen Signale, die ausserdem stark von äusseren Bedingungen abhängig sind. So würde sich eine solche Lösung kaum als Abstandssensor für eine Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge eignen. Weiters sind Näherungssensoren bekannt, bei denen eine kapazitive Geberplatte eine Hälfte eines Kondensators bildet und die zweite Hälfte dieses Kondensators direkt oder indirekt mit Masse verbunden ist. Eine solche Anordnung, die sich zwar durch ein grosses MaR an Einfachheit auszeichnet, weist aber eine Reihe von Nachteilen auf. So ergibt sich bei diesen eine hohe Grundkapazität gegen Masse, wodurch nur mehr eine relativ geringe Empfindlichkeit gegeben ist. Weiters erschweren parasitäre Widerstände, die sich durch Verschmutzung oder dem zeitweisen Einfluss von Feuchtigkeit ergeben, ein Messen unter reproduzierbaren Verhältnissen. AuBerdemgehen bei solchen Anordnungen auch kleine Deformationen der Elektroden relativ stark in die Messung ein. Durch die DE-OS 20 44 790 wurde auch schon vorgeschlagen, die Abschirmung eines Zuleitungskabels von einer kapazitiven Geberplatte zu einem Niederfrequenzgenerator mit diesem zu verbinden, um die parasitäre Kapazität des Kabels teilweise zu kompensieren. Doch wirkt sich diese Massnahme nur auf das Zuleitungskabel aus und hat keinerlei Einfluss auf die Grundkapazität der Sensorplatten und der Befestigung, sodass durch diese Massnahme nicht viel gewonnen werden kann. Ziel der Erfindung ist es, bei einem Näherungsgeber der eingangs erwähnten Art die Grundkapazität zu verkleinern, um eine höhere Stabilität des Gebers und eine grössere Unempfindlichkeit desselben gegen Umwelteinflüsse zu erreichen. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Ausgang des Verstärkers mit einer zwischen den mit dem Generator ständig verbundenen Elektroden angeordneten Zwischenelektrode verbunden ist, die gegenüber den beiden übrigen Elektroden isoliert angeordnet ist. Durch diese MaXnahmenergibt sich eine wesentliche Verkleinerung der Grundkapazität gegenüber Masse, verglichen mit den bekannten Lösungen. Ausserdemhaben parasitäre ohm' scheBelastungen keinen nennenswerten Einfluss auf die Stabilität der Einrichtung und die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Weiters ergibt sich auch der Vorteil einer nur sehr geringen Emp findlichkeitauf das Eindringen von Fremdstoffen,wie z.B. Schmutz, zwischen die Elektroden und auf kleinere Deformationen derselben. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Zwischenelektrode eine Fläche aufweist, deren Grösse zwischen jener der beiden übrigen Elektroden liegt, wobei die kleinste Elektrode im wesentlichen zentrisch zur Zwischenelektrode angeordnet ist und die letztere die kleinere Elektrode im wesentlichen allseitig überragt, wobei vorzugsweise die drei Elektroden parallel und im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kommt es zu einer sehr günstigen Feldverteilung. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen einer mit dem Generator und der mit dem Verstärker verbundenen Zwischenelektrode eine weitere Zwischenelektrode angeordnet ist, in deren Bereich eine von dieser isolierte, Referenzelektrode vorgesehen ist, deren Fläche wesentlich kleiner als jene der weiteren Zwischenelektrode ist, wobei die Referenzelektrode mit einem weiteren Ausgang des Generators verbunden ist und die weitere Zwischenelektrode mit dem Ausgang eines mit der Referenzelektrode eingangsseitig verbundenen weiteren Verstärkers verbunden ist. Durch diese MaEnahmenist eine sehr weitgehende Kompensation allfälliger Umwelteinflüsse möglich, da sich diese sowohl auf den Wert der durch die Referenzelektrode und die erste Zwischenelektrode gebildete Referenzkapazität, wie auch auf die sich zwischen Masse und der aussenliegenden, mit dem Ausgang des Generwatorsverbundenen Elektrode liegeneden Messkapazität auswirken. Dadurch kann bei einer Änderung des Wertes der Referenzkapazität auch der erfasste Wert der Messkapazitätentsprechend korrigiert werden. In diesem Zusammenhang kann die Referenzkapazität so dimensioniert werden, daRderen Wert dem Wert der Messkapazitätim wesentlichen entspricht. Der Generator kann dabei durch zwei Schwingkreise gebildet sein, die durch die Mess-bzw. die Referenzkapazität beeinflussbar sind. Da die Referenzkapazität im wesentlichen konstant bleibt, bzw. sich nur aufgrund geänderter Umwelteinflüsse ändert, kann von dem Verhältnis der Frequenzen, mit denen die beiden Schwingkreise des Generators schwingen, auf den Wert der Messkapazitätgeschlossen werden, der z.B. vom Abstand der entsprechenden Elektrode von einem mit Masse verbundenen Teil abhängt. Ein besonders einfacher Aufbau eines solchen Näherungsgebers ergibt sich, wenn die Referenzelektrode in der Ebene der weiteren Zwischenelektrode angeordnet ist und vorzugsweise von dieser allseitig umschlossen ist. Ein solcher Aufbau läDt sich leicht in der Weise herstellen, dass eine auf einem isolierenden Substrat aufgebrachte leitende Schichte entlang der Begrenzung der vorgesehenen Referenzelektrode, z. B. durch Ätzen, entfernt wird.Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemässenNäherungsgeber mit Auswerteschaltung,Fig. 2 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Näherungs gebers, Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch den Näherungsgeber nach der Fig. 2,Fig. 4 schematisch die Feldverteilung bei einem Anwen dungsbeispiel eines erfindungsgemässen Näherungsschalters, und dieFig. 5 a' bis f schematisch verschiedene Anwendungsmög lichkeiten für einen erfindungsgemässen Näherungsgeber. Der Ausgang des Generators 5, der z. B. durch einen Schwingkreis gebildet sein kann, ist mit einer Elektrode 1 des Nähe rungsgebersverbunden. An diesen Ausgang des Generators ist weiters der Eingang eines Verstärker 4 angeschlossen. Der Generator 5 ist an Masse angeschlossen und damit mit der ebenfalls an Masse angeschlossenen Elektrode 3 gekoppelt. Selbstverständlich könnte auch eine Verbindung über eine entsprechende Leitung vorgesehen sein. Wesentlich ist dabei lediglich, dass sich der Generator und die Elektrode 3 auf dem gleichen Potential befinden. So könnte eine solche Verbindung z. B:auch über die Karosserie eines Fahrzeuges hergestellt sein. Zwischen diesen beiden Elektroden 1 und 3, die vom Generator 5 direkt beaufschlagt sind, der ein Wechselspannungssignal an diese Elektroden legt, wobei dieses Sinusform oder auch eine andere beliebige Signalform, z.B. Dreieckform haben kann, ist bei der Aus führungs formnach der Fig. 1 eine Zwischenelektrode 2 angeordnet, die mit dem Niederimpedanz-Ausgang des Verstärkers 4 verbunden ist. Damit wird auch diese Elektrode 2 mit einem ähnlichen Signal beaufschlagt, wie die Elektrode 1, d.h. dassdie an die Elektroden 1 und 2 angelegten Signale die gleiche Form und vorzugsweise auch die gleiche Amplituaehaben. Die Ausgangsimpedanzdes Verstärkers 4 bewegt sich vorzugsweise in der Grössenordnung von 0, 1 bis 10 Ohm.Bei einer Annäherung eines Gegenstandes an den Näherungsgeber ändert sich die Kapazität der Elektrode 1 gegen Masse, wodurch sich auch der Arbeitspunkt des Generators 5 und damit dessen Ausgangssignal, z. B. in desssen Frequenz oder Tastverhältnis ändert. Diese Änderungen werden in der Auswerteschaltung 6 erfasst und, je nach dem jeweiligen Einsatz, in entsprechende Steuer- oder Warnsignale umgesetzt. Fig. 4 zeigt den Einfluss eines sich dem Näherungsgeber 1, 2, 3, der z.B. in einer Mauer untergebracht, oder in eine Flüssigkeit eingetaucht sein kann, nähernden Gegenstand 13 auf das sich um den NBherungsgeberausbildenden elektrischen Feldes 9. Dabei schirmt das Feld 9 der Zwischenelektrode 2 teilweise den Einfluss eines sich sonst zwischen den Elektroden 1 und 3 ausbildenden elektrischen Feldes ab. Es kommt daher zur Ausbildung des elektrischen Feldes 10 der Elektrode 1. Dieses schliesst sich über einen relativ grossen Weg zur Elektrode 3, wobei dieser Weg durch den sich nähernden Gegenstand 13 mehr und mehr verkürzt wird und es dabei überdies zu Verzerrungen kommt. Dies führt zu einer Änderung der Kapazität der Elektrode 1 gegen Masse. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 ist neben der Zwischenelektrode 2 eine weitere Zwischenelektrode 20 vorgesehen, in deren Ebene eine Referenzelektrode 21 angeordnet ist, die durch einen umlaufenden Spalt 22 des elektrisch leitenden Belages der Zwischenelektrode 20 von dieser getrennt ist. Dabei umschliesst die weitere Zwischenelektrode 20 die Referenzelektrode 21. Die Referenzelektrode 21 ist mit einem weiteren Ausgang des Generators 5' verbunden, an den auch ein weiterer Verstärker 4' angeschlossen ist, dessen Niederimpedanzausgang mit der weiteren Zwischenelektrode 20 verbunden ist. Der Generator 5kann im wesentlichen durch zwei Schwingkreise gebildet sein, die über getrennte Ausgänge mit den Elektroden 1, bzw. 21 und den Verstärkern 4, 4' verbunden sind. Die Referenzelektrode 21 bildet mit der Zwischenelektrode 2 eine Referenzkapazität Ctif,die vorzugsweise derart bemessen ist, dass sie in der Grössenordnung der durch die Elektrode 1 und Masse bestimmten Messkapazität C > cliegt.Die Erfassung der Werte der beiden Rapazitäten C=.fund Cxkann in der Weise erfolgen, dass das Verhältnis der Frequenzen der im Generator enthaltenen Schwingkreise erfasst wird, welche Frequenzen von den erwähnten Kapazitäten beeinflusst werden. So wirken sich mechanische, thermische, chemische und andere Störeinflüsse, die zu Änderungen der Werte der beiden Kapazitäten führen auf beide aus, wodurch das Verhältnis der Frequenzen der Schwingungen der beiden Schwingkreise kaum beeinflusst wird und daher das Ergebnis der Messung kaum beeinflusst. Nähert sich dagegen ein Gegenstand dem Näherungsgeber nach der Fig. 2, so ändert sich dadurch lediglich die Messkapazität Cx,nicht aber die Referenzkapazität Drei,wodurch sich auch das Verhältnis der Frequenzen der beiden Schwingkreise des Generators 5' ändert, das in der Auswerteschaltung 6 ermittelt wird. Dabei ergibt sich bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 eine Feldverteilung, die der in der Fig. 4 dargestellten im wesentlichen entspricht. Die Ausführungsform nach der Fig. 2 kann auch in der Weise abgeändert werden, dass zwischen den beiden Zwischenelektroden 2 und 20 eine weitere mit Masse, und daher mit dem Generator 5' verbundene Elektrode angeordnet ist, sodass sich die Referenzkapazität Crefzwischen der Referenzelektrode 21 und der zwischen den Zwischenelektroden2, 20 angeordneten mit Masse verbundenen Elektrode ausbildet, die in der Fig. 2 nicht dargestellt ist. Die Anordnung dieser weiteren, mit Masse verbundenen Elektrode ist insbesondere bei Generatoren 5von Vorteil, deren Ausgänge Signale mit unterschiedlichen Frequenzen liefern, damit sich Interferezerscheinungen nicht im Messergebnis auswirken. Die Fig. 5a bis f zeigen verschiedene Anwendungsbeispiele von erfindungsgemässen Näherungsgebern. So zeigt Fig. 5a eine Anwendung als Abstandssensor bei einem Fahrzeug, wobei die Elektrode 3 durch die Karosserie gebildet ist und die Zwischenelektrode 2 und die Elektrode 1 über elektrisch isolierende Halterungen mit der Karosserie verbunden sind. Bei einer Annäherung an ein Hindernis ändert sich die Kapazität der Elektrode 1 gegen Erde, welche Änderung entsprechend ausgewertet werden kann, z.B. zur Aktivierung eines optischen oder akustischen Warnsignales. Fig. 5bzeigt ein Beispiel einer Anwendung des Näherungsgebers nach der Fig. 1 bei einer Aufzugs türe. Dabei ist die Elektrode 3 durch den metallischen Türstock gebildet, an dessen der Türe zugekehrten Stirnfläche die Zwischenelektrode 2 und die Elektrode 1, jeweils über elektrisch isolierende Zwischenlagen voneinander getrennt aufgebracht sind, wobei diese Elektroden gemäss der Fig. 1 angeschlossen sind. Beim Beispiel 5c ist ein Bodensensor nach der Fig. 1 aufgebaut, wobei die Elektrode 3 durch die Erde gebildet ist, in der die beiden anderen Elektroden 1 und 2 eingebettet sind. Der Anschluss der Elektroden an den Generator und den Verstärker ist gleich, wie bei der Fig. 1. Nähert sich eine Person dem Bodensensor, so ändert sich dessen Kapazität, welche Änderung entsprechend ausgewertet werden kann. Fig. 5d zeigt eine Lösung für einen Näherungsgeber als Sicherung z.B. für Bilder od. dgl. Dabei bildet die Mauer die Elektrode 3 und das zu schützende Objekt die Elektrode 1. Die Zwischenelektrode 2 ist gegen beide isoliert angeordnet. Bei Annäherung einer Person oder eines Gegenstandes ändert sich die Kapazität der Elektrode 1 gegen Masse, welche Änderung entsprechend ausgewertet werden kann. Fig. 5ezeigt die Verwendung eines Näherungsgebers nach der Fig. 1 als berührungslos arbeitende Taste. Diese besteht aus einer mit Masse verbundenen elektrisch leitenden Folie, einer an dieser isoliert angeordneten Zwiischenelektrode 2, in deren Ebene eine von dieser isolierte Elektrode 1 angeordnet ist, wobei die Elektroden gemäss der Fig. 1 mit dem nicht dargestellten Generator und einem Verstärker verbunden sind.
权利要求:
Claims PATENTANSPRÜCHE 1. RapazitiverNäherungsgeber bei dem zwei voneinander iso liert gehaltene Elektroden mit einem Signalgenerator elek trisch verbunden sind, von denen mindestens eine flächig ausgebildet ist, wobei der Eingang eines Verstärkers mit einer dieser Elektroden verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ausgang des Verstärkers (4) mit einer zwischen den mit dem Generator (5) ständig verbundenen Elektroden (1,3) angeordneten Zwischenelektrode (2) verbunden ist, die gegenüber den beiden übrigen Elektroden (1, 3) isoliert angeordnet ist. 2. Näherungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektrode (2) eine Fläche aufweist, derenGrösse zwischen jener der beiden übrigen Elektroden (1, 3) liegt, wobei die kleinste Elektrode (1) im wesentlichen zentrisch zur Zwischenelektrode (2) angeordnet ist und die letztere die kleinere Elektrode (1) im wesentlichen all seitig überragt. 3. Näherungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Elektroden (1, 2, 3) parallel und im wesent lichen konzentrisch zueinander angeordnet sind. 4. Näherungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer mit dem Generator (5) und der mit demVerstärker (4) verbundenen Zwischenelektrode (2) eine wei tere Zwischenelektrode (20) angeordnet ist, in deren Be reich eine von dieser isolierte, Referenzelektrode (21) vorgesehen ist, deren Fläche wesentlich kleiner als jene der weiteren Zwischenelektrode (20) ist, wobei die Refe renzelektrode (21) mit einem weiteren Ausgang des Genera tors (5' ) verbunden ist und die weitere Zwischenelek trode (20) mit dem Ausgang eines mit der Referenzelek trode (21) eingangsseitig verbundenen weiteren Verstär kers (4' ) verbunden ist. 5. Näherungsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (21) in der Ebene der weiterenZwischenelektrode (20) angeordnet ist und vorzugsweise von dieser allseitig umschlossen ist. 6. Näherungsgeber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daD zwischen den beiden Zwischenelektroden(2, 20) eine weitere, mit einem eine Potentialdifferenz zum mit der Re ferenzelektrode (21) verbundenen Ausgang des Genera tors (5' ) aufweisenden Ausgang desselben verbundene Elek trode angeordnet ist.
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