DE102008018671B4 - Berührungsdetektionseinrichtung für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Berührungsdetektionseinrichtung, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung ein RC-Glied, einen kapazitiven Berührungssensor (12) als Teil des RC-Gliedes, und eine Auswerteeinrichtung (10, 20) zur Korrektur eines Ausgangssignals (S) des kapazitiven Berührungssensors (12) mittels eines Temperaturkorrekturwertes (δT) und zur Erzeugung eines Eingangssignals (P1) für das RC-Glied umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Berührungsdetektionseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem kapazitiven Berührungssensor und einer Auswerteeinrichtung.
• Aus der DE 299 02 607 U1 ist eine Geräteanordnung zum Nachweis von Verkehrssündern bekannt, die Schäden, verursacht durch so genannte Parkplatzrempler oder Schäden durch Einbrüche am Fahrzeug dokumentiert. Dabei löst ein Erschütterungssensor einen Fotoapparat aus, der im Bereich der Hutablage des Fahrzeugs angeordnet ist und den Erschütterungsverursacher bildlich festhalten soll.
• Aus der EP 0 962 359 A2 ist ein Aufzeichnungsgerät für einen Zustand unmittelbar nach einem Unfall und für in das Fahrzeug einbrechende Personen bekannt. Dieser Zustand wird nach Detektion einer Erschütterung mit einer optischen Aufnahme- und Aufzeichnungseinrichtung dokumentiert. Gleiches gilt für die Detektion von in das Fahrzeug einbrechenden Personen.
• In der Veröffentlichung „Der Lack ist die Lösung“ aus der Zeitschrift Elektromechanik, April 2002, Seite 72 bis 75 ist ein piezoelektrischer Lack beschrieben, der zur Erzeugung eines Spannungsimpulses in einem Schalter unter einer Tastatur angeordnet ist. Der piezoelektrische Lack wird derart hergestellt, dass piezoelektrische Kristalle in den Lack eingebracht werden, um ein druckfähiges Materialgemisch zu erhalten. Zur Herstellung der Schalter werden Leiterbahnen zum Anschluss der Schalter auf isolierende Folien gedruckt und der piezoelektrische Lack wird dann selektiv auf die Leiterpositionen aufgetragen. Das piezoelektrische Material ist sodann noch zu polarisieren, indem eine Spannung an die Leiter angelegt wird, nachdem der Schalter zusammengebaut wurde. Derartige Schalter sind in der Lage, membranartige, galvanische schaltende Schaltelemente mit einem Kontakthub und kapazitiv wirkende Schaltelemente zu ersetzen.
• Zur Vermeidung von Kabelleitungen und zugehörigen Kupplungselementen zwischen einer beweglichen Handhabe und dem zugehörigen Fahrzeug wird in der DE 103 09 148 A1 vorgeschlagen, in der Handhabe mindestens eine Sendeeinheit und im Fahrzeug die dazugehörige Empfangseinheit zu integrieren, wobei die Sendeeinheit die Sendeenergie aus einem piezoelektrischen Element, beispielsweise einem in der Handhabe angebrachten piezoelektrischen Lack, bezieht.
• Ein Verfahren zur Überwachung eines im Freien abgestellten Objekts, wie Flugzeug oder Kraftfahrzeug, ist Gegenstand der DE 33 15 831 A1 . Das Verfahren beruht auf einer kapazitiven Berührungsmeldeschaltung zur Erfassung einer Frequenzänderung bei einem Berühren des Objekts. Die Assistenzvorrichtung in einem Fahrzeug zur Einstellung verschiedener Fahrzeugkomponenten nach dem Benutzerprofil des jeweiligen Fahrers erfasst über eine Kamera und/oder über einen Sprachprozessor die spezifischen Merkmale einer auf dem zugehörigen Fahrersitz sitzenden Person.
• Aus der DE 102 57 125 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung zum Schutz von Fußgängern und Zweiradfahrern beim Aufprall auf eine Fronthaube eines Personenkraftwagens als bekannt zu entnehmen, bei welcher die Stellglieder zum Verstellen der Fronthaube über ein Signal eines piezoelektrischen Foliensensors gesteuert werden.
• DE 35 42 697 A1 beschreibt ein Aufnahmegerät für einen Auffahrunfall mit einer Fotokamera, welche durch ein Beschleunigungsmessgerät bei Überschreitung eines vorgegebenen Beschleunigungswerts aktiviert wird. Bei dem Verkehrsunfalldokumentationssystem gemäß der DE 299 18 812 U1 findet die Aktivierung durch einen Schock-Sensor statt. Die Erfassungsvorrichtung gemäß der DE 102 23 123 A1 umfasst mindestens einen Sensor zum Erfassen eines Zusammenstoßens mit einem Fahrzeug und einer Kameravorrichtung zur optischen Erfassung des betreffenden Fahrzeugs.
• Die DE 10 2006 012 336 A1 offenbart ein Verfahren zur Berührungsdetektion für ein Kraftfahrzeug mit einem Berührungssensor und einer fahrzeugeigenen Auswerteeinrichtung. Der Berührungssensor ist dabei beispielsweise als ein auf einem Kraftfahrzeugteil aufgebrachter und elektrisch mit der Auswerteeinrichtung kontaktierter piezoelektrischer Lack ausgebildet, wobei die Auswerteeinrichtung bei Berührung des piezoelektrischen Lacks mit einem Objekt mindestens ein Ausgangssignal erzeugt.
• Die DE 600 27 416 T2 offenbart eine Glasberührungsabfühlschaltung, die im Stande ist, ein Abfühlsignal, das sich aus einer Berührung eines Benutzers ergibt, zu erfassen, ohne von Temperaturänderungen beeinflusst zu werden.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Berührungsdetektionseinrichtung anzugeben.
• Vorgenannte Aufgabe wird durch eine Berührungsdetektionseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung ein RC-Glied, einen kapazitiven Berührungssensor als Teil des RC-Gliedes, und eine Auswerteeinrichtung zur Korrektur eines Ausgangssignals des kapazitiven Berührungssensors mittels eines Temperaturkorrekturwertes und zur Erzeugung eines Eingangssignals für das RC-Glied umfasst, wobei der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmbar ist.
• Eine Auswerteeinrichtung im Sinne der Erfindung kann zum Beispiel ein Prozessor sein. Eine Auswerteeinrichtung im Sinne der Erfindung kann jedoch auch ein verteiltes System mit mehreren räumlich getrennten Komponenten sein.
• Ein kapazitiver Berührungssensor im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Piezosensor bzw. ein piezoelektrischer Sensor. Ein kapazitiver Berührungssensor im Sinne der Erfindung kann zum Beispiel ein eingangs beschriebener Piezolack oder eine unter Bezugnahme auf die Figuren beschriebene Piezofolie sein. Piezo- bzw. piezoelektrische Sensoren sind zudem zum Beispiel aus der DE 100 31 793 C1 bekannt. Die EP 0 310 490 B1 offenbart einen temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator. Verfahren zur Temperaturkompensation sind zudem aus der DE 42 11 997 A1 , der DE 34 27 743 A1 , der EP 1 123 492 B1 und der deutschen Offenlegungsschrift 1 773 187 bekannt.
• Ein RC-Glied im Sinne der Erfindung umfasst insbesondre einen ohmschen Widerstand und einen Kondensator.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das nicht durch das Eingangssignal bedingte Ausgangssignal des RC-Gliedes, sondern das mittels des Temperaturkorrekturwertes korrigierte Ausgangssignal des kapazitiven Berührungssensors auf Überschreiten eines Grenzwertes überwacht wird. Dabei kann im Übrigen vorgesehen sein, dass der Grenzwert mittels eines inversen Temperaturkorrekturwertes korrigiert wird und das Ausgangssignal des kapazitiven Berührungssensors unkorrigiert bleibt. Diese Korrektur des Grenzwertes, die eine mittelbare Korrektur des Ausgangssignals des kapazitiven Berührungssensors darstellt, soll auch eine Korrektur des Ausgangssignals des kapazitiven Berührungssensors im Sinne der Erfindung sein. Überschreitet das mittels des Temperaturkorrekturwertes korrigierte Ausgangssignal des kapazitiven Berührungssensors vorgenannten Grenzwert, so wird ein Warnsignal erzeugt oder ein entsprechender Warnflag gesetzt. Als Folge kann zum Beispiel ein akustisches Warnsignal erzeugt werden. Andere Maßnahmen bei Auslösen eines entsprechenden Warnsignals bzw. Setzen eines entsprechenden Warnflags sind der DE 10 2006 012 336 A1 zu entnehmen.
• In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der kapazitive Berührungssensor einen flächig ausgestalteten Piezosensor oder ist als flächiger Piezosensor ausgestaltet. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der kapazitive Berührungssensor eine Piezofolie oder ist als Piezofolie ausgestaltet. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bildet die Kapazität des kapazitiven Berührungssensors im Wesentlichen die Kapazität des RC-Gliedes. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Eingangssignal ein periodisches Signal. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Eingangssignal im Wesentlichen ein periodisches Rechtecksignal. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmbar. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines, insbesondere arithmetischen, Mittelwertes eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmbar.
• Vorgenannte Aufgabe wird - insbesondere in Verbindung mit vorgenannten Merkmalen - zudem durch ein Verfahren zum Betrieb einer Berührungsdetektionseinrichtung gelöst, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung ein RC-Glied und einen kapazitiven Berührungssensor als Teil des RC-Gliedes umfasst, wobei ein Ausgangssignal des kapazitiven Berührungssensors mittels eines Temperaturkorrekturwertes korrigiert wird, wobei ein Eingangssignal für das RC-Glied erzeugt wird, und wobei der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmt wird.
• In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmt. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Temperaturkorrekturwert in Abhängigkeit eines, insbesondere arithmetischen, Mittelwertes eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals des RC-Gliedes bestimmt.
• In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Temperaturbereich oder der Arbeitsbereich des Filters so ausgewählt, dass für ein Maximum der Empfindlichkeit des Filters in einem für den automobilen Einsatz üblichen Bereich zwischen -40 °C und 150 °C, entsprechend einem Arbeitsbereich von α = 0,15 bis 0,38, vorzugsweise das Maximum der Empfindlichkeit in der Mitte des Temperaturbereichs von 55 °C, entsprechend einem Filterfaktor von α = 0,24 festgelegt wird.
• Vorgenannte Aufgabe wird - insbesondere in Verbindung mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale - zudem durch ein Verfahren zum Betrieb einer Berührungsdetektionseinrichtung gelöst, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung einen Piezo-Berührungssensor umfasst, wobei ein Ausgangssignal des Piezo-Berührungssensors erfasst wird, wobei nach Erfassung des Ausgangssignals ein, insbesondere periodisches Testsignal an den Piezo-Berührungssensor angelegt wird, und wobei das zuvor gemessene Ausgangssignal des Piezo-Berührungssensors in Abhängigkeit einer Veränderung, insbesondere der Dämpfung, des Testsignals korrigiert wird. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Testsignal im Wesentlichen ein periodisches Rechtecksignal.
• Vorgenannte Aufgabe wird - insbesondere in Verbindung mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale - zudem durch ein Verfahren zum Betrieb einer Berührungsdetektionseinrichtung gelöst, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung einen Piezo-Berührungssensor umfasst, wobei ein Ausgangssignal des Piezo-Berührungssensors erfasst wird, wobei nach Erfassung des Ausgangssignals ein, insbesondere periodisches Testsignal an eine den Piezo-Berührungssensor umfassende Schaltung zur Erzeugung eines Reaktionssignals angelegt wird, und wobei das zuvor gemessene Ausgangssignal des Piezo-Berührungssensors in Abhängigkeit einer Veränderung, insbesondere der Dämpfung, des Reaktionssignals gegenüber dem Testsignals korrigiert wird. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Testsignal im Wesentlichen ein periodisches Rechtecksignal.
• Kraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein individuell im Straßenverkehr benutzbares Landfahrzeug. Kraftfahrzeuge im Sinne der Erfindung sind insbesondere nicht auf Landfahrzeuge mit Verbrennungsmotor beschränkt.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeuges in einer Draufsicht,
• 2 das Kraftfahrzeug gemäß 1 in einer Seitenansicht,
• 3 eine Sensorkapazität als Funktion der Temperatur,
• 4 ein Ausführungsbeispiel einer Berührungsdetektionseinrichtung,
• 5
  • (a) drei Pulse einer Pulsfolge und deren Verzerrung,
  • (b) die um die Symmetrieachse nach oben geklappten Pulse der unteren Halbwelle (durchgezogene Kurven) der Pulsfolge gemäß 5a,
• 6 ein Ersatzschaltbild ,
• 7
  • (a) Verlauf eines Spannungsmittelwerts,
  • (b) Empfindlichkeit als Funktion eines Filterfaktors,
• 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Berührungsdetektionseinrichtung,
• 9 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung und
• 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung.
• 1 zeigt eine Draufsicht eines Kraftfahrzeugs mit piezoelektrischen Bereichen B, d.h. Bereichen mit flächigen piezoelektrischen Berührungssensoren. Diese umfassen Teilbereiche von Kraftfahrzeugaußenteilen, und zwar Teilbereiche des vorderen und hinteren Stoßfängers, Teilbereiche der Türen und Kotflügel. Bei einer Berührung der bzw. Kraftausübung auf die piezoelektrischen Bereiche wird mindestens ein Spannungsimpuls erzeugt, der einer in 4 und 9 detailliert dargestellten Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Dabei ist auch eine Berührung außerhalb der piezoelektrischen Lackbereiche detektierbar, sofern diese Berührung zu einer Kraftbeaufschlagung des piezoelektrischen Bereichs führt.
• In dem Kraftfahrzeug ist eine Bildaufzeichnungsvorrichtung K1, z.B. eine CCD-Kamera, angeordnet, welche nach Berührungsdetektion - also Ausgabe eines Warnsignals oder setzen eines Warnflags - mindestens eine Bildaufzeichnung vornimmt. Dabei kann ein Bild, eine Bildfolge mit definierten Zeitabständen zwischen den Bildern oder ein Videofilm erstellt werden. Zusätzlich kann über eine Schallaufzeichnungsvorrichtung, beispielsweise ein Mikrofon M einer im Fahrzeug angeordneten Telefonfreisprecheinrichtung, ein Audiosignal aufgezeichnet werden. Dabei kann die Schallaufzeichnungsvorrichtung auch außerhalb der Fahrzeugkabine angeordnet sein. Die Schallaufzeichnung dient dazu, die Ursache oder den Verursacher der Berührung genauer zu ermitteln, indem sie weitere Daten zur Verfügung stellt, welche beispielsweise für eine Plausibilitätsprüfung herangezogen werden können. Damit die Aufzeichnungen genauen Zeiten und Orten zugeordnet werden können, werden zusätzlich die Ortsdaten des Navigationssystems (Standort des Fahrzeugs), das Datum und die Uhrzeit, die beispielsweise aus den Empfangsdaten einer fahrzeuginternen Funkuhr stammen, mit aufgezeichnet.
• Sofern weitere Bildaufzeichnungsvorrichtungen am Fahrzeug vorhanden sind, zeichnen auch diese Bilder auf. So können beispielsweise auch die Daten einer Front-View-Kamera K4 oder K2, die Daten einer Rear-View-Kamera K3 und auch Side-View-Kameras K5, K6 zur Aufzeichnung verwendet werden. Die Bildaufzeichnungsvorrichtung K1 ist im Ausführungsbeispiel als eine um 360° drehbare Kamera ausgeführt und nimmt bei einem horizontalen Drehvorgang Bilder auf.
• 2 zeigt eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit piezoelektrischen Bereichen B, welche gestrichelt dargestellt sind. Erkennbar ist in diesem Ausführungsbeispiel, dass die piezoelektrischen Lackbereiche B Teilbereiche der Türen, der Kotflügel und der Stoßfänger sind. Dabei ist es nicht notwendig, dass diese Bereiche auf der Fahrzeugaußenseite oder der Fahrzeugaußenhaut angeordnet sind. Auch eine Anordnung auf der von der Fahrzeugsaußenseite abgewandten Seite zur Signalerfassung ist möglich.
• Die piezoelektrischen Bereiche B können zum Beispiel mittels in der DE 10 2006 012 336 A1 beschriebenen piezoelektrischen Lackbereiche oder mittels einer nachfolgend beschriebenen piezoelektrischen Folie (zum Beispiel Dynasimfolie) implementiert werden. Bei den Anwendungen der Piezosensoren zur Berührungserkennung an großen Objekten, wie der Automobilkarosserie, sollten entsprechend der Formgebung vorrangig elastische und flexible Piezovarianten verwendet werden. Solche Piezosensoren sind beispielsweise die Dynasimfolien des Herstellers ALGRA. Sie haben einen mehrschichtigen technischen Aufbau umgeben von Polymerfolie, wodurch eine gewisse Elastizität erreicht wird. Die Dynasimfolien sind vergleichsweise preisgünstig, zeigen jedoch weit höhere Temperaturabhängigkeiten als die oben erwähnten Piezokeramiken.
• Die Temperaturabhängigkeiten des Signals von Dynasimfolien sind nicht nur auf den Piezoeffekt allein zurückzuführen, sondern auch auf die Zunahme der Leckströme infolge verschlechterter Isolatoreigenschaften des Kristalls. Laut dem Hersteller ALGRA beträgt die temperaturabhängige Steigerung der Kapazität ca. 0,5 % K^-1, während die temperaturabhängige Steigerung des Leckstroms weit höher ist und 10 % K^-1 beträgt. 3 zeigt die berechnete Temperaturabhängigkeit der Sensorkapazität als Funktion der Temperatur θ. Hierbei wurde für die Dynasimfolie die temperaturabhängige Steigerung der Kapazität von 0,5 % K^-1 und eine typische Kapazitätsgröße von 5 nF bei Temperatur θ = 25 °C angenommen. Die Temperaturabhängigkeiten führen bei Erwärmung zur erheblichen Schwächung des Ausgangssignals von über 1 % K^-1 (M. König, Diplomarbeit, Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel, 2005)
• 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Berührungsdetektionseinrichtung. Die Berührungsdetektionseinrichtung weist einen piezoelektrischen Berührungssensor 12 und eine als Mikroprozessor 10 ausgestaltete Auswerteeinrichtung auf. Dabei ist eine Piezoelektrode mit Masse verbunden. Die andere Piezoelektrode sendet das Signal S nach Einwirkung einer Berührung bzw. eines Schocks (dargestellt durch Pfeil 15).
• Für Anwendungen im Bereich der Berührungserkennung ist für Signal S das Frequenzspektrum <100 Hz relevant. Nach der Signalverstärkung durch einen Verstärker 11 wird Signal S über den A/D-Eingang E1 dem Mikroprozessor 10 zur weiteren Verarbeitung eingegeben. Erkennt der Mikroprozessor 10 bzw. der Algorithmus seiner Software, dass ein Piezosignal eingegangen ist, wird die Signalintensität beurteilt. Ist die Signalintensität überschwellig, d.h. höher als eine bestimmte, in diesem Fall sehr niedrige vordefinierte Grenze, wird der Mikroprozessor 10 das Signal als warnungsrelevant einstufen und kann durch Ausgang A1 - durch Ausgabe eines Warnsignals oder Setzen eines Warnflags - vorgesehene Aktionen, z.B. Aktivierung einer Alarmanlage, auslösen.
• Zur Bestimmung der temperaturabhängigen Signalkorrekturen wird der piezoelektrische Berührungssensor 12, wie in 4 dargestellt, mit einer vom Ausgang A2 ausgehenden elektrischen Pulsfolge P1 (hier z.B. Rechteckspannung) beaufschlagt. Eine Anzahl von etwa 10 Pulsen ist für die Pulsfolge P1 vorteilhaft. Es ist vorteilhaft, die Amplitude der Pulsfolge P1 vor der weiteren Verarbeitung auf die Größenordnung der Amplitude von Signal S zu reduzieren. Bevor die Pulsfolge P1 Eingang E1 des Mikroprozessors 10 erreicht, kann deren Amplitude durch den Spannungsteiler R1 + R2 reduziert und die Pulsfolge P2 erzeugt werden, damit keine Signalübersteuerung durch den Verstärker 11 geschieht. Die Sensorkapazität C_P und der Widerstand R verhalten sich der Pulsfolge P2 gegenüber wie ein RC-Glied. Der Einfluss von diesem RC-Glied führt zur Dämpfung und Verzerrung der Pulsfolge P2.
• Die Diode D in 4 dient dazu, dass das ohnehin leistungsschwache Signal S nicht über die Widerstände R und R2 nach Masse geleitet und schwächer wird. Der Einsatz der Diode D führt auch dazu, dass die Eingangsimpedanz des Verstärkers 11 nicht durch den viel niedrigen Widerstand R + R2 nachteilig reduziert wird.
• In 5a sind drei Pulse der Pulsfolge P2 (durchgezogen) dargestellt. Bevor die Pulse P2 den Mikroprozessoreingang E1 erreichen, werden sie durch das Filter RC_P gedämpft (vergleiche 4). Das gedämpfte Signal P3 (gestrichelt) erreicht dann Eingang E1. In 5 ist der Einfachheit halber der Spannungsabfall an der Diode D unberücksichtigt geblieben.
• 6 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltung in 4 (ohne Diode D). Am Kondensator C_P liegen ungleichzeitig die beiden Spannungsamplituden Us (von Sensorsignal S) und U_P3 (vom Signal P3). Die Pulse P3 liegen genau dann am Verstärkereingang an, wenn die zeitliche Änderung von Us unter einer vordefinierten Schwelle liegt.
• Anhand der bereits beschriebenen Temperaturabhängigkeiten der Sensorparameter soll im Folgenden eine Vorgehensweise zur Schaltungsdimensionierung und -optimierung unter Berücksichtigung eines konkreten Zahlenbeispiels gezeigt werden.
• Der Mittelwert U_m des Signals P3 innerhalb einer Halbperiode T/2 beträgt: $${\text{U}}_{\text{m}}={\text{U}}_{\text{P}2}\left(1-\mathrm{\alpha }+\mathrm{\alpha }{\text{e}}^{\frac{-1}{\mathrm{\alpha }}}\right)$$

  

  wobei der Filterfaktor $\mathrm{\alpha }=\frac{2\mathrm{\tau }}{\text{T}}=2\mathrm{\tau }ƒ,$

  

  α die Zeitkonstante τ = RC_P und f die Pulsfrequenz sind. Der Filterfaktor α nimmt mit der Frequenz f und Kapazität C_P zu. Infolge der Abhängigkeit des Filterfaktors α von der Kapazität C_P steigt α mit der Temperatur an. 7a zeigt den Verlauf von U_m als Funktion von Filterfaktor α, wobei U_P2 gleich 1 angenommen wurde. Aus 7a ist ersichtlich, dass U_m zuerst mit der zunehmenden Variable α (bis α ~ 0,5) stark abnimmt, um dann langsamer gegen die Null zu gehen. Hierdurch wurde also auch die mathematische Abhängigkeit des Mittelwerts U_m von der Temperatur ermittelt.
• Zur Bestimmung eines Arbeitpunkts mit maximaler Empfindlichkeit für das Sensorsystem, ist der Absolutwert der normierten Ableitung vom Mittelwert nach der Variable α, d.h. |(1/U_m)(dU_m/dα)| zu berechnen. Diese normierte Ableitung ist ein Maß für die Empfindlichkeit η des Sensorsystems: $$\mathrm{\eta }=\left|\frac{1}{{\text{U}}_{\text{m}}}\cdot \frac{{\text{dU}}_{\text{m}}}{\text{d}\mathrm{\alpha }}\right|=\left|\frac{\left(1+\mathrm{\alpha }\right){\text{e}}^{\frac{-1}{\mathrm{\alpha }}}-\mathrm{\alpha }}{\mathrm{\alpha }\left(1-\mathrm{\alpha +\alpha }{\text{e}}^{\frac{-1}{\mathrm{\alpha }}}\right)}\right|$$

  
• 7b zeigt den Verlauf von |(1/U_m)(dU_m/dα)|, d.h. die Empfindlichkeit η des Sensors, als Funktion von α. Der Arbeitspunkt soll dort sein, wo die Empfindlichkeit η am höchsten ist. Das Maximum der Empfindlichkeit η wird beim Filterfaktor α_m = 0,24 erreicht.
• Der relevante Temperaturbereich im automotiven Sektor ist zwischen -40 °C und 150 °C. Wenn der Filterfaktor α_m genau in der Mitte des Temperaturbereichs, d.h. bei der Temperatur θ = 55 °C liegen soll, ist der C_P-Wert gemäß von 3 gleich 5,8 nF.
• Eine Frequenz f von 1 kHz ist für Pulsfolge P1 bzw. P2 vorteilhaft, damit eine eventuelle Mischung der Pulsfolge P2 und des Signals S (< 100 Hz) verhindert wird. Aus der Gleichung α = 2RC_Pƒ lässt sich der Wert vom Filterwiderstand R = 20,6 kΩ durch den Einsatz der bereits bekannten Werte von α_m = 0,24, C_P bei der Temperatur θ = 55 °C und Frequenz f = 1 kHz resultieren. Folglich sind die Werte von Filterfaktor α bei θ = -40 °C und 150 °C gleich 0,15 bzw. 0,38.
• In 7a und 7b ist der bereits ermittelte Arbeitsbereich (α = 0,15 ... 0,38) schraffiert gekennzeichnet. Wie aus 7a ersichtlich, variiert sich der Mittelwert U_m, mit der Annahme U_P2 = 1, zwischen 0,85 und 0,64. Dies macht, mit der Annahme einer linearen Temperaturabhängigkeit für U_m zwischen -40 °C und 150 °C (s. 7a), eine negative Steigung von ca. 0,1 % K^-1.
• Das Signal P3 wird mehrere Male von der Erfassungseinheit (in 4 realisiert durch den A/D-Wandler des Mikroprozessors 10) abgetastet. Es werden dann die Mittelwerte U_m der abgetasteten Spannungswerte jeder Halbwelle berechnet. Je größer die Signaldämpfung bzw. je länger die Zeitkonstante ist, desto kleiner sind die Mittelwerte U_m. Da die Zeitkonstante τ der temperaturabhängigen Kapazität C_P proportional ist, wird der Mittelwert U_m jeder Halbwelle auch temperaturabhängig sein. Die Mittelwerte U_m jeder Halbwelle können als Maß für die temperaturabhängige Verzerrung der Pulsfolge P2 betrachtet werden.
• Es lässt sich experimentell eine Kennkurve oder eine Normierungstabelle für die Temperaturabhängigkeit von U_m aufstellen. Die mittels der Kennkurve ermittelte Sensortemperatur kann eine temperaturabhängige Amplitudenkorrektur für das Piezosignal S ermöglichen. Ein Wert der Inversen dieser Kennkurve ist ein Ausführungsbeispiel für einen Temperaturkorrekturwert im Sinne der Erfindung.
• Zum Berechnen der Mittelwerte U_m werden die unteren Halbwellen der gedämpften Pulsfolge, quasi die Entladekurve, entweder software- oder hardwaremäßig wie in 5b dargestellt (durchgezogenen Kurven), gleichgerichtet. Bei einer softwaremäßigen Gleichrichtung wird jeder abgetastete Spannungswert der unteren Halbwellen, z.B. u_i in 5a, von der relativen Signalamplitude U_P2, subtrahiert. Eine hardwaremäßige Gleichrichtung der Pulsfolge P3 kann, bevor sie Eingang E1 erreicht, mittels eines konventionellen Gleichrichters gelöst werden.
• Es ist vorteilhaft den Mittelwert U_M aller Mittelwerte U_m zu berechnen. Die Verteilung der Mittelwerte U_m um den Wert von U_M darf dann eine vordefinierte empirische Größe nicht überschreiten. Im Fall einer zu hohen Varianz der U_m-Werte soll eine neue Pulsfolge P1 erzeugt werden. Es können auch andere übliche aktive und passive Filterungen unerwünschter Signale der Pulsfolge P3 vorgesehen werden.
• Es ist auch möglich, das Signal P3 durch einen anderen Eingang als E1, der von Eingang E1 vollständig (galvanisch) getrennt ist, zu erfassen. Dazu soll, wie in 8 gezeigt, der von Ausgang A0 eines Mikroprozessors 20 (Auswerteeinrichtung) gesteuerte elektronische Schalter 23 rechtzeitig die Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Berührungssensor 12 und dem Verstärker 11 trennen, um dann den piezoelektrischen Berührungssensor 12 mit Widerstand R und Mikroprozessoreingang E2 zu kontaktieren. Diese Lösung ist aufwändiger als die von 4 und erfordert einen elektronischen Schalter und einen zusätzlichen Mikroprozessorpin. Hierbei lässt sich auf den Spannungsteiler R1 + R2 und die Diode D verzichten. Da es keinen Spannungsteiler gibt, entfällt jedoch das reduzierte Signal P2.
• 9 zeigt die Arbeitsweise des Mikroprozessors 10 anhand eines Blockschaltbildes. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 31 einen Gleichrichter. Dieser entfällt, wenn ein entsprechender Hardware-Gleichrichter vor dem Eingangssignal E1 vorgesehen ist. Bezugszeichen 32 bezeichnet einen Mittelwertbildner und Bezugszeichen 33 ein Kennfeld zur Erzeugung des Temperaturkorrekturwertes δT. Bezugszeichen 34 bezeichnet einen Korrekturblock zur Korrektur des gleichgerichteten am Eingang E1 anliegenden Signals mittels des Temperaturkorrekturwertes δT. Der Korrekturblock 34 kann zum Beispiel als Multiplizierer ausgestaltet sein. Bezugszeichen 35 bezeichnet eine Grenzwertüberwachung. Übersteigt das Ausgangssignal des Korrekturblocks 34 einen bestimmten Grenzwert, so erzeugt die Grenzwertüberwachung 35 ein Warnsignal bzw. setzt einen Warnflag. Bezugszeichen 36 bezeichnet einen Signalgenerator zur Erzeugung des Signals P1.
• 10 zeigt die Arbeitsweise des Mikroprozessors 20. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen, wie in 9, gleiche oder gleichartige Elemente bzw. Funktionen. Mit Bezugszeichen 37 ist in 10 eine Steuerungsfunktion zur Steuerung des Schalters 23 bezeichnet.
• Bezugszeichenliste

10, 20

Mikroprozessor = Auswerteeinrichtung

11

Verstärker

12

(piezoelektrische/kapazitiver) Berührungssensor

15

Pfeil

23

Schalter

31

Gleichrichter

32

Mittelwertbildner

33

Kennfeld

34

Korrekturblock

35

Grenzwertüberwachung

36

Signalgenerator

37

Steuerungsfunktion

A0, A1, A2

Ausgang

B

Bereich

CP

Kapazität

D

Diode

E1, E2

Eingang

K1, K2, K3, K4, K5, K6

Kamera

M

Mikrofon

P1

Pulsfolge = Testsignal = Eingangssignal

P2

Pulsfolge = Signal

P3

Pulsfolge = Reaktionssignal = Ausgangssignal eines kapazitiven Berührungssensors bzw. eines RC-Gliedes bedingt durch ein Eingangssignal

R, R1, R2

ohmscher Widerstand

S

Ausgangssignal eines kapazitiven Berührungssensors bedingt durch mechanische Einwirkung

UP1

Spannung des Signals P1

UP2

Spannung über dem ohmschem Widerstand R₂, Spannung des Signals P2

UP3

Spannung des Signals P3

Um

Mittelwert der gleichgerichteten Spannung des Signals P3

Us

Spannung des Signals S

δT

Temperaturkorrekturwert

Claims (16)

1. Berührungsdetektionseinrichtung, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung ein RC-Glied, einen kapazitiven Berührungssensor (12) als Teil des RC-Gliedes, und eine Auswerteeinrichtung (10, 20) zur Korrektur eines Ausgangssignals (S) des kapazitiven Berührungssensors (12) mittels eines Temperaturkorrekturwertes (δT) und zur Erzeugung eines Eingangssignals (P1) für das RC-Glied umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmbar ist.
2. Berührungsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Berührungssensor (12) einen flächig ausgestalteten Piezosensor umfasst.
3. Berührungsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Berührungssensor (12) als flächiger Piezosensor ausgestaltet ist.
4. Berührungsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Berührungssensor (12) eine Piezofolie umfasst.
5. Berührungsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Berührungssensor (12) als Piezofolie ausgestaltet ist.
6. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C_P) des kapazitiven Berührungssensors (12) im Wesentlichen die Kapazität des RC-Gliedes bildet.
7. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (P1) ein periodisches Signal ist.
8. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (P1) im Wesentlichen ein periodisches Rechtecksignal ist.
9. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmbar ist.
10. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines Mittelwertes eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmbar ist.
11. Berührungsdetektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum der Empfindlichkeit des Filters in einem Bereich zwischen α = 0,15 bis 0,38, vorzugsweise mit dem Filterfaktor von α = 0,24 festgelegt wird.
12. Verfahren zum Betrieb einer Berührungsdetektionseinrichtung, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung ein RC-Glied, und einen kapazitiven Berührungssensor (12) als Teil des RC-Gliedes umfasst, wobei ein Ausgangssignal (S) des kapazitiven Berührungssensors (12) mittels eines Temperaturkorrekturwertes (δT) korrigiert wird, und wobei ein Eingangssignal für das RC-Glied erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkorrekturwert (δT) in Abhängigkeit eines, Mittelwertes eines gleichgerichteten von dem Eingangssignal (P1) abhängigen Ausgangssignals (P3) des RC-Gliedes bestimmt wird.
15. Verfahren zum Betrieb einer Berührungsdetektionseinrichtung, wobei die Berührungsdetektionseinrichtung einen Piezo-Berührungssensor (12) umfasst, wobei ein Ausgangssignal (S) des Piezo-Berührungssensors (12) erfasst wird, und wobei nach Erfassung des Ausgangssignals ein Testsignal (P1) an eine den Piezo-Berührungssensor (12) umfassende Schaltung zur Erzeugung eines Reaktionssignals (P3) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zuvor gemessene Ausgangssignal (S) des Piezo-Berührungssensors (12) in Abhängigkeit einer Veränderung des Reaktionssignals (P3) gegenüber dem Testsignals (P1) korrigiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsignal (P1) im Wesentlichen ein periodisches Rechtecksignal ist.

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