專利名稱：電容接近開關(guān)及具有該開關(guān)的家用器具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容接近開關(guān)(Annahemngsschalter )，具有由電絕 緣蓋板遮擋的導電的傳感器面，作為具有可通過近似而改變的電容的電容 器的一部分，該傳感器面與半導體開關(guān)的控制輸入端連接，該半導體開關(guān) 還具有帶有時鐘信號的信號輸入端和信號輸出端。本發(fā)明還涉及具有這樣 接近開關(guān)的家用器具。已公知有眾多的具有電容傳感器或開關(guān)的裝置。本發(fā)明涉及一種特殊 的電容式工作的開關(guān)，其中，導電的傳感器面被電絕緣的蓋板遮蓋。由此 用戶不直接接觸該傳感器面，而只是在接觸蓋板時接近它。傳感器面構(gòu)成 開放的電容器板，電容器的電容量取決于該板與第二板(如地)之間的距 離，該距離例如通過用戶手指的接近而改變。
背景技術(shù)：
一種這樣的電容式接近開關(guān)已由DE 69519701 T2公開。在那里設(shè)置 了半導體開關(guān)，在其信號輸入端輸入極化的脈沖序列形式的輸入信號，并 且該半導體開關(guān)在靜止狀態(tài)下、即在該接近開關(guān)未被操縱時處于截止狀 態(tài)，從而在該半導體開關(guān)的信號輸出端沒有輸出信號。但這樣的接近開關(guān) 的缺點是，不能清楚地將用戶的操縱與例如由于蓋板污染而造成的錯誤操 作區(qū)分開。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提出一種改進的價格合理的電容 接近開關(guān)。解決的使在半導體開關(guān)^的信號輸出端5^^Bt鐘信號的輸出信4具有與由 傳感器面構(gòu)成的電容器的電容量成比例的信號分量。本發(fā)明的優(yōu)點在于，在時鐘信號的每一拍都有輸出信號可供使用，由 此可以隨時對由傳感器面形成的電容器的容量改變進行分析。以這種方式、尤其是通過對時間上的改變的分析可以確定，電容量的改變是由于用 戶操縱了該接近開關(guān)，還是由于蓋板潮濕或污染而導致的錯誤操作。根據(jù)一優(yōu)選實施方式，控制輸入端為傳感器面提供時鐘信號，以及在 通過時鐘信號對電容器充電期間輸出信號施加在半導體開關(guān)的信號輸出 端。尤其是，半導體開關(guān)具有晶體管，而傳感器面與該晶體管的基極相連。 由于只要在傳感器面有載荷子流動該半導體開關(guān)或晶體管就是接通的，因 此輸出信號的形狀與電容器的電容相關(guān)，并由此可以簡單的方式來測量該 電容。優(yōu)選為了提供時鐘信號將信號輸入端與微處理器的輸出端相連。該輸出端可以是模擬的也可以是數(shù)字的，如計時器輸出、PWM輸出或1/0輸出。 優(yōu)選尤其是由微處理器的輸出端出來的時鐘信號為周期性的時鐘信號，尤 其是矩形信號并具有優(yōu)選在10至100千赫范圍內(nèi)的頻率。由此可以保證 足夠頻度地查詢由傳感器面形成的電容器的電容，以檢測對接近開關(guān)的操 縱。此外可以省掉用于產(chǎn)生時鐘信號的昂貴的分立頻率發(fā)生器，由此減少 了所需組件的數(shù)量。尤其是時鐘信號的頻率可自動變化。由此可以自動選 擇使輸出信號具有最大信號擺幅(Signalhub)的頻率。優(yōu)選時鐘信號周期性地分別在信號輸入端上施加預(yù)定時間段。通過這 種方式可以按照固定的時間間隔檢查是否存在對接近開關(guān)的操縱。而在這 些間隔之間的時間段則尤其可由微處理器用于其它功能。為對輸出信號進行處理，將半導體開關(guān)的信號輸出端與積分器電路或 峰值電壓測量器或按照一優(yōu)選實施方式與采樣和保持電路連接。在使用積 分器電路時可以將多個輸出信號脈沖積分為直流電壓。利用峰值電壓測量 器可以直接確定輸出信號脈沖的高度。通過采樣和保持電路可以與輸出信 號脈沖峰值的幅度成比例地來提供直流電壓以進行進一步處理。優(yōu)選為了對輸出信號進行分析，將半導體開關(guān)的信號輸出端與微處理 器的模擬輸入端連接，尤其是通過在它們之間連接的采樣和保持電路。通 過這種方式可以通過軟件程序?qū)敵鲂盘栠M行分析，并且對此不需要閾值 電路，由此進一步降低了組件的數(shù)量。微處理器對輸出信號信號分量的時間變化進行分析，如利用軟件程 序 依據(jù)輸出信號的信號分量(如脈沖峰值的高度或脈沖寬度)隨前后接 續(xù)的時鐘周期改變的速度，微處理器可以識別出對接近開關(guān)的操縱。即， 如果信號分量在預(yù)先給定的時間段、如1秒內(nèi)改變，則將其識別為操縱；如果信號分量改變得很慢，則不存在操縱。通過這種方式對接近開關(guān)操縱 的確定就與輸出信號的絕對大小無關(guān)，由此消除了接近開關(guān)例如由于老化 過程的長期改變。按照本發(fā)明，傳感器面具有有源屏蔽。該有源屏蔽由屏蔽面構(gòu)成，時 鐘信號同時施加在傳感器面上和該屏蔽面上。如果傳感器面和與該傳感器 面相鄰設(shè)置的屏蔽面被同時施以盡可能相同的或同一時鐘信號，則帶來的 優(yōu)點是，在傳感器面和屏蔽面之間不會形成電位差，由此也不會形成電荷 位移并且由此也不會產(chǎn)生對傳感器面的電容性影響。這尤其是對于由傳感 器面構(gòu)成的電容器的微微法拉數(shù)量級的電容量來說是重要的，因為在該范 圍本身就有例如由導線、相鄰傳感器面或金屬外殼引起的很小的干擾電容 會影響電容器電容量的測量。通過利用有源屏蔽使該干擾電容對傳感器面 的影響最小化，可以將該接近開關(guān)設(shè)置在金屬外殼部分的附近，即使這些 金屬外殼部分接地。此外，不再需要將傳感器面設(shè)置在緊鄰接近開關(guān)的分 析電路以使干擾電容最小，而是可以將傳感器面與屏蔽面一起遠離分析電 路設(shè)置。由此可以價格低廉的鍍銅聚酯薄膜的形式來實現(xiàn)傳感器面和連接 導線，該聚酯薄膜具有至分析電路的連接。優(yōu)選時鐘信號通過低歐姆電阻施加在屏蔽面上。通過這種方式可使屏 蔽面上時鐘信號的信號形狀與傳感器面上時鐘信號的信號形狀互相補償。按照一優(yōu)選實施方式，屏蔽面可以通過開關(guān)與地相連以施加地電勢。 在此地應(yīng)理解為固定電勢，如地電勢或接近開關(guān)的參考電勢。為了檢驗接 近開關(guān)的功能，即為了確定輸出信號的參考值，可以通過開關(guān)將屏蔽面間 或與地相連，由此使有源屏蔽間或失去作用并模擬接近開關(guān)的操縱。以這 種方式可以檢驗在操縱接近開關(guān)時是否存在足夠的輸出信號的信號擺幅， 或者是否可能由于污染或使用蓋板或由于接近開關(guān)的老化過程而存在功 能缺陷。以這種方式可以避免接近開關(guān)的錯誤操作，由此改善接近開關(guān)的 功能可靠性。尤其是當接近開關(guān)的一項安全功能不再能被保證時，配備了 本發(fā)明的接近開關(guān)的設(shè)備可以自動斷開。有時還可以通過改變時鐘信號的 高度來動態(tài)匹配輸出信號的信號擺幅，即接近開關(guān)可以自動校準。優(yōu)選所述開關(guān)具有控制信號輸入端，該控制信號輸入端與微處理器的控制信號輸出端連接。該開關(guān)尤其是晶體管，如PNP或NPN雙極型晶體管， 其基極與微處理器的控制信號輸出端相連。由此可以簡單的方式利用軟件 程序通過微處理器來接通該開關(guān)或晶體管，這樣就可以在預(yù)定的時刻自動檢驗接近開關(guān)的功能。根據(jù)應(yīng)用的情況可以不同地設(shè)置屏蔽面和傳感器面。例如可以將屏蔽 面和傳感器面設(shè)置在蓋板的背面，在此屏蔽面包圍該傳感器面。尤其是可 以將屏蔽面和傳感器面蒸鍍或粘接或印刷在蓋板的背面上。替代地，還可 以將屏蔽面和傳感器面設(shè)置在支架的相同面上，在此屏蔽面同樣包圍傳感 器面。在另一實施方式中，將傳感器面設(shè)置在支架的正面而將屏蔽面至少在 該傳感器面的區(qū)域內(nèi)設(shè)置在該支架的背面。以這種方式可以使傳感器面被 屏蔽掉反向設(shè)置的功率電路，尤其是在家用器具中，如洗衣機、烘干機、洗碗機、烘烤機(Gargerat)、抽濕器、制冷機、空調(diào)機、熱水器或吸塵 器。支架尤其是構(gòu)成為電路板，其正面的部分區(qū)域作為傳感器面，而其整 個背面構(gòu)成屏蔽面。根據(jù)一優(yōu)選實施方式，支架設(shè)置得與蓋板有一定距離，并且在蓋板和 支架之間設(shè)置了橋接該距離的導電體，該導電體與傳感器面導電連接和/ 或其表面的至少一部分構(gòu)成傳感器面的至少一部分。通過該導電體傳感器 面的傳感器敏感特性從支架轉(zhuǎn)移到蓋板的背面。屏蔽面通過支架與蓋板之 間的空氣層相對于蓋板正面的電荷改變絕緣、尤其是在用戶按壓時。在另一實施方式中，支架是柔性電路板或鍍銅塑料薄膜。這樣的支架 可以適應(yīng)各種彎曲的蓋板，從而傳感器面可以形狀封閉地貼靠在蓋板的背 面。尤其是這樣的支架可以印刷或粘接在蓋板的背面上。按照本發(fā)明，接近開關(guān)具有參考傳感器面，用于為確定該接近開關(guān)的 操縱狀態(tài)產(chǎn)生參考信號，在此該參考信號的信號分量與由該參考傳感器面 形成的參考電容器的電容量成比例，并且該參考電容器的電容量由傳感器 面的環(huán)境條件確定。這樣做的優(yōu)點在于，可以通過參考信號確定環(huán)境條件 如濕度、溫度或瞬時溫度梯度以及由老化等材料改變對傳感器面輸出信號 的影響，并在分析與由傳感器面形成的電容器的電容量成比例的輸出信號 時加以考慮。另一優(yōu)點是，對于利用網(wǎng)絡(luò)開關(guān)接通的設(shè)備通過參考信號在 接通時就能確定是否存在對接近開關(guān)的操縱。總之，通過參考信號可以減 少在分析輸出信號時的真實性詢問。優(yōu)選將參考傳感器面和傳感器面設(shè)置在一個共同的支架上，尤其是設(shè) 置在該支架的同一面上。通過參考傳感器面與傳感器面的空間接近保證了 使參考信號代表傳感器面的干擾電容。按照一優(yōu)選實施方式，將支架設(shè)置在與蓋板一定距離處，并且在該蓋 板和支架之間設(shè)置了橋接該距離的導電體，該導電體與傳感器面導電連接 和/或其表面的至少一部分構(gòu)成該傳感器面的至少一部分。通過該導電體 傳感器面的傳感器敏感特性從支架轉(zhuǎn)移到蓋板的背面。參考傳感器面通過 支架與蓋板之間的空氣層相對于蓋板正面的電荷改變絕緣、尤其是在通過 用戶接觸時，由此防止了用戶對參考傳感器面的有意或無意操縱。相宜地，在傳感器面上施加時鐘信號，在參考傳感器面上施加另一時 鐘信號或同一時鐘信號。以這種方式可以類似于確定由傳感器面形成的電 容器的電容量的方式來確定參考電容器的電容量，并類似于對由傳感器面 形成的電容器的輸出信號的處理來處理參考信號。優(yōu)選以時間多路復(fù)用方法在傳感器面上和在參考傳感器面上施加時 鐘信號。通過時鐘信號的高頻率可以保證對由傳感器面形成的電容器和參 考電容器的電容量有足夠的查詢頻度以檢測對接近開關(guān)的操縱。僅使用一 個時鐘信號的優(yōu)點在于，只需要一個時鐘發(fā)生器。在確定接近開關(guān)的操縱 狀態(tài)時可以簡單的方式通過微處理器的軟件程序來考慮該參考信號。在支架設(shè)置得與蓋板有一定距離并且在蓋板和支架之間設(shè)置了橋接 該距離的導電體，該導電體與傳感器面導電連接和/或其表面的至少一部 分構(gòu)成該傳感器面的至少一部分的優(yōu)選實施方式中，被證明非常有利的是 在支架上設(shè)置至少一個電子組件，使其伸入到空腔中并被該導電體包圍。 該特別是由伸展體盤繞的壓力彈簧的導電體尤其是與設(shè)置在電路板背面 的屏蔽面一起形成用于該電子元件的法拉第力，從而使該電子元件被屏蔽 掉周圍的電磁干擾信號。優(yōu)選以這種方式將半導體開關(guān)設(shè)置在支架上并被 屏蔽掉電磁干擾信號，從而使輸出信號的質(zhì)量得到改善。優(yōu)選在支架上在由導電體包圍的空腔中設(shè)置突出的發(fā)光元件和/或在由傳感器面限定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置發(fā)光元件，如LED、白熾燈或發(fā)光導體。該 發(fā)光元件可以用于標識傳感器面或用于通知接近開關(guān)的不同電路狀態(tài)。此 外為了標記傳感器面在蓋板表面的位置或者在透視蓋板時在蓋板底面的 位置，可以設(shè)置壓印形式的標記。優(yōu)選家用器具、如洗衣機、烘干機、洗碗機、烘烤機、抽濕器、制冷 機、空調(diào)機、熱水器或吸塵器，或家用器具的輸入板具有至少一個本發(fā)明 的接近開關(guān)。由此家用器具可以具有包含該輸入板的貫通的擋板 (Blende)，從而保護家用器具免受出現(xiàn)的污染或潮濕的影響。在此該擋板相當于電絕緣的蓋板并例如可由玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、塑料、木頭或 石頭制成。此外通過本發(fā)明的接近開關(guān)可以保證設(shè)備的安全性，因為當接 近開關(guān)失去作用能力時家用器具可以自動斷開。根據(jù)一優(yōu)選實施方式，輸入板具有多個傳感器面，它們以矩陣的形式 用多路復(fù)用方法連接以進行運行。此外輸入板還可以具有一個或多個參考 傳感器面。通過時鐘信號的高頻率可以保證對由傳感器面形成的電容器還 有參考電容器的電容量有足夠的查詢頻度以確定用戶的操縱。僅使用一個 時鐘信號具有只需要一個時鐘發(fā)生器的優(yōu)點。在另一實施方式中，將至少兩個傳感器面尤其是在蓋板的背面或在共 同的支架上相鄰地設(shè)置并共同構(gòu)成位置傳感器。根據(jù)在哪個相對于傳感器 面的位置上由于屬于傳感器面的輸出信號檢測到用戶的操作，可以觸發(fā)不 同的電路狀態(tài)。以這種方式可以構(gòu)成沒有機械移動的元件的滑動開關(guān)，其 中，用戶例如用手指移過蓋板或擋板的屬于位置傳感器的區(qū)域。要說明的是，從屬權(quán)利要求的特征可以在不背離本發(fā)明思想的條件下 相互任意組合。


以下借助附圖對本發(fā)明進行詳細描述。圖中示出 圖l示意性示出具有帶有按照本發(fā)明的輸入板的擋板的家用器具的截 面圖；圖2示意性示出傳感器面以及包圍該傳感器面的屏蔽面的實施方式的 正視圖；圖3A， 3B示意性示出圖1的輸入板的片段，帶有用戶對按照本發(fā)明 的電容接近開關(guān)的操縱；圖4示意性示出按照本發(fā)明的電容接近開關(guān)的電路的一段；圖5示意性示出按照本發(fā)明的具有有源屏蔽的接近開關(guān)的電路的一段；圖6示 意性示出圖1的輸入板的電路，其具有多個以矩陣形式連接的 按照本發(fā)明的接近開關(guān)；圖7示意性示出兩個形成位置傳感器的傳感器面的實施方式的正視圖；圖8以側(cè)視圖示出圖1的輸入板的片段，帶有按照圖4的電路的電子由壓力彈簧包圍的空腔中。
具體實施方式
在對附圖詳細描述之前應(yīng)注意的是，在所有附圖中按照本發(fā)明的電容表示。如果在、二幅、附圖(使用了;/個同5類的元件一或;部分，并i對它們使用 了不同的附圖標記，則對相應(yīng)附圖標記的引導位置分別選擇相同的數(shù)字。 相應(yīng)附圖標記的隨后的位置用于區(qū)分同類的元件或部分。圖1示意性示出具有帶有按照本發(fā)明的輸入板3的擋板2的家用器具 l的一段的截面圖。擋板2是由絕緣體如玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、塑料、 木頭或石頭制成的電絕緣蓋板。輸入板3包含多個結(jié)構(gòu)相同的電容接近開 關(guān)4，在此只示出了其中的兩個并且在以下將僅描述其中的一個。與擋板 2有一定距離地設(shè)置了電路板5，其具有朝向擋板2背面6的導電傳感器 面7。電路板5可以是塑料板，其至少在其平板一側(cè)(Plattenseit)具有 所述的傳感器面7以及必要時的線路，傳感器面7通過這些線路與接近開 關(guān)4的開關(guān)電路14連接(參見圖4、 5、 6)。傳感器面7的導電層可以不 同的形式構(gòu)成，如圓形或帶角的、完全平面的、柵格形或者框架形。在擋板2和電路板5之間設(shè)置了盤繞的壓力彈簧8形式的導電體，其 優(yōu)選由彈簧絲構(gòu)成。壓力彈簧8在其上端具有平坦的線圈調(diào)節(jié)器9，其由 多個繞組構(gòu)成，這些繞組由于壓力彈簧8所處的應(yīng)壓力而螺旋形地彼此交 錯并且形狀封閉地與擋板2背面6極易成為拱形的形狀相匹配。壓力彈簧 8在其下端具有下繞組9，，壓力彈簧8通過該下繞組9，平臥在電路板5 的傳感器面7上并在那里與電路板5的傳感器面7焊接或粘接在一起，或 者壓力彈簧8通過該下繞組9，僅在應(yīng)壓力下固定地位于電路板5的傳感 器面7上，從而在壓力彈簧8和電路板5的傳感器面7之間形成導電連接。 通過該導電連接電路板5的傳感器面7的傳感器敏感特性轉(zhuǎn)移到擋板2的 背面6上，并且壓力彈簧8現(xiàn)在本身形成傳感器面7的至少一部分，尤其 是通過其線圈調(diào)節(jié)器9、 9，。替代盤繞的、金屬的壓力彈簧8，該導電體 還可以具有其它形狀，如圓柱形、圓錐形或平行六面體形和/或由其它導 電材料構(gòu)成，如由導電塑料或具有金屬芯的塑料構(gòu)成。在傳感器面7所處的電路板5的同一側(cè)上，即在朝向擋板2的背面6 的電路板5的正面上，設(shè)置了導電的參考傳感器面10。參考傳感器面10與傳感器面7類似也與接近開關(guān)4的開關(guān)電路14導電連接。可以為每個 傳感器面7設(shè)置一個所屬的參考傳感器面IO，或者為多個或所有傳感器面 7設(shè)置一個共同的參考傳感器面10。與傳感器面7不同，參考傳感器面10 沒有導電壓力彈簧8，因此參考傳感器面10通過電路板5和擋板2之間的 空氣層與擋板2正面上的電荷或電荷改變電絕緣。在電路板5的背面，在傳感器面7和參考傳感器面10的位置上分別 設(shè)置了導電的屏蔽面11,其作用方式將在以下圖5中描述。替代為每個傳 感器面7或參考傳感器面10設(shè)置一個屏蔽面11，可以設(shè)置一個唯一的屏 蔽面11，其在電路板5的整個背面上伸展或者在電路板5的背面上至少覆 蓋包括傳感器面7或參考傳感器面10的區(qū)域。電路板5尤其可以是柔性 的電路板或者是鍍銅塑料薄膜。在圖2所示的另一替代的實施方式中，在 此實施為圓形的傳感器面7，和屏蔽面11都位于電路板5的正面上。在此 屏蔽面11由框架形圍繞傳感器面7的導電層構(gòu)成，在此該框架的形狀與 傳感器面7的外輪廓相匹配。接近開關(guān)4的開關(guān)電路14可以設(shè)置在電路板5的正面或背面上，或 者設(shè)置在分立的印刷電路板上。此外，還可以為多個或所有接近開關(guān)4設(shè) 置一個共同的開關(guān)電路14。在圖1示出的實施方式中，在電路板5的反向 區(qū)域中設(shè)置了具有印刷電路板13的電子模塊l2，在該印刷電路板13的朝 向電路板5的正面具有接近開關(guān)4的開關(guān)電路14，而在其背面則具有家用 器具l的功率電路15。印刷電路板13與電路板5導電連接(未示出)。如果現(xiàn)在如圖3A所示， 一個引導與傳感器面7的電勢不同的電勢、 尤其是地電勢的元件，如用戶的手指16，接近與傳感器面7相對置的擋板 2的表面區(qū)域和/或與之相接觸，則由此引起由相關(guān)的元件或手指16、擋 板2以及傳感器面7構(gòu)成的或由傳感器面7與壓力彈簧8共同組成的電容 器17的電容改變(參見圖3B)。由于傳感器面7與接近開關(guān)4的開關(guān)電 路14導電連接，可以通過開關(guān)電路14來確定該電容改變并為了觸發(fā)開關(guān) 信號而對其進行進一步分析，如以下所述。此外，可以在電路板5上在壓 力彈簧8內(nèi)的范圍內(nèi)設(shè)置一個光源35 (參見圖8)，如LED，以標識傳感 器面7或通知接近開關(guān)4的不同電路狀態(tài)。圖4示出開關(guān)電路14的電路圖的一部分。開關(guān)電路14具有作為半導 體開關(guān)18的PNP雙極型晶體管，傳感器面7通過限流電阻20與半導體開 關(guān)18的控制輸入端19、即其基極相連。此外半導體開關(guān)18還具有信號輸入端21，即該PNP雙極型晶體管的發(fā)射極，以及信號輸出端22，即該PNP 雙極型晶體管的集電極，在此信號輸入端21通過基極-發(fā)射極電阻23與 傳感器面7連接。限流電阻20和基極-發(fā)射極電阻23可以已經(jīng)集成在該 PNP雙極型晶體管中。半導體開關(guān)18的信號輸出端22與公知類型的采樣 和保持級24連接以對輸出信號進行進一步處理，通過該采樣和保持級" 可以提供與輸出信號脈沖峰值的幅度成比例的直流電壓信號，對此在這里 不再敘述。替代采樣和保持級24,半導體開關(guān)18的信號輸出端22還可以 與公知的積分器電路或公知的峰值電壓測量儀(未示出)連接以對輸出信 號進行處理。半導體開關(guān)18的信號輸入端21與微處理器26的模擬信號 輸出端25連接，而半導體開關(guān)18的信號輸出端22通過采樣和保持級24 與微處理器26的模擬信號輸入端27連接。還可以用兩個不同的微處理器 來替代微處理器26，其中的一個與半導體開關(guān)18的信號輸入端21連接， 而另一個與半導體開關(guān)18的信號輸出端22連接。也可以采用其它半導體 開關(guān)18來替代PNP雙極型晶體管，如用NPN雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管或普通的可控半導體元件。時鐘信號28施加在半導體開關(guān)18的信號輸入端21上，時鐘信號28 例如由微處理器26的模擬信號輸出端25提供。時鐘信號28是矩形周期 性電壓信號，其由微處理器26定期在地電勢(即L0W(低)電平)和接近 開關(guān)4的開關(guān)電路14的運行電壓(即HIGH (高)電平)之間轉(zhuǎn)換，在此 該地電勢可與用戶的地電勢不同。時鐘信號28的時鐘頻率優(yōu)選位于 10-100千赫的范圍內(nèi)。半導體開關(guān)18的信號輸出端22、即PNP雙極型晶 體管的集電極通過另一電阻29處于采樣和保持級24的參考電位。通過時 鐘信號28的LOW電平，半導體開關(guān)18的信號輸入端21以及由此PNP雙 極型晶體管的發(fā)射極E和基極-發(fā)射極電阻23都位于地電勢。這導致傳感 器面7或電容器17通過限流電阻20和基極-發(fā)射極電阻23放電。由此使 PNP雙極型晶體管的基極B相對于PNP雙極型晶體管的發(fā)射極E為正且PNP 雙極型晶體管截止。通過時鐘信號28的跟隨在LOW電平之后的HIGH電平， 傳感器面7以及由此電容器17通過基極-發(fā)射極電阻23和限流電阻20充 電。在傳感器面7或電容器17充電期間在基極-發(fā)射極電阻23上產(chǎn)生電 壓降。由此使PNP雙極型晶體管的基極B相對于PNP雙極型晶體管的發(fā)射 極E為負且PNP雙極型晶體管導通，并且一直導通到傳感器面7或電容器 17充電到時鐘信號28的HIGH電平為止。在傳感器面7或電容器17充電期間，通過時鐘信號28在電阻29上施加輸出信號，該輸出信號與傳感器 面7或電容器17的電容量成比例。由此在半導體開關(guān)18的信號輸出端22 上存在輸出信號，其跟隨時鐘信號28且其信號分量與傳感器面7或電容 器17的電容量成比例。該輸出信號通過采樣和保持級被轉(zhuǎn)換為直流電壓信號并施加在微處 理器26的模擬信號輸入端27。微處理器26例如利用軟件程序?qū)υ撝绷麟?壓信號以及由此的輸出信號的信號分量的時間變化進行分析。微處理器26 依據(jù)輸出信號的信號分量如脈沖峰值高度或脈沖寬度隨前后接續(xù)的時鐘 周期變化的速度來識別對接近開關(guān)4的操縱。也就是說，如果信號分量在 例如一秒的預(yù)定時間段內(nèi)改變，則被識別為操縱；如果信號分量改變得緩 慢，則不存在操縱。通過這種方式可以與輸出信號絕對值無關(guān)地確定對接 近開關(guān)4的操縱，由此排除了接近開關(guān)例如由于老化過程的長期改變。圖5示出按照本發(fā)明的具有有源屏蔽的接近開關(guān)4的開關(guān)電路14的 一段。該有源屏蔽通過屏蔽面11形成，其通過低歐姆電阻30與半導體開 關(guān)18的信號輸入端21連接，并且通過低歐姆電阻30在屏蔽面上和在傳 感器面7上同時施加時鐘信號28。通過適當選擇低歐姆電阻30可使屏蔽 面11上時鐘信號28的信號形狀與傳感器面7上時鐘信號28的信號形狀 相補償，從而使得在屏蔽面11和傳感器面7之間沒有電位差并由此沒有 載荷轉(zhuǎn)移，由此保證傳感器面7通過屏蔽面11被屏蔽掉干擾電容。屏蔽面11通過在所示出的實施方式中為NPN雙極型晶體管的開關(guān)31 與地連接以處于地電勢。開關(guān)31具有控制信號輸入端32、即NPN雙極型晶體管的基極，其與 微處理器26的控制信號輸出端33連接。由此通過微處理器26的軟件程 序可以簡單的方式接通開關(guān)31或NPN雙極型晶體管。為了檢驗接近開關(guān)4 的功能、即確定輸出信號的參考值，通過開關(guān)31將屏蔽面11間或與地電 勢連接，由此使有源屏蔽間或失效并模擬對接近開關(guān)4的操縱。通過這種 方式可以檢驗在操縱接近開關(guān)4時輸出信號是否有足夠的信號擺幅，或者 是否可能由于擋板2的污染或潮濕、由于如溫度和濕度等環(huán)境條件或者由 于接近開關(guān)4的老化過程而存在故障功能。有時還可以通過改變時鐘信號 28的高度來動態(tài)地匹配輸出信號的信號擺幅，即可以自動校準接近開關(guān)4， 由此改善了接近開關(guān)4的功能可靠性。如果由于例如擋板2的污染而不再 能夠保證接近開關(guān)的可靠功能，則家用器具l將自動斷開。參考傳感器面IO相應(yīng)于傳感器面7連接。參考傳感器面IO與傳感器 面7相鄰地設(shè)置，從而使參考傳感器面IO或由參考傳感器面IO形成的開 放參考電容器的電容量成為對傳感器面7的環(huán)境條件、即干擾電容的度量， 而且也是對溫度、濕度或由于老化引起的材料改變對輸出信號的影響的度 量。施加在參考傳感器面10上的時鐘信號28與施加在傳感器面7上的相 同，尤其是以時間多路復(fù)用方法來施加，即相繼為傳感器面7和參考傳感 器面IO提供不同周期的同一時鐘信號28。替代地，還可以在參考傳感器 面IO上施加來自微處理器26的另一模擬信號輸出端的另一時鐘信號。在 對由傳感器面7產(chǎn)生的輸出信號進行分析時，由參考傳感器面10產(chǎn)生的 參考信號在微處理器26中被作為輸出信號的基本電平來考慮，并由此用 于確定接近開關(guān)4的操縱狀態(tài)。在利用網(wǎng)絡(luò)開關(guān)接通的家用器具l中，借 助該參考信號在接通時就已經(jīng)能夠確定是否存在對接近開關(guān)4的操縱。圖6示意性示出輸入板3的開關(guān)電路14，其具有9個以3x3矩陣形式 連接的、以時間多路復(fù)用方法運行的按照本發(fā)明的接近開關(guān)4。第一列三 個接近開關(guān)的傳感器面711、 712、 713與微處理器26的第一信號輸出端 251連接。第二列三個接近開關(guān)的傳感器面721、 722、 723與微處理器26 的第二信號輸出端252連接。第三列三個接近開關(guān)的傳感器面731、 732、 733與微處理器26的第三信號輸出端253連接。傳感器面711、 721、 731 通過其各自的半導體開關(guān)和第一采樣和保持級與微處理器26的第一信號 輸入端271連接。傳感器面712、 722、 732通過其各自的半導體開關(guān)和第 二采樣和保持級與微處理器26的第二信號輸入端272連接。傳感器面713、 723、 733通過其各自的半導體開關(guān)和第三采樣和保持級與微處理器26的 第三信號輸入端273連接。時鐘信號28分別針對預(yù)定的時間段、即針對預(yù)定的時鐘周期數(shù)由微 處理器26的三個信號輸出端251、 252、 253中的一個輸出。在此信號輸 出端25K 252、 253前后交替并周期性地重復(fù)。在由三個信號輸出端251、 252、 253之一輸出時鐘信號28的時間段內(nèi)，分別對微處理器26的所有三 個信號輸入端271、 272、 273進行分析。通過這種方式可以僅利用 一個開 關(guān)電路先后對所有9個傳感器面711、 712、 713、 721、 722、 723、 731、 732、 733進行檢驗，看是否存在用戶對相應(yīng)接近開關(guān)的操縱。圖7示意性示出兩個一起形成位置傳感器的傳感器面71和72的實施 方式的正視圖。傳感器面71和72構(gòu)成為直角三角形的形式，并相鄰地設(shè)置在共同的支架5上或設(shè)置在擋板2的背面上，在此傳感器面71和72以 其斜邊相對設(shè)置。傳感器面71和72被共同的、在傳感器面71和72之間 沿三角形斜邊延伸的屏蔽面11框住。根據(jù)用戶通過在傳感器面71和72 區(qū)域內(nèi)觸摸了擋板2并由此觸摸了位置傳感器而在相對于傳感器面71和 72側(cè)邊延展的哪個位置進行了操縱，由于傳感器面71和72的三角形形狀 由傳感器面71和72形成的電容器的電容量也不相同。因此，借助屬于傳 感器面71和72的輸出信號可以確定操縱的位置并由此觸發(fā)與該位置相應(yīng) 或?qū)?yīng)的開關(guān)狀態(tài)。在操縱位置改變或移動時，例如用戶在擋板2上移動 其手指時，同樣可以檢測到該移動并在必要時觸發(fā)相應(yīng)于9個位置之一的 開關(guān)狀態(tài)。通過這種方式位置傳感器形成一個沒有要機械移動的元件的滑 動開關(guān)，通過該滑動開關(guān)例如可以調(diào)節(jié)爐盤、空調(diào)機或制冷機的溫度或功 率。圖8示意性示出圖1的輸入板的片段的剖視圖。在電路板5上有焊環(huán) 7，，通過該焊環(huán)7，將由盤繞的壓力彈簧8的下邊兩個繞組構(gòu)成的線圏調(diào) 節(jié)器9，與電路板5焊接在一起，并通過這種方式與開關(guān)電路14連接。壓 力彈簧8的繞組圍繞出空腔34。在電路板5上，在焊環(huán)7，內(nèi)在開關(guān)電路 14的電子組件朝向蓋板2的一側(cè)設(shè)置了半導體開關(guān)18的PNP雙極型晶體 管以及其基極-發(fā)射極電阻23和限流電阻20以及發(fā)光二極管35,它們伸 入到由壓力彈簧8圍繞出的空腔34內(nèi)。為了能夠?qū)⑦@些電子組件與開關(guān) 電路14的其它組件電連接，焊環(huán)7，不是完全封閉的環(huán)，而是在側(cè)面斷開 的(未示出)。替換地，還可以貫穿電路板5地實現(xiàn)該電連接。壓力彈簧 8與設(shè)置在電路板5背面的屏蔽面11一起形成針對設(shè)置在壓力彈簧8內(nèi)部 區(qū)域34中的這些電子元件的法拉第力，從而使這些電子元件被屏蔽掉周 圍的電附圖標記列表 1家用器具2擋板 3輸入板 4接近開關(guān) 5電路板 6擋板的背面 7傳感器面 7，焊環(huán) 8壓力彈簧9上繞組的線圏調(diào)節(jié)器9，下繞組的線圈調(diào)節(jié)器10參考傳感器面11屏蔽面12電子模塊13印刷電路板14接近開關(guān)的開關(guān)電路15功率電路16用戶的手指17電容器18半導體開關(guān)19半導體開關(guān)的控制輸入端20限流電阻21半導體開關(guān)的信號輸入端22半導體開關(guān)的信號輸出端2 3基極-發(fā)射極電阻24采樣和保持級25微處理器的模擬信號輸出端26微處理器27微處理器的模擬信號輸入端 28時鐘信號 29電阻30低歐姆電阻 31開關(guān)32開關(guān)的控制信號輸入端 33微處理器的控制信號輸出端 34由壓力彈簧圍繞的空腔 35發(fā)光二極管
權(quán)利要求
1. 一種電容接近開關(guān)，具有由電絕緣蓋板(2)遮擋的導電的傳感器面(7)，作為具有可通過接近而改變的電容的電容器(17)的一部分，該傳感器面(7)與半導體開關(guān)(18)的控制輸入端(19)連接，該半導體開關(guān)還具有帶有時鐘信號(28)的信號輸入端(21)和信號輸出端(22)，其特征在于，在該半導體開關(guān)(18)的信號輸出端(22)上具有跟隨時鐘信號(28)的輸出信號，該輸出信號具有與由傳感器面(7)構(gòu)成的電容器(17)的電容量成比例的信號分量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述控制輸入 端(19 )為傳感器面(7 )提供時鐘信號(28 )，以及在通過時鐘信號 對電容器(17)充電期間所述輸出信號施加在半導體開關(guān)(18)的信 號輸出端(22)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述半導 體開關(guān)(18)具有晶體管，而傳感器面(7)與該晶體管的基極相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 為了提供時鐘信號(28)，將所述信號輸入端(21)與微處理器(26) 的輸出端(25)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 所述時鐘信號(28)是周期性時鐘信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 所述時鐘信號(28)是矩形信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 所述時鐘信號(28)具有在10至100千赫范圍內(nèi)的頻率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述時鐘信號 (28)的頻率可自動變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 所述時鐘信號(28)周期性地分別在所述信號輸入端(21)上施加預(yù) 定的時間段。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 為對輸出信號進行處理，將所述半導體開關(guān)(18)的信號輸出端(22) 與積分器電路或峰值電壓測量器或采樣和保持電路(24)連接。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 為對輸出信號進行分析，將所述半導體開關(guān)(18)的信號輸出端(22) 與所述微處理器(26)的模擬輸入端(27)連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述微處理 器(26)對輸出信號的信號分量的時間變化進行分析。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 所述傳感器面(7)具有有源屏蔽，并且該有源屏蔽由屏蔽面(11)構(gòu) 成，所述時鐘信號(28)在施加在傳感器面(7)上的同時也施加在該 屏蔽面(11)上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述時鐘信 號(28)通過低歐姆電阻(30)施加在屏蔽面(11)上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 屏蔽面(11)可以通過開關(guān)(31)與地相連以處于地電勢。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述開關(guān)(31 ) 具有控制信號輸入端(32)，該控制信號輸入端(32)與所述微處理 器(26)的控制信號輸出端(33)連接。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 開關(guān)(31)是晶體管。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在 于，所述屏蔽面(11)和傳感器面(7)設(shè)置在所述蓋板(2)的背面(6)，并且該屏蔽面(11)包圍該傳感器面(7)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在 于，所述屏蔽面(11)和傳感器面(7)設(shè)置在支架(5)的相同面上， 并且該屏蔽面(11)包圍該傳感器面(7)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在 于，所述傳感器面(7)設(shè)置在支架(5)的正面而所述屏蔽面(11) 至少在該傳感器面(7)的區(qū)域內(nèi)設(shè)置在該支架(5)的背面。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 支架(5)設(shè)置得與所述蓋板(2)有一定距離，并且在該蓋板(2)和 支架(5)之間設(shè)置了橋接該距離的導電體(8)，該導電體(8)與傳 感器面(7)導電連接和/或其表面的至少一部分構(gòu)成該傳感器面(7) 的至少一部分。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 支架(5)是柔性電路板或鍍銅塑料薄膜。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在于， 該接近開關(guān)(4 )具有參考傳感器面(10 )，用于為確定該接近開關(guān)(4 ) 的操縱狀態(tài)而產(chǎn)生參考信號，該參考信號的信號分量與由該參考傳感 器面(10)形成的參考電容器的電容量成比例，以及該參考電容器的 電容量由所述傳感器面(7)的環(huán)境條件確定。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述參考傳 感器面(10)和傳感器面(7)設(shè)置在一個共同的支架(5)上。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述參考傳 感器面(10)和傳感器面(7)設(shè)置在支架(5)的同一面上。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 支架(5 )設(shè)置在與蓋板(2 ) —定距離處，并且在該蓋板(2 )和支架(5)之間設(shè)置了橋接該距離的導電體(8),該導電體(8)與傳感器 面(7)導電連接和/或其表面的至少一部分構(gòu)成該傳感器面(7)的至 少一部分。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23至26中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在 于，在所述傳感器面(7)上施加時鐘信號(28)，在所述參考傳感器 面(10)上施加另一時鐘信號或同一時鐘信號(28)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23至26中任一項所述的接近開關(guān)，其特征在 于，以時間多路復(fù)用方法在所述傳感器面(7)上和在參考傳感器面(10) 上施加時鐘信號(28)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21或26所述的接近開關(guān)，其特征在于，在所 述支架(5)上設(shè)置至少一個電子組件(18， 20， 23， 35)，使其伸入 空腔中并被導電體(8)包圍。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述電子組 件是半導體開關(guān)(18, 20， 23)和/或發(fā)光元件(35)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的接近開關(guān)，其特征在于，所述 導電體(8)是由伸展體盤繞的壓力彈簧。
32. —種用于家用器具的輸入板，具有至少一個根據(jù)權(quán)利要求1 至31中任一項所述的接近開關(guān)(4 )。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的輸入板，其特征在于，以矩陣形式將多個傳感器面(711， 712， 713， 721, 722, 723， 731， 732， 733 )以 多路復(fù)用方法進行連接，以進行運行。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的輸入板，其特征在于，將至少 兩個傳感器面(71， 72)相鄰地設(shè)置并共同構(gòu)成位置傳感器。
35. —種具有根據(jù)權(quán)利要求32至34中任一項所述的輸入板的家 用器具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電容接近開關(guān)(4)，具有由電絕緣蓋板(2)遮擋的導電的傳感器面(7)，作為具有可通過接近而改變的電容的電容器(17)的一部分，該傳感器面(7)與半導體開關(guān)(18)的控制輸入端(19)連接，該半導體開關(guān)還具有帶有時鐘信號(28)的信號輸入端(21)和信號輸出端(22)。在該半導體開關(guān)(18)的信號輸出端(22)上跟隨時鐘信號(28)的輸出信號具有與由傳感器面(7)構(gòu)成的電容器(17)的電容量成比例的信號分量。
文檔編號H03K17/96GK101258678SQ200680031722
公開日2008年9月3日 申請日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
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