ЕМКОСТНАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА
CAPACITIVE SENSOR SYSTEM

Уровень техники
Емкостные сенсорные системы хорошо известны, благодаря их способности обеспечивать управление и работу разных устройств на основе присутствия тела человека. Такие системы в общем, например, описаны в US 4453112 и US 5621290. В этих документах сенсорный электрод расположен на раме окна автомобиля. Как только часть тела человека, например рука, приближается к сенсорному электроду, емкость между сенсорным электродом и заземленным электродом увеличивается. Такое увеличение емкости изменяет частоту выходного сигнала электрода, которую сравнивают с эталонной частотой, и на основе этого изменения включается двигатель, приводящий окно в движение. Сенсорная система может реагировать на полупроводящие элементы такие, как тело человека, но пластик и дерево не вызывают какого-либо эффекта.
Другая емкостная сенсорная система раскрыта в документе WO 02089328, в котором сенсорная цепь подключена к линии нагрузки, по которой осуществляется питание электрического устройства, такого как электрический двигатель. Такая система обеспечивает преимущество, состоящее в том, что линия нагрузки не оказывает влияния на сенсорную систему и не приводит к ухудшению ее чувствительности рядом с линией, а вместо этого поддерживает работу системы, выполняя функцию антенны сенсорной системы.
Иногда интересно располагать антенну емкостной сенсорной системы на подвижной части, такой как дверь, крышка или окно, как описано выше. Такая система раскрыта, например, в документе WO 03069104, в которой антенна емкостного сенсорного устройства установлена так, что она исключает зажим человека автоматической дверью лифта. Когда кто-то подносит руку к антенне, дверь останавливается, предотвращая несчастные случаи.
Одна из проблем, связанная с последней указанной системой и другими аналогичными системами, состоит в том, что антенна установлена на подвижной части, и когда дверь или что-то подобное движется к закрытому положению, металлическая рама, которая обычно представляет собой часть конструкции двери, создает помеху для системы. Причина этого состоит в том, что рама двери представляет собой заземленную деталь, которая в такой системе образует первый электрод конденсатора указанного сенсора. Антенна, установленная на двери, образует второй электрод. Система, таким образом, не может детектировать часть тела человека, расположенную на раме. Когда дверь закрывается, система чувствует увеличение емкости, создаваемое приближающейся рамой двери. Однако для исключения влияния этого явления на систему, ее настраивают так, что такое изменение, благодаря принятым по умолчанию настройкам, не приводит к остановке двери.
Такие принятые по умолчанию установки приводят к тому, что часть тела человека, в частности малая часть тела, не будет детектироваться системой. Рама делает систему слепой, поскольку ее преобладающее влияние на емкость гораздо больше, чем малое влияние емкости, создаваемой частью тела.
Раскрытие изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в создании емкостной сенсорной системы емкостного датчика, установленной на двери или крышке, которая удерживается рамой, влияющей на емкость, которая позволяет детектировать небольшую часть тела человека. Эта цель обеспечивается в соответствии с изобретением, которое определено в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 показан вид спереди в перспективе холодильного шкафа, в котором используется емкостная сенсорная система в соответствии с предшествующим уровнем техники;
фиг.2 представлен вид спереди верхней двери шкафа по фиг.1;
фиг.3 показан вид спереди двери по фиг.2;
фиг.4 схематично показано, как емкостная сенсорная система в соответствии с предшествующим уровнем техники подключена к шкафу по фиг.1;
фиг.5 показан вид спереди в перспективе холодильного шкафа, в котором может быть выполнена емкостная сенсорная система в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 показано в виде спереди, как часть антенны емкостной сенсорной системы в соответствии с настоящим изобретением установлена на корпусе шкафа по фиг.5;
фиг.7 показана в виде сверху компоновка, представленная на фиг.6;
фиг.8 схематично показан вид иллюстративного варианта выполнения, представляющего, как емкостная сенсорная система в соответствии с настоящим изобретением может быть подключена к шкафу по фиг.5;
фиг.9 более подробно, схематично показан вид иллюстративного варианта выполнения, представляющий, как может быть построен иллюстративный вариант выполнения, представленный на фиг.8.
Осуществление изобретения
На чертежах представлены иллюстративные варианты выполнения емкостной сенсорной системы в соответствии с изобретением. Иллюстративные варианты выполнения не следует интерпретировать как ограничение изобретения. Их назначение состоит в иллюстрации возможности использования изобретения и в дополнительной иллюстрации объема изобретения.
Иллюстративные варианты выполнения относятся к емкостной сенсорной системе в холодильном шкафу. В этих вариантах выполнения сам холодильный шкаф и свойства указанного шкафа используются для создания сенсорной системы для частичного управления движением двери шкафа. На фиг.1-4 иллюстрируется основной принцип использования шкафа, как части сенсорной системы, в то время как на фиг.5-9 представлены иллюстративные варианты выполнения в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 показан холодильный шкаф 20. Шкаф содержит одну верхнюю 21 дверь и одну нижнюю 22 дверь, каждая из которых закрывает охлаждаемый отсек. На фиг.1 представлена всего лишь схема, и в открытом верхнем отсеке не показаны какие-либо полки. Корпус шкафа содержит внешнюю металлическую оболочку 23, образующую форму шкафа, а также внутреннюю оболочку 24, образующую указанный верхний отсек. Дверь 21 поворачивается на шарнирах (не показаны) и электрически изолирована от корпуса. Модуль 25 двигателя представлен схематично и иллюстрирует, как дверь может автоматически перемещаться между открытым и закрытым положениями, благодаря работе модуля двигателя.
Изобретение основано на понимании того, что холодильный шкаф хорошо подходит для оснащения емкостной сенсорной системой благодаря тому, что обычно дверь выполнена из металла и электрически изолирована от корпуса шкафа. Шарнир (изготовленный из пластика или из металла) прикреплен к верхней и нижней торцевым крышкам двери. Эти торцевые крышки изготовлены из пластика, и поэтому обеспечивают отсутствие электрического контакта между металлической дверью и металлическим корпусом шкафа.
Кроме того, корпус 20 содержит работающий от электричества модуль 25, который обеспечивает поворот двери. Работающий от электричества модуль может, например, представлять собой электромеханический модуль, такой как электрический двигатель или соленоид, и имеет соответствующий уровень напряжения, например 12 или 24 вольта постоянного тока. Работающий от электричества модуль также может содержать магниты, установленные в двери и в корпусе соответственно. Например, по меньшей мере, один из них представляет собой электромагнит, питание которого поступает из системы. В случае использования двигателя он предпочтительно содержит зубчатую передачу для преобразования вращения двигателя в силу, которая достаточна для перемещения двери. Свойства двигателя, величина напряжения и конструкция зубчатой передачи адаптированы для обеспечения как можно более плавного движения двери. Плавное движение является очень важным, поскольку пользователь должен чувствовать, что система является надежной и простой в эксплуатации. Емкостная сенсорная система, которая соединена с работающим от электричества модулем, также содержит средство управления, предназначенное для обеспечения указанного плавного движения.
На фиг.2 и 3 показана верхняя дверь 21 в виде спереди и в виде сверху. Дверь содержит металлическую внешнюю оболочку 26, представляющую собой конструкцию двери. Внешняя оболочка вместе с внутренней оболочкой 27, см. также фиг.1 и 2, ограничивают пространство, в котором расположен теплоизолирующий материал. В ее торцевых участках расположены торцевые крышки 28, также обеспечивающие замкнутость указанного пространства. Как указано выше, на этих крышках также установлены шарниры, удерживающие дверь с возможностью поворота. Ручка 29 двери показана на обоих видах. Внешняя металлическая оболочка двери, как показано ниже, представляет собой важную часть емкостной сенсорной системы.
На фиг.4 показана электрическая схема, которая иллюстрирует возможность установки емкостной сенсорной системы в холодильном шкафу 20. На этой схеме показаны не все используемые компоненты, поскольку она предназначена только для иллюстрации основных размеров и компоновки емкостной сенсорной системы в холодильном шкафу. Дополнительные детали представлены в варианте выполнения, показанном на фиг.5-9, которые иллюстрируют основной объем настоящего изобретения.
На чертеже холодильный шкаф 20 показан с верхней дверью 21, работающим от электричества модулем 25, внешней оболочкой 26 верхней двери и металлической внешней оболочкой 23 корпуса шкафа. Источник 30 питания установлен как часть емкостной сенсорной системы. Источник питания обеспечивает питание для системы и предпочтительно также обеспечивает питание для работающего от электричества модуля. Источник питания подключен через разъем 31 к сети электрического питания, например 230 вольт переменного напряжения. Источник питания также имеет два силовых выхода - 32 положительный и 33 отрицательный, с помощью которых подают постоянное напряжение, предпочтительно в диапазоне 12-24 вольт. Оба выхода 32 и 33 подключены к емкостному сенсорному модулю 34.
Сенсорная система принимает сигнал от внешней оболочки 23 корпуса шкафа через линию 37, причем эта внешняя оболочка образует заземленную поверхность шкафа. Указанная заземленная поверхность предпочтительно, но необязательно, может быть соединена с внешним заземлением 35. Линией 38 представлена линия передачи, предназначенная для управления и подачи питания к работающему от электричества модулю 25. Сенсорная система, кроме того, подключена к внешней оболочке верхней двери через линию 36, причем указанная линия также подключена к силовому выходу 33.
Основная идея, на основе которой построена раскрытая емкостная сенсорная система, состоит в том, чтобы управлять дверью с помощью работающего от электричества модуля 25 на основе детектирования свойств емкости 42, см. фиг.4, образованной между внешней оболочки 26 верхней двери и внешней оболочки 23 корпуса шкафа. Работа системы основана на том факте, что система позволяет детектировать изменения этой емкости, вызванные присутствием тела человека. Дверь при этом работает как антенна в сенсорной системе. Когда пользователь приближает свою руку к двери, система в течение некоторого времени детектирует увеличение емкости. В соответствии с этим, когда пользователь убирает свою руку, система также в течение некоторого времени детектирует уменьшение емкости. И, наконец, если пользователь держит свою руку на двери, емкость после ее увеличения остается постоянной в течение некоторого времени. Эти три события составляют принцип, на основании которого система управляет движением двери.
Иллюстративный вариант выполнения, показанный на фиг.1-4, предназначен для иллюстрации концепции, на основе которой основаны варианты выполнения, представленные на фиг.5-9. Такая концепция воплощения емкостной сенсорной системы на двери является известной, хотя использование такой системы на двери холодильника является новым. Вместо выполнения антенны в двери, в форме полоски проводника, в этой системе в качестве антенны используется металлическая оболочка двери. Благодаря этому обеспечиваются такие преимущества, как снижение стоимости компонентов и затрат на производство. Наиболее важным является то, что оболочка двери является электрически изолированной от корпуса шкафа.
Ниже, со ссылкой на фиг.5-9, будут описаны иллюстративные варианты выполнения, представляющие объем изобретения. На фиг.5 представлен шкаф по фиг.1 с холодильным шкафом 20 и его верхней дверью 21, работающим от электричества модулем 25, предназначенным для перемещения двери, внешней оболочкой 26 верхней двери и металлической внешней оболочкой 23 корпуса шкафа. Другие детали шкафа и верхней двери также представлены на фиг.1-4. На фиг.5 электропроводная часть 39 расположена по внешнему контуру 40 отверстия внешнего отсека 24. Эта часть продолжается вокруг всех четырех сторон внешнего контура. Эта часть может быть, например, выполнена как уплотнитель двери, или тому подобное. Самое важное состоит в том, что она является, по меньшей мере, полупроводящей. В качестве альтернативы, конечно, можно изготовить ее полностью электропроводной, используя, например, полоску из металла, например из меди.
На фиг.6 показано (дверь 21 удалена), что электропроводная часть 39 продолжается по всему контуру 40 отверстия верхнего отсека 24. На фиг.7 корпус по фиг.6 показан в виде снизу. Здесь отмечены электропроводная часть и корпус 20, на котором она установлена. На чертеже также показан слой электрической изоляции 41. Он установлен с тем, чтобы обеспечить отсутствие электрического контакта между внешней оболочкой 23 корпуса шкафа и любой другой частью корпуса шкафа. Такая компоновка является критичной для работы системы, которая будет описана ниже.
Фиг.8 во многих аспектах соответствует фиг.4, за исключением электропроводной части 39, которая подключена к системе. Холодильный шкаф 20 показан с верхней дверью 21, работающим от электричества модулем 25 для перемещения двери, внешней оболочкой 26 верхней двери и внешней металлической оболочкой 23 корпуса шкафа, которая заземлена. Емкостная система также представлена с источником 30 питания, который обеспечивает постоянное напряжение предпочтительно 12-24 вольт для емкостного сенсорного модуля 34. Система принимает сигнал от внешней оболочки 23 корпуса шкафа через линию 37, причем эта внешняя оболочка предпочтительно, но необязательно, соединена с электрическим заземлением через соединение 35. Линия 38 иллюстрирует линию передачи для управления и подачи питания к работающему от электричества модулю 25.
Сенсорная система, кроме того, соединена с внешней оболочкой 26 верхней двери через линию 36, причем указанная линия также соединена с силовым выходом 33, который является отрицательным выводом. Кроме того, электропроводная часть 39 соединена с внешней оболочкой верхней двери через линию 43. Емкость 42, описанная выше, также представлена на фиг.9. Свойства указанной емкости являются важными для емкостной сенсорной системы. Поскольку внешняя оболочка верхней двери и электропроводная часть 39 соединены между собой, то по отношению к сформированной емкости 42 они подключены параллельно. Обе соединенные части работают как антенны в емкостной сенсорной системе.
Иллюстративный вариант выполнения емкостной сенсорной системы дополнительно иллюстрируется на электрической схеме, представленной на фиг.9. На этом чертеже схематически показаны источник 30 питания, емкостной сенсорный модуль 34, внешняя оболочка 23 корпуса шкафа, верхняя оболочка 26 верхней двери и полупроводящая часть 39. Здесь также показаны линии, выходящие из фиг.9, и функционирование устройства по фиг.9 будет описано со ссылкой на фиг.10. Источник 30 питания обеспечивает питание предпочтительно 12-24 вольт постоянного тока в емкостной сенсорной системе. В соответствии с изобретением части корпуса, используемые как антенны и как двигатель, рассматриваются как части системы. Источник питания, например, соединен с сетью 230 вольт переменного напряжения через соединение 31. Источник питания может, например, представлять собой импульсный преобразователь. Источник (см. фиг.9) обеспечивает питание по линии 33 (отрицательный вывод) и по линии 32 (положительный вывод).
Емкостной сенсорный модуль 34 получает питание от источника питания по линиям 32 и 33, причем линия 33 также подключена к оболочкам 26 двери и электропроводной части 39. Кроме того, модуль подключен к внешней оболочке 23 корпуса шкафа. Основываясь на свойствах емкости 42, во время описанной ниже работы системы модуль управляет устройством 46 переключаемых реле, которое обеспечивает питание для работающего от электричества модуля 25. Как показано, реле 47 и 48 можно переключать для изменения направления вращения работающего от электричества модуля, управляя, таким образом, направлением движения двери. Переключаемое устройство, конечно, может быть заменено другим средством электрического управления движением двери.
Сенсорный модуль 34 содержит микроконтроллер 50. Питание для контроллера обеспечивается от модуля 30 питания по двум линиям 32 и 33 передачи. Здесь также представлен эмиттерный повторитель 51, выполненный в виде усилителя, полосовой фильтр 52, приемник 53 напряжения и усилитель 54 постоянного тока. Питание обеспечивается по линиям 56 и 57.
Работающий от электричества модуль 25, в качестве альтернативы, может быть запитан от другого источника, помимо источника 30 питания. Если предполагается уменьшить влияние линии питания двигателя на систему, такое решение может быть предпочтительным, поскольку в данном случае существует больше возможностей для физического разделения разных частей системы при установке их в корпусе. Однако решение, показанное на фиг.9, представляет собой лучший вариант, благодаря использованию линии 32 и 33 питания двигателя, как части емкостной сенсорной системы. Такое решение раскрыто в документе РСТ WO 02/089328.
Когда человек приближается к двери шкафа, по мере приближения этого человека, емкость 42 между шкафом и дверью (нормально закрытой) увеличивается. Это увеличение определяется с помощью емкостного сенсора, в который подают эталонный сигнал с частотой 8 кГц. Этот сигнал подают через линию 57, а также через конденсатор 58 переменной емкости. Два конденсатора образуют делитель напряжения с выходным переменным напряжением в точке 59. Эмиттерный повторитель 51 снижает риск возникновения помехи, полосовой фильтр 52 удаляет частотные шумы, нарушающие работу, в то время как выпрямитель 53 напряжения выпрямляет сигнал. Сигнал, наконец, усиливают 54 для улучшения возможности детектирования изменений. Сигнал по соединительной линии 60 подают на А/Ц вход микроконтроллера.
Если полученное в результате уменьшение (связанное с приближением человека) выходного постоянного напряжения в точке 60 имеет амплитуду ниже выбранного порогового значения чувствительности или имеет длительность меньше 1 секунды, или больше, чем 3 секунды, никакое действие не выполняется. Это означает, что человек может пройти мимо или может прислониться к двери, или может написать на ней записку. Если достаточное уменьшение выходного постоянного напряжения имеет длительность от 1 до 3 секунд, микроконтроллер через переключаемый модуль 46 включает работающий от электричества модуль 25 с тем, чтобы открыть дверь. Например, если используется двигатель, то достаточное последующее уменьшение выходного постоянного напряжения останавливает двигатель и после этого переключает его движение на противоположное, в результате чего дверь закрывается. Если такое последующее уменьшение постоянного напряжения отсутствует, микроконтроллер тем не менее закрывает дверь после выбранного предела времени, например 30 с.
В соответствии с изобретением металлическая внешняя оболочка 26 двери является электрически изолированной от шкафа и подключена к указанной выше емкостной сенсорной системе. Она также снабжена соединением с электропроводной частью 39, расположенной в отверстии двери шкафа и электрически изолированной от последнего. Таким образом, сформирован датчик зажатия, благодаря комбинации указанных выше металлических средств. Другое преимущество данной комбинации состоит в том, что уменьшается изменение емкости между шкафом и дверью, когда последнюю открывают и закрывают. Это упрощает конструкцию емкостного сенсора.
Важно отслеживать значение емкости 49, сформированной в источнике питания, поскольку система работает на основе определения свойств емкости 42. Например, емкость может быть сформирована между катушкой, охлаждающей выпрямитель, и самим выпрямителем. Кроме того, значения емкости могут быть сформированы в трансформаторе. Емкость 49 в таких случаях будет расположена между компонентами, получающими питание, и частями источника питания, подключенными к заземлению указанного источника. Источник питания обычно расположен в корпусе шкафа и во многих случаях соответствует источнику, который обеспечивает питание для системы управления шкафом. Поэтому заземленная поверхность 35 шкафа 20 во многих случаях также будет соединена с заземленной поверхностью 44 источника 30 питания, как представлено соединительной линией 45. Обе емкости 42 и 49 в этом случае будут подключены к внешней оболочке 23 шкафа, либо через линию заземления или через внутреннюю линию. Это означает, что емкости 35 и 44 включены параллельно и обе влияют на общее значение емкости. Как указано выше, поверхность 35 заземления шкафа и соответственно поверхность 44 заземления предпочтительно, но необязательно, подключены к внешней земле.
Используя объем этой идеи, все компоненты данной сенсорной системы могут работать как часть антенны. Кроме того, работающий от электричества модуль 25 также может работать как часть антенны. Такое решение является предпочтительным, в частности, если сенсорная система (за исключением источника питания) и/или модуля двигателя расположены в двери. В данном случае они не создают помеху для антенны 26 двери и не создают "слепое пятно" на части двери, а составляют часть антенны. Описанное решение из предшествующего уровня техники не будет дополнительно описано в отношении к настоящему изобретению, однако, для специалистов в данной области техники будет понятно как использовать вариант воплощения этого решения в настоящем изобретении.
Для специалистов в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается емкостной сенсорной системой, предназначенной только для холодильного шкафа. Ее можно использовать в любом устройстве, имеющем подвижную часть, в котором выполнено антенное устройство для емкостной сенсорной системы.