DE10151556A1

DE10151556A1 - Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines beweglichen Teils

Info

Publication number: DE10151556A1
Application number: DE10151556A
Authority: DE
Inventors: Achim Neubauer; Martin-Peter Bolz; Jochen Moench; Falk Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-04-30
Also published as: WO2003038221A1; DE50210246D1; US20040070316A1; ATE363578T1; EP1442189A1; EP1442189B1; US7362040B2

Abstract

Vorrichtung zum Öffnen und Schließen einer Öffnung (11), insbesondere an einem Fahrzeug, mittels eines motorisch angetriebenen, beweglichen Teils (10), mit einer Steuereinheit (26) und einem Einklemmschutzsensor (14), der im wesentlichen entlang einer Kante (20) des Teils (10) und/oder eines die Öffnung (11) begrenzenden Rahmenprofils (12) angeordnet ist und beim Schließen des Teils (10) ein Hindernis (24) erkennt, das sich im Verstellweg des Teils (10) befindet, und ein Signal an die Steuereinheit (26) weiterleitet, um die Bewegung des Teils (10) zu stoppen oder zu reversieren, wobei der Einklemmschutzsensor (14) ein zwischen Elektroden (28, 34, 36) angeordnetes hochdehnbares elektroaktives Polymer(EAP)-Material (30), insbesondere Polyurethan, Fluorelastomer, Polybutadien, Fluorsilikon oder Silikon, aufweist, das bei einer Verformung eine Spannungsänderung an den Elektroden (28, 34, 36) bewirkt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines beweglichen Teils nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Mit der DE 199 13 106 C1 ist ein Einklemmschutz mit einem Hohlprofil für eine kraftbetätigte Schließeinrichtung bekannt geworden, bei der eine als Hohlprofil ausgeformte Klemmleiste entlang eines Rahmen, beispielsweise einer Schiebedachöffnung, angeordnet ist. Das Hohlprofil weist zwei zueinander beabstandete, elektrisch leitfähige Bereiche auf, deren Kontakt einen Schaltvorgang zum Ansteuern des Motors der Schließeinrichtung auslöst. Dabei ist die Herstellung eines solchen Profils recht aufwendig und in der Anwendung ist ein solches System anfällig für Fehlauslösungen, verursacht durch eine andauernde Verformung der elektrisch leitfähigen Bereiche.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das hochdehnbare, elektroaktive Polymer(EAP)-Material schon beim Ausüben eines geringen Druckes auf dasselbe zuverlässig eine leicht messbare Spannungsänderung an den an das EAP-Material angelegten Elektroden hervorruft. Der Aufbau des Einklemmschutzsensors ist dabei sehr einfach und störungsunempfindlich, da das System auf den elektroaktiven Materialeigenschaften des EAP-Materials basiert. Außerdem sind EAP-Materialien günstig in der Herstellung und Verarbeitung, so dass erfindungsgemäß ein äußerst kostengünstiger und zuverlässiger Einklemmschutz mit verschiedenen geometrischen Sensor-Formen möglich ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Die elektroaktiven Eigenschaften des EAP-Materials beruhen dabei auf einer effektiven Verlängerung oder Ausrichtung der Polymerketten durch eine entsprechende äußere Verformung des EAP-Materials. In Abhängigkeit der auf das EAP-Material einwirkenden Kraft und der Anordnung der Elektroden an dem EAP-Material wird dann eine Spannungserhöhung oder eine Spannungserniedrigung hervorgerufen.
Besonders günstig ist es, das EAP-Material in dünne Schichten einer Dicke von beispielsweise 1-100 Mikrometer zu formen, da hier, insbesondere bei senkrechter Krafteinwirkung auf dieselbe bereits bei geringer äußerer Kraft eine Dehnung des EAP-Materials um bis zu 300%, und damit eine entsprechend hohe Spannungsänderung erzeugt wird. Die dünn ausgeformten Schichten lassen sich auch besonders einfach entlang der Kante des Teils oder des Rahmenprofils, beispielsweise auf oder innerhalb einer Dichtungslippe, anordnen.
Charakteristisch für EAP-Materialien ist eine Spannungsänderung gemäß der Formel
Die Größenordnung der Spannungsänderung kann dadurch recht vorteilhaft durch die Wahl der Dicke t des EAP-Materials vorgegeben werden.
Werden mehrere, jeweils mit Elektroden bestückte EAP- Schichten übereinander angeordnet und quasi in Reihe geschaltet, summieren sich die einzelnen Spannungsänderungen auf, wodurch aufgrund des höheren Meßsignals eine einfachere Signalauswertung ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es, die mindestens eine EAP-Schicht in etwa senkrecht zur erwarteten Einklemmkraft anzuordnen, da hierdurch die größtmögliche Materialverformung, und damit eine maximale Spannungsänderung erzielt wird.
Alternativ sind aber auch Anordnungen vorstellbar, bei denen mehrere EAP-Schichten näherungsweise parallel zur Verstellebene des Teils angeordnet sind. Die Einklemmkraft wirkt dann näherungsweise parallel zu den EAP-Schichten und verändert deren Flächenausdehnung, die mit einer Änderung der Dicke der Schichten korreliert ist. Die Elektroden können hierbei sowohl zwischen den EAP-Schichten als auch an den Stirnseiten der EAP-Schichten angeordnet sein.
Werden eine oder mehrere EAP-Schichten - optional auch mit dazwischenliegenden Isolierschichten - als Rolle aufgewickelt, so kann diese Anordnung alle Kräfte in der Ebene senkrecht zu der Rolle in gleicher Weise detektieren. Eine solche Rolle kann deshalb besonders günstig entlang der Dichtung eines Rahmen angeordnet werden.
Bei einer solchen Anordnung der Rolle näherungsweise parallel zur Kante des Teils oder dem Rahmen sind die Elektroden günstigerweise als Schichten zwischen den aufgewickelten EAP-Schichten ausgebildet. Alternativ können die Elektroden aber auch an den Stirnseiten einer solchen Rolle oder Röhre angeordnet sein, dies ist besonders vorteilhaft für eine Unterteilung des Einklemmschutzsensors entlang der Kante oder des Rahmenprofils, um ein Hindernis ortsaufgelöst detektieren zu können.
Von Vorteil ist die Anordnung der mindestens einen EAP- Schicht unmittelbar über oder unter einer Lochbandmatrix. Mit dieser Matrix werden räumlich feste Stützstellen geschaffen, wobei sich die EAP-Schicht aufgrund einer angelegten Grundspannung durch die Löcher der Lochbandmatrix wölbt. Dadurch ist gewährleistet, dass auch beim Auftreten von relativ kleinen Hindernissen eine ausreichende Verformung der EAP-Schicht auftritt, da bei dieser Anordnung eine lokale Krafteinwirkung nicht über einen großen Bereich der EAP-Schicht ausgeglichen werden kann.
Um einen räumlich flexiblen und damit auch lokal sensiblen Einklemmschutzsensor zu schaffen, wird mindestens eine der Elektroden räumlich strukturiert. Besonders günstig ist hierbei, wenn die Elektrode entlang der Kante des Teils oder dem Rahmen eine hohe Flexibilität aufweist, weil dadurch auch kleinere Hindernisse zuverlässig erfasst werden.
Wird die mindestens eine Elektrode der mindestens einen EAP- Schicht in mehrere, gegeneinander isolierte Elektroden unterteilt, kann damit in einfacher Weise ein Sensor mit Ortsauflösung, insbesondere entlang der Kante des Teils oder dem Rahmen, realisiert werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwei Polymerfilme so beschichtet werden, dass die strukturierten Elektroden in der Mitte eingeschlosssen sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die wirksamen Elektrodenflächen ohne Justage direkt übereinander befinden. Bei Integration der typischerweise sehr schmalen Leiterbahnen im Sensor werden diese zusätzlich mechanisch geschützt.
Um eine lückenlose Sensierung eines Hindernisses zu gewährleisten, können sich die unterschiedlichen unabhängigen Sensoren, insbesondere entlang der Kante oder dem Rahmen, räumlich überlappen. Weist jeder unabhängige Sensorbereich eine eigene Elektrode auf, kann über eine angepasst vorgegebene, angelegte Grundspannung die Empfindlichkeit des Sensors örtlich individuell eingestellt werden.
Besonders günstig ist die Anordnung des Einklemmschutzsensors zwischen dem Dichtprofil und dem Rahmenprofil einer Öffnung. Dabei kann der Sensor eingeklebt, oder lediglich eingeklemmt werden, ohne dass eine konstruktive Änderung der bisherigen Dichtungs- oder Rahmenprofile notwendig ist.
Die räumlich unterteilten Elektroden können besonders günstig mittels einer Leiterplattentechnik realisiert werden, wobei die einzelnen Elektroden mit ihren zum Spannungsabgriff führenden Leiterbahnen als dünne Schicht auf einer dünnen, flexiblen Leiterplattenfolie angeordnet sind.
Die wechselseitige Nutzung von Sensor-Ober- und -Unterseite zur Leiterbahnführung erlaubt eine besonders platzsparende Ausführung des Sensors.
Fertigungstechnisch günstig ist es, den Einklemmschutzsensor mit einer Folie am Rahmen- oder Dichtprofil zu befestigen, wobei auf der Folie vorzugsweise die Leiterbahnen für die Anschlüsse der Elektroden angeordnet sind. Diese Methode ermöglicht eine räumlich feine Unterteilung des Sensors in Bereiche mit unabhängigen Elektrodenpaaren.
Da die EAP-Materialien sehr ähnliche Eigenschaften wie die Werkstoffe eines Dichtprofils besitzen, lassen sich die EAP- Schichten besonders günstig in das. Dichtprofil integrieren und in einem Arbeitsgang mit demselben, beispielsweise mittels Koextrudieren oder Mehrkomponenten-Spritzgießen herstellen.
Das Aufbringen der EAP-Schicht auf das Dichtprofil in Form eines Lackes oder mittels Aufkleben ist ebenfalls eine kostengünstige Alternative. Auch derart hergestellte Einklemmschutzsensoren sind aufgrund der gummiähnlichen Eigenschaften der EAP-Materialien sehr strapazierfähig gegenüber mechanischer Beanspruchung, auch über einen großen Temperaturbereich von -50°C bis 200°C.
Durch eine Anordnung der mindestens einen EAP-Schicht halbkreisförmig um das eine Ende des Rahmenprofils können auch Einklemmkräfte, die außerhalb der Bewegungsebene des Teils auf das Dichtprofil einwirken, sicher sensiert werden.
Aufgrund der räumlichen Auflösung des Einklemmschutzsensors entlang der Kante oder dem Rahmen körnen einfacherweise Bereiche unterschiedlicher Empfindlichkeit vorgegeben werden, die bestimmten Kantenabschnitten des Teils angepasst sind. Dabei kann die geometrische Form des Teils und des entsprechenden Rahmens berücksichtigt werden, durch die von der Schließrichtung abweichende Einklemmkraftkomponenten verursacht werden.
Die Empfindlichkeit der einzelnen Sensorbereiche kann vorteilhafter Weise durch das Anlegen einer individuell angepassten Arbeitsspannung an die Elektroden der entsprechenden Bereiche realisiert werden.
Da die bei EAP-Materialien anliegenden Spannungen typischerweise im kV-Bereich liegen, werden die Signale der Elektroden einem DC/DC-Wandler zugeführt, der Teil einer Auswertevorrichtung in einem Steuergerät des Einklemmschutzsensors ist.

Zeichnung

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung eines Einklemmschutzsensors an einem Kraftfahrzeugseitenfenster,
Fig. 2a bis 2c das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Einklemmschutzsensors,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Lochbandmatrix,
Fig. 6 und 7 verschiedene Ausführungsformen von Elektroden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 8 und Fig. 9 weitere Anordnungsmöglichkeiten des Einklemmschutzsensors an einem Rahmenprofil gemäß Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Seitenfenster eines Kraftfahrzeugs dargestellt, wobei zwischen einer Fensterscheibe 10 als bewegliches Teil 10 und einem eine Fensteröffnung 11 umschließendes Rahmenprofil 12 über die gesamte Länge desselben ein Einklemmschutzsensor 14 angeordnet ist. Der Einklemmschutzsensor 14 ist beispielsweise in ein Dichtprofil 16 integriert und in verschiedene Bereiche 18, entsprechend der Form der Scheibe 10, unterteilt. Die Scheibe 10 weist eine Kante 20 auf, die im wesentlichen parallel zum Rahmenprofil 12 verläuft. Beim Schließen des Teils 10 tritt eine Schließkraft 22 auf, deren Komponente senkrecht zur Kante 20 des Teils 10 in den verschiedenen Bereichen 18 unterschiedlich groß sein kann. Befindet sich im Verstellweg zwischen dem Teil 10 und dem Rahmenprofil 12 ein Hindernis 24, wird beim Schließen ein Druck auf den Einklemmschutzsensor 14 ausgeübt, und ein Signal an eine Steuereinheit 26 der Schließvorrichtung weitergeleitet. Wird dabei ein voreingestellter Schwellwert der Schließkraft 22 überschritten, erhält der Motor 21 einen Steuerbefehl, um das Teil 10 zu stoppen oder dessen Bewegungsrichtung zu reversieren.
Fig. 2a bis 2c zeigt einen schematischen Querschnitt eines Einklemmschutzsensors 14, der mehrere elektroaktive Polymer(EAP)-Schichten aufweist. Als EAP-Material wird beispielsweise Polyurethan PT6100S, Fluorelastomer LaurenL143HC, Polybutadien Aldrich PBD, Fluorsilikon 730 oder Silikon Sylgard 186 verwendet. EAP-Materialien haben die besondere Eigenschaft, dass sich aufgrund ihrer Elektrostriktion bei einer äußeren Verformung die effektive Länge der elektroaktiven, dielektrischen Polymerketten ändert. Diese Längenänderung bewirkt eine Spannungsänderung an den an die EAP-Schichten angeordneten Elektroden 28. In Fig. 2a ist auf einen Gummi eines Dichtprofils 16 eine erste EAP-Schicht 30 zwischen zwei Elektroden-Schichten 28angeordnet. Über diesem ersten Elektroden/EAP-Paket ist getrennt durch eine Isolationsschicht 32 eine weitere Schichtfolge Elektrode, EAP-Schicht, Elektrode angeordnet. Die beiden Elektroden 34 werden auf Masse gelegt und an die beiden anderen Elektroden 36 jeweils eine positive Spannung angelegt. Die Dicke 38 der EAP-Schicht 30 beträgt beispielsweise zwischen 1 und 100 Mikrometer. Je dünner diese Schicht ausgebildet ist, umso stärker lässt sie sich dehnen, wodurch die Empfindlichkeit des Einklemmschutzes erhöht wird.
Fig. 2b zeigt die Verformung der EAP-Schichten 30 aufgrund eines eingeklemmten Hindernisses 24. Die Einklemmkraft 22 bewirkt eine Verlängerung der EAP-Schichten 30 entlang des Dichtprofils 16. Dabei erfahren die EAP-Schichten 30 eine Querkontraktion, wodurch sich ihre Dicke 38 verringert. Dies führt zu einer Spannungsänderung zwischen den beiden Elektrodenpaaren 34, 36, die einer bestimmten Krafteinwirkung auf den Einklemmschutzsensor 14 entspricht. Die Spannungsänderung wird im Steuergerät 26 gemessen und mit einem Grenzwert verglichen, bei dessen Über- oder Unterschreiten der Motor 21 gestoppt oder reversiert wird. Die Spannungsänderung erfolgt dabei gemäß der Formel

wobei die hervorgerufene Spannungsänderung direkt proportional zu t, der Dicke 38 der EAP-Schicht 30 ist. Der durch die Einklemmkraft 22 eines Hindernisses 24 generierte Druck P und die dielektrischen Materialeigenschaften ε_r und ε₀ beeinflussen die Spannungsänderung lediglich als Faktor unter der Wurzel.
In Fig. 2c ist der Einklemmschutzsensor 14 in einem Hohlraum 39 des Dichtprofils 16 angeordnet, der sich in etwa parallel zur Kante 20 erstreckt.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 dargestellt. Auch hier ist eine EAP-Schicht 30 zwischen zwei flächigen Elektroden 28 angeordnet, wobei rechts im Bild vier EAP-Schichten 30 mit dazwischenliegenden Elektroden 28 zu einem Paket zusammengefasst sind. Die Schließkraft 22 wirkt hier aber nicht senkrecht zu den EAP-Schichten 30 und den Elektroden 28, sondern in der Schichtebene der EAP-Schichten 30. Diese Krafteinwirkung bewirkt ebenfalls eine Formveränderung der EAP-Schichten 30, die zu einer Verdickung derselben führt. An den zwischen den EAP-Schichten 30 angeordneten Elektroden 28 wird wiederum eine Spannungsänderung abgegriffen, die mit der Schließkraft 22 korreliert ist. Bei dieser Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 sind die EAP-Schichten 30 zwischen dem Rahmenprofil 12 und der Scheibe 10 in etwa parallel zu deren Bewegungsrichtung angeordnet. Die Addition der einzelnen Spannungsänderungen führt auf einfache Weise zu einer Erhöhung des Messsignals bei Verwendung mehrere EAP-Schichten 30.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird eine Schichtfolge Elektrode 28, EAP-Schicht 30, Elektrode 28, EAP-Schicht 30 um einen Wickelkern 40 zu einer Rolle 42 aufgewickelt, wobei sich diese axial näherungsweise parallel zur Kante 20 erstreckt. Beim Schließen des Teils 10 erfährt der Einklemmschutzsensor 14 eine radiale Krafteinwirkung, sobald ein Hindernis 24 auf denselben drückt. Dabei werden die EAP-Schichten 30 - zumindest diejenigen Schichten senkrecht zur Schließkraft - derart zusammengedrückt, dass sich die Dicke 38 der EAP-Schichten 30 verringert. Dies führt ebenfalls zu einer aufsummierten Spannungsänderung, die an den beiden Elektroden 28 abgegriffen wird.
In Fig. 4b ist eine EAP-Schicht 30 ebenfalls mit dazwischenliegenden Elektroden 34, 36 analog zu Fig. 4a aufgewickelt, jedoch ist in dieser Anordnung die Krafteinwirkung in axialer Richtung zur Rolle 42. Dabei sind mehrere Rollen 42 mit ihrer Achse näherungsweise in der Scheibenebene und in etwa senkrecht zur Kante 20 angeordnet, wobei eine axiale Längenänderung der Rolle 42 eine Änderung - in diesem Fall eine Vergrößerung - der Dicke 38 der EAP- Schichten 30 bewirkt.
Fig. 4c zeigt eine weitere Variation, bei der die EAP- Schicht 30 als einfaches Röhrchen 44 geformt ist, wobei die Elektroden 34, 36 jeweils an den beiden axialen Enden des Röhrchens 44 angeordnet sind. Die Krafteinwirkung erfolgt hier entsprechend Fig. 4b ebenfalls axial, wodurch sich ebenfalls die Dicke 38 der EAP-Schicht 30 verändert. Durch die Elektrodenanordnung wird hierbei nicht die Spannungsänderung über die Dicke 38 der EAP-Schicht 30, sondern über deren axiale Ausdehnung gemessen.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform des Einklemmschutzsensors 14 gemäß der Anordnung in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist eine zwischen zwei Elektroden 34, 36 eingebettete EAP-Schicht 30 über einer Lochbandmatrix 46 angeordnet. Zwischen den einzelnen Löchern 48 des sich in etwa parallel zur Kante 20 erstreckenden Lochbandes 46 befinden sich Stützstellen 50, an denen die EAP-Schicht 30 aufgehängt ist. Die Lochbandmatrix 46 stellt ein räumlich fixiertes Gerüst dar, durch dessen Löcher 48 sich, bei an die Elektroden 34, 36 angelegter Spannung, die EAP-Schicht 30 mitsamt den Elektroden 34, 36 hindurch ausdehnt. Die Lochbandmatrix 46 ist mitsamt der Elektroden 34, 36 und der EAP-Schicht 30 in ein Dichtungsprofil 16 integriert oder direkt mittels Mehrkomponenten-Spritzgießen einstückig mit diesem hergestellt. Durch die räumlich fixierten Stützstellen 50 bewirken auch kleine Hindernisse 24 eine relativ starke Verformung der EAP-Schicht 30, da diese bis zur Ebene 52 der Lochbandmatrix 46 durch die Löcher 48 zurückgedrängt wird. Dies bewirkt eine Spannungsänderung zwischen den anliegenden Elektroden 34, 36, die zur Auslösung der Einklemmschutzfunktion ausgewertet wird.
In Fig. 6 ist ein Einklemmschutzsensor 14 mit einer und mit zwei EAP-Schichten 30 dargestellt, wobei jeweils eine Elektrode 56 eine Strukturierung aufweist. Die Elektrode 56 ist entlang der Kante 20 oder dem Rahmenprofil 16 in kleine Abschnitte unterteilt, die durch flexible Verbindungsstücke 54 miteinander verbunden sind. Die strukturierte Elektrode 56 ist als integrierte Schicht ausgebildet und kann verschiedene geometrische Formen aufweisen. Eine solche, auf oder zwischen EAP-Schichten angeordnete, Elektrode 56 ist auch bei einstückiger Ausbildung sehr flexibel und außerordentlich dehnbar und dadurch sehr verschleißbeständig.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 14 mit einer einstückigen, unstrukturierten Grundelektrode 34 und einer darauf angeordneten EAP-Schicht 30. Auf dieser wiederum ist eine strukturierte Elektrode 56 als integrierte Schicht angeordnet, wobei die einzelnen Elektrodenabschnitte 58 gegeneinander isoliert sind. Die einzelnen Elektrodenabschnitte 58 weisen zur Kontaktierung Leiterbahnen 62 auf, die ebenfalls Bestandteil der integrierten Schicht sind. Die Elektrodenabschnitte 58 sind vorzugsweise in Richtung 20' der Kante 20 unterteilt, um lokal die Empfindlichkeit des Einklemmschutzsensors 14 zu erhöhen oder aber auch, um eine Einteilung in Bereiche 18 entsprechend der Scheibenkontur gemäß Fig. 1 zu realisieren. Wird die Grundelektrode 34 mit Masse verbunden, kann jedem einzelnen Elektrodenabschnitt 58 eine individuelle Grundspannung für den jeweiligen Elektrodenabschnitt 58 - oder entsprechend den Sensorbereichen 18 - zugeordnet werden. Dadurch kann für jeden Abschnitt 58 beziehungsweise Bereich 18 eine unterschiedliche Empfindlichkeit des Sensors 14 eingestellt werden. Alternativ kann eine solche lokale Empfindlichkeit auch über unterschiedliche Schwellwerte der Spannungsänderung eingestellt werden.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Rahmenprofil 12 mit einem Dichtprofil 16. Die zwischen zwei Elektrodenschichten 28 angeordnete EAP-Schicht 30 ist kreisförmig um ein freies Ende 60 des Rahmenprofils 12 zwischen diesem und dem Dichtprofil 16 angeordnet. Durch die halbkreisförmige Ausformung des Einklemmschutzsensors 14 in einer Ebene in etwa senkrecht zur Kante 20 können auch Einklemmkräfte 22 außerhalb der Bewegungsebene des Teils 10 detektiert werden, wobei vor allem der innere Bereich 15 des Einklemmschutzsensors 14 zur Scheibe 10 hin für das rechtzeitige Erkennen eines Hindernisses 24 entscheidend ist. Der Einklemmschutzsensor 14 wird bei dieser Anordnung auf das freie Ende 60 des Dichtprofils 12 aufgeklebt, kann aber auch lediglich in das Dichtprofil 16 vor dessen Montage eingelegt und gegen das freie Ende 60 gedrückt werden.
In Fig. 9 wird der Einklemmschutzsensor 14 an einem freien Ende 60 des Rahmenprofils 12 mittels einer Folie 64 fixiert, die die Leiterbahnen 62 für die einzelnen Elektrodenabschnitt 58 trägt. Ist die gesamte Länge des Einklemmschutzsensors 14 in viele Abschnitte 58 unterteilt, so ist für die Vielzahl der Elektrodenanschlüsse eine große Fläche erforderlich, um die Leiterbahnen 62 entlang dem Rahmenprofil 12 einer Spannungsquelle zuzuführen. Hierzu dient die flexible Leiterplattenfolie 64, die sich über den gesamten Bereich zwischen der Außenseite 66 des Dichtprofils 12 und dem Dichtprofil 16 erstreckt. Die EAP-Schichten 30 und die dazugehörigen Elektroden 28 sind dabei vorzugsweise integraler Bestandteil der Leiterplattenfolie 64. Die Leiterplattenfolie 64 mit den Leiterbahnen 62 ist entweder am Dichtprofil 16 festgeklebt oder lediglich zwischen Dichtprofil 16 und Rahmenprofil 12 eingepresst. Die Kontaktbahnen 62 werden vorzugsweise einer Steuereinheit 26 zugeführt, in der die angelegten Spannungen im kV-Bereich mittels eines DC/DC-Wandlers für die Weiterverarbeitung in der Auswerteelektronik transformiert werden. An den Elektroden 28 treten Ströme in der Größenordnung 0,5 mA auf, so dass auch hohe Spannungen keine Gefährdung für Personen darstellen. Die lokale Längenänderung der EAP-Schicht 30 um bis zu 300% erfolgt entsprechend der Schließgeschwindigkeit des Teils 10. Die Reaktionszeit der Elektrostriktion, das heißt das Generieren einer Spannungsänderung bei einer angelegten Arbeitsspannung, erfolgt im Bereich von Millisekunden bis Mikrosekunden. Die Elektrostriktion lässt sich auch mit dem Modell eines Kondensators darstellen, wobei als Dielektrikum das EAP-Material zwischen zwei ebenen Elektrodenplatten angeordnet ist. Durch die äußere Verformung treten Impedanzänderungen des Systems auf, da sich die effektive Länge der Polymerketten beziehungsweise die Orientierung der inneren Dipole im angelegten elektrischen Feld ändert. Die mehrfach aufeinandergestapelten EAP-Schichten können quasi in Reihe geschaltet werden, um das Messsignal zu erhöhen. Je dünner die EAP-Filme appliziert werden können, desto geringer werden die Stromverluste durch Wärmeabgabe der Elektroden. Durch das Einschließen der strukturierten Elektrode 56 zwischen zwei EAP-Schichten wird sichergestellt, dass sich die wirksamen Elektrodenflächen ohne Justage direkt übereinander befinden. Bei der Integration der typischerweise sehr schmalen Leiterbahnen 62 in den Sensor werden diese zusätzlich mechanisch geschützt. Bei der Herstellung der EAP-Schichten 30 ist auf eine homogene Schichtdicke 38 derselben zu achten, da sonst kein konstantes, homogenes elektrisches Feld angelegt werden kann. Da das Sensormaterial sehr ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist wie das Material des Dichtungsprofils 16, werden Delaminationen zwischen Sensor 14 und Gummi minimiert. Dies gilt für einen Temperaturbereich von -50 bis 200°C, der die Anwendung im Kfz-Bereich vollständig abdeckt. Daher kann die erfindungsgemäße Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 auch in einfacher Form als Lack auf das Dichtprofil 16 aufgetragen werden.
Denkbar ist außerdem, dass aus dem Verlauf der Impedanzänderungen auch beispielsweise auf die Größe des eingeklemmten Objekts 24 geschlossen werden und somit auch abhängig von der Objektgröße der auslösende Schwellwert festgelegt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Öffnen und Schließen einer Öffnung (11), insbesondere an einem Fahrzeug, mittels eines motorisch angetriebenen, beweglichen Teils (10), mit einer Steuereinheit (26) und einem Einklemmschutzsensor (14), der im wesentlichen entlang einer Kante (20) des Teils (10) und/oder eines die Öffnung (11) begrenzenden Rahmenprofils (12) angeordnet ist und beim Schließen des Teils (10) ein Hindernis (24) erkennt, das sich im Verstellweg des Teils (10) befindet, und ein Signal an die Steuereinheit (26) weiterleitet, um die Bewegung des Teils (10) zu stoppen oder zu reversieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) ein zwischen Elektroden (28, 34, 36) angeordnetes hochdehnbares elektroaktives Polymer(EAP)-Material (30), insbesondere Polyurethan, Flourelastomer, Polybutadien, Floursilikon oder Silikon, aufweist, das bei einer Verformung eine Spannungsänderung an den Elektroden (28, 34, 36) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einer Verformung des EAP-Materials (30) die effektive Länge dessen Polymerketten ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das EAP-Material (30) in dünnen Schichten, insbesondere einer Dicke (38) von 1 bis 100 µm ausgeformt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Elektroden (28, 34, 36) eine Spannung U gemäß der Formel

einstellt, wobei t die Dicke (38) der EAP-Schicht (30), ε_r die Dielektrizitätszahl, so die elektrische Feldkonstante und P der von dem Hindernis (24) erzeugte Druck auf die EPA-Schicht (30) darstellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere EAP-Schichten (30) mit dazwischen liegenden Elektroden (28, 34, 36) und/oder Isolationsschichten (32) übereinander gestapelt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Hindernis (24) erzeugte Druck überwiegend senkrecht zu den EAP-Schichten (30) wirkt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Hindernis (24) erzeugte Druck überwiegend parallel zu den EAP-Schichten (30) wirkt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP-Schicht (30) als Röhre (44) oder als Rolle (42) ausgeformt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28, 34, 36) an den Stirnseiten oder an den Mantelflächen der Röhre (42) oder der Rolle (44) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP- Schicht (30) über einer Lochbandmatrix (46) angeordnet ist und sich bei an die Elektroden (28, 34, 36) angelegter Spannung durch die Löcher (48) der Lochbandmatrix (46) hindurch ausdehnt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine der Elektroden (28, 34, 36, 56) räumlich strukturiert ist, insbesondere in Richtung (20') der Kante (20) leicht beweglich ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) entlang der Kante (20) oder des Rahmenprofils (12) in mehrere unabhängige Bereiche (18, 58) unterteilt ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche (18, 58) des Einklemmschutzsensors (14) überlappen.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensorbereich (18, 58) zumindest jeweils eine eigene Elektrode (28, 34, 36, 56) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektroden (28, 34, 36, 56) der Sensorbereiche (18, 58) in Form einer integrierten Schicht mit Leiterbahnen (62) auf der EAP-Schicht (30) ausgeführt sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) zwischen einem das Teil (10) umschließenden Rahmenprofils (12) und einer in dieses eingefügten Dichtprofil (16) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) mittels einer Folie (64) fixiert ist, die Leiterbahnen (62) für die Ansteuerung der Elektroden (28, 34, 36, 56) trägt.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) in das Dichtprofil (16) integriert, insbesondere mittels Koextrudieren oder Mehrkomponenten-Spritzgießen einstückig mit dem Dichtprofil (16) ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP- Schicht (30) in Form eines Lackes oder durch Kleben auf dem Dichtprofil (16) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) halbkeisförmig um mindestens ein dem Teil (10) zugewandtes freies Ende (60) des Rahmenprofils (12) ausgeformt ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) entlang der Kante (20) oder des Rahmenprofils (12) in Bereiche (18, 58) unterschiedlicher Empfindlichkeit unterteilt ist, denen ein der Geometrie der Kante (20) angepaßter Schwellwert der Spannungsänderung zugeordnet ist, dessen Über- oder Unterschreiten ein Stoppen oder Reversieren des Teils (10) auslöst.

22. vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die den einzelnen EAP- Schichten (30) oder Sensorbereichen (18, 58) zugeordneten Elektroden (28, 34, 36, 58) unterschiedliche Ausgangs- Spannungen angelegt werden.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) zur Auswertung der Spannungsänderung in der Steuereinheit (26) ein DC-DC-Wandler (27) aufweist.