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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern und Überwachen
eines zwischen einer Offenstellung und einer Schliessstellung bewegbaren Schließelements
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Schliesselement, das ein
freies Ende aufweist, kann beispielsweise eine motorisch angetriebene
Fensterscheibe, Heckklappe oder Schiebetür eines Kraftfahrzeugs sein.
Die Vorrichtung ist mit einem Sensor versehen, der eine Sensorelektrode und
eine Grundelektrode umfasst. Die Sensorelektrode und die Grundelektrode
erzeugen ein elektrisches Feld in einem Öffnungsbereich des Schliesselements.
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Eine
derartige Vorrichtung findet üblicherweise
als Einklemmschutz Anwendung, um das Einklemmen von beispielsweise
einem menschlichen Körperteil
zwischen dem Schliesselement und einem das Schliesselement zumindest
teilweise einfassenden Rahmen zu verhindern. Die Wirkungsweise eines
solchen kapazitiven Einklemmschutzes beruht auf einer durch ein
elektrisch leitendes Hindernis in dem Öffnungsbereich des Schliesselements
hervorgerufenen Beeinflussung des elektrischen Felds, die sich als
kapazitive Änderung
an der Sensorelektrode erfassen lässt. Im Unterschied zu einem
sogenannten taktilen Einklemmschutz, der einen physischen Kontakt
des Hindernisses mit dem Sensor erfordert, wird die Anwesenheit
eines Hindernisses in dem Öffnungsbereich
des Schliesselements bei dem kapazitiven Einklemmschutz berührungslos
erfasst.
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Ein
kapazitiver Einklemmschutz wird in der
EP 1 154 110 A2 beschrieben.
Der bekannte Einklemmschutz weist zwei elektrische Leiter auf, die das
elektrische Feld in dem Öffnungsbereich
eines Schliesselements erzeugen. Einer der beiden Leiter, die Sensorelektrode,
ist in eine das Schliesselement abdichtende Dichtung integriert
und wird mit einer vorgegebenen elektrischen Ladung beaufschlagt. Auf
diese Weise lässt
sich zwischen der Sensorelektrode und dem anderen Leiter, der Grundelektrode, die
beispielsweise geerdet ist, eine Referenzkapazität bestimmen. Eine auf Grund
der Anwesenheit eines Hindernisses in dem Öffnungsbereich des Schliesselements
hervorgerufene Änderung
der Kapazität
gegenüber
der Referenzkapazität
wird mittels eines Steuergeräts
erfasst, das ein Steuersignal für einen
das Schliesselement antreibenden Motor bereitstellt. Um auch nicht
leitende Werkstoffe, wie beispielsweise Holz oder Kunststoff, die
keine oder nur eine unbedeutende kapazitive Änderung hervorrufen, erkennen
zu können,
ist der Einklemmschutz mit einem sogenannten Soft-Spot versehen.
Der Soft-Spot wird dadurch realisiert, dass der die Sensorelektrode
aufnehmende Bereich der Dichtung verformbar ausgestaltet ist. Auf
diese Weise ergibt sich bei einem physischen Kontakt des Hindernisses
mit der Dichtung eine Veränderung
der relativen Lage von Sensorelektrode und Grundelektrode und damit eine Änderung
der Kapazität.
Die Ausrichtung des zwischen der Sensorelektrode und der Grundelektrode
erzeugten elektrischen Felds lässt
sich durch die gegenseitige Anordnung von Sensorelektrode und Grundelektrode
beeinflussen.
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Ein
kapazitiver Einklemmschutz, der mit einem Sensor versehen ist, welcher
neben einer Sensorelektrode und einer Grundelektrode noch elektrisch
isolierte Leitmittel aufweist, die ein Schliesselement gegen das
durch die Sensorelektrode und die Grundelektrode erzeugte elektrische
Feld abschirmen, wird in der
DE 102 20 725 C1 beschrieben. Die Leitmittel
dienen dazu, den von dem Schliesselement, beispielsweise einer Fensterscheibe,
ausgeübten
Einfluss auf das elektrische Feld zu eliminieren, so dass die Referenzkapazität zwischen
der Sensorelektrode und der Grundelektrode weitgehend unbe einflusst
durch das Schliesselement bleibt. Die durch die Leitmittel hervorgerufene
Ausrichtung des elektrischen Felds ist so, dass sich das elektrische Feld
in einem Teilgebiet des Öffnungsbereichs
des Schliesselements erstreckt.
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Weiterhin
sind im Stand der Technik kapazitive Sensoren bekannt, die neben
einer Sensorelektrode und einer Grundelektrode noch eine Abschirmelektrode,
die zwischen der Sensorelektrode und der Grundelektrode angeordnet
ist, aufweisen. Die Abschirmelektrode, die gewöhnlich auch als „driven shield" bezeichnet wird,
dient dazu, den Einfluss einer das Messergebnis beeinträchtigenden
Streukapazität
zu verringern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine zwischen der
Sensorelektrode und der Abschirmelektrode erzeugte Potentialdifferenz
eine Ausrichtung der Feldlinien ermöglicht, wodurch sich eine Erhöhung der
Empfindlichkeit der Sensorelektrode erreichen lässt. Die Abschirmelektrode
muss, um die Streukapazität
zu verringern, wenigstens auf dem gleichen elektrischen Potential
liegen wie die Sensorelektrode, das heisst die an der Abschirmelektrode
anliegende Abschirmspannung muss wenigstens gleich der an der Sensorelektrode
anliegenden Messspannung sein. Um die Abschirmelektrode auf dem
gleichen elektrischen Potential zu halten wie die Sensorelektrode,
findet üblicherweise
ein Impedanzwandler Anwendung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Steuern
und Überwachen
eines Schliesselements dahingehend weiterzubilden, dass sich ein
störender
Einfluss des Schliesselements auf ein elektrisches Feld eliminieren
lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegeben Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgeshaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemässe
Vorrichtung beruht auf der Erkenntnis, durch die Anordnung der Grundelektrode
zwischen der Sensorelektrode und dem freien Ende des Schliesselements
eine Einschnürung
des elektrischen Felds zwischen der Abschirmelektrode und der Grundelektrode
hervorzurufen. Das sich infolgedessen in zwei divergierenden Vorzugsrichtungen
ausbreitende elektrische Feld erzeugt einen Kanal, in dem eine nur
geringe elektrische Feldstärke
herrscht. In diesem quasi von Feldlinien freien Kanal wird durch
ein Hindernis keine signifikante Beeinflussung des elektrischen
Felds hervorgerufen, so dass eine kapazitive Änderung an der Sensorelektrode
unterbleibt. Erfindungsgemäss
ist das Schliesselement, bei dem es sich beispielsweise um eine
Fensterscheibe, eine Schiebetür
oder eine Heckklappe eines Kraftfahrzeugs handelt, in dem somit
detektionsfreien Kanal angeordnet, um den Einfluss des Schliesselements
auf das elektrische Feld zu eliminieren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemässe Vorrichtung
ein mit dem Sensor verbundenes Steuergerät auf, das eine kapazitive Änderung
an der Sensorelektrode auf Grund der Anwesenheit eines Hindernisses
in dem Öffnungsbereich
des Schliesselements erfasst und ein Steuersignal für einen
das Schliesselement antreibenden Motor bereitstellt. Bei Vorhandensein
eines Hindernisses in dem Öffnungsbereich
des Schliesselements kann auf diese Weise die Bewegung des Schliesselements
gestoppt oder umgekehrt werden.
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Bevorzugt
ist die Abschirmelektrode elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung
der Abschirmelektrode gewährleistet
eine zuverlässige
Abschirmung.
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Die
Sensorelektrode und/oder die Grundelektrode und/oder die Abschirmelektrode
sind im Querschnitt bevorzugt rechteckig, rund oder V-förmig ausgebildet.
Eine im Querschnitt rechteckige Elektrode erstreckt sich zweckmäßigerweise
entweder in Richtung der gedachten Geraden oder orthogonal zu dieser.
Eine im Querschnitt V-förmige
Elektrode hingegen ist zweckmäßigerweise
so angeordnet, daß die
Spitze der Elektrode auf der gedachten Geraden liegt und die Schenkel
der Elektrode symmetrisch zu der gedachten Geraden verlaufen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemässe Vorrichtung
eine das Schliesselement abdichtende Dichtung auf, die an einem
das Schliesselement zumindest teilweise einfassenden Rahmen befestigt
ist. Die Dichtung besteht zweckmässigerweise
aus einem elastomeren Werkstoff, beispielsweise einem thermoplastischen
Elastomer (TPE) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).
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Die
Sensorelektrode, die Grundelektrode und/oder die Abschirmelektrode
sind vorteilhafterweise im Bereich der Dichtung angeordnet. Auf
diese Weise ist es möglich,
das elektrische Feld so auszurichten, dass der gesamte Öffnungsbereich
des Schliesselements erfasst wird. Die Sensorelektrode, die Grundelektrode
und/oder die Abschirmelektrode können
beispielsweise an einer Verkleidung oder der Karosserie eines Kraftfahrzeugs
angeordnet sein. Bevorzugt sind die Sensorelektrode, die Grundelektrode
und/oder die Abschirmelektrode allerdings in die Dichtung integriert,
um eine einfache und praxisgerechte Handhabung zu gewährleisten.
Die Sensorelektrode, die Grundelektrode und/oder die Abschirmelektrode
können
dabei zweckmässigerweise
als Metallstrang, der in die Dichtung eingebettet ist, oder als
ein elektrisch leitfähiger
Bereich der Dichtung ausgebildet sein.
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Bevorzugt
liegt die Grundelektrode an Masse, so dass sich, wenn an der Sensorelektrode
eine Spannung angelegt wird, eine Potentialdifferenz zwischen der
Sensorelektrode und der Grundelektrode ergibt. Die Grundelektrode
kann in diesem Fall vorteilhafterweise durch den Rahmen oder – wie es
die WO 00/57013 lehrt – durch
einen Verstärkungsträger, der
die Dichtung armiert, gebildet werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung
weist die Dichtung wenigstens eine Dichtlippe, die an dem Schliesselement
anliegt, und wenigstens eine Haltelippe, die kraftschlüssig und/oder
formschlüssig
mit dem Rahmen verbunden ist, auf. Die Dichtlippe trägt zu einer wirksamen
Abdichtung des Schliesselements bei, wohingegen die Haltelippe eine
sichere Befestigung der Dichtung an dem Rahmen gewährleistet.
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Ausführungsbeispiele
werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs;
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2 einen
Schnitt gemäss
der Linie II in 1, der einen in eine Dichtung
integrierten Sensor zeigt;
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3 eine
Darstellung der Wirkungsweise des Sensors gemäss 2 bei einer
ersten Ausführungsform
des Schliesselements und
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4 eine
Darstellung gemäss 3 bei
einer zweiten Ausführungsform
des Schliesselements.
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Das
in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 10 ist im Bereich
einer Tür 11 mit
einer durch einen Elektromotor 21 angetriebenen Fensterscheibe 20 versehen. Die
ein Schliesselement darstellende Fensterscheibe 20 ist
in einer Bewegungsrichtung y zwischen einer Offenstellung und einer
Schliessstellung bewegbar.
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Wie 2 näher zu erkennen
gibt, weist die Tür 11 einen
Rahmen 12 auf, an dem eine die Fensterscheibe 20 abdichtende
Dichtung 30 angeordnet ist. Die aus einem elektrisch nicht
leitenden, elastomeren Werkstoff, beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
(EPDM), gefertigte Dichtung 30 ist mit Dichtlippen 31 versehen,
welche die Fensterscheibe 20 führen und abdichten. Die an
der Fensterscheibe 20 anliegenden Dichtlippen 31 sind
zu diesem Zweck mit einer reibungsvermindernden Beschichtung oder
Beflockung 32 versehen. Ausserdem ist die Dichtung 30 mit
Haltelippen 33 versehen, die formschlüssig mit Vorsprüngen 13 des
Rahmens 12 verbunden sind, um eine zuverlässige Befestigung
der Dichtung 30 an dem Rahmen 12 zu gewährleisten.
Weiterhin weist die Dichtung 30 einen Verstärkungsträger 34 auf,
der die Dichtung 30 armiert.
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2 gibt
ferner zu erkennen, dass in die Dichtung 30 ein Sensor 40 integriert
ist. Der Sensor 40 weist eine Sensorelektrode 41,
eine Grundelektrode 42 und eine Abschirmelektrode 43 auf,
wie insbesondere aus den 3 und 4 ersichtlich
ist. Der Sensor 40 dient dazu, ein elektrisches Feld F
in einem Öffnungsbereich
der Fensterscheibe 20 zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist
an der Sensorelektrode 41 eine Spannung angelegt. Die Grundelektrode 42 hingegen
liegt an Masse, so dass sich zwischen der Sensorelektrode 41 und
der Grundelektrode 42 eine Potentialdifferenz ergibt. Der
Sensor 40 ist mit einem Steuergerät 22 verbunden, das
eine kapazitive Änderung
an der Sensorelektrode 41 erfasst und ein Steuersignal
für den
das Schliesselement 20 antreibende Elektromotor 21 bereitstellt.
Das Steuergerät 22 kann eine
eigenständige
Baueinheit oder Bestandteil einer elektronischen Steuerung des Elektromotors 21 sein.
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Eine
kapazitive Änderung
an der Sensorelektrode 41 wird dann hervorgerufen, wenn
sich auf Grund der Anwesenheit eines Hindernisses, beispielsweise
der Hand eines Menschen, in dem Öffnungsbereich
der Fensterscheibe 20 die Permittivität des elektrischen Felds F ändert. Das
Steuergerät 22 stellt
in diesem Fall ein Steuersignal bereit, das den Elektromotor 21 stoppt
oder eine Umkehrung der Bewegung der Fensterscheibe 20 herbeiführt, so
dass ein Einklemmen des Hindernisses zwischen einem freien Ende 24 der
Fensterscheibe 20 und dem Rahmen 12 verhindert
wird.
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Eine Änderung
der Permittivität
des elektrischen Felds F ergibt sich allerdings grundsätzlich auch
dann, wenn die Fensterscheibe 20 in dem elektrischen Feld
F bewegt wird. Um eine aufwendige Kompensation des unerwünschten
Einflusses der Fensterscheibe 20 auf das elektrische Feld
F zu vermeiden, sind die Sensorelektrode 41, die Grundelektrode 42,
die Abschirmelektrode 43 und das freie Ende 24 der
Fensterscheibe 20 im wesentlichen auf einer gedachten Geraden
g angeordnet, wobei sich die Grundelektrode 42 zwischen
der Sensorelektrode 41 und dem freien Ende 24 der
Fensterscheibe 20 befindet, wie die 3 und 4 zu
erkennen geben. Die elektrisch isolierte Abschirmelektrode 43 bewirkt
eine Einschnürung
des elektrischen Felds F zwischen der Sensorelektrode 41 und
der Grundelektrode 42 mit der Folge, dass sich das elektrische Feld
F in zwei divergierenden Vorzugsrichtungen ausbreitet und entlang
der Geraden g einen Kanal 44 erzeugt, der quasi frei von
Feldlinien ist und in dem demzufolge nur eine geringe elektrische
Feldstärke herrscht.
In diesem insofern detektionsfreien Kanal 44 ruft ein Hindernis
keine signifikante Beeinflussung des elektrischen Felds F hervor.
Die sich in dem detektionsfreien Kanal 44 bewegende Fensterscheibe 20 erzeugt
daher keine kapazitive Änderung
an der Sensorelektrode 41.
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Die
zuvor beschriebene Vorrichtung zum Steuern und Überwachen der in der Tür 11 bewegbaren
Fensterscheibe 20 stellt einen kapazitiven Einklemmschutz
dar, der eine aufwendige Kompensation des Einflusses, den die Fensterscheibe 20 auf
das elektrische Feld F ausübt,
entbehrlich macht. Grund hierfür
ist vor allem der Sensor 40, der den detektionsfreien Kanal 44,
in welchem sich die Fensterscheibe 20 bewegt, erzeugt.
Der Sensor 40 kann eine eigenständige Baueinheit sein, in welcher
die Sensorelektrode 41, die Grundelektrode 42 und
die Abschirmelektrode 43 integriert sind, wie es in den 3 und 4 veranschaulicht
ist. Alternativ können
die Sensorelektrode 41, die Grundelektrode 42 und
die Abschirmelektrode 43 separate Bauteile sein, die in
die Dichtung 30 integriert sind oder auch an einer Verkleidung
oder der Karosserie des Kraftfahrzeugs 10 befestigt sind.
Folglich können
beispielsweise die Sensorelektrode 41 und die Abschirmelektrode 43 durch
elektrisch leitfähige
Bereiche der Dichtung 30, die durch Koextrusion erzeugt
werden, und die Grundelektrode 42 durch den Verstärkungsträger 34 gebildet
werden.
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Wie
insbesondere die 1 und 4 zu erkennen
geben, kann der Sensor 40 auch im Bereich einer Heckklappe 23 oder
eines sonstigen Schliesselements des Kraftfahrzeugs 10 Anwendung finden.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung zeichnet sich daher nicht zuletzt
durch eine universelle Verwendung aus.
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Tür
- 12
- Rahmen
- 13
- Vorsprung
- 20
- Fensterscheibe
- 21
- Motor
- 22
- Steuergerät
- 23
- Heckklappe
- 24
- freies
Ende
- 30
- Dichtung
- 31
- Dichtlippe
- 32
- Beschichtung
- 33
- Haltelippe
- 34
- Verstärkungsträger
- 40
- Sensor
- 41
- Sensorelektrode
- 42
- Grundelektrode
- 43
- Abschirmelektrode
- 44
- detektionsfreier
Kanal
- F
- elektrisches
Feld
- g
- Gerade
- y
- Bewegungsrichtung