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Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor zur Überwachung einer Annäherung eines Objekts an ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs.
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Aus der
EP 1 442 189 B1 ist ein Einklemmschutzsensor bekannt, bei dem mehrere übereinander gestapelte Schichten aus einem elektroaktiven Polymer zum Einsatz kommen. Diese sind in einem Dichtprofil einer Fensteröffnung eines Kraftfahrzeugs integriert oder zu diesem benachbart angeordnet. Im Fall keiner Detektion verlaufen die Schichten planparallel zueinander und parallel zur Kante der Fensteröffnung. Es ist vorgesehen, dass der von einem Hindernis auf den Einklemmschutzsensor ausgeübte Druck überwiegend senkrecht auf die Schichten wirkt und diese verformt. Eine weitere Ausführungsform des Einklemmschutzsensors sieht vor, dass der von einem Hindernis ausgeübte Druck parallel zu den Schichten aus dem elektroaktiven Polymer wirkt und somit eine Auswölbung der Schichten bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten Berührungssensor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Hierzu ist ein Berührungssensor zur Überwachung einer Annäherung eines Objekts an ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs mit einem Biegestreifen vorgesehen, der zwei Elektroden und ein dazwischen angeordnetes elektroaktives Polymer aufweist. Ein erstes Ende des Biegestreifens ist an dem Bauteil fixiert, während sich ein zweites Ende des Biegestreifens in einer Sicherheitsdistanz zu dem Bauteil befindet, wenn der Abstand des Objekts zu dem Bauteil größer oder gleich der Sicherheitsdistanz ist, wobei bei einer Berührung des Bauteils durch das Objekt die beiden Elektroden planparallel sind.
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Nachfolgend wird unter Ausgangszustand verstanden, dass der Abstand des Objekts zu dem Bauteil größer oder gleich einer Sicherheitsdistanz ist. Unter Berührzustand wird verstanden, dass das Objekt das Bauteil berührt. Die Sicherheitsdistanz ist insbesondere derart gewählt, dass bei einer Annäherung des Objekts an das Bauteil und somit bei einem Eindringen des Objekts in einen Schutzbereich um das Bauteil, der von der Sicherheitsdistanz definiert ist, ausreichend Zeit verbleibt, gegebenenfalls die Bewegung des Objekts zu beeinflussen oder das Bauteil in eine derartige Position zu verbringen, dass beispielsweise eine Berührung des Objekts und des Bauteils nicht stattfindet. Zweckmäßigerweise beträgt die Sicherheitsdistanz zwischen 0,1 cm und 10 cm.
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Der Berührungssensor umfasst einen Biegestreifen, der zwei beispielsweise aus Platin bestehende Elektroden und ein dazwischen angeordnetes elektroaktives Polymer aufweist. Elektroaktive Polymere bezeichnen eine Untergruppe der polymeren Werkstoffe. Diese Polymere ändern bei einer an sie angelegten Spannung ihre Form, oder eine Änderung der Form eines Bauteils aus einem elektroaktiven Polymer führt zu einer elektrischen Potentialdifferenz zweier Außenflächen des Bauteils. Die elektroaktiven Polymere werden in ionische und elektronische elektroaktive Polymere unterschieden. Der Unterschied der beiden Untergruppen besteht darin, dass der Ladungstransport innerhalb des Polymers mittels positiv geladener Ionen oder negativ geladener Elektronen erfolgt.
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Ein erstes Ende des insbesondere elastischen Biegestreifens ist an dem Bauteil fixiert, beispielsweise verklebt. Ein zweites Ende des Biegestreifens befindet sich im Ausgangszustand in der Sicherheitsdistanz zu dem Bauteil. Zweckmäßigerweise befinden sich das erste und das zweite Ende an gegenüberliegenden Seiten des vorzugsweise rechteckförmig ausgestalteten Biegestreifens. Nähert sich das Objekt dem Bauteil, so berührt das Objekt zunächst den Biegestreifen, der sich aufgrund des auf diesen ausgeübten Drucks verformt. Die Verformung bedingt eine Änderung der Potentialdifferenz der Elektroden, wobei die Änderung der Potentialdifferenz solange im Vergleich zu dem Ausgangszustand zunimmt, bis das Objekt das Bauteil berührt. Bei einer Berührung des Objekts und des Bauteils, also im Berührzustand, sind die beiden Elektroden planparallel.
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Beispielsweise beträgt die Potentialdifferenz der beiden Elektroden Null, wenn sie planparallel sind, und ist sonst verschieden von Null. Eine mit dem Biegestreifen elektrisch verbundene Elektronik erfasst daher im Ausgangszustand ein Signal. So ist vergleichsweise leicht überprüfbar, ob der Berührungssensor einsatzbereit ist, oder ob eine Fehlfunktion vorliegt, wie beispielsweise eine Unterbrechung einer elektrischen Verbindung zwischen der Elektronik und dem Biegestreifen, da in diesem Fall die Elektronik kein Signal erfasst.
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Beispielsweise kommt der Berührungssensor als Crash-Sensor im Bereich eines Stoßfängers zum Einsatz. Hierfür ist der Sensor insbesondere in einer sogenannten Schürze integriert und misst eine Verformung derselben. Das Bauteil des Kraftfahrzeugs ist hierbei ein tragendes Element der Fahrzeugkarosserie an dem die Schürze angebracht ist und das Objekt zum Beispiel ein weiteres Kraftfahrzeug oder ein ortsfestes Hindernis, wie beispielsweise ein Absperrpfosten oder ein Lichtmast. Ein weiteres Einsatzgebiet des Berührungssensors ist zum Beispiel die Verwendung als Einklemmschutzsensor innerhalb eines herkömmlichen elektrischen Fensterhebers. Das Bauteil des Kraftfahrzeugs ist hierbei zum Beispiel eine Festerdichtung oder ein Türrahmen und das Objekt insbesondere eine Fensterscheibe oder ein vor einer Einklemmung zu schützendes Objekt, wie zum Beispiel eine Hand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elektroaktive Polymer ein ionisches Polymer-Metall-Komposit (IPMC), und aus dieser Gruppe beispielsweise ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer und insbesondere NafionTM. Der Vorteil ist hierbei insbesondere die vergleichsweise geringe Änderung der Potentialdifferenz der Elektroden zwischen dem Ausgangszustand und dem Berührzustand, weshalb der Berührungssensor und mit diesem eventuell verbundene Anschlusskabel vergleichsweise klein dimensionierbar sind. Ein weiterer Vorteil, der sich bei einer Verwendung eines derartigen Materials ergibt, ist in der vergleichsweise großen Elastizität des Biegestreifens und in dem vergleichsweise geringen Kraftaufwand zu sehen, der für eine Verformung desselben notwendig ist.
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Beispielsweise ist der Biegestreifen derart elastisch gefertigt, dass das zweite Ende im Ausgangszustand selbstständig, also ohne Zuhilfenahme weiterer Hilfsmittel, in die Sicherheitsdistanz verbracht wird und/oder dort gehalten ist. Zweckmäßigerweise wird jedoch das zweite Ende des Biegestreifens im Ausgangszustand mittels eines Federelements in der Sicherheitsdistanz zu dem Bauteil gehalten. Hierdurch ist es möglich, den Biegestreifen auf eine gute Messqualität hin zu optimieren, wohingegen das Federelement die Aufgabe der Ausrichtung des Biegestreifens innerhalb des Berührungssensors übernimmt. Insbesondere ist das Federelement derart ausgestaltet, dass die Bewegung des Objekts bei einer Annäherung an das Bauteil durch das Federelement vergleichsweise gering beeinflusst wird.
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Das Federelement kann inelastisch ausgestaltet sein, insbesondere bei der Verwendung als ein Crash-Sensor. Beispielsweise ist deswegen ein vergleichsweise stabiles Halten des zweiten Endes ermöglicht, obschon das zweite Ende des Biegesensors nach der Beendung des Berührungsfalles erneut mittels eines weiteren Elements in die Sicherheitsdistanz verbracht und das Federelement ausgetauscht werden muss.
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Geeigneterweise ist daher das Federelement elastisch ausgestaltet. Beispielsweise ist das Federelement eine herkömmliche Schraubenfeder oder ein als Puffer ausgestaltetes elastisches Gummielement. Bevorzugt jedoch weist das Federelement ein zwischen zwei Elektroden angeordnetes Verformungselement aus, das aus einem elektroaktiven Material besteht. Insbesondere besteht das Federelement aus den beiden Elektroden und dem Verformungselement. Mittels Anlegen einer Spannung an die Elektroden ist es insbesondere möglich, das Federelement derart zu verformen, dass das zweite Ende des Biegestreifens in die Sicherheitsdistanz zu dem Bauteil verbracht wird. Die Empfindlichkeit des Sensors kann anhand der Federkonstante des Federelementes eingestellt (bestimmt) werden.
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Zweckmäßigerweise ist das elektroaktive Polymer ein ionisches Polymer-Metall-Komposit (IPMC), und aus dieser Gruppe beispielsweise ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer und insbesondere NafionTM. Der Vorteil ist hierbei insbesondere die vergleichsweise geringe Spannung, die an die Elektroden des Federelements angelegt werden muss, um eine vergleichsweise große Verformung des Federelements zu erreichen. Derartige Spannungen betragen beispielsweise zwischen 0,1 V und 10 V, so dass einerseits ein elektrisches Ansteuerkabel, mittels dessen die Spannung an den Elektroden angelegt wird, vergleichsweise klein dimensionierbar ist. Andererseits sind bei einer derartig geringen Spannung die elektromagnetische Strahlung und daher auch die Belastung etwaiger Insassen des Kraftfahrzeugs und/oder die Störung weiterer elektrischer Komponenten des Kraftfahrzeugs vergleichsweise gering. Weiterhin ist die angelegte Spannung nicht letal oder gesundheitsgefährdend, was bei einer etwaigen Beschädigung einer Isolierung des Ansteuerkabels und einem versehentlichen Berühren des Ansteuerkabels durch die Insassen bei diesen zu keinen Gesundheitsschäden führt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen stark vereinfacht:
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1 in Schnittdarstellung einen an einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs fixierten Berührungssensor und ein Objekt, das mehr als eine Sicherheitsdistanz von dem Bauteil entfernt ist, und
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2 eine Berührung des Bauteils durch das Objekt gemäß 1.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in Schnittdarstellung ein Berührungssensor 2 mit einem Biegestreifen 4 dargestellt, wobei der Berührungssensor 2 beispielsweise als ein Einklemmschutzsensor innerhalb eines herkömmlichen elektrischen Fensterhebers eines Kraftfahrzeugs Verwendung findet. Der Biegestreifen 4 umfasst ein zwischen zwei Elektroden 6 angeordnetes elektroaktives Polymer 8. Das elektroaktives Polymer 8 ist insbesondere NafionTM, welches zu den sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymeren, einer Untergruppe der ionischen Polymer-Metall-Komposite (IPMC) zählt. Die Elektroden 6 bestehen insbesondere aus Platin. Die Dicke des Biegestreifens 4 beträgt beispielsweise zwischen 1 μm und 1 mm.
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Der Biegestreifen 4 ist im Wesentlichen rechteckförmig und an einem ersten Ende 10 an einem Bauteil 12 fixiert. Dabei erfolgt die Fixierung beispielsweise derart, dass der Biegestreifen 4 über eine der Elektroden 6 mit dem Bauteil 12 insbesondere flächig in Kontakt steht. Das Bauteil 12 ist beispielhaft ein Türrahmen des Kraftfahrzeugs. Ein zweites Ende 14 befindet sich in einer Sicherheitsdistanz 16 zu dem Bauteil 12, wenn der Abstand eines Objekts 18, dessen Annäherung an das Bauteil 12 mittels des Berührungssensors 2 überwacht werden soll, größer als die Sicherheitsdistanz 16 ist. Die Sicherheitsdistanz 16 beträgt beispielsweise 1 cm. Insbesondere besteht eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 6, die verschieden von Null ist, und die von einer nicht näher dargestellten Elektronik überwacht wird. So ist es der Elektronik ermöglicht zu überprüfen, ob der Berührungssensor 2 einsatzbereit ist, oder aber ob eine Fehlfunktion vorliegt.
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Das zweite Ende 14 wird mittels eines Federelements 20 in der Sicherheitsdistanz 16 zu dem Bauteil 12 gehalten, wobei das Federelement 20 einerseits an dem Bauteil 12 und andererseits an dem Biegestreifen 4 angebunden ist. Das Federelement 20 weist ein zwischen zwei Elektroden 22 angeordnetes Verformungselement 24 auf, welches aus einem elektroaktiven Polymer besteht. Mittels Anlegen einer Spannung an den Elektroden 22 lässt sich das Federelement 20 derart verformen, dass sich das zweite Ende 14 des Biegestreifens 4 in der Sicherheitsdistanz 16 zu dem Bauteil 12 befindet. Weiterhin ist es möglich mittels Variation der angelegten Spannung die Sicherheitsdistanz 16 zu variieren und auf aktuelle Anforderungen anzupassen. Das Verformungselement 24 besteht aus NafionTM Daher sind vergleichsweise geringe Spannungen ausreichend, um die Position des zweiten Endes 14 zu kontrollieren und/oder einzustellen.
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In 2 ist eine Berührung des Bauteils 12 durch das Objekt 18 dargestellt. Das Federelement 20 ist derart verformt, dass die Ausdehnung in Richtung der Sicherheitsdistanz 16 minimal ist. Der Biegestreifen 4 liegt an dem Bauteil 12 und an dem Objekt 18 an und die das elektrische Polymer 8 umgebenden Elektroden 6 sind planparallel. Vorteilhafterweise beträgt die Potentialdifferenz der Elektroden 6 Null.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Berührungssensor
- 4
- Biegestreifen
- 6
- Elektrode
- 8
- elektroaktives Polymer
- 10
- erstes Ende
- 12
- Bauteil
- 14
- zweites Ende
- 16
- Sicherheitsdistanz
- 18
- Objekt
- 20
- Federelement
- 22
- Elektrode
- 24
- Verformungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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