DE102013021575A1 - Kapazitiver Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen und Fahrzeug - Google Patents

Kapazitiver Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen und Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Ein kapazitiver Sensor (KS) für Weg- und/oder Kraftmessungen umfasst eine Sensorkapazität, die eine erste Sensorelektrode (E1) und einen Elektrodenträger (ET) mit einer zweiten Sensorelektrode (E2) aufweist. Der Elektrodenträger (ET) ist mit der ersten Sensorelektrode (E1) direkt oder mittelbar mechanisch verbunden. Der Elektrodenträger (RE) weist ein elastisches Rückstellelement (RE) auf. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das einen erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor (KS) aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen. Der Sensor umfasst eine Sensorkapazität, die eine erste Sensorelektrode und einen Elektrodenträger mit einer zweiten Sensorelektrode aufweist. Der Elektrodenträger ist mit der ersten Sensorelektrode direkt oder mittelbar mechanisch verbunden.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das so einen kapazitiven Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen aufweist. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und/oder ein Landfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, sein.
  • Aus DE 10 2006 004 963 A1 ist eine Kraftmessvorrichtung mit einem ersten Bauteil bekannt, das relativ gegen eine Kraft einer Tellerfeder zu einem zweiten Bauteil beweglich angeordnet ist. Die Position des ersten Bauteils in Relation zum zweiten Bauteil ist kapazitiv ermittelbar.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen bereitzustellen, der ein geringeres Gewicht aufweist, sich kostengünstiger herstellen lässt und/oder weniger Bauraum benötigt als bekannte kapazitive Sensoren. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit so einem Sensor bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Sensor für Weg- und/oder Kraftmessungen bereitgestellt. Der Sensor umfasst eine Sensorkapazität, die eine erste Sensorelektrode und einen Elektrodenträger mit einer zweiten Sensorelektrode aufweist. Der Elektrodenträger ist mit der ersten Sensorelektrode direkt oder mittelbar mechanisch verbunden. Der Elektrodenträger weist ein elastisches Rückstellelement auf.
  • Dementsprechend weist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug einen erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor auf.
  • Ein Konzept der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Elektrodenträger, also ein Teil der Sensorkapazität ein elastisches Rückstellelement aufweist. Dadurch kann auf Kosten, Bauraum und Gewicht für ein separates Rückstellelement verzichtet werden. Alternativ können zusätzlich ein oder mehrere separate Rückstellelemente mit geringerer Rückstellkraft (als Rückstellkraft von Rückstellelementen bekannter kapazitiver Sensoren mit sonst gleichem mechanischen und elektrischen Klemmenverhalten) vorgesehen sein. Auf diese Weise lassen sich Gewicht, Herstellkosten und/oder ein Raumbedarf für den kapazitiven Sensor einsparen. Eine Weg-Kraft-Kurve des Rückstellelements kann streng monoton sein. In manchen Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn die Weg-Kraft-Kurve des Rückstellelements nicht streng monoton ist, sodass der Benutzer während der Betätigung durch einen Schnappeffekt des Rückstellelements für die Betätigung des Rückstellelements eine taktile Rückmeldung erhält.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Elektrodenträger mit dem elastischen Rückstellelement und der zweiten Sensorelektrode einstückig ausgeführt ist, und dass der Elektrodenträger mit der ersten Sensorelektrode über ein Trägerteil mechanisch verbunden ist. Hierdurch lässt sich der Herstellungsaufwand für den kapazitiven Sensor auf ein Minimum verringern.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn die zweite Sensorelektrode eine elektrisch leitfähige Schicht ist. Hierdurch kann für das Rückstellelement beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden. Ein Rückstellelement aus einem Kunststoff kann kostengünstiger sein und/oder ein geringes Gewicht aufweisen als ein vergleichbares metallisches Rückstellelement, das beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl besteht.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn die elektrisch leitfähige Schicht aus Sicht des Elektrodenträgers der ersten Sensorelektrode zugewandt ist. Wenn Teile des Elektrodenträgers aus einem nichtleitenden Material bestehen, kann die zweite Sensorelektrode so vor Berührung durch einen Benutzer geschützt werden.
  • Alternativ kann es zweckmäßig sein, wenn die elektrisch leitfähige Schicht aus Sicht des Elektrodenträgers von der ersten Sensorelektrode abgewandt ist. Wenn Teile des Elektrodenträgers aus einem nichtleitenden Material bestehen, kann die zweite Sensorelektrode so vor Berührung mit der ersten Sensorelektrode geschützt werden. Auch ist es vorstellbar, die elektrisch leitfähige Schicht für eine Berührung durch einen Benutzer zugänglich zu machen, um hierdurch ein Sensorsignal bereitzustellen, das auf einer kapazitiven Kopplung über den Benutzer zu einem Erdpotential beruht.
  • Bevorzugt ist es, wenn der kapazitive Sensor ein Betätigungselement aufweist, das dazu vorbereitet ist, beim Anwenden einer Betätigungskraft auf das Betätigungselement auf das elastische Rückstellelement verformend einzuwirken. Hierdurch kann die Betätigungsfläche weitgehend frei gestaltet werden, um ergonomische und/oder Design-Ziele zu erfüllen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn das elastische Rückstellelement eine Tellerfeder aufweist. Hierdurch kann ist ein Aufbau des kapazitiven Sensors möglich, der besonders zuverlässig ist. Mit einer rotationssymmetrischen Tellerfeder kann erreicht werden, dass mechanische und elektrische Funktion des kapazitiven Sensors unabhängig davon ist, in welcher Richtung bei einem Bedienvorgang eine Bedienquerkraft ausgeübt werden. Mit Bedienquerkraft wird hier eine Kraftkomponente bezeichnet, die senkrecht zu einer Hauptbedienrichtung des kapazitiven Sensors gerichtet ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das elastische Rückstellelement eine Blattfeder aufweisen. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau des kapazitiven Sensors möglich.
  • Zweckmäßig ist, wenn der kapazitive Sensor einen ersten elektrischen Anschluss für die erste Sensorelektrode und/oder einen zweiten elektrischen Anschluss für die zweite Sensorelektrode aufweist. Hierdurch kann schon bei der Herstellung des Sensors eine zuverlässige Kontaktierung elektrischer Anschlüsse an die erste und/oder an die zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode sichergestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die jeweils ein Beispiel darstellen. Dabei zeigt:
  • 1 schematisch einen Seitenschnitt A-A einer ersten Ausführungsform eines kapazitiven Sensors;
  • 2 schematisch einen Seitenschnitt einer zweiten Ausführungsform eines kapazitiven Sensors;
  • 3 schematisch einen Seitenschnitt einer dritten Ausführungsform eines kapazitiven Sensors;
  • 4 schematisch eine Draufsicht auf eine erste Variante eines kapazitiven Sensors gemäß der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform;
  • 5 schematisch eine Draufsicht auf eine zweite Variante eines kapazitiven Sensors gemäß der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform.
  • Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Der in 1 gezeigte kapazitive Sensor KS umfasst ein Trägerteil TT, eine erste E1 und eine zweite E2 Sensorelektrode und ein Betätigungselement BE. Die erste Sensorelektrode E1 und eine Anschlusselektrode AE2 für die zweite Sensorelektrode E2 sind auf dem Trägerteil TT befestigt. Die zweite Sensorelektrode E2 ist eine Tellerfeder oder eine Blattfeder aus einem elastischen, elektrisch leitenden Material (beispielsweise aus einem Federstahl). In dieser Ausführungsform ist die zweite Sensorelektrode E2 also selbsttragend. Sie stellt somit auch einen Elektrodenträger ET dar. Die zweite Sensorelektrode E2 ist mit der Anschlusselektrode AE2 elektrisch leitend mechanisch verbunden (beispielsweise verlötet, verschweißt, vernietet, verklebt oder kraftschlüssig eingehakt oder eingeklipst). Zwischen der ersten E1 und der zweiten E2 Sensorelektrode ist ein Dielektrikum DE (beispielsweise Luft oder ein elektrisch isolierender, flexibler Schaumstoff) angeordnet. Die Anordnung der beiden Sensorelektroden E1, E2 mit dem dazwischen befindlichen Dielektrikum DE bildet eine elektrische Kapazität (einen elektrischen Kondensator), die hier als Sensorkapazität bezeichnet wird. Wenn der Elektrodenträger ET einstückig ausgeführt ist, ist das Trägerteil TT typischerweise nichtleitend. Sonst kann das Trägerteil TT leitend oder nichtleitend ausgeführt sein, wie später näher erläutert wird.
  • Das Betätigungselement BE ist mittels eines (in den Figuren nicht dargestellten) Lagers flächenparallel zu dem Trägerteil TT angeordnet. Ohne Ausübung einer Betätigungskraft BK auf das Betätigungselement BE verharrt dies aufgrund einer (in den Figuren nicht dargestellten) Lagerung in einer Ruheposition. Bei Ausüben einer Betätigungskraft BK (beispielsweise durch einen Finger eines Benutzers BN oder durch eine Betätigungsvorrichtung) auf das Betätigungselement BE bewegt sich das Betätigungselement BE aus der Ruheposition. Damit verkleinert sich ein Abstand d zwischen dem Betätigungselement BE und dem Trägerteil TT. Dadurch drückt das Betätigungselement BE gegen den Elektrodenträger ET und verformt ihn. Dadurch verkleinert sich ein Abstand d zwischen der ersten E1 und der zweiten E2 Sensorelektrode und ein Kapazitätswert der Sensorkapazität erhöht sich.
  • Wenn die Betätigungskraft BK zurückgenommen wird, nimmt der Elektrodenträger ET wieder seine vorherige Form an, da er aus einem elastischen Material besteht. In dieser Ausführungsform wirkt der Elektrodenträger ET auch als Rückstellelement RE. Dadurch, dass der Elektrodenträger ET wieder seine vorherige Form annimmt, vergrößert sich der Abstand d zwischen der ersten E1 und der zweiten E2 Sensorelektrode wieder auf den ursprünglichen Abstand d. Damit nimmt die Sensorkapazität wieder ihren ursprünglichen Kapazitätswert vor dem Ausüben der Betätigungskraft BK an.
  • Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, in der die zweite Sensorelektrode E2 als eine elektrisch leitende Schicht (beispielsweise dünne Folie oder Bedampfung) auf einem Elektrodenträger ET ausgeführt ist, der leitend oder nichtleitend sein kann. Die zweite Sensorelektrode E2 ist hier aus Sicht des Elektrodenträgers ET der ersten Sensorelektrode E1 zugewandt angeordnet.
  • Wenn der Elektrodenträger ET nichtleitend ist, kann das Trägerteil TT auch elektrisch leitend (beispielsweise als Metallplatte ausgeführt werden), wobei dann zwischen den Anschlusselektroden AE2 und dem Trägerteil TT eine (in den Figuren nicht dargestellte) elektrische Isolierung vorzusehen ist (beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht). In diesem Fall kann das Trägerteil TT mit der ersten Sensorelektrode E1 einstückig ausgeführt werden (also auf eine separate erste Sensorelektrode E1 verzichtet werden).
  • Die 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, in der die zweite Sensorelektrode E2 als eine elektrisch leitende Schicht (beispielsweise dünne Folie oder Bedampfung) auf einem Elektrodenträger ET ausgeführt ist, der leitend oder nichtleitend sein kann. Die zweite Sensorelektrode E2 ist hier aus Sicht des Elektrodenträgers ET von der ersten Sensorelektrode E1 abgewandt angeordnet.
  • Wie schon zur zweiten Ausführungsform erwähnt, kann, wenn der Elektrodenträger ET nichtleitend ist, das Trägerteil TT auch elektrisch leitend (beispielsweise als Metallplatte) ausgeführt werden, wobei dann zwischen den Anschlusselektroden AE2 und dem Trägerteil TT eine (in den Figuren nicht dargestellte) Isolierung vorzusehen ist (beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht). In diesem Fall kann das Trägerteil TT mit der ersten Sensorelektrode E1 einstückig ausgeführt werden (also auf eine separate erste Sensorelektrode E1 verzichtet werden).
  • Eine in den Figuren nicht dargestellte vierte Ausführungsform sieht vor, dass die zweite Sensorelektrode E2 zwischen zwei flächenparallelen nichtleitenden Schichten eines nichtleitenden Elektrodenträgers ET eingebettet ist.
  • Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Variante eines kapazitiven Sensors gemäß der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsvariante ist als Rückstellelement eine Tellerfeder vorgesehen.
  • Die 5 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Variante eines kapazitiven Sensors gemäß der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsvariante ist als Rückstellelement eine Blattfeder vorgesehen.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst die Möglichkeit, ein Rückstellelement (beispielsweise eine Tellerfeder) als Teil eines kapazitiven Sensors zu nutzen. Bei der kapazitiven Weg- und/oder Kraftauswertung wird der Abstand zweier sich zueinander verändernder Elektroden (elektrisch leitfähiger Flächen) detektiert. Üblicherweise wird in diesem Fall ein Rückstellelement (beispielsweise eine Feder) als Medium für die Gegenkraft genutzt. Üblicherweise bilden zwei von dem Rückstellelement getrennte Elektroden den kapazitiven Sensor. Bei bekannten kapazitiven Sensoren sind somit für Weg- und/oder Kraftmessungen zwei voneinander getrennte Bauteile (Rückstellelement und kapazitiver Sensor) für eine Weg- und/oder Kraftauswertung nötig. Erfindungsgemäß wird der kapazitive Sensor als Weg- und/oder Kraftsensor genutzt (beispielsweise zur Erkennung der Betätigungskraft auf einem Touchpad) und gleichzeitig auch als Rückstellelement. Vorzugsweise wird hierzu eine Tellerfeder verwendet. Beim Ausüben einer Kraft auf die Eingabe-/Betätigungsfläche wird die Tellerfeder verformt. Dadurch ändert sich der Elektrodenabstand. Dieses Signal kann kapazitiv ausgewertet werden. Gleichzeitig dient die Tellerfeder als Rückstellelement.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006004963 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Kapazitiver Sensor (KS) für Weg- und/oder Kraftmessungen, wobei der Sensor (KS) eine Sensorkapazität umfasst, die eine erste Sensorelektrode (E1) und einen Elektrodenträger (ET) mit einer zweiten Sensorelektrode (E2) aufweist, wobei der Elektrodenträger (ET) mit der ersten Sensorelektrode (E1) direkt oder mittelbar mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenträger (ET) ein elastisches Rückstellelement (RE) aufweist.
  2. Kapazitiver Sensor (KS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenträger (ET) mit dem elastischen Rückstellelement (RE) und der zweiten Sensorelektrode (E2) einstückig ausgeführt ist, und dass der Elektrodenträger (ET) mit der ersten Sensorelektrode (E1) über ein Trägerteil (TT) mechanisch verbunden ist.
  3. Kapazitiver Sensor (KS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensorelektrode (E2) eine elektrisch leitfähige Schicht ist.
  4. Kapazitiver Sensor (KS) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht aus Sicht des Elektrodenträgers (ET) der ersten Sensorelektrode (E1) zugewandt angeordnet ist.
  5. Kapazitiver Sensor (KS) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht aus Sicht des Elektrodenträgers (ET) von der ersten Sensorelektrode (E1) abgewandt angeordnet ist.
  6. Kapazitiver Sensor (KS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (KS) ein Betätigungselement (BE) aufweist, das dazu vorbereitet ist, beim Anwenden einer Betätigungskraft (BK) auf das Betätigungselement (BE) auf das elastische Rückstellelement (RE) verformend einzuwirken.
  7. Kapazitiver Sensor (KS) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (RE) eine Tellerfeder aufweist.
  8. Kapazitiver Sensor (KS) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (RE) eine Blattfeder aufweist.
  9. Kapazitiver Sensor (KS) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (KS) einen ersten elektrischen Anschluss (A1) für die erste Sensorelektrode (E1) und/oder einen zweiten elektrischen Anschluss (A2) für die zweite Sensorelektrode (E2) aufweist.
  10. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen kapazitiven Sensor (KS) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
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