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Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorelektrode, die insbesondere als Flachleiterelektrode ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fertigungsverfahren für eine solche Sensorelektrode.
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Bei modernen Kraftfahrzeugen werden häufig kapazitive (Näherungs-)Sensoren eingesetzt. Mittels dieser Sensoren wird häufig ein Bedienbefehl eines Fahrzeugnutzers berührungslos erfasst. Der Bedienbefehl kann beispielsweise auf die Verstellung eines (automatisch verstellbaren) Fahrzeugelements gerichtet sein. Insbesondere dient der berührungslos abgegebene Verstellbefehl zum Öffnen oder Schließen einer Kofferraumtür (auch als Kofferraumdeckel, Heckklappe oder ähnlich bezeichnet), wenn der Fahrzeugnutzer mit beiden Händen Ladegut trägt. Zur Abgabe des Verstellbefehls bewegt der Fahrzeugnutzer regelmäßig ein Körperteil, insbesondere den Fuß, in vorbestimmter Weise in den Detektionsraum des Sensors.
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Zur präzisen Erkennung des Verstellbefehls umfasst der kapazitive Sensor oft zwei langgestreckte Sensorelektroden, die aus elektrisch leitfähigem Material gebildet und parallel zueinander an dem Kraftfahrzeug angeordnet sind. Wird eine elektrische (Wechsel-)Spannung an diese Sensorelektroden angelegt, bildet sich ein einem den Sensorelektroden vorgelagerten Detektionsraum ein elektrisches (Wechsel-)Feld (auch als Messfeld bezeichnet) aus. Nähert sich ein Körperteil an eine der Sensorelektroden an, wird dieses elektrische Feld verändert, wodurch sich der Wert der Kapazität der Sensorelektroden ändert. Anhand dieser (messtechnisch erfassbaren) Kapazitätsänderung kann der Verstellbefehl erkannt werden kann. Zur Formung des elektrischen Felds und zur Vergrößerung des Messbereichs des Sensors werden häufig Sensorelektroden mit einer möglichst breiten Oberfläche eingesetzt. Beispielsweise werden dazu gemäß
DE 10 2012 111 447 A1 elektrisch leitfähige Drähte derart auf einen Träger gewickelt, dass sie eine vergleichsweise breite Fläche abdecken. Ebenso sind aus
DE 10 2010 045 008 A1 auch Sensorelektroden bekannt, die als Flachleiter, d. h. insbesondere durch ein (gewalztes) Metallband ausgebildet sind.
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Aufgrund der fortschreitenden Ausstattung von Kraftfahrzeugen mit elektronischen Komponenten werden an einem Kraftfahrzeug auch große Menge von Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer oder Aluminium eingesetzt. Insbesondere Kupfer ist allerdings vergleichsweise teuer und weist zudem ein verhältnismäßig hohes spezifisches Gewicht auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive, aber rationell fertigbare kapazitive Sensorelektrode für ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer kapazitiven Sensorelektrode erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich eines Fertigungsverfahrens für eine solche Sensorelektrode wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die erfindungsgemäße kapazitive Sensorelektrode, die vorzugsweise zum Einsatz mit einem kapazitiven Näherungssensor eines Kraftfahrzeugs dient, umfasst einen flächigen Träger aus elektrisch isolierendem Material sowie eine von einer Vorderseite schichtartig und vorzugsweise unlösbar auf den Träger aufgebrachte, aus elektrisch leitfähigem Material („Elektrodenmaterial”, insbesondere Metall) gebildeten Elektrodenstruktur. Die Elektrodenstruktur weist dabei Aussparungen auf, durch die die von der Elektrodenstruktur auf dem Träger abgedeckte (als Leitfläche bezeichnete) Fläche gegenüber der von dem Träger aufgespannten Trägerfläche verkleinert ist. Die Aussparungen durchdringen dabei lediglich die Elektrodenstruktur und nicht den Träger. Bei diesen Aussparungen handelt es sich mithin nicht um Montagelöcher für die Befestigung der Sensorelektrode an einem Fahrzeugteil. Insbesondere für den Fall, dass die Elektrodenstruktur zu Vorderseite der Sensorelektrode hin freiliegt (also nicht abgedeckt ist), liegt also auch der Träger durch die Aussparungen zur Vorderseite hin teilweise frei.
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Unter flächigem Träger wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Träger selbst näherungsweise zweidimensional ausgebildet ist. Bei dem Träger handelt es sich also um eine Platte, eine Folie oder Vergleichbares, deren Länge und Breite jeweils groß gegenüber der Dicke (Stärke) sind. Unter „schichtartig” wird hier und im Folgenden verstanden, dass die Elektrodenstruktur gegenüber der Ausdehnung ihrer Leitfläche eine geringe Dicke aufweist und über ihre gesamte (rückseitige) Oberfläche mit dem Träger in Verbindung steht (mithin nicht nur punktuell an dem Träger befestigt ist).
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Die Sensorelektrode ist außerdem vorzugsweise langgestreckt – d. h. mit im Vergleich zur Breite vielfach größerer Länge – ausgebildet.
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Dadurch, dass die Aussparungen in der Elektrodenstruktur zu einer Verkleinerung der mit dem Elektrodenmaterial abgedeckten Oberfläche auf dem Träger führen, wird vorteilhafterweise die eingesetzte Masse des Elektrodenmaterials verringert. Das im Betrieb der Sensorelektrode ausgestrahlte elektrische (Mess-)Feld wird durch die Aussparungen gegenüber einer vollflächigen Elektrode jedoch nur geringfügig beeinflusst. Somit können bei näherungsweise gleichbleibender Messgenauigkeit Materialkosten reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Elektrodenstruktur gitterartig ausgebildet. Die Aussparungen sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen regelmäßig (d. h. näherungsweise mit gleichbleibenden Abständen) angeordnet und über sich kreuzende Stege aus elektrisch leitfähigem (Elektroden-)Material beabstandet. Die Stege gehen hierbei an ihren (Gitter-)Kreuzungsstellen ineinander über und sind somit zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
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In einer Variante dieser gitterartigen Elektrodenstruktur sind die die Aussparungen begrenzenden Stege in (Elektroden-)Längsrichtung und in Breitenrichtung verlaufend angeordnet. Die Stege bilden mithin ein rechtwinkliges Gitter, das auch als Rechteckmuster bezeichnet wird. In alternativer Variante verlaufen die Stege jeweils schräg zur Längsrichtung. Vorzugsweise bilden die Stege dabei mit den Aussparungen ein Rautenmuster. In beiden Fällen ist die Elektrodenstruktur zweckmäßigerweise durch umlaufende Rahmenstege umrandet, so dass keine freien Stegenden vorhanden sind.
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Dadurch, dass die Stege an den Kreuzungsstellen ineinander übergehen, bleibt auch bei einem Bruch eines Stegs – z. B. durch mechanische Einwirkung – das im Betrieb von der Elektrodenstruktur abgestrahlte Messfeld unbeeinflusst, da die Unterbrechungsstelle vorteilhafterweise durch die entlang der übrigen Stege ausgebildeten Leitpfade „überbrückt” wird.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung erstrecken sich die Aussparungen insbesondere ohne Unterbrechung durch querverlaufende Stege von einem anschlussseitigen (kontaktseitigen) Ende der Elektrodenstruktur bis zu deren in Längsrichtung entgegengesetzten Freiende. Als anschlussseitiges Ende wird hier und im Folgenden das Ende der Elektrodenstruktur verstanden, an dem letztere im bestimmungsgemäßen Einbauzustand signalübertragungstechnisch (vorzugsweise galvanisch) mit einer Auswerteelektronik des kapazitiven Näherungssensors gekoppelt ist. Die Stege sind dabei zweckmäßigerweise an dem anschlussseitigen Ende elektrisch leitfähig miteinander verbunden und laufen am Freiende der Elektrodenstruktur frei aus. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch denkbar, dass die Stege auch freiendseitig (durch einen Quersteg) miteinander verbunden und die Aussparungen somit umlaufend geschlossen sind.
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In einer bevorzugten Variante dieser Elektrodenstruktur mit langgestreckten, ununterbrochenen Aussparungen verlaufen diese (und somit auch die Stege) geradlinig und vorzugsweise parallel zueinander. Insbesondere bei am Freiende geöffneten Aussparungen ergibt sich dabei ein kamm- oder gabelartiges Muster (auch als „Streifenmuster” bezeichnet). In alternativer Variante verlaufen die Stege und Aussparungen ebenfalls parallel, sind aber (insbesondere mehrfach) gekrümmt oder gegen die Längsrichtung angestellt (sogenannte Wellenstruktur bzw. Zickzackstruktur).
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrodenstruktur durch eine einfache, umlaufende Leiterschlaufe ohne innere Strukturen wie Gitter o. ä. gebildet.
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In besonders zweckmäßiger Ausführung ist der Träger durch eine – insbesondere vollflächige, d. h. ohne Durchbrüche ausgeführte – Kunststofffolie gebildet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es dabei grundsätzlich möglich, dass die Elektrodenstruktur durch Lochen oder Schlitzen einer Metallfolie ausgebildet und auf den Träger aufgeprägt ist. In bevorzugter Ausführung ist der Träger aber zu Ausbildung der Elektrodenstruktur ortsselektiv metallisiert, insbesondere mit einem das Elektrodenmaterial bildenden Metall – vorzugsweise Kupfer oder Aluminium – bedruckt.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung stellt die insbesondere durch Bedrucken aufgebrachte Metallisierung des Trägers eine Grundmetallisierung dar, die in einem Galvanisierungsschritt mit vorzugsweise dem gleichen Metall aufgedickt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren für die vorstehend beschriebene Sensorelektrode wird auf die Vorderseite des elektrisch isolierenden Trägers die Elektrodenstruktur aus Elektrodenmaterial schichtartig aufgebracht, wobei durch die Aussparungen in der Elektrodenstruktur deren auf dem Träger eingenommene Leitfläche gegenüber der Trägerfläche verkleinert wird. Insbesondere wird der Träger durch die Aussparungen in der Elektrodenstruktur zur Vorderseite hin freigelegt.
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In bevorzugter Ausführung des Fertigungsverfahrens wird die Elektrodenstruktur dabei ortsselektiv auf dem Träger appliziert. Insbesondere wird der Träger dabei mit Metall bedruckt. Dadurch lassen sich auf besonders einfache Weise vergleichsweise komplexe (zweidimensionale) Formen der Elektrodenstruktur auf dem Träger applizieren.
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In bevorzugter Verfahrensvariante wird dabei zunächst eine Grundmetallisierung, d. h. eine im Vergleich zur bestimmungsgemäßen Dicke der Elektrodenstruktur dünne Schicht des Elektrodenmaterials (also des Metalls), auf dem Träger appliziert. Anschließend wird diese Grundmetallisierung in einem nachfolgenden Galvanisierungsschritt mit vorzugsweise dem gleichen Metall verstärkt (aufgedickt).
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in Draufsicht eine kapazitive Sensorelektrode für ein Kraftfahrzeug in schematischer Darstellung,
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2 bis 4 in Ansicht gemäß 1 weitere Ausführungsbeispiele der Sensorelektrode, und
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5 in einem Schnitt V-V gemäß 3 die dortige Sensorelektrode.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 bis 5 ist eine kapazitive Sensorelektrode 1 eines kapazitiven Näherungssensors für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Bei der Sensorelektrode 1 handelt es sich um eine Flachleiterelektrode. Das heißt, dass die Sensorelektrode 1 gegenüber ihrer flächigen Ausdehnung eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist. Die Sensorelektrode 1 umfasst einen Träger 2 und eine auf diesem (auf dessen Vorderseite) aufgebrachte, aus elektrisch leitfähigem Elektrodenmaterial (Metall, z. B. Kupfer) gebildete Elektrodenstruktur 3. Des Weiteren umfasst die Sensorelektrode 1 einen Anschlussabschnitt 4, der zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstruktur 3 mit einer (nicht näher dargestellten) Signalleitung des Näherungssensors eingerichtet und vorgesehen ist.
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Der Anschlussabschnitt 4 ist aus einem Metalldrahtgeflecht gebildet und weist an einem Kontaktende 5 eine Verstärkung 6 auf. An dieser Verstärkung 6 wird bei der Montage der Sensorelektrode 1 die Signalleitung angeklemmt.
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Der Träger 2 ist durch eine vollflächige Kunststofffolie gebildet (s. 5). Die Elektrodenstruktur 3 weist dagegen eine Anzahl von Aussparungen 7 auf, durch die der Träger 2 zur Vorderseite hin freigelegt ist. Die Aussparungen 7 sind von durch elektrisch leitfähiges Material der Elektrodenstruktur 3 gebildete Stege 8 voneinander beabstandet. Die Aussparungen 7 durchdringen dabei lediglich die Elektrodenstruktur 3 und dienen zur Material- und Gewichtsreduzierung der Elektrodenstruktur 3. Unabhängig von diesen Aussparungen 7 können im Rahmen der Erfindung auch den Träger 2 durchdringende Durchbrüche vorgesehen sein, die zu einer mechanischen Fixierung der Sensorelektrode 1 an dem Kraftfahrzeug dienen. Alternativ wird die Sensorelektrode 1 durch Kleben an dem Kraftfahrzeug fixiert.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Aussparungen 7 (geschlossen) rechteckförmig ausgeführt und von den Stegen 8 umrandet. Die Stege 8 verlaufen gemäß 1 rechtwinklig zueinander in Längsrichtung 9 der Sensorelektrode 1 und in Breitenrichtung 10.
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Die Stege 8 sind am Übergang zu dem Anschlussabschnitt 4 untereinander und mit dem Kontaktierungsabschnitt 4 durch ein Kontaktelement 11 elektrisch leitfähig verbunden. Bei dem Kontaktelement 11 handelt es sich um durch Löten aufgebrachtes Metall.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 2 verlaufen die Stege 8 jeweils schräg zur Längsrichtung 9. Dadurch wird ein Rautenmuster gebildet. Außerdem weist die Elektrodenstruktur 3 Rahmenstege 12 auf, die das Rautenmuster in Längsrichtung 9 und Breitenrichtung 10 umlaufend umranden, so dass keine freien Stegenden vorhanden sind.
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Auch denkbar ist, dass die Elektrodenstruktur 3 lediglich durch Rahmenstege 12 gebildet ist, insbesondere zwei sich in Längsrichtung erstreckende Rahmenstege 12 und optional ein diese verbindende, sich quer zur Längsrichtung erstreckendender Rahmensteg 12 (ohne innere Stege).
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In zwei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 verlaufen die Aussparungen 7 in Längsrichtung 9 über die gesamte Länge der Elektrodenstruktur 3. Die Aussparungen 7 enden dabei offen am dem Kontaktende 5 entgegengesetzten Freiende 13 der Sensorelektrode 1 und sind dort somit nicht durch einen Rahmensteg 12 oder einen sonstigen Steg 8 begrenzt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Stege 8 dabei geradlinig und parallel zur Längsrichtung 9 auf dem Träger 2 angeordnet. Diese Struktur wird auch als Kammstruktur bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Stege 8 dagegen mit mehreren gegen die Längsrichtung 9 angestellten Abschnitten (in einem Zickzackmuster) auf dem Träger 2 angeordnet.
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Anhand einer Schnittdarstellung V-V gemäß 3 wird exemplarisch ein Fertigungsverfahren für die Sensorelektrode 1 beschrieben. Dabei wird auf dem Träger 2 (also auf der Kunststofffolie) zunächst eine Grundmetallisierung 14, d. h. eine erste Schicht Metall, mittels eines Druckverfahrens ortsselektiv aufgedruckt. Die Grundmetallisierung 14 wird also nur an den Stellen, an denen die Stege 8 verlaufen sollen, aufgedruckt. In einem nachfolgenden Galvanisierungsschritt wird die Grundmetallisierung mit einer Galvanikschicht 15 aufgedickt (verstärkt). Für die Grundmetallisierung 14 und die Galvanikschicht wird dabei das gleiche Metall verwendet. Anschließend wird der Anschlussabschnitt 4 unter Ausbildung des Kontaktelements 11 an die Stege 8 angelötet.
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Alternativ wird aus einer dünnen Kupferfolie die Elektrodenstruktur 3 gemäß einem der Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 4 ausgeschnitten (oder gestanzt) und auf den Träger 2 aufgeprägt (z. B. heißgeprägt).
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorelektrode
- 2
- Träger
- 3
- Elektrodenstruktur
- 4
- Anschlussabschnitt
- 5
- Kontaktende
- 6
- Verstärkung
- 7
- Aussparung
- 8
- Steg
- 9
- Längsrichtung
- 10
- Breitenrichtung
- 11
- Kontaktelement
- 12
- Rahmensteg
- 13
- Freiende
- 14
- Grundmetallisierung
- 15
- Galvanikschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012111447 A1 [0003]
- DE 102010045008 A1 [0003]
