DE102014010798A1

DE102014010798A1 - Sensorelektrode für einen kapazitiven Näherungssensor

Info

Publication number: DE102014010798A1
Application number: DE102014010798.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Würstlein
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Es werden ein kapazitiver Näherungssensor (15) und eine Sensorelektrode (17, 18) für einen solchen angegeben. Die Sensorelektrode (17, 18) umfasst hierbei einen langgestreckten Elektrodenleiter (25), der im Querschnitt eine ovale Außenkontur aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorelektrode für einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Sie bezieht sich des Weiteren auf einen kapazitiven Näherungssensor mit einer solchen Sensorelektrode sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Sensorelektrode.
Kapazitive Näherungssensoren werden in der Kraftfahrzeugtechnik häufig zur Detektion von Hindernissen im Stellweg von bewegbaren Kraftfahrzeugteilen eingesetzt, beispielsweise als Einklemmschutz bei einer motorischen Stellvorrichtung für eine Seitenscheibe, eine Heckklappe oder ein Cabriolet-Verdeck. Kapazitive Sensoren werden in der Kraftfahrzeugtechnik des Weiteren zur Erkennung von Stellbefehlen eingesetzt, die ein Fahrzeugnutzer berührungslos mittels einer Hand- oder Fußbewegung gibt.
So ist beispielsweise aus DE 10 2010 049 400 A1 ein kapazitiver Näherungssensor bekannt, mittels dessen berührungslos ein Öffnungsbefehl zur automatischen Öffnung einer Heckklappe erkannt wird. Der Näherungssensor umfasst hierbei zwei langgestreckte Sensorelektroden, die übereinander jeweils in Fahrzeugquerrichtung an dem hinteren Stoßfänger des Kraftfahrzeugs angebracht sind. Der Fahrzeugnutzer gibt hierbei den Öffnungsbefehl, indem er mit einem Fuß eine Kickbewegung unter den hinteren Stoßfänger vollführt.
Herkömmlicherweise werden als Sensorelektroden für kapazitive Näherungssensoren der vorstehend beschriebenen Art entweder Flachleiter (also elektrische Leiter mit im Wesentlichen rechteckigem Leiterquerschnitt) oder Rundleiter (also elektrische Leiter mit kreisförmigem Leiterquerschnitt) verwendet. So sind bei dem aus DE 10 2010 049 400 A1 bekannten Näherungssensor die obere Sensorelektrode als Flachleiter und die untere Sensorelektrode als Rundleiter ausgebildet.
Rundleiter haben hierbei gegenüber Flachleitern den Vorteil, dass sie quer zu ihrer Längserstreckung zweidimensional biegbar und hierdurch vergleichbar einfach an vorgegebene Einbaubedingungen im Kraftfahrzeug anpassbar sind. Aufgrund der radialen Ausbreitung des von einem solchen Rundleiter erzeugten elektrischen Feldes nimmt die Feldstärke aber mit wachsendem Abstand zu dem Rundleiter vergleichsweise schnell ab. Rundleiter haben hierdurch eine nur vergleichsweise geringe Reichweite, können Annäherungen also nur innerhalb eines vergleichsweise kleinen Erfassungsraums erkennen.
Flachleiter haben andererseits infolge einer stärker gerichteten Feldausbreitung eine größere Reichweite, zumal die Feldstärke des elektrischen Feldes weniger stark mit wachsendem Abstand zu dem Flachleiter abnimmt. Flachleiter haben allerdings wiederum den Nachteil, dass sie im Wesentlichen nur in einer Richtung quer zu ihrer Längserstreckung biegbar sind. Da der in Kraftfahrzeugen zur Montage der Sensorelektroden zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel geometrisch komplex geformt ist, müssen Flachleiter aufgrund ihrer eingeschränkten Biegbarkeit daher häufig in einer speziell auf den jeweiligen Fahrzeugtyp zugeschnittenen Form vorgefertigt werden, was infolge geringer Standardisierung zu vergleichsweise hohen Herstellungskosten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung und Montage eines effektiven kapazitiven Näherungssensors zu vereinfachen.
Bezüglich einer Sensorelektrode für einen kapazitiven Näherungssensor wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich eines mindestens eine solche Sensorelektrode umfassenden kapazitiven Näherungssensors wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorelektrode wird die Aufgabe schließlich erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Die Sensorelektrode weist hierbei einen langgestreckten Elektrodenleiter auf, also einen langgestreckten Körper aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Metall. Erfindungsgemäß ist dieser Elektrodenleiter derart gestaltet, dass er im Querschnitt eine ovale Außenkontur aufweist.
Als „oval” wird hierbei allgemein eine Außenkontur des Elektrodenleiters bezeichnet, die einerseits überall glatt (d. h. kanten- und stufenlos) und konvex (also nirgends eingewölbt), andererseits aber nicht kreisrund ist. Die ovale Außenkontur kann allerdings im Rahmen der Erfindung gerade (ungekrümmte) Abschnitte aufweisen.
Die ovale Umrisslinie des Elektrodenleiters ist hierbei insbesondere spiegelsymmetrisch bezüglich zweier senkrecht zueinander in der Querschnittsebene verlaufende Querachsen ausgebildet, wobei der Elektrodenleiter entlang dieser Querachsen einen jeweils verschiedenen Durchmesser aufweist. Der Elektrodenleiter weist in dieser Ausführung somit eine lange Querachse und eine kurze Querachse auf. In zweckmäßigen Ausführungsformen, die diese Symmetrieeigenschaften aufweisen, ist die Umrisslinie des Elektrodenleiters durch eine Ellipse oder durch zwei gegenüberliegende Halbkreisbögen mit verbindenden Geradenstücken gebildet. Die Umrisslinie des Elektrodenleiters kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich allerdings auch geringere Symmetrieeigenschaften aufweisen oder gänzlich unsymmetrisch gekrümmt sein.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der Elektrodenleiter aus einem Vollkörper, insbesondere einem massiven Metalldraht (z. B. aus Kupfer) gebildet. Um bei vergleichsweise geringem Metallbedarf den Elektrodenleiter mit einer vergleichsweise großen Oberfläche herzustellen, ist der Elektrodenleiter alternativ hierzu – ähnlich dem Mantelleiter eines Koaxialkabels – als Hohlform ausgebildet, die um einen Kern herum angeordnet ist. Der Kern besteht hierbei vollständig oder zumindest teilweise aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Kunststoff. Er kann – wiederum ähnlich zu einem Koaxialkabel – im Rahmen der Erfindung einen – elektrisch leitenden oder isolierenden – Innenkörper (Seele) enthalten oder durch einen leeren Hohlkörper gebildet sein.
Der um den Kern herum angeordnete hohle Elektrodenleiter ist vorzugsweise durch eine auf den Kern aufgebrachte Beschichtung, ein Drahtgeflecht oder eine Wicklung aus Drähten oder einer Metallfolie gebildet.
Um einen Kurzschluss des Elektrodenleiters mit externen Leitern, insbesondere Karosserieteilen auszuschließen, sowie um den Elektrodenleiter vor schädlichen Umgebungseinflüssen (z. B. Wasser, Schmutz, etc.) zu schützen, ist der Elektrodenleiter vorzugsweise außenseitig von einer elektrisch isolierenden Schutzhülle umgeben. Diese Schutzhülle kann eine von der ovalen Außenkontur des Elektrodenleiters abweichende Außenkontur aufweisen. Sie kann dabei insbesondere auch eine kreisrunde oder polygonale Außenkontur aufweisen.
Der erfindungsgemäße Näherungssensor umfasst vorzugsweise eine elektronische Steuer- und Auswerteinheit sowie mindestens eine damit verbundene Sensorelektrode der vorstehend beschriebenen Art.
Die erfindungsgemäße Sensorelektrode wird insbesondere aus einem Elektroden-Halbfabrikat hergestellt, das durch einen gewöhnlichen Rundleiter gebildet ist. Das Elektroden-Halbfabrikat weist in einem Ursprungszustand somit einen langgestreckten Elektrodenleiter mit im Querschnitt zunächst kreisrunder Außenkontur auf. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorelektrode wird dieses Elektroden-Halbfabrikat gewalzt oder gepresst, so dass der Elektrodenleiter die gewünschte ovale Außenkontur annimmt.
Erkanntermaßen vereint die vorstehend beschriebene, ovale Sensorelektrode die Vorteile der gängigerweise verwendeten Flachleiter, nämlich die gerichtete Feldausbreitung und somit die vergleichsweise hohe Reichweite, und die Vorteile der gängigerweise eingesetzten Rundleiter, nämlich die zweidimensionale Biegbarkeit der Sensorelektrode. Sie ist zudem einfach und rationell herstellbar.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in einer grob schematischen Seitenansicht ein Heckteil eines Kraftfahrzeugs, das mit einem zwei Sensorelektroden aufweisenden, kapazitiven Näherungssensor zum berührungslosen Öffnen einer Heckklappe versehen ist, und
2–5 jeweils im Querschnitt vier verschiedene Ausführungsformen der Sensorelektroden gemäß 1.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Heck 1 eines Kraftfahrzeugs 2, das mit einer beweglichen Fahrzeugtür in Form einer Heckklappe 3 versehen ist. Die Heckklappe 3 ist schwenkbar um eine Oberkante 4 des Hecks 1 angelenkt. Durch Verschwenkung der Heckklappe 3 kann dieselbe entlang eines (in 1 durch einen Pfeil angedeuteten) Verstellwegs P reversibel zwischen einer Öffnungsstellung 5 und einer Schließstellung 6 bewegt werden. In der Öffnungsstellung 5 und der Schließstellung 6 ist die Heckklappe 3 jeweils mit gestrichelten Linien dargestellt. Mit durchgezogenen Linien ist die Hecklappe 3 in einer (willkürlich gewählten) Zwischenstellung 7 zwischen der Öffnungsstellung 5 und der Schließstellung 6 dargestellt.
Zur automatischen Verstellung der Heckklappe 3 ist das Kraftfahrzeug 2 mit einer Stellvorrichtung 10 ausgestattet. Die Stellvorrichtung 10 umfasst einen elektrischen Stellmotor 11 sowie eine (in 1 nur angedeutete) Stellmechanik 12, über die der Stellmotor 11 mechanisch mit der Heckklappe 3 zu deren Verstellung gekoppelt ist. Zur Ansteuerung des Stellmotors 11 umfasst die Stellvorrichtung 10 zudem ein elektronisches Motorsteuergerät 13.
Zur berührungslosen Erkennung von Öffnungsbefehlen eines Kraftfahrzeugnutzers für die Heckklappe 3 ist das Kraftfahrzeug 2 des Weiteren mit einem kapazitiven Näherungssensor 15 ausgestattet. Der Näherungssensor 15 umfasst eine elektronische Steuer- und Auswerteeinheit 16 sowie zwei Sensorelektroden 17 und 18.
Die beiden Sensorelektroden 17 und 18 sind parallel und im Wesentlichen übereinander an der (von außen nicht sichtbaren) Rückseite eines hinteren Stoßfängers 19 des Kraftfahrzeugs 2 und erstrecken sich hier jeweils horizontal in Fahrzeugquerrichtung über einen Großteil der Fahrzeugbreite.
Im Betrieb des Näherungssensors 15 wird an die Sensorelektroden 17 und 18 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 16 eine elektrische Wechselspannung angelegt, unter deren Wirkung jede der beiden Sensorelektroden 17, 18 in einem den Sensorelektroden 17, 18 jeweils vorgelagerten Raumvolumen (nachfolgend als Erfassungsraum 20 bzw. 21 bezeichnet) ein elektrisches Feld erzeugt. Wie aus 1 erkennbar ist, sind die Sensorelektroden 17 und 18 derart gestaltet und ausgerichtet, dass sich der Erfassungsraum 20 der oberen Sensorelektrode 17 ausgehend von dem Stoßfänger 19 im Wesentlichen in horizontaler Richtung erstreckt, während der Erfassungsraum 21 der unteren Sensorelektrode 18 den Stoßfänger 19 im Wesentlichen unterseitig flankiert.
Wenn ein Körperteil, insbesondere ein Fuß eines Fahrzeugnutzers an den Stoßfänger 19 angenähert und hierbei in die Erfassungsräume 20 und 21 eingebracht wird, so beeinflusst dieses Körperteil aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des menschlichen Körpergewebes und der kapazitiven Kopplung des Körpergewebes mit dem Untergrund das von den Sensorelektroden 17, 18 ausgehende elektrische Feld und somit die an den Sensorelektroden 17, 18 messbare Kapazität.
Um einen Türöffnungswunsch zu signalisieren, vollführt der Fahrzeugnutzer konventionsgemäß eine trittartige Fußbewegung unter den Stoßfänger 19. Die hierdurch verursachte zeitliche Kapazitätsänderung wird von der Steuer- und Auswerteinheit 16 detektiert. Sofern die detektierte Kapazitätsänderung hinterlegten Auslösekriterien entspricht, interpretiert die Steuer- und Auswerteinheit 16 die Kapazitätsänderung als Öffnungsbefehl und gibt ein entsprechendes Öffnungssignal O an das Motorsteuergerät 13 aus, das hierauf durch Ansteuerung des Stellmotors 11 die Öffnung der Heckklappe 3 veranlasst.
Wie aus den 2 bis 5, die eine der Sensorelektroden 17, 18 in jeweils unterschiedlicher Ausführung zeigen, ersichtlich ist, weist jede Sensorelektrode 17, 18 als wesentlichen Bestandteil einen langgestreckten Elektrodenleiter 25. In den Ausführungsformen gemäß 2, 4 und 5 ist der Elektrodenleiter 25 jeweils durch einen Vollkörper, nämlich durch einen massiven Metalldraht aus Kupfer gebildet.
Abweichend hiervon ist der Elektrodenleiter 25 in der Ausführung gemäß 3 durch eine Hohlform gebildet, die um einen elektrisch isolierenden Kern 26 herum angeordnet ist. Der Elektrodenleiter 25 ist in diesem Fall durch eine auf den Kern 26 aufgebrachte Beschichtung aus Kupfer gebildet. Alternativ hierzu kann der Elektrodenleiter 25 in der Ausführung gemäß 3 auch durch ein Drahtgeflecht oder eine Wicklung aus Drähten oder einer Metallfolie gebildet sein. Der aus Kunststoff (z. B. Polyvinylchlorid, kurz: PVC) gebildete Kern 26 ist in der exemplarischen Ausführung gemäß 3 als Hohlform ausgebildet, die einen leeren Innenraum 27 umschließt. In alternativen Ausführungen kann der Innenraum 27 abweichend auch mit einer Seele aus elektrisch leitendem Material (insbesondere einem massiven Draht oder einem Litzenbündel) oder einem elektrisch isolierenden Material (insbesondere einem Kunststoffstrang oder -seil) ausgefüllt sein. In einer weiteren Ausführung ist der Kern 26 als Vollkörper gebildet.
In allen dargestellten Ausführungen ist der Elektrodenleiter 25 außenseitig von einer elektrisch Isolierenden Schutzhülle 28 aus Kunststoff (z. B. PVC) umgeben.
Gemeinsames Merkmal aller Ausführungen der Sensorelektrode 17, 18 gemäß 2 bis 5 ist, dass der Elektrodenleiter 25 im Querschnitt eine ovale Außenkontur aufweist.
Konkret ist der Elektrodenleiter 25 in den Ausführungen gemäß 2 und 3 mit einer elliptischen Außenkontur versehen. In der Ausführung gemäß 4 wird die Außenkontur des Elektrodenleiters 25 durch zwei gegenüberliegende Halbkreisbögen mit verbindenden Geradenstücken beschrieben. In beiden Fällen ist die Außenkontur des Elektrodenleiters 25 spiegelsymmetrisch bezüglich zweier Querachsen 29 und 30, die senkrecht zueinander in der Querschnittsebene (und somit der Zeichnungsebene der 2 bis 5) liegen. Infolge der symmetrisch-ovalen Formgebung ist der entlang der Querachsen 29 und 30 jeweils durch den Elektrodenleiter 25 gebildete Durchmesser unterschiedlich. Die Querachsen 29 und 30 bilden hierbei eine „lange Querachse” bzw. eine „kurze Querachse”, insofern als der Elektrodenleiter 25 in Richtung der Querachse 29 einen größeren Durchmesser aufweist als in Richtung der Querachse 30.
In der Ausführung gemäß 5 ist die Außenkontur des Elektrodenleiters 25 abweichend hierzu nur bezüglich der Querachse 30 spiegelsymmetrisch. Denkbar sind weitere Ausführungsformen der Sensorelektroden 17, 18, bei denen der Elektrodenleiter 25 mit einer unsymmetrisch-ovalen Außenkontur versehen ist.
Die Schutzhülle 28 kann – wie in den 4 und 5 dargestellt – eine überall im Wesentlichen konstante Stärke aufweisen, so dass ihre Außenkontur hinsichtlich der Form der Außenkontur des Elektrodenleiters 25 folgt. Alternativ kann die Schutzhülle 28 – wie in den 2 und 3 dargestellt – eine variierende Stärke aufweisen, so dass ihre Außenkontur eine von der Außenkontur des Elektrodenleiters 25 abweichende Form aufweist. Insbesondere kann die Schutzhütte 28 in letzterem Fall auch eine kreisrunde oder polygonale Außenkontur aufweisen.
Die Sensorelektroden 17 und 18 des Näherungssensors 25 können gleich – insbesondere nach jeder der in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsvarianten – aufgebaut sein. Alternativ können die Sensorelektroden 17 und 18 aber auch unterschiedlich aufgebaut sein. Insbesondere kann eine der beiden Sensorelektroden 17 oder 18 auch andersseitig aufgebaut sein, insbesondere als gewöhnlicher Rund- oder Flachleiter.
Zur Herstellung der Sensorelektrode 17, 18 wird ein Elektroden-Halbfabrikat herangezogen, das einen Elektrodenleiter mit einer zunächst kreisrunden Außenkontur aufweist. Für die Herstellung der Sensorelektrode 17, 18 gemäß 2, 4 und 5 wird als Elektroden-Halbfabrikat ein Kabel herangezogen, dessen Elektrodenleiter durch einen massiven Runddraht gebildet ist. Für die Herstellung der Sensorelektrode 17, 18 gemäß 3 wird dagegen als Elektroden-Halbfabrikat ein modifiziertes Koaxial-Kabel herangezogen, bei dem – im Vergleich zu einem gewöhnlichen Koaxialkabel – der Innenleiter weggelassen ist.
In beiden Fällen wird das jeweilige Elektroden-Halbfabrikat gewalzt, so dass der Elektrodenleiter in die jeweils gewünschte ovale Form verformt wird. Sofern die Schutzhülle 28 eine andere Außenkontur erhalten soll als der Elektrodenleiter 25, wird die Schutzhülle 28 vorzugsweise erst nach der Verformung des Elektrodenleiters 25 aufgebracht.
Um die Verformung des Elektroden-Halbfabrikats – insbesondere im Falle der Ausführung gemäß 3 – zu unterstützen, wird das Elektroden-Halbfabrikat vor dem Walzprozess optional erhitzt werden. Bei der Ausführung gemäß 3 wird hierdurch die Plastizität des Kerns 26 erhöht.
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist gleichwohl aber nicht darauf beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise die gemäß 3 aufgebaute Sensorelektrode 17, 18 auch mit abweichender Außenkontur des Elektrodenleiters 25 – etwa in der anhand der 4 oder 5 beschriebenen Weise – ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

1: Heck
2: Kraftfahrzeug
3: Heckklappe
4: Oberkante
5: Öffnungsstellung
6: Schließstellung
7: Zwischenstellung
10: Stellvorrichtung
11: Stellmotor
12: Stellmechanik
13: Motorsteuergerät
15: Näherungssensor
16: Steuer- und Auswerteeinheit
17: Sensorelektrode
18: Sensorelektrode
19: Stoßfänger
20: Erfassungsraum
21: Erfassungsraum
25: Elektrodenleiter
26: Kern
27: Innenraum
28: Schutzhülle
29: Achse
30: Achse
P: Verstellweg
O: Öffnungssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010049400 A1 [0003, 0004]

Claims

Sensorelektrode (17, 18) für einen kapazitiven Näherungssensor (15), mit einem langgestreckten Elektrodenleiter (25), der im Querschnitt eine ovale Außenkontur aufweist.
Sensorelektrode (17, 18) nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenleiter (25) aus einem Vollkörper gebildet ist.
Sensorelektrode (17, 18) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Elektrodenleiter (25) als Hohlform um einen Kern (26) aus zumindest teilweise elektrisch isolierendem Material herum angeordnet ist.
Sensorelektrode (17, 18) nach Anspruch 3, wobei der Elektrodenleiter (25) durch eine Beschichtung, ein Geflecht oder eine Wicklung gebildet ist.
Sensorelektrode (17, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Elektrodenleiter (25) außenseitig von einer elektrischen isolierenden Schutzhülle (28) umgeben ist.
Kapazitiver Näherungssensor (15) mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit (16) sowie mit mindestens einer damit verbundenen Sensorelektrode (17, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Herstellung einer Sensorelektrode (17, 18) für einen kapazitiven Näherungssensor (15), wobei ein Elektroden-Halbfabrikat mit einem im Querschnitt runden Elektrodenleiter gewalzt oder gepresst wird, so dass der Elektrodenleiter im Querschnitt eine ovale Außenkontur annimmt.