DE102014015899A1

DE102014015899A1 - Kapazitiver Näherungssensor

Info

Publication number: DE102014015899A1
Application number: DE201410015899
Authority: DE
Inventors: Bernd Herthan; Holger Würstlein; Thorsten Kuhnen; Udo Geuther; Manfred Stenzel
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2013-11-09
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Es wird ein kapazitiver Näherungssensor (2) mit mindestens einer Sensorelektrode (3, 4) und einer elektronischen Auswerteeinheit (5) angegeben. Die Sensorelektrode (3, 4) ist dabei von der Auswerteeinheit (5) galvanisch getrennt. Zur kapazitiven Signalübertragung mit der Sensorelektrode (3, 4) ist unmittelbar an oder in der Auswerteeinheit (5) eine Koppelelektrode (16, 17) angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zur berührungslosen Auslösung eines Stellbefehls zur Verstellung eines beweglichen Fahrzeugteils.
Bei modernen Fahrzeugen kommen zunehmend anstelle von elektromechanischen Tastschaltern Sensoren zum Einsatz, mit denen Stellbefehle zur Verstellung von beweglichen Fahrzeugteilen berührungslos abgegeben werden können. Solche Sensoren werden unter anderen als berührungslose Heckklappenschalter eingesetzt, um – beispielsweise durch eine Fußbewegung – das automatische Öffnen oder Schließen der Heckklappe auslösen zu können. Ein derartiger berührungsloser Heckklappenschalter ist aus DE 10 2010 049 400 A1 bekannt. Als Sensor zur Erkennung des berührungslos gegebenen Stellbefehls wird häufig ein kapazitiver Näherungssensor eingesetzt. Ein solcher Näherungssensor umfasst mindestens eine Sensorelektrode sowie eine zugehörige elektronische Auswerteeinheit. Durch Beaufschlagung der Sensorelektrode mit einem elektrischen Sensorsignal wird in einem der Sensorelektrode vorgelagerten Raumbereich ein elektrisches Sensorfeld aufgebaut. Die Auswerteeinheit misst hierbei – je nach Bauform – die Kapazität der Sensorelektrode gegenüber Masse oder die Kapazität zwischen der Sensorelektrode und einer gegebenenfalls weiteren Sensorelektrode. Die Funktion des kapazitiven Näherungssensors beruht hierbei auf dem physikalischen Effekt, dass ein sich an den Sensor annähernder Gegenstand, insbesondere ein Körperteil eines Fahrzeugnutzers, durch Wechselwirkung mit dem elektrischen Sensorfeld die messbare Kapazität des Näherungssensors beeinflusst.
Üblicherweise sind bei einem kapazitiven Näherungssensor die oder jede Sensorelektrode mit der Auswerteeinheit über elektrische Zuleitungen (Drahtleitungen) verbunden. Diese Zuleitungen sind in mehrerer Hinsicht nachteilig. So verursacht bereits die mechanische Fixierung der Zuleitungen am Kraftfahrzeug einen nicht unerheblichen Montageaufwand. Zudem tragen die Zuleitungen in nicht unerheblichem Ausmaß zur Defektanfälligkeit des Näherungssensors bei, wobei Defekte einerseits durch Kabelbruch oder defekte Steckverbindungen sowie andererseits durch Korrosion infolge undichter Kabelzuführungen zu der Sensorelektrode und/oder der Auswerteeinheit entstehen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen unter diesen Gesichtspunkten verbesserten kapazitiven Näherungssensor anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Der erfindungsgemäße kapazitive Näherungssensor umfasst mindestens eine Sensorelektrode sowie eine elektronische Auswerteeinheit. Die Sensorelektrode ist hierbei galvanisch von der Auswerteeinheit getrennt, so dass keine elektrischen Ladungsträger zwischen der Sensorelektrode und der Auswerteeinheit fließen können. Zur Signalübertragung zwischen der Auswerteeinheit und der Sensorelektrode ist stattdessen eine kapazitive Kopplung vorgesehen. Hierzu ist unmittelbar an oder in der Auswerteeinheit eine Koppelelektrode angeordnet.
Zwischen der Koppelelektrode und der Sensorelektrode wird das Messsignal des kapazitiven Näherungssensors mittels eines elektrischen Feldes übertragen. Elektrische Zuleitungen zwischen der Auswerteeinheit und der Sensorelektrode sind daher nicht nötig und in bevorzugter Ausführung der Erfindung auch nicht vorgesehen. Damit entfallen die mit den Zuleitungen üblicherweise verbundenen Nachteile. Insbesondere vereinfachen sich die Herstellung und Montage des Näherungssensors. Zudem sind Funktionsstörungen durch Kabelbruch defekte Steckverbindungen oder undichte Kabelzuführungen ausgeschlossen.
Zur Vermeidung von Korrosion, und somit zur Reduzierung der Defektanfälligkeit des Näherungssensors umfasst die Auswerteeinheit vorzugsweise eine Kapselung, die eine Auswerteelektronik der Auswerteeinheit hermetisch (also flüssigkeitsdicht, und insbesondere auch gasdicht) umschließt. Zusammen mit der Auswerteelektronik ist hierbei vorzugsweise auch die oder jede Koppelelektrode innerhalb der Kapselung angeordnet. Die Kapselung ist in einer vorteilhaften Ausführungsform durch ein festes Gehäuse gebildet, beispielsweise mit einer die Auswerteeinheit und die Koppelelektrode aufnehmenden Gehäuseschale und einem Gehäusedeckel, der durch Verschweißung, Verklebung oder mittels einer oder mehrerer Dichtlippen dicht auf die Gehäuseschale aufgesetzt ist. Alternativ hierzu kann die Kapselung im Rahmen der Erfindung auch durch eine flexible Hülle (z. B. eine ringsum verschweißte Folientasche), durch eine Lackschicht oder durch Umspritzen oder Vergießen der Auswerteelektronik und der Koppelelektrode gebildet sein. Vorzugsweise ist die Koppelelektrode dabei mit besonders geringem Abstand zur Außenfläche der Kapselung angeordnet, so dass eine kurz (und somit besonders störungsunanfällige) Übertragungsstrecke zu der Sensorelektrode ermöglicht wird. Beispielsweise ist hierbei die Wandung der Kapselung im Bereich der Koppelelektrode besonders nahe an diese herangeführt. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei auch denkbar, dass die Kapselung in diesem Bereich eine (gegenüber den übrigen Bereichen) verringerte Wandstärke, insbesondere einen membranartigen Wandungsabschnitt aufweist. Im Rahmen der Erfindung kann des Weiteren auch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Kapselungsmaßnahmen zum Einsatz kommen. In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist die Kapselung frei von Kabelzuführungen. Insbesondere ist die Steuereinheit auch an eine Spannungsversorgung und/oder an eine gegebenenfalls vorhandene Steuerleitung, über die die Auswerteeinheit mit einem externen Steuergerät kommuniziert, kapazitiv oder induktiv gekoppelt, wodurch die Defektanfälligkeit des Näherungssensors weiter reduziert wird.
Ebenso im Sinne reduzierter Störanfälligkeit, aber auch zur Verringerung des Herstellungs- und Montageaufwands ist die oder jede Koppelelektrode vorzugsweise starr mit der Auswerteelektronik verbunden. Diese Verbindung ist dabei vorzugsweise selbsttragend, so dass die Relativposition der Koppelelektrode bezüglich der Auswerteelektronik nicht durch zusätzliche stützende Teile (z. B. ein Gehäuse oder eine Vergussmasse) stabilisiert werden muss. Zur Herstellung einer solchen starren, insbesondere selbstragenden Verbindung ist die Koppelelektrode vorzugsweise direkt auf der Auswerteelektronik, insbesondere einem Schaltungsträger derselben, aufgebracht, beispielsweise als leitfähiges Profil, Folie oder Blech oder in Form einer leitfähigen Beschichtung (beispielsweise hergestellt durch Bedampfen, Bedrucken, etc.). Alternativ kann die Koppelelektrode im Rahmen der Erfindung auch aus leitfähigem Kunststoff hergestellt sein.
Um eine möglichst hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Anordnung der Sensorelektrode zu der Auswerteeinheit (z. B. Positionierung der Sensorelektrode wahlweise oberhalb und unterhalb der Auswerteeinheit) zu ermöglichen, ist in zweckmäßiger Ausführung die Koppelelektrode um den Schaltungsträger herum gebogen. Die Koppelelektrode weist somit einen Flächenabschnitt auf der Oberseite des Schaltungsträgers und einen Flächenabschnitt auf dessen Unterseite auf. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, dass insbesondere bei der Verwendung mehrerer Sensorelektroden wenigstens zwei Koppelelektroden auf einander entgegengesetzten Seiten des Schaltungsträgers angeordnet sind – d. h. eine Koppelelektrode auf der Oberseite des Schaltungsträgers und eine andere auf dessen Unterseite.
Im Sinne einer weiteren Ausführungsform ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, dass die Sensorelektrode teilweise (insbesondere mit einem sogenannten Koppelabschnitt) innerhalb der Kapselung des Auswerteeinheit und somit mit nahezu minimalem Abstand zu der Koppelelektrode angeordnet ist. Vorzugsweise wird bei der Montage des Näherungssensors dabei die Sensorelektrode zu der Koppelelektrode ausgerichtet und in dieser Position fixiert (bspw. auf der Koppelelektrode verklebt oder mechanisch befestigt). Anschließend wird die Kapselung derart ausgeführt, dass die Sensorelektrode mediendicht durch diese hindurch geführt ist. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei ferner denkbar, dass die Sensorelektrode eine Verjüngung aufweist, die den Koppelabschnitt der Sensorelektrode mit einem Sensierungsabschnitt verbindet. Der Sensierungsabschnitt stellt dabei die eigentliche sensitive Fläche der Sensorelektrode dar. Die Verjüngung dient zweckmäßigerweise zur vereinfachten Durchführung durch die Kapselung.
Die Koppelelektrode kann im Rahmen der Erfindung als integraler Bestandteil des Schaltungsträgers stoffschlüssig (insbesondere monolithisch) mit diesem verbunden sein oder mit dem Schaltungsträger verklebt, verklipst, verschraubt, oder auf andere Weise verbunden sein.
Alternativ hierzu kann die Koppelelektrode auch als von dem Schaltungsträger separates Teil ausgebildet sein, das insbesondere nach Art einer Antenne über die Grundfläche des Schaltungsträgers hinausragt. Sofern die Koppelelektrode nicht starr mit dem Schaltungsträger verbunden ist, ist sie vorzugsweise an der dieser umgebenden Kapselung, insbesondere an einem gegebenenfalls vorhandenen Gehäuse befestigt. Insbesondere kann die Koppelelektrode im Rahmen der Erfindung auch in die Kapselung (z. B. das Gehäuse) integriert sein. So kann insbesondere im Rahmen der Erfindung auch die gesamte Kapselung oder ein abgegrenzter Teil derselben (z. B. ein Teil eines mehrteiligen Gehäuses) als Koppelelektrode herangezogen werden.
Für den Fall, dass die Koppelelektrode als von dem Schaltungsträger separates Teil ausgebildet ist, ist in einer zweckmäßigen Weiterbildung die Koppelelektrode winkelig zu dem Schaltungsträger angestellt. Das heißt, dass die (im Falle einer nicht ebenen Koppelelektrode gemittelte) Flächennormale der Koppelelektrode schräg oder senkrecht zu der Flächennormale des Schaltungsträgers steht. Dadurch kann die Auswerteeinheit in platzsparender Weise auch (flach) neben einer Sensorelektrode (d. h. bezüglich des Schaltungsträgers in einer Ebene mit der Sensorelektrode), bei Verwendung mehrerer Sensorelektroden vorzugsweise in einer Ebene zwischen zwei Sensorelektroden angeordnet sein.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung mit von dem Schaltungsträger separater Koppelelektrode, ist letztere außerhalb der Kapselung angeordnet. Die Koppelelektrode ist also (insbesondere mediendicht) durch die Kapselung hindurch geführt und zudem vorzugsweise von einer Isolierschicht umgeben. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei denkbar, dass die Koppelelektrode außenseitig flächig auf der Kapselung aufliegt oder als elektrisch leitfähiger Teil der Außenfläche (z. B. als aufgeklebte Folie, Lackschicht oder als an die Kapselung angespritzte Kunststoffschicht) ausgeführt ist. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung die Koppelelektrode aber auch von der Kapselung (flügel- oder antennenartig) abragen. Insbesondere in letzterem Fall ist es möglich, die Auswerteeinheit als (kostengünstig herstellbares) Standardbauteil auszuführen und je nach Einbaufall mit unterschiedlichen Koppelelektroden zu versehen sowie diese gegebenenfalls auch in ihrer Ausrichtung zur Auswerteeinheit anzupassen.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst die Auswerteeinheit einen flexiblen Schaltungsträger, der die Auswerteelektronik trägt und an dem auch die Koppelelektrode angebracht ist. Die Flexibilität des Schaltungsträgers ermöglicht hierbei – auch in dem oft geometrisch komplexen und eng begrenzten Bauraum in einem Fahrzeug – eine präzise Ausrichtung der Koppelelektrode zu der zugehörigen Sensorelektrode.
In bevorzugter Ausführung weist die Auswerteeinheit Positionierungshilfsmittel auf, mittels derer die Sensorelektrode bei der Montage auf einfache Weise (insbesondere automatisch) positionsgenau zu der Koppelelektrode ausgerichtet und vorzugsweise auch fixiert werden kann. Bei diesen Positionierungshilfsmitteln handelt es sich insbesondere um Passmarken, Passstifte, Klipse oder dergleichen, die beispielsweise an der Kapselung angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Auswerteeinheit und die Sensorelektrode gemeinsam an einem Träger gehaltert. Bei diesem Träger kann es sich grundsätzlich im Rahmen der Erfindung um ein Teil einer Fahrzeugkarosserie oder Karosserieverkleidung handeln, z. B. im Falle eines berührungslosen Heckklappenschalters um die hintere Stoßfängerverkleidung des Kraftfahrzeugs. Vorzugsweise handelt es bei dem Träger aber um ein Teil, das ausschließlich oder zumindest vorrangig zur Halterung und Lagepositionierung des kapazitiven Näherungssensors dient. Der Träger ermöglicht hierbei, die Bestandteile des Näherungssensors, also die elektronische Auswerteeinheit und die oder jede Sensorelektrode vor der eigentlichen Montage des Fahrzeugs (beispielsweise im Werk eines Zulieferunternehmens) zu einem Sensormodul vorzumontieren, das vorab getestet und bei der Montage des Fahrzeugs im Ganzen an der Fahrzeugkarosserie oder der Karosserieverkleidung angebracht werden kann. Durch den Träger wird die Sensorelektrode zumindest abschnittsweise (d. h. zumindest in einem Abschnitt ihrer Längserstreckung) in dichtem Abstand zu der Koppelelektrode fixiert. Vorzugsweise weist der Träger zu den vorstehend beschriebenen Positionierungshilfsmitteln korrespondierende Gegenstücke (z. B. Aussparungen) auf, so dass bei der Montage des Sensormoduls der Träger und damit mittelbar die oder jede Sensorelektrode zu der Auswerteeinheit (bzw. der jeweiligen Koppelelektrode) ausgerichtet wird.
Die Sensorelektrode ist beispielsweise als (zylinderförmiger) Rundleiter oder als Flachleiter ausgebildet. In der Ausführung als Flachleiter ist die Sensorelektrode bspw. folienartig ausgeführt, insbesondere als leitfähige oder leitfähig beschichtete Kunststofffolie, die mit einer Isolierschicht umhüllt ist. Sofern der Näherungssensor mehrere Sensorelektroden aufweist, können diese auch unterschiedlich geformt sein. Beispielsweise kann der Näherungssensor eine erste Sensorelektrode in Form eines Rundleiters und eine zweite Sensorelektrode in Form eines Flachleiters umfassen. Um eine zielgerichtete kapazitive Kopplung zu ermöglichen und Streuverluste möglichst gering zu halten, ist die oder jede Koppelelektrode vorzugsweise durch einen flachen Leiter gebildet. In einer weiter verbesserten Ausführungsform hat die oder jede Koppelelektrode eine Form, die komplementär zu der zugehörigen Sensorelektrode ist. In dieser Ausführung handelt es sich bei der Koppelelektrode insbesondere um einen flachen Leiter, wenn auch die zugehörige Sensorelektrode durch einen Flachleiter gebildet ist, während die Koppelelektrode als Hohlzylindersegment ausgebildet ist, wenn die zugehörige Sensorelektrode ein Rundleiter ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung trägt die oder jede Sensorelektrode eine ihr unmittelbar zugeordnete Untereinheit der Auswerteeinheit, d. h. eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Messlogik und/oder einen Verstärker. Dadurch kann das von der Sensorelektrode an die Auswerteeinheit zu übertragende Signal bereits vorverarbeitet oder zumindest verstärkt werden, so dass eine verbesserte Signalübertragung erfolgt. Eine solche Schaltung wird insbesondere bei einer folienartigen Sensorelektrode vorteilhaft bspw. durch Bedrucken und/oder Bestücken (vor der Umhüllung mit der Isolierschicht) appliziert.
Wie vorstehend erwähnt, wird der kapazitive Näherungssensor bevorzugt zur Erkennung eines berührungslos gegebenen Stellbefehls für ein bewegbares Fahrzeugteil herangezogen. In diesem Fall ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, das Messsignal der oder jeder Sensorelektrode mit bestimmten, hinterlegten Kriterien zu vergleichen, die den typischen Verlauf des Sensorsignals für den Fall kennzeichnen, dass ein Fahrzeugnutzer im Sensorfeld des Näherungssensors eine bestimmte Körperbewegung vollzieht. Im Falle eines berührungslosen Heckklappenschalters handelt es sich bei dieser Körperbewegung insbesondere um eine Fußkickbewegung unter die hintere Stoßfängerverkleidung des Fahrzeugs.
Sofern die Auswerteeinheit einen den hinterlegten Kriterien genügenden Verlauf des Messsignals erkennt, schließt die Auswerteeinheit hierbei auf die Abgabe eines entsprechenden Stellbefehls durch den Fahrzeugnutzer und veranlasst die Verstellung des bewegbaren Fahrzeugteils. Alternativ zu der bereits erwähnten Heckklappe kann es sich bei dem bewegbaren Fahrzeugteil auch um eine Fahrzeugseitentür, ein Fahrzeugfenster, einen Fahrzeugsitz, ein Klappverdeck, ein Schiebedach, einen Motorraumdeckel, etc. handeln.
Die vorstehend beschriebene Funktionalität zur Erkennung eines Stellbefehls kann alternativ auch in einer von der Auswerteeinheit des Näherungssensors getrennten Steuereinheit implementiert sein. Die Auswerteeinheit des Näherungssensors dient in diesem Fall zur Ableitung eines für die Kapazität des Sensors charakteristischen Kapazitätssignals aus dem ursprünglichen Sensorsignal, wobei die Auswerteeinheit des Näherungssensors dieses Kapazitätssignal der weiteren Steuereinheit als Eingangsgröße zuführt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Draufsicht ein Sensormodul, umfassend einen kapazitiven Näherungssensor mit zwei Sensorelektroden und einer elektronischen Auswerteeinheit, sowie einen Träger, an dem die Sensorelektroden und die Auswerteeinheit gemeinsam befestigt sind,
2 in einem schematischen Querschnitt das Sensormodul gemäß 1,
3 in Darstellung gemäß 2 eine alternative Ausführungsform des Sensormoduls,
4 in Darstellung gemäß 2 eine weitere Ausführungsform des Sensormoduls,
5 in Darstellung gemäß 2 wiederum eine weitere Ausführungsform des Sensormoduls,
6 in schematischer Draufsicht die Auswerteeinheit des Sensormoduls gemäß 5 mit einem eine Auswerteelektronik tragenden Schaltungsträger, zwei seitlich von dem Schaltungsträger abstehenden Koppelelektroden sowie mit einem (aufgeschnitten dargestellten) Gehäuse,
7 in Darstellung gemäß 2 eine weitere alternative Ausführungsform des Sensormoduls, und
8 in Darstellung gemäß 6 wiederum eine alternative Ausführungsform des Sensormoduls.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in 1 und 2 dargestellte Sensormodul 1 umfasst einen kapazitiven Näherungssensor 2, der durch zwei Sensorelektroden 3 und 4 sowie eine elektronische Auswerteeinheit 5 gebildet ist. Das Sensormodul 1 umfasst des Weiteren einen Träger 6, an dem die beiden Sensorelektroden 3 und 4 sowie die Auswerteeinheit 5 befestigt, und insbesondere in einer vorgegebenen Relativposition zueinander fixiert sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 sind beide Sensorelektroden 3 und 4 jeweils als Rundelektrode in Form eines mit einer Isolierung 7 umgebenen Rundleiters 8 ausgebildet. Anstelle der beispielhaft mit einem massiven Rundleiter 8 versehenen Sensorelektroden 3 und 4 kann jeweils auch ein Koaxialkabel verwendet werden. Der bei einem Koaxialkabel üblicherweise vorgesehene Innenleiter kann hierbei optional weggelassen oder durch eine Seele aus isolierendem Material, insbesondere Kunststoff ersetzt sein.
Die Auswerteeinheit 5 umfasst als wesentlichen Bestandteil eine Auswertelektronik 9, deren (in 2 lediglich schematisch angedeutete) elektronische Bauteile 10 auf einem Schaltungsträger 11 montiert sind. Die Auswerteelektronik 9 umfasst hierbei in bevorzugter Ausbildung insbesondere einen (ebenfalls nur schematisch angedeuteten) Mikrocontroller 12. Die Auswerteelektronik 9 ist mit einem Gehäuse 13 gekapselt (d. h. hermetisch umhüllt) und somit vor Umwelteinflüssen geschützt. In bevorzugter Ausführung besteht das Gehäuse 13 aus zwei miteinander allseitig verschweißten Gehäuseteilen aus Kunststoff. Der Innenraum 14 des Gehäuses 13 ist – soweit er nicht von der Auswerteelektronik 9 eingenommen wird – entweder leer oder ganz oder teilweise mit einer Gussmasse ausgegossen.
Der Träger 6 ist vorzugsweise durch ein Spritzgussteil aus Kunststoff gebildet. Die Auswerteeinheit 5 ist mit dem Träger 6 insbesondere verschweißt, verklebt oder verschraubt. Alternativ hierzu kann ein Teil des Gehäuses 13 auch einstückig an den Träger 6 angeformt sein. Die Sensorelektroden 3 und 4 sind an dem Träger 6 dagegen vorzugsweise in Klammern 15 gehalten, die aus der Oberfläche des Trägers 6 ausgeformt sind. Der Träger 6 ist in der 2 lediglich aus Vereinfachungsgründen mit einem symmetrischen, hutschienenartigen Profil dargestellt. Im realen Anwendungsfall hat der Träger 6 in der Regel eine unsymmetrische, an den jeweils zur Verfügung stehenden Bauraum angepasste Form.
Der Näherungssensor 2 wird als berührungsloser Heckklappenschalter verwendet, mit dem das Öffnen und Schließen einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs durch einen Stellbefehl in Form einer unter den hinteren Stoßfänger des Kraftfahrzeugs gerichteten Fußkickbewegung veranlasst werden kann. Das Sensormodul 1 wird hierbei vor der eigentlichen Montage des Kraftfahrzeugs vorgefertigt, auf Funktionsfähigkeit getestet und als Ganzes an der Innenseite der hinteren Stoßfängerverkleidung befestigt. Zur positionsgenauen Befestigung des Sensormoduls 1 ist der Träger 6 mit (nicht näher dargestellten) Befestigungsmitteln wie z. B. Klipsen, Ösen oder Durchbrüchen versehen, die mit korrespondierenden Befestigungsmitteln an der Stoßfängerverkleidung verbindbar sind.
Im Betrieb des Näherungssensors 2 wird durch die Auswerteelektronik 9 in jeder der beiden Sensorelektroden 3 und 4 (zeitgleich oder zeitlich alternierend) ein elektrisches Wechselspannungssignal erzeugt. Die derart angeregten Sensorelektroden 3 und 4 erzeugen jeweils in einem vorgelagerten Raumbereich ein elektrisches Feld (Sensorfeld). Durch Erfassung des Wechselspannungssignals und des zugehörigen Verschiebestroms (zusammenfassend als Sensorsignal bezeichnet) ermittelt die Auswerteelektronik hierbei die Kapazität der jeweiligen Sensorelektrode 3 bzw. 4 gegenüber Masse.
Die gemessene Kapazität vergleicht die Auswerteelektronik 9 mit hinterlegten Kriterien. Diese Kriterien sind hierbei – z. B. durch empirische Versuche oder Einlernen – derart gewählt, dass sie einen Kapazitätsverlauf charakterisieren, wie er typischerweise von der zur Signalisierung des Stellbefehls vorgesehenen Fußkickbewegung hervorgerufen wird. Einen diesen Kriterien genügenden Verlauf der gemessenen Kapazität erkennt die Auswertelektronik 9 als Stellbefehl für die Verstellung der Heckklappe. In diesem Fall gibt die Auswerteelektronik 9 über eine (nicht explizit dargestellte) Steuerleitung einen Steuerbefehl an ein Heckklappen-Steuergerät des Kraftfahrzeugs ab, das daraufhin automatisch (motorisch) die Öffnung der Heckklappe veranlasst.
Zur Reduzierung sowohl der Komplexität als auch der Defektanfälligkeit des Näherungssensors 2 sind zwischen den Sensorelektroden 3 bzw. 4 und der Auswerteeinheit 5 keine elektrischen Zuleitungen (Drahtleitungen) vorgesehen. Vielmehr ist die Auswerteeinheit 5 mit jeder der Sensorelektroden 3 und 4 jeweils kapazitiv gekoppelt. Hierzu umfasst die Auswerteeinheit 5 für jede Sensorelektrode 3 und 4 jeweils eine zugehörige Koppelelektrode 16 bzw. 17. In der Ausführungsform gemäß 1 und 2 sind die Koppelelektroden 16 und 17 unmittelbar auf der Unterseite des Schaltungsträgers 11 (entgegengesetzt zu den elektronischen Bauteilen 10 der Auswerteelektronik 9) aufgebracht. Die Koppelelektroden 16 und 17 sind hierbei beispielsweise durch Metallfolien gebildet, die auf die Unterseite des Schaltungsträgers 11 auflaminiert sind.
Zur Anregung der Sensorelektroden 3 und 4 wird zunächst von der Auswerteelektronik 9 ein primäres Wechselspannungssignal an die jeweilige Koppelelektrode 16 bzw. 17 angelegt. Unter Wirkung dieses primären Wechselspannungssignals erzeugt die jeweilige Koppelelektrode 16 bzw. 17 ein elektrisches Übertragungsfeld, aufgrund dessen ein – für das eigentliche Sensorfeld ursächliches – sekundäres Wechselspannungssignal in der jeweiligen Auswerteelektrode 3 bzw. 4 induziert wird.
Zur weitestmöglichen Unterdrückung von elektrischen Streuverlusten sind die Kopplungselektroden 16 und 17 in dichtem Abstand zu der jeweils zugeordneten Sensorelektrode 3 bzw. 4 angeordnet, so dass insbesondere der Abstand zwischen jeder der Sensorelektroden 3, 4 und der jeweils zugehörigen Koppelelektrode 16 bzw. 17 wesentlich (bevorzugt mindestens um einen Faktor 5) kleiner ist als die Länge der Sensorelektrode 3, 4. Weiterhin ist der Abstand zwischen jeder der Sensorelektroden 3, 4 und der jeweils zugehörigen Koppelelektrode 16 bzw. 17 wesentlich kleiner als der Abstand zwischen den beiden Koppelelektroden 3, 4. Die beiden Koppelelektroden 16, 17 haben vorzugsweise jeweils die Form eines länglichen Streifens, wobei die Koppelelektroden 16, 17 hinsichtlich ihrer Längserstreckung jeweils parallel zu der zugeordneten Sensorelektrode 3 bzw. 4 ausgerichtet sind.
Grundsätzlich kann die Auswerteeinheit 5 mit elektrischen Leitungen zur Zuführung von elektrischer Energie und/oder zur Zuleitung bzw. Abgabe von Steuersignalen kontaktiert sein.
In bevorzugter Ausbildung ist die Auswerteeinheit 5 aber komplett galvanisch von der Außenwelt getrennt. Das Gehäuse 13 weist somit bevorzugt keinerlei Kabeldurchführung auf. Entsprechend wird auch die zum Betrieb der Auswerteelektronik 9 erforderliche elektrische Energie vorzugsweise durch kapazitive oder induktive Kopplung zugeführt. Des Weiteren überträgt die Auswerteelektronik 9 auch das bei Erkennung des Stellbefehls erzeugte Steuersignal durch kapazitive oder induktive Kopplung an die Steuerleitung.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Sensormoduls 1. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 und 2 dadurch, dass die Sensorelektroden 3 und 4 hier nicht als Rundleiter, sondern als – vorzugsweise ebenfalls mit einer Isolierung 7 umgebene – Flachleiter 18 ausgebildet sind.
Um die Sensorelektroden 3, 4 mit besonders geringem Abstand zu den Koppelektroden 16, 17 anordnen zu können und Streuverluste weiter zu verringern, ist in der Ausführungsform nach 4 das Gehäuse 13 im Bereich zwischen den Koppelelektroden 16, 17 und den Sensorelektroden 3, 4 mit einer geringeren Wanddicke ausgeführt.
Zur Ausrichtung der Sensorelektroden 3, 4 zu den Koppelelektroden 16, 17 sowie zur Verbindung des Trägers 6 mit dem Gehäuse 13 sind an letzterem mehrere Pins 19 als Positionierungshilfsmittel angeformt. Der Träger 6 wird bei der Montage des Sensormoduls 1 auf diese Pins 19 aufgesetzt und somit die Sensorelektroden 3, 4 zu den Koppelelektroden 16, 17 ausgerichtet. Anschließend werden gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel die Pins 19 durch Heißverstemmen umgeformt und so der Träger 6 formschlüssig an dem Gehäuse 13 fixiert.
Eine weitere Ausführungsform des Sensormoduls 1 ist in den 5 und 6 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 und 2 wiederum dadurch, dass die Koppelelektroden 16 und 17 nicht auf dem Schaltungsträger 11 aufgebracht sind, sondern sich nach Art von Antennen an einander entgegengesetzten Seiten neben dem Schaltungsträger 11 erstrecken. Die Koppelelektroden 16 und 17 sind hierbei insbesondere durch Blechstreifen gebildet, die mit der Oberseite des Schaltungsträgers 11 verlötet sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiels gemäß 7 sind die Koppelelektroden 16 und 17 ebenfalls nach Art von Antenennen ausgebildet, aber in einem Winkel zu dem Schaltungsträger 11 angestellt. In vorliegendem Fall verlaufen die Flächennormalen der beiden Koppelelektroden 16, 17 senkrecht zu der Flächennormale des Schaltungsträgers 11.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind die Koppelelektroden 16, 17 antennenartig aus dem Gehäuse 13 herausgeführt. In nicht näher dargestellter Weise sind die Koppelektroden 16, 17 austauschbar mit der Auswerteeinheit 5 verbunden, so dass je nach Einbaufall – also je nach Form der Sensorelektroden 3, 4 – unterschiedlich geformte Koppelelektroden 16, 17 eingesetzt werden können, ohne dabei die gesamte Auswerteeinheit 5 zu verändern. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Sensorelektroden 3, 4 jeweils einen Koppelabschnitt 20 auf, der in etwa der Form und Größe der Koppelelektroden 16, 17 entspricht, sowie einen Sensierungsabschnitt 21, der als aktive Fläche zur Abstrahlung des Sensorfelds dient. Der Koppelabschnitt 20 und der Sensierungsabschnitt 21 sind dabei durch einen verjüngten Bereich (als Steg 22 bezeichnet) miteinander (galvanisch) verbunden).
In allen dargestellten Ausführungsbeispielen bilden der Schaltungsträger 11 mit der darauf aufgebauten Auswerteelektronik 9 und die Koppelelektroden 16 und 17 eine selbsttragende, starr zusammenhängende Baueinheit.
In einer (nicht näher dargestellten) weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls 1 ist der die Auswerteelektronik 9 tragende Schaltungsträger 11 durch eine flexible Leiterplatte gebildet. Vorzugsweise sind in diesem Fall auch die Koppelelektroden 16 und 17 flexibel gestaltet. Anstelle des Gehäuses 13 ist hierbei vorzugsweise eine flexible Kapselung, beispielsweise in Form einer allseitig geschlossenen Folientasche zur hermetisch dichten Umhüllung der Auswerteelektronik 9 vorgesehen.
Die Erfindung wird anhand der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besonders deutlich, ist gleichwohl auf diese Ausführungsbeispiele aber nicht beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung aus der vorstehenden Beschreibung und den Ansprüchen abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Sensormodul
2: Näherungssensor
3: Sensorelektrode
4: Sensorelektrode
5: Auswerteeinheit
6: Träger
7: Isolierung
8: Rundleiter
9: Auswerteelektronik
10: (elektronisches) Bauteil
11: Schaltungsträger
12: Mikrocontroller
13: Gehäuse
14: Innenraum
15: Klammer
16: Koppelelektrode
17: Koppelelektrode
18: Flachleiter
19: Pin
20: Koppelabschnitt
21: Sensierungsabschnitt
22: Steg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010049400 A1 [0002]

Claims

Kapazitiver Näherungssensor (2) mit mindestens einer Sensorelektrode (3, 4) und einer elektronischen Auswerteeinheit (5), wobei die Sensorelektrode (3, 4) von der Auswerteeinheit (5) galvanisch getrennt ist, und wobei unmittelbar an oder in der Auswerteeinheit (5) eine Koppelelektrode (16, 17) zur kapazitiven Signalübertragung mit der Sensorelektrode (3, 4) angeordnet ist.
Näherungssensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (5) eine Auswerteelektronik (9) und eine diese hermetisch umschließende Kapselung (13) aufweist, wobei die Koppelelektrode (16, 17) innerhalb der Kapselung (13) angeordnet ist.
Näherungssensor (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Koppelelektrode (16, 17) starr mit der Auswerteelektronik (9) verbunden ist.
Näherungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Koppelelektrode (16, 17) um einen Schaltungsträger (11) der Auswerteeinheit (5) herum gebogen ist.
Näherungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Koppelelektrode (16, 17) mit ihrer Flächennormalen schräg oder senkrecht zu einer Flächennormalen des Schaltungsträgers (11) der Auswerteeinheit (5) ausgerichtet ist.
Näherungssensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (5) eine Auswerteelektronik (9) und eine diese hermetisch umschließende Kapselung (13) aufweist, wobei die Koppelelektrode (16, 17) durch die Kapselung (13) hindurch geführt ist.
Näherungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Auswerteeinheit (5) einen flexiblen Schaltungsträger aufweist, an dem die Koppelelektrode (16, 17) angebracht ist.
Näherungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteeinheit (5) Positionierungshilfsmittel (19) zur Ausrichtung der Sensorelektrode (3, 4) zu der Koppelelektrode (16, 17) aufweist.
Sensormodul (1) mit einem kapazitiven Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie mit einem Träger (6), an dem die Auswerteeinheit (5) und die Sensorelektrode (3, 4) gehaltert sind derart, dass die Sensorelektrode (3, 4) zumindest abschnittsweise in dichtem Abstand zu der Koppelelektrode (16, 17) fixiert ist.