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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Innenausstattungsbauteil für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Bauteil, in das ein Schaltelement (auch Betätigungselement oder Bedienelement) integriert ist, über welches ein elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs steuerbar ist.
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Stand der Technik
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In Kraftfahrzeugen können eine Vielzahl von Stellfunktionen oder Ein- und Ausschaltbefehlen für verschiedenartige elektrische Verbraucher über Schaltelemente angewählt, aktiviert oder deaktiviert, d. h. gesteuert, werden. So ist es beispielsweise üblich die Fenster, das Schiebedach, die Außenspiegel oder dergleichen mittels elektrisch betätigter Stellmotoren zu verstellen, zu heben, zu senken oder zu öffnen und zu schließen. Darüber hinaus sind in Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von Schaltelementen vorgesehen, über die elektrische Verbraucher, beispielsweise Heizungen, Lüftungen, Klimaanlagen, Lichtelemente, Radio, Bordcomputer, Navigationssystem und dergleichen angeschaltet oder in jeder erdenklichen Weise verstellbar sind.
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Die Schaltelemente für derartige Funktionsträger in Kraftfahrzeugen sind üblicherweise in der Mittelkonsole, in der Instrumententafel und/oder im oder am Lenkrad bzw. in der Türverkleidung angebracht. Die Ausgestaltung der verschiedenen Schaltelemente erfolgt dabei nicht allein unter dem Gesichtspunkt einer vorteilhaften und ergonomischen Funktionsweise, sondern auch einer vorteilhaften Optik. Hierzu ist es üblich, dass die Schaltelemente innerhalb einer Dekorschicht angeordnet sind. Die Schaltelemente aktivieren dabei durch Schließen eines elektrischen Kontakts eine Steuerung, das die Bewegung der einzelnen Stellmotoren für die Funktionsträger regelt.
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Die Schaltelemente sind innerhalb der Dekorschicht derart angeordnet, dass sie aus der Oberfläche fühlbar erhaben hervorstehen und vorzugsweise überdies beleuchtbar sind. Diese fühlbare und/oder beleuchtbare Anordnung der Schaltelemente führt jedoch dazu, dass die Dekorschicht im Bereich der Schaltelemente unterbrochen ausgestaltet sein muss. Hierdurch werden insbesondere im Bereich der Übergänge von der Dekorschicht zu den einzelnen Schaltelementen Fugen erzeugt, in denen sich im Laufe der Zeit Verunreinigungen ansammeln, welche sowohl die Funktionsweise des Betätigungselements als auch die Optik der gesamten Dekorschicht beeinträchtigen können.
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Es sind des Weiteren Piezoschalter aus dem Stand der Technik bekannt, welche beispielsweise in Cerankochfeldern, Kaffeemaschinen oder aber in sogenannten „vandalensicheren“ Tastaturen, insbesondere in den Auswahltasten von Bankautomaten, verwendet werden. Derartige piezoelektrische und drucksensitive Tasten sind beispielsweise aus der
DE 693 04 443 T2 bekannt. Zu der
DE 103 59 297 A1 ist die Verwendung derartiger piezoelektrischer Tasten in Kraftfahrzeugen beschrieben.
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Derartige piezoelektrische Schaltelemente erweisen sich jedoch in Bezug auf die Integration in Fahrzeugbauteilen als problematisch und kostenintensiv. Insbesondere haben sich Fehlfunktionen und Verschleiß als Probleme herauskristallisiert. Schließlich ist auch trotz der Verwendung von piezoelektrischen Schaltelementen der Designspielraum eingeschränkt. Die gleiche, wenn nicht größere Problematik ergibt sich bei mechanischen und elektromechanischen Schaltelementen.
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Beschreibung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Bauteils für Fahrzeuge, in das auf einfachste Art und Weise und unter Vermeidung oder Reduzierung der obigen Problematik ein Schaltelement integriert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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In der Regel werden Bauteile für Fahrzeuge, insbesondere Innenausstattungsbauteile, aus einem Schichtverbund mit mehreren Schichten hergestellt. Gemäß einem Aspekt ist eine dieser Schichten aus einem Kompositwerkstoff hergestellt, der elektrisch leitfähige Füllstoffe enthält, wodurch diese Schicht selbst durch eine entsprechende Anbindung an eine Steuerung als Schaltelement fungiert.
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Dementsprechend wird gemäß einem Aspekt ein Bauteil, insbesondere ein Innenausstattungsbauteil, für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, vorgeschlagen. Bei dem Bauteil handelt es sich beispielsweise um eine Instrumententafel, eine Mittelkonsole, ein Lenkrad oder eine Verkleidung im Fahrzeuginnenraum, wie zum Beispiel eine Türinnenverkleidung.
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Das Bauteil umfasst einen Schichtverbund aus wenigstens zwei, meistens jedoch mehreren Schichten. Ein typischer Schichtverbund umfasst wenigstens einen formstabilen, im Wesentlichen starren Träger, meist aus Kunststoff, optional eine Polster- oder Haptikschicht, sowie eine Dekorschicht. Bei der Polster- oder Haptikschicht kann es sich zum Beispiel um ein Abstandsgewirke, einen Schaumstoff, eine Gelschicht oder Ähnliches handeln. Bei der Dekorschicht kommen verschiedenste Materialien in Frage umfassend Leder, Kunstleder, Holz, Stein, Metall, Leichtmetall, Kunststoffe, etc. Zusätzlich kann die Dekorschicht mit einer Beschichtung versehen sein, bei der es sich beispielsweise um eine Lackschicht oder eine Folie aus Kunststoff handeln kann. Der Schichtverbund weist eine äußere Schicht auf. Dies wird im Regelfall die Dekorschicht oder eine Beschichtung der Dekorschicht sein. Diese äußere Schicht weist eine Oberfläche auf, die im Einbauzustand des Bauteils im Fahrzeug durch einen Fahrzeuginsassen sicht- und berührbar ist. Insbesondere kann über diese äußerste Schicht durch einen Insassen bzw. Bediener, zum Beispiel mit einem Finger, Druck auf den Schichtverbund, zum Beispiel im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche bzw. parallel zu der Anordnung der Schichten, ausgeübt werden.
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Um das Schaltelement zu bilden, weist zumindest eine der Schichten des Schichtverbunds wenigstens in einem Teilbereich (insbesondere einem Teilbereich gesehen in der Draufsicht auf den Schichtverbund) einen Kompositwerkstoff auf. Unter einem Kompositwerkstoff ist diesbezüglich ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien zu verstehen, der andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Komponenten für sich gesehen. Eine dieser Komponenten ist ein elektrisch leitender Füllstoff, wodurch die Schicht in zumindest dem Teilbereich elektrisch leitfähig ist. Insbesondere hat die Schicht in zumindest dem Teilbereich einen elektrischen Widerstand. Durch Druck auf den Schichtverbund durch einen Insassen oder Bediener ändert sich der Abstand der einzelnen Füllstoffe in dem Kompositwerkstoff zueinander, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit und damit der elektrische Widerstand ändert.
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Bei den Füllstoffen kann es sich um Graphene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Fullerene und/oder Industrieruß (Carbon Black) handeln. Bei den Kohlenstoffnanoröhrchen kann es sich um sogenannte SWCNT (single wall carbon nanotubes) oder MWCNT (multi wall carbon nanotubes) handeln.
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Ferner umfasst der Kompositwerkstoff bevorzugt eine Matrix, in der die Füllstoffe gebunden sind. Die Matrix umfasst oder besteht zum Beispiel aus einem Polymer (z. B. einem Elastomer), einem Klebemittel oder einem Lack.
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Besonders bevorzugt sind Kompositwerkstoffe auf Polymerbasis, wie sie beispielsweise in der
EP 2 174 910 A1 , der
US 2009/0200517 A1 oder der
US 2010/0000770 A1 sowie der
DE 10 2011 051 871 B4 beschrieben sind, die hiermit durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sind. Des Weiteren wird auch auf die
Veröffentlichung „Piezoresistive, gedruckte Schichten auf Basis eines Kohlenstoffnanoröhren-Elastomer-Komposits" 16. GMA/ITG – Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012 hingewiesen.
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Die Schicht, die den Kompositwerkstoff umfasst bzw. aus diesem gebildet ist, kann die äußere Schicht (zum Beispiel die Beschichtung oder Lackierung einer Dekorschicht oder die Dekorschicht selbst) sein. Ebenso kann die den Kompositwerkstoff umfassende bzw. aus diesem gebildete Schicht der formstabile Träger, das heißt der Bauteilträger oder eine Klebemittelschicht, welche zwei Schichten des Schichtverbunds miteinander verbindet, sein.
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Des Weiteren ist eine Steuerung vorgesehen, die eingerichtet bzw. ausgestaltet ist, um den elektrischen Widerstand der Schicht (der den Kompositwerkstoff umfassenden bzw. aus diesem gebildeten Schicht) zu messen und eine Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund von Druck auf die Oberfläche der äußersten Schicht und damit auf den Schichtverbund zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dieses elektrische Signal wird ferner an einen elektrischen Verbraucher ausgegeben, um diesen zu steuern, wie es eingangs erläutert wurde. Bei dem elektrischen Verbraucher kann es sich beispielsweise um einen Fensterheber, einen elektrischen Außenspiegel, ein Schiebedach, ein Multimediasystem, eine Klimaanlage, etc. handeln. Im Allgemeinen handelt es sich bei dem elektrischen Verbraucher um ein elektrisches Bauelement, in dem elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird. Durch das Vorsehen der Schicht und der Steuerung wird ein Schaltelement geschaffen, um solche elektrische Verbraucher anzusteuern bzw. bedienen zu können. Indem das Schaltelement prinzipiell durch die Verwendung eines speziellen Werkstoffs, nämlich des Kompositwerkstoffs, für eine der Schichten des ohnehin vorliegenden Schichtverbunds geschaffen wird und ansonsten lediglich eine elektronische Verarbeitung in einer Steuerung stattfindet, wird ein Bauteil vorgeschlagen, das die eingangs erwähnte Problematik, wenn nicht vermeidet, so doch zumindest reduziert und die Designfreiheit des Bauteils erheblich vergrößert.
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Um die Widerstandsmessung vornehmen zu können, kann es vorteilhaft sein zumindest in dem Teilbereich der Schicht, in dem der Kompositwerkstoff vorgesehen ist, an entgegengesetzten Flächen dieser Schicht in Richtung des Schichtverbunds jeweils eine Elektrode vorzusehen, die jeweils mit der Steuerung verbunden sind. Alternativ ist es denkbar auf nur einer der entgegengesetzten Flächen dieser Schicht zwei Elektroden vorzusehen, die fingerförmig ineinandergreifen. Derartige Elektroden werden auch als Interdigitalelektroden bezeichnet. Dadurch kann eine einfache und zuverlässige elektrische Anbindung der Schicht an die Steuerung realisiert werden.
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Des Weiteren kann es in Abhängigkeit des Gehalts an Füllstoffen in dem Kompositwerkstoff notwendig sein, eine elektronische Verstärkung des Signals vorzunehmen, welches durch die Änderung des Widerstands erzeugt wird.
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Das durch die den Kompositwerkstoff umfassende Schicht gebildete Schaltelement ist für den Insassen bzw. Bediener nicht mehr ohne Weiteres erkennbar, d. h. der Druck auf den Schichtverbund könnte an einer beliebigen Stelle der Oberfläche stattfinden, insbesondere dann wenn der Kompositwerkstoff in der gesamten den Kompositwerkstoff umfassende Schicht vorhanden ist. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein in der Oberfläche des Schichtverbunds eine Markierung vorzusehen, die dem Insassen bzw. Bediener das Schaltelement und dessen Funktion erkenntlich macht. Diese Markierung wird insbesondere in einem solchen Bereich sein, in dem in einer Draufsicht auf die Oberfläche der Kompositwerkstoff in der Schicht vorliegt, so dass bei einem Druck auf die Markierung oder in der näheren Umgebung der Markierung die Änderung des Widerstands folgt.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung erschließen sich auch aus der Beschreibung einer Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung erfolgt, in der
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1 schematisch einen Ausschnitt eines Schichtverbunds eines Bauteils darstellt a) im Querschnitt und b) in einer Unteransicht.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Schichtverbunds eines erfindungsgemäßen Bauteils, bei dem der Kompositwerkstoff im Bauteilträger 10 enthalten ist bzw. der Bauteilträger 10 aus dem Kompositwerkstoff hergestellt ist. Es versteht sich, dass der Kompositwerkstoff aber auch in einer der anderen Schichten des im Folgenden beschriebenen Bauteils zur Bildung des Schaltelements vorgesehen sein kann. Die Ausgestaltung wäre identisch mit der Ausnahme, dass die Elektrode und Widerstandsmessung dann der entsprechend den Kompositwerkstoff aufweisenden Schicht zugeordnet wäre.
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Der im Querschnitt dargestellte Schichtverbund 1 eines erfindungsgemäßen Bauteils weist eine äußerste Schicht 2 auf, bei der es sich beispielsweise um eine Dekorschicht aus Kunststoff oder eine Beschichtung einer Dekorschicht aus Kunststoff oder einem anderen Material wie Leder, Textil, Holz, Metallen, etc. handeln kann. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Lackierung sein. Die äußerste Schicht 2 weist gegenüberliegende bzw. entgegengesetzte Seiten auf. Die in 1a obere Seite definiert eine Oberfläche 3, die im Einbauzustand des erfindungsgemäßen Bauteils im Fahrzeug sowohl sichtbar ist als auch durch einen Fahrzeuginsassen bzw. Bediener berührt werden kann. Insbesondere kann ein Fahrzeuginsasse mit dem Finger Druck auf die Oberfläche 3 und damit den Schichtverbund 1 ausüben.
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Die äußerste Schicht 2 ist mit ihrer anderen Seite 4 über eine Klebemittelschicht 5 auf ein Abstandsgewirke 6 kaschiert. Statt dem Abstandsgewirke 6 könnte auch eine Schaumstoffschicht oder eine Gelschicht verwendet werden. Das Abstandsgewirke 6 ist wiederum mit seiner der äußeren Schicht 2 abgewandten Seite wiederum über eine Klebemittelschicht 7 auf einen formstabilen Bauteilträger 10 aus Kunststoff kaschiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Bauteilträger 10 aus einem Kunststoff auf Polymerbasis gebildet. Wenigstens in dem dargestellten Ausschnitt in 1 weist der Bauteilträger 10 einen Kompositwerkstoff bestehend aus einer Matrix auf der Polymerbasis und einem Füllstoff auf. Bei dem Polymer kann es sich beispielsweise um einen Elastomer handeln. Gemäß einer Ausführungsform werden als Füllstoffe Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet. Je höher der Füllgrad an Kohlenstoffnanoröhrchen, desto höher ist die elektrische Leitfähigkeit des Bauteilträgers 10 in dem Bereich, in dem der Kompositwerkstoff vorliegt. Bereits ein Zusatz von 0,04 Gewichtsprozent an Kohlenstoffnanoröhrchen reicht aus, um eine elektrische Leitfähigkeit herzustellen. Bereits mit sehr kleinen Füllgeraden von 0,4 Volumenprozent und weniger können perkulierende Netzwerke realisiert werden. Es sind aber je nach Anwendungsfall auch andere Füllstoffe denkbar, wie sie oben erwähnt wurden.
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An der dem Abstandsgewirke 6 abgewandten Fläche des Bauteilträgers 10 sind ferner zwei Elektroden 8, 9, die fingerartig ineinandergreifen, vorgesehen. Wie aus 1b ersichtlich ist, weisen die Elektroden jeweils ein Anschlusspad 11, 12 auf, über das eine Steuerung 13 an die Elektroden angeschlossen ist. Zwischen den einzelnen Fingern 14, 15 der Elektroden 11, 12 kann über die Füllstoffe im Bauteilträger 10 Strom fließen, wobei der Kompositwerkstoff einen elektrischen Widerstand bildet. Dieser elektrische Widerstand wird über die Steuerung 13 gemessen. Übt ein Fahrzeuginsasse einen Druck auf die Oberfläche 3 aus, wird der Schichtverbund 1 komprimiert und der Abstand der Füllstoffe des Kompositwerkstoffs im Bauteilträger 10 zueinander ändert sich. Diese Änderung führt dazu, dass sich der elektrische Widerstand in dem Kompositwerkstoff und zwischen den einzelnen Fingern 14, 15 der Elektroden 11, 12 ändert. Diese Änderung des Widerstands wird durch die Steuerung 13 erfasst und dazu genutzt ein elektrisches Signal auszugeben.
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Dieses elektrische Signal wird wiederum verwendet, um einen elektrischen Verbraucher anzusteuern. Rein beispielhaft kann dadurch ein Seitenfenster des Fahrzeugs bedient oder die Lautstärke eines Entertainmentsystems eingestellt werden. Es sind aber auch andere elektrische Verbraucher und Funktionen denkbar.
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Insofern das durch die Widerstandsänderung erzeugte elektrische Signal selbst zu gering ist, kann es vorteilhaft sein dieses elektrische Signal in der Steuerung 13 elektronisch zu verstärken bevor es an den elektrischen Verbraucher ausgegeben wird.
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Es versteht sich, dass die obige Beschreibung einer Ausführungsform nur eine Umsetzungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung beschreibt und verschiedenartige Abwandlungen denkbar sind. So kann der Schichtverbund selbst auch nur zweischichtig sein und die Art und Beschaffenheit der einzelnen Schichten ist variabel. Darüber hinaus kann, wie erwähnt, der Kompositwerkstoff statt in dem Bauteilträger 10 auch in einer beliebigen anderen Schicht inklusive der Klebemittelschichten vorhanden sein. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung in beliebigen Fahrzeugbauteilen, insbesondere aber Innenausstattungsbauteilen, umsetzbar. Dabei kann es sich rein beispielhaft um das Armaturenbrett, Innenverkleidungen, wie beispielsweise Türinnenverkleidungen, oder die Mittelkonsole sowie das Lenkrad handeln.
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Die vorliegende Erfindung schafft es auf einfachste Art und Weise und ohne die Notwendigkeit aufwendiger elektrischer und/oder mechanischer Mimiken ein Schaltelement zum Bedienen eines elektrischen Verbrauchers in ein solches Bauteil zu integrieren. Insbesondere wird lediglich eine der Schichten des Schichtverbunds mit einem Kompositwerkstoff ausgebildet bzw. ausgestattet, welcher durch Vorsehen einer Steuerung und einer Widerstandsmessung das Schaltelement bildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69304443 T2 [0005]
- DE 10359297 A1 [0005]
- EP 2174910 A1 [0015]
- US 2009/0200517 A1 [0015]
- US 2010/0000770 A1 [0015]
- DE 102011051871 B4 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Veröffentlichung „Piezoresistive, gedruckte Schichten auf Basis eines Kohlenstoffnanoröhren-Elastomer-Komposits“ 16. GMA/ITG – Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012 [0015]
