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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Näherungssensor, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Kapazitive Näherungssensoren werden häufig bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um im Rahmen eines Kollisions- oder Einklemmschutzsystems Hindernisse zu erkennen, die der Bewegung eines verstellbaren Fahrzeugteils (beispielsweise einer absenkbaren Fensterscheibe) entgegenstehen. Alternativ werden kapazitive Näherungssensoren in Kraftfahrzeugen auch zur berührungslosen Erkennung eines Bedienbefehls eines Fahrzeugnutzers eingesetzt.
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Ein solcher Näherungssensor weist üblicherweise eine Elektrodenanordnung auf, die eine oder mehrere Sensorelektroden umfasst. Weiterhin umfasst ein solcher Näherungssensor üblicherweise eine Steuereinheit, die die Elektrodenanordnung messtechnisch ansteuert.
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Als Sensorelektroden für kapazitive Sensoren, wie sie derzeit in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden, werden meist entweder Rundleiter oder Flachleiter eingesetzt, also elektrische Leiter mit rundem bzw. flachem, bandartigem Leiterquerschnitt. Beiden Elektrodenarten ist gemein, dass sie häufig einen vergleichsweise großen Herstellungsaufwand verursachen. Insbesondere enthalten effektive Ausführungsvarianten dieser Elektroden regelmäßig viel Kupfer als Leitermaterial, was vergleichsweise hohe Materialkosten bei der Herstellung bedingt. Kostengünstigere Elektrodenvarianten zeichnen sich andererseits häufig durch Funktionsmängel aus, z.B. durch hohen Leitungswiderstand, geringe Elektrodenoberfläche, geringe mechanische Flexibilität, komplexen Aufbau und/oder geringe mechanische Stabilität.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Näherungssensor mit einer effektiven, dennoch aber unaufwändig herstellbaren Sensorelektrode anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der kapazitive Näherungssensor umfasst mindestens eine längliche Sensorelektrode sowie eine damit elektrisch verbundene Steuereinheit. Die Sensorelektrode umfasst dabei erfindungsgemäß einen massiven, zu einer Wendel (Helix) geformten Metalldraht.
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Infolge der Wendelform des Metalldrahts, der den eigentlichen elektrischen Leiter der Sensorelektrode darstellt, hat die Sensorelektrode eine näherungsweise hohlzylindrische Leiterstruktur, die mit vergleichsweise wenig Leitermaterial die Realisierung einer hohen Elektrodenoberfläche ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Elektrodentypen mit hohlzylindrischer Leiterstruktur ermöglicht die Wendelform des Metalldrahts dabei eine hohe Flexibilität bei zugleich hoher mechanischer Stabilität und geringer Materialbelastung bei Biegung. Zudem ist die erfindungsgemäße Sensorelektrode prozesstechnisch einfach herzustellen.
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Grundsätzlich kann die Wendel im Rahmen der Erfindung aus Metalldraht beliebiger Querschnittsform hergestellt sein, z.B. aus Runddraht oder aus ovalem Draht. Zur Erzielung einer glatten Elektrodenoberfläche (und damit einer besonders homogenen, radialen elektrischen Feldemission) ist der Metalldraht vorzugsweise aber als Metallband mit rechteckigem Drahtquerschnitt ausgebildet. Der Metalldraht ist dabei zur Erzielung der wendelförmigen Leiterstruktur vorzugsweise um seine flache Seite gebogen, so dass der Metalldraht in Radialrichtung der Wendel eine geringere Ausdehnung aufweist als in Längsrichtung (Axialrichtung) der Wendel.
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In zweckmäßiger Ausführung ist der Metalldraht zu einer dichten Wendel gebogen. Als „dichte Wendel“ ist dabei eine Wendelstruktur bezeichnet, bei der – zumindest in ungebogenem Zustand der Wendel – entweder zwischen benachbarten Windungen der Wendel ein Zwischenraum gebildet ist, der kleiner als die Ausdehnung des Metalldrahts in Längsrichtung der Wendel ist, oder bei der die Windungen der Wendel sogar unmittelbar aneinander anliegen.
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Bevorzugt besteht der Metalldraht aus Stahl, wodurch bei vergleichsweise geringen Materialkosten und hinreichender elektrischer Leitfähigkeit eine besonders hohe mechanische Stabilität der Sensorelektrode erreicht wird. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, die Wendel aus einem anderen Metall, z.B. Kupfer oder Aluminium herzustellen.
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Zur elektrischen Isolierung der Metallwendel nach außen, aber auch zum Schutz gegen Verschmutzung, Korrosion und mechanische Beschädigung, ist die Wendel außenseitig vorzugsweise mit einer Hülle (auch: Mantel) aus Kunststoff oder Gummi umgeben. Die Hülle ist dabei wahlweise einlagig gestaltet oder aus mehreren, optional aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Lagen gebildet. Die Hülle umfasst dabei optional auch Fasern oder eine Textileinlage.
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Zusätzlich oder alternativ zu der äußeren Hülle ist in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung innerhalb der Metallwendel eine schlauchförmige Innenlage aus Kunststoff oder Gummi eingesetzt, die als elektrische Isolierung der Metallwendel nach innen (insbesondere zur Vermeidung von Kriechströmen), sowie wiederum zum Schutz der Wendel gegen Verschmutzung und Korrosion dient. Auch die Innenlage kann im Rahmen der Erfindung ein- oder mehrlagig sein.
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Optional ist die Wendel ganz oder teilweise in die Hülle oder in die Innenlage eingebettet. Insbesondere können gegebenenfalls die Hülle und die Innenlage im Rahmen der Erfindung auch miteinander verbunden, z.B. verklebt oder verschweißt sein.
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In einer Variante der Erfindung ist die Metallwendel durch eine Lackierung elektrisch isoliert und gegen Verschmutzung, Korrosion und mechanische Beschädigung geschützt. In dieser Ausführung weist die Sensorelektrode die Hülle und/oder die Innenlage vorzugsweise nicht auf.
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Zur Einsparung von Material, und somit gleichermaßen im Sinne einer unaufwändigen Herstellung sowie eines geringen Gewichts, ist die Sensorelektrode bevorzugt derart aufgebaut, dass die Wendel sowie gegebenenfalls die darin eingesetzte Innenlage einen hohlen Innenraum umschließen. Mit anderen Worten ist der von der Wendel umschlossene Innenraum in dieser Ausführung der Erfindung nicht oder zumindest nicht vollständig mit einem Feststoff ausgefüllt. Insbesondere ist hierbei innerhalb der Wendel kein tragender Kern vorhanden, der mit dem Metalldraht bewickelt wäre. Vielmehr bildet die Wendel, optional in Zusammenwirkung mit der umgebenden Hülle, eine flexible (insbesondere elastisch biegsame), dabei aber selbsttragende (selbststabile) Struktur, die ihre Form ohne Unterstützung durch andere Bauteile aufrechterhält.
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In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung hat die Wendel einen kreisrunden Querschnitt. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Wendel alternativ hierzu einen ovalen Wendelquerschnitt auf.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorelektrode aus einer Bowdenzughülle hergestellt, wie sie an sich herkömmlicherweise z.B. bei Fahrrädern, aber auch in Kraftfahrzeugtüren zusammen mit einem eingelegten Bowdenzug zur Übertragung von Zugkräften eingesetzt wird. Eine besondere Verkörperung der Erfindung ist entsprechend die Verwendung einer Bowdenzughülle für eine Sensorelektrode eines kapazitiven Sensors. Ein großer Vorteil der aus der Bowdenzughülle hergestellten Sensorelektrode besteht dabei darin, dass solche Bowdenzughüllen als kommerzielles Massenprodukt kostengünstig erhältlich sind. Die Bowdenzughülle umfasst hierbei vorzugsweise die Metallwendel sowie optional die umgebende Hülle und/oder die Innenlage.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen kapazitiven Näherungssensor zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einer zwei Sensorelektroden umfassenden Elektrodenanordnung sowie mit einer Steuereinheit, wobei die Sensorelektroden jeweils über Zuleitungen mit der Steuereinheit verbunden sind,
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2 in einer perspektivischen, teilweise aufgeschnittenen Darstellung eine Sensorelektrode des Näherungssensors gemäß 1,
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3 in einem Querschnitt die Sensorelektrode gemäß 2, sowie
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4 und 5 jeweils in Darstellung gemäß 3 zwei Varianten der Sensorelektrode.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen kapazitiven Näherungssensor 1, der zum Einsatz in einem Kraftfahrfahrzeug, insbesondere zur berührungslosen Erkennung eines Bedienbefehls eines Fahrzeugnutzers zur Öffnung einer automatisch betätigten Fahrzeugtür oder Heckklappe eingerichtet und vorgesehen ist.
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Der Näherungssensor 1 umfasst eine Steuereinheit 2 sowie eine Elektrodenanordnung 3, die in dem in 1 dargestellten Beispiel durch zwei längliche Sensorelektroden 4 und 5 gebildet ist.
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Jede der Sensorelektroden 4, 5 ist hierbei über eine zugeordnete (optional geschirmte) elektrische Zuleitung 7 bzw. 8 mit der Steuereinheit 2 elektrisch kurzgeschlossen. Die Zuleitungen 7, 8 sind über eine gemeinsame Steckverbindung 10 mit der Steuereinheit 2 kontaktiert. Alternativ sind die Sensorelektroden 4, 5 unmittelbar (ohne zwischengeschaltete Zuleitungen) mit der Steuereinheit 2 kontaktiert. Optional sind die Sensorelektroden 4, 5 auf einem gemeinsamen Träger 11 in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert.
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Eine der beiden gleich aufgebauten Sensorelektroden 4, 5 ist in den 2 und 3 näher dargestellt. Wie aus dieser Darstellung deutlich wird, ist jede der beiden Sensorelektroden 4, 5 im Kern aus einem massiven (im Querschnitt rechtwinkligen) Stahldraht 12 gebildet, der zu einer Wendel 13 gebogen ist, so dass die einzelnen Windungen 14 dieser Wendel 13 unmittelbar aneinander anliegen. Wie aus 2 zu erkennen ist, ist der Metalldraht 12 hierbei um seine flache Seite gebogen, so dass die Windungen 14 der Wendel 13 in Richtung der (Längs-)Achse A der Wendel 13 jeweils eine größere Ausdehnung haben als in Radialrichtung (also senkrecht zur Achse A).
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Die Wendel 13 umgibt einen Innenraum 15, der im Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 vollständig leer (also lediglich luftgefüllt) ist. Insbesondere ist in dem Innenraum 15 kein tragender Kern vorhanden. Vielmehr ist die Wendel 13 als selbsttragende Struktur ausgebildet, die ihre geometrische Form auch ohne Kern oder sonstige Stützstrukturen aufrecht erhält. Außenseitig ist die Wendel 13 von einer Hülle 16 aus einem Kunststoff, insbesondere PVC, umgeben, die die Wendel 13 nach außen hin elektrisch isoliert und vor Umwelteinflüssen schützt.
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Zu beiden Längsenden der Sensorelektrode 4, 5 ist auf die aus der Wendel 13 und der Hülle 16 gebildete Baueinheit jeweils eine Endkappe 17 aus Kunststoff aufgesteckt, die mit der Hülle 16 wasserdicht verbunden ist, um die Enden der Sensorelektroden 4, 5 zu schützen. Die jeweils zugeordnete Zuleitung 7, 8 ist in eine dieser beiden Endkappen 17 eingeführt und innerhalb der Endkappe 17 mit der Wendel 13 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts verschweißt oder verlötet. Die betreffende Endkappe 17 ist auch mit der jeweiligen Zuleitung 7, 8 wasserdicht verbunden. Die Endkappen 17 sind mit der Hülle 16, und ggf. der Zuleitung 7, 8 insbesondere verschweißt oder verklebt.
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In einer alternativen Ausführung des Näherungssensors 1 sind die Endkappen 17 im Spritzgussverfahren an die Enden der aus der Wendel 13 und der Hülle 16 gebildeten Baueinheit angespritzt.
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Wiederum alternativ hierzu sind die Endkappen 17 (ohne zusätzliche Verbindungsmaßnahmen) auf die Hülle 16 aufgesteckt oder aufgeschrumpft. Die Dichtwirkung wird in diesem Fall durch Flächenpressung erzeugt.
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4 zeigt eine alternative Ausführung der Sensorelektrode 4 oder 5. Diese unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform darin, dass innerhalb der Wendel 13 eine schlauchförmige Innenlage 20 aus einem Kunststoff, beispielsweise PTFE vorgesehen ist, die die Wendel 13 zum Innenraum 15 hin elektrisch isoliert und schützt. Auch in diesem Fall ist der innerhalb der Innenlage 20 gebildete Innenraum 15 leer, also lediglich luftgefüllt.
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Eine weitere, in 5 dargestellte Ausführungsform der Sensorelektrode 4 oder 5 entspricht vom Aufbau her wiederum der Ausführungsform gemäß 4. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Sensorelektroden 4 und 5, bei denen die Wendel 13 einen kreisrunden Querschnitt aufweist, haben die Wendel 13, und damit auch die Hülle 16 und die Innenlage 20 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 einen ovalen Querschnitt.
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Eine weitere (nicht näher dargestellte) Ausführungsform der Erfindung entspricht wiederum der Ausführung gemäß 5, wobei hier die Innenlage 20 weggelassen ist. Die Sensorelektrode 4, 5 ist hier also – von den Endkappen 17 abgesehen – nur durch die Wendel 13 und die Hülle 16 gebildet, die hier beide einen ovalen Querschnitt aufweisen.
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Bevorzugt wird zur Herstellung der Sensorelektrode 4 oder 5 eine Bowdenzughülle 21, wie sie gewöhnlicherweise (in Kombination mit einem in den Innenraum 15 eingelegten Bowdenzug) zur Übertragung mechanischer Zugkräfte in einer Kraftfahrzeugtür eingesetzt wird (beispielsweise zur Kopplung des Türöffnungshebels mit dem Türschloss), auf die gewünschte Länge abgelängt. Anschließend wird die Wendel 13, die an sich als Stützkörper der Bowdenzughülle 21 vorgesehen ist, an einem Ende elektrisch mit der Zuleitung 7, 8 verbunden, sofern die Zuleitung 7, 8 vorgesehen ist, sofern die Sensorelektrode 4, 5 also nicht unmittelbar mit der Steuereinheit 2 kontaktiert wird. Abschließend werden die beiden Endkappen 17 auf die Längsenden der abgelängten Bowdenzughülle 21 aufgesteckt und wasserdicht mit der Hülle 16 bzw. der Zuleitung 7, 8 verbunden. Sofern die Sensorelektrode 4, 5 unmittelbar mit der Steuereinheit 2 kontaktiert wird, wird abweichend nur das freie Ende der Sensorelektrode 4, 5 mit der Endkappe 17 abgeschlossen.
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Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (kapazitiver) Näherungssensor
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Elektrodenanordnung
- 4, 5
- Sensorelektrode
- 7, 8
- Zuleitung
- 10
- Steckverbindung
- 11
- Träger
- 12
- Stahldraht
- 13
- Wendel
- 14
- Windung
- 15
- Innenraum
- 16
- Hülle
- 17
- Endkappe
- 20
- Innenlage
- 21
- Bowdenzughülle
- A
- (Längs-)Achse
