DE102017213548A1

DE102017213548A1 - Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung

Info

Publication number: DE102017213548A1
Application number: DE102017213548.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Müller; Andreas Bierbaumer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-02-07
Also published as: US11309889B2; WO2019025172A1; CN110637416A; US20200195249A1

Abstract

Es wird eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100) angegeben. Die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100) weist einen Faserverbundkörper (1), der eine elektrisch nicht leitende Matrix (2) und eine Vielzahl von in der Matrix (2) eingebettete Fasern (3, 6) aufweist, auf. Weiterhin weist die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100) wenigstens einen ersten kapazitiven Näherungssensor (4), wenigstens einen zweiten kapazitiven Näherungssensor (7) sowie eine oder mehrere Sensorauswertevorrichtungen (9) auf. Der erste kapazitive Näherungssensor (4) weist zumindest eine Sensorelektrode (5) auf, die zumindest eine elektrisch leitende Faser (6) aufweist, die in der Matrix (2) eingebettet ist. Der zweite kapazitive Näherungssensor (7) weist zumindest eine weitere Sensorelektrode (8) auf, die zumindest eine elektrisch leitende Faser (6) aufweist, die in der Matrix eingebettet ist. Die Sensorelektrode (5) des ersten kapazitiven Näherungssensors (4) und die weitere Sensorelektrode (8) des zweiten kapazitiven Näherungssensors (7) sind jeweils mit einer Sensorauswertevorrichtung (9) verbunden. Des Weiteren wird ein Interieur- und/oder Exterieurbauteil für ein Kraftfahrzeug angegeben, das zumindest eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100) aufweist.

Description

Es wird eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung angegeben. Des Weiteren wird ein Interieur- und/oder Exterieurbauteil für ein Kraftfahrzeug angegeben, das zumindest eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung aufweist.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Fahrzeugbauteile aus Faserverbundwerkstoff herzustellen, der beispielsweise Carbonfasern umfassen kann, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Carbonfasern wirken als Verstärkungsfasern des Bauteils, und es kann eine Auslegung der Verstärkungen entlang der Kraftflusslinien erfolgen. Bauteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff zeichnen sich durch eine geringe Masse und gleichzeitig hohe Steifigkeit aus.
Neben diesen Eigenschaften weisen Fahrzeugbauteile aus Faserverbundwerkstoff gewöhnlicherweise keine weiteren Funktionen auf.
Zur berührungsfreien Annäherungsdetektion eines Objektes an einen kapazitiven Annäherungssensor sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, welche sich in der Art und Weise der Signalerzeugung und der Messung unterscheiden.
Ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Prinzip zur kapazitiven Annäherungsdetektion sieht die Verwendung eines kapazitiven Annäherungssensors mit einer einzigen Elektrode vor. Bei diesem Messprinzip wird die Kapazität der Elektrode in Bezug auf das Massepotenzial der Messelektronik des kapazitiven Annäherungssensors detektiert und ausgewertet. Dieses Messprinzip wird auch als „Loading-Verfahren“ bezeichnet. Nähert sich ein Objekt, etwa ein Benutzer, der Sensorelektrode, dann verändert sich die Kapazität an der Sensorelektrode, was entsprechend detektiert und ausgewertet werden kann.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Messprinzip sieht einen kapazitiven Annäherungssensor mit zwei Sensorelektroden vor. Eine Sensorelektrode wird hierbei als Sendeelektrode und die andere Sensorelektrode als Empfangselektrode betrieben. Das an der Sendeelektrode emittierte elektrische Wechselfeld wird in die Empfangselektrode eingekoppelt und über ein an der Empfangselektrode abgegriffenes elektrisches Signal gemessen. Dieses Verfahren wird auch als „Transmissions-Verfahren“ bezeichnet, da es die Übertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger vermisst. Bei Annäherung eines Benutzers an die Sensorelektroden ändert sich das zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ausgebildete elektrische Wechselfeld, was entsprechend gemessen und ausgewertet werden kann.
Kapazitive Näherungsschalter sind oftmals als gedruckte Leiterbahnen auf Folien hergestellt und dann auf Bauteile appliziert. Die gedruckten Leiterbahnen sind normalerweise sichtbar. Falls sie nicht sichtbar sein sollen, muss die Folie hinter das Bauteil appliziert werden, wobei das Material des Bauteils den Schalter jedoch nicht beeinflussen darf.
Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung anzugeben, bei der auf das Aufdrucken von Leiterbahnen verzichtet werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, wird ein Interieur- und/oder Exterieurbauteil für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
Eine hier beschriebene kapazitive Näherungsschaltereinrichtung weist gemäß zumindest einer Ausführungsform einen Faserverbundkörper auf, der eine elektrisch nicht leitende Matrix und eine Vielzahl von in der Matrix eingebettete Fasern aufweist. Bei der Matrix kann es sich z.B. um eine Kunststoffmatrix handeln, die beispielsweise einen thermoplastischen Kunststoff oder einen duroplastischen Kunststoff aufweisen bzw. daraus bestehen kann. Alternativ kann die Matrix einen keramischen Werkstoff aufweisen oder daraus bestehen.
Die Begriffe „Näherungsschalter“ und „Näherungssensor“ sollen hier und im Folgenden sowohl berührungslos funktionierende Sensoren, insbesondere berührungslose kapazitive Sensoren, als auch berührende Sensoren, das heißt Sensoren die auf Berührung reagieren, wie z.B. taktile kapazitive Sensoren, einschließen.
Weiterhin weist die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung wenigstens einen ersten kapazitiven Näherungssensor, der zumindest eine Sensorelektrode aufweist, und wenigstens einen zweiten kapazitiven Näherungssensor, der zumindest eine weitere Sensorelektrode aufweist, auf. Die Sensorelektrode des ersten kapazitiven Näherungssensors sowie die weitere Sensorelektrode des zweiten kapazitiven Näherungssensors weisen jeweils zumindest eine elektrisch leitende Faser auf, die jeweils in der Matrix eingebettet sind. Weiterhin können die Sensorelektrode und die weitere Sensorelektrode jeweils aus einer elektrisch leitenden Faser bestehen.
Vorzugsweise sind die Sensorelektrode und die weitere Sensorelektrode jeweils mit einer Sensorauswertevorrichtung elektrisch leitend verbunden. Die Sensorauswertevorrichtung kann z.B. eine Auswerteschaltung sein. Alternativ kann die Sensorelektrode mit einer ersten Auswerteschaltung und die weitere Sensorelektrode kann mit einer zweiten Auswerteschaltung verbunden sein. Der erste kapazitive Näherungssensor der zweite kapazitiven Näherungssensor können z.B. jeweils einen eigenen Schaltkreis aufweisen. Vorzugsweise sind die einzelnen kapazitiven Näherungssensoren derart eingerichtet, dass sie unabhängig voneinander als Näherungsschalter funktionieren können.
Aufgrund der Mehrzahl der kapazitiven Näherungssensoren, welche jeweils eine elektrisch leitende Faser als Sensorelektrode aufweisen können, kann innerhalb des Faserverbundkörpers ein berührungsloses Touchpad verwirklicht werden, mittels dessen beispielsweise wie bei einer Sensormatrix eine 2- oder 3-dimensionale Bedienoberfläche ermöglicht werden kann. Insbesondere kann nicht nur eine Annäherung eines Objekts detektiert werden, sondern eine genaue Positionserfassung erfolgen, sodass beispielsweise eine Lautstärkeregelung oder eine nicht Lichtintensitätsregelung mittels der kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Sensorelektrode und/oder die weitere Sensorelektrode eine oder mehrere der Kohlenstofffasern auf oder bestehen aus einer oder mehreren Kohlenstofffasern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Sensorelektrode und/oder die weitere Sensorelektrode eine oder mehrere metallische Fasern auf oder bestehen aus einer oder mehreren metallischen Fasern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung eine Mehrzahl von nicht leitenden Fasern auf, die im Faserverbundkörper angeordnet bzw. eingebettet sind. Bei den nicht leitenden Fasern kann es sich z.B. um Glasfasern handeln. Mittels der nicht leitenden Fasern kann beispielsweise eine Trennung der elektrisch leitenden Fasern im textilen Herstellungsprozess erleichtert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform funktionieren der erste kapazitive Näherungssensor und der zweite kapazitiven Näherungssensor auf dem Prinzip des Loading-Verfahrens. Die kapazitiven Näherungssensoren weisen dann beispielsweise neben der Sensorelektrode bzw. weiteren Sensorelektrode keine zusätzlichen Sensorelektroden auf. Alternativ können der erste kapazitive Näherungssensor der zweite kapazitive Näherungssensor auch auf dem Prinzip des Transmissionsverfahrens funktionieren und zusätzliche Sensorelektroden, die beispielsweise ebenfalls als in der Matrix eingebettete elektrisch leitende Fasern verwirklicht sein können, aufweisen. Beispielsweise können die kapazitiven Näherungssensoren jeweils eine oder mehrere Referenzelektroden, Koppelelektroden oder Schirmelektroden, die z.B. als in der Matrix eingebettete Fasern ausgebildet sein können, aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode im Wesentlichen in derselben Hauptausbreitungsrichtung. Beispielsweise können die elektrisch leitenden Fasern im Wesentlichen parallel innerhalb der Matrix verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode in unterschiedlichen Hauptausbreitungsrichtungen. Die elektrisch leitenden Fasern können z.B. im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode einen im Wesentlichen gleichen Abstand zu einer Oberfläche des Faserverbundkörpers auf. Beispielsweise können die elektrisch leitenden Fasern denselben Abstand zu einer Sichtoberfläche des Faserverbundkörpers bzw. zu einer Sichtoberfläche eines den Faserverbundkörper enthaltenden Bauteils aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlaufende elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode in unterschiedlichen Ebenen innerhalb des Faserverbundkörpers. Die elektrisch leitenden Fasern können z.B. einen unterschiedlichen Abstand zu einer Sichtoberfläche des Faserverbundkörpers aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und/oder die elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode als unidirektionale Fasern und/oder als Endlosfasern ausgebildet. Weiterhin können die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und/oder die elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode jeweils Teil eines Faserbündels sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Faserverbundkörper weiterhin eine Vielzahl von elektrisch nicht leitenden Fasern auf. Bei den elektrisch nicht leitenden Fasern kann es sich z.B. um Glasfasern handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Fasern des Faserverbundkörpers als Fasergelege, Fasergewebe, Fasergeflecht und/oder als Fasergestick ausgeführt. Die elektrisch leitende Faser der Sensorelektrode und/oder die elektrisch leitende Faser der weiteren Sensorelektrode können jeweils Teil des Fasergeleges bzw. Fasergewebes bzw. Fasergeflechts oder des Fasergesticks sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung einen oder mehrere weitere kapazitiven Näherungssensoren auf, die jeweils zumindest eine Sensorelektrode aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrisch leitende Faser umfasst, die in der Matrix eingebettet ist.
Des Weiteren wird ein Interieur- und/oder Exterieurbauteil für ein Kraftfahrzeug angegeben. Das Interieur- und/oder Exterieurbauteil weist zumindest eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung eines Faserverbundkörpers der kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
3 eine schematische Darstellung eines Faserverbundkörpers der kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen zweier möglicher Ausführungsbeispiele eines Faserverbundkörpers 1 der kapazitiven Näherungsschaltereinrichtung 100 aus 1.
Die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung 100 weist einen Faserverbundkörper 1, der eine elektrisch nicht leitende Matrix 2 und eine Vielzahl von in der Matrix eingebettete Fasern 3, 6 umfasst, auf. Die Fasern 3, 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als unidirektionale Endlosfasern ausgebildet. Bei einem Teil der Fasern 3, 6 handelt es sich dabei um nicht leitende Fasern 3, die beispielsweise Glasfasern sein können. Ein anderer Teil der Fasern 3, 6 sind leitende Fasern 6, die z.B. Kohlenstofffasern oder Metallfasern sein können.
Weiterhin weist die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung 100 einen ersten kapazitiven Näherungssensor 4 und einen zweiten kapazitiven Näherungssensor 7, die jeweils im Faserverbundkörper 1 eingebettet sind, auf. Die kapazitiven Näherungssensoren 4, 7 sind jeweils mit einer Sensorauswertevorrichtung 9 verbunden. Alternativ können die kapazitiven Näherungssensoren 4, 7 mit verschiedenen Sensorauswertevorrichtungen verbunden sein.
Der erste kapazitive Näherungssensor 4 weist eine Sensorelektrode 5 auf, welche aus einer der elektrisch leitenden Fasern 6, die in der Matrix 2 eingebettet sind, gebildet ist. Der zweite kapazitive Näherungssensor 7 weist eine weitere Sensorelektrode 8 auf, die ebenfalls aus einer der in der Matrix 2 eingebetteten elektrisch leitenden Fasern 6 gebildet ist. Vorzugsweise sind die Sensorelektroden 5, 8 jeweils mit der Auswerteeinrichtung 9 elektrisch leitend verbunden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 sind die Sensorelektrode 5 und die weitere Sensorelektrode 8 derart im Faserverbundkörper 1 angeordnet, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und einen Wesentlichen gleichen Abstand zu nächstliegenden Oberfläche des Faserverbundkörpers 1 aufweisen.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sich die elektrisch leitende Faser 6 der Sensorelektrode 5 und die elektrisch leitende Faser 6 der weiteren Sensorelektrode 8 in unterschiedlichen Hauptausbreitungsrichtungen erstrecken. Insbesondere verläuft die weitere Sensorelektrode 8 in einer Richtung senkrecht zur Sensorelektrode 5.
Weiterhin kann die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung 100 einen oder mehrere weitere kapazitiven Näherungssensoren aufweisen, welche jeweils eine als elektrisch leitende Faser ausgebildete Sensorelektrode, die in der Matrix 2 des Faserverbundkörpers 1 eingebettet sind, umfassen. Die kapazitive Näherungsschaltereinrichtung 100 kann beispielsweise eine Touchpad-Funktionalität aufweisen, durch die wie bei einer Sensormatrix die Bedienung einer Vorrichtung, wie z.B. einer Bedienvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, erfolgen kann. Beispielsweise kann ein Benutzer eine Streichbewegung oder Zeichenbewegung in der Nähe oder unmittelbar auf dem Faserverbundkörper ausführen, wodurch dann mittels der Sensorauswertevorrichtung Signale an eine Steuereinrichtung übermittelt werden können. Die Steuereinrichtung kann mit einer Ausgabeeinrichtung, die in der Folge optische, akustische und/oder haptische Ausgaben erzeugt, verbunden sein.
Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Faserverbundkörper
2: Matrix
3: elektrisch nicht leitende Faser
4: erster kapazitiver Näherungssensor
5: Sensorelektrode
6: elektrisch leitende Faser
7: zweiter kapazitiver Näherungssensor
8: weitere Sensorelektrode
9: Sensorauswertevorrichtung
100: Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung

Claims

Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100), aufweisend - einen Faserverbundkörper (1), der eine elektrisch nicht leitende Matrix (2) und eine Vielzahl von in der Matrix (2) eingebettete Fasern (3, 6) aufweist, - wenigstens einen ersten kapazitiven Näherungssensor (4), der zumindest eine Sensorelektrode (5) aufweist, wobei die Sensorelektrode (5) zumindest eine elektrisch leitende Faser (6) aufweist, die in der Matrix (2) eingebettet ist, - wenigstens einen zweiten kapazitiven Näherungssensor (7), der zumindest eine weitere Sensorelektrode (8) aufweist, wobei die weitere Sensorelektrode (8) zumindest eine elektrisch leitende Faser (6) aufweist, die in der Matrix eingebettet ist, - eine oder mehrere Sensorauswertevorrichtungen (9), mit der die Sensorelektrode (5) des ersten kapazitiven Näherungssensors (4) und die weitere Sensorelektrode (8) des zweiten kapazitiven Näherungssensors (7) verbunden sind.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorelektrode (5) und/oder die weitere Sensorelektrode (8) eine oder mehrere Kohlenstofffasern aufweisen.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorelektrode (5) und/oder die weitere Sensorelektrode (8) eine oder mehrere metallische Fasern aufweisen.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) im Wesentlichen in derselben Hauptausbreitungsrichtung erstrecken.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) in unterschiedlichen Hauptausbreitungsrichtungen erstrecken.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) einen im Wesentlichen gleichen Abstand zu einer Oberfläche des Faserverbundkörpers (1) aufweisen.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) in unterschiedlichen Ebenen innerhalb des Faserverbundkörpers (1) verlaufen.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und/oder die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) als unidirektionale Fasern und/oder als Endlosfasern ausgebildet sind.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faserverbundkörper (1) eine Vielzahl von elektrisch nicht leitenden Fasern (3) aufweist.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und/oder die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) jeweils Teil eines Faserbündels sind.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern des Faserverbundkörpers (1) als Fasergelege, Fasergewebe, Fasergeflecht und/oder Fasergestick ausgeführt sind.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach Anspruch 11, wobei die elektrisch leitende Faser (6) der Sensorelektrode (5) und die elektrisch leitende Faser (6) der weiteren Sensorelektrode (8) jeweils Teil des Fasergeleges, Fasergewebes, Fasergeflechts und/oder Fasergesticks sind.
Kapazitive Näherungsschaltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen oder mehrere weitere kapazitive Näherungssensoren, die jeweils zumindest eine Sensorelektrode aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrisch leitende Faser aufweisen, die in der Matrix eingebettet sind.
Interieur- und/oder Exterieurbauteil für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest eine kapazitive Näherungsschaltereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.