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Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugtürgriff gemäß Anspruch 1, wobei die mit der Betätigung des Türgriffs verbundene Kraft durch die elastische Verformung einer Leiterplatte festgestellt wird.
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Bedienelemente im Automobilbereich werden oft als kapazitive Sensoren in Türgriffen oder bedienbaren Zonen an Heck- oder Frontklappen ausgeführt, um den Zugangsversuch eines Benutzers erkennen zu können. Diese Technik funktioniert berührungslos oder zumindest ohne mechanische Krafteinwirkung des Benutzers.
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Zusätzlich besteht oft der Wunsch, den Bedienvorgang zusätzlich durch eine mechanische Bewegung oder eine Krafteinwirkung qualifizieren zu können, um eine tatsächliche ausgeführte Bedienung, z.B. die Öffnung einer Fahrzeugtür, noch besser von unbeabsichtigten Berührungen oder Umwelteinflüssen unterscheiden zu können, die ebenfalls eine Kapazitätsveränderung verursachen.
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Die
DE 10 2005 061 755 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeugtürschloss mit einem Kraftsensor, bei dem der Türgriff derart mit einem Verformungskörper eines Kraftsensors verbunden ist, dass die bei der Betätigung auf den Türgriff einwirkende Kraft erfasst wird.
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Vorzugsweise beinhaltet der Verformungskörper einen piezoelektrischen Kristall, der eine der einwirkenden Kraft entsprechende Ausgangsspannung erzeugt, wobei die einwirkende Kraft mit Hilfe eines Hebelarms verstärkt wird.
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Alternativ wird ein an der Einspannstelle auf die Wandung des Türgriffs angeordneter Dehnungsmessstreifen vorgeschlagen.
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Auch kann in das Material des Türgriffs ein eine Durchbiegung erfassender piezoelektrischer Sensor eingegossen oder eingeklebt sein.
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Als nachteilig werden der mit allen vorgeschlagenen Anordnungen verbundene mechanische Aufwand, die Zuverlässigkeit, deren Platzbedarf, und insbesondere die Kosten angesehen.
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Aus der
GB 2375175 A ist ein piezoelektrisches Gerät, bestehend aus mehreren flexiblen Schichten zur Messung von Dehnung, Stößen und Beschleunigung von Objekten bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kraftfahrzeugtürgriff mit einem kostengünstigen Kraftsensor anzugeben, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Der Kraftsensor soll störunempfindlich sein und möglichst keine Wechselwirkungen mit andern Sensoren aufweisen, sowie mit einem minimalen Energieverbrauch auskommen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die den Multilayer-Keramikkondensatoren (MLCC) innewohnende, auch als Klopf- oder Mikrofoneffekt bekannte, im Folgenden als piezoelektrisch bezeichnete Sensitivität als Messwandler in einem Kraftsensor für einen Kraftfahrzeugtürgriff auszunutzen.
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Vorteilhaft bei dieser Erfindung sind die leichte Realisierbarkeit und die günstigen Kosten.
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Die meisten Bedienelemente im Automobilbereich weisen eine elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte auf, die in einem Gehäuse untergebracht ist.
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Bei einer mechanischen Krafteinwirkung kann sich das Gehäuse selbst und auch die darin montierte Leiterplatte geringfügig verbiegen. Dies ist zwar im Hinblick auf die Lebensdauer der mechanischen Komponenten unerwünscht aber eben nicht ganz vermeidbar.
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Durch entsprechende Konstruktionsmerkmale kann dies j edoch gezielt beeinflusst und auf ein verträgliches Maß begrenzt werden. So ist es auch ohne weiteres möglich, diesen Effekt gezielt auszunutzen, wenn die dabei verursachte Auslenkung bzw. Verbiegung den reversiblen Bereich nicht verlässt und eine Beschädigung vermieden wird. Dies gilt sowohl für alle beteiligten mechanischen Komponenten wie auch für die Leiterplatte und die üblicherweise in SMD-Technologie darauf bestückten Bauteile.
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Die Erfindungsidee ist nun, zur Erkennung einer gewissen Durchbiegung der Leiterplatte den piezoelektrischen Effekt von Multilayer-Keramik-Kondensatoren (MLCCs) auszunutzen. Dieser Effekt beruht auf den bekannten konstruktiven Merkmalen eines Piezo-Elements und den Eigenschaften ferroelektrischer Keramikmaterialien, maßgeblich das Material Bariumtitanat BaTi3, welches Hauptbestandteil üblicher X7R-Kondensatoren und anderer Keramikkondensatoren ist. Mit zunehmender Miniaturisierung und gleichzeitig erhöhten Anforderungen hinsichtlich elektrischer Kapazität und Spannungsfestigkeit der Bauteile ergibt sich physikalisch bedingt, dass die Anzahl der Lagen immer höher, die Schichten immer dünner und die Dielektrizitätskonstante immer höher werden muss. Der bekannte Piezo-Effekt wird dabei immer stärker ausgeprägt. Da dies seit langem allgemein bekannt ist, wird hierzu auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Üblicherweise ist dieser Effekt für die Anwendung der Bauteile in elektronischen Schaltungen sehr störend, so z.B. in Bezug auf störende Spannungssignale bei Verarbeitung von Audiosignalen, auch „Mikrofoneffekt“ genannt, bis hin zu mechanischen Resonanzerscheinungen auf der Leiterplatte. So sind auch viele Lösungen zur Unterdrückung dieser störenden Effekte bekannt.
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Bei der vorliegenden Erfindung soll dagegen dieser piezoelektrische Effekt nicht unterdrückt, sondern möglichst effektiv ausgenutzt werden, um die mechanische Krafteinwirkung auf das Bauteil in ein elektrisches Signal umzusetzen.
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Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen (Verschiebung der Ladungsschwerpunkte). Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld in allen Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Gerichtete Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf das Bauteil wirkt, sondern (beispielsweise) nur von gegenüberliegenden Seiten aus.
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Im Wesentlichen unterscheidet man drei Effekte:
- Längs-Effekt: Die Kraft erzeugt eine Polarisation in Kraftrichtung und die elektrische Spannung kann in der gleichen Richtung gemessen werden.
- Quer-Effekt: Die Polarisation ist transversal zur Kraft, so dass die Spannung quer zur Kraftrichtung entsteht.
- Scher-Effekt: Die Spannung entsteht diagonal zu den Ebenen der Scherung.
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Zur Ausnutzung dieser Effekte wird vorgeschlagen, einen handelsüblichen MLCC so auf einer Leiterplatte zu bestücken, dass eine beabsichtigte Durchbiegung der Leiterplatte eine möglichst starke Kraftänderung auf das Bauteil bewirkt.
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Natürlich ist darauf zu achten, dass dabei die zulässigen Belastungsgrenzen, besonders für die Lötstellen, nicht überschritten werden. Um die Gefahr der Beschädigung weiter zu reduzieren, kann beispielsweise auf eine Ausführung mit flexiblen Anschlusskappen zurückgegriffen werden. Entsprechende Bauteile weisen üblicherweise eine mehrfach höhere Resistenz gegen Durchbiegung auf als die Leiterplatte selbst. Durch die flexiblen Anschlusskappen wird zwar ein Teil der Kraftänderung absorbiert, aber die verbleibende Kraftkopplung auf das Keramikmaterial ist immer noch für die beabsichtige Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts brauchbar.
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Da die Keramikkondensatoren selbst nicht elektrisch polarisiert sind, wird die für den piezoelektrischen Effekt notwendige Polarisierung durch eine extern angelegte elektrische Gleichspannung erzeugt. Die Polarität der durch den Druck erzeugten Ladung ist abhängig von der Polarität der angelegten Gleichspannung.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 illustriert den Erfindungsgedanken anhand einer durchgebogenen Leiterplatte.
- 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Türgriff in einer stark vereinfachten Darstellung
- 3 zeigt eine besonders einfache Schaltungsanordnung mit einem Ladungsverstärker.
- 4 zeigt eine bevorzugte Schaltungsanordnung ebenfalls mit einem Ladungsverstärker.
- 5 zeigt eine besonders störfeste Schaltungsanordnung mit einem Ladungsverstärker.
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Kraftsensor mit einer Leiterplatte 1 und einem darauf aufgelöteten Bauteil 2, beispielsweise ein Keramikkondensator mit seinem Lagenaufbau, zwei Lötstellen 3 und nicht dargestellten flexiblen Anschlusspads. Eine von oben einwirkende, durch Pfeile symbolisierte Krafteinwirkung führt zur Durchbiegung einer Leiterplatte 1, was eine gerichtete Deformation des mit 2 bezeichneten Messwandler (Keramikkondensators) hervorruft.
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Das Bauteil 2 kann auch allein durch eine Normalkraft ohne Durchbiegung der Leiterplatte 1 deformiert werden, z.B. mit Kraftübertragung durch Gießharz. Als Folge davon gibt das Bauteil 2 an den Elektroden, die Lötstellen sind mit 3 bezeichnet, eine elektrische Ladung ab, welche für kurze Zeit als Spannung V messbar ist.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Türgriff in einer stark vereinfachten Darstellung. Der mit 8 bezeichnete Griffbügel ist zumindest in der Nähe des zum Kraftsensor gehörenden Messwandlers 2 deformierbar.
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Der Türgriff weist außerdem einen berührungslos wirkenden kapazitiven Näherungssensor 7 auf, der zur Erkennung eines Zugangsversuchs dient und eine Berechtigungsabfrage initiieren kann, und bei deren positiver Beantwortung den in 1 gezeigten Kraftsensor und damit auch dessen Messwandler 2 mit Strom versorgen kann.
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Wie bereits erwähnt, ist der Türgriff in der Nähe des Messwandlers 2 derart ausgestaltet, dass ein Hand- oder Fingerdruck eine Deformation hervorruft, und damit die oben beschriebene Wirkung erzielt.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen konventionellen Türgriff mit Bügel und Griffmulde beschränkt, sondern soll für alle Arten von Türöffnern, insbesondere auch für Ausführungen ohne bewegliche Teile geeignet sein.
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3 zeigt eine besonders einfache Auswerteschaltung 4 mit einem als Ladungsverstärker 5 beschalteten Operationsverstärker. Der Kondensator Cp, ein MLCC dient als Messwandler 2. Die Widerstände R1, R2 stellen eine Referenzspannung für den Verstärker ein, die vorteilhaft nur wenig, z.B. 10% niedriger als die von der Spannungsquelle 6 erzeugte ist.
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Die Widerstande R3 und R4 bestimmen die Zeitkonstante, mit der die dynamische Ladung, welche bei Deformation des Bauteils erzeugt wird, wieder ausgeregelt wird. Die Widerstände R3 und R4 werden so hochohmig eingestellt, dass die mechanische Durchbiegung noch zeitlich sicher erfasst werden kann. Hierbei versteht sich, dass die Spannungsquelle 6 stabilisiert und von der übrigen Schaltung entkoppelt ist, oder eine separate Batterie aufweist. Das Widerstandsverhältnis R3/R4 ist vorteilhaft kleiner als das Widerstandverhältnis R2/R1. Damit stellt sich am Ausgang des Ladungsverstärkers ein Ruhepotenzial ein, welches im analogen Aussteuerbereich des Verstärkers zwischen der Versorgungsspannung und dem Bezugspotenzial liegt.
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4 zeigt eine besonders effektive Auswerteschaltung mit einem Ladungsverstärker 5. Cp1 ist ein erster MLCC, der als Messwandler 2 dient und auf einer Seite der Leiterplatte 1 angeordnet ist, siehe 1.
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Cp2 ist ein zweiter MLCC, der als zweiter Messwandler 2 auf der gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte 1 angeordnet ist. Die Anordnung wirkt so, dass deren Durchbiegung bei Cp1 eine erste gerichtete Deformation, also beispielsweise eine Stauchung erzeugt, während dieselbe Durchbiegung bei Cp2 eine entgegengesetzt gerichtete Deformation in Form einer Streckung erzeugt. Da die Polarität der erzeugten Ladung von der Polarität der von außen angelegten Vorspannung und von der Richtung der gerichteten Deformation abhängt, ist die erzeugte Ladung im einen Fall, z.B. bei Cp1, in gleicher Richtung wie die von außen angelegte Vorspannung und im anderen Fall, z.B. bei Cp2 entgegengesetzt der angelegten Vorspannung. Das bedeutet, dass die von außen messbare Spannung z.B. bei Cp1 größer wird und gleichzeitig über Cp2 kleiner wird. Bei der vorgeschlagenen Schaltung addieren sich somit die erzeugten Spannungen von Cp1 und Cp2, so dass am Ladungsverstärker 5 im Vergleich mit nur einem einzigen Piezoelement, das doppelte Nutzsignal zur Verfügung steht.
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Das Prinzip der Reihenschaltung kann selbstverständlich auch mit mehreren Kondensatoren Cp(n) ausgeführt werden.
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Die Widerstände R1, R2 stellen die Referenzspannung für den Verstärker ein, die vorteilhaft nur wenig über dem Bezugspotenzial, z.B. 10% der Versorgungsspannung, eingestellt ist, so dass an Cp2 noch eine möglichst große Gleichspannung anliegt.
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Die Widerstande R3, R4, R5 bestimmen die Zeitkonstante, mit der die dynamische Ladung, welche bei Deformation der Bauteile erzeugt wird, wieder ausgeregelt wird. Sinnvollerweise werden somit R3, R4, R5 so hochohmig eingestellt, dass die beabsichtigte Erfassung der mechanischen Durchbiegung noch zeitlich sicher erfasst werden kann.
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Das Widerstandsverhältnis R3/R4 ist vorteilhaft kleiner als das Widerstandsverhältnis R1/R2 Damit stellt sich am Ausgang des Ladungsverstärkers ein Ruhepotenzial ein, das im analogen Aussteuerbereich des Verstärkers zwischen Versorgungsspannung und Bezugspotenzial liegt.
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5 zeigt eine weitere Auswerteschaltung mit einem Ladungsverstärker 5, wobei von der Versorgungsspannung ausgehende leitungsgebundene Störeinflüsse unterdrückt werden. Diese Schaltung unterscheidet sich von der in 3 gezeigten durch den zusätzlichen Kondensator Cp2.
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Cp1 ist der MLCC, welcher als piezoelektrisches Element auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Cp2 ist der MLCC, der als piezoelektrisches Element auf der gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Die Anordnung ist so, dass eine Durchbiegung bei Cp1 eine gerichtete Deformation in der einen Richtung, also z.B. eine Stauchung, erzeugt, während dieselbe Durchbiegung bei Cp2 die entgegengesetzt gerichtete Deformation, also z.B. eine Streckung erzeugt. Da die Polarität der erzeugten Ladung von der Polarität der von außen angelegten Vorspannung und von der Richtung der gerichteten Deformation abhängig ist, entsteht auch die erzeugte Ladung bzw. Spannung im einen Fall, z.B. bei Cp1, in gleicher Richtung wie die von außen angelegte Vorspannung und im anderen Fall, z.B. bei Cp2, entgegengesetzt der angelegten Vorspannung. Das bedeutet, dass die von außen messbare Spannung z.B. über Cp1 größer und gleichzeitig über Cp2 kleiner wird. Bei dieser Schaltung addieren sich somit durch Differenzbildung am Ladungsverstärker die Auswirkungen der beiden gegensinnig erzeugten Spannungen von Cp1 und Cp2, so dass am Verstärker etwa das doppelte Nutzsignal zur Verfügung steht.
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An Stelle eines einzigen Kondensators können zur weiteren Verbesserung des Nutzsignals mehrere gleichsinnig wirkende Kondensatoren in Reihe geschaltet werden.
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Die Widerstände R1, R2 stellen die Referenzspannung für den Verstärker ein, die vorteilhaft nur wenig, z.B. 10% niedriger als die Versorgungsspannung selbst ist, so dass an Cp2 noch eine möglichst große Gleichspannung anliegt.
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Durch die hier gezeigte Anordnung wird vorteilhaft durch den zweiten Kondensator Cp2 einerseits, wie bereits erläutert, eine Verbesserung des Nutzsignales erreicht, und andererseits eine wirksame Filterung gegen hochfrequente, leitungsgebundene Störeinflüsse erreicht, die von der Versorgungsspannungsquelle 6 ausgehen können. Cp1 und Cp2 wirken somit zusätzlich als auf Masse bezogene Tiefpasskondensatoren. Wenn zusätzlich Cp1 und Cp2 etwa den gleichen Kapazitätswert und R1 und R4 etwa den gleichen Widerstandswert besitzen, kann zusätzlich eine auch für niedrige Frequenzen wirkende Gleichtaktunterdrückung erreicht werden.
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Die Widerstande R3, R4 bestimmen die Zeitkonstante, mit der die dynamische Ladung, welche bei Deformation des Bauteils erzeugt wird, wieder ausgeregelt wird. Sinnvollerweise werden die Widerstände so hochohmig eingestellt, dass die beabsichtigte Erfassung der mechanischen Durchbiegung noch zeitlich sicher erfasst werden kann.
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Das Widerstandsverhältnis R3/R4 ist vorteilhaft kleiner als das Widerstandsverhältnis R2/R1. Damit stellt sich am Ausgang des Ladungsverstärkers ein Ruhepotenzial ein, welches im analogen Aussteuerbereich des Verstärkers zwischen Versorgungsspannung und Bezugspotenzial liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Messwandler vorzugsweise ein Multilayer-Keramik-Kondensator (MLCC)
- 3
- Lötstelle(n)
- 4
- Auswerteschaltung des Kraftsensors
- 5
- Ladungsverstärker, insbesondere ein derart beschalteter Operationsverstärker
- 6
- Spannungsquelle (stabilisiert und entkoppelt, oder eine Batterie)
- 7
- Näherungssensor, vorzugsweise kapazitiv
- Cp(n)
- Als (piezoelektrischer) Messwandler 2 wirkende MLCC-Kondensator(en) Cp1, Cp2.
- R1
- Spannungsteiler zur Einstellung der Referenzspannung des Ladungs-V 5
- R2
- Spannungsteiler zur Einstellung der Referenzspannung des Ladungs-V 5
- R3
- Rückkopplungswiderstand des Ladungsverstärkers
- R4
- Widerstand am Eingang des Ladungsverstärkers 5
- R5
- Widerstand, stellt die Vorspannung für Cp1 und Cp2 ein
