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Die Erfindung betrifft einen taktilen Kraft-Weg-Sensor zur Erfassung der Krafteinwirkung auf eine Ladeklappe eines Elektrofahrzeugs, wobei unter Ladeklappe die Abdeckung einer Ladebuchse zum Nachladen der Fahrzeugbatterien verstanden wird.
Derartige Sensoren und insbesondere ihre kostengünstige Herstellung gewinnen mit der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen gleichermaßen an Bedeutung.
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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. 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. Neuerdings besteht besonders für die Ausstattung von Elektrofahrzeugen der Wunsch, die Krafteinwirkung auf eine Ladeklappe zu erkennen, welche das Ladeterminal am Fahrzeug mit einer Schutzklappe verschließt. Insbesondere bei motorisch bewegten Ladeklappen besteht hier ein technischer Bedarf für eine geeignete Sensorik, die kostengünstig, robust und flexibel anpassbar in derartige Ladeklappen bzw. in deren Antriebsmechanismus integriert werden kann. Dabei sollen sowohl der initiale Öffnungswunsch des Benutzers als auch Hindernisse und Einklemmsituationen erkannt werden. Darüber hinaus soll die Sensorik in der Lage sein, möglichst aus jeder beliebigen Klappenposition heraus einen erneuten Bedienvorgang des Benutzers, z.B. durch Zug oder Druck auf die Klappe erkennen zu können.
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Die
DE 102015212819 A1 betrifft eine Karosserieklappe zum Abdecken einer Medieneinfülleinrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Karosserieklappe zur Verwendung als Sensorfläche wenigstens teilweise elektrisch ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2016 106 651 A1 zeigt einen Mechanismus zum Betätigen einer Ladeklappe für ein Elektrofahrzeug, der durch eine Viergelenkanordnung an einer Tragstruktur befestigt ist und zwischen einer Schließ- und einer Offenstellung bewegt werden kann. Er beinhaltet ein Push-Pull-Element, das mit einer zu Viergelenkanordnung gehörenden Federanordnung kombiniert ist. Als nachteilig werden der erhebliche Aufwand für die Mechanik, sowie das Fehlen eines elektrischen Meldesignals angesehen.
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Die
DE 10 2013 016 376 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Laden eines Elektrofahrzeugs. Hier ist eine die Position der Ladeklappe erkennende Erfassungseinheit vorgesehen. Als Sensor wird ein Hall-Sensor vorgeschlagen, der entweder als digitaler Sensor oder als analoger Sensor mit einem zusätzlichen Schwellwertschalter ausgeführt sein kann. Das erfordert einen magnetischen Geber, was mit einem zusätzlichen Material- und Justieraufwand verbunden ist. Außerdem ist ein auf die Ladeklappe ausgeübter Druck nicht ohne weiteres erkennbar.
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Weiter offenbaren die
DE 10334719 A1 und die
DE 10050558 A1 eine motorisch angetriebene Tankklappe, wobei die Tankdeckelposition mittels einer Anordnung mehrerer Sensoren erfasst wird. Insgesamt handelt es sich hier um recht teure und fehleranfällige Lösungen, da viele Bauteile benötigt werden.
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Des Weiteren sind Messschaltungen zur Bestimmung des Widerstands von resistiven Sensorelementen durch Erfassung der Zeitkonstanten in einem RC-Glied bekannt. Die
DE 69511020 T2 offenbart eine Messschaltung zur Bestimmung des Widerstandswertes eines Widerstandes, der zur Temperaturmessung dient. Die
CN 103364119 A offenbart eine Messschaltung zur Bestimmung von Widerstandswerten in einer Brückenschaltung von resistiven Sensorelementen eines Drucksensors und die
DE 10119080 A1 offenbart eine Messschaltung zur Bestimmung von Widerstandswerten von Dehnungsmessstreifen.
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Die
WO 2001 042 754 A1 beschreibt einen Tastsensor (taktilen Sensor) mit einem druckabhängigen Kontaktwiderstand zwischen zwei leitfähigen Werkstücken.
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Der Sensor ist besonders für große Auflageflächen, wie zur Sitzbelegungserkennung oder als Aufprallschutz und in Verbindung mit der Auslösung eines Airbags geeignet. Vorzugsweise besteht er aus einer durchgängigen Metallfläche und einem leitfähigen Elastomerstück wie einem Schaumstoffquader, der durch flexible Elektroden kontaktiert wird. Bei Verwendung mehrerer Elektrodenpaare ist er zur Ortsbestimmung geeignet.
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Durch Messung von Übergangswiderständen und deren anschließender A/D-Wandlung werden angreifende Kräfte und/oder Drücke bestimmt.
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Nähere Angabe zu Widerstandsmessung oder zur Auswertung der Ergebnisse sind der Druckschrift nicht zu entnehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige Lösung zur Erkennung einer mechanischen Krafteinwirkung anzugeben, welche ohne die bekannten Nachteile auskommt und bereits ohne einen sonst üblichen Leerweg kleinste Krafteinwirkungen erkennen und von größeren Krafteinwirkungen unterscheiden kann. Darüber hinaus soll die Lösung möglichst störfest und robust sein, möglichst keine Wechselwirkungen mit anderen Sensorprinzipien aufweisen und flexibel an die verschiedenen Bauarten von Ladeklappen anpassbar und auch in deren Antriebsmechanismus integrierbar sein.
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Die meisten der eingangs beschriebenen Elektrofahrzeuge neuerer Bauart weisen eine Ladeklappe auf, welche das Ladeterminal am Fahrzeug vor Witterungseinflüssen und unbefugtem Zugriff schützt. Eine verbreitete Bauart derartiger Ladeklappen weist mindestens ein Klappenscharnier auf, an welchem die Klappe beweglich aufgehängt und gegen den Antriebsmechanismus geführt ist. Diese Aufhängung kann fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sein oder auch Teil eines komplexeren Antriebsmechanismus sein, dessen äußerstes bewegtes Teil wiederum das oben erwähnte Klappenscharnier darstellt.
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Die wesentliche Erfindungsidee ist, die Krafteinwirkungen auf die Ladeklappe, bzw. das Klappenscharnier auszuwerten und dazu auszunutzen, um sowohl Bedienvorgänge bei stillstehender Ladeklappe, als auch Hindernisse und Einklemmsituationen bei motorisch bewegter Ladeklappe zu erkennen.
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Der genutzte Effekt beruht auf der Widerstandsänderung mindestens eines elektrisch leitfähigen elastomeren Formteils, welches mit einer Kontaktfläche, einer Elektrode oder einem Elektrodensystem in ständiger Berührung steht, und durch gerichtete Verformung mehr oder weniger komprimiert wird, wobei durch die Kompression eine von der ausgeübten Kraft abhängige Kontaktfläche entsteht, deren Übergangswiderstand als Maß für die Krafteinwirkung des Benutzers ausgewertet wird.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
- 1 zeigt das der Erfindung zugrundeliegende Kraft-Widerstands-Diagramm,
- 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
- 3 zeigt die Anordnung aus 2 mit einer ersten zusätzlichen Krafteinwirkung,
- 4 zeigt die Anordnung aus 2 mit einer zweiten zusätzlichen Krafteinwirkung,
- 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer beweglichen Ladeklappe,
- 6 zeigt eine Ausgestaltung mit einer in zwei Richtungen auslenkbaren Buchse,
- 7 zeigt eine Auswerteschaltung für die Anordnung aus 6 für drei Widerstände,
- 8 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Auswerteschaltung aus der 9,
- 9 zeigt eine einfache Auswerteschaltung für das Diagramm aus der 8,
- 10 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Auswerteschaltung aus der 11,
- 11 zeigt eine einfache Auswerteschaltung für das Diagramm aus der 10
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Die 1 zeigt die grundlegende Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung anhand eines Kraft-Widerstands-Diagramms. Es zeigt den Übergangswiderstand einer Kontaktfläche in Abhängigkeit von den auf ein elastomeres Formteil 3 ausgeübten Kräften F1 und F2. Wenn das elastomere Formteil 3 mechanisch vorgespannt ist, bewegt sich der Übergangwiderstand in den Grenzen zwischen R_min und R_max in Abhängigkeit einer auf die Anordnung ausgeübten ersten Kraft F1 oder einer entgegengesetzt wirkenden zweiten Kraft F2. Diese Kräfte, welche meist durch die Hand oder den Finger eines menschlichen Bedieners ausgeübt werden, verformen das hier nicht dargestellte elastomere Formteil und verursachen damit eine auswertbare Widerstandsänderung.
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Die 2 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung in einer vereinfachten Schnittdarstellung mit einem elektrisch leitfähigen elastomeren Formteil 3, auf einer elektrisch leitfähigen Achse 1 (erste Elektrode), die zu einem Klappenscharnier 6 gehört, sowie einem elektrischen Kontakt 2 (zweite Elektrode) mit einer kraftabhängigen Kontaktfläche, welche dazu ausgestaltet ist, eine Krafteinwirkung auf das Klappenscharnier 6 aufzunehmen und mittels einer Widerstandsmessung zwischen der elektrisch leitfähigen Achse 1 und dem elektrischen Kontakt 2 einer elektronischen Auswertung zuzuführen, wobei hier die vorgespannte Ruhestellung ohne äußere Krafteinwirkung dargestellt ist.
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Links im Bild ist eine nicht leitfähige Halterung 4 dargestellt, und rechts im Bild der oben erwähnte elektrische Kontakt 2, der mit dem elastomeren Formteil 3 die oben genannte Kontaktfläche ausbildet.
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Der gestrichelt dargestellte Verlauf der Stromverteilung soll die Strompfadlinien bei der Widerstandsmessung repräsentieren. Das leitfähige elastomere Formteil 3 an der leitfähigen Achse 1 ist durch Spritzguss, Kleben, Clipsen, Klemmen, oder ähnlich befestigt.
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Die Achse 1 ist wiederum kraftschlüssig mit der nicht dargestellten Ladeklappe verbunden, welche für den Benutzer erreichbar ist. Die an der Achse1 befestigte Ladeklappe ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die 3 zeigt die gleiche erfindungsgemäße Anordnung wie 2, jedoch ist hier eine zusätzliche Krafteinwirkung F1 dargestellt, die durch die Hand oder den Finger eines Bedieners oder durch ein Hindernis bei einer Klappenbewegung auf die Ladeklappe aufgebracht wird, und durch eine kraftschlüssige Verbindung von der Ladeklappe zur ihrer Achse 1 deren Verschiebung vom elektrischen Kontakt 2 weg verursacht. Dadurch findet eine Verformung des elastomeren Formteils 3 statt. Die Kontaktfläche zwischen dem elastomeren Formteil 3 und dem elektrischen Kontakt 2 verringert sich durch diese Verformung, so dass ein geringerer Volumenanteil des elastomeren Formteils 3 vom Messstrom der Widerstandsmessung durchflossen als ohne äußere Krafteinwirkung. Dargestellt sind für diesen Bedienfall weniger gestrichelte Strompfadlinien. Auf der anderen Seite, also an der nichtleitfähigen Halterung 4 (links im Bild) findet notwendigerweise eine Kompression mit einer Vergrößerung der Auflagefläche statt, was als mechanische Federwirkung erforderlich ist.
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Der gesamte, von außen messbare Widerstandswert zwischen der leitfähigen Achse 1 und dem elektrischen Kontakt 2 ist nun größer als ohne äußere Krafteinwirkung. Somit ist die äußere Krafteinwirkung beziehungsweise der dadurch verursachte mechanische Weg über eine Widerstandsänderung messbar.
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Die 4 zeigt die gleiche erfindungsgemäße Anordnung wie 2, jedoch ist hier eine zusätzliche Krafteinwirkung F2 dargestellt, welche durch die Hand oder den Finger eines Bedieners oder durch ein Hindernis bei Klappenbewegung auf die Ladeklappe aufgebracht wird und durch eine kraftschlüssige Verbindung der Ladeklappe eine Verschiebung der Achse 1 zum elektrischen Kontakt 2 hin verursacht. Dadurch findet eine Verformung des elastomeren Formteils 3 statt. Die Kontaktfläche zwischen dem elastomeren Formteil 3 und dem elektrischen Kontakt 2 vergrößert sich durch diese Verformung.
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In diesem Zustand wird ein größerer Volumenanteil des elastomeren Formteils 3 vom Messstrom der Widerstandsmessung durchflossen als ohne äußere Krafteinwirkung. Gestrichelt dargestellt sind für diesen Bedienfall viele Strompfadlinien. Auf der anderen Seite, also an der nichtleitfähigen Halterung 4 (links im Bild) findet notwendigerweise eine Dekompression mit einer Verringerung der Auflagefläche statt. Auch das ist zur mechanischen Federwirkung erforderlich.
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Der gesamte, von außen messbare Widerstandswert zwischen der leitfähigen Achse 1 und dem elektrischen Kontakt 2 ist nun kleiner als ohne äußere Krafteinwirkung. Somit ist die äußere Krafteinwirkung beziehungsweise der dadurch verursachte mechanische Weg über eine Widerstandsänderung messbar.
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Die 5 zeigt eine vereinfachte, prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer beweglichen Ladeklappe 5 und einem aus mehreren Teilen bestehenden Klappenscharnier 6, wobei die Achse 1 des Klappenscharniers 6 mit der Ladeklappe 5 kraftschlüssig und beweglich verbunden ist. Um die Klappe zu bewegen, ist eine weitere kraftschlüssige Verbindung mit einem Antriebsmechanismus 7 erforderlich, dieser ist schematisch mit einem Kreis auf der Klappe 5 dargestellt. Die Achse 1 stützt die auf die elektrisch nicht leitfähige Klappe 5 einwirkenden Kräfte ab und bildet somit die mechanische Führung der Ladeklappe 5. Die dadurch auf die Achse 1 einwirkenden Kräfte F verformen die aus leifähigem Elastomer ausgeführten Achsaufhängungen und verändern somit den elektrischen Widerstand, der zwischen den elektrischen Kontakten 2 messbar ist.
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Der feststehende Teil des Klappenscharniers 6 mit dargestellter Widerstandsmessung zeigt die gleiche Anordnung wie in der 2, jedoch aus einer anderen Perspektive.
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Allerdings wird in diesem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel auf die elektrische Kontaktierung der leitfähigen Achse verzichtet. Stattdessen werden hier zwei leitfähige elastomere Formteile 3 auf derselben leitfähigen Achse 1 angeordnet. Dadurch vereinfacht sich der Aufwand für die Kontaktierung, weil hier nur noch feststehende elektrische Kontakte 2 verwendet werden und keine bewegliche Achse.
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Außerdem kann hier die Kraft beider Lagerstellen gleichsinnig aufgenommen werden. So werden eine gleichmäßige Kraftauswertung und ein größeres Nutzsignal möglich.
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Elektrisch entsteht dadurch eine Reihenschaltung von zwei elastomeren Formteilen 3, und der dazwischenliegenden leitfähigen Achse 1, welche vorteilhaft aus Metall oder auch aus einem leitfähigen Kunststoff bestehen kann.
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Die 6 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Lagerbefestigung, wobei das leitfähige elastomere Formteil 3 als Buchse ausgeführt und nicht nur in einer, sondern in zwei Richtungsachsen ausgelenkt werden kann. Hierzu ist eine besonders einfache Ausführung dargestellt, mit der es möglich ist, mit nur drei feststehenden Kontakten 2 in zwei Richtungen Kräfte zu erfassen, die auf die Achse 1 einwirken.
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Gestrichelt dargestellt sind die sich innerhalb der elastomeren Buchse 3 ausbildenden elektrischen Teilwiderstände R12, R23, R13, welche eine komplexe Ersatzschaltung ergeben und mit einer Auswerteschaltung gemäß 7 ausgewertet werden können.
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Ja nach dem, in welcher Richtung die Kräfte auf das Elastomer einwirken, entsteht eine spezifisch gerichtete Veränderung der Widerstandswerte. Wenn beispielsweise eine Kraft von links nach rechts auf die Achse 1 und damit auf das Elastomer einwirkt, dann vergrößert sich spezifisch der Teilwiderstand R13 zwischen den Knoten N1 und N3, während die anderen Teilwiderstände R12 und R23 sich nur geringfügig verändern.
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Die 7 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung, mit der es möglich ist, die in der 6 gezeigten Teilwiderstände R12, R23, R13 auszuwerten.
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Eine entsprechende interne Beschaltung eines Mikrocontrollers µC ermöglicht Widerstandsmessungen in mehreren unterschiedlichen Messmodi. Somit können beispielsweise die Knoten N2 und N3 mit S2b und S3b auf GND-Potenzial gelegt werden, während für den Kontenpunkt N1 eine der nachfolgend beschriebenen Auswertemethoden angewendet werden kann. Die Funktion von S1a entspricht dann der Funktion von S1 in 9. In diesem Fall würde als Teilergebnis eine Parallelschaltung aus R12 und R13 in die Auswertung eingehen. Entsprechend ähnlich kann auch mit den anderen Teilwiderständen verfahren werden.
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Aus den Messergebnissen der verschiedenen Messmodi können nun die spezifischen Widerstandsänderungen der Teilwiderstände und damit die spezifischen Richtungsvektoren der äußeren Krafteinwirkung F bestimmt werden.
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Ein Problem bei der Widerstandsmessung von Kontaktflächen 2 mit einem leitfähigen Elastomen3 besteht in der großen Varianz der Messwerte.
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So ist die herstellungsbedingte Streuung der Leitfähigkeit des elastomeren Materials bereits sehr groß. Dazu kommen die mechanischen Toleranzen der Anordnung und des elastomeren Formteils 3 selbst, wodurch bereits sehr unterschiedliche Grade der Verformung auftreten können.
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Dazu kommen weitgehend undefinierte Temperatureffekte auf die Leitfähigkeit des elastomeren Formteils 3 und auf die temperaturbedingte Verformung der gesamten Anordnung.
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Eine zwar einfache und naheliegende, aber für diesen Anwendungsfall dennoch weitgehend ungeeignete Auswertemethode besteht in der elektrischen Kombination mit Festwiderständen in einem resistiven Spannungsteiler. Der optimale Arbeitspunkt mit maximaler Spannungsänderung einer solchen Anordnung mit Spannungsteiler ist dann gegeben, wenn der Widerstandswert der Elektrodenanordnung, welche durch die Berührung mit dem leitfähigen elastomeren Formteil 3 veränderlich beeinflusst wird, etwa den gleichen Wert aufweist wie der andere Widerstand im Spannungsteiler. Bei einer derartigen Streubreite der Widerstandswerte wie im vorliegenden Fall ist es aber kaum möglich auf diese Weise für alle Kombinationen der Streuung und der Bedienfälle einen geeigneten Arbeitspunkt mit aussagefähigem Messwertverlauf zu finden.
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Nachfolgend sind beispielhaft zwei besonders günstige und vorteilhafte Auswerteverfahren angegeben, welche die genannten Nachteile überwinden.
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Die gezeigten Auswerteverfahren beziehungsweise die korrespondierenden Auswerteschaltungen unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Konfiguration der verwendeten Mikrocontroller µC. So ist es möglich, mit dem verwendeten leitfähigen elastomeren Formteil 3 und nur einem zusätzlichen Kondensator C1 in Verbindung mit einem Mikrocontroller µC ein Auswertesystem anzugeben, welches sehr flexibel benutzt werden kann. Es wäre sogar möglich, beide gezeigten Verfahren umschaltbar oder in Kombination miteinander zu verwenden, falls der verwendete Mikrocontroller das unterstützt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in den nachfolgenden Darstellungen nur repräsentativ die Auswertung eines einzigen veränderlichen Widerstandes Re beschrieben. Die Multiplikation auf mehrere unabhängig auszuwertende Widerstände ist technisch naheliegend. Ebenso können mehrere in Reihen- oder Parallelschaltung verknüpfte leitfähige Elastomere, wie etwa in 5 beschrieben, als ein einziger resultierender Widerstand Re aufgefasst werden,
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Die 8 zeigt ein mögliches, besonders einfaches und effektives Auswerteverfahren für die erfindungsgemäße Widerstandsmessung, welche beispielhaft mit einer Messschaltung gemäß der 9 durchgeführt werden kann. Diese Messschaltung verwendet einen ADC (Analog-Digital-Wandler) zur Messung eines Spannungshubes zu einem bestimmten (Mess-) Zeitpunkt T2 beziehungsweise T3.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der optimale Arbeitspunkt sehr einfach eingestellt werden kann und auch mit niedrigen Taktfrequenzen Messungen mit gleichbleibender Auflösung durchgeführt werden können.
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Zum Zeitpunkt T0 wird über den Schalter S1 der Kondensator C1 auf die Spannung Uc aufgeladen und der durch das Elektrodensystem verkörperte Ersatzwiderstand Re mit einem entsprechenden Messstrom beaufschlagt. Der möglicherweise stromintensive Zeitabschnitt zwischen T0 und T1 kann sehr kurz gehalten werden, in der Größenordnung weniger Mikrosekunden, bedingt durch die kurze Zeitkonstante des C1 mit dem vergleichsweise niederohmigen Einschaltwiderstand des Schalters S1.
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Zum Zeitpunkt T1 wird der Schalter S1 wieder geöffnet und der Kondensator C1 entlädt sich über den optionalen Schutzwiderstand R1 und über den Widerstand Re gegen das Massepotenzial. Der Schutzwiderstand R1 ist für die Messfunktion nicht erforderlich und sollte wesentlich kleiner als Re dimensioniert sein, so dass dieser für die Betrachtung der Zeitkonstanten Re * C1 vernachlässigt werden kann. Der Schutzwiderstand R1 dient zusammen mit C1 als Tiefpass für auf der Leitung zum Widerstand Re eingekoppelte Hochfrequenzstörungen. In den folgenden Betrachtungen wird dieser Schutzwiderstand R1 als vernachlässigbar angenommen.
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Die Zeitpunkte T2 und T3 stellen repräsentativ verschiedene mögliche Zeitpunkte einer Messung dar, die bedingt durch große Streuungen des Widerstandswertes von Re stark unterschiedlich sein können. Ziel ist es, diesem Umstand Rechnung zu tragen, und ein einfaches und vorteilhaftes Messverfahren anzugeben, welches diese unvermeidlichen Streuungen berücksichtigt.
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Zum Zeitpunkt T1 wird also der Schalter S1 geöffnet und der Kondensator C1 entlädt sich gemäß der Zeitkonstante τ = Re * C1. Der Mikrocontroller steuert den Zeitpunkt der ADC-Messung so, dass zum Zeitpunkt T2 beziehungsweise T3 ein analoger Augenblickswert der Spannung am Kondensator C1 gemessen wird. Diese Spannung stellt dann ein Maß für den momentanen Widerstand des elastomeren Formteils 3 dar. Wenn der Widerstandswert Re sich nun um einen bestimmten prozentualen Faktor ändert, dann ändert sich die gemessene analoge Spannung von U1 auf U1a.
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U1a kann von U1 aus in positiver Richtung oder in negativer Richtung liegen, ja nach dem in welcher Richtung die Widerstandsänderung von Re stattfindet. Eine positive Widerstandsänderung von Re hat einen positiven Spannungshub von U1 nach U1a zur Folge, eine negative Widerstands-änderung von Re hat einen negativen Spannungshub von U1 nach U1a zur Folge. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beschränkt sich diese Darstellung auf eine Widerstandsänderung in positiver Richtung und damit auf einen Spannungshub von U1 auf U1a in positiver Richtung.
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Der Zeitpunkt mit maximalem Spannungshub auf Widerstandsänderungen von Re liegt in der Nähe der Zeitkonstanten τ = Re * C1, gekennzeichnet durch das Spannungsniveau U1 = Uc * 0,37. Die dargestellten Zeitpunkte T2 und T3 stehen beispielhaft für zwei verschiedene Zeitpunkte, bei denen die Empfindlichkeit auf Widerstandsänderungen von Re maximal ist und bei denen die gemessene Spannung U1 in der Nähe von Uc * 0,37 liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Arbeitspunkt mit Hilfe eines Mikrocontrollers µC in weiten Grenzen für nahezu jeden vorkommenden Wert von Re durch geeignete Wahl des Zeitpunktes der Messung eingestellt werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass sich für eine bestimmte prozentuale Widerstandsänderung von Re immer der gleiche Spannungshub U1a - U1 ergibt, unabhängig von dem absoluten Wert von Re, sofern der Zeitpunkt der Messung so angepasst wird, dass die gemessene Spannung U1 in der Nähe von Uc * 0,37 liegt.
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Die 9 zeigt eine besonders einfache und effektive Auswerteschaltung für das Auswerteverfahren gemäß der 8. Die Messschaltung verwendet einen ADC zur Messung eines Spannungshubes zu einem bestimmten Zeitpunkt T2 bzw. T3.
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Die 10 zeigt ein besonders einfaches und vorteilhaftes Auswerteverfahren für die erfindungsgemäße Widerstandsmessung, welche beispielhaft mit einer Messschaltung gemäß 11 durchgeführt werden kann. Diese Messschaltung verwendet einen Spannungskomparator zur Erfassung einer Messzeit T2 - T1 und einer Zeitdifferenz T2a - T2 beziehungsweise einer Messzeit T3 - T1 und einer Zeitdifferenz T3a - T3 bei einer bestimmten Komparatorschwelle U1.
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Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass üblicherweise auch kostengünstige Mikrocontroller über einen Komparator mit einstellbarer Komparatorschwelle sowie über mehrere Zähler für Zeitmessungen mit hoher Auflösung verfügen.
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Zum Zeitpunkt T0 wird über den Schalter S1 der Kondensator C1 auf die Spannung Uc aufgeladen und der durch das Elektrodensystem verkörperte Ersatzwiderstand Re mit einem entsprechenden Messstrom beaufschlagt. Der möglicherweise stromintensive Zeitabschnitt zwischen T0 und T1 kann sehr kurz gehalten werden, in der Größenordnung weniger Mikrosekunden, bedingt durch die kurze Zeitkonstante des C1 mit dem vergleichsweise niederohmigen Einschaltwiderstand des Schalters S1.
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Zum Zeitpunkt T1 wird der Schalter S1 wieder geöffnet und der Kondensator C1 entlädt sich über den optionalen Schutzwiderstand R1 und über den Re gegen das Massepotenzial. Der Schutzwiderstand R1 ist für die Messfunktion nicht erforderlich und sollte wesentlich kleiner als der Re dimensioniert sein, so dass dieser für die Betrachtung der Zeitkonstanten τ = Re * C1 vernachlässigt werden kann.
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Der Schutzwiderstand R1 dient zusammen mit C1 als Tiefpass für auf der Leitung zum Re eingekoppelte Hochfrequenzstörungen. In den folgenden Betrachtungen wird dieser Schutzwiderstand R1 als vernachlässigbar angenommen.
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Die Zeitpunkte T2 und T3 stellen repräsentativ verschiedene mögliche Zeitpunkte einer Messung dar, die bedingt durch große Streuungen des Widerstandswertes von Re stark unterschiedlich sein können. Ziel ist es, diesem Umstand Rechnung zu tragen, und ein einfaches und vorteilhaftes Messverfahren anzugeben, welches diese unvermeidlichen Streuungen berücksichtigt.
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Zum Zeitpunkt T1 wird also der Schalter S1 geöffnet und der Kondensator C1 entlädt sich gemäß der Zeitkonstante τ = Re * C1. Der Mikrocontroller stellt die Schwelle U1 des Komparators Comp für die Ermittlung der Messzeit ein. Die sich daraus ergebende Messzeit T2 - T1 beziehungsweise T3 - T1 stellt ein Maß für den Widerstandswert von Re dar. Der Zeitunterschied T2a - T2 beziehungsweise T3a - T3 ist der sich ergebende Zeitunterschied aufgrund von auszuwertenden Widerstandsänderungen von Re. T2a kann von T2 aus in positiver Richtung oder in negativer Zeitrichtung liegen, ja nach dem in welcher Richtung die Widerstandsänderung von Re stattfindet. Eine positive Widerstandsänderung von Re hat eine positive Zeitänderung zur Folge, eine negative Widerstandsänderung von Re hat einen negative Zeitänderung Folge. Gleiches gilt entsprechend für die Zeitpunkte T3a und T3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beschränkt sich diese Darstellung auf eine Widerstandsänderung in positiver Richtung und damit auf eine Zeitänderung T2 auf T2a beziehungsweise von T3 auf T3a in positiver Richtung.
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Die Messzeiten T2 - T1 beziehungsweise T3 - T1 sind größer, je niedriger die Schwelle U1 des Komparators eingestellt wird, und die gemessenen Zeitdifferenzen T2a - T2 beziehungsweise T3a - T3 sind ebenfalls größer, je niedriger die Schwelle des Komparators eingestellt ist, so dass für besonders empfindliche Messungen bevorzugt niedrige Werte für U1 eingestellt werden können. Allerdings erhöht sich dadurch die Messzeit und damit die Stromaufnahme. Außerdem wird die praktische Nutzbarkeit dieses Prinzips durch das Rauschen des Komparators begrenzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe eines Mikrocontrollers µC kann jedoch leicht eine geeignete Schwellenspannung U1 und damit eine sich daraus ergebende Messzeit T2 beziehungsweise T3 in weiten Grenzen für nahezu jeden vorkommenden Wert von Re eingestellt werden.
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Zusätzlich gibt es eine in 10 dargestellte Abhängigkeit des Nutzsignales, also der Zeitdifferenzen T2a - T2 beziehungsweise T3a - T3 von der Messzeit T2 - T1 beziehungsweise T3 - T1. Angenommen sind dafür zwei unterschiedliche Widerstandswerte für Re und in beiden Fällen die gleiche prozentuale Widerstandsänderung. Die Zeitdifferenz ist linear abhängig von der absoluten Messzeit. Eine besonders vorteilhafte Anwendung dieses Verfahrens besteht infolge dessen in der ratiometrischen Berechnung des Nutzsignals N = (T2a - T2) / (T2 - T1) beziehungsweise aus N = (T3a - T3) / (T3 - T1). Dadurch erhält man eine gleichbleibende Empfindlichkeit auf prozentuale Widerstandsänderungen von Re. Es hat sich gezeigt, dass das Nutzsignal nur von der Messzeit abhängig ist. Somit kann die gewünschte Messzeit und damit auch das Nutzsignal sowohl hardwareseitig durch den Kondensator C1 als auch softwareseitig durch die Komparatorschwelle U1 beeinflusst werden. Dies bedeutet auch, dass alternativ zur ratiometrischen Berechnung einfach die Kapazität von C1 oder die Komparatorschwelle so angepasst werden kann, dass sich eine bestimmte Messzeit ergibt und so den gleichen Vorteil einer gleichbleibenden Empfindlichkeit auf prozentuale Widerstandsänderungen von Re erhält.
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Die 11 zeigt eine weitere Auswerteschaltung für das Auswerteverfahren gemäß der 10. Die Messschaltung verwendet einen Spannungskomparator Comp zur Erfassung einer Messzeit T2 - T1 und einer Zeitdifferenz T2a - T2, beziehungsweise einer Messzeit T3 - T1 und einer Zeitdifferenz T3a - T3 bei einer bestimmten Schwelle U1 des Komparators Comp.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achse des Scharniers der Ladeklappe, (als erste Elektrode)
- 2
- Kontaktteil für das elastomere Formteil 3 (als Elektrodenanordnung)
- 3
- Leitfähiges elastomeres Formteil, auch als Buchse oder Achsaufhängung
- 4
- Elektrisch nicht leitfähige Halterung für das elastomere Formteil 3
- 5
- Ladeklappe
- 6
- Klappenscharnier (Scharnier der Ladeklappe 5)
- 7
- Antriebsmechanismus für die Ladeklappe
- ADC
- Analog/Digital-Wandler
- C1
- Erster Messkondensator
- C2
- Zweiter Messkondensator
- C3
- Dritter Messkondensator
- Comp
- Komparator (auch in einem Mikrocontroller µC, oder Ähnliches)
- F1
- Erste von einem Bediener ausgeübte Kraft F
- F2
- Zweite von einem Bediener ausgeübte Kraft F
- GND
- Massepotenzial (Ground)
- Logic
- Logikeinheit (in einem Mikrocontroller o.Ä.)
- N1
- Erster elektrischer Kontenpunkt (Knoten)
- N2
- Zweiter elektrischer Knoten (Knoten)
- N3
- Dritter elektrischer Knoten (Knoten)
- R1
- Optionaler Schutzwiderstand für die Auswerteschaltung
- RC
- Entladeschaltung, enthält Re und C1
- Re
- Elektrischer Bahnwiderstand der Messanordnung (Messschaltung 8)
- R_min
- Minimaler Übergangswiderstand am elastomeren Formteil 3
- R_max
- Maximaler Übergangswiderstand am elastomeren Formteil 3
- R12
- Erster Teilwiderstand aus der 6 und 7
- R13
- Zweiter Teilwiderstand aus der 6 und 7
- R23
- Dritter Teilwiderstand aus der 6 und 7
- S1
- Schalter (auch S1a, S1b, S2a, S2b, S3a, S3b aus der 7)
- t
- Zeit
- τ
- Zeitkonstante der Entladeschaltung RC
- Tn
- Messzeitpunkt (n = 0, 1, 2, 3, 4, 5 und andere)
- U1
- Schwelle (Schwellenspannung) des Komparators Comp
- UC
- Ladespannung
- VCC
- Versorgungsspannung
