DE102022119249A1 - Sensorsystem und Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem (1), umfassend einen Kraftsensor (15), ein Federelement, eine Steuerschaltung (3) und ein durch die Steuerschaltung (3) steuer- und/oder regelbares elektrisches Gerät, wobei ein Signaleingang (13) der Steuerschaltung (3) mit einem Sensorsignalausgang (413) des Kraftsensors (15) zum Empfangen eines Sensorsignals gekoppelt ist; ein Signalausgang (10) der Steuerschaltung (3) mit einem Steuereingang des elektrischen Geräts gekoppelt ist; der Kraftsensor (15) an dem Federelement angeordnet und befestigt ist, so dass eine mechanische Verformung des Federelementes eine Krafteinwirkung auf den Kraftsensor (15) bewirkt. Dabei ist die Steuerschaltung (3) dazu eingerichtet, das steuerbare elektrische Gerät auf Basis des Sensorsignals zu steuern und/oder zu regeln.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems (1). Das Verfahren umfassend: Detektieren einer Sensorsignalspannung (Us) durch die Steuerschaltung (3); Vergleichen der Sensorsignalspannung (Us) mit einem ersten Spannungsschwellwert (U1); Erkennen einer Stellposition des Stellgliedes durch die Steuerschaltung (3), wenn die Sensorsignalspannung (Us) größer oder gleich dem ersten Spannungsschwellwert (U1) ist.

Description

• GEBIET
• Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit einem Kraftsensor, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems.
• HINTERGRUND
• Sensorsysteme mit einem oder mehreren Kraftsensoren kommen unter anderem im Automobilbereich zum Einsatz. Mit Hilfe von Kraftsensoren kann eine auf ein Bauteil eines komplexen Erzeugnisses wirkende Gewichtskraft gemessen werden. Beispielsweise werden Kraftsensoren zum Bestimmen der Beladung eines Kraftfahrzeuges oder als Schalter verwendet. Wird der Kraftsensor als Schalter verwendet, kann die detektierte Kraft oder Kraftänderung mittels einer Steuerelektronik ausgewertet und somit eine Änderung der Schalterstellung erkannt werden.
• Der Kraftsensor kann beispielsweise als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein. Dehnungsmessstreifen ändern bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand. Sie können beispielsweise als Folien-, Halbleiter- oder als Mehrfachdehnungsmessstreifen ausgebildet sein. Die Ausführungsformen können dabei jeweils variieren. So können die Dehnungsmessstreifen beispielsweise als Querrichtungsdehnungsmessstreifen, als Vollbrückendehnungsmessstreifen oder als Rosettendehnungsmessstreifen ausgebildet sein.
• Kraftsensoren gibt es beispielsweise auch als MEMS(mikroelektromechanisches System)-Bausteine oder als Klebefolien, basierend auf dem Piezoeffekt. Kraftsensoren dieser Art funktionieren in gleicher Weise für die hier beschriebene Erfindung, werden jedoch zur Vereinfachung nicht detaillierter betrachtet.
• In verschiedenen Anwendungen, wie im Automobilbereich, werden Stellaktuatoren in Abhängigkeit eines Sensorsignals betrieben. So kann das Starten oder Beenden eines Stellvorgangs in Abhängigkeit eines Schaltzustandes oder Sensorsignalwertes eines Sensorsignals erfolgen. Als Stellaktuatoren werden beispielsweise elektromotorisch betriebene Stellantriebe verwendet. Diese können direkt oder über ein Getriebe mit unterschiedlichsten Stellgliedern gekoppelt sein. In Automobilanwendungen kann dies beispielsweise ein Sitzposition, eine Klappe eines Klimakreislaufs, eine Tank- oder Ladeklappe, ein Außenspiegel, eine Fahrzeugtür oder Heckklappe, oder ein anderes Stellglied sein.
• Vielfach muss dabei das Erreichen einer Endposition, eine auf ein Bauteil einwirkende Kraft oder eine Verformung detektiert werden. Dabei soll die verwendete Sensorik möglichst wenig Bauraum erfordern und ein möglichst präzises Sensorsignal bereitstellen, das nur gering durch Umgebungsparameter beeinflusst wird. Insbesondere bei Automobilanwendungen sind auch ästhetische Vorgaben zu berücksichtigen. So werden vielfach glatte Oberflächen angestrebt, deren Erscheinungsform nicht durch Schaltelemente oder sichtbare Sensoren verändert werden soll. Ferner sind hohe Anforderungen an die mittlere Lebenszeit solcher Sensoren zu stellen.
• So ergibt sich vielfach das Problem, ein präzises Sensorsignal über einen weiten Temperaturbereich zu erhalten. Ferner muss oft mit einer Lebenszeit von mehreren Jahren, beispielsweise von zehn oder mehr Jahren geplant werden, wobei die Genauigkeit des Sensorsignals über die gesamte Lebenszeit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen muss.
• ÜBERBLICK
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Sensorsystem mit einem Kraftsensor anzugeben, das eine kompakte Bauform aufweist und ein vergleichsweise präzises Sensorsignal auch über eine relativ lange Lebenszeit bereitstellt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Es wird ein Sensorsystem angegeben, umfassend einen Kraftsensor, ein Federelement, eine Steuerschaltung und ein durch die Steuerschaltung steuer- und/oder regelbares elektrisches Gerät, wobei ein Signaleingang der Steuerschaltung mit einem Sensorsignalausgang des Kraftsensors zum Empfangen eines Sensorsignals und ein Signalausgang der Steuerschaltung mit einem Steuereingang des Geräts gekoppelt ist. Ferner ist der Kraftsensor an dem Federelement angeordnet und befestigt, so dass eine mechanische Verformung des Federelementes eine Krafteinwirkung auf den Kraftsensor bewirkt. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, das steuerbare Gerät auf Basis des Sensorsignals zu steuern und/oder zu regeln. Somit kann ein Sensorsystem bereitgestellt werden, das in Abhängigkeit einer detektierten Kraft einen Steuer- oder Regelbefehl an das elektrische Gerät ausgibt
• Vorzugsweise umfasst das Federelement wenigstens eine Blattfeder. Der Kraftsensor kann dann auf der Blattfeder befestigt werden, beispielsweise indem der Kraftsensor auf der Blattfeder aufgeklebt wird. Insbesondere kann die Blattfeder, derart ausgebildet und angeordnet sein, dass eine auf das Federelement wirkende Kraft eine mechanische Verformung, beispielsweise eine Durchbiegung, nur in eine Richtung bewirkt. Beispielsweise kann ein erster Bereich der Blattfeder mit der Sensoranordnung verbunden und ein zweiter Bereich frei beweglich angeordnet sein. Besonders bevorzugt wird ein Federelement nach dem Prinzip eines Biegebalkens verwendet. Eine Kraftübertragung kann dann vorteilhafterweise an dem frei beweglichen Bereich, insbesondere nur in eine Raumrichtung. erfolgen. Bei einer Ausgestaltung als Blattfeder kann die maximale Durchbiegung beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0.2 mm bis 2 mm liegen. Der Begriff Blattfeder soll im Rahmen dieser Anmeldung weit gefasst verstanden sein und jegliche elastisch verformbare Metallstreifen, Federbleche und dergleichen umfassen.
• In manchen Ausgestaltungen umfasst der Kraftsensor wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS-Sensor), oder wenigstens einen Piezosensor, oder wenigstens einen MEMS-Sensor. Der oder die Dehnungsmessstreifen können in manchen Ausgestaltungen jeweils wenigstens eine Widerstand-Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen umfassen. In manchen Ausgestaltungen kann die Kraftsensoranordnung auch eine Kombination aus unterschiedlichen Dehnungsmessstreifen umfassen.
• Der Kraftsensor kann ferner einen Operationsverstärker umfassen. In Kombination mit einem als DMS-Sensor ausgebildeten Kraftsensor mit einer Brückenschaltung kann es in solchen Ausgestaltungen vorteilhaft sein, dass ein erster Eingang des Operationsverstärkers mit einem ersten Brückenzweig verbunden ist und ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers mit einem zweiten Brückenzweig verbunden ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers oder eine mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbundene Logikschaltung kann den Sensorsignalausgang bereitstellen.
• In manchen Weiterbildungen ist der erste Brückenzweig oder der zweite Brückenzweig über einen elektrischen Widerstand mit einem Digital-Analog-Wandler oder einer Pulsweitenmodulation elektrisch verbunden. Der Widerstand kann einen oder mehrere Ohm'sche Widerstände umfassen und beispielsweise einen Ohm'schen Widerstandswert im Bereich von 1 kΩ, bis 100 kΩ, aufweisen. Der Widerstand ist bevorzugt so ausgelegt, dass er hochohmiger als die einzelnen Brückenwiderstände ist, insbesondere hochohmiger als der Brückenwiderstand der Brückenschaltung. Durch eine Kombination von mehreren Widerständen in einer Serien- und/oder Parallelschaltung können Toleranzen ausgeglichen oder Werte optimal auf die Messaufgabe angepasst werden. Alternativ kann auch ein spezieller Digital-Analog-Wandler mit einem Stromausgang benutzt werden. Dieser kann alternativ auch ohne den Widerstand mit der Brückenschaltung verbunden werden. Derartige Lösungen sind technisch gleichwertig und werden zur Vereinfachung hier nicht weiter aufgeführt.
• Der DMS-Sensor kann getaktet betrieben werden um die Verlustleistung zu reduzieren. Beispielsweise kann die Detektion einer Kraft intervallweise erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kraftmessung oder eine Folge von Kraftmessungen durch ein Aufwecksignal getriggert werden.
• Der DMS-Sensor kann so ausgebildet sein, dass der Signalhub für die zu erwartenden Kräfte im Bereich von 0,2 mV/V bis 10 mV/V, insbesondere im Bereich von 1 mV/V bis 6 mV/V liegt. Die differentielle Ausgangsspannung des DMS-Sensors kann beispielsweise im Bereich von 1 µV bis 500 µV, insbesondere im Bereich von 5 µV bis 100 µV liegen. Beispielsweise kann ein DMS-Sensor mit einer Auflösung von 10 bis 12 Bit oder mehr digital gewandelt werden. Mit einer Anordnung des DMS-Sensors auf einer Blattfeder oder einem anderen elastisch biegbarem Biegebalken und einer maximalen Durchbiegung der Blattfeder im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm kann, auf die Bitwertigkeit LSB bezogen, beispielsweise eine Auflösung kleiner als 10^-3 mm/LSB vorgesehen sein.
• Das steuerbare elektrische Gerät kann einen Stellantrieb mit einem Elektromotor umfassen. Der Elektromotor kann dann in Abhängigkeit der durch den Kraftsensor detektierten Kraft angesteuert und/oder geregelt werden. Beispielsweise ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Elektromotor oder ein Gleichstrommotor.
• In anderen Ausgestaltungen kann das steuerbare Gerät eine Luftspule, einen Piezoaktuator, einen Hubmagneten oder einen anderen Aktuator umfassen.
• Umfasst das steuerbare Gerät einen Elektromotor, kann ein Abtrieb des Elektromotors mechanisch mit einem Stellglied gekoppelt sein und eine Stellposition des Stellgliedes durch den Stellantrieb veränderbar sein. Der Stellantrieb kann ferner ein Getriebe, insbesondere ein Untersetzungsgetriebe, umfassen. Beispielsweise kann eine Untersetzung im Bereich von 100:1 bis 1000:1 mittels einer oder mehrerer Getriebestufen realisiert sein. Somit kann ein entsprechend großes Drehmoment auf das Stellglied übertragen werden.
• Das Stellglied kann insbesondere eine Klappe sein. Von dem Stellantrieb kann an der Klappe ein Drehmoment bereitgestellt werden, das beispielsweise im Bereich von 0.1 Nm bis 10 Nm, insbesondere im Bereich von 0.2 Nm bis 4 Nm liegt.
• In manchen Weiterbildungen kann der Stellantrieb dazu eingerichtet und ausgebildet sein, die Klappe von einer Offen-Stellung in eine Schließstellung und umgekehrt zu verstellen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Klappe in der Schließstellung eine Kraft auf den Kraftsensor ausübt. Beispielsweise kann die Klappe einen in die Schließrichtung zeigenden Vorsprung aufweisen, der bei geschlossener Klappe eine Kraft auf den Kraftsensor ausübt.
• Ferner kann es vorgesehen sein, dass ausgehend von der Schließstellung eine weitere Bewegung der Klappe in die Schließrichtung möglich ist. Somit kann eine auf die Klappe einwirkende externe Kraft eine Erhöhung der auf den Kraftsensor übertragenen Kraft bewirken. Entsprechend ist der Kraftsensor vorzugsweise dazu ausgebildet, bei geschlossener Klappe eine externe Krafteinwirkung auf die Klappe oder auf ein die Klappe tragendes Bauteil zu detektieren. Somit kann ein Drucksensor realisiert werden, der beispielsweise einen durch einen Benutzer ausgeübten Druck auf die Klappe detektieren kann.
• Insbesondere kann die Steuerschaltung des Sensorsystems dazu eingerichtet sein, den Elektromotor zum Öffnen der Klappe anzusteuern, wenn eine externe Krafteinwirkung auf die Klappe oder auf ein die Klappe tragendes externes Bauteil detektiert wird. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Kraftsensor als Schalter verwendet wird. Zum Ändern eines Schaltzustandes des Schalters kann ein Benutzer auf die Klappe oder auf ein den Rahmen der Klappe tragendes Bauteil drücken. Der auf die geschlossene Klappe, oder auf eine Umgebung der Klappe, ausgeübte Druck kann dann zu einer Bewegung der Klappe führen und dadurch die Krafteinwirkung auf den Kraftsensor erhöhen.
• Eine Bewegung der Klappe in die Schließrichtung kann beispielsweise insofern erfolgen, dass dabei eine Dichtung komprimiert wird und somit ein Verstellen der Klappenposition über die Schließposition hinaus möglich ist. Beispielsweise kann im Falle einer Klappe, welche an einer Seite drehwebeglich gelagert ist, ein Verstellen der Klappe über die Schließposition hinaus, entsprechend einer Änderung des Drehwinkel im Bereich von 0.1° bis 5° relativ zur Schließposition, möglich sein. Unabhängig von der Ausgestaltung der Klappe kann es vorgesehen, dass die Klappe, oder ein auf den Kraftsensor einwirkender Bereich der Klappe, durch die äußere Kraft um 2 mm bis 2 cm über die Schließposition hinaus verstellt wird. Durch die Bewegung der Klappe kann dann der zuvor erwähnte Vorsprung oder ein anderes Bauteil der Klappe gegen den Kraftsensor gedrückt werden. Dadurch kann ein entsprechendes Sensorsignal generiert und durch die Steuerschaltung detektiert werden. Schließlich kann aus der Veränderung des Sensorsignals eine Veränderung des Schaltzustandes abgeleitet werden.
• In manchen Ausgestaltungen umfasst die Steuerschaltung einen Mikrocontroller (µC) oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Steuerschaltung kann insbesondere auch wenigstens einen Motortreiber, beispielsweise mit einer H-Brücke, einer B6-Brücke, oder einen Motortreiber mit einer beliebigen Anzahl an Brückenzweigen umfassen. Ferner kann die Steuerschaltung dazu eingerichtet sein, den Elektromotor mittels einer Pulsweitenmodulation anzusteuern und/oder zu regeln. In manchen Weiterbildungen können auch mehrere Motortreiber vorgesehen sein. Beispielsweise kann zum einen ein Elektromotor als Stellantrieb zum Verstellen der Klappe und zum anderen ein zweiter Elektromotor zum Verstellen einer Verriegelungsvorrichtung durch die Steuerschaltung ansteuerbar sein.
• Die Steuerschaltung kann ferner einen Signaleingang zum Empfangen des Sensorsignals umfassen. Beispielsweise kann der Signaleingang ein IO-Eingang des Mikrocontrollers der Steuerschaltung, oder ein Eingang eines Digital-Analog-Wandlers der Steuerschaltung sein. Dabei kann der Kraftsensor über eine Leiterplatte und/oder über eine Kabelverbindung zum Bereitstellen des Sensorsignals mit der Steuerschaltung gekoppelt sein. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Kraftsensor über die Steuerschaltung mit Energie versorgt wird. Der Kraftsensor kann dazu mit einem durch die Steuerschaltung bereitgestellten Masseanschluss und einer Versorgungsspannung verbunden sein. In manchen Ausgestaltungen kann es auch vorgesehen sein, dass der Kraftsensor zur Übertragung des Sensorsignals an die Steuerschaltung kabellos mit dieser gekoppelt ist. In solchen Ausgestaltungen kann eine separate Energieversorgung des Kraftsensors vorgesehen sein.
• Die Klappe kann ferner eine Verriegelungsfunktion umfassen, wobei die Verriegelung die Klappe so arretiert, dass eine Kraft auf den Kraftsensor ausgeübt wird. Somit kann die Klappe in ihrer Schließposition auch bei ausgeschaltetem Elektromotor gehalten werden und der Schließzustand mittels des Kraftsensors überwacht werden.
• Beispielsweise kann während des Schließvorgangs ein Vorsprung der Klappe mit einem am Rahmen der Klappe angeordneten Gegenstück zusammenwirken, so dass die Klappe arretiert wird. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Vorsprung beweglich ausgebildet ist und beispielsweise mittels des Stellantriebes bewegt wird, so dass beim Schließen der Klappe die Verriegelung aktiviert wird und beim Öffnen der Klappe die Verriegelung entriegelt wird. Der Vorsprung kann ein ausfahrbarer und/oder schwenkbarer Vorsprung sein und zum Verriegeln mit einem entsprechenden Vorsprung am Rahmen der Klappe zusammenwirken. Der Vorsprung zum Verriegeln der Klappe und der Vorsprung, welcher bei geschlossener Klappe eine Kraft auf den Kraftsensor ausübt, können derselbe Vorsprung sein.
• Alternativ oder zusätzlich kann ein Stellantrieb mit einem selbsthemmenden Getriebe verwendet werden, wobei in der Schließstellung die Kraft auf den Kraftsensor aufgrund der Selbsthemmung des Stellantriebes aufrechterhalten wird, auch wenn der Elektromotor des Stellantriebes nicht angetrieben wird.
• Zusätzlich oder alternativ kann es ferner vorgesehen sein, dass die Klappe ein elastisches Element umfasst, beispielsweise ein elastisches Gummielement oder ein Federelement, wobei das elastische Element bei geschlossener Klappe eine Kraft in Schließrichtung auf die Klappe bewirkt. Die Klappe kann ferner eine Hebelmechanik, beispielsweise einen Kniehebel umfassen und das elastische Element an dem Kniehebel angeordnet sein. Beispielsweise kann das elastische Element bei geöffneter Klappe entspannt sein und/oder während der Stellbewegung in die Schließ-Stellung gespannt werden. Während des Schließvorgangs kann somit eine Spannung des elastischen Elements erfolgen. Beispielsweise kann sich in einer Ausgestaltung die Federkraft entlang des Stellweges von der Offen-Stellung in die Schließposition kontinuierlich erhöhen.
• Alternativ kann der Stellweg wenigstens zwei Bereiche umfassen, wobei ein erster Bereich B₁ von der Offen-Stellung bis zu einer ersten Position P1, und ein zweiter Bereich B₂ von der Position P₁ bis zu der Schließstellung reicht. In solchen Ausgestaltungen kann das elastische Element so angeordnet und ausgestaltet sein, dass nur im zweiten Bereich B₂ eine Kraft auf die Klappe in die Schließrichtung bewirkt wird. Im ersten Bereich des Stellweges kann die Federkraft also vorteilhafter Weise entfallen, beispielsweise indem das elastische Element vollständig entspannt ist oder indem die Federkraft mechanisch von der Mechanik der Klappe entkoppelt wird.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die auf die Klappe wirkende Kraft des elastischen Elements bei einer Bewegung in die Schließrichtung entlang des zweiten Bereichs B₂ kontinuierlich erhöht.
• Ferner kann es vorgesehen sein, dass das Maximum der Spannung des elastischen Elements an einer Position P₂, vor der Schließposition der Klappe liegt. In solchen Ausgestaltungen kann das elastische Element beim vollständigen Schließen der Klappe teilweise entspannt werden. Die mechanische Kraftübertragung von dem elastischen Element auf die Klappe, beispielsweise mittels des erwähnten Kniehebels, kann dabei so ausgestaltet sein, dass auch in dieser Variante, beim Verstellen in die Schließrichtung, eine kontinuierliche Erhöhung der auf die Klappe wirkenden Kraft in die Schließrichtung erfolgt.
• Zum Öffnen muss nun die durch das elastische Element wirkende Rückstellkraft/Federkraft durch den Stellantrieb überwunden werden. Entsprechend den obigen Ausführungen kann es dabei vorgesehen sein, dass ausgehend von der Schließ-Stellung in dem zweiten Bereich des Stellweges eine konstante oder kontinuierlich abnehmende, auf die Klappe wirkende Rückstellkraft überwunden werden muss. Bei dem Übergang von dem zweiten Bereich B₂ zu dem ersten Bereich B₁ des Stellweges kann die Federkraft des elastischen Elements entfallen. In manchen Ausgestaltungen kann es vorgesehen sein, dass die Federkraft und/oder die auf die Klappe wirkende Kraft während der Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung über den gesamten Stellweg hinweg kontinuierlich abnimmt.
• Ferner kann es in manchen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die Wirkung der Federkraft des elastischen Elements auf die Klappe an ihrem Scheitelpunkt an der Position P₂ umgekehrt wird, dass sie also beim Öffnen der Klappe, ausgehend von der Schließposition, innerhalb des zweiten Bereichs des Stellweges bis zur Position P₂ der Stellbewegung entgegen wirkt, und innerhalb des zweiten Bereichs von der Position P₂ bis zum Erreichen der Position P₁ des Stellweges in Richtung der Stellbewegung, also in Richtung der Offen-Stellung, wirkt.
• Die Federkraft des elastischen Elements kann so gewählt werden, dass ein manuelles Öffnen der Klappe durch einen Benutzer möglich ist. Beispielsweise kann das elastische Element eine betragsmäßige Kraft F_el im Bereich 2 N ≤ F_el ≤ 100 N bereitstellen, insbesondere im Bereich von 5 N ≤ F_el ≤ 50 N. Eine über die Gelenkmechanik auf die Klappe in Schließrichtung wirkende Kraft F_s kann betragsmäßig im Bereich von 0.2 N ≤ F_s ≤ 10 N, insbesondere im Bereich 0,5 N ≤ F_s ≤ 5 N, liegen. Zusätzlich kann eine die Klappe eine Haltekraft F_H aufgrund des Rastmoments des Elektromotors und/oder aufgrund mechanischer Widerstände wie einer Getriebereibung oder Selbsthemmung eines Getriebes aufbringen. Somit wirkt die Summe aus der Haltekraft F_H und der durch das elastische Element bewirkten Kraft F_s einer Bewegung der Klappe in Richtung der Offen-Stellung entgegen. Die Haltekraft F_H kann beispielsweise einen Betrag im Bereich 0,3 N ≤ F_H ≤ 10 N, insbesondere im Bereich 0,3 N ≤ F_H ≤ 2 N aufweisen. Die Summe F_sum der zu überwindenden Kräfte kann beispielsweise im Bereich von 0.4 N ≤ F_sum ≤ 10 N, insbesondere im Bereich 0,5 N ≤ F_sum ≤ 5 N liegen. Somit kann ein Benutzer die Klappe auch manuell Öffnen, beispielsweise wenn ein Fehlerzustand vorliegt und/oder der Stellantrieb stromlos ist.
• In manchen Ausgestaltungen des Sensorsystems ist die Klappe als eine Tankklappe oder eine Ladeklappe eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Ebenso kann die Klappe Teil einer industriellen Anwendung sein. Das externe Bauteil kann beispielsweise ein Teil einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges oder eine Klappe eines Industrieroboters sein. Insbesondere kann das externe Bauteil mit einem Rahmen der Klappe verbunden und derart angeordnet sein, so dass eine auf die Klappe wirkende Kraft auf den Rahmen und schließlich auf den Kraftsensor übertragen wird.
• In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines oben beschriebenen Sensorsystems bereit, das Verfahren umfassend:
• - Detektieren einer Sensorsignalspannung des Sensorsignals durch die Steuerschaltung,
• - Vergleichen des Sensorsignalspannung mit einem ersten Spannungsschwellwert,
• - Erkennen einer Stellposition des Stellgliedes durch die Steuerschaltung, wenn die Sensorsignalspannung größer oder gleich dem ersten Spannungsschwellwert ist.
• Das Verfahren kann ferner die folgenden Verfahrensschritte umfassen:
• - Festlegen eines zweiten Spannungsschwellwert,
• - Vergleichen der Sensorsignalspannung mit dem zweiten Spannungsschwellwert,
• - Erkennen der Stellposition des Stellgliedes durch die Steuerschaltung, wenn die Sensorsignalspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsschwellwert liegt.
• Ein durch den ersten und den zweiten Spannungsschwellwert definierter erster Wertebereich kann insbesondere zum Realisieren einer Schalterfunktion, beziehungsweise zum Erkennen einer Position des Stellgliedes, insbesondere zum Erkennen einer Schließ-Position der Klappe, verwendet werden. Wird die Klappe durch den Stellantrieb geschlossen, so wird, beispielsweise beim Erreichen der Schließ-Position, eine Kraft auf den Kraftsensor ausgeübt. Somit wird der Kraftsensor einen Anstieg der auf ihn wirkenden Kraft detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal am Sensorsignalausgang bereitstellen. Dieses Sensorsignal wird der Steuerschaltung über einen Signaleingang bereitgestellt und kann mit dem ersten und gegebenenfalls dem zweiten Spannungsschwellwert verglichen werden. Überschreitet der Sensorsignalwert den ersten Spannungsschwellwert, wird das Erreichen der Endposition, hier der Schließstellung der Klappe, durch die Steuerschaltung detektiert. Dabei kann auch überprüft werden, ob der Sensorsignalwert unterhalb des zweiten Spannungsschwellwertes, also innerhalb des ersten Wertebereichs liegt.
• In manchen Weiterbildungen umfasst das Verfahren ferner die Schritte:
• - Festlegen eines dritten Spannungsschwellwertes,
• - Vergleichen des Sensorsignalwertes mit dem dritten Spannungsschwellwert, sowie
• - Ansteuern des Elektromotors zum Verstellen des Stellgliedes, wenn der Sensorsignalwert größer oder gleich dem dritten Spannungsschwellwert ist.
• Der dritte Spannungsschwellwert kann wiederum zusammen mit einem vierten Spannungsschwellwert einen zweiten Wertebereich definieren. Somit kann die Steuerschaltung das Sensorsignal als validen Steuerbefehl erkennen, wenn der Sensorsignalwert im zweiten Wertebereich liegt.. Das Verfahren umfasst daher in manchen Weiterbildungen die folgenden Schritte:
• - Festlegen des vierten Spannungsschwellwertes, wobei der Betrag des vierten Spannungsschwellwerts größer als der Betrag des dritte Spannungsschwellwert ist.
• - Vergleichen des Sensorsignalwertes mit dem vierten Spannungsschwellwert
• - Ansteuern des Elektromotors zum Verstellen des Stellgliedes, wenn der Sensorsignalwert zwischen dem dritten Spannungsschwellwert und dem vierten Spannungsschwellwert liegt.
• Der durch den dritten Spannungsschwellwert und den vierten Spannungsschwellwert definierte zweite Wertebereich kann beispielsweise zum Realisieren einer Schalterfunktion verwendet werden, insbesondere zum Detektieren einer externen Krafteinwirkung. Beispielsweise kann dann, wenn eine Krafteinwirkung detektiert wird, welche einen Betrag des Sensorsignalwerts größer als der Betrawg des dritten Spannungsschwellwerts, beziehungsweise einen Betrag des Sensorsignalwerts größer als der Betrag des drittes Spannungsschwellwerts und kleiner als der Betrag des vierten Spannungsschwellwerts, bedingt, auf eine Betätigung eines Druckschalter durch einen Benutzer geschlossen werden. Daraufhin kann eine dem Druckschalter zugeordnete Steuerfunktion ausgeführt werden, beispielsweise die Klappe durch Ansteuern des Stellantriebes geöffnet werden.
• Vorzugsweise ist der Betrag des dritten Spannungsschwellwerts größer oder gleich dem Betrag des zweiten Spannungsschwellwerts. Somit kann die Schließstellung der Klappe dann erkannt werden, wenn der Sensorsignalwert innerhalb des ersten Wertebereichs liegt und eine Betätigung des Druckschalters erkannt werden, wenn der Sensorsignalwert innerhalb des zweiten Wertebereichs liegt. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Schaltzustand nur geändert wird, wenn die Krafteinwirkung über eine vorherbestimmte Zeitspanne aufrechterhalten wird. In manchen Ausgestaltungen kann es somit vorteilhaft sein, wenn der Schaltzustand nur dann durch die Steuerschaltung geändert wird, wenn die Sensorsignalspannung Us den dritten Spannungsschwellwert wenigstens um eine Zeitdauer im Bereich von von 50 ms bis 500 ms überschreitet. In manchen Ausgestaltungen ist zum Erkennen der Betätigung des Schalters ferner eine maximal Zeitdauer der äußeren Kraft vorhergesehen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, dass der Schaltzustand nur dann durch die Steuerschaltung geändert wird, wenn die Sensorsignalspannung Us den dritten Spannungsschwellwert maximal um eine Zeitdauer im Bereich von von 200 ms bis 2 s überschreitet.
• Zum Erkennen der Betätigung des Schalters können, neben dem Sensorsignalwert oder dem Absolutwert des Sensorsignals, auch zusätzlich oder alternativ wenigstens eine der folgenden Eigenschaften oder Kenngrößen ausgewertet werden: die Steigung des Sensorsignalwertes, insbesondere die zeitliche Ableitung, ein Mittelwert einer Anzahl an Sensorsignalwerten, ein Kumulant der statistischen Verteilung einer Anzahl gemessener Sensorsignalwerte (beispielsweise deren Varianz), eine Peak-Form, beispielsweise die Breite eines Peaks. Insbesondere kann ein notwendiges Kriterium zum Erkennen der Betätigung des Schalters eine Auswertung des Sensorsignals hinsichtlich wenigstens zweier Größen umfassen. Beispielsweise kann eine erste Größe der Absolutwert der Sensorsignalspannung sein. Eine zweite Größe kann dann beispielsweise die zeitliche Ableitung der Sensorsignalspannung sein.
• Das Verfahren kann somit ferner die Schritte umfassen:
• - Bestimmen einer zeitlichen Änderung der Sensorsignalspannung;
• - Vergleichen der zeitlichen Änderung mit einem Bereich für einen Sollwert der zeitlichen Änderung der Sensorsignalspannung,
• - Ansteuern des Elektromotors zum Verstellen des Stellgliedes, wenn die zeitliche Änderung der Sensorsignalspannung im Bereich für den Sollwert liegt.
• In einem weiteren Aspekt können weitere Parameter zum Bestimmen des Toleranzbereichs und/oder zum Auswerten des Sensorsignals verwendet werden. Insbesondere kann einer der folgenden Parameter verwendet werden: Eine Umgebungstemperatur, die Lebenszeit des Sensorsystems, die Betriebsdauer des Sensorsystems, oder der über die Lebenszeit zurückgelegte Stellweg des Stellantriebes.
• Ferner kann es vorteilhaft sein, eine Kompensation eines Offsets der Sensorsignalspannung zu einem Referenzwert vorzunehmen. Das Verfahren kann diesbezüglich in manchen Weiterbildungen die Schritte umfassen:
• - Festlegen eines Referenzwertes U_ref des Sensorsignals,
• - Detektieren des Sensorsignalwertes, beispielsweise wenn keine Kraft auf den Kraftsensor einwirkt,
• - Bestimmen eines Offsets des Sensorsignalwertes zu dem Referenzwert U_ref,
• - Ansteuern des Digital-Analog-Wandler oder einer Pulsweitenmodulation des Kraftsensors zum Kompensieren des Offsets.
• Alternativ kann die Offset-Kompensation erfolgen, nachdem das Erreichen der Schließposition detektiert wurde.
• Als Referenzwert U_ref zur Offset-Kompensation kommt beispielsweise eine elektrische Spannung von U_ref = 0 V in Betracht, wobei ein Toleranzbereich vorgesehen sein kann. Bevorzugt kann ein DMS-Sensor auch so ausgelegt werden, dass der Referenzwert U_ref größer oder kleiner 0 V liegt, wodurch der Messbereich positiv beeinflusst wird. Die Spannungsmessungen können dabei ratiometrisch, insbesondere unabhängig von der Brückenspannung des DMS-Sensors, erfolgen. Der Pegel der Sensorsignalspannung kann also so eingestellt werden, dass dieser, beispielswiese im kraftfreien Zustand, dem Referenzwert entspricht. Somit erfolgt die Kraftdetektion relativ zu dem Referenzwert U_ref, wodurch die Genauigkeit des Kraftsensors erhöht werden kann. Insbesondere kann dadurch auch eine Kalibrierung des Kraftsensors erfolgen. Ferner können äußere Einflüsse, wie ein Temperaturdrift oder Alterungsprozesse, ausgeglichen werden. Die Kompensation des Offsets kann dynamisch erfolgen, beispielsweise stetig, intervallweise oder während eines Einschaltvorgangs oder eines Aufwachvorgangs des Sensorsystems aus einem Ruhemodus.
• Die Kalibrierung des Kraftsensors kann insbesondere auch durch das Senden und/oder Empfangen von Steuerbefehlen, beziehungsweise Sensordaten, über die Bus-schnittstelle erfolgen. Somit kann die Kalibrierung bei einer Anwendung im Automobilbereich auch übereinen Fahrzeugbus, wie einen LIN-Bus oder Can-Bus erfolgen.
• KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
• 1a: eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Sensorsystems gemäß der Erfindung;
• 1b: ein schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Sensorsystems gemäß der Erfindung;
• 2: eine perspektivische Darstellung eines Sensorsystems mit einer Klappe für ein Kraftfahrzeug in geöffnetem Zustand in einer Vorderansicht;
• 3a: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems der 2 in einer Rückansicht, wobei die Klappe vollständig geöffnet ist;
• 3b: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems der 3a, wobei die Klappe teilweise geöffnet ist;
• 3c: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems der 3a, wobei die Klappe vollständig geschlossen ist;
• 4: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems entsprechend der 3c, wobei ein Trägerbauteil und weitere Bauteile ausgeblendet sind;
• 5: eine weitere perspektivische Darstellung des Sensorsystems entsprechend der 3c, wobei ein Trägerbauteil und weitere Bauteile ausgeblendet sind;
• 6: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems entsprechend der 2, wobei die Klappe hier in geschlossenem Zustand gezeigt ist;
• 7 eine Schnittdarstellung des Sensorsystems bei geschlossener Klappe, wobei der Kraftsensor sichtbar ist;
• 8a: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems mit einer alternativen Ausgestaltung des elastischen Elements als Druckfeder;
• 8b: eine perspektivische Darstellung des Sensorsystems mit einer alternativen Ausgestaltung des elastischen Elements als Druckfeder, wobei eine Abdeckung der Druckfeder ausgeblendet ist;
• 9a bis 9e: Eine beispielhafte Ausgestaltung des elastischen Elements als Druckfeder, für verschiedene Stellungen der Klappe;
• 10: Eine beispielhafte Ausgestaltung des elastischen Elements als elastisches Gummielement;
• 11a und 11b: Eine beispielhafte Ausgestaltung des Kniehebels mit zwei Ausbuchtungen, dargestellt in einer Stellung des Kniehebels bei geöffneter Klappe (11a) und bei geschlossener Klappe (11b);
• 11c: Den zweiten Schenkel des Kniehebels aus den 11a und 11b mit Maßangaben;
• 12: eine schematische Darstellung des Stellweges der Klappe;
• 13: eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltung eines als DMS-Sensor ausgebildeten Kraftsensors, der zur Verwendung in einem Sensorsystem der 1 bis 8b geeignet ist;
• 14: ein schematisch dargestellte, beispielhafte Anwendung der Klappe für eine Ladeklappe eines Kraftfahrzeugs;
• 15: ein beispielhafter Verlauf einer Sensorsignalspannung des Kraftsensors der der 1 bis 8 als Funktion der Zeit; und
• 16: ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des Sensorsystems.
• BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• 1a und 1b zeigen jeweils eine beispielhafte Ausgestaltung eines Sensorsystems 1 in einer schematischen Darstellung. In beiden Varianten ist eine Steuerschaltung 3 vorgesehen, welche mit einem elektrischen Gerät gekoppelt ist. Das elektrische Gerät ist im Beispiel als elektromotorischer Stellantrieb 5 mit einem Elektromotor 7 und einem optionalen Getriebe ausgebildet. Die Steuerschaltung 3 ist als Mikrocontroller ausgebildet und umfasst einen Motortreiber 9, der über einen Ausgang zum Ansteuern des Elektromotors 7 mit diesem verbunden ist. Der Motortreiber 9 kann insbesondere eine oder mehrere H-Brücken, beispielsweise eine B6-Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschaltern umfassen.
• Ferner ist eine Bus-Schnittstelle 11 vorgesehen zum Verbinden der Steuerschaltung mit einem Datenbus 12, beispielsweise einem LIN-Bus oder einem CAN-Bus. Die Bus-Schnittstelle 11 dient im Beispiel der 1a als Sensorsignaleingang 13. Über den Sensorsignaleingang 13 ist beispielsweise ein als DMS-Sensor ausgebildeter Kraftsensor 15 mit der Steuerschaltung 3 gekoppelt. Die Steuerschaltung 3 weist außerdem eine GPIO (General Purpose In/Out) Schnittstelle 17 auf, über welche im Beispiel ein Schalter 19 mit der Steuerschaltung verbunden ist. Der Schalter 19 kann insbesondere zum Aktivieren oder Auslösen einer Steuerfunktion des elektrischen Gerätes verwendet werden. Ferner weist die Steuerschaltung 3 einen Wake-Up-Eingang 20 auf. Mittels des Wake-Up-Eingangs 20 kann die Steuerschaltung 3 aus einem Energiespar- oder Schlafmodus aufgeweckt werden.
• In der 1b ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des Sensorsystems 1 in einer schematischen Darstellung angegeben. Zusätzlich zu der in der 1a gezeigten Ausgestaltung weist die Steuerschaltung 3 weitere Schnittstellen auf. So umfasst die Steuerschaltung 3 einen digitalen Ein- und Ausgang (DIO) 21, an dem beispielhaft ein Temperatursensor 23 angeschlossen ist. Ferner umfasst die Steuerschaltung 3 der 1b einen zweiten Motortreiber 25. sowie ein zweites elektrisches Gerät 27, welches durch die Steuerschaltung gesteuert und/oder geregelt werden kann. Im Beispiel ist das zweite elektrische Gerät 27 ein Aktuator 29, der beispielsweise einen zweiten Elektromotor, einen Piezoaktuator oder einen Hubmagneten umfasst und mit einem Ausgang des zweiten Motortreibers 29 verbunden ist.
• Zusätzlich umfasst die Steuerschaltung 3 der 1b eine Leuchtdiodenanordnung 31, sowie einen zweiten Analogeingang 33. Der zweiten Analogeingang 33 ist im Beispiel mit einem Lichtsensor 35 gekoppelt. Beispielsweise kann der Lichtsensor 35 zum Steuern oder Regeln einer Beleuchtungseinheit des Sensorsystems 1, wie der Leuchtdiodenanordnung 31, verwendet werden. In dieser Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung 3 ferner ein dritter Analogeingang 37, welcher den Sensorsignaleingang 13 für den Kraftsensor 15 bereitstellt.
• 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des Sensorsystems 1 als Ladeklappen-Sensorsystem 101 für eine Klappe 103 einer Ladebuchse, über welche Akkumulatoren eines Elektrofahrzeugs geladen werden können. Das Sensorsystem 1 umfasst hier eine Klappe 103, welche an einem Rahmen 105 befestigt und gelagert ist und im Beispiel im geöffneten Zustand gezeigt ist. In einer Rückwand 107 des Rahmens 105 ist eine Öffnung 108 vorgesehen, in welcher die Ladebuchse zur Aufnahme eines Ladesteckers angeordnet werden kann. An der Rückseite des Rahmens 105 ist ferner der Schalter 13 angeordnet, der beispielsweise als Druckknopf, als Kraftsensorschalter oder als kapazitiver Schalter ausgebildet sein kann. An dem Rahmen 105 ist ferner eine an dessen Rand umlaufende Dichtung 109 angeordnet, welche bei geschlossener Klappe 103 einen Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit gewährleistet.
• Die 3a zeigen weitere perspektivische Darstellungen des Sensorsystems 1 der 2, wobei jeweils ein Blick auf die Innenseite der Klappe 103 und des Rahmens 105 dargestellt ist. Die Klappe 103 ist an dem Rahmen 105 mittels einer Gelenkmechanik 110 beweglich befestigt und kann zwischen einer Offen-Stellung und einer Schließstellung verstellt werden. Die 3a zeigt die Klappe 103 in vollständig geöffneter Position, während in der 3b eine teilweise geöffnete Stellung und in der 3c eine vollständig geschlossene Stellung der Klappe 103 gezeigt ist.
• An dem Rahmen 105 der Klappe ist ein Trägerbauteil 111 angeordnet, welches das als Stellantrieb 5 ausgebildete elektrische Gerät 4, den Kraftsensor 15, sowie Teile der Gelenkmechanik 110 trägt. Der Stellantrieb 5 ist in einer Ausnehmung 113 des Trägerbauteils 111 angeordnet, Ferner ist an dem Trägerbauteil 111 ein Befestigungsteil 115 fixiert, welches eine Ausnehmung 117 aufweist, durch welche ein Steckverbinder 119 des Stellantriebs 5 geführt ist. Somit kann der Stellantrieb 5 sicher an dem Rahmen 105 der Klappe 103 befestigt werden. Der Steckverbinder 119 des Stellantriebes 5 ist zum Verbinden mit einer externen Stromversorgung und zum Empfangen von Steuersignalen mit einem an dem Rahmen 105 angeordneten Stecker 121 über eine Drahtverbindung 123 verbunden. Der Stecker 121 kann insbesondere mit einem LIN-Bus oder Can-Bus des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Der Kraftsensor 15 ist ebenfalls über eine Drahtverbindung 123 mit einem ebenfalls am Rahmen 105 angeordneten Stecker 125 verbunden. Im Beispiel wird das Sensorsignal über einen elektrischen Kontakt zwischen den Steckern 121 und 125 der Steuerschaltung 3 des Stellantriebes 5 zugeführt.
• Die 4 zeigt die Ansicht der Klappe 103 entsprechend der 3c in der Schließstellung, wobei hier unter anderem das Trägerbauteil 111 zur Illustration der Gelenkmechanik 110 ausgeblendet wurde. Die Klappe 103 wird über ein Trapezgelenk 141 gehalten, wobei zwei an der Innenseite der Klappe 103 angeordnete Drehlager 143 eine Achse drehbar lagern und wobei die Achse mit einem ersten Schwenkarm 145 verbunden ist. Der erste Schwenkarm 145 ist ferner mit einem Abtrieb des Stellantriebes 5 gekoppelt. Im Beispiel weist der Stellantrieb 5 dazu eine als Hohlwelle ausgebildete Abtriebswelle 147 auf, welche an ihren beiden Enden jeweils eine Kupplung 148 zum Übertragen eines Drehmomentes aufweist. Entsprechend weist ein Gehäuse des Stellantriebes 5 zwei sich gegenüberliegende Öffnungen 150 auf, über welche die beiden Kupplungen 148 der Abtriebswelle 147 jeweils mit einem Kupplungsteil des ersten Schwenkarms 145 gekoppelt sind.
• Das Trapezgelenk 141 umfasst ferner zwei weitere, an der Innenseite der Klappe 103 angeordnete Drehlager 153, welche eine zweite Achse drehbar lagern. Die zweite Achse ist mit zwei parallel angerordneten, gebogenen Schwenkarmen 155 gekoppelt, wobei die beiden Schwenkarme 155 jeweils mittels eines Drehlagers 157 an dem Trägerbauteil 111 drehbar gehalten werden. Prinzipiell ermöglicht die Befestigung der Klappe 103 an dem Trägerbauteil 111 eine Öffnen- und Schließbewegung der Klappe 103. Im Beispiel wird die Klappe 103 dabei entlang einer Bogenform geführt, welche ein Anheben der Klappe 103 und ein gleichzeitiges seitliches Wegführen der Klappe 103 von dem Rahmen 105 beschreibt.
• Ferner umfasst die Gelenkmechanik 110 im Beispiel zwei parallel zueinander angeordnete Kniehebel 180 mit jeweils einem ersten Schenkel 183 und einem zweiten Schenkel 185. Die beiden ersten Schenkel 183 sind jeweils an einem ersten Drehpunkt 186 drehbar an dem Trägerbauteil 111 gelagert und jeweils drehfest mit einem der beiden gebogenen Schwenkarme 155 verbunden. Die zweiten Schenkel 185 sind jeweils an einem zweiten Drehpunkt 187 ebenfalls drehbar an dem Trägerbauteil 111 gelagert. Die beiden ersten Schenkel 183 umfassen ferner jeweils einen Führungsvorsprung 189, welcher in einen Führungsspalt 191 des jeweiligen zweiten Schenkels 185 eingreift und einen beweglichen dritten Drehpunkt 193 bildet. Der Führungsspalt 191 umfasst im Beispiel zudem jeweils eine Ausbuchtung 195, in welcher der Führungsvorsprung 189 zum Liegen kommt, wenn die Klappe in ihrer Schließstellung oder in ihrer Offen-Stellung ist.
• In der gezeigten Ausgestaltung ist an den Kniehebeln 180 außerdem jeweils ein als Torsionsfeder 197 ausgebildetes elastisches Element angeordnet. Die Torsionsfeder 197 umfasst an ihren beiden Enden jeweils ein Federbein, wobei ein erstes Federbein 197a an einem Vorsprung 199 des zweiten Schenkels 185 anliegt, und ein zweites Federbein 197b an einer Ausformung des Trägerbauteils 111 befestigt ist.
• Die Anordnung und Auslegung der Torsionsfeder 197 ist so gewählt, dass diese über den Vorsprung 199 des zweiten Schenkels 185 und über die Gelenkmechanik 110 eine Kraft auf die Klappe 103 in deren Schließrichtung ausübt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Federkraft und/oder die auf die Klappe 103 wirkende Rückstellkraft kontinuierlich entlang des Stellweges, in Richtung der Schließposition, zunehmen. Die Torsionsfeder 197 ist in der gezeigten Schließstellung gespannt/gestaucht, und bewirkt eine Kraft in Richtung der Schließstellung, so dass die Klappe 103 in dieser Stellung gehalten wird und/oder in die Schließstellung zurückgeführt wird, falls diese durch eine äußere Kraft teilweise geöffnet wurde.
• Die 4 und 5 zeigen zwei perspektivische Ansichten auf die Innenseite der geschlossenen Klappe 103, wobei unter anderem das Trägerbauteil 111 ausgeblendet ist. In der 4 ist insbesondere ein an dem ersten Schwenkarm 145 ausgebildeter Vorsprung 205 zu sehen, welcher bei geschlossener Klappe 103 eine Kraft auf den Kraftsensor 15 ausübt. Der Kraftsensor 15 ist hier als DMS-Sensor 207 ausgebildet, wobei in den 4 und 5 eine Abdeckung 209 des DMS-Sensors 207 zu sehen ist.
• In den Schnittansichten der 6 und 7 sind insbesondere der DMS-Sensor 207 und dessen Anordnung dargestellt, wobei die 6 eine Schnittansicht des Ladeklappen-Sensorsystems 101 entsprechend der 3c und die 7 lediglich den DMS-Sensor 207 zeigt. Der DMS-Sensor 207 umfasst insbesondere eine Sensor-Leiterplatte 211, auf welcher eine Sensorschaltung 213 angeordnet ist, welche über eine Steckverbindung 215 kontaktiert und mit der Steuerschaltung 3 des Stellantriebs 5 verbunden werden kann.
• Die Sensor-Leiterplatte 211 ist an einem elastischen Biegeelement angeordnet und an diesem befestigt, wobei das elastische Beigeelement als Blattfeder 217 ausgebildet ist. Ferner ist die Sensor-Leiterplatte 211, samt den darauf angeordneten elektronischen Bauteilen, von einer Vergussmasse 219 umgossen, beispielsweise von einem Epoxidharz. Somit können die Sensor-Leiterplatte 211 und die drauf angeordneten elektronischen Bauteile vor Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen geschützt werden. Die Anordnung aus Blattfeder 217 und Sensor-Leiterplatte 211 ist an einer Unterseite der Abdeckung 209 angeordnet. Die Blattfeder 217 ist im Beispiel rechteckig, mit einer Langseite und einer Kurzseite, ausgebildet. Ein Ende der Langseite ist mit der Sensor-Leiterplatte 211 verbunden, während ein anderes Ende der Langseite freistehend ist. Die Blattfeder 213 ist dabei so angeordnet, dass deren freistehendes Ende im kraftfreien Zustand einen Abstand A zu der Abdeckung 209 aufweist, der beispielsweise im Bereich von 0.3 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0.5 mm bis 5 mm liegen kann. Im Beispiel weist die Abdeckung 209 eine Ausnehmung auf ihrer Unterseite aus, so dass ein genügend großer Abstand A des freistehenden Endes der Blattfeder 217 zu der Abdeckung 209 bereitgestellt werden kann. Die Blattfeder 217 kann nun beim Schließen der Klappe 103, von dieser berührt werden, so dass eine Kraft auf die Blattfeder 217 ausgeübt und die Blattfeder 217 in Richtung der Abdeckung 209 gebogen wird. Dadurch wird auch der DMS-Sensor 207 gebogen (gedehnt). Folglich wird an einem Signalausgang des DMS-Sensors 207 eine Änderung des Spannungsniveaus des Sensorsignals erfolgen. Somit kann über die Änderung des Sensorsignals das Erreichen der Schließstellung der Klappe 103 und/oder eine auf die geschlossene Klappe 103 wirkende Kraft detektiert werden.
• Die 8a und 8b zeigen eine alternative Ausgestaltung des Sensorsystems 1, wobei hier eine Druckfeder 301 als elastisches Element des Kniehebels 180 verwendet wird. Die Druckfeder 301 ist unter einer Abdeckung 303 an dem zweiten Schenkel 185 des Kniehebels 180 angeordnet (siehe 8a). In der 8b ist die Abdeckung 303 ausgeblendet, so dass die darunter liegende Druckfeder 301 und deren Anordnung an dem zweiten Schenkel 185 gut zu erkennen ist. An einem Ende des Führungsspaltes 191 ist ein Befestigungsvorsprung ausgebildet, an welchem ein Ende der Druckfeder 301 befestigt ist. Das andere Ende der Druckfeder 301 wird beim Schließen der Klappe 103 durch den Führungsvorsprung 189 angefahren und die Druckfeder 301 dabei komprimiert.
• Die 9a bis 9e illustrieren das Zusammenspiel der Druckfeder 301 mit dem Führungsvorsprung 189 während der Schließbewegung in einer beispielhaften Ausgestaltung. Die 9a zeigt eine Ausrichtung des Kniehebels 180 für eine vollständig geöffnete Klappe 103. Wie dargestellt, kann die Druckfeder 301 so ausgebildet und angeordnet sein, dass der Führungsvorsprung 189 frei in dem Führungsspalt 191 beweglich ist, wenn sich die Klappe 103 in dem ersten Bereich B₁ des Stellwegs befindet. Beim Erreichen der Position P₁ beginnt der Führungsvorsprung 189 die Druckfeder 301 zu stauchen (9b). Im weiteren Verlauf kann die Druckfeder 301 während des Schließvorgangs entlang des zweiten Bereichs B₂ des Stellwegs weiter komprimiert werden, bis an der Position P2 eine maximale Stauchung der Druckfeder erreicht wird (9c). Die maximale Stauchung der Druckfeder 301 entspricht einer parallelen Ausrichtung der beiden Schenkel des Kniehebels 180. Bis zum Erreichen der in der 9d dargestellten Schließposition kann sich die Druckfeder 301 dann teilweise entspannen. Somit kann eine Rückstellkraft gewährleistet werden, welche die Klappe 103 in ihrer Schließstellung hält. Ferner kann somit eine kontinuierlich wirkende Kraft auf den DMS-Sensor 207 ausgeübt werden, während sich die Klappe 103 in der Schließstellung befindet. Insbesondere kann folglich auch in dieser Ausgestaltung eine Überwachung der Schließstellung der Klappe 103 mittels des DMS-Sensors 207 erfolgen. Wirkt nun eine äußere Kraft auf die Klappe 103, kann diese über die Schließposition hinaus in die Schließrichtung bewegt werden, wobei sich die Druckfeder 301 weiter entspannt, jedoch weiterhin eine Rückstellkraft in die Schließrichtung bewirkt. Nach dem Wegfall der äußeren Kraft wird sich wieder die Situation der 9d einstellen, in welcher ein Gleichgewicht der in Schließrichtung und der entgegen der Schließrichtung wirkenden Kräfte vorliegt.
• Die 10 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des Kniehebels 180, wobei hier ein elastisches Gummielement 311 an dem zweiten Schenkel 185 des Kniehebels 180 zum Bereitstellen der Rückstellkraft angeordnet ist. Das elastische Gummielement 311 kann dabei entsprechend der Druckfeder 301 der zuvor beschriebenen Ausgestaltung wirken.
• Eine weitere alternative Ausgestaltung des Kniehebels 180 ist in den 11a und 11b skizziert. Dort weist der Führungsspalt 191 eine erste Ausbuchtung 321 und eine zweite Ausbuchtung 323 auf, in deren Bereichen die Breite des Führungsspalts 291 vergrößert ist. Insbesondere kann der Führungsvorsprung 189 in der ersten Ausbuchtung 321 zum Liegen kommen, wenn die Klappe 103 in ihrer Offen-Stellung (11a) ist, und in der zweiten Ausbuchtung 323 zum Liegen kommen, wenn sich die Klappe 103 in der Schließstellung ( 11b) befindet. Insbesondere kann das Zusammenspiel zwischen dem Führungsvorsprung 189 und der zweiten Ausnehmung 323 eine Rückstellkraft in die Schließrichtung bewirken. Ferner kann das Zusammenspiel des Führungsvorsprungs 189 mit der ersten Ausnehmung 321 eine Haltekraft auf die Klappe 103 in ihrer Offen-Stellung bewirken. Desweiteren sind Kombinationen der gezeigten Varianten des Kniehebels 180 denkbar. Insbesondere sind Kombination eines beliebigen elastischen Elementes und eines Schenkels des Kniehebels 180 mit einer, zwei, oder mehr Ausnehmungen möglich.
• Ein beispielhafter Stellweg SW ist schematisch in der 12 dargestellt. Der Stellweg SW erstreckt sich von der Offen-Stellung P_O bis zu der Schließstellung P_S. Ferner umfasst der Stellweg SW die beiden Bereiche B₁ und B₂. Das elastische Element bewirkt eine Rückstellkraft in Richtung der Schließrichtung, wobei diese lediglich in einem Teilbereich des Stellweges vor und/oder um die Schließstellung der Klappe von Null verschieden sein kann. Beispielsweise ist das elastische Element so angeordnet und ausgelegt, dass dieses während der Schließbewegung von der Offen-Stellung P_O in die Schließstellung P_S erst ab dem Erreichen des Bereichs B₂ bei der Position P₁ eine Rückstellkraft bewirkt. Der Bereich B2 kann beispielsweise erst nach dem Zurücklegen von 40% bis 90% des gesamten Stellwegs SW erreicht werden. Die Federspannung des elastischen Elements kann dann im Verlauf der weiteren Schließbewegung im Bereich B₂ ansteigen und ein Maxima an einer Position P₂, welche beispielsweise im Bereich von 70% bis 100% des Stellweges liegt, erreichen, wobei 0% des Stellweges der Offen-Stellung P_O und 100% des Stellweges der Schließstellung P_S entsprechen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Maximum der Federspannung des elastischen Elements im Bereich von 70% bis 95% des Stellweges SW liegt. Die in Schließrichtung ansteigende Federkraft wirkt einer ungewollten Öffnung der geschlossenen Klappe 103 entgegen. Das Maximum der Federkraft kann insbesondere einer parallelen Ausrichtung des ersten Hebelarms 183 relativ zu dem zweiten Hebelarm 185 entsprechen. Die über die Gelenkmechanik 110, beziehungsweise den Kniehebel 180, wirkende Rückstellkraft auf die Klappe 103 kann dabei in Schließrichtung kontinuierlich zunehmen. Alternativ kann die Rückstellkraft durch das elastische Element über den gesamten Stellweg SW anliegen und dabei kontinuierlich in Richtung der Schließstellung P_S ansteigen.
• Die Klappe 103 kann somit auch dann in ihrer Schließstellung gehalten werden, wenn der Stellantrieb 5 zum Verstellen der Klappe 103 deaktiviert ist. Ferner kann die Klappe 103 durch eine äußere Krafteinwirkung F_ext in einen Bereich B₃, über die Schließposition hinaus, bewegt werden. Der Bereich B₃ kann durch einen Endanschlag an einer Position P₃ begrenzt sein. Beispielsweise entspricht die Position P₃ eine vollständig komprimierten Dichtung am Rahmen 105 der Klappe 103, beispielsweise einer vollständig komprimierten Dichtlippe.
• Eine beispielhafte elektronische Schaltung 400 des DMS-Sensors 207 ist in der 13 schematisch dargestellt. Die Schaltung 400 kann beispielsweise auf der Sensorleiterplatte 115 angeordnet sein und umfasst eine Brückenschaltung 401 mit vier Brückenwiderständen R1 bis R4. Ein Eingang der Brückenschaltung 401 ist mit einer Versorgungsspannung V_bat verbunden, während ein Ausgang der Brückenschaltung 401 mit Masse GND verbunden ist. Zum Abgreifen des Messsignals ist ein erster Brückenzweig 401a mit einem ersten Eingang 403a eines Operationsverstärkers 403 und ein zweiter Brückenzweig 401b mit einem zweiten Eingang 403b des Operationsverstärkers 403 verbunden. Ein Ausgang 403c des Operationsverstärkers 403 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 405 gekoppelt. Über den Analog-Digitalwandler 405 kann ein analoger Spannungswert in ein digitales Signal überführt werden. Zum Verarbeiten des digitalen Signals kann der Analog-Digital-Wandler 405 optional mit einer Logikschaltung 407 verbunden sein.
• Ferner zeigt die 13 eine optionale Weiterbildung der beispielhaften Sensorschaltung: Zur Kompensation eines Spannungsoffsets U_off ist einer der Brückenzweige, im Beispiel der erste Brückenzweig 401a, über einen hochohmigen Widerstand R5 mit einem Digital-Analog-Wandler 411 oder eine Pulsweitenmodulation (PWM) verbunden. Mittels der PWM, beziehungsweise des Digital-Analog-Wandlers 411, kann somit der Offset U_off der Brückenspannung kompensiert werden, so dass an dem Operationsverstärker 403 ein entsprechendes Signal anliegt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die Offsetkompensation so einzustellen, dass im kraftfreien Zustand des Dehnungsmessstreifens 209 an dem Operationsverstärker 403 eine Spannung von 0V anliegt Dabei kann ein Toleranzbereich, beispielsweise im Bereich von +/- 10 µV, vorgesehen sein kann. Insbesondere kann die Offsetkompensation dynamisch erfolgen. Somit kann beispielsweise ein Temperaturdrift oder ein auf Alterungsprozessen basierender Drift der Brückenspannung kompensiert werden. Der hochohmige Widerstand R5 kann beispielsweise einen Widerstandswert im Bereich von 100 kΩ, bis 10 MΩ, aufweisen. In manchen Ausgestaltungen kann der Widerstand R5 ein Schmutzwiderstand sein.
• Schließlich kann das Sensorsignal an einem Sensorsignalausgang 413 bereitgestellt und der Steuerschaltung 3 zugeführt werden, beispielsweise über eine Kabelverbindung, wie in den 3 und 3a bis 3c dargestellt. Im Beispiel ist der Sensorsignalausgang 413 ein der Logikschaltung 407 zugeordneter Ausgang. Alternativ kann die Logikschaltung 407 auch entfallen, wobei deren Funktionalität durch die Steuerschaltung 3 übernommen wird. Der Sensorsignalausgang kann dann von dem Analog-Digitalwandler 405 bereitgestellt werden.
• Eine Verwendung des Sensorsystems 1 für eine KFZ-Ladeklappe ist in der 14 illustriert. Die Klappe 103 dient hier als Abdeckung für eine Ladevorrichtung eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 103. Zum Laden der Energiespeicher an einer Ladestation 505, kann ein Stecker 507 der Ladestation mit einer durch die Klappe 103 verschließbaren Ladebuchse des Kraftfahrzeugs verbunden werden. Ein Benutzer kann durch das Ausüben einer externen Kraft F_ext auf die Klappe 103, beispielsweise mittels einer Hand 507, ein Sensorsignal des DMS-Sensors 207 auslösen, so dass die Steuerschaltung 3 den Stellantrieb 5 zum Öffnen der Klappe 103 ansteuert.
• Das in der 15 gezeigte Diagramm illustriert einen beispielhaften Verlauf der Sensorsignalspannung Us als Funktion der Zeit t, beispielsweise für den DMS-Sensor 207 in dem Sensorsystem 1 mit der elektromotorisch verstellbaren Klappe 103.
• Zum Zeitpunkt t_o ist die Klappe 103 in geöffnetem Zustand. Für t > t_o wird die Klappe 103 mittels des Stellantriebes 5 geschlossen, wobei zum Zeitpunkt t₁ eine Kraft auf den DMS-Sensor 207 ausgeübt wird und bis zur Zeit t₂ ansteigt. Beim Erreichen des ersten Spannungsschwellwertes U1 wird durch die Steuerschaltung 3 erkannt, dass die Klappe 103 die Schließstellung erreicht hat. Hierbei kann zusätzlich überprüft werden, ob die Sensorsignalspannung Us in einem ersten Spannungsbereich liegt, welcher durch den ersten U1 Spannungsschwellwert und einen zweiten Spannungsschwellwert U2 begrenzt ist. Der Betrag des zweiten Spannungsschellwerts U2 ist dabei größer als der Betrag des ersten Spannungsschwellwert U1, so dass |U₁| > |U₂| gilt. Nachdem erkannt wurde, dass die Klappe die Schließstellung erreicht hat, wird die Stellbewegung der Klappe 103 gestoppt, der Elektromotor 7 des Stellantriebes 5 also angehalten.
• Insbesondere kann es, wie dargestellt, vorteilhaft sein, wenn die Klappe 103 in Schließstellung eine kontinuierliche Kraft auf den Kraftsensor 5 ausübt, welche beispielsweise mittels eines der oben beschriebenen elastischen Elemente aufrechterhalten werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Kraft aufgrund eines mechanischen Widerstandes des Stellantriebes 5, insbesondere aufgrund eines Getriebewiderstandes und/oder eines Rastmomentes des Elektromotors 7, aufrechterhalten werden. Ebenso kann es vorteilhaft sein, einen Elektromotor mit selbsthemmendem Getriebe, beispielsweise mit einem Schneckenrad, zu verwenden. In manchen Ausgestaltungen kann die Kraft auch mittels eines Verriegelungsmechanismus, beispielsweise mittels eines Verriegelungsstiftes, erzeugt werden. Der Verriegelungsmechanismus kann beispielsweise die Klappe 103 in geschlossenem Zustand verriegeln, wobei die Verriegelung in einer Position erfolgt, in welcher eine Kraft auf den Kraftsensor ausgeübt wird.
• Der in der 15 dargestellte Verlauf der Sensorsignalspannung Us zeigt ab einem Zeitpunkt t₃ einen weiteren Anstieg. Dieser Anstieg kann insbesondere aufgrund einer externen Kraft erfolgen. Beispielsweise kann ein durch einen Benutzer ausgeübter Druck zu einer Bewegung der Klappe 103 in Schließrichtung, über die Schließposition hinaus, führen. Beispielsweise kann die Bewegung gegen ein weiteres elastisches Element, wie eine Gummidichtung der Klappe, erfolgen. Alternativ kann das Sensorsystem so ausgestaltet sein, dass eine äußere Kraft auf die Klappe 103 eine Bewegung oder elastische Verformung des Rahmens 105 oder eines den Rahmen 105 tragenden Bauteils zur Folge hat und ferner die Kraft von dem Rahmen oder dem Bauteil auf den Kraftsensor übertragen wird.
• Aufgrund der äußeren Kraft steigt nun die Sensorsignalspannung Us bis zum Zeitpunkt t4 weiter an. Die Sensorsignalspannung Us kann dabei mit einem dritten Spannungsschwellwert U3 verglichen werden. Erreicht oder überschreitet die Sensorsignalspannung nun den dritten Spannungsschwellwert, kann die äußere Kraft als Betätigung eines Schalters erkannt werden. In Reaktion auf das Erkennen der Betätigung des Schalters kann nun eine Steuer- oder Regelfunktion ausgeführt werden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in Reaktion auf das Erreichen des dritten Spannungsschwellwertes der Stellantrieb 5 zum Öffnen der Klappe 103 angesteuert wird. Dabei kann es wiederum vorgesehen sein, dass die Sensorsignalspannung Us mit einem zweiten Spannungsbereich verglichen wird. Der zweite Spannungsbereich ist durch den dritten Spannungsschwellwert U3 und einen vierten Spanungsschwellwert U4 begrenzt, wobei |U4| > |U₃| gilt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass für die Spannungsschwellwerte gilt: |U4| > |U3| > |U2| > |U1|.
• Alternativ können die beiden Spannungsbereiche auch anders gewählt werden, beispielsweise mit U4 < U3 < U2 > U1.
• Während des Öffnens der Klappe nimmt die Sensorsignalspannung Us wieder ab (t > t5). Sobald die Klappe so weit geöffnet ist, dass keine Krafteinwirkung mehr auf den Kraftsensor erfolgt (t > t6), sinkt die Sensorsignalspannung Us wieder auf ihr niedriges Niveau, beispielsweise auf 0 V ab.
• Ein entsprechendes beispielhaftes Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems 1 ist in der 16 als Ablaufdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird das Sensorsignal (Sensorsignalspannung Us) von der Steuerschaltung 3 empfangen. Dies kann beispielsweise kontinuierlich oder intervallweise erfolgen. In einem zweiten Schritt S2 wird die Sensorsignalspannung Us mit dem ersten Spannungsschwellwert durch die Steuerschaltung verglichen. Ist der Wert der Sensorsignalspannung Us größer als der erste Spannungsschwellwert U1, so wird das Erreichen der Schließstellung der Klappe 103 erkannt. Alternativ kann zusätzlich überprüft werden, ob die Sensorsignalspannung Us betragsmäßig kleiner als der zweite Spannungsschwellwert U2 ist, ob der Sensorsignalwert also im ersten Spannungsbereich mit |U1| < |U_S| < |U2| liegt. Wenn der Vergleich ergibt, dass |U1| < |U_S|, beziehungsweise |U₁ |< |U_S| < |U2| erfüllt ist, wir im Schritt S3 das Erreichen der Schließstellung der Klappe 103 erkannt. Bei geschlossener Klappe 103 wird weiterhin das Sensorsignal durch die Steuerschaltung 3 empfangen und die Sensorsignalspannung Us ausgewertet. Hierbei wird, wie im Schritt S4 dargelegt, die Sensorsignalspannung Us mit dem dritten Spannungsschwellwert U3, beziehungsweise mit dem durch den dritten Spannungsschwellwert U3 und den vierten Spannungsschwellwert U4 begrenzten zweiten Spannungsbereich verglichen. Ergibt der Vergleich, dass |U_S| > |U3|, beziehungsweise |U4| < |U_S| < |U₃|, so erkennt die Steuerschaltung 3 im Schritt S5 die Betätigung des Schalters und steuert als Reaktion darauf den Stellantrieb 5 im Schritt S6 zum Verstellen der Klappe 103 an. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung 3 den Stallantrieb 5 dann zum Überführen der Klappenstellung in die Offen-Stellung ansteuert.
• Ferner kann ein Verfahrensschritt S7 zum Ausgeben einer Fehlermeldung und/oder zum Überführen der Klappe 103 in eine Sicherheitsposition oder in die Schließposition vorgesehen sein, wenn erkannt wird, dass |U_S| < |U1| oder |U_S| > |U4| ist. Insbesondere kann der Stellantrieb 5 zum Verstellen der Klappe 103 in die Schließrichtung angesteuert werden, wenn der zuletzt ausgeführte Stellvorgang ein Überführen der Klappenstellung in die Schließstellung war und erkannt wird, dass |U_S| < |U1|. Zusätzlich kann in diesem Fall überprüft werden, ob |U_S| < |U1| über eine vorherbestimmte Zeitspanne erfüllt ist, wobei der Stellantrieb 5 nur dann zum Schließen der Klappe 103 angesteuert wird, wenn |U_S| < |U1| über diesen Zeitraum hinweg erfüllt ist.
• Somit kann die Schließstellung der Klappe 103 überwacht werden. Wird nun ein kurzzeitiges Verstellen der Klappe 103 aus der Schließstellung in die Offen-Richtung, beispielsweise durch Vibrationen oder andere äußere Kräfte, nicht durch die Rückstellkraft des elastischen Elements 195a, 195b korrigiert, kann der Stellantrieb 5 aktiviert werden und die Klappe 103 aktiv geschlossen und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
• Ferner kann das beispielhafte Verfahren einen (nicht dargestellten) Schritt zur Kalibrierung des Sensorsystems umfassen. Das Sensorsystem kann zur Kalibrierung beispielsweise über ein Bussystem angesteuert werden. Die Kalibrierung kann zum Beispiel intervallweise, und/oder nach einem Neustart des Sensorsystems erfolgen.
• Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Sensorsystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
• LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Sensorsystem

3

Steuerschaltung

5

Stellantrieb

7

Elektromotor

9

Motortreiber

11

Bus-Schnittstelle

12

Datenbus

13

Sensorsignaleingang

15

Kraftsensor

17

GPIO (englisch: General Purpose In/Out) Schnittstelle

19

Schalter

20

WakeUp-Eingang

21

digitaler Ein- und Ausgang (DIO)

23

Temperatursensor

25

weiterer Ausgang

27

zweites elektrisches Gerät

29

Aktuator

31

Leuchtdiodenanordnung

33

zweiter Analogeingang

35

Lichtsensor

37

dritter Analogeingang

39

weiterer Sensor

101

Ladeklappen-Sensorsystem

103

Klappe

105

Rahmen

107

Rückwand

108

Öffnung

109

Dichtung

110

Gelenkmechanik

111

Trägerbauteil

113

Ausnehmung des Trägerbauteils

115

Befestigungsteil

117

Öffnung

119

Steckverbinder

121

Stecker (am Rahmen)

123

Drahtverbindung

125

Stecker (am Rahmen)

141

Trapezgelenk

143

Drehlager (an Klappe, Lagerung Schwenkarm 145)

145

erster Schwenkarm

147

Abtriebswelle

148

Kupplungen der Abtriebswelle

149

Gehäuse (Stellantrieb)

150

Öffnung Gehäuse

153

Drehlager

155

gebogener Schwenkarm

157

Drehlager an Trägerbauteil (für gebogenen Schwenkarm 155)

180

Kniehebel

183

erster Schenkel

185

zweiter Schenkel

186

erster Drehpunkt

187

zweiter Drehpunkt

189

Führungsvorsprung

191

Führungsausnehmung

193

dritter Drehpunkt

195

Ausbuchtung

197

Torsionsfeder

197a

erstes Federbein

197b

zweites Federbein

199

Vorsprung

205

Vorsprung

207

Dehnungsmessstreifen (DMS-Sensor)

209

Abdeckung

211

Sensor-Leiterplatte

213

Sensorschaltung

215

Steckverbindung

217

Blattfeder

219

Vergussmasse

301

Druckfeder

303

Abdeckung (Druckfeder)

311

elastisches Gummielement

321

erste Ausbuchtung

323

zweite Ausbuchtung

400

Schaltung

401

Brückenschaltung

403

Operationsverstärker

403a

erster Eingang des Operationsverstärkers 303

403b

zweiter Eingang des Operationsverstärkers 303

403c

Ausgang des Operationsverstärkers 303

405

Analog-Digital-Wandler

407

Logikschaltung

411

Digital-Analog-Wandler

413

Sensorsignalausgang

501

Kraftfahrzeug

503

Ladesäule

505

Stecker

507

Hand

A

Abstand

B1, B2

Bereiche des Stellwegs

B3

Bereich

Br

Breite

Br1, Br2

Breite

Fext

 

L

Länge

GND

Masse

POS1. POS2

Positionen entlang des Führungsspaltes

PO

Offen-Stellung

PS

Schließstellung

P1

erste Position entlang des Stellwegs

P2

zweite Position entlang des Stellwegs

P3

Position des Endanschlags

R1, R2, R3, R4

Brückenwiderstände

R5

hochohmiger Widerstand

SW

Stellweg

S1 bis S6

Verfahrensschritte

to bis t6

Zeitpunkte

Us

Sensorsignalspannung

U1

erster Spannungsschwellwert

U2

zweiter Spannungsschwellwert

U3

dritter Spannungsschwellwert

U4

vierter Spannungsschwellwert

Uoff

Spannungsoffset

Uref

Referenzwert der Sensorsignalspannung

Vbat

Versorgungsspannung

Claims (28)

1. Sensorsystem (1), umfassend einen Kraftsensor (15), ein Federelement, eine Steuerschaltung (3) und ein durch die Steuerschaltung (3) steuer- und/oder regelbares elektrisches Gerät (4), wobei: - ein Signaleingang (13) der Steuerschaltung (3) mit einem Sensorsignalausgang (413) des Kraftsensors (15) zum Empfangen eines Sensorsignals gekoppelt ist, - ein Signalausgang der Steuerschaltung (3) mit einem Steuereingang des elektrischen Geräts (4) gekoppelt ist, - der Kraftsensor (15) an dem Federelement (119) angeordnet und befestigt ist, so dass eine mechanische Verformung des Federelementes eine Krafteinwirkung auf den Kraftsensor (15) bewirkt; und wobei die Steuerschaltung (3) dazu eingerichtet ist, das elektrische Gerät (4) auf Basis des Sensorsignals zu steuern und/oder zu regeln.
2. Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (119) als Biegebalken ausgebildet ist.
3. Sensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (119) wenigstens eine Blattfeder (217) umfasst.
4. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (15) einen Operationsverstärker (403) umfasst.
5. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (15) wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (207), oder wenigstens einen Piezosensor, oder wenigstens einen MEMS-Sensor umfasst.
6. Sensorsystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen (207) wenigstens eine Brückenschaltung (401) mit einem ersten Brückenzweig (401a) und einem zweiten Brückenzweig (401b) umfasst.
7. Sensorsystem (1) nach den Ansprüchen 4 bis 6, wobei der Dehnungsmessstreifen (207) den Operationsverstärker (303) umfasst, wobei ein erster Eingang (303a) des Operationsverstärkers (403) mit dem ersten Brückenzweig (401a) verbunden ist und ein zweiter Eingang (403b) des Operationsverstärkers (403) mit dem zweiten Brückenzweig (301b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (403c) des Operationsverstärkers (403) mit einem Analog-Digital-Wandler (405) verbunden ist und ein Ausgang des Analog-Digital-Wandler (405) den Sensorsignalausgang (413) bereitstellt, oder dass der Ausgang des Analog-Digital-Wandler (405) mit einer Logikschaltung (407) verbunden ist und ein Ausgang der Logikschaltung den Sensorsignalausgang (413) bereitstellt.
8. Sensorsystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brückenzweig (401a) oder der zweite Brückenzweig (401b) über einen elektrischen Widerstand (R5) mit einem Digital-Analog-Wandler (411) oder einer Pulsweitenmodulation elektrisch verbunden ist.
9. Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R5) hochohmiger als ein Brückenwiderstand der Brückenschaltung (401) gewählt ist.
10. Sensorsystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Gerät (4) einen Elektromotor (7) umfasst.
11. Sensorsystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtrieb des Elektromotors (7) mechanisch mit einem Stellglied gekoppelt ist und eine Stellposition des Stellgliedes durch den Stellantrieb (5) veränderbar ist.
12. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine Klappe(103) ist und wobei die Klappe (103) in einer Schließstellung eine Kraft auf den Kraftsensor (15) ausübt.
13. Sensorsystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (15) dazu ausgebildet ist bei geschlossener Klappe (103) eine externe Krafteinwirkung (F_ext) auf die Klappe (103) oder auf ein die Klappe (103) tragendes Bauteil zu detektieren.
14. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) dazu eingerichtet ist den Elektromotor (7) zum Öffnen der Klappe (103) anzusteuern, wenn eine externe Krafteinwirkung (F_ext) detektiert wird.
15. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (103) einen Vorsprung (205) aufweist, welcher bei geschlossener Klappe (103) mit dem Kraftsensor (15) zum Aufbringen der Kraft auf den Kraftsensor (15) zusammenwirkt.
16. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (103) ferner eine Vorrichtung zum Arretieren der Klappe (103) in der SchließStellung umfasst.
17. Sensorsystem (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Arretieren den Vorsprung (205) der Klappe (103) umfasst.
18. Sensorsystem (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (119) beweglich oder verstellbar ausgebildet ist und mit dem Abtrieb des Elektromotors (7) gekoppelt ist, und wobei der Vorsprung (205) mit einem entsprechenden Bauteil eines Rahmens der Klappe (193) in der Schließstellung zum Arretieren der Klappe (193) zusammenwirkt.
19. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe einen Kniehebel (180) mit einem elastischen Element umfasst, wobei das elastische Element bei geschlossener Klappe (103) oder in einem Bereich eines Stellweges (SW) der Klappe (103), welcher die Schließstellung (P_S) umfasst, eine Kraft auf die Klappe in Schließrichtung bewirkt.
20. Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (103) eine Tankklappe oder eine Ladeklappe eines Kraftfahrzeugs (501) und/oder wobei das externe Bauteil ein Teil einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges (501) ist.
21. Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, das Verfahren umfassend: - Detektieren einer Sensorsignalspannung (Us) durch die Steuerschaltung (3); - Vergleichen der Sensorsignalspannung (Us) mit einem ersten Spannungsschwellwert (U₁); - Erkennen einer Stellposition des Stellgliedes durch die Steuerschaltung (3), wenn die Sensorsignalspannung (Us) größer oder gleich dem ersten Spannungsschwellwert (U₁) ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, das Verfahren ferner umfassend: - Festlegen eines zweiten Spannungsschwellwerts (U₂); - Vergleichen der Sensorsignalspannung (Us) mit dem zweiten Spannungsschwellwert (U₂); - Erkennen der Stellposition des Stellgliedes durch die Steuerschaltung, (3), wenn die Sensorsignalspannung (Us) zwischen dem ersten Spannungsschwellwert (U₁) und dem zweiten Spannungsschwellwert (U₂) liegt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: - Festlegen eines dritten Spannungsschwellwerts (U₃); - Vergleichen der Sensorsignalspannung (Us) mit dem dritten Spannungsschwellwert (U3); - Ansteuern des Elektromotors (7) zum Verstellen des Stellgliedes, wenn die Sensorsignalspannung (Us) größer oder gleich dem dritten Spannungsschwellwert (U₃) ist.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: - Festlegen eines vierten Spannungsschwellwerts (U₄), wobei der Betrag des vierten Spannungsschwellwerts (U₄) größer als der Betrag des dritten Spannungsschwellwert (U₃) ist; - Vergleichen der Sensorsignalspannung (Us) mit dem vierten Spannungsschwellwert (U4); - Ansteuern des Elektromotors (7) zum Verstellen des Stellgliedes, wenn die Sensorsignalspannung (Us) zwischen dem dritten Spannungsschwellwert (U₃) und dem vierten Spannungsschwellwert (U₄) liegt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des dritten Spannungsschwellwerts (U₃) größer oder gleich dem Betrag des zweiten Spannungsschwellwerts (U₂) ist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine zeitliche Änderung der Sensorsignalspannung (Us) bestimmt und mit einem Bereich für einen Sollwert verglichen wird, wobei der Elektromotor (7) nur dann zum Verstellen des Stellgliedes angesteuert wird, wenn die zeitliche Änderung der Sensorsignalspannung im Bereich für den Sollwert liegt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26 und mit einem Sensorsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: - Festlegen eines Referenzwertes (U_ref) der Sensorsignalspannung (Us); - Detektieren der Sensorsignalspannung (Us); - Bestimmen eines Offsets (U_off) der Sensorsignalspannung (Us) zu dem Referenzwert (Uref); - Ansteuern oder Regeln des Digital-Analog-Wandlers (411) oder der Pulsweitenmodulation zum Kompensieren des Offsets (U_off).
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine Klappe (103) ist und die Stellposition eine Schließposition (P_s) der Klappe (103) ist.

Images