DE10248761A1 - Kapazitiv messender Sensor und kapazitive Sensorik zum Detektieren einer Einklemmsituation - Google Patents

Kapazitiv messender Sensor und kapazitive Sensorik zum Detektieren einer Einklemmsituation Download PDF

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Abstract

Es wird ein kapazitiv messender Sensor, insbesondere zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen, mit einer Anordnung aus einer Mehrzahl von Elektroden auf einem Träger und mit Mitteln zur Messung einer Kapazität oder Kapazitätsänderung vorgeschlagen, wobei der Sensor flächig und folienartig mit einem aus Folienmaterial gebildeten Träger zur Anordnung der Elektroden ausgebildet ist. Des weiteren wird eine kapazitive Sensorik zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen mit mehreren Sensoren obiger Bauart vorgeschlagen, wobei bei einem Ansprechen einer Auswahl mehrerer der Sensoren eine Einklemmsituation erkannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen kapazitiv messenden Sensor mit einer Anordnung aus einer Mehrzahl von Elektroden auf einem Träger und mit Mitteln zur Messung einer Kapazität oder Kapazitätsänderung. Des weiteren betrifft die Erfindung eine kapazitive Sensorik zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen mit mehreren kapazitiv messenden Sensoren nach der Erfindung.
  • Bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen besteht grundsätzlich die Gefahr eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen, wodurch die Gegenstände beschädigt oder Personen verletzt werden können. Im Zuge einer immer weiter verbreiterten Anwendung von motorisch antreibbaren Vorrichtungen zur Komforterhöhung, beispielsweise in der Gebäudetechnik bei Türen, Fenstern und Rolläden oder in der Kraftfahrzeugtechnik bei Fenstern, Schiebedächern und Cabrioletverdecken, gewinnt eine frühzeitige und sichere Erkennung einer Einklemmsituation zunehmend an Bedeutung, da der Bewegungsablauf derartiger Vorrichtungen häufig automatisiert ohne die Überwachung durch eine Bedienperson erfolgt.
  • So weisen Cabriolet-Kraftfahrzeuge neuerer Bauart häufig ein fahrbares Verdeck auf, welches beispielsweise durch eine Tasterbetätigung automatisch von einer geöffneten in eine geschlossene Position oder umgekehrt bewegt werden kann. Die Verdeckbewegung erfolgt dabei üblicherweise durch einen hydraulischen Antrieb, welcher einen Verdeckmechanismus antreibt, der ein Verdeckgestänge, unter dem vorliegend sowohl eine Trageinrichtung für ein Textildach als auch ein sogenanntes Hard-Top-Klappdach mit im wesentlichen starren Dachelementen zu verstehen ist, und gegebenenfalls einen Deckel für einen Verdeckaufnahmeraum sowie alle hierdurch bewegten Elemente umfaßt.
  • Des weiteren ist es bekannt, eine Detektionseinrichtung mit kapazitiven Sensoren zur Erkennung eines Eingriffs in den Bewegungsraum einer motorisch antreibbaren Vorrichtung, wie z. B. des Cabriolet-Verdecks, vorzusehen.
  • Ein solcher Einklemmschutz mit einer kapazitiven Sensorik wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 36 056 A1 beschrieben, wobei eine Anordnung zur Detektion von Hindernissen, insbesondere beim automatischen Schliefen von Cabriolet-Verdecken, Kraftfahrzeug-Fenstern oder dergleichen, eine kapazitive Sensoreinrichtung umfaßt, bestehend aus einer elektrisch leitenden Senderfläche auf der einen Seite und einem elektrisch leitenden Sensordraht und mindestens einer im wesentlichen potentialfreien Metallfläche auf der anderen Seite eines Isolators. Die Senderfläche und der Sensordraht sind dabei an eine Auswerte-Schaltung angeschlossen.
  • Derartige mit einer kapazitiven Sensorik arbeitende Einklemmschutzeinrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Bauraum beanspruchen und somit nicht in allen sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden können, so daß gegebenenfalls erst sehr spät bei Kontakt mit dem in den Bewegungsablauf eingreifenden Objekt eine Einklemmsituation detektiert und eine entsprechende Reaktion eingeleitet werden kann.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiv messenden Sensor zu schaffen, der auch bei geringem zur Verfügung stehendem Einbauraum einsetzbar ist, und eine kapazitive Sensorik bereitzustellen, mit der ein Eingriff in einen Bewegungsraum einer motorisch antreibbaren Vorrichtung in allen sicherheitsrelevanten Bereichen sicher und möglichst frühzeitig erkannt wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem kapazitiv messenden Sensor nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einer kapazitiven Sensorik nach den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst.
  • Der kapazitiv messende Sensor nach der Erfindung, welcher flächig und folienartig mit einem aus Folienmaterial gebildeten Träger zur Anordnung der Elektroden ausgebildet ist, hat den Vorteil, daß er nur einen äußerst geringen Bauraum beansprucht und aufgrund seiner Wellbarkeit in alle Richtungen auch in schwierigen Einbauräumen plazierbar ist.
  • Dieser nur minimalen Bauraum erfordernde Sensor, welcher eine berührungslose Einklemmerkennung aufgrund einer Änderung des durch Luft gebildeten Dielektrikums ermöglicht, eignet sich besonders zur Detektion einer Einklemmsituation bei einer Verdeckbewegung eines Cabriolet-Verdecks.
  • Die erfindungsgemäße kapazitive Sensorik zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen mit mehreren kapazitiv messenden Sensoren nach der Erfindung hat den Vorteil, daß deutlich zwischen einer durch Umgebungsbedingungen verursachten Änderung der Kapazität aller Sensoren, z. B. aufgrund einer Veränderung der Luftfeuchtigkeit, und einer Veränderung der Kapazität aufgrund eines Eingriffs in den Bewegungsbereich der Vorrichtung mit einem Ansprechen nur einer Auswahl der verwendeten kapazitiv messenden Sensoren unterschieden werden kann. Das Vorliegen einer Einklemmsituation kann somit sicher erkannt werden.
  • Durch eine Auswertung der Dynamik der Kapazitätsänderung kann eine zusätzliche Erhöhung der Sicherheit des Ausgangssignals erreicht werden.
  • Bei der vorteilhaften Anwendung bei einem Verdeck eines Cabriolet-Kraftfahrzeugs werden die kapazitiv messenden Sensoren zweckmäßigerweise in kritischen Be reichen des Verdeckbewegungsablaufs angeordnet, so z. B. im Bereich scharnierartig verbundener Elemente des Verdeckgestänges und/oder eines Spannbügels und/oder eines Verdeckaufnahmeraumdeckels und/oder an einem Windschutzscheibenrahmen und/oder einem an Fenster angrenzenden Bereich. Dabei ist insbesondere eine platzsparende Anordnung zwischen einem Dichtungsprofil und/oder einem Verkleidungsteil und dessen Auflage vorteilhaft.
  • Um einen sicheren Einklemmschutz auch noch zu gewährleisten, wenn eine nach einem bestimmten Meßprinzip arbeitende Sensorik gestört ist oder eine Einklemmsituation nicht oder nicht rechtzeitig erkannt wird, ist es vorteilhaft, wenn die kapazitive Sensorik nach der Erfindung Teil einer Detektionseinrichtung zur Erkennung eines Eingriffs in einen Bewegungsraum des Verdeckmechnismus ist und mit einer nach einem anderen Meßprinzip messenden Sensorik zusammenwirkt, wobei nach Erkennen einer Störung der Detektionseinrichtung oder nach Erkennen einer Einklemmsituation die Verdeckbewegung über eine Steuereinrichtung in einem Sicherheitsmodus gesteuert wird. Der Übergang in den Sicherheitsmodus bei der Ansteuerung des Verdeckmechanismus, unter dem vorliegend ein Verdeckgestänge und gegebenenfalls ein Verdeckaufnahmeraumdeckel mit zugehörigen bewegten Elementen verstanden wird, gewährleistet dabei eine der jeweiligen Betriebssituation angepaßte Reaktion, welche in einem Fortfahren der Verdeckbewegung mit reduzierter Geschwindigkeit oder einem Stoppen oder Reversieren der Verdeckbewegung bestehen kann.
  • Als weitere nach einem anderen Meßprinzip arbeitende Sensorik kann beispielsweise eine optische Sensorik Anwendung finden.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematisierte Ansicht eines Verdecks eines Cabriolet-Kraftfahrzeugs in Alleinstellung;
  • 2 eine Prinzipskizze eines Aufbaus einer kapazitiven Senorik einer Detektionseinrichtung; und
  • 3 ein Ablaufdiagramm eines Normalmodus und eines Sicherheitsmodus zur Steuerung einer Verdeckbewegung mit Hilfe der kapazitiven Sensorik.
  • Die 1 zeigt ein fahrbares Verdeck 1 eines Cabriolet-Kraftfahrzeugs, wobei das Verdeck 1 einen Verdeckmechanismus 2 umfaßt, der durch eine ein Verdecksteuergerät darstellende Steuereinrichtung 3 und einen in 1 nur ausschnittsweise dargestellten elektro-hydraulischen Verdeckantrieb 4 zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung bewegbar ist.
  • Um die automatische Verdeckbewegung ohne Beteiligung eines Kraftfahrzeugbenutzers und ohne dessen Beobachtung sicher durchführen zu können, ist eine automatische Detektionseinrichtung 5 zur Erkennung eines Eingriffs in einen Bewegungsraum des Verdeckmechanismus 2 vorgesehen, welche bezüglich ihrer Auswerteeinheit vorliegend in das Verdecksteuergerät 3 integriert ist.
  • Die Detektionseinrichtung 5 weist eine Sensorik mit nach unterschiedlichen Meßprinzipien messenden Sensoren auf, wobei ein Teil der Sensorik als kapazitive Sensorik 6 ausgebildet ist, wie sie in 2 gezeigt ist.
  • Die vorgestellte kapazitive Sensorik 6 ermöglicht eine berührungslose Einklemmerkennung und eignet sich somit in besonderer Weise als Bestandteil eines Multisensor-Systems, wie der Sensorik der Detektionseinrichtung 5, welche neben der kapazitiven Sensorik 6 vorliegend auch eine nur symbolisch in 1 dargestellte optische Sensorik 7 aufweist.
  • In 2 ist prinzipmäßig ein Aufbau der kapazitiven Sensorik 6 gezeigt, welche mit mehreren kapazitiv messenden Sensoren ausgebildet ist, von denen eine Auswahl mit den kapazitiven Sensoren 8, 9, 10 und 11 in 2 gezeigt ist.
  • Die kapazitiven Sensoren 8 bis 11 sind bei der gezeigten Ausführung jeweils in einem kritischen Bereich des Verdeckmechanismus 2 angeordnet, wie z. B. in einem in der 1 gezeigten Bereich scharnierartig verbundener Elemente 12, 13 eines Verdeckgestänges, eines Spannbügels 14, einem an Fenster angrenzenden Bereich 15, einem Anlagebereich 16 an einen Windschutzscheibenrahmen und in einem Anlagebereich für einen Verdeckaufnahmeraumdeckel dessen Anordnungsbereich in 1 mit dem Bezugszeichen 17 angedeutet ist.
  • Wie in der 2 schematisch gezeigt ist, ist ein jeder kapazitiver Sensor 8 bis 11 vorliegend als ein flächiger, folienartiger Sensor ausgebildet, bei dem Elektroden 18 auf einem Träger aus Folienmaterial angeordnet sind. Die spezielle Struktur der Leiterbahnen auf dieser Folie ergibt jeweils einen kapazitiven Aufnehmer, der einseitig auf eine Änderung des Dielektrikums, welches bei den kapazitiven Sensoren 8 bis 11 Luft ist, reagiert. Bei einer Annäherung eines Gegenstandes oder eines Körperteils ändert sich somit die Kapazität, die in einer integrierten Elektronik zur Weiterverarbeitung in der Steuereinrichtung 3 des Verdecks 1 in ein analoges Spannungssignal umgewandelt wird.
  • Wie der 2 zu entnehmen ist, sind die folienartig ausgebildeten Sensoren 8 bis 11 jeweils über eine Auswerteelektronik bzw. Auswerteschaltung 19, 20, 21, 22, welche aus der Kapazität des Sensors ein analoges Spannungssignal generiert, mit dem Verdecksteuergerät 3 verbunden, wobei zwischen den Auswerteschaltungen 19 bis 22 und dem Verdecksteuergerät 3 bei der gezeigten Ausführung ein sich automatisch nachregelnder Schwellwertschalter 23 vorgesehen ist. Der sich nachregelnde Schwellwertschalter 23 bewirkt beispielsweise bei stark erhöhter Luftfeuchtigkeit der Umgebung, wie z. B. einer Auflage von Schnee, eine Verschiebung des Schaltpunktes und eine damit verbundene Reduzierung der Empfindlichkeit aller Sensoren, so daß z. B, durch den Schnee hindurch ein Körperteil, wie beispielsweise ein Finger, erkannt werden kann. Die den einzelnen kapazitiven Sensoren 8 bis 11 zugeordneten Auswerteschaltungen 19 bis 22 sind ebenfalls auf einem Folienmaterial angeordnet.
  • Die kapazitiven Sensorfolien 8 bis 11, die nach Möglichkeit zwischen Dichtungen oder Verkleidungsteilen des Verdeckmechanismus 2 und deren Auflage angebracht sind, erkennen einen Fremdkörper in einem Abstand von beispielsweise bis zu 60 mm.
  • Um Fehlauslösungen aufgrund äußerer Einflüsse auszuschließen, werden die verwendeten Sensoren 8 bis 11 untereinander abgeglichen und ihre Signale von der zugehörigen Auswerteeinrichtung bzw. dem Schwellwertschalter 23 auf Plausibilität geprüft. So wird bei einer Kapazitätsänderung aller kapazitiver Sensoren von einer Änderung der Umgebungseinflüsse ausgegangen, während bei einer Änderung der Kapazität bei einer Auswahl der kapazitiven Sensoren, z. B. eines oder zweier benachbarter kapazitiver Sensoren, eine Einklemmsituation erkannt wird.
  • Es ist auch denkbar, den Schwellwertschalter und die zugehörige Auswertelogik softwareseitig, also in dem Verdecksteuergerät 3 zu realisieren.
  • Sobald eine Störung der Detektionseinrichtung 5 erkannt wird oder die vorbeschriebene Sensorik eine Einklemmsituation bei der Verdeckbewegung detektiert, wird die Verdeckbewegung in einem in 3 näher gezeigten Sicherheitsmodus gesteuert, in dem die Verdeckbewegung mit reduzierter Geschwindigkeit und Kraft fortgesetzt, stillgesetzt oder ganz oder teilweise reversiert wird.
  • Wie dem Ablaufdiagramm in 3 zu entnehmen ist, wird hier in einem ersten Schritt S1 ein automatischer Start der Verdeckbewegung zum Schließen des Verdecks 1 ausgelöst, wenn von einem Regensensor eine definierte Wassermenge detektiert wird.
  • Nach dem Start der automatischen Verdeckbewegung wird in einem weiteren Schritt S2 geprüft, ob die vorliegende optische Sensorik 7 funktiontüchtig ist. Wenn dies zutrifft, wird eine Verarbeitungsfunktion S3 für einen Normalmodus gestartet, in dem der Verdeckmecha nismus 2 mit größtmöglicher Kraft und Geschwindigkeit angetrieben wird.
  • Dabei wird in einer Abfragefunktion S4 ständig abgefragt, ob das Verdeck 1 bereits seine Endposition erreicht hat. Falls dies der Fall ist, wird in eine die Überwachungsfunktion beendende Verarbeitungsfunktion S15 verzweigt, ansonsten wird das Verdeck 1 über eine weitere Verarbeitungsfunktion S5 weiterhin in seiner Schließbewegung gehalten, wobei während der Bewegung permanent in einer Abfragefunktion S6 überprüft wird, ob ein Einklemmen über die optische oder kapazitive oder sonstige Sensorik erkannt wird.
  • Bei einem positiven Abfrageergebnis der Abfragefunktion S6, d. h. bei Erkennen einer Einklemmsituation, wird die Verdeckbewegung in einer nachfolgenden Verarbeitungsfunktion S7 zunächst gestoppt und eine Wartezeit gestartet. In einer auch „Timeout"-Funktion genannten Abfragefunktion S8 wird während des Stillstandes der Verdeckbewegung abgefragt, ob die Einklemmsituation weiterhin besteht.
  • Falls die Einklemmsituation nicht weiter gegeben ist, wird zurückverzweigt zur Abfragefunktion S4, in der überprüft wird, ob die Endposition des Verdecks 1 erreicht ist, ansonsten wird die Verdeckbewegung über die Funktion S5 weiter zugelassen.
  • Falls nach Ablauf der Wartezeit bei gestoppter Verdeckbewegung die Abfragefunktion S8 ergibt, daß die Einklemmsituation weiterhin besteht, wird mit einer Verarbeitungsfunktion S9 ein Sicherheitsmodus gestartet. Dieser Sicherheitsmodus wird ebenfalls gestartet, wenn unmittelbar nach Start der automatischen Verdeckbewegung in der Abfragefunktion S2 erkannt wird, daß die optische Sensorik 7 nicht funktionstüchtig ist.
  • Nach Start des Sicherheitsmodus wird wie in dem Normalmodus zunächst in einer Abfragefunktion S10 überprüft, ob das Verdeck 1 seine Endposition erreicht hat. Falls dies bereits der Fall ist, wird zu der die Überwachung beendenden Funktion S15 verzweigt. Andernfalls wird die Verdeckbewegung über eine Verarbeitungsfunktion S11 mit verminderter Geschwindigkeit v_min fortgesetzt, wobei während dieser verlangsamten Verdeckbewegung anhand einer Abfragefunktion S12 überprüft wird, ob eine Einklemmsituation über die kapazitive Sensorik 6 erkannt wird. Wenn dies nicht der Fall ist, wird zur Abfragefunktion S10 zurückverzweigt und das Verdeck mit verminderter Geschwindigkeit bis zum Erreichen seiner Endposition geschlossen.
  • Falls in der Abfragefunktion S12 in dem Sicherheitsmodus eine Einklemmsituation erkannt wird, wird die Verdeckbewegung in einer Verarbeitungsfunktion S13 je nach Schwere der Einklemmsituation gestoppt oder reversiert, wobei in einem weiteren Schritt S14 eine Wartezeit gestartet wird, während der überprüft wird, ob die Einklemmsituation weiterhin besteht. Solange dies der Fall ist, bleibt die Verdeckbewegung gestoppt oder wird reversiert.
  • Mit Hilfe des Sicherheitsmodus wird ausgeschlossen, daß aufgrund eines Einfachfehlers die Automatikfunktion der Verdeckbewegung nicht gestartet wird und dadurch das Fahrzeug gegebenenfalls beschädigt wird. Andererseits wird bei einer eindeutigen Einklemmsituation sofort eine angemessene Reaktion eingeleitet.
  • Es versteht sich, daß der vorgestellte kapazitiv messende Sensor ein beliebige, für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Anordnung von Elektroden aufweisen kann und die kapazitive Sensorik mit entsprechenden Modifikationen bei zahlreichen anderen Anwendungsfällen beispielsweise in der Gebäudetechnik oder der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz kommen kann.
    • 1
    Verdeck
    2
    Verdeckmechanismus
    3
    Steuereinrichtung, Verdecksteuergerät
    4
    Verdeckantrieb
    5
    Detektionseinrichtung
    6
    kapazitive Sensorik
    7
    optische Sensorik
    8–11
    kapazitiv messender Sensor, Sensorfolie
    12
    Element des Verdeckgestänges
    13
    Element des Verdeckgestänges
    14
    Spannbügel
    15
    Bereich, der an Fenster grenzt
    16
    Anlagebereich an Windschutzscheibenrahmen
    17
    Verdeckaufnahmeraumdeckel
    18
    Elektroden
    19–22
    Auswerteelektronik, Auswerteschaltung
    23
    Schwellwertschalter
    S1–S15
    Verfahrensschritt der Verdecksteuerung

Claims (9)

  1. Kapazitiv messender Sensor, insbesondere zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen, mit einer Anordnung aus einer Mehrzahl von Elektroden auf einem Träger und mit Mitteln zur Messung einer Kapazität oder Kapazitätsänderung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (8–11) flächig und folienartig mit einem aus Folienmaterial gebildeten Träger zur Anordnung der Elektroden (18) ausgebildet ist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum des kapazitiv messenden Sensors (8–11) Luft vorgesehen ist.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem automatisch nachregelnden Schwellwertschalter (23) verbunden ist.
  4. Kapazitive Sensorik zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei motorisch antreibbaren Vorrichtungen mit mehreren Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ansprechen einer Auswahl mehrerer der Sensoren (8–11), insbesondere zweier benachbarter Sensoren (8–11) eine Einklemmsituation erkannt wird.
  5. Kapazitive Sensorik nach Anspruch 4 zum Detektieren eines Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen bei einem Verdeck eines Cabriolet-Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (8–11) im Bereich scharnierartig verbundener Elemente (12, 13) eines Verdeckgestänges und/oder eines Spannbügels (14) und/oder eines Verdeckaufnahmeraumdeckels (17) und/oder an einem Windschutzscheibenrahmen (16) und/oder einem an ein Fenster angrenzenden Bereich (15) angeordnet ist.
  6. Kapazitive Sensorik nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (8–11) zur Erkennung einer Einklemmsituation zwischen einem Dichtungsprofil und/oder Verkleidungsteil und dessen Auflage angeordnet ist.
  7. Kapazitive Sensorik nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer Detektionseinrichtung (5) zur Erkennung eines Eingriffs in einen Bewegungsraum eines Verdeckmechanismus (2) ist und mit einer nach einem anderen Meßprinzip messenden Sensorik (7) zusammenwirkt, wobei nach Erkennen einer Störung der Detektionseinrichtung (5) oder nach Erkennen einer Einklemmsituation die Verdeckbewegung über eine Steuereinrichtung (3) in einem Sicherheitsmodus (S9) ge steuert wird, in dem die Verdeckbewegung mit reduzierter Geschwindigkeit und Kraft fortgesetzt oder stillgesetzt oder reversiert wird.
  8. Kapazitive Sensorik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer optischen Sensorik (7) zusammenwirkt.
  9. Kapazitive Sensorik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das der Sicherheitsmodus (S9) gestartet wird, wenn eine Störung der optischen Sensorik (7) erkannt wird.
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