-
Die
Erfindung betrifft einen Einklemmsensor, insbesondere zum Erkennen
eines Hindernisses im Weg eines Stellelements eines Kraftfahrzeugs.
-
Bekannte
Einklemmsensoren nutzen zum Erkennen eines Hindernisses beispielsweise
das kapazitive Messprinzip. Dabei wird zwischen einer Messelektrode
und einer geeigneten Gegenelektrode ein elektrisches Feld aufgebaut.
Tritt in dieses elektrische Feld ein Dielektrikum ein, so verändert sich
die Kapazität
des von der Messelektrode und der Gegenelektrode gebildeten Kondensators.
Auf diese Weise kann theoretisch jedes Hindernis im Weg eines Stellelements
eines Kraftfahrzeugs detektiert werden, dessen relative Dielektrizitätszahl εr sich
von der relativen Dielektrizitätszahl
von Luft unterscheidet. Das Hindernis im Weg eines Stellelements
wird ohne einen physischen Kontakt mit dem Einklemmsensor erkannt.
Wird eine Kapazitätsänderung
detektiert, so können
rechtzeitig Gegenmaßnahmen,
wie beispielsweise ein Stoppen oder ein Reversieren des Antriebs
eingeleitet werden, bevor es zu einem tatsächlichen Einklemmen des Hindernisses
kommt.
-
Bei
den Stellelementen eines Kraftfahrzeuges kann es sich beispielsweise
um ein elektrisch betätigbares
Fenster, eine elektrisch betätigbare
Schiebetür
oder eine elektrisch betätigbare
Heckklappe handeln. Auch kann ein auf dem kapazitiven Messprinzip
beruhender Einklemmsensor zur Detektion von Hindernissen im Falle
eines elektrisch betätigbaren
Sitzes eingesetzt werden.
-
Berührungslos
arbeitende, auf dem kapazitiven Messprinzip beruhende Einklemmsensoren
sind beispielsweise aus der
EP
1 455 044 A2 und der
EP 1 154 110 A2 bekannt. Beide Sensoren erzeugen
mittels einer Messelektrode und einer geeigneten Gegenelektrode
ein äußeres elektrisches
Feld, so dass ein in dieses äußere elektrische
Feld eindringendes Dielektrikum als eine Kapazitäts änderung zwischen Messelektrode
und Gegenelektrode detektiert werden kann. Um eine hohe Sicherheit
bei der Detektion eines Einklemmfalles gewährleisten zu können, ist zusätzlich bei
beiden vorbekannten Einklemmsensoren der Abstand zwischen Messelektrode
und Gegenelektrode flexibel gestaltet, wodurch auch ein physischer
Kontakt eines Hindernisses mit dem Einklemmsensor als eine Kapazitätsänderung
detektierbar wird.
-
Gemäß der
EP 1 455 044 A2 werden
hierzu die Messelektrode und die Gegenelektrode in einem Sensorkörper aus
einem elastischen Isoliermaterial durch eine materialfreie Blase
voneinander getrennt. In der
EP 1 154 110 A2 wird hierzu vorgeschlagen,
in einem Sensorkörper
aus einem Isoliermaterial zwischen Messelektrode und Gegenelektrode
einen Materialbereich mit einer gegenüber dem übrigen Isoliermaterial verminderten
Härte vorzusehen.
Auch dieser Materialbereich kann als eine materialfreie Blase ausgestaltet
sein.
-
Nachteiligerweise
zeigen beide Einklemmsensoren des Standes der Technik eine hohe
Empfindlichkeit gegenüber äußeren elektromagnetischen Störfeldern.
Dies erschwert eine Auswertung der Sensorsignale bei Annäherung von
Mess- und Gegenelektrode. Weiter kann es nachteiligerweise bei beiden
Einklemmsensoren zu einem Verkleben zwischen Mess- und Gegenelektrode
kommen, was zumindest einen Teilausfall des Einklemmsensors bedeutet.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Einklemmsensor anzugeben, der eine möglichst
hohe Sicherheit bei der Detektion eines Einklemmfalles im Weg eines
Stellelements eines Kraftfahrzeugs bietet. Weiter ist es Aufgabe
der Erfindung, eine für
einen derartigen Einklemmsensor geeignete Auswerteschaltung anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die
Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung
aus, dass ein Hindernis im Weg eines Stellelements mit den eingangs
genannten Einklemmsen soren gemäß Stand
der Technik zwar sowohl berührungslos
bei Annäherung
als auch bei physischem Kontakt detektiert wird, dass jedoch die
bekannten Einklemmsensoren im eigentlichen Sinne nicht redundant
arbeiten, da sowohl für die
berührungslose
als auch für
die taktile Detektion ein- und dieselben Komponenten verwendet werden. Die
Kapazität
zwischen einer Messelektrode und einer Gegenelektrode wird sowohl
hinsichtlich ihrer Abhängigkeit
von einem eindringenden Dielektrikum als auch hinsichtlich ihrer
Abhängigkeit
vom Elektrodenabstand ausgewertet. Dies führt jedoch dazu, dass ein Ausfall
eines Teilsystems gleichbedeutend ist mit einem Ausfall des Gesamtsystems.
Verkleben beispielsweise die Messelektrode und die Gegenelektrode
miteinander oder dringt Flüssigkeit
zwischen die Messelektrode und die Gegenelektrode, so kann die zwischen
den Elektroden gebildete Kapazität
nicht mehr zu einer berührungslosen
Detektion eines eindringenden Dielektrikums herangezogen werden.
-
Diese
Problematik löst
die Erfindung dadurch, dass zur Detektion eines physischen Kontaktes
ein Drucksensor vorgesehen ist, der von der Messelektrode zur Erzeugung
eines äußeren elektrischen
Feldes entkoppelt ist. Somit kann selbst bei einem Totalausfall
der Messelektrode, die zur berührungslosen
Detektion eines Hindernisses notwendig ist, nach wie vor der physische
Kontakt eines Hindernisses mit dem Einklemmsensor detektiert und
sofortige Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden. Dies erhöht
die Sicherheit für
die Detektion eines Einklemmfalles gegenüber den bekannten Einklemmsensoren beträchtlich.
-
Neben
der Erhöhung
der Sicherheit bei Erkennung eines Einklemmfalles bietet die Erfindung den
weiteren Vorteil, dass sich der Drucksensor und die Messelektrode
völlig
unabhängig
voneinander und daher insbesondere parallel auswerten lassen. Die
gekoppelten Teilsysteme der bekannten Einklemmsensoren können im
Gegensatz hierzu, da für beide
Teilsysteme dieselben Komponenten verwendet werden, nur seriell
ausgewertet werden, womit immer eine unerwünschte Zeitverzögerung verbunden
ist.
-
Zur
Ausgestaltung des Einklemmsensors ist es nicht notwendig, dass der
Sensorkörper
aus einem elastischen Material besteht. Denn der separate, von der
zum Aufbau einer Messkapazität
vorgesehenen Messelektrode entkoppelte Drucksensor kann insbesondere
an einer exponierten Stelle angeordnet sein, die eine Detektion
einer äußeren Kraft-
bzw. Druckeinwirkung ermöglicht.
So kann der Drucksensor beispielsweise auf oder unter der Oberfläche des Einklemmsensors
angeordnet sein.
-
Für die Anwendung
des Einklemmsensors im Automobilbereich ist es jedoch sinnvoll,
wenn der Sensorkörper
aus einem flexiblen, insbesondere elastischen Material besteht.
Hierdurch wird es ermöglicht,
den Einklemmsensor beispielsweise entlang der Schließkante eines
Stellelements zu führen und
ihn hierbei entsprechend der vorgegebenen Geometrien zu verformen.
Auch erlaubt es eine elastische Ausgestaltung des Sensorkörpers, den
Drucksensor im Inneren des Einklemmsensors anzuordnen.
-
Doch
auch im Falle eines elastischen Sensorkörpers stellt es eine einfache
und kostengünstige Möglichkeit
dar, den Drucksensor als ein Kontaktelement dem Sensorkörper aufzulegen.
Vorteilhafterweise ist der Drucksensor dabei an einer Auflagefläche des
Sensorkörpers
angeordnet. Hierdurch kann eine zusätzliche Abschirmung der Messelektrode
erreicht werden, was sich günstig
auf die Störempfindlichkeit
gegen äußere Felder
auswirkt. Auch bei einem elastischen Material des Sensorkörpers kann ein
physischer Kontakt eines Hindernisses mit dem Einklemmsensor durch
eine entsprechende Verformung des Drucksensors detektiert werden.
-
Dadurch,
dass der Sensorkörper
einen Drucksensorteil aus einem flexiblen, insbesondere elastischen
Material und einen Messelektrodenteil aus einem Material höherer Härte umfasst,
hat eine Druckverformung des im Drucksensorteil eingebetteten Drucksensors
keinen Einfluss auf die Kapazität zwischen
Mess- und Gegenelektrode, da sich deren Abstand hierdurch nicht
oder nur vernachlässigbar ändert. Als
Material des Drucksensorteils bietet sich beispielsweise EPDM an.
Für das
Material des Messelektrodenteils kann beispielsweise ein aushärtendes
Kunstharz oder ein Hartkunststoff eingesetzt werden.
-
Für die bereits
erwähnte
Führung
des Einklemmsensors entlang einer Schließkante eines Stellelements
ist es zweckmäßig, wenn
sich der Sensorkörper
in einer Längsrichtung
erstreckt, wobei die Messelektrode als Flachleiter ausgeführt ist.
Neben den Verwendungs- und Einbauvorteilen einer derartigen Form
kann ein solch langgestreckter Einklemmsensor auch kostengünstig mittels
Extrusion hergestellt werden.
-
Insbesondere
bietet es sich an, den Sensorkörper
als einen Dichtkörper
mit einer Dichtkontur auszugestalten. Hierdurch wird es ermöglicht,
den Einklemmsensor gleichsam als Dichtung entlang der Schließkante der
Karosserie, z.B. als Tür-
oder Fenstergummi, zur Abdichtung gegenüber dem Schließelement
zu verlegen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Messelektrode entlang der Längsrichtung
in eine Anzahl von Einzelelektroden unterteilt, die jeweils über eine
separate Zuleitung kontaktierbar sind. Hierdurch wird erreicht,
dass sich die zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode
messbare Kapazität
verringert, da die gesamte Fläche
der Messelektrode in mehrere unterbrochene Einzelflächen der
getrennten Elektroden aufgeteilt ist. Eine niedrige, sich insgesamt
zwischen Mess- und Gegenelektrode ausbildende Kapazität führt jedoch
dazu, dass sich eine kleine Kapazitätsänderung im Verhältnis zur
Gesamtkapazität
leichter detektieren lässt.
Das Verhältnis
aus Kapazitätsänderung und
Gesamtkapazität
verschiebt sich zugunsten der Kapazitätsänderung. Ein derart ausgestalteter
Einklemmsensor erlaubt zudem die Detektion einer Kapazitätsänderung
mittels eines Multiplex-Verfahrens. Dabei können die einzelnen Elektroden
mittels der separaten Zuleitungen entweder zeitlich versetzt (seriell)
oder gleichzeitig (parallel) angesteuert werden. Eine serielle Ansteuerung
bietet den Vorteil, dass nur eine einzige Auswerteschaltung zur
Detektion einer Kapazitätsänderung
notwendig wird. Allerdings ist hierbei die Zeitkonstante zu beachten,
bis alle Einzelelektroden nacheinander durchgeschaltet worden sind.
Eine parallele Ansteuerung weist zwar die nachteilige Zeitverzögerung nicht
auf, erfordert jedoch zur Auswertung mehrere Auswerteelektroniken,
wodurch sich die Kosten erhöhen.
-
Die
Unterteilung der Messelektrode in eine Anzahl von Einzelelektroden
bietet den Vorteil einer ortsaufgelösten Detektion eines Einklemmfalles.
Insofern ist es zweckmäßig, wenn
auch der Drucksensor entlang der Längsrichtung in eine Anzahl
von getrennt auslesbaren Einzelsensoren segmentiert ist. Ein Einklemmsensor
mit einer derartigen Segmentation sowohl der Messelektrode als auch
des Drucksensors erlaubt es zudem, in unterschiedlichen Segmenten
eine unterschiedliche Priorisierung von Kapazitäts- und Drucksensorsignalen
vorzusehen. So kann beispielsweise im Scherspalt einer Heckklappe in
unmittelbarer Nähe
des Drehpunktes bzw. der drehbaren Heckklappenlagerung die berührungslose Detektion
eines Hindernisses mittels einer Kapazitätsänderung zugunsten der taktilen
Detektion ausgeschaltet werden. Denn im Bereich der Lagerung sind
die Heckklappe und die Kraftfahrzeugkarosserie dicht beabstandet,
so dass sich mittels einer Messelektrode gegenüber der Karosserie als Gegenelektrode
kein elektrisches Fernfeld ausbilden lässt. Vielmehr wird sich eine
direkte Kapazität
zwischen der Messelektrode und der benachbarten Heckklappe bzw.
zwischen der Messelektrode und dem Rahmen bei einer Anordnung des
Einklemmsensors an der Heckklappe ausbilden. Insofern kann dort
der Detektion eines Einklemmfalles mittels physischem Kontakt der
Vorzug gegenüber
der berührungslosen
Detektion eingeräumt
werden.
-
Für die Ausbildung
eines elektrischen Fernfeldes zwischen Messelektrode und Gegenelektrode ist
es weiter vorteilhaft, wenn der Sensorkörper eine als Driven-Shield ausgebildete
oder schaltbare Abschirmelektrode umfasst Die als Driven-Shield eingesetzte
Abschirmelektrode wird dabei durch geeignete Schaltmittel auf dasselbe
Potenzial wie die Messelektrode gebracht. Auf diese Weise wird zwischen
der Messelektrode und der Gegenelektrode keine direkte Kapazität ausgebildet.
Vielmehr bildet sich zwischen der Messelektrode und der durch die
Abschirmelektrode abgeschirmten Gegenelektrode ein räumlich ausgedehntes
elektrisches Feld, so dass ein eindringendes Dielektrikum berührungslos
durch eine Kapazitätsänderung
erfasst werden kann. Insbesondere bietet es sich dabei an, als Gegenelektrode
die Karosserie und insbesondere den Rahmen der Karosserie zu verwenden,
in welchem das Stellelement geführt
ist. Dabei ist die Driven-Shield-Elektrode
vorzugsweise so anzuordnen, dass sich das zwischen Mess- und Gegenelektrode
ausbildende elektrische Feld in den potentiellen Gefährdungsbereich
hinein erstreckt. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht
werden, dass die Driven-Shield-Elektrode im Wesentlichen der Messelektrode
gegenüberliegt bzw.
zwischen dieser und der Gegenelektrode angeordnet ist.
-
Für die Ausgestaltung,
in welcher die Messelektrode in Einzelelektroden segmentiert ist,
ist es zweckmäßig, wenn
die Abschirmelektrode in elektrisch kontaktierbare Einzelelektroden
unterteilt ist, zwischen denen isoliert die separaten Zuleitungen angeordnet
sind. Auf diese Weise wird auch verhindert, dass sich zwischen den
Zuleitungen und der Gegenelektrode eine direkte Kapazität ausbildet.
-
Für den Drucksensor
selbst eignen sich prinzipiell alle bekannten Drucksensortypen.
So kann ein druckabhängiger
Widerstand ebenso eingesetzt werden wie eine druckabhängige Kapazität oder ein druckempfindlicher
Lichtleiter. Insbesondere können auch
so genannte Dehnmessstreifen verwendet werden, deren Widerstandsänderung
bei einer mechanischen Ausdehnung oder Stauchung messtechnisch erfasst
werden kann. Auch ist es möglich,
als einen Drucksensor einen Hall-Sensor einzusetzen, wobei sich
unter einer Druckbelastung ein Magnetfeld um den Hall-Sensor ändert. Um
jedoch die Empfindlichkeit des Einklemmsensors gegenüber äußeren Störfeldern
möglichst
gering zu halten, bietet es sich an, als Drucksensor einen piezoelektrischen
Drucksensor zu verwenden. Dabei wird mittels eines geeigneten Piezoelektreten
der piezoelektrische Effekt ausgenutzt, wobei der geeignete Piezoelektret
unter Druckeinwirkung eine elektrische Spannung generiert. Als ein
Piezoelektret bietet sich eine Piezokeramik an, die insbesondere
auch als piezokeramische Folie ausgebildet sein kann. Auch sind
piezoelektrische Polymere bekannt. Die erzeugte Spannung kann mittels
Elektroden abgegriffen werden, zwischen denen der Piezoelektret
bzw. die Piezokeramik angeordnet ist.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist als Drucksensor
ein Piezoelektret eingesetzt, dessen unter Druck generierte elektrische
Spannung mittels Elektroden abgegriffen wird, wobei eine dieser Elektroden
auch als eine Abschirmelektrode des Driven-Shield verwendet wird.
Hierdurch kann ein kompakter Aufbau des Einklemmsensors erzielt
werden.
-
Der
Einklemmsensor lässt
sich sowohl als Flach- als auch als Rundkabel realisieren. Auch
bietet es sich an, den Einklemmsensor in eine umlaufende Dichtung
am Rahmen des Schließelements
zu integrieren. Vorzugsweise ist der Einklemmsensor als flexible
Leiterstruktur, beispielsweise als ein flexibles Flachkabel (FFC,
flexible flat cable) ocer als eine flexible Leiterstruktur (FPC,
flexible printed circuit) ausgeführt.
Vorteilhafterweise sind dabei die einzelnen Elektroden jeweils als
flache Leiterbahnen in dem flexiblen isolierenden Material der Leiterstruktur
ausgebildet.
-
Die
Aufgabe hinsichtlich einer Auswerteschaltung wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst. Demgemäß umfasst eine geeignete Auswerteschaltung
für den
vorbeschriebenen Einklemmsensor Messpotenzialausgabemittel zur Ausgabe
eines Messpotenzials an eine Messelektrode, Kapazitätserfassungsmittel
zur Erfassung einer von einer Gegenelektrode und einer Messelektrode
gebildeten Messkapazität,
Kapazitätsauswertemittel
zur Auswertung einer Änderung der
erfassten Messkapazität,
Sensorauswertemittel zur unabhängigen
Erfassung und Auswertung von Signalen eines Drucksensors und Ausgabemittel
zur Ausgabe eines Detektionssignals in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung
der Messkapazität
und zur Ausgabe eines Detektionssignals in Abhängigkeit von dem ausgewerteten
Signal des Drucksensors.
-
Die
Messpotenzialausgabemittel sind zur Ausgabe eines geeigneten Messpotenzials
bzw. zur Erzeugung einer entsprechenden Spannung an die Messelektrode
bzw. zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode ausgestaltet.
Die von Gegenelektrode und Messelektrode gebildete Messkapazität kann dann
bei einer Gleichspannung beispielsweise über eine Lade- bzw. Entladezeit
detektiert wer den. Auch ist es möglich,
die Messkapazität aus
der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises abzuleiten.
-
In
einer messtechnisch einfachen und wenig störanfälligen Variante umfassen die
Messpotenzialausgabemittel eine Wechselspannungsquelle. Dies erlaubt
insbesondere zur Erfassung der Messkapazität eine Brückenschaltung vorzusehen, wobei
die Messkapazität über ihren
Wechselstromwiderstand oder über
ihre Phasenwirkung bestimmt werden kann. Dabei wird die Messkapazität über die
an ihr abfallende Spannung bei einer vorgegebenen Wechselspannung
erfasst, wozu beispielsweise aus der abgegriffenen Spannung ein
Spitzenwertsignal generiert wird, welches mit einer Vergleichsspannung
verglichen werden kann. Alternativ ist es möglich, die aus der Kapazität im Wechselspiel
mit einem Vorwiderstand resultierende Phasenverstimmung gegenüber der
angelegten Wechselspannung zu detektieren.
-
Um
eine Fehldetektion eines Einklemmfalles bei einem langsamen Driften
der aus Messelektrode und Gegenelektrode gebildeten Kapazität zu vermeiden,
können
insbesondere steuerbare Kapazitäten zur
Kompensation vorgesehen sein. Als steuerbare Kapazitäten können beispielsweise
Kapazitätsdioden
eingesetzt werden.
-
Die
Sensorauswertemittel der Auswerteschaltung sind zur unabhängigen Erfassung
und Auswertung von Signalen eines Drucksensors ausgebildet. Hierdurch
wird eine redundante Erfassung eines Hindernisses im Weg eines Stellelements
ermöglicht,
wobei das Hindernis zum einen berührungslos über die Kapazitätsänderung
zwischen Messelektrode und Gegenelektrode erfasst und zum anderen
bei einem weiteren Schließvorgang
des Stellelements durch eine Kraft- bzw. Druckbeaufschlagung des Drucksensors
erkannt wird.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kapazitätserfassungs-
und -auswertemittel und/oder die Sensorauswertemittel zur selektiven
Auswertung von in Segmenten angeordneten Einzelelektroden und/oder
Einzelsensoren ausgebildet.
-
Dies
erlaubt mittels Multiplexing eine Ortsauflösung eines erkannten Einklemmfalles.
-
Dabei
können – wie bereits
erwähnt – die Ausgabemittel
derart ausgelegt werden, dass zur Ausgabe des Detektionssignals
die Signale der Einzelelektroden und der Einzelsensoren in unterschiedlichen
Segmenten des Einklemmsensors unterschiedlich priorisiert werden.
Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz des Einklemmsensors im
Scherspalt einer Heckklappe von Nutzen.
-
Zur
Erfassung der Messkapazität
oder der Signale des Drucksensors ist weiet von Vorteil, hierfür geeignete
selektive Filter, wie beispielsweise einen Bandpaß vorzusehen.
Hierdurch kann die Messempfindlichkeit erhöht werden.
-
Zum
Einsatz der vorbeschriebenen Auswerteschaltung, des vorbeschriebenen
Einklemmsensors oder einer Baueinheit, die sowohl den Einklemmsensor
als auch die Auswerteschaltung umfasst, bietet sich insbesondere
in einem Kraftfahrzeug an, als Gegenelektrode die geerdete Karosserie
des Kraftfahrzeugs vorzusehen. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, eine
Gegenelektrode, die mit der Messelektrode eine Kapazität ausbildet, im
Sensorkörper
des Einklemmsensors anzuordnen.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 schematisch
eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs,
-
2 in
einem Querschnitt einen durch eine flexible Leiterkarte realisierten
Einklemmsensor,
-
2b in
einer Aufsicht einen alternativen Einklemmsensor,
-
3 in
einem Querschnitt einen weiteren als Flachbandkabel realisierten
Einklemmsensor,
-
4 in
einem Querschnitt einen alternativen als Flachbandkabel ausgestalteten
Einklemmsensor und
-
5 schematisch
eine Auswerteschaltung
-
1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 1,
von dem die Motorhaube 2, das Dach 3 sowie die
Windschutzscheibe 4 sichtbar sind. Weiter sind eine vordere
Tür 5 und
eine hintere Tür 6 dargestellt.
-
Die
vordere Tür 5 weist
als Stellelement 7 eine elektrisch angetriebene Scheibe 9 auf.
Beim Schließen
der Scheibe 9 muss sichergestellt werden, dass sich in
der Bewegungssphäre
der Scheibe 9 kein Hindernis befindet. Zu diesem Zweck
ist entlang der vorderen und oberen Innenkontur der Tür 5 ein Einklemmsensor 10 angebracht,
der durch ein Dichtelement 11 realisiert ist. In dem Dichtelement 11 befinden
sich – hier
nicht dargestellt – zur
Ausbildung einer Messelektrode mehrere voneinander getrennte Einzelelektroden,
die zur Ansteuerung separate Zuleitungen aufweisen. Zwischen den
einzelnen Elektroden und der Innenkontur der vorderen Tür 5 ist
in der Abdichtung 11 weiter eine Abschirmelektrode angeordnet.
Als Gegenelektrode dient die Karosserie des Kraftfahrzeugs 1.
-
Die
Abdichtung 11 umfasst einen Sensorkörper aus einem elastischen
Kunststoff. Entlang der Abdichtung 11 sind in die Oberfläche des
Sensorkörpers
eine Reihe von druckempfindlichen Einzelsensoren eingelassen. Durch
Auswertung der Signale der Einzelsensoren ist es möglich, ein
physisch von der Scheibe 9 gegen die Abdichtung 11 drückendes Hindernis
zu lokalisieren und entsprechende Gegenmaßnahmen wie ein sofortiges
Stoppen und anschließendes
Reversieren des Antriebs einzuleiten.
-
Vor
Erreichen eines physischen Kontaktes mit der Abdichtung 11 wird
mit dem Einklemmsensor 10 ein sich in der Bewegungssphäre der Scheibe 9 befindliches
Hindernis, welches eine relative Dielektrizitätskonstante von > 1 aufweist, von dem
Einklemmsensor 10 jedoch bereits berührungslos detektiert. Hierzu
wird mittels eines an die Messelektrode angelegten Messpotenzials
zwischen der Mess- und der Gegenelektrode ein elektrisches Feld
erzeugt, welches aufgrund der vorhandenen Abschirmelektrode in den
Raum hineinragt. Dringt ein dielektrisches Hin dernis in dieses äußere elektrische
Feld ein, so resultiert hieraus eine Änderung der aus den in der Abdichtung 11 angeordneten
Elektroden und der als Gegenelektrode wirkenden Karosserie gebildeten Kapazität. Wird
eine derartige Kapazitätsänderung detektiert,
so wird ebenfalls mittels eines entsprechenden Steuersignals der
elektrische Antrieb angehalten und reversierend angetrieben, d.h.
in Gegenrichtung bestromt.
-
Zur
Beschreibung der Funktionsweise ist in 2 ein weiterer
Einklemmsensor 13 dargestellt, der durch eine mehrere Lagen
aufweisende flexible Leiterstruktur 14 ausgestaltet ist.
Die untere Lage der flexiblen Leiterstruktur 14 wird dabei
durch eine als flächige
Leiterbahn ausgebildete Abschirmelektrode 16 gebildet.
Ihr gegenüber
ist in der obersten Lage der Leiterkarte 14 als Messelektrode 17 weiter
eine flächige
Leiterbahn angeordnet. Diese ist – hier nicht sichtbar – in Längsrichtung
der Leiterkarte 14 mehrfach unterteilt. Unterhalb der Messelektrode 17 ist wiederum
als eine flächige
Leiterbahn eine der Abschirmung dienende Einzelelektrode 18 ausgebildet, die
mit der Abschirmelektrode 16 elektrisch leitend verbunden
ist. In der Lage zwischen der Einzelelektrode 18 und der
Abschirmelektrode 16 sind nun abwechselnd jeweils weitere
der Abschirmung dienende Einzelelektroden 20 sowie separate
elektrische Zuleitungen 23 angeordnet, die zur Kontaktierung der
durch Segmentierung der Messelektrode 17 entstehenden Einzelelektroden
dienen. In dem dargestellten Schnitt wird dies dadurch erkennbar,
dass die mittig angeordnete elektrische Zuleitung 23 über eine Durchkontaktierung 21 mit
der darüber
angeordneten einzelnen Messelektrode 17 elektrisch kontaktiert
ist. Zur Durchkontaktierung weist dabei die Einzelelektrode 18 an
entsprechender Stelle einen Durchbruch auf. Die Elektroden sind
jeweils voneinander durch ein flexibles Isolationsmaterial 24 der
Leiterkarte 14 isoliert.
-
Zur
Detektion eines Hindernisses im Weg eines Stellelements ist der
Einklemmsensor 13 einer geerdeten Gegenelektrode 25 aufgesetzt,
die beispielsweise durch die Karosserie eines Kraftfahrzeugs gebildet
sein kann. Zum Messen einer durch ein Hindernis hervorgerufenen
Kapazitätsänderung wird
die Messelektrode 17 mittels der Signalleitung 26,
der entsprechenden Zuleitung 23 sowie der Durchkontaktierung 21 mit
einer Wechselspannung beaufschlagt. Die Wechselspannung wird hierbei durch
einen Signalgenerator 28 gegenüber dem Erdpotenzial erzeugt.
Weiter werden mittels der Verbindungsleitung 30 die der
Abschirmung dienenden Einzelelektroden 18 und 20 sowie
die Abschirmelektrode 16 mit einer Wechselspannung beaufschlagt,
die aus der der Messelektrode 17 zugeleiteten Wechselspannung
abgeleitet ist. Hierfür
ist zwischen der Signalleitung 26 und der Verbindungsleitung 30 ein
als Operationsverstärker
ausgebildetes Schaltmittel 32 eingesetzt. Auf diese Weise
wird sichergestellt, dass die der Abschirmung dienenden Elektroden 16, 18 und 20 sich
ohne zeitliche Verzögerung
auf demselben Potenzial befinden wie die Messelektrode 17.
Infolge der sich auf gleichem Potenzial befindlichen Einzelelektroden 16, 18 und 20 bildet
sich zwischen der Messelektrode 17 und der Gegenelektrode 25 keine
direkte Kapazität.
Diese wird direkt von der Abschirmelektrode 16 und der
Gegenelektrode 25 gebildet. Stattdessen entsteht zwischen
den Kanten der Messelektrode 17 und der Gegenelektrode
bzw. der geerdeten Karosserie 25 ein in den Raum hinausragendes
elektrisches Feld, dessen erfasster Raum zur Detektion von Hindernissen
verfügbar
wird. Dabei ist die durch die Kanten der Messelektrode 17 und
der Gegenelektrode 25 gebildete Kapazität infolge des Abschirmeffektes
durch die Einzelelektroden 18 und 20 sowie die
Abschirmelektrode 16 deutlich gegenüber einer direkten Kapazität verringert.
-
Zur
Messung der Kapazitätsänderung
ist zwischen der Signalleitung 26 und dem Erdpotenzial eine
Auswerteschaltung 33 angeordnet. Diese Auswerteschaltung 33 detektiert
das Verhältnis
aus Kapazitätsänderung ΔC zur Kapazität C. Da
die Kapazität
C gering ist, kann eine kleine Kapazitätsänderung ΔC detektiert werden. Zur Detektion
der Kapazität kann
entweder eine Messbrücke
verwendet oder die Ladekonstante beobachtet werden. Auch sind hierfür bereits
vorgefertigte käuflich
erwerbbare Elektronikbausteine einsetzbar.
-
Etwa
mittig ist an der Auflagefläche
des Sensorkörpers
des Einklemmsensors 13 ein Drucksensor 34' angeordnet.
Der Drucksensor 34' ist
dabei als ein piezoelektrischer Sensor verwirklicht, der bei Druckbeaufschlagung
eine messbare Piezo spannung generiert. Wird ein im Stellweg befindliches
Hindernis von dem Stellelement gegen den Einklemmsensor 13 physisch
kontaktiert, so resultiert hieraus eine Verformung des Drucksensors 34', was die mit dem
Drucksensor 34' verbundene
Auswerteschaltung 33 infolge eines geänderten Ausgabesignales erkennt.
Somit erfolgen die berührungslose
Detektion eines Hindernisses und die Detektion eines physischen
Kontaktes mit dem Hindernis in dem dargestellten Einklemmsensor 13 voneinander
völlig
unabhängig.
Um eine Verformung des Drucksensors 34' zu ermöglichen, ist der Drucksensor
in ein Isolationsmaterial 24' eingebettet,
welches gegenüber
dem Isolationsmaterial 24 eine geringere Härte aufweist. Insbesondere
ist das Isolationsmaterial 24' ein EPDM, d.h. ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk.
-
In 2b ist
der in 2 im Querschnitt gezeigte Einklemmsensor 13 mit
einer alternativen Anordnung eines Drucksensors 34 in einer
Aufsicht dargestellt. Man erkennt hierbei die flexible Leiterkarte 14,
die sich leicht entlang einer Kontur eines Kraftfahrzeugs, wie insbesondere
entlang der Kontur einer Schließkante
des Rahmens eines Stellelements, führen lässt. Zur Verdeutlichung des
Aufbaus ist auf der Oberseite des Einklemmsensors 13 das
Isolationsmaterial entfernt bzw. nicht eingezeichnet. Aus diesem
Grund sind die in Längsrichtung
der flexiblen Leiterkarte 14 unterbrochenen Einzelelektroden 35 deutlich
sichtbar. Jede dieser Einzelelektroden 35 weist eine Durchkontaktierung 21 auf,
die mit einer separaten Zuleitung verbunden ist. Auf diese Weise ist
zur Auswertung des Einklemmsensors 13 ein Multiplex-Verfahren
anwendbar. Mit dem in 2 dargestellten Signalgenerator 28 und
der Auswerteschaltung 33 werden zeitlich versetzt nacheinander
die Einzelelektroden 35 einzeln angesteuert und die hierdurch
gebildeten Kapazitäten
jeweils erfasst. Aufgrund der verringerten Fläche der Einzelelektroden 35 gegenüber einer
durchgängig
verlaufenden Leiterbahn ist die Kapazität zwischen den Elektroden 35 und
der Gegenelektrode 25 weiter verringert. Dies erlaubt eine
weitere Erhöhung
der Detektionsempfindlichkeit.
-
Auf
der Oberfläche
des Einklemmsensors 13 ist weiter, in Längsrichtung verlaufend, ein
optischer Drucksensor 34 angeordnet, bei dem die Übertragungscharakteristik
eines durcheilenden Lichtstrahls druckabhängig ausgestaltet ist. Hierzu
wird beispielsweise ein Lichtwellenleiter eingesetzt, bei dessen Verformung
sich für
einen durcheilenden Lichtstrahl das Verhältnis aus Reflexion und Transmission ändert. Ein
physischer Kontakt eines Hindernisses mit dem Drucksensor 34 wird
als Änderung
der Übertragungscharakteristik
eines durchlaufenden Lichtstrahls von einem Ende des Einklemmsensors 13 zu seinem
anderen Ende detektiert.
-
In 3 ist
in einem Querschnitt ein weiterer Einklemmsensor 40 dargestellt,
der als ein Flachbandkabel ausgestaltet ist. Der in 3 dargestellte Einklemmsensor 40 umfasst
im Wesentlichen zwei Subsysteme, die der berührungslosen Detektion eines
Hindernisses bzw. der Detektion eines physischen Kontaktes mit einem
Hindernis dienen. Dabei ist das erste Subsystem zur berührungslosen
Detektion eines Hindernisses durch eine als Flachleiter ausgebildete
Messelektrode 17 und durch die ebenfalls als Flachleiter
ausgebildeten Abschirmelektroden 16 und 16' ausgebildet.
Die Messelektrode 17 des Einklemmsensors 40 gemäß 3 ist
dabei im Unterschied zur 2 nicht segmentiert.
-
Wie
vorbeschrieben wird durch Anlegen eines Messpotenzials an die Messelektrode 17 und
Anlegen eines identischen Potenzials an die Abschirmelektroden 16 und 16' erreicht, dass
sich zwischen der Messelektrode 17 und der geerdeten Karosserie 25 ein
in den Raum hineinragendes elektrisches Feld ausgebildet wird. Somit
kann ein in das elektrische Feld eindringendes dielektrisches Hindernis
als eine Kapazitätsänderung
der Kapazität
zwischen Messelektrode 17 und Abschirmelektroden 16 und 16' erkannt werden.
-
Das
Isolationsmaterial 24' im
Bereich des ersten Subsystems, d.h. im Bereich der Elektroden 16 und 17,
ist als ein Epoxidharz ausgeführt,
so dass eine Druckbeaufschlagung zu keiner Änderung des Abstands zwischen
der Messelektrode 17 und der Gegenelektrode 25 führt.
-
Als
weiteres Subsystem ist in das Isolationsmaterial 24 des
Sensorkörpers
ein piezokeramischer Drucksensor 34' integriert. Der piezokeramische Drucksensor 34' umfasst hierbei
eine zwischen äußeren Elektroden 41 angeordnete
Piezokeramik 43. Das Isolationsmaterial 24 ist
im Bereich des piezokeramischen Drucksensors 34' als Silikonkautschuk oder
als EPDM ausgeführt.
Eine äußere Druckeinwirkung
auf den Einklemmsensor 40 resultiert über das elastische Isolationsmaterial 24 in
einer Verformung der Piezokeramik 43. Hieraus resultiert
eine piezoelektrische Spannung, die über die Elektroden 41 abgegriffen
werden kann.
-
In 4 ist
ein weiterer als Flachbandkabel ausgeführter Einklemmsensor 45 gezeigt.
Im dargestellten Fall ist das Isolationsmaterial 24, in
welches eine Messelektrode 17 eingebettet ist, insgesamt elastisch
ausgeführt.
Unterhalb der Messelektrode 17 befindet sich ein piezokeramischer
Drucksensor 34',
der eine zwischen flächigen
Elektroden 41 angeordnete Piezokeramik 43 umfasst.
-
Die
Elektroden 41 des piezokeramischen Drucksensors 34' werden wie
in 2 dargestellt, als Abschirmelektroden eingesetzt
und mit demselben Messpotenzial beaufschlagt wie die Messelektrode 17.
Hierdurch erfüllt
der piezokeramische Drucksensor 34' die Funktion einer Abschirmelektrode,
so dass sich ein gewünschtes äußeres elektrisches
Feld zwischen der mit dem Messpotenzial beaufschlagten Messelektrode 17 und
der Gegenelektrode 25 bzw. der Fahrzeugkarosserie ausbildet.
Somit kann ein kompakter Aufbau des Einklemmsensors 45 erzielt
werden.
-
In
Längsrichtung
des Einklemmsensors 45 ist sowohl die Messelektrode 17 als
auch der piezokeramische Drucksensor 34' jeweils in gleich lange Abschnitte
segmentiert. Hierzu ist die Messelektrode 17 in Einzelelektroden
unterteilt. Der piezokeramische Drucksensor 34' umfasst hierzu
eine Reihe von einzeln auslesbaren druckempfindlichen Einzelsensoren.
Eine solche Anordnung erlaubt eine räumliche Auflösung eines
Einklemmfalles und erlaubt es auch, für die Detektion eines Einklemmfalles
in unterschiedlichen Segmenten des Einklemmsensors 45 die
Signale einer Kapazitätsänderung
(berührungslose
Detektion) und eines in folge physischen Kontaktes auslösenden Drucksensors 36 unterschiedlich
zu berücksichtigen
bzw. zu priorisieren.
-
In 5 ist
schematisch eine Auswerteschaltung 48 zur Ansteuerung eines
der vorgenannten Einklemmsensoren gezeigt. Die Auswerteschaltung 48 umfasst
hierbei eine steuerbare Wechselspannungsquelle 50, sowie
Messbrücken,
die jeweils aus einem Vorwiderstand 52, 54 und
der jeweils zu messenden Messkapazität 53 bzw. 55 aufgebaut sind.
Mittels der Messbrücken
werden die Messkapazitäten 53, 55 über zugeordnete
Signalabgriffe 57 bzw. 58 mittels einer Auswerteeinheit 60 erfasst. Hierzu
weist die Auswerteeinheit 60 Kapazitätsauswertemittel 61 auf,
die mittels einer Vergleichsspannung die an der jeweiligen Messkapazität 53 bzw. 55 abfallende
Spannung bestimmt und hieraus die Größe der Messkapazität 53 bzw. 55 ermittelt.
Hierzu wird die Wechselspannungsquelle 50 jeweils zur Ausgabe
einer entsprechenden Wechselspannung an die der zu bestimmenden
Messkapazität 53, 55 entsprechende
Messelektrode angesteuert.
-
Weiter
umfasst die Auswerteeinheit 60 Sensorauswertemittel 63,
die zum einen zeitliche Änderungen
der Messkapazitäten 53, 55 und
zum anderen Sensorsignale von zugeordneten druckempfindlichen Einzelsensoren 36 auswertet.
Sowohl bei einer entsprechenden zeitlichen Änderung der Messkapazitäten 53, 55 als
auch bei einem entsprechenden Sensorsignal der Drucksensoren 36 kommunizieren die
Sensorauswertemittel 63 mit Ausgabemitteln 65 derart,
dass ein entsprechendes Detektionssignal am Detektionsausgang 66 erzeugt
wird. In Abhängigkeit von
dem Detektionssignal wird mittels einer entsprechenden Motorsteuerung
der Antrieb eines Stellelements gestoppt und reversierend angetrieben.
-
Die
Sensorauswertemittel 63 können auch derart eingerichtet
sein, dass beispielsweise für
einen Einklemmsensor gemäß 4 die
Ausgabe eines Detektionssignals in unterschiedlichen Segmenten des
Einklemmsensors unterschiedlich von der Detektion einer zeitlichen Änderung
der jeweiligen Messkapazität 53, 55 und
den jeweils von den Einzelsensoren ausgegebenen Drucksignalen abhängig ist.
So kann beispielsweise in einem vorbestimmten Segment im Zusammenspiel zwischen
den Sensorauswertemitteln 63 und den Ausgabemitteln 65 ein Detektionssignal
am Detektionsausgang 66 nur dann erzeugt werden, wenn ein
entsprechendes Signal des jeweiligen Drucksensors 36 vorliegt.
In anderen Segmenten kann wiederum die Kapazitätsänderung der jeweiligen Messkapazitäten 53, 55 zu
der Erzeugung eines Detektionssignals am Detektionsausgang 66 führen, während die
Drucksensoren 36 unberücksichtigt
bleiben.
-
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Motorhaube
- 3
- Dach
- 4
- Windschutzscheibe
- 5
- Tür, vorne
- 6
- Tür, hinten
- 7
- Stellelement
- 9
- Scheibe
- 10
- Einklemmsensor
- 11
- Dichtelement
- 13
- Einklemmsensor
- 14
- Leiterkarte
- 16,
16'
- Abschirmelektrode
- 17
- Messelektrode
- 18
- Einzelelektrode
(Abschirmung)
- 20
- Einzelelektrode
(Abschirmung)
- 21
- Durchkontaktierung
- 23
- Zuleitungen
- 24
- Isolationsmaterial
- 25
- Gegenelektrode
- 26
- Signalleitung
- 28
- Signalgenerator
- 30
- Verbindungsleitung
- 32
- Schaltmittel
- 33
- Auswerteschaltung
- 34,
34'
- Drucksensor
- 35
- Einzelelektroden
(Messelektrode)
- 36
- Einzelsensoren
(Druck)
- 40
- Einklemmsensor
- 41
- Elektroden
(Drucksensor)
- 43
- Piezokeramik
- 45
- Einklemmsensor
- 48
- Auswerteschaltung
- 50
- Wechselspannungsquelle
- 52
- Ohmscher
Widerstand
- 53
- Messkapazität
- 54
- Ohmscher
Widerstand
- 55
- Messkapazität
- 57
- Signalabgriff
- 58
- Signalabgriff
- 60
- Auswerteeinheit
- 61
- Kapazitätsauswertemittel
- 63
- Sensorauswertemittel
- 65
- Ausgabemittel
- 66
- Detektionsausgang
- 68
- Steuerleitung