DE202009009028U1

DE202009009028U1 - Kapazitive Sensoreinheit

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Publication number: DE202009009028U1
Application number: DE202009009028U
Authority: DE
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: US20110001496A1; DE102010025120B4; FR2947625A1; DE102010025120A1; US8354851B2

Abstract

Kapazitive Sensoreinheit (1),
– mit einem im Querschnitt etwa U-förmigen, langgestreckten Träger (2) aus einem wasserundurchlässigen Material,
– mit einem Elektrodenstreifen (6), der in einem Innenraum (3) des Träger s(2) entlang dessen Längserstreckung einliegt, sowie
– mit einer Füllung (9) aus einer aushärtenden Füllmasse, die den Elektrodenstreifen (6) in ausgehärtetem Zustand wasserdicht einbettet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Sensoreinheit, insbesondere zur Verwendung für eine Einklemmschutzvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug.
Bei einem modernen Kraftfahrzeug sind Fenster, Türen und sonstige bewegbare Bauteile häufig durch eine motorische Stellvorrichtung angetrieben. Um zu verhindern, dass bei einer Stellbewegung ein Gegenstand, insbesondere ein Körperteil eines Fahrzeuginsassen, zwischen dem bewegbaren Bauteil und einem starren Karosserieteil eingeklemmt wird, ist einer solchen Stellvorrichtung in der Regel eine Einklemmschutzvorrichtung zugeordnet, die bei Erkennung eines Einklemmfalles die Stellbewegung anhält oder reversiert.
Einklemmschutzvorrichtungen umfassen häufig einen Sensor, mit dem gegebenenfalls die Anwesenheit eines Gegenstands in einem kritischen Einklemmbereich im Stellweg des Bauteils detektiert wird, um die Stellbewegung möglichst bereits zu stoppen, bevor der Gegenstand tatsächlich eingeklemmt wird. Um Gegenstände im Einklemmbereich berührungslos zu detektieren, werden für diesen Zweck insbesondere sogenannte kapazitive Sensoren eingesetzt. Ein solcher kapazitiver Sensor umfasst eine oder mehrere Elektroden, mit der bzw. denen im Einklemmbereich ein elektrisches Feld erzeugt wird. Für die Erkennung eines Einklemmfalles wird die elektrische Kapazität gemessen und ausgewertet, die zwischen den – gegebenenfalls mehreren – Sensorelektroden und/oder zwischen einer Sensorelektrode und der als Masse wirkenden Fahrzeugkarosserie gebildet ist. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass ein in den Einklemmbereich eindringender Fremdgegenstand, insbesondere ein Körperteil des menschlichen Körpers, das elektrische Feld und somit die gemessene Kapazität verändert.
Bei Fenstern, Türen und ähnlichen Bauteilen im Kraftfahrzeugbereich ist es vorteilhaft, den Sensor in unmittelbarer Umgebung eines Schließrandes des Bauteils oder eines Gegenschließrandes der Fahrzeugkarosserie zu führen, an die naturgemäß der Einklemmbereich unmittelbar angrenzt. Ein solcher Schließrand hat oft eine komplexe geometrische, meist dreidimensional gewundene Form von teils erheblicher Länge, insbesondere bei großen Bauteilen wie einer Heckklappe oder einem Fahrzeugverdeck. Der Schließrand ist zudem ungünstigen Umgebungseinflüssen wie Wasser und – teils chemisch aggressivem – Schmutz ausgesetzt.
Für diesen Einsatzzweck geeignete kapazitive Sensoren müssen daher einerseits möglichst einfach in vergleichsweise großer Dimensionierung herstellbar sein. Die Elektrode(n) solcher Sensoren müssen andererseits gegen Wasser und Schmutz sicher geschützt sowie widerstandfähig gegenüber mechanischer Beanspruchung sein, um eine hinreichende Ausfallsicherheit und Lebensdauer zu gewährleisten.
In einer z. B. aus DE 10 2004 055 476 B3 bekannten Bauform wird eine solche Sensoreinheit durch Koextrusion der Elektroden in einer flexiblen schlauchartige Hohlform, insbesondere einer Gummidichtung hergestellt. In dieser Bauform sind die Elektroden durch die Hohlform zwar wasserdicht geschützt. Nachteiligerweise sind durch Koextrusion jedoch mit vertretbarem Aufwand nur vergleichbar einfache Elektrodenstrukturen realisierbar. Insbesondere ist es aufwändig, mehrere (insbesondere mehr als nur zwei) in Längsrichtung des Trägers aneinandergereihte, gegeneinander isolierte Elektrodenschichten in den Hohlkörper einzubringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor dem vorstehend beschriebenen Hintergrund besonders geeignete kapazitive Sensoreinheit anzugeben.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst die Sensoreinheit einen im Querschnitt etwa U-förmigen, langgestreckten Träger aus einem wasserundurchlässigen Material.
Als im Querschnitt „U-förmig” wird hierbei allgemein ein länglicher Gegenstand bezeichnet, der zumindest über einen wesentlichen Teil seiner Längserstreckung einen Boden und zwei von diesem zur gleichen Seite abgebogene Seitenwände aufweist, so dass zwischen dem Boden und diesen Seitenwänden ein Innenraum gebildet ist, der zu der dem Boden entgegengesetzten Seite offen ist. Der Boden kann hierbei grundsätzlich scharfkantig oder abgerundet in die angrenzenden Seitenwände übergehen. Der Boden und die Seitenwände können jeweils eben oder im Querschnitt gebogen ausgebildet sein. In einer denkbaren Ausführungsform kann der Träger aber auch einen bogensegmentförmigen, insbesondere kreisbogensegmentförmigen Querschnitt aufweisen, bei dem Boden und Seitenwände kontinuierlich ineinander übergehen. An jedem seiner beiden Längsenden kann der Träger im Rahmen der Erfindung entweder offen oder geschlossen ausgebildet sein. Der Träger ist mit anderen Worten wahlweise als rinnenförmige, wannenförmige oder einseitig offene Struktur ausgebildet.
In den Innenraum des Trägers ist durch die seitliche Öffnung mindestens ein Elektrodenstreifen entlang dessen Längserstreckung eingebracht. Anschließend ist der Innenraum – zumindest teilweise – mit einer aushärtenden Füllmasse ausgefüllt, so dass der Elektrodenstreifen zwischen dem Träger und der (im Endfertigungszustand ausgehärteten) Füllmasse wasserdicht eingeschlossen ist.
Als aushärtende Füllmasse wird allgemein ein Material verstanden, das im Rohzustand flüssig, insbesondere viskos ist, und das im Zuge des Aushärtungsprozesses zu einem zusammenhängenden – vorzugsweise aber immer noch flexiblen – Körper erstarrt. Bei der Füllmasse handelt es sich insbesondere um einen geschlossenporigen Schaum, einen Klebstoff oder ein Gießharz, insbesondere um ein Polyurethan-Gießharz
Da der Träger und der Elektrodenstreifen zunächst unabhängig als separate Bauteile gefertigt werden, können diese Teile vergleichsweise einfach in komplexen geometrischen Formen vorgefertigt werden. Zudem erleichtert die vom Träger separate Fertigung des Elektrodenstreifens wesentlich die Realisierung mehrschichtiger Elektrodensysteme. Insgesamt kann also kann die Sensoreinheit hinsichtlich ihrer geometrischen Form und ihres Elektrodenaufbaus besonders flexibel an diverse Einbausituationen – z. B. an die individuelle Form eines zu überwachenden Schließrandes – angepasst werden. Der längsseitig offene Innenraum des Trägers erlaubt ein einfaches, insbesondere auch einfach automatisierbares Einbringen, insbesondere Einlegen des vorgefertigten Elektrodenstreifens. Durch die Einbettung des in den Träger eingebrachten Elektrodenstreifens durch die Füllmasse wird auf einfache Weise und effektive Weise sowohl eine mechanische Fixierung des Elektrodenstreifens auf dem Träger als auch eine hermetische Kapselung des Elektrodenstreifens gegen Wasser und Schmutz erzielt.
Zusätzlich eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, einerseits den Elektrodenstreifen schon vor dem Einbetten mit elektrischen Anschlussleitungen zu kontaktieren, so dass auch die – häufig besonders korrosionsanfälligen – Anschlussbereiche ohne Fertigungsmehraufwand wasser- und schmutzdicht gekapselt werden. Zudem können optional weitere Bauteile, wie beispielsweise eine elektronische Ansteuer- und/oder Auswerteeinheit des Sensors, in die vorstehend beschriebene Sensoreinheit integriert und somit ebenfalls gekapselt werden.
Vorzugsweise wird die gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gefertigte Sensoreinheit für eine Einklemmschutzvorrichtung, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, verwendet. Die erfindungsgemäß hergestellte Sensoreinheit ist aber nicht auf diesen Verwendungszweck beschränkt.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind sowohl der Träger, als auch der Elektrodenstreifen und die Füllmasse jeweils aus einem Material hergestellt, welches im Fertigungsendzustand der Sensoreinheit flexibel, d. h. biegbar ist. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, die fertiggestellte Sensoreinheit entsprechend einer vorgegebenen Einbausituation in Form zu biegen. In einer vorteilhaften Verfahrensvariante, mit der sich eine Sensoreinheit vereinfacht herstellen lässt, die in ihrer Endmontagestellung (z. B. entlang des Schließrandes einer Kraftfahrzeugheckklappe) bestimmungsgemäß entlang einer dreidimensional gekrümmten Raumkurve verläuft, wird die Sensoreinheit zunächst in einer nur zweidimensional gekrümmten Form gefertigt. Der Träger wird demnach zunächst im Wesentlichen in Form einer in einer (planen) Ebene liegende kurvigen Bahn hergestellt. Die Ausdehnung und Form dieser Bahn ist insbesondere etwa einer auf diese Ebene projizierten Kontur der dreidimensionalen Raumkurve angepasst, in welcher die Sensoreinheit endmontiert werden soll. Zur Fertigung der Sensoreinheit wird in diesen zweidimensional gekrümmten Träger – wie vorstehend beschrieben – der Elektrodenstreifen eingelegt und mit der Füllmasse eingebettet. Die zweidimensionale Vorfertigung hat insbesondere den Vorteil, dass die Sensoreinheit bei der Herstellung, dem anschließenden Transport und einer etwaigen Lagerung auf ebenen Flächen gelagert und platzsparend gepackt werden kann.
Die Sensoreinheit ist hierbei derart flexibel gestaltet, dass sie im Zuge der Endmontage (z. B. in einem Kraftfahrzeug) in ihren dreidimensional gekrümmten Endmontagezustand gebogen werden kann. Vorzugsweise wird die zweidimensional gefertigte Sensoreinheit erst unmittelbar vor bzw. bei der Endmontage in den dreidimensionalen Montagezustand verbogen.
Zweckmäßigerweise wird als Elektrodenstreifen eine flexiblere, flachere Leiterstruktur, insbesondere ein so genannter Flexleiter, herangezogen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Elektrodenstreifen mehrere Elektrodenschichten mit zwischengeordneten Isolierschichten auf. Insbesondere weist der Elektrodenstreifen mehrere Elektrodenschichten auf, die quer zu ihrer Schichtebene übereinander geschichtet sind. Bei einer solchen Anordnung sind die verschiedenen Schichten zweckmäßig zu unterschiedlichen Zwecken (Sendeelektrode, Empfangselektrode oder Abschirmelektrode) vorgesehen und entsprechend mit verschiedenen Potentialen verdrahtet. Zusätzlich oder alternativ kann der Elektrodenstreifen mehrere parallel zur Schichtebene nebeneinander angeordnete Elektrodenschichten enthalten. Durch mehrere in Längsrichtung der Sensoreinheit aneinandergereihte Elektrodenschichten kann der Elektrodenstreifen insbesondere in mehrere Segmente mit voneinander unabhängigen Empfangselektroden unterteilt werden, um eine verbesserte Ortsauflösung der Sensoreinheit zu erreichen.
Bevorzugt ist wird der Elektrodenstreifen in den Träger eingeklebt. Alternativ dazu ist vorgesehen, den Elektrodenstreifen als elektrisch leitende Schicht auf die den Innenraum begrenzende Wand des Trägers aufzudrucken. Hierdurch lassen sich auf besonders einfache Weise komplexe Elektrodenstrukturen fertigen und präzise auf dem Träger ortsfest fixieren. Durch abwechselndes Drucken von elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten und Isolierschichten werden hierbei optional mehrschichtige Elektrodenstrukturen geschaffen.
Grundsätzlich kann das Aufdrucken des Elektrodenstreifens in den Innenraum des U-förmigen Trägers auch ohne das nachträgliche Auffüllen dieses Innenraums mit der Füllmasse vorteilhaft sein. Das Aufdrucken einer Elektrodenstruktur in den Innenraum eines U-förmigen Trägers zur Herstellung einer kapazitiven Sensoreinheit wird insofern als eigenständige Erfindung betrachtet, wobei der Träger insbesondere auf eine der nachfolgend beschriebenen Arten hergestellt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Träger als Kunststoffspritzteil gefertigt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise insbesondere die vergleichsweise einfache Herstellung von komplex geformten Trägern, deren Querschnitt von einer einfachen Wannen- oder Rinnenform abweicht. Zweckmäßigerweise werden bei der Herstellung des Trägers bereits Montageelemente (beispielsweise Montage-Clips oder Montage-Zapfen) zur Befestigung der Sensoreinheit mit angeformt. Zusätzlich oder alternativ können solche Montageelemente, vorzugsweise formschlüssig, in die Füllmasse mit eingebettet werden.
In einer besonders kostengünstigen Alternative des Herstellungsverfahrens ist der Träger aus einer tiefgezogenen Kunststofffolie, insbesondere aus Polyurethan gefertigt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine kapazitive Sensoreinheit, und
2 in Darstellung gemäß 1 die Sensoreinheit in einem Endmontagezustand in einem Kraftfahrzeug.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine kapazitive Sensoreinheit 1. Die Sensoreinheit 1 umfasst einen länglichen Träger 2, dessen Längserstreckung quer zur Zeichnungsebene ausgerichtet ist. Der Träger 2 ist im Querschnitt etwa U-förmig, wodurch er einen Innenraum 3 von drei Seiten begrenzt. An einer vierten Längsseite 4 ist der Innenraum 3 des Trägers 3 nach außen hin offen. An den (nicht dargestellten) Längsenden ist der Träger 2 durch Stirnwände abgeschlossen. Der Träger 2 hat also eine wannenartige Form.
Im Innenraum 3 ist mittels einer Klebeschicht 5 ein ebenfalls langgestreckter Elektrodenstreifen 6 mit einer Bodenfläche 7 des Trägers 2 verklebt. Der Elektrodenstreifen 6, dessen Längserstreckung parallel zur Längserstreckung des Trägers 3 ausgerichtet ist, ist wiederum (in nicht dargestellter Weise) aus mehreren Elektrodenschichten gebildet. Diese umfassen z. B. eine Sendeelektrodenschicht, eine Empfangselektrodenschicht sowie optional eine Abschirmelektrodenschicht. Die Elektrodenschichten sind in eine Isolierschicht eingebettet und somit elektrisch gegeneinander isoliert. Bei dem Elektrodenstreifen 6 handelt es sich um einen so genannten Flex-Leiter.
Durch eine Füllung 9, die den Elektrodenstreifen 6 umschließt, ist der Innenraum 3 weitestgehend ausgefüllt, wodurch der Elektrodenstreifen 6 gegen das Eindringen von Wasser und Schmutz geschützt ist.
Der Träger 2 und/oder die Füllung 9, bevorzugt beide, bestehen aus einem elektrisch isolierenden und somit für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material. Der Träger 2 besteht bevorzugt aus einer Kunststofffolie aus Polyurethan mit einer Wandstärke von vorzugsweise ca. 1 mm.
Die Füllung 9 besteht aus einer im Rohzustand viskosen Füllmasse aus einem Polyurethan-Gießharz, die an der Luft zu einem flexiblen, zusammenhängenden Körper aushärtet.
Zur Herstellung der Sensoreinheit 1 wird zunächst der Träger 2 durch Tiefziehen hergestellt. Der fertige Träger 2, genauso dessen Längsachse, verläuft entlang einer zweidimensional gekrümmten Bahn. Der Träger 2 bildet also eine im Wesentlichen in einer planen Ebene liegende Struktur, die z. B. etwa der Projektion einer vorgegebenen dreidimensional gekrümmten Einbaulage der Sensoreinheit 1 auf diese Ebene entspricht. In den so gefertigten Träger 2 wird der als Fertigteil erhältliche und endseitig bereits mit elektrischen Anschlussleitungen kontaktierte Elektrodenstreifen 6 eingeklebt. Anschließend wird der Innenraum 3 unter Einbettung des Elektrodenstreifens 6 mit der noch flüssigen Füllmasse vergossen. Dabei werden optional Befestigungsclips 10 zur Befestigung der Sensoreinheit 1 mit einem Festende formschlüssig mit eingegossen.
Nach dem Aushärten der Füllmasse bildet der Träger 2 mit dem Elektrodenstreifen 6 und der Füllung 9, sowie den gegebenenfalls mit eingegossenen Befestigungsclips 10 eine stoffschlüssig zusammenhängende und wasserdicht gekapselte Baueinheit, die elastisch verbiegbar und in gewissem Umfang tordierbar ist, so dass die Sensoreinheit 1 an die dreidimensional gekrümmte Einbaulage anpassbar ist.
In 2 ist in einem ausschnitthaften Querschnitt durch ein Kraftfahrzeug 20 der Randbereich einer motorisch betätigbaren Heckklappe 21, sowie ein Ausschnitt einer starren Wandung 22 eines Kofferraums gezeigt. Die Sensoreinheit 1 ist als Bestandteil einer kapazitiven, berührungslosen Einklemmschutzvorrichtung entlang eines Schließrandes 23 der Heckklappe 21 angebracht. Sie wird hierzu in die dreidimensional gekrümmte Form des Schließrandes 23 gebogen und mit den Befestigungsclips 10 in entsprechenden Aufnahmen der Heckklappe 21 fixiert. Die Sensoreinheit 1 wird bevorzugt zusätzlich mit der Heckklappe 21 verklebt.
In dem Endmontagezustand gemäß 2 ist die Sensoreinheit 1 somit in unmittelbarer Nähe eines Einklemmbereichs 26 angeordnet, der zwischen dem Schließrand 23 und einem korrespondierenden Gegenschließrand 24 der Wandung 22 gebildet ist.
In 2 ist weiterhin ein im bestimmungsgemäßen Betrieb von der Sensoreinheit 1 zur Detektion eines Einklemmfalls in den Einklemmbereich 26 ausgestrahltes elektrisches Feld F angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004055476 B3 [0006]

Claims

Kapazitive Sensoreinheit (1), – mit einem im Querschnitt etwa U-förmigen, langgestreckten Träger (2) aus einem wasserundurchlässigen Material, – mit einem Elektrodenstreifen (6), der in einem Innenraum (3) des Träger s(2) entlang dessen Längserstreckung einliegt, sowie – mit einer Füllung (9) aus einer aushärtenden Füllmasse, die den Elektrodenstreifen (6) in ausgehärtetem Zustand wasserdicht einbettet.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Träger (2) und die ausgehärtete Füllmasse zusammen mit dem dazwischen eingebetteten Elektrodenstreifen (6) eine stoffschlüssig verbundene, biegbare Baueinheit bilden.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 2, wobei die Sensoreinheit (1) zunächst in einer zweidimensional gekrümmten Rohrform gefertigt wird, die im Zuge der Endmontage in eine dreidimensionale Form verbogen wird.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrodenstreifen (6) in den Träger (2) eingeklebt ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrodenstreifen (6) in den Träger (2) gedruckt ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Elektrodenstreifen (6) mehrere Elektrodenschichten mit einer jeweils zwischengeordneten Isolierschicht umfasst.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger (2) als Kunststoffspritzteil gefertigt ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger (2) aus einer tiefgezogenen Kunststofffolie gefertigt ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Füllmasse ein geschlossenporiger Schaum, ein Klebstoff oder ein Gießharz ist.
Sensoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in die Füllmasse Montageelemente (11) formschlüssig eingebettet sind.