DE202022002872U1

DE202022002872U1 - Flaches Funktionselement und Heizsystem mit einem solchen Funktionselement

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Publication number: DE202022002872U1
Application number: DE202022002872.5U
Authority: DE
Original assignee: Gentherm GmbH
Current assignee: Gentherm GmbH
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: WO2024022553A2; WO2024022553A3

Abstract

Flaches Funktionselement (10), mit
- einer elektrischen Heizeinrichtung (12); und
- einer elektrischen Detektionseinrichtung (18) zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement (10); dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (18) zumindest eine Detektionselektrode (20) umfasst, an welcher durch eine Annährung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder durch einen Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement (10) eine Änderung der elektrischen Kapazität zur Umgebung oder einer Referenzelektrode (114) hervorrufbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein flaches Funktionselement mit einer elektrischen Heizeinrichtung und einer elektrischen Detektionseinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objektes an das Funktionselement und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement.
Ferner betrifft die Erfindung ein Heizsystem mit einem Funktionselement, welches eine Heizeinrichtung und eine Detektionseinrichtung zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement umfasst, und einer Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Heizeinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung zu betreiben.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Fahrzeuginnenraum, in welchem eine oder mehrere Heizflächen angeordnet sind.
In modernen Fahrzeugen werden vermehrt Flächenheizungen zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums eingesetzt. Derartige Flächenheizungen sind häufig als Hochleistungsheizeinrichtungen ausgeführt, welche vergleichsweise hohe Temperaturen liefern können. Um berührungsbedingte Verletzungen bei den Nutzern zu verhindern, sind derartige Hochleistungsheizsysteme häufig mit einer Detektionsfunktion ausgestattet, mittels welcher die Annäherung eines Objekts oder die Berührung durch ein Objekt, beispielsweise durch eine menschliche Hand, erfasst werden kann. Bei Erfassen einer Annäherung oder Berührung kann die Heizeinrichtung dann temporär abgeschaltet werden, sodass berührungsbedingte Verbrennungen vermieden werden.
Entsprechende Heizsysteme umfassen häufig ein flaches Funktionselement, welches beispielsweise als Heizfolie ausgebildet sein kann. Derartige Funktionselemente können bauraumsparend und optisch unauffällig unterhalb der sichtbaren Materiallage im Fahrzeuginnenraum angeordnet werden. Die bekannten Funktionselemente weisen häufig einen mehrschichtigen Aufbau auf, wobei die Detektionseinrichtung als eigenständige Sensorschicht zusätzlich zu einer Heizschicht vorliegt. Eine derartige separate Sensorschicht hemmt die Wärmeübertragung von der elektrischen Heizeinrichtung in den Innenraum des Fahrzeugs. Aufgrund dieses Isolationseffekts der separaten Sensorschicht wird mehr elektrische Energie bzw. eine höhere Temperatur an der Heizeinrichtung benötigt, um eine beabsichtigte Oberflächentemperatur an der obersten und an den Fahrzeuginnenraum angrenzenden Materialschicht zu erzielen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht also darin, den Energiebedarf von Heizsystemen mit einer Berührungserkennung zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein flaches Funktionselement der eingangs genannten Art, wobei die Detektionseinrichtung des erfindungsgemäßen Funktionselements zumindest eine Detektionselektrode umfasst, an welcher durch eine Annäherung eines Objekts an das Funktionselement und/oder durch einen Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement eine Änderung der elektrischen Kapazität zur Umgebung oder einer Referenzelektrode hervorrufbar ist.
Das erfindungsgemäße Funktionselement basiert folglich auf der kapazitiven Berührungserkennung. Die Änderung der elektrischen Kapazität wird durch eine Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung der Detektionselektrode verursacht. Das Objekt, welches sich an das Funktionselement annähern kann oder welches mit dem Funktionselement in Kontakt kommen kann, ist beispielsweise eine menschliche Hand oder ein menschlicher Finger. Je nach Positionierung des Funktionselements im Fahrzeuginnenraum kann das Objekt aber auch ein Bein oder eine Schulter sein.
Die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung ist vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet. Das Funktionselement weist vorzugsweise einen mehrschichtigen Aufbau auf. Die Heizeinrichtung und die Detektionseinrichtung bilden vorzugsweise eine gemeinsame Heiz- und Detektionsschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements umfasst die elektrische Heizeinrichtung zumindest einen elektrisch leitfähigen Heizleiter. Das Funktionselement kann auch mehrere Heizleiter umfassen. Der eine oder die mehreren Heizleiter können jeweils eine oder mehrere Heizbahnen bilden. Der eine oder die mehreren Heizleiter verlaufen vorzugsweise mäanderförmig. Der eine oder die mehreren Heizleiter können aus Aluminium ausgebildet sein. Der eine oder die mehreren Heizleiter verlaufen vorzugsweise derart, dass sich über die gesamte Fläche des flachen Funktionselements oder innerhalb eines Heizbereichs des Funktionselements eine gleichmäßige bzw. homogene Wärmeverteilung während des Betriebs der Heizeinrichtung einstellt.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Funktionselement bevorzugt, bei welchem sich der Heizleiter entlang eines durchgängigen Heizleiterpfads erstreckt. Der durchgängige Heizleiterpfad umfasst vorzugsweise mehrere parallel verlaufende Segmente, wobei benachbarte parallele Segmente mittels eines gekrümmten Heizleitersegments elektrisch leitfähig miteinander verbunden sein können. Der Heizleiter der Heizeinrichtung bildet vorzugsweise eine elektrische Heizschleife.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Funktionselement bevorzugt, bei welchem die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung mehrere elektrisch leitfähig miteinander verbundene Detektionsteilflächen aufweist. Die Detektionsteilflächen bilden gemeinsam die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung und somit eine Platte eines Plattenkondensators. Einzelne Detektionsteilflächen können die gleiche Form und/oder Größe aufweisen. Ferner können Detektionsteilflächen sich hinsichtlich ihrer Größe und/oder Form voneinander unterscheiden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements sind mehrere Detektionsteilflächen als seitliche Flächenausläufer ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich bilden die Detektionsteilflächen eine Struktur mit mehreren Zweigen. Durch die seitlichen Flächenausläufer bzw. die Zweigstruktur kann die Gesamtfläche des flachen Funktionselements optimal für die Detektionselektrode genutzt werden.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Funktionselement vorteilhaft, bei welchem die mehreren Detektionsteilflächen eine dendritische Flächenstruktur bilden. Eine dendritische Flächenstruktur zeichnet sich durch eine verzweigte oder verästelte Flächenform aus.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements ist die Fläche der Detektionselektrode größer als die Fläche des Heizleiters. Die Fläche der Detektionselektrode sollte möglichst groß sein, damit sich eine große Sensorfläche bzw. eine große Kondensatorplattenfläche ergibt, woraus gute Detektionseigenschaften resultieren. Umso größer die Fläche der Detektionselektrode ist, umso einfacher kann über eine Signalauswertung eine Annäherung eines Objekts an das Funktionselement oder ein Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement erfasst werden.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Funktionselement vorteilhaft, bei welchem die Detektionselektrode oder die Detektionsteilflächen der Detektionselektrode zumindest abschnittsweise von dem elektrisch leitfähigen Heizleiter umgeben werden. Vorzugsweise ist die Form von mehreren oder sämtlichen Detektionsteilflächen der Detektionselektrode an den Verlauf des Heizleiterpfads des Heizleiters der Heizeinrichtung angepasst.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements ist zwischen der Detektionselektrode oder den Detektionsteilflächen der Detektionselektrode und dem elektrisch leitfähigen Heizleiter ein dielektrischer Isolationsspalt vorhanden. Durch den dielektrischen Isolationsspalt wird verhindert, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Heizleiter und der Detektionselektrode vorliegt. Der Isolationsspalt kann beispielsweise ein Luftspalt sein. In dem Isolationsspalt kann sich alternativ auch ein Isolationsmaterial befinden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements weist der Isolationsspalt eine konstante Spaltbreite auf. Eine konstante Spaltbreite wird dadurch erreicht, dass die Kontur der Detektionsteilflächen an den Verlauf des Heizleiterpfads angepasst ist. Die Spaltbreite des Isolationsspalts kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 1 mm liegen. Eine entsprechende Spaltbreite ist ausreichend, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Heizleiter und der Detektionselektrode zu verhindern. Aufgrund der vergleichsweise geringen Spaltbreite kann die Detektionselektrode bzw. können die Detektionsteilflächen der Detektionselektrode möglichst großflächig ausgeführt werden.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Funktionselement mit zumindest einer Trägerschicht bevorzugt, wobei die Trägerschicht den elektrisch leitfähigen Heizleiter der Heizeinrichtung und/oder die Detektionselektrode oder zumindest eine Detektionsteilfläche, mehrere oder sämtliche Detektionsteilflächen der Detektionselektrode trägt. Die Trägerschicht ist vorzugsweise eine Folienschicht. Die Trägerschicht kann aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Die Trägerschicht ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht-leitenden Material ausgebildet. Beispielsweise ist die Trägerschicht aus Polyethylennaphthalat (PEN) ausgebildet. Die Trägerschicht oder der Schichtverbund als Trägerschicht und Heiz- und Detektionsschicht kann eine Höhe im Bereich von 5 µm bis 50 µm, beispielsweise eine Höhe von etwa 20 µm aufweisen.
Es ist ferner ein erfindungsgemäßes Funktionselement bevorzugt, bei welchem der elektrische Heizleiter und die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung in einer gemeinsamen Ebene verlaufen oder aus dem gleichen Material ausgebildet sind. Beispielsweise sind sowohl der elektrische Heizleiter als auch die Detektionselektrode aus Aluminium ausgebildet. Dadurch, dass der elektrische Heizleiter und die Detektionselektrode in einer gemeinsamen Ebene verlaufen, wird eine besonders flache Bauweise ermöglicht. Ferner wird eine separate Sensor- oder Detektionsschicht zur Berührungserkennung vermieden. Eine solche separate Detektionsschicht würde zu einer Wärmeisolation führen, wodurch ein höherer Energieaufwand zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums erforderlich wäre.
Es ist ferner ein erfindungsgemäßes Funktionselement bevorzugt, bei welchem der elektrische Heizleiter und die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung durch mechanischen Materialabtrag aus derselben Materialschicht hergestellt sind. Beispielsweise sind der elektrische Heizleiter und die Detektionselektrode aus einer Aluminiumschicht, beispielsweise durch mechanischen Spanabtrag hergestellt. Der Isolationsspalt zwischen dem Heizleiter und der Detektionselektrode kann beispielsweise ein Fräskanal sein, welcher mittels eines Fräswerkzeugs erzeugt wurde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Funktionselement eine Abdeckschicht auf, wobei der elektrische Heizleiter der Heizeinrichtung und die Detektionselektrode der Detektionseinrichtung zwischen der Trägerschicht und der Abdeckschicht angeordnet sind. Die Abdeckschicht kann beispielsweise auf den Heizleiter und/oder die Detektionselektrode aufgeklebt oder auflaminiert sein. Die Abdeckschicht ist vorzugsweise elektrisch nicht-leitfähig. Beispielsweise ist die Abdeckschicht aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoffmaterial ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements ist das Funktionselement als Heizfolie mit Annäherungs- und/oder Kontaktdetektionsfunktion ausgebildet. Alternativ ist das Funktionselement als Detektionsfolie zur Annäherungs- und/oder Kontaktdetektion mit Heizfunktion ausgebildet. Das Funktionselement ist vorzugsweise eine mehrschichtige Heizfolie.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Funktionselement einen Temperaturfühler auf, mittels welchem die Temperatur des Funktionselements in einem Temperaturmessbereich erfassbar ist. Der Temperaturfühler kann beispielsweise ein Thermistor, insbesondere ein Heiß- oder Kaltleiter sein.
Das Funktionselement weist vorzugsweise einen Kontaktierbereich auf, in welchem die Heizeinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung und/oder der Temperaturfühler kontaktiert werden können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Heizsystem der eingangs genannten Art gelöst, wobei das Funktionselement des erfindungsgemäßen Heizsystems nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Heizsystems wird somit zunächst auf die Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Funktionselements verwiesen.
Das Heizsystem setzt eine kapazitive Sensorfunktion zur Erfassung einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement und/oder zur Erfassung einer Berührung des Funktionselements durch ein Objekt um.
Das erfindungsgemäße Heizsystem wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode und eine Referenzelektrode oder der Umgebung zum Erfassen einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement zu überwachen. Wenn die Steuerungseinrichtung im Rahmen der Kapazitätsüberwachung feststellt, dass sich die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode und einer Referenzelektrode oder der Umgebung ändert, befindet sich ein Objekt im Detektionsbereich des Funktionselements oder ein Objekt befindet sich in Kontakt mit dem Funktionselement. Die Referenzelektrode kann eine Masse-Verbindung sein.
Das erfindungsgemäße Heizsystem wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Steuerungseinrichtung einen Schwingkreis zur Erzeugung einer elektrischen Schwingung an der Detektionselektrode umfasst. Der Schwingkreis kann auch als Resonanzkreis bezeichnet werden. Der Schwingkreis ist vorzugsweise eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator, welche elektrische Schwingungen ausführen kann. Das Anregungssignal für den Schwingkreis wird vorzugsweise durch eine Anregungsschaltung der Steuerungseinrichtung erzeugt. Die Detektionselektrode ist mit dem Schwingkreis verbunden, sodass die Kapazität des menschlichen Körpers die Frequenz der Schwingung ändert. Zum Erfassen der aktuellen Frequenz der Schwingung umfasst die Steuerungseinrichtung vorzugsweise eine Frequenzmesseinrichtung. Der Schwingkreis und die Detektionselektrode können so ausgeführt sein, dass die Resonanzfrequenz in einem Bereich zwischen 50 kHz und 200 kHz liegt, wenn keine Berührung des Funktionselements vorliegt oder sich kein Objekt im Detektionsbereich des Funktionselements befindet. Durch eine Vergrößerung der Detektionsfläche der Detektionselektrode vergrößert sich die Koppelfläche zwischen der Detektionselektrode und dem Objekt, beispielsweise einer menschlichen Hand oder eines menschlichen Fingers, sodass die Änderung der elektrischen Kapazität stärker wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizsystems ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, den Betrieb der Heizeinrichtung zu ändern, insbesondere zu unterbrechen, wenn mittels der Detektionseinrichtung die Unterschreitung eines Mindestabstands eines Objekts zu dem Funktionselement und/oder ein Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement erfasst wird. Vorzugsweise wird die Heizeinrichtung abgeschaltet, wenn ein Objekt, beispielsweise eine menschliche Hand oder ein menschlicher Finger, einen Mindestabstand zu dem Funktionselement unterschreitet oder das Funktionselement berührt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizsystems ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, den Betrieb der Heizeinrichtung zu ändern, insbesondere zu unterbrechen, wenn die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode und einer Referenzelektrode oder der Umgebung einen Kapazitätsgrenzwert erreicht und/oder unterschreitet und/oder überschreitet. Der Kapazitätsgrenzwert kann einstellbar sein. Beispielsweise kann über eine Einstellung des Kapazitätsgrenzwerts ein kritischer Abstand zu dem Funktionselement definiert werden, ab welchem eine Abschaltung der Heizeinrichtung erfolgen soll.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug der eingangs genannten Art gelöst, wobei im Bereich der einen oder der mehreren Heizflächen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs jeweils ein Funktionselement nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen angeordnet ist.
Alternativ kann im Bereich der einen oder der mehreren Heizflächen jeweils ein Funktionselement eines Heizsystems des Fahrzeugs angeordnet sein, wobei das Heizsystem nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist.
Die Heizflächen des Fahrzeugs befinden sich vorzugsweise an Positionen, welche bei der üblichen Verwendung des Fahrzeugs nicht oder nicht regelmäßig von den Fahrzeugnutzern berührt werden. Vorzugsweise sind die Heizflächen auf Sitzbereiche innerhalb des Fahrzeuginnenraums ausgerichtet, sodass die von den Heizflächen ausgehende Strahlungswärme mit vergleichsweise geringen Wärmeverlusten bei den Insassen ankommen.
Eine Heizfläche kann sich beispielsweise an oder in dem Dachhimmel des Fahrzeugs befinden. Eine Heizfläche kann sich beispielsweise an oder in einer Tür des Fahrzeugs befinden. Eine Heizfläche kann sich beispielsweise an oder in der A-Säule, der B-Säule oder der C-Säule oder an oder in einer Instrumententafel des Fahrzeugs befinden. Eine Heizfläche kann sich beispielsweise im Fußraum des Fahrzeugs befinden. Das Funktionselement kann beispielsweise durch Einspritzen oder durch Presskaschieren an einem Trägerteil befestigt werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Funktionselement in einer schematischen Darstellung;
2 ein weiteres erfindungsgemäßes Funktionselement in einer schematischen Darstellung;
3 ein weiteres erfindungsgemäßes Funktionselement in einer schematischen Darstellung;
4 den Schichtenaufbau eines erfindungsgemäßen Funktionselements in einer schematischen Darstellung;
5 ein erfindungsgemäßes Heizsystem in einer schematischen Darstellung;
6 ein erfindungsgemäßes Funktionselement in einer schematischen Darstellung; und
7 die Verschaltung eines erfindungsgemäßen Heizsystems in einer schematischen Darstellung.

Die 1 zeigt ein als Heizfolie ausgebildetes flaches Funktionselement 10. Das dargestellte Funktionselement 10 kann beispielsweise in den Dachhimmel oder die Instrumententafel eines Fahrzeugs integriert werden.
Das flache Funktionselement 10 umfasst eine Heizeinrichtung 12 mit einem aus Aluminium ausgebildeten elektrisch leitfähigen Heizleiter 14. Der Heizleiter 14 ist eine mäanderförmig verlaufende Heizbahn. Der Heizleiter 14 ist an seinem einen Ende mit dem Kontaktierbereich 16a und mit seinem anderen Ende mit dem Kontaktierbereich 16c elektrisch leitfähig verbunden. Der Heizleiter 14 erstreckt sich entlang eines durchgängigen Heizleiterpfads und bildet eine Heizschleife, welche aufgrund ihres Verlaufs die erzeugte Wärme gleichmäßig über das gesamte Funktionselement 10 verteilt.
Das Funktionselement 10 umfasst ferner eine elektrische Detektionseinrichtung 18 zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement 10 und/oder zur Detektion eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement 10. Das Objekt kann beispielsweise eine menschliche Hand oder ein menschlicher Finger sein. Die Detektionseinrichtung 18 umfasst eine Detektionselektrode 20, an welcher durch eine Annäherung eines Objekts an das Funktionselement 10 und/oder durch einen Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement 10 eine Änderung der elektrischen Kapazität zur Umgebung oder eine Referenzelektrode 114 (vgl. 7) hervorrufbar ist. Die Änderung der elektrischen Kapazität wird durch eine Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung der Detektionselektrode 20 verursacht. Die Detektionselektrode 20 ist, genau wie der Heizleiter 14, aus Aluminium ausgebildet. Das flache Funktionselement 10 eignet sich also zur kapazitiven Berührungserkennung.
Die Detektionselektrode 20 der Detektionseinrichtung 18 weist mehrere elektrisch leitfähig miteinander verbundene Detektionsteilflächen 22a-22x auf. Die Detektionsteilflächen 22a-22x sind als seitliche Flächenausläufer ausgebildet und bilden eine Struktur mit mehreren Zweigen. Die mehreren Detektionsteilflächen 22a-22x bilden eine dendritische Flächenstruktur. Die Detektionselektrode 20 ist elektrisch leitfähig mit dem Kontaktierbereich 16b verbunden.
Die Fläche der Detektionselektrode 20 ist größer als die Fläche des Heizleiters 14. Die Detektionselektrode 20 wird von dem elektrischen Heizleiter 14 umgeben. Zwischen den Detektionsteilflächen 22a-22x der Detektionselektrode 20 und dem elektrisch leitfähigen Heizleiter 14 befindet ein dielektrischer Isolationsspalt. Die Detektionselektrode 20 und der elektrische Heizleiter 14 verlaufen also beabstandet zueinander. Der Isolationsspalt weist eine konstante Spaltbreite in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm auf.
Das Funktionselement 10 umfasst ferner einen Temperaturfühler 26, wobei der Temperaturfühler 26 als Heißleiter ausgebildet ist. Der Temperaturfühler 26 ist über die Leiter 24a, 24b mit den Kontaktierbereichen 16d, 16e elektrisch leitfähig verbunden.
Der Heizleiter 14, die Detektionselektrode 20 sowie der Temperaturfühler 26 lassen sich über die elektrischen Leiter 102a-102e mit einer Steuerungseinrichtung 106 eines Heizsystems 100 verbinden. Die elektrischen Leiter 102a-102e bilden bereichsweise einen isolierten Leiterstrang 104 aus.
Die 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Funktionselements 10. Die in den 2 und 3 dargestellten Funktionselemente 10 unterscheiden sich insbesondere durch das Muster und den Verlauf des Heizleiters 14 und der Detektionselektrode 20 von dem in der 1 dargestellten Funktionselement.
Das in der 2 dargestellte Funktionselement 10 kann beispielsweise in einem Seitenbereich eines Fahrzeuginnenraums positioniert werden, beispielsweise an einer Seitentür oder in einem seitlichen Bereich eines Mitteltunnels.
Das in der 3 dargestellte Funktionselement 10 kann beispielsweise im Nahbereich eines Handschuhfachs oder an einer Handschuhfachklappe angeordnet sein.
Die 4 zeigt, dass das Funktionselement 10 eine Trägerschicht 28 aufweist, welche eine Heiz- und Detektionsschicht 30 trägt. In der Heiz- und Detektionsschicht 30 verläuft sowohl der elektrisch leitfähige Heizleiter 14 der Heizeinrichtung 12 als auch die Detektionselektrode 20 der Detektionseinrichtung 18. Der elektrische Heizleiter 14 und die Detektionselektrode 20 verlaufen also in einer gemeinsamen Ebene. Ferner sind der elektrische Heizleiter 14 und die Detektionselektrode 20 aus dem gleichen Material, nämlich Aluminium, ausgebildet. Der elektrische Heizleiter 14 und die Detektionselektrode 20 sind durch einen mechanischen Materialabtrag aus derselben Aluminiumschicht hergestellt.
Der Temperaturfühler 26 befindet sich auf der Heiz- und Detektionsschicht 30.
Das Funktionselement 10 umfasst ferner eine Abdeckschicht 32, wobei der elektrische Heizleiter 14 und die Detektionselektrode 20 zwischen der Trägerschicht 28 und der Abdeckschicht 32 angeordnet sind. Im Bereich des Temperaturfühlers 26 befindet sich eine als Dichtstreifen ausgebildete Dichtung 34 zum Abdichten des Temperaturfühlerbereichs. Auf der Heiz- und Detektionsschicht 30 sind ferner Kontaktierpads 36 angeordnet, durch welche die Kontaktierbereiche 16a-16e gebildet werden. Der Bereich der Kontaktierpads 36 wird über eine oder mehrere Dichtungen 38, welche beispielsweise streifenförmig oder padförmig ausgebildet sein können, abgedichtet.
Die 5 zeigt ein Heizsystem 100 mit einem Funktionselement 10 und einer Steuerungseinrichtung 106. Das Funktionselement 10 ist eine mehrschichtige Heizfolie mit einer Trägerschicht 28, einer Heiz- und Detektionsschicht 30 sowie einer Abdeckschicht 32. Innerhalb der Heiz- und Detektionsschicht 30 befindet sich eine Heizeinrichtung 12 und eine Detektionseinrichtung 18. Die Detektionseinrichtung 18 dient zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement 10 und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement 10.
Die Steuerungseinrichtung 106 ist dazu eingerichtet, die Heizeinrichtung 12 und die Detektionseinrichtung 18 zu betreiben. Die Steuerungseinrichtung 106 ist dazu eingerichtet, die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode 20 und einer Referenzelektrode 114 zum Erfassen einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement 10 und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement 10 zu überwachen.
Zum Betreiben und Ansteuern der Heizeinrichtung 10 umfasst die Steuerungseinrichtung 106 ein Heizsteuermodul 108. Zum Betreiben und Ansteuern der Detektionseinrichtung 18 umfasst die Steuerungseinrichtung 106 ein Detektionssteuermodul 110.
Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung 106 ein Temperaturermittlungsmodul 112, welches mit einem als Heißleiter ausgebildeten Temperaturfühler 26 des Funktionselements 10 verbunden ist.
Die 6 zeigt ein vierschichtiges Funktionselement 10. Das Funktionselement 10 umfasst neben der Trägerschicht 28, der Heiz- und Detektionsschicht 30 und der Abdeckschicht 32 eine Klebstoffschicht 40, welche zwischen der Heiz- und Detektionsschicht 30 und der Trägerschicht 28 angeordnet ist.
Die 7 zeigt, dass die Steuerungseinrichtung 106 einen Schwingkreis 116 umfasst, über welchen eine elektrische Schwingung in die Detektionselektrode 20 eingebracht werden kann. Der Schwingkreis 116 umfasst eine Spule und einen Kondensator. Das Anregungssignal für den Schwingkreis 116 wird von einer Anregungsschaltung 118 erzeugt. Die Detektionselektrode 20 ist mit dem Schwingkreis 16 verbunden, sodass die Kapazität eines sich im Detektionsbereich der Detektionselektrode 20 befindenden menschlichen Körperteils die Frequenz der Schwingung ändert. Zum Erfassen der aktuellen Frequenz der Schwingung umfasst die Steuerungseinrichtung 106 eine Frequenzmesseinrichtung 120. Der Schwingkreis 116 und die Detektionselektrode 20 sind so ausgeführt, dass die Resonanzfrequenz in einem Bereich zwischen 50 kHz und 200 kHz liegt, wenn sich kein Objekt im Detektionsbereich des Funktionselements 10 befindet. Die Steuerungseinrichtung 106 ist dazu eingerichtet, den Betrieb des Heizeinrichtung 12 zu unterbrechen, wenn mittels der Detektionseinrichtung 18 die Unterschreitung eines Mindestabstands eines Objekts zu dem Funktionselement 10 und/oder ein Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement 10 erfasst wird. Die Heizeinrichtung 12 wird also abgeschaltet, wenn der Mindestabstand unterschritten wird oder eine Berührung vorliegt. Die Steuerungseinrichtung 106 ist dazu eingerichtet, den Betrieb der Heizeinrichtung 12 zu unterbrechen, wenn die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode 20 und der Referenzelektrode 114 einen Kapazitätsgrenzwert erreicht.
Die Steuerungseinrichtung 106 ist mit einer Spannungsquelle U verbunden und weist zwei Halbleiterschalter 122a, 122b auf. Der Halbleiterschalter 122a ist ein High-Side-Driver. Der Halbleiterschalter 122b ist ein Low-Side-Driver.
Bezugszeichen

10: Funktionselement
12: Heizeinrichtung
14: Heizleiter
16a-16e: Kontaktierbereiche
18: Detektionseinrichtung
20: Detektionselektrode
22a-22x: Detektionsteilflächen
24a, 24b: Leiter
26: Temperaturfühler
28: Trägerschicht
30: Heiz- und Detektionsschicht
32: Abdeckschicht
34: Dichtung
36: Kontaktierpad
38: Dichtung
40: Klebstoffschicht
100: Heizsystem
102a-102e: elektrische Leiter
104: Leiterstrang
106: Steuerungseinrichtung
108: Heizsteuermodul
110: Detektionssteuermodul
112: Temperaturermittlungsmodul
114: Referenzelektrode
116: Schwingkreis
118: Anregungsschaltung
120: Frequenzmesseinrichtung
122a, 122b: Halbleiterschalter
U: Spannungsquelle

Claims

Flaches Funktionselement (10), mit - einer elektrischen Heizeinrichtung (12); und - einer elektrischen Detektionseinrichtung (18) zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement (10); dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (18) zumindest eine Detektionselektrode (20) umfasst, an welcher durch eine Annährung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder durch einen Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement (10) eine Änderung der elektrischen Kapazität zur Umgebung oder einer Referenzelektrode (114) hervorrufbar ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (12) zumindest einen elektrisch leitfähigen Heizleiter (14) umfasst.
Funktionselement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Heizleiter (14) entlang eines durchgängigen Heizleiterpfads erstreckt und/oder zumindest eine elektrische Heizschleife bildet.
Funktionselement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionselektrode (20) der Detektionseinrichtung (18) mehrere elektrisch leitfähig miteinander verbundene Detektionsteilflächen (22a-22x) aufweist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - mehrere Detektionsteilflächen (22a-22x) als seitliche Flächenausläufer ausgebildet sind, und/oder - die Detektionsteilflächen (22a-22x) eine Struktur mit mehreren Zweigen bilden.
Funktionselement (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Detektionsteilflächen (22a-22x) eine dendritische Flächenstruktur bilden.
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Detektionselektrode (20) größer ist als die Fläche des Heizleiters (14).
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionselektrode (20) oder die Detektionsteilflächen (22a-22x) der Detektionselektrode (20) zumindest abschnittsweise von dem elektrisch leitfähigen Heizleiter (14) umgeben werden.
Funktionselement (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Detektionselektrode (20) oder den Detektionsteilflächen (22a-22x) der Detektionselektrode (20) und dem elektrisch leitfähigen Heizleiter (14) ein dielektrischer Isolationsspalt vorhanden ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsspalt eine konstante Spaltbreite aufweist und/oder die Spaltbreite des Isolationsspalts in einem Bereich zwischen 0,2mm und 2mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 und 1 mm, liegt.
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, gekennzeichnet durch zumindest eine Trägerschicht (28), welche den elektrisch leitfähigen Heizleiter (14) der Heizeinrichtung (12) und/oder die Detektionselektrode (20) oder zumindest eine Detektionsteilfläche (22a-22x), mehrere oder sämtliche Detektionsteilflächen (22a-22x) der Detektionselektrode (20) trägt.
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Heizleiter (14) und die Detektionselektrode (20) der Detektionseinrichtung (18) in einer gemeinsamen Ebene verlaufen und/oder aus dem gleichen Material ausgebildet sind.
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Heizleiter (14) und die Detektionselektrode (20) der Detektionseinrichtung (18) durch mechanischen Materialabtrag aus derselben Materialschicht hergestellt sind.
Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, gekennzeichnet durch eine Abdeckschicht (32), wobei der elektrische Heizleiter (14) der Heizeinrichtung (12) und die Detektionselektrode (20) der Detektionseinrichtung (18) zwischen der Trägerschicht (28) und der Abdeckschicht (32) angeordnet sind.
Funktionselement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) als Heizfolie mit Annäherungs- und/oder Kontaktdetektionsfunktion oder als Detektionsfolie zur Annäherungs- und/oder Kontaktdetektion mit Heizfunktion ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (26), mittels welchem die Temperatur des Funktionselements (10) in einem Temperaturmessbereich erfassbar ist.
Heizsystem (100), mit - einem Funktionselement (10), welches eine Heizeinrichtung (12) und eine Detektionseinrichtung (18) zur Detektion einer Annäherung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement (10) umfasst; und - einer Steuerungseinrichtung (106), welche dazu eingerichtet ist, die Heizeinrichtung (12) und/oder die Detektionseinrichtung (18) zu betreiben; dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Heizsystem (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (106) dazu eingerichtet ist, die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode (20) und einer Referenzelektrode (114) oder der Umgebung zum Erfassen einer Annährung eines Objekts an das Funktionselement (10) und/oder eines Kontakts eines Objekts mit dem Funktionselement (10) zu überwachen.
Heizsystem (100) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (106) einen Schwingkreis (116) zur Einbringung einer elektrischen Schwingung in die Detektionselektrode (20) umfasst.
Heizsystem (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (106) dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Heizeinrichtung (12) zu ändern, insbesondere zu unterbrechen, wenn mittels der Detektionseinrichtung (18) die Unterschreitung eines Mindestabstands eines Objekts zu dem Funktionselement (10) und/oder ein Kontakt eines Objekts mit dem Funktionselement (10) erfasst wird.
Heizsystem (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (106) dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Heizeinrichtung (12) zu ändern, insbesondere zu unterbrechen, wenn die elektrische Kapazität zwischen der Detektionselektrode (20) und einer Referenzelektrode (114) oder der Umgebung einen Kapazitätsgrenzwert erreicht und/oder unterschreitet und/oder überschreitet.
Fahrzeug, mit - einem Fahrzeuginnenraum, in welchem eine oder mehrere Heizflächen angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der einen oder der mehreren Heizflächen jeweils ein Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder ein Funktionselement (10) eines Heizsystems (100) des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das Heizsystem (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 21 ausgebildet ist.