EP1442189A1 - Device for opening and closing a mobile element - Google Patents

Device for opening and closing a mobile element

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Publication number
EP1442189A1
EP1442189A1 EP02787341A EP02787341A EP1442189A1 EP 1442189 A1 EP1442189 A1 EP 1442189A1 EP 02787341 A EP02787341 A EP 02787341A EP 02787341 A EP02787341 A EP 02787341A EP 1442189 A1 EP1442189 A1 EP 1442189A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
eap
electrodes
sensor
layers
layer
Prior art date
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Granted
Application number
EP02787341A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1442189B1 (en
Inventor
Achim Neubauer
Martin-Peter Bolz
Jochen Moench
Falk Herrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1442189A1 publication Critical patent/EP1442189A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1442189B1 publication Critical patent/EP1442189B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/02Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch
    • H01H3/14Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch adapted for operation by a part of the human body other than the hand, e.g. by foot
    • H01H3/141Cushion or mat switches
    • H01H3/142Cushion or mat switches of the elongated strip type
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E05LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05FDEVICES FOR MOVING WINGS INTO OPEN OR CLOSED POSITION; CHECKS FOR WINGS; WING FITTINGS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, CONCERNED WITH THE FUNCTIONING OF THE WING
    • E05F15/00Power-operated mechanisms for wings
    • E05F15/40Safety devices, e.g. detection of obstructions or end positions
    • E05F15/42Detection using safety edges
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E05LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05YINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES E05D AND E05F, RELATING TO CONSTRUCTION ELEMENTS, ELECTRIC CONTROL, POWER SUPPLY, POWER SIGNAL OR TRANSMISSION, USER INTERFACES, MOUNTING OR COUPLING, DETAILS, ACCESSORIES, AUXILIARY OPERATIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, APPLICATION THEREOF
    • E05Y2900/00Application of doors, windows, wings or fittings thereof
    • E05Y2900/50Application of doors, windows, wings or fittings thereof for vehicles
    • E05Y2900/53Type of wing
    • E05Y2900/55Windows
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H2209/00Layers
    • H01H2209/002Materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the invention relates to a device for opening and closing a movable part according to the preamble of the independent claim.
  • the electroactive properties of the EAP material are based on an effective one
  • EAP material into thin layers with a thickness of, for example, 1-100 micrometers, since here, in particular with vertical ones
  • the force applied to the EAP material is stretched by up to 300% even with a small external force, thus producing a correspondingly high change in tension.
  • the thinly shaped layers can also be arranged particularly easily along the edge of the part or the frame profile, for example on or within a sealing lip.
  • the at least one EAP layer is advantageous to arrange the at least one EAP layer approximately perpendicular to the expected clamping force, since this results in the greatest possible deformation of the material and thus a maximum change in stress.
  • EAP layers - optionally also with insulating layers in between - are wound up as a roll, this arrangement can detect all forces in the plane perpendicular to the roll in the same way.
  • a roller can therefore be arranged particularly advantageously along the seal of a frame.
  • the arrangement of the at least one EAP layer directly above or below a perforated band matrix is advantageous. With this matrix, spatially fixed support points are created, with the EAP layer changing due to a
  • At least one of the electrodes is spatially structured. It is particularly advantageous here if the electrode has a high degree of flexibility along the edge of the part or the frame, because it also reliably detects smaller obstacles.
  • the at least one electrode of the at least one EAP-25 layer is subdivided into a plurality of electrodes which are insulated from one another, a sensor with spatial resolution, in particular along the edge of the part or the frame, can thus be implemented in a simple manner.
  • the different independent sensors in particular along the edge or the frame, can spatially overlap. If each independent 5 sensor area has its own electrode, the sensitivity of the sensor can be individually adjusted locally using an adapted, specified basic voltage.
  • Anti-trap sensor between the sealing profile and the frame profile of an opening.
  • the sensor can be glued in or just clamped in without a design change to the previous seal or
  • the spatially subdivided electrodes can be realized particularly favorably by means of a printed circuit board technology, the individual electrodes with their
  • 20 voltage tapping conductors are arranged as a thin layer on a thin, flexible circuit board foil.
  • the EAP layers can be integrated into the sealing profile particularly cheaply and manufacture in one operation with the same, for example by means of co-extrusion or multi-component injection molding.
  • Anti-trap sensors manufactured in this way are also very hard-wearing against mechanical stress due to the rubber-like properties of the EAP materials, even over a wide temperature range from -50 ° C to 200 ° C.
  • the sensitivity of the individual sensor areas can advantageously be realized by applying an individually adapted working voltage to the electrodes of the corresponding areas.
  • the signals from the electrodes are fed to a DC / DC converter which is part of an evaluation device in a control unit of the anti-pinch sensor.
  • FIGS. 4a to 4c show different exemplary embodiments of a pinch protection sensor according to the invention
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment with a perforated band matrix
  • FIG. 1 a side window of a motor vehicle is shown, wherein between a window 10 as
  • an anti-trap sensor 14 is arranged over the entire length thereof.
  • the anti-trap sensor 14 is integrated, for example, in a sealing profile 16 and in different areas 18,
  • Disk 10 has an edge 20 that is substantially runs parallel to the frame profile 12.
  • a closing force 22 occurs, the component of which can be of different sizes perpendicular to the edge 20 of the part 10 in the different regions 18. Is located . an obstacle 24 in the adjustment path between the part 10 and the frame profile 12, pressure is exerted on the anti-trap sensor 14 when closing, and a signal is forwarded to a control unit 26 of the locking device. If a preset threshold value of the closing force 22 is exceeded, the motor 21 receives a control command to stop the part 10 or to reverse its direction of movement.
  • Figure 2a to 2c shows a schematic cross section of an anti-trap sensor 14, the several electroactive
  • EAP has polymer (EAP) layers.
  • the EAP material used is, for example, polyurethane PT6100S, fluoroelastomer LaurenL143HC, polybutadiene Aldrich PBD, fluorosilicone 730 or silicone Sylgard 186.
  • EAP materials have the special property that due to their
  • Electrostriction in the event of external deformation changes the effective length of the electroactive, dielectric polymer chains. This change in length causes a change in voltage at the electrodes 28 arranged on the EAP layers.
  • a first EAP layer 30 is arranged on a rubber of a sealing profile 16 between two electrode layers 28.
  • Another layer sequence electrode, EAP layer, electrode is arranged above this first electrode / EAP packet, separated by an insulation layer 32.
  • the two electrodes 34 are grounded and a positive voltage is applied to each of the other two electrodes 36.
  • the thickness 38 of the EAP layer 30 is, for example, between 1 and 100 micrometers. The thinner this layer is, the more it can be stretched, which increases the sensitivity of the pinch protection.
  • FIG. 2b shows the deformation of the EAP layers 30 due to a jammed obstacle 24.
  • the jamming force 22 causes the EAP layers 30 to be lengthened along the sealing profile 16.
  • the EAP layers 30 experience one
  • the anti-trap sensor 14 is arranged in a cavity 39 of the sealing profile 16, which extends approximately 25 parallel to the edge 20.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of the anti-trap sensor 14 is shown in FIG.
  • an EAP layer 30 is arranged between two flat electrodes 28 10, four EAP layers 30 with electrodes 28 lying between them being combined to form a package on the right.
  • the closing force 22 does not act perpendicular to the EAP layers 30 and the electrodes 28, but rather in the layer plane of the EAP layers 30.
  • This 5 force effect also causes a change in the shape of the EAP layers 30, which leads to a thickening thereof.
  • a voltage change, which is correlated with the closing force 22, is again tapped at the electrodes 28 arranged between the EAP layers 30.
  • the EAP layers 30 are arranged between the frame profile 12 and the pane 10 in parallel to their direction of movement. The addition of the individual voltage changes leads in a simple manner to an increase in the measurement signal when using several EAP layers 30.
  • a layer sequence of electrode 28, EAP layer 30, electrode 28, EAP layer 30 is wound around a winding core 40 to form a roll 42, the latter being axially approximately parallel
  • the anti-trap sensor 14 experiences a radial force as soon as an obstacle 24 presses on it.
  • the EAP layers 30 - at least those layers perpendicular to the closing force - are compressed in such a way that the thickness 38 of the EAP layers 30 decreases. This also leads to an accumulated voltage change, which is tapped off at the two electrodes 28.
  • an EAP layer 30 is also wound up with> 5 intermediate electrodes 34, 36 analogous to FIG. 4a, but in this arrangement the force is applied in the axial direction to the roller 42.
  • several rollers 42 with their axes are approximately in the plane of the disk and arranged approximately perpendicular to the edge 20,> 0 whereby an axial change in length of the roller 42 causes a change - in this case an increase - in the thickness 38 of the EAP layers 30.
  • FIG. 6 shows an anti-trap sensor 14 with one and with two EAP layers 30, one electrode 56 each having a structure.
  • the electrode 56 is divided along the edge 20 or the frame profile 16 into small sections which are connected to one another by flexible connecting pieces 54.
  • the structured electrode 56 is designed as an integrated layer and can have different geometric shapes.
  • Such an electrode 56, which is arranged on or between EAP layers, is very flexible and extraordinarily stretchable, even with a one-piece design, and is therefore very wear-resistant.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a sensor 14 with a one-piece, unstructured base electrode 34 and an EAP layer 30 arranged thereon.
  • a structured electrode 56 is arranged as an integrated layer, the individual electrode sections 58 being insulated from one another.
  • the individual electrode sections 58 have conductor tracks 62 for contacting, which are likewise part of the integrated layer.
  • the electrode sections 58 are preferably subdivided in the direction 20 ⁇ of the edge 20 in order to locally increase the sensitivity of the anti-trap sensor 14 or else to realize a division into areas 18 in accordance with the disk contour according to FIG. 1.
  • an individual base voltage for the respective electrode section 58 - or corresponding to the sensor areas 18 - can be assigned to each individual electrode section 58.
  • a different sensitivity of the sensor 14 can be set for each section 58 or area 18.
  • such a local sensitivity can also be set using different threshold values for the voltage change.
  • the anti-trap sensor 14 is fixed to a free end 60 of the frame profile 12 by means of a film 64 which carries the conductor tracks 62 for the individual electrode section 58. If the entire length of the anti-trap sensor 14 is divided into many sections 58, a large area is required for the large number of electrode connections in order to supply the conductor tracks 62 to a voltage source along the frame profile 12.
  • the flexible printed circuit board film 64 which extends over the entire area between the outside 66 of the sealing profile 12 and the sealing profile 16, serves this purpose.
  • the EAP layers 30 and the associated electrodes 28 are preferably an integral part of the circuit board film 64.
  • Electrodes 28 have currents of the order of 0.5 mA, so that even high voltages do not pose a risk to people.
  • the local change in length of the EAP layer 30 by up to 300% takes place in accordance with the closing speed of the part 10.
  • the reaction time of the electrostriction that is to say the generation of a voltage change in the case of a applied working voltage, takes place in the range of milliseconds to microseconds.
  • Electrostriction can also be represented using the model of a capacitor, the EAP material being arranged as a dielectric between two flat electrode plates.
  • Deformation occurs due to changes in the system's impedance, since the effective length of the polymer chains or the orientation of the internal dipoles in the applied electrical field changes.
  • the multiple stacked EAP layers can be connected in series to increase the measurement signal. The thinner the EAP films can be applied, the lower the current losses due to the heat given off by the electrodes. Enclosing the structured electrode 56 between two EAP layers ensures that the effective electrode surfaces are located directly above one another without adjustment. When the typically very narrow conductor tracks 62 are integrated into the sensor, they are additionally mechanically protected. When producing the EAP layers 30, care must be taken to ensure that the layer thickness 38 is homogeneous, since otherwise a constant, homogeneous electric field cannot be applied.
  • the inventive design of the anti-trap sensor 14 can also be applied to the sealing profile 16 in a simple form as a lacquer.

Landscapes

  • Power-Operated Mechanisms For Wings (AREA)
  • Air-Flow Control Members (AREA)
  • Toilet Supplies (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for opening and closing an opening (11), especially on a vehicle, by means of a motor-driven, mobile element (10). The inventive device comprises a control unit (26) and an anti-pinch sensor (14) that is substantially disposed along an edge (20) of the element (10) and/or the frame profile (12) limiting the opening (11) and that detects an obstacle (24) in the path of adjustment of the element (10) when the element (10) is closed, and that forwards a signal to the control unit (26) to stop or reverse the movement of the element (10). Said anti-pinch sensor (14) comprises a highly elastic electroactive polymer (EAP) material (30), especially polyurethane, fluoroelastomer, polybutadiene, fluorosilicone or silicone disposed between the electrodes (28, 34, 36) and effecting a change in voltage o the electrodes (28, 34, 36) when deformed.

Description

Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines beweglichen TeilsDevice for opening and closing a moving part
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines beweglichen Teils nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs .The invention relates to a device for opening and closing a movable part according to the preamble of the independent claim.
Mit der DE 199 13 106 Cl ist ein Einkle mschutz mit einem Hohlprofil für eine kraftbetätigte Schließeinrichtung bekannt geworden, bei der eine als Hohlprofil ausgeformte Klemmleiste entlange eines Rahmen, beispielsweise einer Schiebedachöffnung, angeordnet ist. Das Hohlprofil weist zwei zueinander beabstandete, elektrisch leitfähige Bereiche auf, deren Kontakt einen Schaltvorgang zum Ansteuern des Motors der Schließeinrichtung auslöst. Dabei ist dieWith DE 199 13 106 Cl Einkle mschutz with a hollow profile for a power-operated locking device is known, in which a shaped as a hollow profile terminal block along a frame, for example a sunroof opening, is arranged. The hollow profile has two electrically conductive areas spaced apart from one another, the contact of which triggers a switching process for actuating the motor of the closing device. Here is the
Herstellung eines solchen Profils recht aufwendig und in der Anwendung ist ein solches System anfällig für Fehlauslösungen, verursacht durch eine andauernde Verformung der elektrisch leitfähigen Bereiche.The production of such a profile is very complex and, in use, such a system is susceptible to false tripping, caused by the permanent deformation of the electrically conductive areas.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das hochdehnbare, elektroaktive Polymer (EAP) -Material schon beim Ausüben eines geringen Druckes auf dasselbe zuverlässig eine leicht messbare Spannungsänderung an den an das EAP-Material angelegten Elektroden hervorruft. Der Aufbau des Einklemmschutzsensors ist dabei sehr einfach und störungsunempfindlich, da das System auf den elektroaktiven Materialeigenschaf en des EAP-Materials basiert. Außerdem sind EAP-Materialien günstig in der Herstellung und Verarbeitung, so dass erfindungεgemäß ein äußerst kostengünstiger und zuverlässiger Einklemmschutz mit verschiedenen geometrischen Sensor-Formen möglich ist.The device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the highly stretchable, electroactive polymer (EAP) material reliably and easily when a small pressure is exerted thereon measurable voltage change on the electrodes applied to the EAP material. The design of the anti-trap sensor is very simple and insensitive to faults, since the system is based on the electroactive material properties of the EAP material. In addition, EAP materials are inexpensive to manufacture and process, so that, according to the invention, extremely cost-effective and reliable protection against pinching is possible with different geometric sensor shapes.
L OL O
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Die elektroaktiven Eigenschaften des EAP-Materials beruhen dabei auf einer effektivenAdvantageous developments of the device according to the invention are possible due to the features listed in the subclaims. The electroactive properties of the EAP material are based on an effective one
L5 Verlängerung oder Ausrichtung der Polymerketten durch eine entsprechende äußere Verformung des EAP-Materials. In Abhängigkeit der auf das EAP-Material einwirkenden Kraft und der Anordnung der Elektroden an dem EAP-Material wird dann eine Spannungserhöhung oder eine SpannungserniedrigungL5 Extension or alignment of the polymer chains by appropriate external deformation of the EAP material. Depending on the force acting on the EAP material and the arrangement of the electrodes on the EAP material, a voltage increase or a voltage reduction is then carried out
>0 hervorgerufen.> 0 caused.
Besonders günstig ist es, das EAP-Material in dünne Schichten einer Dicke von beispielsweise 1-100 Mikrometer zu formen, da hier, insbesondere bei senkrechterIt is particularly expedient to form the EAP material into thin layers with a thickness of, for example, 1-100 micrometers, since here, in particular with vertical ones
!5 Krafteinwirkung auf dieselbe bereits bei geringer äußerer Kraft eine Dehnung des EAP-Materials um bis zu 300 %, und damit eine entsprechend hohe Spannungsänderung erzeugt wird. Die dünn ausgeformten Schichten lassen sich auch besonders einfach entlang der Kante des Teils oder des Rahmenprofils, ι0 beispielsweise auf oder innerhalb einer Dichtungslippe, anordnen .! 5 The force applied to the EAP material is stretched by up to 300% even with a small external force, thus producing a correspondingly high change in tension. The thinly shaped layers can also be arranged particularly easily along the edge of the part or the frame profile, for example on or within a sealing lip.
Charakteristisch für EAP-Materialien ist eine Spannungsänderung gemäß der Formel 5EAP materials are characterized by a change in stress according to Formula 5
U = t* • (p/εr*ε0) , . Die Größenordnung der Spannungsänderung kann dadurch recht vorteilhaft durch die Wahl der Dicke t des EAP-Materials vorgegeben werden .U = t * • (p / εr * ε0),. The magnitude of the change in voltage can thus be predetermined quite advantageously by the choice of the thickness t of the EAP material.
Werden mehrere, jeweils mit Elektroden bestückte EAP- Schichten übereinander angeordnet und quasi in Reihe geschaltet, summieren sich die einzelnen Spannungsänderungen auf, wodurch aufgrund des höheren Meßsignals eine einfachere Signalauswertung ermöglicht wird.If several EAP layers, each equipped with electrodes, are arranged one above the other and are virtually connected in series, the individual voltage changes add up, which enables a simpler signal evaluation due to the higher measurement signal.
Vorteilhaft ist es, die mindestens eine EAP-Schicht in etwa senkrecht zur erwarteten Einklemmkraft anzuordnen, da hierdurch die größtmögliche Materialverformung, und damit eine maximale Spannungsänderung erzielt wird.It is advantageous to arrange the at least one EAP layer approximately perpendicular to the expected clamping force, since this results in the greatest possible deformation of the material and thus a maximum change in stress.
Alternativ sind aber auch Anordnungen vorstellbar, bei denen mehrere EAP-Schichten näherungsweise parallel zur Verstellebene des Teils angeordnet sind. Die Einklem kraft wirkt dann näherungsweise parallel zu den EAP-Schichten und verändert deren Flächenausdehnung, die mit einer Änderung der Dicke der Schichten korreliert ist. Die Elektroden können hierbei sowohl zwischen den EAP-Schichten als auch an den Stirnseiten der EAP-Schichten angeordnet sein.Alternatively, arrangements are also conceivable in which several EAP layers are arranged approximately parallel to the adjustment plane of the part. The clamping force then acts approximately parallel to the EAP layers and changes their surface area, which is correlated with a change in the thickness of the layers. The electrodes can be arranged both between the EAP layers and on the end faces of the EAP layers.
Werden eine oder mehrere EAP-Schichten - optional auch mit dazwischenliegenden Isolierschichten - als Rolle aufgewickelt, so kann diese Anordnung alle Kräfte in der Ebene senkrecht zu der Rolle in gleicher Weise detektieren. Eine solche Rolle kann deshalb besonders günstig entlang der Dichtung eines Rahmen angeordnet werden.If one or more EAP layers - optionally also with insulating layers in between - are wound up as a roll, this arrangement can detect all forces in the plane perpendicular to the roll in the same way. Such a roller can therefore be arranged particularly advantageously along the seal of a frame.
Bei einer solchen Anordnung der Rolle näherungsweise parallel zur Kante des Teils oder dem Rahmen sind die Elektroden günstigerweise als Schichten zwischen den aufgewickelten EAP-Schichten ausgebildet. Alternativ können die Elektroden aber auch an den Stirnseiten einer solchen Rolle oder Röhre angeordnet sein, dies ist besonders vorteilhaft für eine Unterteilung des Einklemmschutzsensors entlang der Kante oder des Rahmenprofils, um ein Hindernis ortsaufgelöst detektieren zu können. 5With such an arrangement of the roll approximately parallel to the edge of the part or the frame, the electrodes are advantageously formed as layers between the wound EAP layers. Alternatively, the electrodes can also be on the end faces of such Roll or tube to be arranged, this is particularly advantageous for a subdivision of the anti-trap sensor along the edge or the frame profile in order to be able to detect an obstacle in a spatially resolved manner. 5
Von Vorteil ist die Anordnung der mindestens einen EAP- Schicht unmittelbar über oder unter einer Lochbandmatrix. Mit dieser Matrix werden räumlich feste Stützstellen geschaffen, wobei sich die EAP-Schicht aufgrund einerThe arrangement of the at least one EAP layer directly above or below a perforated band matrix is advantageous. With this matrix, spatially fixed support points are created, with the EAP layer changing due to a
L0 angelegten Grundspannung durch die Löcher der Lochbandmatrix wölbt. Dadurch ist gewährleistet, dass auch beim Auftreten von relativ kleinen Hindernissen eine ausreichende Verformung der EAP-Schicht auftritt, da bei dieser Anordnung eine lokale Krafteinwirkung nicht über einen großen BereichL0 applied basic voltage arches through the holes of the perforated tape matrix. This ensures that sufficient deformation of the EAP layer occurs even when relatively small obstacles occur, since with this arrangement a local force effect does not occur over a large area
L5 der EAP-Schicht ausgeglichen werden kann.L5 of the EAP layer can be compensated.
Um einen räumlich flexiblen und damit auch lokal sensiblen Einklemmschutzsensor zu schaffen, wird mindestens eine der Elektroden räumlich strukturiert. Besonders günstig ist 10 hierbei, wenn die Elektrode entlang der Kante des Teils oder dem Rahmen eine hohe Flexibilität aufweist, weil dadurch auch kleinere Hindernisse zuverlässig erfasst werden.In order to create a spatially flexible and thus locally sensitive anti-trap sensor, at least one of the electrodes is spatially structured. It is particularly advantageous here if the electrode has a high degree of flexibility along the edge of the part or the frame, because it also reliably detects smaller obstacles.
Wird die mindestens eine Elektrode der mindestens einen EAP- 25 Schicht in mehrere, gegeneinander isolierte Elektroden unterteilt, kann damit in einfacher Weise ein Sensor mit Ortsauflösung, insbesondere entlang der Kante des Teils oder dem Rahmen, realisiert werden.If the at least one electrode of the at least one EAP-25 layer is subdivided into a plurality of electrodes which are insulated from one another, a sensor with spatial resolution, in particular along the edge of the part or the frame, can thus be implemented in a simple manner.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwei Polymerfilme so 50 beschichtet werden, dass die strukturierten Elektroden in der Mitte eingeschlosssen sind . Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die wirksamen Elektrodenflächen ohne Justage direkt übereinander befinden. Bei Integration der typischerweise sehr schmalen Leiterbahnen im Sensor 55 werden diese zusätzlich mechanisch geschützt. Um eine lückenlose Sensierung eines Hindernisses zu gewährleisten, können sich die unterschiedlichen unabhängigen Sensoren, insbesondere entlang der Kante oder dem Rahmen, räumlich überlappen. Weist jeder unabhängige 5 Sensorbereich eine eigene Elektrode auf, kann über eine angepasst vorgegebene, angelegte Grundspannung die Empfindlichkeit des Sensors örtlich individuell eingestellt werden .It is advantageous if two polymer films are coated in such a way that the structured electrodes are enclosed in the middle. This ensures that the effective electrode surfaces are directly one above the other without adjustment. When the typically very narrow conductor tracks are integrated in the sensor 55, they are additionally mechanically protected. In order to ensure complete detection of an obstacle, the different independent sensors, in particular along the edge or the frame, can spatially overlap. If each independent 5 sensor area has its own electrode, the sensitivity of the sensor can be individually adjusted locally using an adapted, specified basic voltage.
L0 Besonders günstig ist die Anordnung desL0 The arrangement of the
Einklemmschutzsensors zwischen dem Dichtprofil und dem Rahmenprofil einer Öffnung. Dabei kann der Sensor eingeklebt, oder lediglich eingeklemmt werden, ohne dass eine konstruktive Änderung der bisherigen Dichtungs- oderAnti-trap sensor between the sealing profile and the frame profile of an opening. The sensor can be glued in or just clamped in without a design change to the previous seal or
L5 Rahmenprofile notwendig ist.L5 frame profiles is necessary.
Die räumlich unterteilten Elektroden können besonders günstig mittels einer Leiterplattentechnik realisiert werden, wobei die einzelnen Elektroden mit ihren zumThe spatially subdivided electrodes can be realized particularly favorably by means of a printed circuit board technology, the individual electrodes with their
20 Spannungsabgriff führenden Leiterbahnen als dünne Schicht auf einer dünnen, flexiblen Leiterplattenfolie angeordnet sind.20 voltage tapping conductors are arranged as a thin layer on a thin, flexible circuit board foil.
Die wechselseitige Nutzung von Sensor-Ober- und -Unterseite zur Leiterbahnführung erlaubt eine besonders platzsparendeThe mutual use of the top and bottom of the sensor for routing the conductor allows particularly space-saving
25 Ausführung des Sensors .25 Version of the sensor.
Fertigungstechnisch günstig ist es, den Einklemmschutzsensor mit einer Folie am Rahmen- oder Dichtprofil zu befestigen, wobei auf der Folie vorzugsweise die Leiterbahnen für die 30 Anschlüsse der Elektroden angeordnet sind. Diese Methode ermöglicht eine räumlich feine Unterteilung des Sensors in Bereiche mit unabhängigen Elektrodenpaaren.In terms of production technology, it is favorable to attach the anti-trap sensor to the frame or sealing profile with a film, the conductor tracks for the 30 connections of the electrodes preferably being arranged on the film. This method enables a spatially fine subdivision of the sensor into areas with independent pairs of electrodes.
Da die EAP-Materialien sehr ähnliche Eigenschaften wie die 35 Werkstoffe eines Dichtprofils besitzen, lassen sich die EAP- Schichten besonders günstig in das Dichtprofil integrieren und in einem Arbeitsgang mit demselben, beispielsweise mittels Koextrudieren oder Mehrkomponenten-Spritzgießen herstellen.Since the EAP materials have very similar properties to the 35 materials of a sealing profile, the EAP layers can be integrated into the sealing profile particularly cheaply and manufacture in one operation with the same, for example by means of co-extrusion or multi-component injection molding.
Das Aufbringen der EAP-Schicht auf das Dichtprofil in Form eines Lackes oder mittels Aufkleben ist ebenfalls eine kostengünstige Alternative. Auch derart hergestellte Einklemmschutzsensoren sind aufgrund der gummiähnlichen Eigenschaften der EAP-Materialien sehr strapazierfähig gegenüber mechanischer Beanspruchung, auch über einen großen Temperaturbereich von -50°C bis 200°C.Applying the EAP layer to the sealing profile in the form of a lacquer or by gluing is also an inexpensive alternative. Anti-trap sensors manufactured in this way are also very hard-wearing against mechanical stress due to the rubber-like properties of the EAP materials, even over a wide temperature range from -50 ° C to 200 ° C.
Durch eine Anordnung der mindestens einen EAP-Schicht halbkreisförmig um das eine Ende des Rahmenprofils können auch Einklemmkräfte, die außerhalb der Bewegungsebene desBy arranging the at least one EAP layer semicircularly around one end of the frame profile, pinching forces that are outside the plane of movement of the
Teils auf das Dichtprofil einwirken, sicher sensiert werden.Partly act on the sealing profile, be sensed safely.
Aufgrund der räumlichen Auflösung des Einklemmschutzsensors entlang der Kante oder dem Rahmen können einfacherweise Bereiche unterschiedlicher Empfindlichkeit vorgegeben werden, die bestimmten Kantenabschnitten des Teils angepasst sind. Dabei kann die geometrische Form des Teils und des entsprechenden Rahmens berücksichtigt werden, durch die von der Schließrichtung abweichende Einklemmkraftkomponenten verursacht werden.Due to the spatial resolution of the anti-trap sensor along the edge or the frame, areas of different sensitivity can easily be specified, which are adapted to certain edge sections of the part. The geometrical shape of the part and the corresponding frame can be taken into account, which causes pinching force components that deviate from the closing direction.
Die Empfindlichkeit der einzelnen Sensorbereiche kann vorteilhafter Weise durch das Anlegen einer individuell angepassten Arbeitsspannung an die Elektroden der entsprechenden Bereiche realisiert werden.The sensitivity of the individual sensor areas can advantageously be realized by applying an individually adapted working voltage to the electrodes of the corresponding areas.
Da die bei EAP-Materialien anliegenden Spannungen typischerweise im kV-Bereich liegen, werden die Signale der Elektroden einem DC/DC-Wandler zugeführt, der Teil einer Auswertevorrichtung in einem Steuergerät des Einklemmschutzsensors ist. ZeichnungSince the voltages applied to EAP materials are typically in the kV range, the signals from the electrodes are fed to a DC / DC converter which is part of an evaluation device in a control unit of the anti-pinch sensor. drawing
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigenExemplary embodiments of a device according to the invention are shown in the drawings. Show it
Figur 1 eine Anordnung eines Einklemmschutzsensors an einem Kraftfahrzeugseitenfenster ,FIG. 1 shows an arrangement of an anti-trap sensor on a motor vehicle side window,
L0L0
Figur 2a bis 2c das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung,2a to 2c the principle of operation of the device according to the invention,
Figur 3 und Figur 4a bis 4c verschiedene Ausführungs- L5 beispiele eines erfindungsgemäßen Einklemmschutzsensors,3 and FIGS. 4a to 4c show different exemplary embodiments of a pinch protection sensor according to the invention,
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Lochbandmatrix,FIG. 5 shows a further exemplary embodiment with a perforated band matrix,
>0 Figur 6 und 7 verschiedene Ausführungsformen von Elektroden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und> 0 Figures 6 and 7 different embodiments of electrodes of a device according to the invention and
Figur 8 und Figur 9 weitere Anordnungsmöglichkeiten des Einklemmschutzsensors an einem Rahmenprofil gemäß Figur 1.8 and FIG. 9 further possible arrangements of the anti-trap sensor on a frame profile according to FIG. 1.
>5> 5
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist ein Seitenfenster eines Kraftfahrzeugs dargestellt, wobei zwischen einer Fensterscheibe 10 alsIn Figure 1, a side window of a motor vehicle is shown, wherein between a window 10 as
SO bewegliches Teil 10 und einem eine Fensteröffnung 11 umschließendes Rahmenprofil 12 über die gesamte Länge desselben ein Einklemmschutzsensor 14 angeordnet ist. Der Einklemmschutzsensor 14 ist beispielsweise in ein Dichtprofil 16 integriert und in verschiedene Bereiche 18,SO movable part 10 and a frame profile 12 enclosing a window opening 11, an anti-trap sensor 14 is arranged over the entire length thereof. The anti-trap sensor 14 is integrated, for example, in a sealing profile 16 and in different areas 18,
15 entsprechend der Form der Scheibe 10, unterteilt. Die15 divided according to the shape of the disc 10. The
Scheibe 10 weist eine Kante 20 auf, die im wesentlichen parallel zum Rahmenprofil 12 verläuft. Beim Schließen des Teils 10 tritt eine Schließkraft 22 auf, deren Komponente senkrecht zur Kante 20 des Teils 10 in den verschiedenen Bereichen 18 unterschiedlich groß sein kann. Befindet sich . im Verstellweg zwischen dem Teil 10 und dem Rahmenprofil 12 ein Hindernis 24, wird beim Schließen ein Druck auf den Einklemmschutzsensor 14 ausgeübt, und ein Signal an eine Steuereinheit 26 der Schließvorrichtung weitergeleitet. Wird dabei ein voreingestellter Schwellwert der Schließkraft 22 überschritten, erhält der Motor 21 einen Steuerbefehl, um das Teil 10 zu stoppen oder dessen Bewegungsrichtung zu reversieren.Disk 10 has an edge 20 that is substantially runs parallel to the frame profile 12. When the part 10 is closed, a closing force 22 occurs, the component of which can be of different sizes perpendicular to the edge 20 of the part 10 in the different regions 18. Is located . an obstacle 24 in the adjustment path between the part 10 and the frame profile 12, pressure is exerted on the anti-trap sensor 14 when closing, and a signal is forwarded to a control unit 26 of the locking device. If a preset threshold value of the closing force 22 is exceeded, the motor 21 receives a control command to stop the part 10 or to reverse its direction of movement.
Figur 2a bis 2c zeigt einen schematischen Querschnitt eines Einklemmschutzsensors 14, der mehrere elektroaktiveFigure 2a to 2c shows a schematic cross section of an anti-trap sensor 14, the several electroactive
Polymer (EAP) -Schichten aufweist. Als EAP-Material wird beispielsweise Polyuretan PT6100S , Fluorelastomer LaurenL143HC, Polybutadien Aldrich PBD, Fluorsilikon 730 oder Silikon Sylgard 186 verwendet. EAP-Materialien haben die besondere Eigenschaft, dass sich aufgrund ihrerHas polymer (EAP) layers. The EAP material used is, for example, polyurethane PT6100S, fluoroelastomer LaurenL143HC, polybutadiene Aldrich PBD, fluorosilicone 730 or silicone Sylgard 186. EAP materials have the special property that due to their
Elektrostriktion bei einer äußeren Verformung die effektive Länge der elektroaktiven, dielektrischen Polymerketten ändert. Diese Längenänderung bewirkt eine Spannungsänderung an den an die EAP-Schichten angeordneten Elektroden 28. In Figur 2a ist auf einen Gummi eines Dichtprofils 16 eine erste EAP-Schicht 30 zwischen zwei Elektroden-Schichten 28 angeordnet. Über diesem ersten Elektroden/EAP-Paket ist getrennt durch eine Isolationsschicht 32 eine weitere Schichtfolge Elektrode, EAP-Schicht, Elektrode angeordnet. Die beiden Elektroden 34 werden auf Masse gelegt und an die beiden anderen Elektroden 36 jeweils eine positive Spannung angelegt. Die Dicke 38 der EAP-Schicht 30 beträgt beispielsweise zwischen 1 und 100 Mikrometer. Je dünner diese Schicht ausgebildet ist, umso stärker lässt sie sich dehnen, wodurch die Empfindlichkeit des Einklemmschutzes erhöht wird. Figur 2b zeigt die Verformung der EAP-Schichten 30 aufgrund eines eingeklemmten Hindernisses 24. Die Einklemmkraft 22 bewirkt eine Verlängerung der EAP-Schichten 30 entlang des 5 Dichtprofils 16. Dabei erfahren die EAP-Schichten 30 eineElectrostriction in the event of external deformation changes the effective length of the electroactive, dielectric polymer chains. This change in length causes a change in voltage at the electrodes 28 arranged on the EAP layers. In FIG. 2a, a first EAP layer 30 is arranged on a rubber of a sealing profile 16 between two electrode layers 28. Another layer sequence electrode, EAP layer, electrode is arranged above this first electrode / EAP packet, separated by an insulation layer 32. The two electrodes 34 are grounded and a positive voltage is applied to each of the other two electrodes 36. The thickness 38 of the EAP layer 30 is, for example, between 1 and 100 micrometers. The thinner this layer is, the more it can be stretched, which increases the sensitivity of the pinch protection. FIG. 2b shows the deformation of the EAP layers 30 due to a jammed obstacle 24. The jamming force 22 causes the EAP layers 30 to be lengthened along the sealing profile 16. The EAP layers 30 experience one
Querkontraktion, wodurch sich ihre Dicke 38 verringert. Dies führt zu einer Spannungsänderung zwischen den beiden Elektrodenpaaren 34, 36, die einer bestimmten Krafteinwirkung auf den Einklemmschutzsensor 14 entspricht. 10 Die Spannungsänderung wird im Steuergerät 26 gemessen und mit einem Grenzwert verglichen, bei dessen Über- oder Unterschreiten der Motor 21 gestoppt oder reversiert wird. Die Spannungsänderung erfolgt dabei gemäß der FormelCross contraction, which reduces their thickness 38. This leads to a voltage change between the two pairs of electrodes 34, 36, which corresponds to a specific force acting on the anti-trap sensor 14. 10 The change in voltage is measured in the control unit 26 and compared with a limit value, the motor 21 of which is stopped or reversed when it falls below or falls below it. The voltage change takes place according to the formula
L5 U = t* V(p/εr*ε0) , wobei die hervorgerufene Spannungsänderung direkt proportional zu t, der Dicke 38 der EAP-Schicht 30 ist. Der durch die Einklemmkraft 22 eines Hindernisses 24 generierte Druck P und die dielektrischen Materialeigenschaften εr undL5 U = t * V (p / εr * ε0), wherein the voltage change caused is directly proportional to t, the thickness 38 of the EAP layer 30. The pressure P generated by the clamping force 22 of an obstacle 24 and the dielectric material properties ε r and
_0 εQ beeinflussen die Spannungsänderung lediglich als Faktor unter der Wurzel ._0 ε Q influence the voltage change only as a factor under the root.
In Figur 2c ist der Einklemmschutzsensor 14 in einem Hohlraum 39 des Dichtprofils 16 angeordnet, der sich in etwa 25 parallel zur Kante 20 erstreckt.In FIG. 2c, the anti-trap sensor 14 is arranged in a cavity 39 of the sealing profile 16, which extends approximately 25 parallel to the edge 20.
In Figur 3 ist eine alternative Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 dargestellt. Auch hier ist eine EAP-Schicht 30 zwischen zwei flächigen Elektroden 28 10 angeordnet, wobei rechts im Bild vier EAP-Schichten 30 mit dazwischenliegenden Elektroden 28 zu einem Paket zusammengefasst sind. Die Schließkraft 22 wirkt hier aber nicht senkrecht zu den EAP-Schichten 30 und den Elektroden 28, sondern in der Schichtebene der EAP-Schichten 30. Diese 5 Krafteinwirkung bewirkt ebenfalls eine Formveränderung der EAP-Schichten 30, die zu einer Verdickung derselben führt. An den zwischen den EAP-Schichten 30 angeordneten Elektroden 28 wird wiederum eine Spannungsänderung abgegriffen, die mit der Schließkraft 22 korreliert ist. Bei dieser Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 sind die EAP-Schichten 30 zwischen dem Rahmenprofil 12 und der Scheibe 10 in etea parallel zu deren Bewegungsrichtung angeordnet. Die Addition der einzelnen Spannungsänderungen führt auf einfache Weise zu einer Erhöhung des Messsignals bei Verwendung mehrere EAP-Schichten 30.An alternative embodiment of the anti-trap sensor 14 is shown in FIG. Here, too, an EAP layer 30 is arranged between two flat electrodes 28 10, four EAP layers 30 with electrodes 28 lying between them being combined to form a package on the right. However, the closing force 22 does not act perpendicular to the EAP layers 30 and the electrodes 28, but rather in the layer plane of the EAP layers 30. This 5 force effect also causes a change in the shape of the EAP layers 30, which leads to a thickening thereof. A voltage change, which is correlated with the closing force 22, is again tapped at the electrodes 28 arranged between the EAP layers 30. In this embodiment of the anti-trap sensor 14, the EAP layers 30 are arranged between the frame profile 12 and the pane 10 in parallel to their direction of movement. The addition of the individual voltage changes leads in a simple manner to an increase in the measurement signal when using several EAP layers 30.
1010
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird eine Schichtfolge Elektrode 28, EAP-Schicht 30, Elektrode 28, EAP-Schicht 30 um einen Wickelkern 40 zu einer Rolle 42 aufgewickelt, wobei sich diese axial näherungsweise parallelIn a further exemplary embodiment according to FIG. 4, a layer sequence of electrode 28, EAP layer 30, electrode 28, EAP layer 30 is wound around a winding core 40 to form a roll 42, the latter being axially approximately parallel
L5 zur Kante 20 erstreckt. Beim Schließen des Teils 10 erfährt der Einklemmschutzsensor 14 eine radiale Krafteinwirkung, sobald ein Hindernis 24 auf denselben drückt. Dabei werden die EAP-Schichten 30 - zumindest diejenigen Schichten senkrecht zur Schließkraft - derart zusammengedrückt, dass 0 sich die Dicke 38 der EAP-Schichten 30 verringert. Dies führt ebenfalls zu einer aufsummierten Spannungsänderung, die an den beiden Elektroden 28 abgegriffen wird.L5 extends to edge 20. When the part 10 is closed, the anti-trap sensor 14 experiences a radial force as soon as an obstacle 24 presses on it. The EAP layers 30 - at least those layers perpendicular to the closing force - are compressed in such a way that the thickness 38 of the EAP layers 30 decreases. This also leads to an accumulated voltage change, which is tapped off at the two electrodes 28.
In Figur 4b ist eine EAP-Schicht 30 ebenfalls mit >5 dazwischenliegenden Elektroden 34, 36 analog zu Figur 4a aufgewickelt, jedoch ist in dieser Anordnung die Krafteinwirkung in axialer Richtung zur Rolle 42. Dabei sind mehrere Rollen 42 mit ihrer Achse näherungsweise in der Scheibenebene und in etwa senkrecht zur Kante 20 angeordnet, >0 wobei eine axiale Längenänderung der Rolle 42 eine Änderung - in diesem Fall eine Vergrößerung - der Dicke 38 der EAP- Schichten 30 bewirkt.In FIG. 4b, an EAP layer 30 is also wound up with> 5 intermediate electrodes 34, 36 analogous to FIG. 4a, but in this arrangement the force is applied in the axial direction to the roller 42. In this case, several rollers 42 with their axes are approximately in the plane of the disk and arranged approximately perpendicular to the edge 20,> 0 whereby an axial change in length of the roller 42 causes a change - in this case an increase - in the thickness 38 of the EAP layers 30.
Figur 4c zeigt eine weitere Variation, bei der die EAP- 5 Schicht 30 als einfaches Röhrchen 44 geformt ist, wobei die Elektroden 34, 36 jeweils an den beiden axialen Enden des Röhrchens 44 angeordnet sind. Die Krafteinwirkung erfolgt hier entsprechend Figur 4b ebenfalls axial, wodurch sich ebenfalls die Dicke 38 der EAP-Schicht 30 verändert. Durch die Elektrodenanordnung wird hierbei nicht die Spannungsänderung über die Dicke 38 der EAP-Schicht 30, sondern über deren axiale Ausdehnung gemessen.FIG. 4c shows a further variation in which the EAP-5 layer 30 is shaped as a simple tube 44, the electrodes 34, 36 being located at the two axial ends of the Tubes 44 are arranged. According to FIG. 4b, the force is also applied axially, which also changes the thickness 38 of the EAP layer 30. The electrode arrangement does not measure the change in voltage across the thickness 38 of the EAP layer 30, but rather via its axial extent.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform des Einklemmschutzsensors 14 gemäß der Anordnung in Figur 2 dargestellt. Dabei ist eine zwischen zwei Elektroden 34, 36 eingebettete EAP-Schicht 30 über einer Lochbandmatrix 46 angeordnet. Zwischen den einzelnen Löchern 48 des sich in etwa parallel zur Kante 20 erstreckenden Lochbandes 46 befinden sich Stützstellen 50, an denen die EAP-Schicht 30 aufgehängt ist. Die Lochbandmatrix 46 stellt ein räumlich fixiertes Gerüst dar, durch dessen Löcher 48 sich, bei an die Elektroden 34, 36 angelegter Spannung, die EAP-Schicht 30 mitsamt den Elektroden 34, 36 hindurch ausdehnt. Die Lochbandmatrix 46 ist mitsamt der Elektroden 34, 36 und der EAP-Schicht 30 in ein Dichtungsprofil 16 integriert oder direkt mittels Mehrkomponenten-Spritzgießen einstückig mit diesem hergestellt. Durch die räumlich fixierten Stütztstellen 50 bewirken auch kleine Hindernisse 24 eine relativ starke Verformung der EAP-Schicht 30, da diese bis zur Ebene 52 der Lochbandmatrix 46 durch die Löcher 48 zurückgedrängt wird. Dies bewirkt eine Spannungsänderung zwischen den anliegenden Elektroden 34, 36, die zur Auslösung der Einklemmschutzfunktion ausgewertet wird.FIG. 5 shows a further embodiment of the anti-trap sensor 14 according to the arrangement in FIG. 2. In this case, an EAP layer 30 embedded between two electrodes 34, 36 is arranged over a perforated band matrix 46. Between the individual holes 48 of the perforated band 46, which extends approximately parallel to the edge 20, there are support points 50 at which the EAP layer 30 is suspended. The perforated band matrix 46 represents a spatially fixed scaffold, through the holes 48 of which, when the voltage is applied to the electrodes 34, 36, the EAP layer 30 together with the electrodes 34, 36 extends through it. The perforated band matrix 46 is integrated together with the electrodes 34, 36 and the EAP layer 30 in a sealing profile 16 or is produced directly in one piece with it by means of multi-component injection molding. Due to the spatially fixed support points 50, even small obstacles 24 cause a relatively strong deformation of the EAP layer 30, since this is pushed back through the holes 48 up to the plane 52 of the perforated band matrix 46. This causes a voltage change between the adjacent electrodes 34, 36, which is evaluated to trigger the pinch protection function.
In Figur 6 ist ein Einklemmschutzsensor 14 mit einer und mit zwei EAP-Schichten 30 dargestellt, wobei jeweils eine Elektrode 56 eine Strukturierung aufweist. Die Elektrode 56 ist entlang der Kante 20 oder dem Rahmenprofil 16 in kleine Abschnitte unterteilt, die durch flexible Verbindungsstücke 54 miteinander verbunden sind. Die strukturierte Elektrode 56 ist als integrierte Schicht ausgebildet und kann verschiedene geometrische Formen aufweisen. Eine solche, auf oder zwischen EAP-Schichten angeordnete, Elektrode 56 ist auch bei einstückiger Ausbildung sehr flexibel und außerordentlich dehnbar und dadurch sehr verschleißbeständig.FIG. 6 shows an anti-trap sensor 14 with one and with two EAP layers 30, one electrode 56 each having a structure. The electrode 56 is divided along the edge 20 or the frame profile 16 into small sections which are connected to one another by flexible connecting pieces 54. The structured electrode 56 is designed as an integrated layer and can have different geometric shapes. Such an electrode 56, which is arranged on or between EAP layers, is very flexible and extraordinarily stretchable, even with a one-piece design, and is therefore very wear-resistant.
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 14 mit einer einstückigen, unstrukturierten Grundelektrode 34 und einer darauf angeordneten EAP-Schicht 30. Auf dieser wiederum ist eine strukturierte Elektrode 56 als integrierte Schicht angeordnet, wobei die einzelnen Elektrodenabschnitte 58 gegeneinander isoliert sind. Die einzelnen Elektrodenabschnitte 58 weisen zur Kontaktierung Leiterbahnen 62 auf, die ebenfalls Bestandteil der integrierten Schicht sind. Die Elektrodenabschnitte 58 sind vorzugsweise in Richtung 20 λ der Kante 20 unterteilt, um lokal die Empfindlichkeit des Einklemmschutzsensors 14 zu erhöhen oder aber auch, um eine Einteilung in Bereiche 18 entsprechend der Scheibenkontur gemäß Figur 1 zu realisieren. Wird die Grundelektrode 34 mit Masse verbunden, kann jedem einzelnen Elektrodenabschnitt 58 eine individuelle Grundspannung für den jeweiligen Elektrodenabschnitt 58 - oder entsprechend den Sensorbereichen 18 - zugeordnet werden. Dadurch kann für jeden Abschnitt 58 beziehungsweise Bereich 18 eine unterschiedliche Empfindlichkeit des Sensors 14 eingestellt werden. Alternativ kann eine solche lokale Empfindlichkeit auch über unterschiedliche Schwellwerte der Spannungsänderung eingestellt werden.FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a sensor 14 with a one-piece, unstructured base electrode 34 and an EAP layer 30 arranged thereon. In turn, a structured electrode 56 is arranged as an integrated layer, the individual electrode sections 58 being insulated from one another. The individual electrode sections 58 have conductor tracks 62 for contacting, which are likewise part of the integrated layer. The electrode sections 58 are preferably subdivided in the direction 20 λ of the edge 20 in order to locally increase the sensitivity of the anti-trap sensor 14 or else to realize a division into areas 18 in accordance with the disk contour according to FIG. 1. If the base electrode 34 is connected to ground, an individual base voltage for the respective electrode section 58 - or corresponding to the sensor areas 18 - can be assigned to each individual electrode section 58. As a result, a different sensitivity of the sensor 14 can be set for each section 58 or area 18. Alternatively, such a local sensitivity can also be set using different threshold values for the voltage change.
Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Rahmenprofil 12 mit einem Dichtprofil 16. Die zwischen zwei Elektrodenschichten 28 angeordnete EAP-Schicht 30 ist kreisförmig um ein freies Ende 60 des Rahmenprofils 12 zwischen diesem und dem Dichtprofil 16 angeordnet. Durch die halbkreisförmige Ausformung des Einklemmschutzsensors 14 in einer Ebene in etwa senkrecht zur Kante 20 können auch Einklemmkräfte 22 außerhalb der Bewegungsebene des Teils 10 detektiert werden, wobei vor allem der innere Bereich 15 des Einklemmschutzsensors 14 zur Scheibe 10 hin für das rechtzeitige Erkennen eines Hindernisses 24 entscheidend ist. Der Einklemmschutzsensor 14 wird bei dieser Anordnung auf das freie Ende 60 des Dichtprofils 12 aufgeklebt, kann aber auch lediglich in das Dichtprofil 16 vor dessen Montage eingelegt und gegen das freie Ende 60 gedrückt werden.FIG. 8 shows a cross section through a frame profile 12 with a sealing profile 16. The EAP layer 30 arranged between two electrode layers 28 is arranged in a circle around a free end 60 of the frame profile 12 between the latter and the sealing profile 16. Due to the semicircular shape of the anti-trap sensor 14 in In a plane approximately perpendicular to the edge 20, pinching forces 22 can also be detected outside the plane of movement of the part 10, the inner region 15 of the pinch protection sensor 14 towards the pane 10 being decisive for the timely detection of an obstacle 24. In this arrangement, the anti-trap sensor 14 is glued onto the free end 60 of the sealing profile 12, but can also only be inserted into the sealing profile 16 before it is installed and pressed against the free end 60.
In Figur 9 wird der Einklemmschutzsensor 14 an einem freien Ende 60 des Rahmenprofils 12 mittels einer Folie 64 fixiert, die die Leiterbahnen 62 für die einzelnen Elektrodenabschnitt 58 trägt. Ist die gesamte Länge des Einklemmschutzsensors 14 in viele Abschnitte 58 unterteilt, so ist für die Vielzahl der Elektrodenanschlüsse eine große Fläche erforderlich, um die Leiterbahnen 62 entlang dem Rahmenprofil 12 einer Spannungsquelle zuzuführen. Hierzu dient die flexible Leiterplattenfolie 64, die sich über den gesamten Bereich zwischen der Außenseite 66 des Dichtprofils 12 und dem Dichtprofil 16 erstreckt. Die EAP-Schichten 30 und die dazugehörigen Elektroden 28 sind dabei vorzugsweise integraler Bestandteil der Leiterplattenfolie 64. Die Leiterplattenfolie 64 mit den Leiterbahnen 62 ist entweder am Dichtprofil 16 festgeklebt oder lediglich zwischen Dichtprofil 16 und Rahmenprofil 12 eingepresst. Die Kontaktbahnen 62 werden vorzugsweise einer Steuereinheit 26 zugeführt, in der die angelegten Spannungen im kV-Bereich mittels eines DC/DC-Wandlers für die Weiterverarbeitung in der Auswerteelektronik transformiert werden. An denIn FIG. 9, the anti-trap sensor 14 is fixed to a free end 60 of the frame profile 12 by means of a film 64 which carries the conductor tracks 62 for the individual electrode section 58. If the entire length of the anti-trap sensor 14 is divided into many sections 58, a large area is required for the large number of electrode connections in order to supply the conductor tracks 62 to a voltage source along the frame profile 12. The flexible printed circuit board film 64, which extends over the entire area between the outside 66 of the sealing profile 12 and the sealing profile 16, serves this purpose. The EAP layers 30 and the associated electrodes 28 are preferably an integral part of the circuit board film 64. The circuit board film 64 with the conductor tracks 62 is either glued to the sealing profile 16 or is only pressed in between the sealing profile 16 and the frame profile 12. The contact tracks 62 are preferably fed to a control unit 26, in which the applied voltages in the kV range are transformed by means of a DC / DC converter for further processing in the evaluation electronics. To the
Elektroden 28 treten Ströme in der Größenordnung 0,5 mA auf, so dass auch hohe Spannungen keine Gefährdung für Personen darstellen. Die lokale Längenänderung der EAP-Schicht 30 um bis zu 300% erfolgt entsprechend der Schließgeschwindigkeit des Teils 10. Die Reaktionszeit der Elektrostriktion, das heißt das Generieren einer Spannungsänderung bei einer angelegten ArbeitsSpannung, erfolgt im Bereich von Millisekunden bis Mikrosekunden. Die Elektrostriktion lässt sich auch mit dem Modell eines Kondensators darstellen, wobei als Dielektrikum das EAP-Material zwischen zwei ebenen Elektrodenplatten angeordnet ist. Durch die äußereElectrodes 28 have currents of the order of 0.5 mA, so that even high voltages do not pose a risk to people. The local change in length of the EAP layer 30 by up to 300% takes place in accordance with the closing speed of the part 10. The reaction time of the electrostriction, that is to say the generation of a voltage change in the case of a applied working voltage, takes place in the range of milliseconds to microseconds. Electrostriction can also be represented using the model of a capacitor, the EAP material being arranged as a dielectric between two flat electrode plates. Through the outside
Verformung treten Impedanzänderungen des Systems auf, da sich die effektive Länge der Polymerketten beziehungsweise die Orientierung der inneren Dipole im angelegten elektrischen Feld ändert. Die mehrfach aufeinandergestapelten EAP-Schichten können quasi in Reihe geschaltet werden, um das Messsignal zu erhöhen. Je dünner die EAP-Filme appliziert werden können, desto geringer werden die Stromverluste durch Wärmeabgabe der Elektroden. Durch das Einschließen der strukturierten Elektrode 56 zwischen zwei EAP-Schichten wird sichergestellt, dass sich die wirksamen Elektrodenflächen ohne Justage direkt übereinander befinden. Bei der Integration der typischerweise sehr schmalen Leiterbahnen 62 in den Sensor werden diese zusätzlich mechanisch geschützt. Bei der Herstellung der EAP-Schichten 30 ist auf eine homogene Schichtdicke 38 derselben zu achten, da sonst kein konstantes, homogenes elektrisches Feld angelegt werden kann. Da das Sensormaterial sehr ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist wie das Material des Dichtungsprofils 16, werden Delaminationen zwischen Sensor 14 und Gummi minimiert. Dies gilt für einen Temperaturbereich von -50 bis 200°C, der die Anwendung im Kfz-Bereich vollständig abdeckt. Daher kann die erfindungsgemäße Ausführung des Einklemmschutzsensors 14 auch in einfacher Form als Lack auf das Dichtprofil 16 aufgetragen werden.Deformation occurs due to changes in the system's impedance, since the effective length of the polymer chains or the orientation of the internal dipoles in the applied electrical field changes. The multiple stacked EAP layers can be connected in series to increase the measurement signal. The thinner the EAP films can be applied, the lower the current losses due to the heat given off by the electrodes. Enclosing the structured electrode 56 between two EAP layers ensures that the effective electrode surfaces are located directly above one another without adjustment. When the typically very narrow conductor tracks 62 are integrated into the sensor, they are additionally mechanically protected. When producing the EAP layers 30, care must be taken to ensure that the layer thickness 38 is homogeneous, since otherwise a constant, homogeneous electric field cannot be applied. Since the sensor material has very similar mechanical properties to the material of the sealing profile 16, delamination between the sensor 14 and the rubber is minimized. This applies to a temperature range from -50 to 200 ° C, which completely covers the application in the automotive sector. Therefore, the inventive design of the anti-trap sensor 14 can also be applied to the sealing profile 16 in a simple form as a lacquer.
Denkbar ist außerdem, dass aus dem Verlauf der Impedanzänderungen auch beispielsweise auf die Größe des eingeklemmten Objekts 24 geschlossen werden und somit auch abhängig von der Objektgröße der auslösende Schwellwert festgelegt werden kann. It is also conceivable that, for example, the size of the pinched object 24 can be deduced from the course of the impedance changes and thus the triggering threshold value can also be determined depending on the object size.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Öffnen und Schließen einer Öffnung (11), insbesondere an einem Fahrzeug, mittels eines motorisch angetriebenen, beweglichen Teils (10) , mit einer Steuereinheit (26) und einem Einklemmschutzsensor (14) , der im wesentlichen entlang einer Kante (20) des Teils (10) und/oder eines die Öffnung (11) begrenzenden Rahmenprofils (12) angeordnet ist und beim Schließen des Teils (10) ein Hindernis (24) erkennt, das sich im Verstellweg des Teils (10) befindet, und ein Signal an die Steuereinheit (26) weiterleitet, um die Bewegung des Teils (10) zu stoppen oder zu reversieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) ein zwischen Elektroden (28, 34, 36) angeordnetes hochdehnbares elektroaktives Polymer (EAP) -Material (30), insbesondere Polyurethan, Flourelastomer , Polybutadien, Floursilikon oder Silikon, aufweist, das bei einer Verformung eine Spannungsänderung an den Elektroden (28, 34, 36) bewirkt.1. Device for opening and closing an opening (11), in particular on a vehicle, by means of a motor-driven, movable part (10), with a control unit (26) and an anti-trap sensor (14), which essentially extends along an edge (20 ) of the part (10) and / or a frame profile (12) delimiting the opening (11) and when closing the part (10) detects an obstacle (24) that is in the adjustment path of the part (10), and a Forwards the signal to the control unit (26) in order to stop or reverse the movement of the part (10), characterized in that the anti-trap sensor (14) is a highly stretchable electroactive polymer (EAP) arranged between electrodes (28, 34, 36). Material (30), in particular polyurethane, flour elastomer, polybutadiene, fluor silicone or silicone, which causes a change in voltage at the electrodes (28, 34, 36) when deformed.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einer Verformung des EAP-Materials (30) die effektive Länge dessen Polymerketten ändert. Device according to claim 1, characterized in that when the EAP material (30) is deformed, the effective length of its polymer chains changes.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das EAP-Material (30) in dünnen Schichten, insbesondere einer Dicke (38) von 1 bis 100 μm ausgeformt ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the EAP material (30) is formed in thin layers, in particular a thickness (38) of 1 to 100 microns.
5 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Elektroden (28, 34, 36) eine Spannung U gemäß der Formel5 4. Device according to claim 1, characterized in that on the electrodes (28, 34, 36) a voltage U according to the formula
U = t * (p/εr*ε0)l/2 0 einstellt, wobei t die Dicke (38) der EAP-Schicht (30) , εr die Dieelektrizitätszahl , &Q die elektrische Feldkonstante und P der von dem Hindernis (24) erzeugte Druck auf die EPA-Schicht (30) darstellt.U = t * (p / εr * ε0) l / 2 0, where t is the thickness (38) of the EAP layer (30), ε r is the dieelectricity number, & Q the electric field constant and P that of the obstacle (24) generated pressure on the EPA layer (30).
5 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere EAP-Schichten (30) mit dazwischen liegenden Elektroden (28, 34, 36) und/oder Iεolationsschichten (32) übereinander gestapelt sind.5 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of EAP layers (30) with electrodes (28, 34, 36) and / or insulation layers (32) in between are stacked one above the other.
0 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Hindernis (24) erzeugte Druck überwiegend senkrecht zu den EAP-Schichten (30) wirkt.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pressure generated by the obstacle (24) acts predominantly perpendicular to the EAP layers (30).
5 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Hindernis (24) erzeugte Druck überwiegend parallel zu den EAP-Schichten (30) wirkt.5 7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pressure generated by the obstacle (24) mainly acts parallel to the EAP layers (30).
SOSO
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP-Schicht (30) als Röhre (44) oder als Rolle (42) ausgeformt ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one EAP layer (30) is formed as a tube (44) or as a roller (42).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ι5 gekennzeichnet, dass die Elektroden (28, 34, 36) an den Stirnseiten oder an den Mantelflächen der Röhre (42 ) oder der Rolle (44) angeordnet sind.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in 5 that the electrodes (28, 34, 36) to the End faces or on the outer surfaces of the tube (42) or the roller (44) are arranged.
10.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP- Schicht (30) über einer Lochbandmatrix (46) angeordnet ist und sich bei an die Elektroden (28, 34, 36) angelegter Spannung durch die Löcher (48) der Lochbandmatrix (46) hindurch ausdehnt.10.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one EAP layer (30) is arranged over a perforated tape matrix (46) and is applied to the electrodes (28, 34, 36) through the holes (48 ) of the perforated band matrix (46) extends through.
11.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine der Elektroden (28, 34, 36, 56) räumlich strukturiert ist, insbesondere in Richtung (20X der Kante (20) leicht beweglich ausgebildet ist.11.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one of the electrodes (28, 34, 36, 56) is spatially structured, in particular is designed to be easily movable in the direction (20X of the edge (20).
12.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) entlang der Kante (20) oder des Rahmenprofils (12) in mehrere unabhängige Bereiche (18, 58) unterteilt ist.12.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor (14) along the edge (20) or the frame profile (12) is divided into several independent areas (18, 58).
13.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche (18, 58) des Einklemmschutzsensors (14) überlappen.13.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the areas (18, 58) of the anti-trap sensor (14) overlap.
14.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensorbereich (18, 58) zumindest jeweils eine eigene Elektrode (28, 34, 36, 56) aufweist.14.Device according to one of the preceding claims, characterized in that each sensor area (18, 58) has at least one electrode (28, 34, 36, 56).
15.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektroden (28, 34, 36, 56) der Sensorbereiche (18, 58) in Form einer integrierten Schicht mit Leiterbahnen (62) auf der EAP-Schicht (30) ausgeführt sind. 15.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual electrodes (28, 34, 36, 56) of the sensor regions (18, 58) in the form of an integrated layer with conductor tracks (62) on the EAP layer (30) are executed.
16.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) zwischen einem das Teil (10) umschliesenden Rahmenprofils (12) und einer in dieses eingefügeten Dichtprofil (16) angeordnet ist.16.The device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor (14) is arranged between a frame profile (12) enclosing the part (10) and a sealing profile (16) inserted therein.
17.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) mittels einer Folie (64) fixiert ist, die Leiterbahnen (62) für die Ansteuerung der Elektroden (28,17.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor (14) is fixed by means of a film (64), the conductor tracks (62) for controlling the electrodes (28,
34, 36, 56) trägt.34, 36, 56).
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) in das Dichtprofil (16) integriert, insbesondere mittels Koextrudieren oder Mehrkomponenten-Spritzgießen einstückig mit dem Dichtprofil (16) ausgebildet ist.18. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor (14) is integrated in the sealing profile (16), in particular is formed in one piece with the sealing profile (16) by means of coextrusion or multi-component injection molding.
19.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine EAP-19.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one EAP
Schicht (30) in Form eines Lackes oder durch Kleben auf dem Dichtprofil (16) angeordnet ist.Layer (30) in the form of a lacquer or by gluing on the sealing profile (16) is arranged.
20.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor20.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor
(14) halbkeisförmig um mindestens ein dem Teil (10) zugewandtes freies Ende (60) des Rahmenprofils (12) ausgeformt ist.(14) is shaped like a semi-circle around at least one free end (60) of the frame profile (12) facing the part (10).
21.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemmschutzsensor (14) entlang der Kante (20) oder des Rahmenprofils (12) in Bereiche (18, 58) unterschiedlicher Empfindlichkeit unterteilt ist, denen ein der Geometrie der Kante (20) angepaßter Schwellwert der Spannungsänderung zugeordnet ist, dessen Über- oder Unterschreiten ein Stoppen oder Reversieren des Teils (10) auslöst.21.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-trap sensor (14) along the edge (20) or the frame profile (12) is divided into areas (18, 58) of different sensitivity, which one of the geometry of the edge (20 ) assigned threshold value of the voltage change is whose exceeding or falling below triggers a stopping or reversing of the part (10).
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die den einzelnen EAP-22. Device according to one of the preceding claims, characterized in that to the individual EAP
Schichten (30) oder Sensorbereichen (18, 58) zugeordneten Elektroden (28, 34, 36, 58) unterschiedliche Ausgangs- Spannungen angelegt werden.Different output voltages are applied to layers (30) or sensor regions (18, 58) associated with electrodes (28, 34, 36, 58).
23.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einklemschutzsensor (14) zur Auswertung der Spannungsänderung in der Steuereinheit (26) ein DC-DC-Wandler (27) aufweist. 23.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-pinch sensor (14) for evaluating the voltage change in the control unit (26) has a DC-DC converter (27).
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