EP3688729A1 - Sensoreinrichtung mit kapazitivem sensor für kraftfahrzeuge - Google Patents

Sensoreinrichtung mit kapazitivem sensor für kraftfahrzeuge

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Publication number
EP3688729A1
EP3688729A1 EP18765826.5A EP18765826A EP3688729A1 EP 3688729 A1 EP3688729 A1 EP 3688729A1 EP 18765826 A EP18765826 A EP 18765826A EP 3688729 A1 EP3688729 A1 EP 3688729A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
sensor
sensor electrode
primary
sensor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18765826.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Van Gastel
Michael Elßner
Andreas Gornik
Michael Kalesse
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.)
Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Original Assignee
Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102017130379.0A external-priority patent/DE102017130379A1/de
Application filed by Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG filed Critical Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Publication of EP3688729A1 publication Critical patent/EP3688729A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K2017/9602—Touch switches characterised by the type or shape of the sensing electrodes

Definitions

  • the invention relates to a sensor device with at least one capacitive sensor. Sensor devices of this type are used at various points in motor vehicles,
  • the capacitive sensor electrode of such a sensor arrangement is coupled to a control and evaluation circuit.
  • Sensor electrode has at least one primary
  • Extending detection range In a detection area body parts are detected, which brings a user to operate in this detection area.
  • the sensor electrode is accommodated in a housing which extends at least in sections between the sensor electrode and the detection area and thus removes the sensor electrode from direct access and contact by the user and also protects against other environmental influences.
  • DE 196 17 038 A1 discloses a door handle with capacitive sensors to detect an approach of a potential operator.
  • Sensor electrode coupled control and evaluation circuit measures a capacitance of the sensor electrode to ground.
  • Detection area into the capacitance of the electrode is changed to ground and this is detected by the control and evaluation circuit.
  • a function can be triggered in the vehicle.
  • the function of a capacitive sensor and a control and evaluation circuit are not explained in the context of this application, since they are well known. In particular, circuits for frequent reloading of the sensor electrode are known, wherein charge durations or charge quantities are detected, from which the capacitance of a sensor electrode
  • the sensor electrodes are classical
  • the invention is therefore based on the object, the
  • Sensitivity of sensor electrodes to improve without affecting the electrode size.
  • Detection section recesses and / or openings, which are bounded by edges. These recesses and / or
  • openings are arranged such that their delimiting edges lie in the primary detection section and thus one opposite to a continuous electrode surface in the latter
  • the primary detection section is the extension area of the sensor electrode, which is designed to form the sensed user-adjustable electric field in the detection area.
  • the sensor electrode can, for example, feed cables and shielded surfaces although they are conductively connected, but do not contribute to the detection capability to a technically relevant extent.
  • the definition of the primary detection section depends on the expert design of the sensor arrangement and is also dependent on the applied voltage and the housing geometry and other components. At least the section of
  • the electrode that is closest to the detection area is part of the primary detection section.
  • a field line cant or - takes place V fabrication of edges, points and corners. The smaller the radius of curvature of such an edge, point or corner, the stronger the falls
  • Curvature radii of well below 1 mm, regularly the radii of curvature should be less than 100 ym and can, for. B. in the formation of peaks, ridges, corners or roughnesses, be significantly smaller than 10 ym and lie in the range of nanometers.
  • edged in particular sharp-edged boundaries of the electrode or corresponding contours of the surface of the electrode in the primary detection section of the electrode.
  • edges, corners and points are to be aligned in such a way that the field elevation is directed in the direction of the detection area, ie in particular on the detection area
  • edges may be outer boundaries of the electrode, it may also be edges that define openings in the electrode, such as holes, punches, embossments or the like.
  • a continuous electrode surface is used as a comparison, the area of which is the area of the primary
  • Covering section covers and envelops, wherein the
  • Recesses and / or openings according to the invention are spanned by the continuous electrode.
  • Drill out of parts of the electrode surface are formed, wherein the edges of the respective recesses and / or openings are arranged in the primary detection section.
  • the sum of the length of all the primary detection section bounding edges at least 25% larger than the edge length of a rectangle enclosing the primary detection area.
  • an electrode surface is enlarged by cuts, notches or holes in terms of their edge length so that this edge length is at least 25% longer than a rectangular electrode covering the primary detection portion.
  • Such flat materials may in particular be sheets, flat cast bodies, metallic layers on guide plates or the like.
  • the sensor electrode is formed in the primary detection section with two conductor structures, which are spaced apart from each other and each bounded by edges. The spaced
  • Conductor structures may be formed, for example, as parallel fingers or adjacent conductive structures.
  • Base portion of the sensor electrode are connected, wherein the base portion extends at least partially outside of the primary detection portion.
  • Such a fork-like structure provides in particular for mechanically independent sensor electrodes, ie in particular Sensor electrodes without underlying carrier material, a mechanically stable and at any time in terms of
  • Such a sensor electrode is easy to arrange and the conductors are always properly aligned with each other.
  • the primary detection section is formed in these electrodes from portions of the two parallel conductor structures.
  • the sensor electrode is thus arranged, for example, so that an operator places a finger on a region of the housing, so that the finger spans the gap between the conductor structures and the edges bounding the gap are under fingers.
  • the person skilled in the art can select a method of production which is based on the electrode material and the
  • the radius of curvature in the region of the edges is less than 0.5 mm, preferably less than 0.1 mm and in particular less than 50 ⁇ m. smaller
  • Radii of curvature e.g. in the nanometer range are also possible with suitable methods.
  • a radius of curvature of a few micrometers or even in the sub-micrometer range is basically desirable, but not attainable in many electrode materials in view of their production or softness and the available processing steps. However, burrs reached during cutting operations or punching processes can be quite appropriate
  • Peaks and / or corners are to be understood as structures which are designed specifically for the elevation of the electric field.
  • the tips and / or corners are characterized by radii of curvature, which are realized as small as possible, depending on electrode material and available means of production.
  • the sensor electrode is formed in the region of the primary detection section of a metallic sheet material, which for
  • Formation of tips and / or corners was at least partially roughened mechanically and / or thermally and / or by applying material.
  • Detecting section can be used mechanical means, in particular embossing means, cutting means or machining processes that lift or deform material from the sensor electrode in the primary detection section to form tips and / or corners.
  • thermal methods can be used, for example, an electrode surface can be melted to then through
  • the electrode surface with material application may be identical to the material of the electrode or another material.
  • the radius of curvature of the tips or corners in this area should be minimized, but consideration should be given to available manufacturing tools and materials.
  • the peaks or corners should be at most a few tens of microns, preferably a few microns, to sub-micrometer radii of curvature.
  • the sensitivity is likewise increased.
  • roughness reference is made to DIN EN ISO 4287 (Edition 07-2010).
  • the roughness of the electrode surface is increased according to this embodiment compared to conventional production methods and electrodes targeted. If e.g. a sensor electrode in one
  • portions or regions of the sensing portion of the sensor electrode are already provided with larger values of the roughness depth or the average roughness value than these values during production or by post-processing. This increases the surface area of the sensor electrode and increases the density of deformations with peaks or corners on the surface, resulting in improved sensitivity.
  • Figure 1 shows schematically the arrangement of a
  • FIG. 2 shows schematically the effect of field elevation on an electrode tip
  • Figure 3a shows schematically the arrangement of a
  • Figure 3b shows schematically the arrangement of a
  • Figure 3c shows schematically the arrangement of a
  • FIG. 3d schematically shows the arrangement of a
  • Figure 4a shows schematically the definitions of some
  • FIG. 4b schematically shows the definitions of a
  • FIG. 1 shows a motor vehicle door handle 1 which has a housing 2 on which mechanical coupling elements 2a and 2b are arranged.
  • the mechanical coupling elements 2a and 2b protrude through a door panel into the interior of a door and provide a mechanical operative connection of the door handle with an actuating assembly (not shown) disposed in the door.
  • the housing 2 receives in the region of the handle of the door handle a circuit board 3, on which a control and evaluation circuit 4 and a sensor electrode 5 are mounted.
  • the electronics on the board 3 can be coupled by a line or a harness 6 with a central control device in the vehicle.
  • the control and evaluation circuit 4 controls the
  • Sensor electrode 5 and supplies them with voltage. This causes an electric field to be built up by the sensor electrode 5, which passes through a detection area 7, which is outside the housing 2 and accessible to a user is arranged in the room. If a user moves his hand or his finger in the detection area 7, thereby changing the capacitance of the sensor electrode 5, which is detected by the control and evaluation circuit 4.
  • control and evaluation circuits for capacitive sensing electrodes are known and described in the prior art.
  • the area of the sensor electrode 5 and its orientation as well as the applied voltage and the associated measuring method of the control and evaluation circuit 4 have an influence on the size and extent of the detection area 7.
  • FIG. 2 schematically shows a tip of a sensor electrode 10 to which a voltage has been applied.
  • a counter electrode is not shown in this illustration, since it is not necessary for understanding.
  • the surface of the electrode is an equipotential surface.
  • field elevation represented by more closely spaced field lines. This effect is well known and studied physically, and is used in various ways
  • Aligned detection range an increase in the sensitivity of the sensor electrode can be achieved without requiring a significant increase in the total electrode area.
  • Figure 3a shows an example of the arrangement of
  • Sensor electrode 5 of Figure 1 according to the prior art in the Door handle 2 in a detail enlargement.
  • the electrode is arranged flat, wherein the perspective in the figures 3a to 3d indicates that the electrode is oriented with its planar extent perpendicular to the detection area 7.
  • This type of planar electrode as in FIG. 3a, has various rectangular or even round dimensions in the state of the art in numerous capacitive sensor devices. It defines a reference to which the invention is delimited. According to the invention structures are created at the electrode, which lead to a field elevation.
  • Figure 3b shows a first embodiment of the
  • Electrode is perpendicular to the detection area.
  • the edge length in the electrode region is increased according to the invention in that two electrode legs are guided at a distance from one another. At these edges, which are formed with the smallest possible radius of curvature, it comes to Feldüberhöhung and to increase the sensitivity in this electrode area. Although the area of the electrode is reduced with respect to the electrode of FIG. 3a, measurements have shown that increased sensitivity is found when the identical object is approached identically. In a test setup, grounded metal cuboids were placed at an identical distance both in planar electrodes as in FIG. 3 a and in fork-type electrodes as in FIG. 3 b. The corresponding signal response and capacitive change was reproducibly higher in the electrode arrangement of Figure 3b, although less electrode material
  • the detection area extends above the two limbs of the electrode but in particular also over the gap therebetween.
  • a field swell at the edges 11a overcompensates the effect of the missing electrode surface.
  • the effect of field elevation is initially dependent on the edges, so the gap can be very narrow.
  • Electrode surface, edge length and gap masses are optimized to ensure the desired sensitivity.
  • FIG. 3 c shows a second embodiment of the invention, wherein there the enlargement of the edge length is realized by milling or bores in the surface of the electrode 12. These can be through openings through the entire electrode material which are delimited by edges 12a; alternatively, blind openings can also be introduced into the surface of the electrode 12 to form edges. It is quite possible to form the boundaries of the respective openings, milling or holes in such a way that burrs in
  • electrode sheets can be punched or drilled from the back so that burrs protrude in the direction of detection at the edges of the holes. Such ridges and edges improve the
  • Electrode material is saved.
  • FIG. 3d shows a sensor electrode 13 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • Electrode surface 13 are targeted surface roughness, tips and corners applied. This can be achieved by a machining process, for example a targeted roughening of the
  • the electrode 11 of the first embodiment or the electrode 12 of the second embodiment with corresponding
  • FIGS 4a and 4b illustrate the roughness characteristics to which reference is made in the claims and which correspond to the definitions of DIN EN ISO 4287.
  • a measuring section ln can be subdivided into several individual measuring sections lr.
  • the lines shown in FIGS. 4a and 4b show a surface profile along the measuring path ln.
  • FIG. 4 a shows that an average roughness depth Rz can be determined for the measuring section ln, which results as an average value from the Rz values of the individual sections contained.
  • the characteristic value Ra shown in FIG. 4b designates the arithmetic mean roughness, which results as the average deviation of the profile values from the center line ml.
  • Manufacturing method of eg printed conductors is provided.
  • the roughness is thus selectively increased, compared to conventional manufacturing processes.
  • portions or regions of the sensing portion of the sensor electrode may already be opposite these values at the time of manufacture or by post-processing with larger values of the roughness depth or Center roughness. This increases the surface area of the sensor electrode and increases the density of deformations with peaks or corners on the surface, resulting in improved sensitivity.

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Abstract

Eine Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung einer Betätigung durch einen Benutzer, mit wenigstens einem kapazitiven Sensor, der eine Sensorelektrode (5, 11, 12, 13) aufweist, welche mit einer Steuer- und Auswerteschaltung (4) gekoppelt ist. Die Sensorelektrode hat einen primären Erfassungsabschnitt, der sich benachbart zu einem Erfassungsbereich erstreckt, in welchen ein Körperteil eines Benutzers zur Betätigung gebracht wird. Die Sensorelektrode 15 ist in einem Gehäuse (2) aufgenommen, welches abschnittsweise zwischen der Sensorelektrode und dem Erfassungsbereich (7) verläuft. Die Sensorelektrode (11, 12) ist im Bereich des primären Erfassungsabschnitts zur abschnittsweisen Überhöhung des elektrischen Feldes mit Ausnehmungen und/oder Öffnungen versehen, welche von Kanten (11a, 12a) begrenzt sind, so dass im primären Erfassungsabschnitt eine gegenüber einer durchgehenden Elektrodenfläche vergrößerte Länge an begrenzenden Kanten vorhanden ist.

Description

Sensoreinrichtung mit kapazitivem Sensor für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit wenigstens einem kapazitiven Sensor. Sensoreinrichtungen dieser Art werden an verschiedenen Stellen in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
beispielsweise im Bereich der Türgriffe, Heckklappen oder den Instrumenten im Innenraum.
Die kapazitive Sensorelektrode einer solchen Sensoranordnung ist mit einer Steuer- und Auswerteschaltung gekoppelt. Die
Sensorelektrode weist wenigstens einen primären
Erfassungsabschnitt auf, der sich benachbart zu einem
Erfassungsbereich erstreckt. In einem Erfassungsbereich werden Körperteile detektiert, die ein Benutzer zur Betätigung in diesen Erfassungsbereich bringt. Die Sensorelektrode ist dazu in einem Gehäuse aufgenommen, welches wenigstens abschnittsweise zwischen der Sensorelektrode und dem Erfassungsbereich verläuft und so die Sensorelektrode dem unmittelbaren Zugriff und der Kontaktierung durch den Benutzer entzieht und außerdem vor sonstigen Umwelteinflüssen schützt.
Solche Sensoreinrichtungen mit integriertem kapazitiven Sensoren sind in der Technik bekannt, insbesondere ist deren Anwendung in Türaußengriffen von Kraftfahrzeugen verbreitet. Beispielsweise offenbart die DE 196 17 038 Al einen Türgriff mit kapazitiven Sensoren, um eine Annäherung eines potentiellen Bedieners zu erfassen. Die mit der wenigstens einen
Sensorelektrode gekoppelte Steuer- und Auswerteschaltung misst eine Kapazität der Sensorelektrode gegenüber Masse. Durch
Annäherung der Hand oder eines sonstigen Körperteils eines Bedieners von außerhalb des Erfassungsbereiches in den
Erfassungsbereich hinein wird die Kapazität der Elektrode gegenüber Masse verändert und dies wird durch die Ansteuer- und Auswerteschaltung erfasst. In Abhängigkeit von dem erfassten Signal kann eine Funktion im Fahrzeug ausgelöst werden. Die Funktion eines kapazitiven Sensors und einer Steuer- und Auswerteschaltung werden im Rahmen dieser Anmeldung nicht erläutert, da sie allgemein bekannt sind. Insbesondere sind Schaltungen zum häufigen Umladen der Sensorelektrode bekannt, wobei Ladungsdauern oder Ladungsmengen erfasst werden, aus welchen auf die Kapazität einer Sensorelektrode
zurückgeschlossen werden kann.
Die Sensorelektroden sind hinsichtlich der klassischen
Betrachtung der Kapazität des Plattenkondensators in ihrer Sensitivität in erster Linie abhängig von der Detektionsfläche und vom Abstand der Detektionsfläche vom Erfassungsbereich.
Es ist jederzeit ein Ziel der kapazitiven Sensortechnik, eine möglichst hohe Sensitivität bei möglichst kleinen und leichten Sensorelektroden bereitzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
Sensitivität von Sensorelektroden ohne negative Beeinflussung der Elektrodengröße zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Gemäß Patentanspruch 1 weist eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art in dem Bereich ihres primären
Erfassungsabschnittes Ausnehmungen und/oder Öffnungen auf, die durch Kanten begrenzt werden. Diese Ausnehmungen und/oder
Öffnungen sind demnach so angeordnet, dass deren begrenzende Kanten im primären Erfassungsabschnitt liegen und somit eine gegenüber einer durchgehenden Elektrodenfläche in diesem
primären Erfassungsabschnitt vergrößerte Anzahl oder Länge von Kanten ausgebildet ist.
Der primäre Erfassungsabschnitt ist der Erstreckungsbereich der Sensorelektrode, welcher zur Ausbildung des sensierten, durch Benutzerannäherung veränderbaren elektrischen Feldes im Erfassungsbereich ausgebildet ist. Sie Sensorelektrode kann darüber hinaus z.B. Zuleitungen und abgeschirmte Flächen aufweisen, die zwar leitend verbunden sind, jedoch nicht in technisch relevantem Maße zu der Detektionsfähigkeit beitragen. Damit hängt die Definition des primären Erfassungsabschnitts von der fachmännischen Gestaltung der Sensoranordnung ab und ist auch von der angelegten Spannung und der Gehäusegeometrie sowie weiteren Bauteilen abhängig. Zumindest der Abschnitt der
Elektrode, der räumlich dem Erfassungsbereich am nächsten liegt, ist Bestandteil des primären Erfassungsabschnitts.
Es ist in der Physik bekannt, dass bei leitenden
Gegenständen, die auf einem vorgegebenen Potential liegen, eine Feldlinienüberhöhung oder -Verdichtung an Kanten, Spitzen und Ecken stattfindet. Je kleiner der Krümmungsradius einer solchen Kante, Spitze oder Ecke ist, desto stärker fällt die
Feldüberhöhung aus. Dieser Effekt wird beispielsweise bei
Koronaentladungen genutzt. Es hat sich herausgestellt, dass die gezielte Anordnung von Kanten, Spitzen oder Ecken im primären Erfassungsabschnitt einer Sensorelektrode günstig bezüglich der Sensitivität der Sensorelektrode wirkt. Befinden sich derartige Kanten, Ecken oder Spitzen in dem primären Erfassungsabschnitt, so genügt eine kleinere Elektrodenfläche, um im Vergleich zu durchgehenden Elektroden identische Sensitivitäten bereitstellen zu können.
Um die entsprechenden Feldüberhöhungseffekte zu erreichen, sind dabei Krümmungsradien zu wählen, die den Effekt der
Feldüberhöhung deutliche begünstigen. Dies sind regelmäßig
Krümmungsradien von deutlich unterhalb 1 mm, regelmäßig sollten die Krümmungsradien kleiner sein als 100 ym und können, z. B. bei der Ausbildung von Spitzen, Graten, Ecken oder Rauigkeiten, deutlich kleiner als 10 ym sein und durch aus im Bereich von Nanometern liegen.
Es ist im Rahmen der Erfindung also vorgesehen, kantige, insbesondere scharfkantige Begrenzungen der Elektrode oder entsprechende Konturierungen der Oberfläche der Elektrode im primären Erfassungsabschnitt der Elektrode auszubilden. An diesen Stellen erfolgt eine Feldüberhöhung, welche die Sensitivität der Elektrode begünstigt.
Die Kanten, Ecken und Spitzen sind dabei so auszurichten, dass sich die Feldüberhöhung in Richtung des Erfassungsbereiches richtet, also insbesondere auf der dem Erfassungsbereich
zugewandten Seite der Sensorelektrode.
Die Kanten können äußere Begrenzungen der Elektrode sein, es können auch Kanten sein, welche Öffnungen in der Elektrode begrenzen, beispielsweise Bohrungen, Stanzungen, Prägungen oder ähnliches .
Wesentlich ist, dass im Bereich des primären
Erfassungsabschnitts der Sensorelektrode gezielt durch die
Geometrie und Oberflächengestaltung der Sensorelektrode
Feldüberhöhungen bewirkt werden. Dies scheint der
grundsätzlichen Bestrebung zu widersprechen, Bauteile möglichst ohne scharfe Kanten und ohne Grate zu gestalten. Gemäß dieser Erfindung sind jedoch richtig platzierte Kanten, Grate und
Rauigkeiten in entsprechender Form günstig für die
Feldüberhöhung und Verbesserung der Sensitivität.
Soweit davon die Rede ist, dass eine vergrößerte Länge an begrenzenden Kanten in dem primären Erfassungsabschnitt gebildet ist, wird als Vergleich eine durchgehende Elektrodenfläche herangezogen, deren Fläche den Bereich des primären
Erfassungsabschnittes abdeckt und einhüllt, wobei die
erfindungsgemäßen Ausnehmungen und/oder Öffnungen von der durchgehenden Elektrode überspannt werden. Beispielsweise kann eine solche erfindungsgemäße Elektrode mit vergrößerter
Kantenlänge durch Herausstanzen, Herausschneiden oder
Herausbohren von Teilen der Elektrodenfläche gebildet werden, wobei die Kanten der jeweiligen Ausnehmungen und/oder Öffnungen im primären Erfassungsabschnitt angeordnet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Summe der Länge aller dem primären Erfassungsabschnitt begrenzenden Kanten um wenigstens 25 % größer als die Kantenlänge eines die primäre Detektionsfläche einhüllenden Rechtecks.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Elektrodenfläche durch Schnitte, Kerbungen oder Bohrungen so hinsichtlich ihrer Kantenlänge vergrößert, dass diese Kantenlänge wenigstens 25 % länger ist, als bei einer Rechteckelektrode, die den primären Erfassungsabschnitt abdeckt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die
Sensorelektrode im primären Erfassungsabschnitt aus einem metallischen Flachmaterial geformt.
Metallische Flachmaterialien sind hinsichtlich der
Möglichkeit einer Ausbildung von Öffnungen und Ausnehmungen besonders leicht zu bearbeiten und außerdem in eine gewünschte Form zur Anpassung an eine Sensoranordnung zu bringen. Solche Flachmaterialien können insbesondere Bleche, flache Gusskörper, metallische Schichten auf Leitplatten oder ähnliches sein.
Die Herstellung derartiger Sensorelektroden ist besonders einfach und außerdem können neben einem Zuschnitt zur Ausbildung von Kanten auch Aufkantungen und Profilierungen vorgenommen werden, welche die Feldüberhöhung in diesen Bereichen weiter verbessert .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorelektrode im primären Erfassungsabschnitt mit zwei Leiterstrukturen ausgebildet, die voneinander beabstandet sind und jeweils durch Kanten begrenzt sind. Die beabstandeten
Leiterstrukturen können beispielsweise wie parallele Finger oder nebeneinander angeordnete Leitstrukturen ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die beabstandeten
Leiterstrukturen gabelartig durch einen gemeinsamen
Basisabschnitt der Sensorelektrode verbunden sind, wobei sich der Basisabschnitt zumindest teilweise außerhalb des primären Erfassungsabschnitts erstreckt.
Eine solche gabelartige Struktur stellt insbesondere bei mechanisch unabhängigen Sensorelektroden, also insbesondere Sensorelektroden ohne unterliegendes Trägermaterial, eine mechanisch stabile und jederzeit hinsichtlich der
Leiterstrukturen zueinander ausgerichtete Gestaltung zur
Verfügung. Eine solche Sensorelektrode ist einfach anzuordnen und die Leiter sind jederzeit richtig zueinander ausgerichtet. Der primäre Erfassungsabschnitt wird bei diesen Elektroden aus Abschnitten der beiden parallelen Leiterstrukturen gebildet. Die Sensorelektrode wird also beispielsweise so angeordnet, dass ein Bediener einen Finger auf einen Bereich des Gehäuses auflegt, so dass der Finger den Zwischenraum zwischen den Leiterstrukturen überspannt und die den Zwischenraum begrenzenden Kanten unter Finger liegen. Hinsichtlich der konkreten Gestaltung der Kanten kann vom Fachmann eine Verfahren zur Herstellung gewählt werden, welches auf das Elektrodenmaterial und die
Verarbeitungsmöglichkeiten abgestimmt ist. Es ist jedoch
besonders bevorzugt, wenn der Krümmungsradius im Bereich der Kanten weniger als 0,5 mm beträgt, vorzugsweise weniger als 0,1 mm und insbesondere, weniger als 50 ym. Kleinere
Krümmungsradien, z.B. im Nanometerbereich sind bei geeigneten Verfahren ebenfalls möglich.
Da die Ausprägung der Feldüberhöhung in diesem Bereich stark von dem Krümmungsradius abhängt, ist anzustreben, den
Krümmungsradius möglichst gering zu wählen und zu gestalten, soweit dies mit den technisch zugänglichen Möglichkeiten
erreichbar ist. Ein Krümmungsradius von wenigen Mikrometern oder auch im Sub-Mikrometer-Bereich ist grundsätzlich wünschenswert, bei vielen Elektrodenmaterialien angesichts ihrer Produktion oder Weichheit und den verfügbaren Bearbeitungsschritten jedoch nicht erreichbar. Bei Schnittvorgängen oder Stanzvorgängen erreichte Grate können jedoch durchaus entsprechende
Krümmungsradien erreichen, wobei diese Grate dann gezielt stehengelassen werden können, um zusätzliche Feldüberhöhungen bereitzustellen. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist die Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art im Bereich des primären Erfassungsabschnittes zur abschnittsweisen Überhöhung des elektrischen Feldes auf dem Erfassungsbereich zugewandten Seite Spitzen und/oder Ecken auf. Unter Spitzen und/oder Ecken sind Strukturen zu verstehen, welche gezielt zur Überhöhung des elektrischen Feldes ausgebildet sind. Insbesondere zeichnen sich die Spitzen und/oder Ecken durch Krümmungsradien aus, die möglichst klein realisiert sind, abhängig von Elektrodenmaterial und verfügbaren Produktionsmitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorelektrode im Bereich des primären Erfassungsabschnittes aus einem metallischen Flachmaterial geformt, welches zur
Bildung von Spitzen und/oder Ecken zumindest bereichsweise mechanisch und/oder thermisch auf und/oder durch Materialauftrag aufgeraut wurde.
Zur Ausbildung der Spitzen und/oder Ecken im primären
Erfassungsabschnitt können mechanische Mittel zum Einsatz kommen, insbesondere Prägemittel, Schneidmittel oder spanende Fertigungsverfahren, die Material von der Sensorelektrode im primären Erfassungsabschnitt abheben oder verformen, um Spitzen und/oder Ecken auszubilden. Alternativ oder zusätzlich können thermische Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise kann eine Elektrodenoberfläche angeschmolzen werden, um dann durch
Aufdrücken und Abheben von Werkzeugen Fäden oder Spitzen des Elektrodenmaterials zu ziehen, bevor das Material wieder
erkaltet .
Schließlich ist es auch möglich, die Elektrodenoberfläche gezielt mit Materialauftrag zu versehen, um Ecken, Spitzen oder eine allgemein größere Rauheit durch dieses zusätzliche Material aufzubringen. Das aufgebrachte Material kann dabei identisch zum Material der Elektrode sein oder ein anderes Material.
Beispielsweise können Metallkolloide mit einem leitfähigen
Haftvermittler auf die Oberfläche aufgesprüht werden, um durch die Kolloide Spitzen oder Ecken auf der Oberfläche der Elektrode auszubilden .
Wiederum gilt, dass der Krümmungsradius der Spitzen oder Ecken in diesem Bereich möglichst gering gebildet werden soll, wobei jedoch hinsichtlich der verfügbaren Fertigungswerkzeuge und -materialien Rücksicht zu nehmen ist. Die Spitzen oder Ecken sollten höchstens einige 10 ym, vorzugsweise wenige Mikrometer bis zu Sub-Mikrometer Krümmungsradien aufweisen.
Wird zusätzlich oder statt der Ecken und Spitzen die Rauheit der Sensorelektrode gezielt vergrößert, wird die Sensitivität ebenfalls erhöht. Für die Definition der Rauheit wird auf die DIN EN ISO 4287 (Ausgabe 07-2010) verwiesen. Die Rauheit der Elektrodenoberfläche wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel gegenüber üblichen Herstellungsverfahren und Elektroden gezielt vergrößert. Wird z.B. eine Sensorelektrode in einem
nasschemischen Verfahren auf einer Platine erstellt, ist davon auszugehen, dass bei marktüblichen chemische Mikroätzverfahren weisen (abhängig von der Ätzrate) Oberflächentopografien mit Ra=0,2-0,5ym und Rz=2,5-5ym auftreten (für die Definition der Kenngrößen siehe unten und Definition der genannten DIN EN ISO 4287). Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden Abschnitte oder Bereiche des Erfassungsabschnitts der Sensorelektrode gegenüber diesen Werten bereits bei der Herstellung oder durch eine Nachbearbeitung mit größeren Werten der Rautiefe oder dem Mittenrauwert ausgestattet. Dadurch wird die Oberfläche der Sensorelektrode vergrößert und die Dichte der Verformungen mit Spitzen oder Ecken auf der Oberfläche wird vergrößert, was zu einer verbesserten Sensitivität führt.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung einer
Sensoreinrichtung in einem Fahrzeugtürgriff nach dem Stand der Technik; Figur 2 zeigt schematisch den Effekt der Feldüberhöhung an einer Elektrodenspitze;
Figur 3a zeigt schematisch die Anordnung einer
Sensorelektrode gemäß dem Stand der Technik im Türgriff;
Figur 3b zeigt schematisch die Anordnung einer
Sensorelektrode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einem Türgriff;
Figur 3c zeigt schematisch die Anordnung einer
Sensorelektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Türgriff; und
Figur 3d zeigt schematisch die Anordnung einer
Sensorelektrode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Türgriff;
Figur 4a zeigt schematisch die Definitionen einiger
Rauheitskenngrößen nach DIN EN ISO 4287;
Figur 4b zeigt schematisch die Definitionen einer
Rauheitskenngröße nach DIN EN ISO 4287;
In Figur 1 ist ein Kraftfahrzeugtürgriff 1 gezeigt, der ein Gehäuse 2 aufweist, an welchem mechanische Kopplungselemente 2a und 2b angeordnet sind. Die mechanischen Kopplungselemente 2a und 2b ragen durch ein Türblech in das Innere einer Tür hindurch und sorgen für eine mechanische Wirkverbindung des Türgriffes mit einem in der Tür angeordneten Betätigungsaufbau (nicht gezeigt) .
Das Gehäuse 2 nimmt im Bereich der Handhabe des Türgriffs eine Platine 3 auf, auf der eine Steuer- und Auswerteschaltung 4 sowie eine Sensorelektrode 5 montiert sind. Die Elektronik auf der Platine 3 ist durch eine Leitung oder einen Kabelbaum 6 mit einer zentralen Steuereinrichtung im Fahrzeug koppelbar.
Die Steuer- und Auswerteschaltung 4 steuert die
Sensorelektrode 5 an und versorgt diese mit Spannung. Dies bewirkt, dass ein elektrisches Feld durch die Sensorelektrode 5 aufgebaut wird, welches einen Erfassungsbereich 7 durchgreift, der außerhalb des Gehäuses 2 und für einen Benutzer zugänglich im Raum angeordnet ist. Bewegt ein Benutzer seine Hand oder seinen Finger in dem Erfassungsbereich 7, ändert sich dadurch die Kapazität der Sensorelektrode 5, was durch die Steuer- und Auswerteschaltung 4 erfasst wird.
Wie vorstehend beschrieben, sind im Stand der Technik verschiedene Steuer- und Auswerteschaltungen für kapazitive Sensorelektroden bekannt und beschrieben. Auf die Größe und Ausdehnung des Erfassungsbereiches 7 hat insbesondere die Fläche der Sensorelektrode 5 und deren Ausrichtung sowie auch die angelegte Spannung und das zugehörige Messverfahren der Steuer- und Auswerteschaltung 4 Einfluss.
Bei der Sensorelektrode in Figur 1 ist eine flächige
Sensorelektrode gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
Die Erfindung macht sich den Effekt einer Feldüberhöhung an Kanten, Spitzen und Ecken bei elektrischen Feldern zu nutze. Figur 2 zeigt schematisch eine Spitze einer Sensorelektrode 10, an die eine Spannung angelegt wurde. Eine Gegenelektrode ist in dieser Darstellung nicht gezeigt, da sich für das Verständnis nicht erforderlich ist. Bei Anlegen einer Spannung an eine leitende Elektrode 10 ist die Oberfläche der Elektrode eine Äquipotentialfläche. Im Bereich von Spitzen, Ecken, Kanten und allgemeinen Bereichen mit geringem Krümmungsradius kommt es zu einer sogenannten Feldüberhöhung, dargestellt durch enger beieinanderliegende Feldlinien. Dieser Effekt ist physikalisch wohlbekannt und untersucht, und wird in verschiedenen
Anwendungen ausgenutzt.
Wird nun die Orientierung der Elektrode aus Figur 2 so gewählt, dass der Bereich der Feldüberhöhung zum
Erfassungsbereich ausgerichtet wird, kann eine Erhöhung der Sensitivität der Sensorelektrode erreicht werden, ohne dass es einer signifikanten Vergrößerung der gesamten Elektrodenfläche bedarf .
Figur 3a zeigt beispielhaft die Anordnung der
Sensorelektrode 5 aus Figur 1 gemäß dem Stand der Technik in dem Türgriff 2 in einer Ausschnittsvergrößerung. Die Elektrode ist flächig angeordnet, wobei die Perspektive in den Figuren 3a bis 3d andeutet, dass die Elektrode mit ihrer flächigen Erstreckung senkrecht zum Erfassungsbereich 7 orientiert ist.
Diese Art der flächigen Elektrode wie in Figur 3a kommt in verschiedenen rechteckigen oder auch runden Abmessungen im Stand der Technik in zahlreichen kapazitiven Sensoreinrichtungen vor. Sie definiert eine Bezugsgröße, gegenüber der sich die Erfindung abgrenzt. Gemäß der Erfindung werden Strukturen an der Elektrode geschaffen, die zu einer Feldüberhöhung führen.
Figur 3b zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur
Verbesserung der Sensitivität bei Reduzierung der
Elektrodenfläche .
In Figur 3b ist eine U-förmige Elektrode im Türgriff
angeordnet, wobei auch hier die flächige Erstreckung der
Elektrode senkrecht zum Erfassungsbereich liegt.
Gegenüber der Elektrode aus Figur 3a ist die Kantenlänge im Elektrodenbereich erfindungsgemäß dadurch erhöht, dass zwei Elektrodenschenkel beabstandet voneinander geführt werden. An diesen Kanten, die mit möglichst kleinem Krümmungsradius ausgebildet sind, kommt es zur Feldüberhöhung und zur Steigerung der Sensitivität in diesem Elektrodenbereich. Obwohl die Fläche der Elektrode gegenüber der Elektrode aus Figur 3a reduziert ist, haben Messungen ergeben, dass bei identischer Annäherung eines identischen Gegenstandes eine erhöhte Sensitivität festzustellen ist. In einem Versuchsaufbau wurden dazu geerdete Metallquader in identischer Entfernung sowohl bei flächigen Elektroden wie in Figur 3a als auch bei gabelartigen Elektroden wie in Figur 3b platziert. Die entsprechende Signalantwort und kapazitive Änderung war bei der Elektrodenanordnung aus Figur 3b reproduzierbar höher, obwohl weniger Elektrodenmaterial
angesetzt wird. Der Erfassungsbereich erstreckt sich oberhalb der beiden Schenkel der Elektrode aber insbesondere auch über dem dazwischenliegenden Spalt. Eine Feldüberhöhung an den Kanten 11a überkompensiert den Effekt der fehlenden Elektrodenfläche. Der Effekt der Feldüberhöhung ist zunächst von den Kanten abhängig, daher kann der Spalt sehr schmal gewählt werden.
Andererseits wird durch die Spaltbildung Elektrodenmaterial eingespart. In einfachen Messungen kann das Verhältnis aus
Elektrodenfläche, Kantenlänge und Spaltmassen optimiert werden, um die gewünschte Sensitivität sicherzustellen.
Figur 3c zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei dort die Vergrößerung der Kantenlänge durch Fräsungen oder Bohrungen in der Oberfläche der Elektrode 12 realisiert sind. Es kann sich dabei um durchgehende Öffnungen durch das gesamte Elektrodenmaterial handeln, die von Kanten 12a begrenzt werden, alternativ können auch zur Bildung von Kanten Sacköffnungen in die Oberfläche der Elektrode 12 eingebracht sein. Es ist dabei durchaus möglich, die Begrenzungen der jeweiligen Öffnungen, Fräsungen oder Bohrungen derart auszubilden, dass Grate in
Richtung der Detektion stehen bleiben. Beispielsweise können Elektrodenbleche von der Rückseite gestanzt oder gebohrt werden, so dass in Richtung der Erfassung an den Rändern der Bohrungen Grate abstehen. Derartige Grate und Kanten verbessern die
Sensitivität der Elektrode signifikant, da sich an ihnen
deutliche Feldüberhöhungen ausbilden, wobei gleichzeitig
Elektrodenmaterial eingespart wird.
In Figur 3d ist eine Sensorelektrode 13 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Auf der
Elektrodenüberfläche 13 sind gezielt Oberflächenrauigkeiten, Spitzen und Ecken aufgebracht. Dies kann durch ein spanendes Verfahren, beispielsweise eine gezielte Aufrauhung der
Oberfläche durch schruppen erfolgen oder durch kombinierte thermische, mechanische Behandlung. Schließlich können derartige Oberflächenrauigkeiten auch durch Aufbringen leitfähiger und aushärtbarer Trockenmaterialien oder Kolloidlösungen folgen. Wesentlich ist, dass die Oberfläche gegenüber einer üblichen Oberfläche gezielt aufgeraut oder mit entsprechenden Kanten, Ecken oder Spitzen gefertigt wird.
Es ist möglich, die verschiedenen Gestaltungen der
unterschiedlichen Ausführungsbeispiele zu kombinieren, um den Effekt noch zu erhöhen. Beispielsweise können die Elektrode 11 aus dem ersten Ausführungsbeispiel oder die Elektrode 12 aus dem zweiten Ausführungsbeispiel mit entsprechender
Oberflächenrauheit versehen werden.
Die Figuren 4a und 4b erläutern die Rauheitskenngrößen auf welche in den Ansprüchen Bezug genommen wird und welche den Definitionen der DIN EN ISO 4287 entsprechen.
Eine Meßstrecke ln kann in mehrere Einzelmessstrecken lr unterteilt sein. Die gezeigten Linien in den Figuren 4a und 4b zeigen ein Oberflächenprofil entlang der Messstrecke ln.
In Figur 4a ist gezeigt, dass für die Messtrecke ln eine gemittelte Rautiefe Rz bestimmbar ist, die sich als Mittelwert aus den Rz Werten der enthaltenen Einzelstrecken ergibt.
Die in Figur 4b dargestellte Kenngröße Ra bezeichnet den arithmetischen Mittenrauwert, der sich als mittlere Abweichung der Profilwerte von der Mittellinie ml ergibt.
Für die weitere Definition und Beschreibung Messung der Kenngrößen wird auf die DIN EN ISO 4287 verwiesen.
Wenn im vorangehenden von Rauheit der Elektrodenoberfläche die Rede ist, bezieht sich dies auf eine strukturelle Gestaltung der Elektrodenoberfläche, die eine größere Rauheit gemäß der genannten Parameter darstellt, als diese bei üblichen
Herstellungsverfahren von z.B. Leiterbahnen bereitgestellt wird. Die Rauheit wird also gezielt vergrößert, gegenüber üblichen Herstellungsprozessen. Wie oben beschrieben, weisen marktübliche chemische Mikroätzverfahren Oberflächentopografien mit Ra=0,2- 0,5ym und Rz=2,5-5ym auf. Gemäß der Erfindung können Abschnitte oder Bereiche des Erfassungsabschnitts der Sensorelektrode gegenüber diesen Werten bereits bei der Herstellung oder durch eine Nachbearbeitung mit größeren Werten der Rautiefe oder dem Mittenrauwert ausgestattet werden. Dadurch wird die Oberfläche der Sensorelektrode vergrößert und die Dichte der Verformungen mit Spitzen oder Ecken auf der Oberfläche wird vergrößert, was zu einer verbesserten Sensitivität führt.

Claims

ZENZ Patentanwälte Rüttenscheider Str. 2 D-45128 Essen H 1193 WO PL Patentansprüche
1. Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung einer Betätigung durch einen Benutzer, mit wenigstens einem kapazitiven Sensor, der eine Sensorelektrode (5, 11, 12, 13) aufweist,
wobei die Sensorelektrode (5, 11, 12, 13) mit einer
Steuer- und Auswerteschaltung (4) gekoppelt ist,
wobei die Sensorelektrode zumindest einen primären
Erfassungsabschnitt aufweist, der sich benachbart zu einem Erfassungsbereich erstreckt, in welchen ein Körperteil eines Benutzers zur Betätigung gebracht wird,
wobei die Sensorelektrode in einem Gehäuse (2) aufgenommen ist, welches abschnittsweise zwischen der Sensorelektrode und dem Erfassungsbereich (7) verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorelektrode (11, 12) im Bereich des primären Erfassungsabschnitts zur abschnittsweisen Überhöhung des elektrischen Feldes mit Ausnehmungen und/oder Öffnungen
versehen ist, welche von Kanten (11a, 12a) begrenzt sind, so dass im primären Erfassungsabschnitt eine gegenüber einer durchgehenden Elektrodenfläche vergrößerte Länge an
begrenzenden Kanten vorhanden ist.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Summe der Längen aller den primären Erfassungsabschnitt begrenzenden Kanten (11a, 12a) um wenigstens 25% größer ist als die
Kantenlänge eines die primäre Detektionsfläche einhüllenden Rechtecks .
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorelektrode (11, 12, 13) im primären Erfassungsabschnitt aus einem metallischen Flachmaterial geformt ist.
4. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei die Sensorelektrode (11) im primären 2
Erfassungsabschnitt zwei oder mehrere durch Kanten begrenzte, beabstandete Leiterstrukturen aufweist.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die
beabstandeten Leiterstrukturen gabelartig durch einen
gemeinsamen Basisabschnitt der Sensorelektrode (11) verbunden sind, wobei sich der Basisabschnitt zumindest teilweise außerhalb des primären Erfassungsabschnitts erstreckt.
6. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei der Krümmungsradius des Elektrodenmaterials im Bereich von wenigstens einem Teil der Kanten im primären Erfassungsabschnitt und in Richtung quer zur Kante weniger als 0,5 mm beträgt, bevorzugt weniger als 0,1 mm, besonders bevorzugt weniger als 50 mih.
7. Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung einer Betätigung durch einen Benutzer, mit wenigstens einem kapazitiven Sensor, der eine Sensorelektrode (11, 12, 13) aufweist,
wobei die Sensorelektrode (11, 12, 13) mit einer Steuer- und Auswerteschaltung gekoppelt ist,
wobei die Sensorelektrode zumindest einen primären
Erfassungsabschnitt aufweist, der sich entlang eines
Erfassungsbereiches (7) erstreckt, in welchen ein Körperteil eines Benutzers zur Betätigung gebracht wird,
wobei die Sensorelektrode in einem Gehäuse aufgenommen ist, welches abschnittsweise zwischen der Sensorelektrode und dem Erfassungsbereich verläuft,
wobei eine primäre Detektionsfläche bestimmt ist durch eine Projektion des primären Erfassungsabschnitts in Richtung des Erfassungsbereichs,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorelektrode (13) im Bereich des primären Erfassungsabschnitts zur abschnittsweisen Überhöhung des elektrischen Feldes mit dem Erfassungsbereich zugewandten 3
Oberflächenverformungen in Gestalt von Spitzen (13a) und/oder Ecken und/oder Rauheit ausgebildet ist.
8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei die
Sensorelektrode im primären Erfassungsabschnitt aus einem metallischen Flachmaterial geformt ist, welches zur Bildung von Spitzen (13a) und/oder Ecken zumindest bereichsweise mechanisch und/oder thermisch und/oder durch Materialauftrag aufgeraut wurde.
9. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei der Krümmungsradius des Elektrodenmaterials im Bereich der Spitzen und/oder Ecken weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,1 mm beträgt, besonders bevorzugt weniger als 50 mih.
10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei der primäre Erfassungsabschnitt im Bereich der Spitzen und/oder Ecken eine Rauheit aufweist, mit einem Mittenrauwert M3>0,5mih und/oder einer gemittelten Rautiefe Rz>5mm nach DIN ISO 4287.
11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, wobei der primäre Erfassungsabschnitt im Bereich der Spitzen und/oder Ecken eine Rauheit aufweist, mit einem Mittenrauwert Ra>^m und/oder einer gemittelten Rautiefe Rz>10mm nach DIN ISO 4287.
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