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Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorelektrode. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fertigungsverfahren zur Herstellung einer solchen Sensorelektrode. Außerdem betrifft die Erfindung einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen kapazitiven Sensor für ein Kraftfahrzeug.
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Kapazitive Sensoren kommen insbesondere an Kraftfahrzeugen häufig zum Einsatz, um eine Annäherung eines Objekts an das Fahrzeug, insbesondere an ein Fahrzeugteil zu detektieren. Dabei kann die auf der Detektion der Annäherung basierende Information beispielsweise im Rahmen eines Einklemm- oder Kollisionsschutzes für motorisch bewegte Fahrzeugteile verwertet werden. Alternativ wird eine solche Information auch zur Erkennung eines Stellbefehls eines Fahrzeugnutzers für ein bewegliches Fahrzeugteil, bspw. für eine Fahrzeugtür, insbesondere eine Kofferraumklappe herangezogen. Insbesondere wird im zweiten Fall ermittelt, ob sich ein Körperteil des Fahrzeugnutzers in einer vorgegebenen Art und Weise in einem von dem kapazitiven Sensor überwachten Messfeld bewegt.
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Der kapazitive Sensor erzeugt im Betrieb zur Detektion des Objekts mittels einer ersten Sensorelektrode als Messfeld ein (meist hochfrequentes) elektrisches Wechselfeld und bildet dabei mit einer zweiten Sensorelektrode (Gegenelektrode) oder mit Masse einen Kondensator, dessen Kapazität als Messgröße überwacht wird. Zur Formung des Messfelds kommen dabei häufig Sensorelektroden mit einem an die Sollgeometrie des Messfelds speziell angepassten Profil (d. h. Querschnitt), z. B. folienartige Leiter, runde Drähte, etc. zum Einsatz. Häufig ist eine möglichst großflächige Abstrahlung des Messfelds wünschenswert, so dass die Oberflächen und/oder Materialstärken der vorgenannten Leiter bzw. Drähte entsprechend vergrößert werden.
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Da als Material für die Sensorelektroden häufig Metalle, bspw. Kupfer zum Einsatz kommen, steigt mit der Fläche und insbesondere der Materialstärke der Sensorelektroden deren Gewicht und insbesondere die Materialkosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor mit einer großen Abstrahlfläche und dennoch kostengünstiger Herstellung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine kapazitive Sensorelektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Fertigungsverfahren für eine kapazitive Sensorelektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen kapazitiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die erfindungsgemäße kapazitive Sensorelektrode dient zum Einsatz in einem kapazitiven Sensor. Die Sensorelektrode umfasst dabei einen Elektrodendraht, der vorzugsweise im Betrieb der Sensorelektrode zum Ausstrahlen eines elektrischen Wechselfelds dient. Des Weiteren umfasst die Sensorelektrode einen langgestreckten, vorzugsweise zylindrischen Drahtträger, der zur Halterung des Elektrodendrahts in einer vorgegebenen räumlichen Anordnung dient. Der Elektrodendraht ist dabei über verschiedene Radial-Positionen um eine Längsachse (auch: „Zylinderachse“) des Drahtträgers umlaufend verteilt in einer Zylindermantelfläche des Drahtträgers angeordnet. Außerdem ist der Elektrodendraht zumindest teilweise in den Drahtträger eingebettet.
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Unter „umlaufend verteilt“ wird hier und im Folgenden verstanden, dass in einer Blickrichtung entlang der Längsachse des Drahtträgers der Elektrodendraht in wenigstens zwei unterschiedlichen „Höhenlagen“ zur Längsachse, d.h. mit jeweils unterschiedlichem Abstand zur Längsachse und/oder zu einer beliebig durch die Längslachse verlaufenden Ebene angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist der Elektrodendraht in wenigstens zwei unterschiedlichen, tangential zu einer Längsachse des Drahtträgers ausgerichteten Flächenabschnitten der Zylindermantelfläche des Drahtträgers verlaufend angeordnet. Der Begriff „Flächenabschnitt“ ist dabei hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass auch die im Vergleich zu der gesamten Zylindermantelfläche vergleichsweise (gegebenenfalls „infinitesimal“) schmale Teilfläche, die der Elektrodendraht bei der Anordnung in der Zylindermantelfläche abdeckt, einen solchen Flächenabschnitt darstellt. Der Begriff „Zylinder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass alle auf der (Zylinder-)Mantelfläche verlaufenden Längslinien durch parallel zur Längsachse ausgerichtete Geraden gebildet sind. Der Begriff „Zylinder“ umfasst somit nicht nur Körper mit kreisförmigem, sondern auch mit polygonalem oder elliptischem Querschnitt. Bei dem Elektrodendraht handelt es sich vorzugsweise um einen (Einzel-)Draht mit rundem Querschnitt. Alternativ ist der Elektrodendraht durch eine (gegebenenfalls verdrillte) Litze gebildet, die aus einer Vielzahl von Einzeldrähten zusammengesetzt ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Elektrodendrahts an dem Drahtträger ermöglicht eine im Vergleich zur Dicke des Elektrodendrahts verhältnismäßig große Abdeckung (auch: Überdeckung) des Drahtträgers (konkret dessen Zylindermantelfläche), so dass mit vergleichsweise geringem Materialaufwand eine vergleichbare Abstrahlung wie mit einem „massiven“ Leiter mit gleichem Volumen oder gleich großer Oberfläche erreicht wird. Dadurch können die eingesetzte Menge an elektrisch leitfähigem Material und damit Materialkosten verringert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Elektrodendraht insbesondere schlaufenförmig entlang des Drahtträgers angeordnet. D. h. der Elektrodendraht ist zumindest grob in Längsrichtung des Drahtträgers wenigstens einmal hin- und zurückgeführt, so dass sich eine etwa U-förmige „Schlinge“ oder „Schlaufe“ ergibt. Vorzugsweise verlaufen dabei die die jeweiligen Längsabschnitte der Schlaufe im Wesentlichen in Längsrichtung, d. h. exakt oder näherungsweise parallel zur Längsachse des Drahtträgers. In einer zur parallelen Ausrichtung alternativen Ausprägung sind die Längsabschnitte jeweils helixartig, insbesondere in Form einer langestreckten Helix um die Längsachse gewendelt. Besonders bevorzugt ist der Elektrodendraht in mehreren Schlaufen entlang des Drahtträgers angeordnet. Durch das schlaufenförmige Hin- und Herführen des Elektrodendrahts wird auf einfache Weise die Überdeckung des Drahtträgers vergrößert, und insbesondere durch das um die Längsachse des Drahtträgers umlaufende Verlegen des Elektrodendrahts (insbesondere in mehreren Schlaufen) auch eine gekrümmte abstrahlende Oberfläche der gesamten Sensorelektrode ermöglicht, ohne dass ein im Vergleich zu dem einfachen, vorzugsweise runden Profil des Elektrodendrahts teurer herzustellendes Profil eines elektrisch leitfähigen Halbzeugs (z. B. ein Flach- oder Folienleiter) herangezogen werden müsste.
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In einer zweckmäßigen Ausführung weist der Drahtträger ein polygonales Profil auf. D. h. die Zylindermantelfläche des Drahtträgers ist mehrfach abgewinkelt und in mehrere Flächenabschnitte (auch: „Polygonaußenflächen“) unterteilt. Der Elektrodendraht ist dabei insbesondere in wenigstens zwei dieser Polygonaußenflächen und somit auf mehreren „Seiten“ des Drahtträgers angeordnet. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Drahtträger aus Kunststoff gebildet, so dass ein polygonales Profil, bspw. ein „Vierkantprofil“ eine besonders einfache Gestaltung eines zur Fertigung verwendeten Verarbeitungswerkzeugs (d. h. der zum Spritzgießen oder zum Extrudieren dienenden „Form“) ermöglicht.
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In einer zu dem polygonalen Profil alternativen Ausführung weist der Drahtträger ein kreiszylindrisches Profil auf. Der Elektrodendraht ist in diesem Fall folglich im Querschnitt betrachtet an zwei unterschiedlichen Radial-Positionen an der Zylindermantelfläche (d. h. bspw. an einer „12-Uhr-Position“ und an einer „6-Uhr-Position“ und/oder einer „3-Uhr-Position“ oder dergleichen) angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Drahtträger aus Kunststoff spritzgegossen. Der Elektrodendraht ist dabei in insbesondere spritzgießtechnisch in die Zylindermantelfläche eingebrachte Nuten des Drahtträgers eingelegt (und somit in die Zylindermantelfläche eingebettet). Die Nuten ermöglichen dabei (insbesondere in Kombination mit der vergleichsweise hohen gestalterischen Freiheit des Spritzgießens) auf einfache Weise eine wiederholgenaue Anordnung des Elektrodendrahts an dem Drahtträger.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist der Elektrodendraht insbesondere für den Fall, dass der Drahtträger aus Kunststoff spritzgegossen ist, teilweise (d. h. der Elektrodendraht liegt zur Umgebung hin offen) oder vollständig mit Kunststoff umspritzt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine insbesondere dauerhafte (stoffschlüssige und/oder formschlüssige) Fixierung des Elektrodendrahts an dem Drahtträger, sowie im Fall der vollständigen Umspritzung auch eine Abdichtung des Elektrodendrahts gegen Umwelteinflüsse ermöglicht. In einer Untervariante ist der Elektrodendraht dabei in einem Zwischenschritt auf einen oder mehrere Trägerkörper bestimmungsgemäß (d. h. insbesondere wie vorstehend beschrieben schlaufenförmig) aufgespannt, und wird mit diesem bzw. diesen zusammen anschließend im Spritzgießprozess umspritzt, wodurch der eigentliche Drahtträger ausgebildet wird. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei auch denkbar, dass der Elektrodendraht mittels eines geeignet gestalteten Spritzgießwerkzeugs in dessen Kavität aufgespannt wird und anschließend unter Wegfall des bzw. der Trägerkörper mit dem Kunststoff des Drahtträgers umspritzt wird. In beiden Fällen ist der Elektrodendraht jedoch in einem einzigen Spritzgießschritt in den Kunststoff des Drahtträgers eingebettet.
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In einer weiteren zweckmäßigen, insbesondere zu der vorstehenden Untervariante alternativen Ausführung ist der Elektrodendraht mit einer zweiten Kunststoffkomponente des Drahtträgers insbesondere teilweise oder vollständig umspritzt. D. h. die Sensorelektrode ist in zwei Spritzgießschritten gefertigt. Beispielsweise wird dabei zunächst in einem ersten Spritzgießschritt ein Vorformling (der vorzugsweise die vorbeschriebenen Nuten aufweist) des Drahtträgers spritzgegossen, anschließend der Elektrodendraht auf dem Vorformling verlegt, insbesondere in dessen Nuten eingelegt und daraufhin in einem zweiten Spritzgießschritt mit der zweiten Kunststoffkomponente umspritzt. Unter „zweite Kunststoffkomponente“ wird hier und im Folgenden diejenige Menge an Kunststoff verstanden, die in einem zweiten Spritzgießzyklus in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird. Dabei handelt es sich insbesondere um den gleichen Kunststoff des ersten Spritzgießzyklus oder alternativ um einen anderen, bspw. im Vergleich zu dem den Vorformling bildenden Kunststoff weicheren und/oder witterungsbeständigeren Kunststoff.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführung ist der Elektrodendraht durch einen Lackdraht, insbesondere einen mit einem Isolierlack beschichteten Kupfer- oder Stahldraht gebildet. Insbesondere für den Fall, dass der Elektrodendraht „nur“ teilweise in den Drahtträger eingebettet ist, wird somit eine Isolierung des Elektrodendrahts gegen Umwelteinflüsse ermöglicht. Auch für den Fall, dass der Elektrodendraht im bestimmungsgemäßen Einbauzustand mit einem Anschlussabschnitt (losgelöst von dem Drahtträger) zu einem Controller des kapazitiven Sensors geführt ist, ist zumindest dieser Anaschlussabschnitt des Elektrodendrahts zur Umwelt hin isoliert.
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Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren für die Sensorelektrode umfasst die vorstehend bereits angesprochenen Schritte. Insbesondere wird der Elektrodendraht in eine Aufspannvorrichtung eingelegt und anschließend in einem Spritzgießprozess teilweise oder vollständig mit einem Kunststoff des Drahtträgers umspritzt.
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Bei der Aufspannvorrichtung handelt es sich dabei beispielsweise um den oder die vorbeschriebenen Trägerkörper oder alternativ um den Vorformling des Drahtträgers. In letzterem Fall wird der Elektrodendraht insbesondere in einem zweiten Spritzgießschritt des Spritzgießprozesses mit Kunststoff umspritzt.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor umfasst die Sensorelektrode der vorstehend beschriebenen Art. Des Weiteren umfasst der kapazitive Sensor eine auch als Controller bezeichnet Steuer- und Auswerteelektronik, die vorzugsweise mit dem Elektrodendraht signalübertragungstechnisch gekoppelt ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur (An-)Steuerung der Sensorelektrode und Auswertung der von dieser erhaltenen Signale in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist. Alternativ ist der Controller durch ein nichtprogrammierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC, gebildet, in dem die vorgenannte Funktionalität mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer schematischen Perspektivansicht einen kapazitiven Sensor mit einer Sensorelektrode und einem Controller, und
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2 bis 5 in einem schematischen Querschnitt ein jeweils alternatives Ausführungsbeispiel der Sensorelektrode.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein kapazitiver Sensor 1 dargestellt, der zum Einsatz an einem Kraftfahrzeug eingerichtet und vorgesehen ist. Der kapazitive Sensor 1 umfasst eine kapazitive Sensorelektrode 2 sowie einen Controller 3 (d. h. eine Steuer- und Auswerteelektronik). Die Sensorelektrode 2 ist durch einen langgestreckten, zylinderförmigen Drahtträger 4 und einen von dem Drahtträger 4 gehaltenen Elektrodendraht 5 gebildet. Der Elektrodendraht 5 ist dabei mit dem Controller 3 signalübertragungstechnisch verschaltet.
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Der Elektrodendraht 5 dient im Betrieb des kapazitiven Sensors 1 zum Abstrahlen eines elektrischen Wechselfelds (nicht näher dargestellt) in die Umgebung der kapazitiven Sensorelektrode 2. Der Elektrodendraht 5 ist durch einen mit Isolierlack 6 (vgl. 2) beschichteten Kupferdraht 7 gebildet, dessen Durchmesser im Vergleich zu dem Durchmesser des Drahtträgers 4 klein ist. Um für das Wechselfeld dennoch eine möglichst große Abstrahlfläche zu erhalten, deren Fläche an diejenige einer Zylindermantelfläche 8 des Drahtträgers 4 angenähert ist, ist der Elektrodendraht 5 in einer Schlaufe entlang einer Längsachse 10 des Drahtträgers 4 verlegt. D. h. der Elektrodendraht 5 ist in Längsrichtung an dem Drahtträger 4 hin- und zurück geführt. Um die von dem Elektrodendraht 5 abgedeckte Fläche weiter zu vergrößern, ist der Elektrodendraht 5 in alternativen Ausführungsbeispielen (vgl. 3 und 5) in mehreren, in den dargestellten Ausführungsbeispielen konkret in zwei Schlaufen an dem Drahtträger 4 verlegt. Der Elektrodendraht 5, konkret jeder Längsabschnitt einer Schlaufe ist dabei umlaufend um die Längsachse 10 verteilt in einer anderen Radial-Position angeordnet (in 1 und 2 bspw. in Bezug auf die Zeigerstellungen einer Uhr in einer 12- und einer 6-Uhr-Position).
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Wie in 2 und 3 dargestellt, ist der Elektrodendraht 5 teilweise in den Drahtträger 4 eingebettet. Konkret liegt der Elektrodendraht 5 in diesen Ausführungsbeispielen zu einer Umgebung der Sensorelektrode 2, konkret des Drahtträgers 4 offen. Der Drahtträger 4 ist dabei aus Kunststoff spritzgegossen und mit zu dem Elektrodendraht 5 komplementären Nuten versehen, in die der Elektrodendraht 5 nachträglich eingelegt ist.
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In alternativen, ebenfalls anhand von 2 und 3 erläuterten Ausführungsbeispielen ist der Elektrodendraht 5 teilweise mit dem Kunststoff des Drahtträgers 4 (in einem einzigen oder einem zweistufigen Spritzgießprozess) umspritzt und somit stoffschlüssig an diesem gehaltert.
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Wie aus den 2 und 3 (sowie aus 4 und 5) des Weiteren ersichtlich ist, ist der Drahtträger 4 entweder mit einem kreisförmigen Profil (d. h. als Kreiszylinder) oder mit einem Polygonprofil, konkret als Vierkant ausgebildet. Im Fall des Polygonprofils ist die Zylindermantelfläche 8 des Drahtträgers 4 in mehrere zueinander abgewinkelte Flächenabschnitte (nachfolgend als Polygonaußenflächen 12 bezeichnet) unterteilt. Der Elektrodendraht 5 verläuft dabei – je nach Anzahl der Schlaufen – in wenigstens zwei dieser Polygonaußenflächen 12.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind – um die Flächenabdeckung durch den Elektrodendraht 5 weiter zu erhöhen – in wenigstens einer Polygonaußenfläche 12 auch mehrere Längsabschnitte des Elektrodendrahts 5 angeordnet.
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Wie aus 1 zu erkennen ist, erfolgt die Richtungsumkehr des Elektrodendrahts 5 (jeweils) an einem Längsende des Drahtträgers 4.
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In 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele der Sensorelektrode 2 dargestellt, bei denen der Elektrodendraht 5 vollständig in den Drahtträger 4 eingebettet ist. Der Elektrodendraht 5 ist dabei mit einem Kunststoff des Drahtträgers 4 in einem einstufigen oder einem zweistufigen Spritzgießprozess komplett umspritzt.
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In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Längsabschnitte des Elektrodendrahts 5 helixförmig um die Längsachse 10 des Drahtträgers 4 gewendelt. Im Fall des Drahtträgers 4 mit Polygonprofil verläuft ein Längsabschnitt somit über mehrere Polygonaußenflächen 12.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- kapazitiver Sensor
- 2
- kapazitive Sensorelektrode
- 3
- Controller
- 4
- Drahtträger
- 5
- Elektrodendraht
- 6
- Isolierlack
- 7
- Kupferdraht
- 8
- Zylindermantelfläche
- 10
- Längsachse
- 12
- Polygonaußenfläche
