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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einer Leiterplatte. Die Sensoreinrichtung ist insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, beispielsweise innerhalb einer Handhabe eines Kraftfahrzeugs.
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Viele Funktionen von modernen Kraftfahrzeugen werden unter Nutzung von Sensoren bereitgestellt und für einen Bediener zugreifbar. Ein aus der Praxis bekanntes Beispiel ist die Verwendung von induktiven Sensoren. Induktive Sensoren erfassen eine Induktivität oder eine Änderung der Induktivität eines in der Regel als Spule ausgebildeten induktiven Bauteils, beispielsweise bei einer Lageänderung eines leitfähigen und/oder ferromagnetischen Bauteils relativ zu dem induktiven Bauteil. Induktive Sensoren werden beispielsweise für eine Funktionsbetätigung bei Kraftfahrzeugen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Sensoreinrichtungen als Bestandteil eines Türaußengriffs mit einem induktiven Sensor. Ein leitfähiges und/oder ferromagnetisches Tastelement kann für eine Betätigungsauslösung von einem Bediener manuell betätigt werden, beispielsweise mittels Drückens oder Ziehens. Die Lageänderung des Tastelements wird von dem induktiven Sensor erfasst und infolge der erkannten Betätigung wird eine Funktion ausgelöst, beispielsweise ein Öffnen des Türschlosses.
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Für die Erkennung einer Lageänderung des Tastelements sind aus der Praxis Sensoreinrichtungen mit einer Leiterplatte bekannt, auf der eine Spule angeordnet ist oder mehrere Spulen angeordnet sind. Die Spulen können beispielsweise als Flachspulen auf der Leiterplatte angeordnet sein. Auf Leiterplatten angeordnete Flachspulen weisen mehrere Vorteile auf, insbesondere die Möglichkeit einer vergleichsweise kostengünstigen Beschaffung und die Möglichkeit einer individuellen Gestaltung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sensoreinrichtungen der genannten Art mit verbesserter Flexibilität in der Anwendung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit einer Sensoreinrichtung mit einer Leiterplatte für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Sensoreinrichtung weist eine Leiterplatte auf. Die Leiterplatte ist als Mehrlagenleiterplatte ausgebildet, die synonym oft auch als Mehrlagen-Platine bezeichnet wird. Die Leiterplatte weist wenigstens eine erste Leiterbahnfläche und eine zweite Leiterbahnfläche auf, es sind also zumindest zwei Leiterbahnen tragende Flächen vorhanden. In der Regel, aber nicht zwingend in allen Fällen, handelt es sich bei einer Leiterbahnfläche um eine Leiterbahnebene.
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Auf der Leiterplatte ist eine Sensoranordnung angeordnet. Der Begriff der Sensoranordnung bezeichnet allgemein die Gesamtheit der zur Sensorfunktionalität beitragenden Bestandteile der Leiterplatte, die nicht notwendigerweise eine vollständige Anordnung zur Erkennung einer Annäherung eines metallischen und/oder ferromagnetischen Elements sein muss, aber zumindest die eigentliche Sensorfunktionalität bereitstellt. Die eigentliche Sensorfunktionalität basiert auf der Bereitstellung einer Induktivität, deren elektromagnetischen Eigenschaften sich bei Annäherung eines metallischen oder ferromagnetischen Gegenstands ändern, wobei die Änderung der elektromagnetischen Eigenschaften mittels einer Schaltung auswertbar ist, die beispielsweise einen Schwingkreis aufweist, in dem die bereitgestellte Induktivität eingebunden ist. Die Sensoranordnung umfasst damit also zumindest die Leiterbahnen, welche die Induktivität bilden und beispielsweise mittels Leiterbahndruckens oder Leiterbahnätzens hergestellt sein können. Die Sensoranordnung kann auch weitere zur Auswertung erforderliche Bestandteile aufweisen, es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung für eine Sensierung mit externen zur Auswertung erforderlichen Bestandteilen gekoppelt werden muss.
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Die Sensoranordnung weist eine Flachspulenanordnung mit wenigstens einer Flachspule auf, die als die Induktivität bereitstellenden Bestandteile der Sensoreinrichtung dienen.
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Ein erster Abschnitt der Flachspulenanordnung ist auf der ersten Leiterbahnfläche angeordnet und ein zweiter Abschnitt der Flachspulenanordnung ist auf der zweiten Leiterbahnfläche angeordnet. Das bedeutet, dass die Leiterbahn oder Leiterbahnen, welche Bestandteil der Flachspulenanordnung sind, nicht nur auf einer einzigen Leiterbahnfläche angeordnet sind, sondern auf wenigstens zwei Leiterbahnflächen verteilt ist.
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Der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung sind miteinander über ein Flachspulenkopplungsmittel elektrisch gekoppelt. Die Kopplung des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts der Flachspulenanordnung ist veränderlich ausgeführt. Insbesondere kann die Kopplung schaltbar ausgeführt sein. Um die Entkopplung und die hiernach erfolgende erneute Kopplung der wenigstens zwei Abschnitte der Flachspulenanordnung herbeiführen zu können, ist das Flachspulenkopplungsmittel mit einer Lagenkopplungssteuerung verbunden. Die Lagenkopplungssteuerung ist eingerichtet, das Flachspulenkopplungsmittel zu schalten, um die Kopplung des ersten Abschnitts mit dem zweiten Abschnitt herzustellen oder zu trennen.
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Die Erfindung stellt also wenigstens zwei Abschnitte einer Flachspulenanordnung bereit, die auf zwei unterschiedlichen Lagen einer Leiterbahn angeordnet sind und die unter Nutzung einer ebenfalls vorhandenen Lagenkopplungssteuerung gezielt miteinander gekoppelt oder entkoppelt werden können. Durch das Zusammenschalten und das Auseinanderschalten der auf den unterschiedlichen Lagen vorhandenen Abschnitte können je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Funktionalitäten der Sensoreinrichtung bereitgestellt werden. Beispielsweise ist möglich, wahlweise eine aus mehreren vorhandenen unterschiedlichen Induktivitäten zu nutzen, nämlich entweder eine der Einzelinduktivitäten der entkoppelten Abschnitte der Flachspulenanordnung oder die Gesamtinduktivität der miteinander gekoppelten Abschnitte der Flachspulenanordnung. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sowohl jede der Einzelinduktivitäten als auch die Gesamtinduktivität über entsprechend vorgesehene Zugangsleiter separat zugreifbar sind und so je nach Anwendungszweck ausgewählt werden können. Die Flachspulenanordnung ist dadurch flexibel nutzbar, beispielsweise um mit unterschiedlichen Sensorempfindlichkeiten zu arbeiten oder den Einbau in unterschiedlichen Anwendungsszenarien zu erlauben. Dadurch, dass mehrere Abschnitte der Flachspulenanordnung auf verschiedenen Leiterbahnflächen angeordnet sind, wird nicht zuletzt die Möglichkeit zur leichteren Herstellung auch von komplexen Leiterplattendesigns erreicht.
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Es versteht sich, dass je nach gewünschter Verwendung der Sensoreinrichtung und entsprechendem konkreten Design der Leiterplatte Schaltmittel vorgesehen sind, mit denen die durch Entkopplung des ersten Abschnitts der Flachspulenanordnung von dem zweiten Abschnitt der Flachspulenanordnung in elektrischer Sicht frei gewordenen Enden eines oder beider Abschnitte der Flachspulenanordnung in eine für die dann jeweils entkoppelten Abschnitte vorgesehenen Schaltkreise eingeschaltet werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung in einen ersten Auswerteschaltkreis eingeschaltet wird und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung in einen zweiten Auswerteschaltkreis eingeschaltet wird. Diese Maßnahme ist auf vielfältige Weise in für den Fachmann unproblematischer Weise möglich und davon abhängig, wie genau die konkrete Nutzung der Sensoreinrichtung geplant ist. Aus diesem Grund handelt es sich auch nicht um einen wesentlichen Aspekt der Erfindung; wesentlich ist vielmehr die erläuterte Möglichkeit zur Kopplung und zum Entkoppeln zweier Abschnitte einer Flachspulenanordnung voneinander.
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Bevorzugt sind der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung als Leiterbahn ausgebildet.
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Gemäß einer Variante kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung eine erste Teilspule aufweist und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung eine zweite Teilspule aufweist. Das Flachspulenkopplungsmittel ist zwischen der ersten Teilspule und der zweiten Teilspule angeordnet, wobei die erste Teilspule und die zweite Teilspule im miteinander gekoppelten Zustand der ersten Leiterbahnfläche mit der zweiten Leiterbahnfläche eine Flachspule bilden. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Leiterführung der Flachspule über die erste Leiterbahnfläche und die zweite Leiterbahnfläche verteilt ist, und dass die Kopplung der Teilspulen über das Flachspulenkopplungsmittel die Flachspule bildet. Ein Spezialfall ist die Ausführung der ersten Teilspule als erste halbe Leiterschleife und der zweiten Teilspule als zweite halbe Leiterschleife, wobei die erste und die zweite halbe Leiterschleife im gekoppelten Zustand eine geschlossene Leiterschleife bilden.
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In einer Ausführungsform ist eine Sensorsteuerung der Steuereinrichtung eingerichtet, die Flachspulenkopplungsmittel zwischen einem ersten Kopplungszustand und einem zweiten Kopplungszustand zu schalten. Das Schalten kann in einer Variante auf Anforderung hin, beispielsweise durch eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs, die mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist, oder in einer vorgegebenen Zeitfolge erfolgen. Der erste Kopplungszustand weist ein Koppeln der ersten Teilspule mit der zweiten Teilspule auf, so dass die Flachspule gebildet ist. Der erste Kopplungszustand weist außerdem ein Bereitstellen einer Auswertung einer Annäherung eines metallischen oder ferromagnetischen Gegenstands an die aus der ersten Teilspule und der zweiten Teilspule gebildeten Flachspule auf, die Flachspule ist also Bestandteil eines Auswerteschaltkreises, der als Näherungsschalter fungiert. Im zweiten Kopplungszustand ist die zweite Teilspule von der ersten Teilspule entkoppelt. Die erste Teilspule wird mit dem zumindest einen Flachspulenkopplungsmittel, je nach konkretem Design der Leiterplatte auch mit weiteren Flachspulenkopplungsmitteln, weiterhin mit dem Auswerteschaltkreis gekoppelt. Außerdem umfasst der zweite Kopplungszustand eine Bereitschaltung der mit der ersten Teilspule und/oder der zweiten Teilspule gekoppelten Steuereinrichtung für eine Auswertung der Kapazität oder der Kapazitätsänderung einer der Teilspulen, die als kapazitive Sensorelektrode geschaltet mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
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Beispielsweise kann eine Teilspule derart ausgeführt sein, dass die erste Teilspule und/oder die zweite Teilspule in einem Rechteck eingeschrieben werden kann, dessen längere Seite mindestens doppelt so lang ist wie die kürzere Seite. Besonders bevorzugt weist die erste Teilspule eine erste Halbleiterschleife auf und die zweite Teilspule eine zweite Halbleiterschleife auf, wobei die Halbleiterschleifen im gekoppelten Zustand der zwei Teilspulen auf einer Spirallinie oder einer Kreislinie liegen. Mit einer derartigen geometrischen Linienführung ist im gekoppelten Zustand der beiden Teilspulen eine ausreichende Induktivität vorhanden und im entkoppelten Zustand eine Schaltung einer der Teilspulen oder beider der Teilspulen separat voneinander als kapazitive Sensorelektrode möglich.
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Es ist in dieser Ausführungsform also vorgesehen, eine Flachspule bereitzustellen, welche als induktiver Sensor dient. Der induktive Sensor kann durch das Flachspulenkopplungsmittel in eine erste Teilspule und eine zweite Teilspule getrennt werden. Dadurch, dass zwei Teilspulen vorliegen, kann eine der beiden Teilspulen oder beide Teilspulen unabhängig voneinander auch als kapazitive Sensorelektrode genutzt werden. Denn dadurch, dass die Teilspulen nicht mehr als Spule vorliegen, ist die Induktivität der Teilspulen deutlich geringer als die Induktivität der gesamten Flachspule, so dass eine Schaltung und Auswertung der Teilspule oder beider Teilspulen unabhängig voneinander als kapazitive Sensorelektrode erleichtert wird.
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Je nach geplantem Verwendungszweck kann eine Verbindung der Flachspulenanordnung oder der Teilspulen mit der Steuereinrichtung die Flachspulenanordnung und/oder eine Teilspule und/oder mehrere Teilspulen als geschlossene oder als geöffnete Spule vorgesehen sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung eine erste Flachspule aufweist und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung eine zweite Flachspule aufweist. In dieser Ausführungsform ist das Flachspulenkopplungsmittel zwischen der ersten Flachspule und der zweiten Flachspule angeordnet. Mit anderen Worten weist die Sensoreinrichtung in dieser Weiterbildung wenigstens zwei Flachspulen auf, von denen die erste auf der ersten Leiterbahnfläche und die zweite auf der zweiten Leiterbahnfläche angeordnet ist. Die wenigstens zwei auf verschiedenen Leiterbahnflächen angeordneten Flachspulen sind mittels des Flachspulenkopplungsmittels miteinander elektrisch entkoppelbar gekoppelt.
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Dadurch, dass zwei Flachspulen je nach Schaltzustand des Flachspulenkopplungsmittels miteinander gekoppelt oder voneinander entkoppelt vorliegen, kann die Gesamtinduktivität der Flachspulenanordnung gezielt variiert werden. Dadurch kann beispielsweise je nach Anwendungszweck zwischen einer gewünschten höheren und erforderlichen geringeren Empfindlichkeit der Sensoranordnung für die Erfassung von Induktivitäten oder Induktivitätsänderungen geschaltet werden.
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Selbstverständlich sind, je nachdem, welche Auswertungen vorgesehen sind, entsprechende Stromkreise auf der Leiterplatte angeordnet. So kann vorgesehen sein, dass die zwei Flachspulen, wenn sie mittels des Flachspulenkopplungsmittels entkoppelt sind, gegebenenfalls mit Hilfe weiterer Flachspulenkopplungsmittel mit zwei unabhängig voneinander eingerichteten Stromkreisen, beispielsweise Auswerteschaltkreisen, gekoppelt werden.
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Bevorzugt ist, dass die erste Flachspule und die zweite Flachspule eine selbe zur Leiterplatte senkrecht orientierte Zentralachse aufweisen, um eine gute Überlagerung der Induktivitäten der Flachspulen zu erreichen.
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Um eine noch feinskaligere Einstellung der Eigenschaften, insbesondere der Induktivität, der Flachspulenanordnung zu erlauben, besteht in einer Weiterbildung der Sensoreinrichtung die erste Flachspule aus einer Anzahl von wenigstens zwei Flachspulenabschnitten. Die wenigstens zwei benachbarten Flachspulenabschnitte sind über ein schaltbares elektrisches Kopplungsmittel einer Kopplungsanordnung miteinander elektrisch entkoppel- und wieder koppelbar gekoppelt. Wenn sich die erste Flachspule aus mehr zwei Flachspulenabschnitten zusammensetzt, sind jeweils zwei benachbarte Flachspulenabschnitte mit jeweils einem Kopplungsmittel entkoppel- und wieder koppelbar gekoppelt. Das Kopplungsmittel oder die Kopplungsmittel ist beziehungsweise sind mit einer Kopplungssteuerung der Steuereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung ist zur Schaltung des Kopplungsmittels beziehungsweise der Kopplungsmittel von dem gekoppelten in einen entkoppelten Schaltzustand und zurück eingerichtet.
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Mit anderen Worten umfasst diese Weiterbildung der Erfindung, dass ein Abschnitt der Flachspule von einem anderen Abschnitt der Flachspule temporär getrennt werden kann, wobei die Trennung der beiden Flachspulenabschnitte gezielt von der Steuereinrichtung herbeiführbar ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, einen der beiden Flachspulenabschnitte als Leiterschleife oder Bruchteil einer Leiterschleife auszubilden, wobei die Leiterschleifen oder Bruchteile solcher Leiterschleifen durch das Kopplungsmittel mit dem benachbarten Flachspulenabschnitt oder durch mehrere Kopplungsmittel mit mehreren benachbarten Flachspulenabschnitten verbunden werden kann beziehungsweise können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass an jedem der zwei Enden eines Leiters eine Leiterschleife oder ein Bruchteil einer Leiterschleife angekoppelt wird.
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Die Steuereinrichtung weist bevorzugt eine Schaltanordnung auf, die für wenigstens zwei Flachspulenabschnitte und bevorzugt für jeden Flachspulenabschnitt eine dem Flachspulenabschnitt zugeordnete Schaltverbindung aufweist zur separaten Ansteuerung des Flachspulenabschnitts als Näherungssensor und/oder zur separaten Potentialbelegung des Flachspulenabschnitts. Dadurch, dass wenigstens zwei oder jeder der Flachspulenabschnitte der ersten Flachspule mit einer dem entsprechenden Flachspulenabschnitt zugeordneten Schaltverbindung verbindbar ist, kann jeder der Flachspulenabschnitte separat angesteuert werden.
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Insbesondere kann einer der wenigstens zwei Flachspulenabschnitte, wenn er von den anderen der Flachspulenabschnitte entkoppelt geschaltet ist, als induktiver oder kapazitiver Näherungssensor geschaltet werden und/oder mit einem separaten elektrischen Potentialniveau belegt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass die beiden Flachspulenabschnitte nach ihrer Trennung mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden. Auch kann beispielsweise vorgesehen sein, dass einer von zwei voneinander getrennten Flachspulenabschnitten mit einer Wechselspannung und der andere von zwei voneinander getrennten Flachspulenabschnitten mit einer Gleichspannung betrieben ist. Beispielsweise kann durch das Zusammenschalten von zwei Flachspulabschnitten die Windungszahl der Flachspule zur Erhöhung der Induktivität erhöht werden.
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In einer speziellen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sowohl der erste Flachspulenabschnitt als auch der zweite Flachspulenabschnitt als Spiralspule ausgebildet sind, die bevorzugt einen selben Zentralpunkt umlaufen. Dadurch wird erreicht, dass auch die aus zusammengeschaltetem ersten Flachspulenabschnitt und zweiten Flachspulenabschnitt gebildete Flachspule eine Spiralspule ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der erste Flachspulenabschnitt als Spiralspule ausgebildet ist und der zweite Flachspulenabschnitt als dreieckförmige Spule oder als rechteckförmige Spule ausgebildet ist. Bevorzugt umlaufen der erste und der zweite Flachspulenabschnitt einen selben Zentralpunkt. Durch das Bereitstellen einer Flachspule mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Flachspulenabschnitten sind die induktiven Eigenschaften der Flachspule in einem weiten Maß einstellbar.
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Bevorzugt ist der erste Flachspulenabschnitt vollständig innerhalb des zweiten Flachspulenabschnitts liegend angeordnet, das heißt, dass der innerste Punkt des zweiten Flachspulenabschnitts weiter von dem Zentralpunkt entfernt ist als der äußerste Punkt des ersten Flachspulenabschnitts. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Kopplung der beiden Flachspulenabschnitte relativ gering bleibt, was sich positiv auf ihre voneinander unabhängige Nutzbarkeit auswirkt.
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Gemäß einer Weiterentwicklung weist die Flachspule einen Flachspulenabschnitt auf, der als erster Längselektrodenabschnitt ausgebildet ist. Der erste Längselektrodenabschnitt ist, wenn er von den benachbarten Flachspulenabschnitten entkoppelt ist, mit einer ersten Längselektrodensteuerkomponente der Steuereinrichtung koppelbar. Die Längselektrodensteuerkomponente ist eingerichtet, den Längselektrodenabschnitt als kapazitive Sensorelektrode zu schalten und anzusteuern, um eine Kapazität der Sensorelektrode oder eine Kapazitätsänderung der Sensorelektrode zu erfassen. Der Begriff des Längselektrodenabschnitts kann beispielsweise dahingehend verstanden werden, dass der Längselektrodenabschnitt von einem Rechteck umschrieben werden kann, welches mit einer Seite mindestens doppelt so lang, bevorzugt fünfmal so lang, ist wie die kürzere Seite, wobei besonders bevorzugt der Verlauf der Längselektrode innerhalb des die Längselektrode einschließenden Rechtecks mit dem größten Aspektverhältnis (also mit dem größten Verhältnis aus längerer Seite zu kürzerer Seite) jede Parallele zur kürzeren Seite den Längselektrodenabschnitt nicht mehr als einmal schneidet. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Längselektrodenabschnitt bevorzugt um einen Leiter, der sich im Wesentlichen in eine Richtung erstreckt, ohne in seiner Linienführung in einer Kehrtwende zu verlaufen.
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Bevorzugt ist die Lagenkopplungssteuerung der Steuereinrichtung, das heißt: die Komponente der Steuereinrichtung, welche für das Zusammenschalten oder Auseinanderschalten der auf unterschiedlichen Leiterbahnenflächen angeordneten Abschnitte der Flachspulenanordnung verantwortlich ist, eingerichtet, mittels der Ansteuerung der Flachspulenkopplungsmittel ein Zuschalten oder Wegschalten zumindest einer zweiten Flachspule zu der ersten Flachspule zu bewirken und dadurch eine Veränderung der durch die Gesamtheit der Flachspulen der Sensoreinrichtung bereitgestellten Induktivität herbeizuführen. Bevorzugt ist jede Leiterbahnfläche unabhängig von den anderen Leiterbahnflächen mit der Steuereinrichtung gekoppelt, so dass sowohl die Leiterbahnflächen im entkoppelten Zustand als unabhängig voneinander auswertbare induktive Einzelnäherungssensoren ansteuerbar sind als auch die Leiterbahnenflächen eine Gesamtheit der gekoppelten Flachspulen als ein induktiver Gesamtnäherungssensor ansteuerbar ist. In einer derartigen Ausgestaltung profitiert die Sensoreinrichtung in besonderer Weise von dem hohen Maß an Einstellbarkeit der Induktivität der Flachspulenanordnung.
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Die Kopplungssteuerung, welche die Kopplung und die Entkopplung der einzelnen Flachspulenabschnitte der ersten Flachspule steuert, ist in einer Weiterbildung eingerichtet, die Kopplungsmittel der Kopplungsanordnung in einer vorgegebenen Zeitfolge zwischen einem ersten Kopplungszustand und einem zweiten Kopplungszustand zu schalten, um zwei unterschiedliche Sensorfunktionalitäten abwechselnd bereitzustellen. Bevorzugt beinhaltet der erste Kopplungszustand das Koppeln aller Flachspulen miteinander und aller Flachspulenabschnitte miteinander sowie eine Bereitstellung einer Auswertebereitschaft für die Nutzung der Gesamtheit der miteinander gekoppelten Flachspulen als induktiver Näherungsschalter. In dieser bevorzugten Ausführung umfasst der zweite Kopplungszustand, dass zumindest ein Längselektrodenabschnitt von der ersten Flachspule elektrisch getrennt wird und mittels einer Längselektrodensteuerkomponente, die mit dem Längselektrodenabschnitt gekoppelt ist, als kapazitive Sensorelektrode betrieben wird.
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Durch die erläuterte Bereitstellung zweier Kopplungszustände wird erreicht, dass zwei unterschiedliche Funktionalitäten in platzsparender Weise mit derselben Sensoreinrichtung bereitgestellt werden: eine Induktionserfassung, nämlich über die Bereitstellung der Gesamtheit der Flachspulen, sowie die Erfassung einer kapazitätsabhängigen Größe, nämlich über eine Bereitstellung des Längselektrodenabschnitts als metallischer Leiter, der als kapazitive Sensorelektrode geschaltet werden kann. In Kopplung mit den benachbarten Flachspulenabschnitten fungiert der Längselektrodenabschnitt als Bestandteil der Flachspule. Nach der Entkopplung von den benachbarten Flachspulenabschnitten ist er unabhängig von diesen und beide können separat beschaltet und betrieben werden.
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Das Flachspulenkopplungsmittel beziehungsweise das Kopplungsmittel können als auf der Leiterplatte angeordneter Halbleiterschalter, als Relaisschalter, als Diode (bevorzugt als PIN-Diode), als frequenzabhängige Filterschaltung, oder als Kombination von zweien oder mehreren der vorgenannten Bauelemente gebildete Schaltanordnungen ausgeführt sein.
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Bevorzugt ist beziehungsweise sind der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung und/oder der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung zumindest abschnittweise, bevorzugt vollständig, als auf der Leiterplatte angeordnete Leiterbahn ausgebildet. Besonders bevorzugt ist beziehungsweise sind der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung und/oder der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung abschnittweise oder vollständig als auf der Leiterplatte mit herkömmlichen Platinendruckverfahren aufgedruckte Leiterbahn ausgeführt. Aber auch mit anderen Verfahren hergestellte Abschnitte der Flachspulenanordnung können vorgesehen sein, beispielsweise mittels Ätzens einer fotolithographisch vorbereiteten Platte, mittels Stanztechnik oder mittels Drahtlegetechnik.
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Ein weiterer Gedanke der Erfindung sieht eine Sensoreinrichtung mit einer Leiterplatte vor, die ebenfalls zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
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Auf der Leiterplatte ist eine Sensoranordnung angeordnet, die wenigstens eine erste Flachspule aufweist. Die Flachspule besteht aus einer Anzahl von wenigstens zwei Flachspulenabschnitten. Zwei benachbarte Flachspulenabschnitte sind miteinander über ein schaltbares elektrisches Kopplungsmittel einer Kopplungsanordnung elektrisch gekoppelt. Die Kopplung ist reversibel ausgeführt, kann also beliebig oft wiederholt werden. Das Kopplungsmittel ist mit einer Kopplungssteuerung einer Steuereinrichtung verbunden, die zur Schaltung des Kopplungsmittels von dem gekoppelten in den entkoppelten Schaltzustand und zurück eingerichtet ist. Mit anderen Worten kann die in Kombination mit der Mehrlagenleiterplatte erläuterte Ausführung einer Flachspule, aus welcher einzelne Abschnitte aus- und einkoppelbar sind, auch bei einlagigen Leiterplatten ausgeführt sein.
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Entsprechend können auf Grundlage der auf einer einlagigen Leiterplatte angeordneten Sensoranordnung dieselben Weiterbildungen vorgesehen sein, welche in analoger Weise die Merkmale umsetzt, die voranstehend in Verbindung mit der Weiterbildung der Ausführungsform der auf der ersten Leiterbahnfläche angeordneten ersten Flachspule erläutert wurden. Auf eine Wiederholung der entsprechenden Weiterbildungen wird an dieser Stelle verzichtet, da sie wortgleich aus den vorangehenden Erläuterungen entnommen werden kann.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung oder ihrer Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten sowie auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
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Es zeigen:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung mit einer Mehrlagenleiterplatte;
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung mit einer Mehrlagenleiterplatte;
- 3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung mit einer Mehrlagenleiterplatte;
- 4: eine Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einer einlagigen Leiterplatte.
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1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung 1 zu entnehmen. Die Sensoreinrichtung 1 weist eine Leiterplatte 2 auf. Die Leiterplatte 2 umfasst als Mehrlagenleiterplatte eine erste Leiterbahnfläche 2a und eine zweite Leiterbahnfläche 2b. Die beiden Leiterbahnflächen 2a und 2b sind in der schematischen Darstellung der 1 in übertriebener Beabstandung getrennt voneinander dargestellt, um jede der beiden Leiterbahnflächen gut erkennbar darzustellen. Auf der Leiterplatte 2 ist eine Sensoranordnung 3 angeordnet, die aus den innerhalb des gezeigten gestrichelten Rechtecks vorhandenen Elementen besteht. Die Sensoranordnung 3 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste halbe Leiterschleife 4 und eine zweite halbe Leiterschleife 5 auf. Die erste halbe Leiterschleife 4 stellt dabei einen ersten Abschnitt 4 der Flachspule der Flachspulenanordnung dar, während die zweite Hälfte der Leiterschleife einen zweiten Abschnitt 5 der Flachspulenanordnung 4, 5, 7 darstellt. Die Flachspulenanordnung setzt sich zusammen aus der Gesamtheit aus dem ersten Abschnitt 4 der Flachspulenanordnung und dem zweiten Abschnitt 5 der Flachspulenanordnung sowie der durch Durchkontaktierungen 6, 6` hindurchgeführten Verbindungen 7, 7', mittels welchen die ersten und zweiten Abschnitte 4, 5 der Flachspulenanordnung koppelbar sind. Der erste Abschnitt 4 der Flachspulenanordnung und der zweite Abschnitt 5 der Flachspulenanordnung sind mit einem Flachspulenkopplungsmittel 8 in entkoppelbarer und wiederkoppelbarer Weise elektrisch gekoppelt, wobei die Darstellung der 1 den nicht gekoppelten Zustand zeigt. Durch die dargestellte Ausführung der Sensoreinrichtung 1 sind ein als halbe Leiterschleife ausgeführter erster Abschnitt 4 und ein als halbe Leiterschleife ausgeführter zweiter Abschnitt 5 der Flachspulenanordnung mit dem Flachspulenkopplungsmittel 8 zu einer Leiterschleife zusammenschaltbar, die einen Spezialfall der Flachspule darstellt. Die Leiterschleife aus den Abschnitten 4 und 5 befindet sich zur Hälfte auf der ersten Leiterbahnfläche 2a und zur Hälfte auf der zweiten Leiterbahnfläche 2b. Zur Schaltung des Flachspulenkopplungsmittels ist eine Lagenkopplungssteuerung 9 vorgesehen, die in der gezeigten Ausführungsform auf der ersten Leiterplattenfläche 2a angeordnet ist. Der erste Abschnitt 4 der Flachspulenanordnung ist als erste Teilspule ausgebildet, der zweite Abschnitt 5 der Flachspulenanordnung ist als zweite Teilspule ausgebildet, wobei in der gezeigten Ausführungsform beide Teilspulen jeweils eine halbe Leiterschleife darstellen, welche einem Halbkreis-Verlauf folgen. Das Flachspulenkopplungsmittel 8 wird über die Lagenkopplungssteuerung 9 der Steuereinrichtung 11 gesteuert, sodass das Flachspulenkopplungsmittel 8, das beispielsweise als Halbleiterschalter, Relaisschalter, Diode oder eine Kombination zweier oder mehrerer dieser Bauelemente ausgeführt ist, ein Zusammenschalten oder ein Trennen der auf den unterschiedlichen Lagen befindlichen Abschnitte der Flachspulenanordnung herbeiführt. Aber auch ein Schalten durch eine Frequenzselektion mittels einer oder mehrerer frequenzabhängiger Filterschaltungen kann, alternativ oder zusätzlich, vorgesehen sein. Die Lagenkopplungssteuerung 9 wird von der Sensorsteuerung 10 der Steuereinrichtung 11 gesteuert, damit in einer vorgegebenen Zeitfolge zwischen einem ersten Kopplungszustand und einem zweiten Kopplungszustand geschaltet wird. In dem zweiten Kopplungszustand, welcher der Darstellung der 1 entspricht, sind die Teilspulen 4 und 5 voneinander getrennt. Dadurch, dass die Teilspulen 4, 5 als Halbkreis nur eine vergleichsweise geringe Induktivität aufweisen, stehen beide Teilspulen 4, 5 unabhängig voneinander als kapazitive Sensorelektrode bereit, welche von der Sensorsteuerung, die über die Verbindungen 10' und 10" mit jeder der beiden Teilspulen unabhängig voneinander gekoppelt ist, als kapazitive Sensorelektrode geschaltet und angesteuert wird zur Auswertung einer Kapazität oder einer Kapazitätsänderung der jeweiligen Teilspule. Die Art der Auswertung der Kapazität oder der Kapazitätsänderung ist auf unterschiedliche Weise möglich, dies Wahl der Auswertung bleibt dem Fachmann überlassen. Etwaige noch erforderliche Auswerteschaltkreise sind nicht in 1 gezeigt und können beispielsweise gedanklich als von der Sensorsteuerung 10 umfasst angesehen werden. In dem ersten Kopplungszustand, in dem Schalter 8 geschlossen ist, wird die sodann vorliegende Leiterschleife von der Sensorsteuerung 10 als induktiver Näherungsschalter angesteuert.
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2 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 101 zu entnehmen. Die Elemente der zweiten Ausführungsform entsprechen denjenigen der 1, wobei für ein im Vergleich zu 1 jeweils analoges Bauelement eine um 100 vergrößerte Bezugszeichenzahl verwendet wurde. Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 insbesondere darin, dass der erste Abschnitt 104 der Flachspulenanordnung eine erste Flachspule 104 aufweist, die auf der ersten Leiterbahnfläche 102a der Leiterplatte 102 angeordnet ist und der zweite Abschnitt 105 der Flachspulenanordnung eine zweite Flachspule 105 aufweist, die auf der zweiten Leiterbahnfläche 102b der Leiterplatte 102 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl die erste Flachspule 104 als auch die zweite Flachspule 105 als aus Leiterbahn bestehende Spiralspule ausgebildet. Die Spiralspulen 104 und 105 haben dieselbe Windungszahl und weisen dieselbe Zentralachse 112 auf, welche zur Leiterplatte 102 senkrecht orientiert ist, also auch zu jeder der als Leiterbahnebenen ausgebildeten Leiterbahnflächen 102a und 102b senkrecht orientiert ist. In alternativen Ausgestaltungen kann auch vorgesehen sein, dass die erste Flachspule 104 und die zweite Flachspule 105 zueinander versetzt auf der jeweiligen Leiterbahnfläche orientiert sind. Außerdem kann je nach vorgesehenem Anwendungszweck vorgesehen sein, dass die erste Flachspule und die zweite Flachspule unterschiedlich ausgeformt sind und/oder eine unterschiedliche Windungszahl aufweisen kann. In der Darstellung der 2 ist das Flachspulenkopplungsmittel 108 zwischen der ersten Flachspule 104 und der zweiten Flachspule 105 angeordnet. In der 2 ist die erste Flachspule 104 durch die Durchkontaktierung 106 hindurch über die Verbindung 107 mit der zweiten Flachspule 105 und über die Verbindung 107' und die Durchkontaktierung 106` mit der Sensorsteuerung 110 der Steuereinrichtung 111 gekoppelt. Es sind also beide Flachspulen in Reihenschaltung miteinander mit der Sensorsteuerung 110 gekoppelt und durch diese insbesondere als induktive Annäherungssensoren schaltbar und betreibbar. Mit der Lagenkopplungssteuerung 109 der Steuereinrichtung 111 kann das Flachspulenkopplungsmittel 108 in seinen anderen Schaltzustand geschaltet werden, in welchem das Flachspulenkopplungsmittel 108 (in gestrichelten Linien angedeutet) die erste Flachspule 104 über die Verbindung 113 mit der Steuereinrichtung verbindet, wodurch nur noch ein geschlossener Stromkreis der ersten Flachspule 104, nicht aber mehr der zweiten Flachspule 105, mit der Sensorsteuerung 110 besteht. Der erste Abschnitt der Flachspulenanordnung, der die erste Flachspule 104 umfasst, und der zweite Abschnitt der Flachspulenanordnung, der die zweite Flachspule 105 umfasst, können somit mittels Flachspulenkopplungsmittel 108 voneinander entkoppelt werden, wobei in der gezeigten Ausführungsform das Flachspulenkopplungsmittel 108 gleichzeitig eine Kopplung mit der Steuereinrichtung 111 herbeiführt und dadurch einen geschlossenen Stromkreis zwischen Steuereinrichtung und erster Flachspule schließt. Dadurch ist die erste Flachspule in dem Schaltzustand des Flachspulenkopplungsmittels 108, der durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, mittels der Sensorsteuerung 110 der Steuereinrichtung 111 als induktiver Sensor betreibbar, der gegenüber dem induktiven Sensor aus den Flachspulen 104 und 105 in gemeinsamer Ansteuerung eine verringerte Induktivität und dadurch auch andere Sensoreigenschaften aufweist. Mit der Ausführungsform der 2 können mittels induktiver Näherungsschaltung Annäherungen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit erkannt werden.
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In der Ausführungsform der 3 ist dargestellt, dass die erste Flachspule 204 einen ersten Flachspulenabschnitt 213a, einen zweiten Flachspulenabschnitt 213b und einen restlichen Abschnitt der Flachspule 213c aufweist. Zwei benachbarte Flachspulenabschnitte sind miteinander über ein jeweils zwischen den zwei benachbarten Flachspulenabschnitten angeordnetes schaltbares elektrische Kopplungsmittel einer Kopplungsanordnung miteinander elektrisch gekoppelt, wobei jedes der vorhandenen Kopplungsmittel 214a, 214b der Kopplungsanordnung 214 von einer Kopplungssteuerung 215 angesteuert werden können und unabhängig voneinander geschaltet werden können, so dass jeweils zwei benachbarte Flachspulenabschnitte elektrisch voneinander entkoppelt oder miteinander gekoppelt werden können. Mit anderen Worten, kann der erste Flachspulenabschnitt 213a von dem zweiten Flachspulenabschnitt 213b mittels Schaltens des ersten Kopplungsmittels 214a entkoppelt und wieder gekoppelt werden. Unabhängig davon kann der zweite Flachspulenabschnitt 213b von dem dritten Flachspulenabschnitt 213c mittels Schaltens des zweiten Kopplungsmittels 214b entkoppelt und wieder gekoppelt werden. Die Steuereinrichtung 211, die auch die Kopplungssteuerung umfassen kann, weist eine Schaltanordnung 215 auf, die für jeden Flachspulenabschnitt eine dem Flachspulenabschnitt zugeordnete Schaltverbindung 217a, 217b, 217c aufweist. Das bedeutet, dass jeder der Flachspulenabschnitte unabhängig von den anderen Flachspulenabschnitten mit der Schaltverbindung verbunden ist oder verbunden werden kann, das heißt, dass der erste Flachspulenabschnitt 213a mit einer ersten Schaltverbindung 217a, der zweite Flachspulenabschnitt 213b mit einer zweiten Schaltverbindung 217b und der dritte Flachspulenabschnitt 213c mit einer dritten Schaltverbindung 217c gekoppelt werden kann. Die Schaltverbindung sorgt für eine separate Ansteuerbarkeit jedes der Flachspulenabschnitte durch die Sensorsteuerung 210 der Steuereinheit 211, wodurch andere Sensoreigenschaften als mit der gesamten Flachspule 204 erreicht werden können. Beispielsweise ist der Flachspulenabschnitt 213a keine Spule, sondern ein gerader Leiter, der als kapazitiver Näherungssensor geschaltet werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass einer der beiden Flachspulenabschnitte 213a und 213b als kapazitiver Näherungssensor geschaltet wird und der andere der beiden Flachspulenabschnitte 213a und 213b mit einem konstanten Potential belegt und als Schirmelektrode genutzt wird. Die in 3 dargestellte Flachspule 204 weist mit dem Flachspulenabschnitt 213b einen als Rechteckspule ausgebildeten Flachspulenabschnitt auf sowie mit Abschnitt 213c einen als Spiralspule ausgebildeten Spiralspulabschnitt auf. Beide umlaufen denselben Zentralpunkt, nämlich den Schnittpunkt der Achse 212 mit der Leiterbahnfläche 202a.
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Der Flachspulenabschnitt 213a ist als Längselektrodenabschnitt ausgebildet, wobei der als Längselektrodenabschnitt ausgebildete Abschnitt 213a in dem speziellen Beispiel der 3 als gerader Leiter vorliegt. In dem Zustand, in welchem der Abschnitt 213a von dem Abschnitt 213b entkoppelt ist und der Schalter 208 den durch die gestrichelte Linie angedeuteten Zustand annimmt, um die Längselektrode 213a über den Leiter 218 zu verbinden, ist die Längselektrode 213a von einer Längselektrodensteuerkomponente der Steuereinrichtung 211 ansteuerbar, welche ausgebildet ist, die Längselektrodenabschnitte als kapazitive Sensorelektrode anzusteuern zur Auswertung einer Kapazität der Sensorelektrode oder einer Kapazitätsänderung der Sensorelektrode. Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Längselektrodensteuerkomponente und die Schaltanordnung 216 gemeinsam integrierter Bestandteil der Steuereinrichtung 211 sind. Mit der in 3 dargestellten Ausführungsform sind sowohl die induktiven und kapazitiven Eigenschaften des ersten Abschnitts 104 der Flachspulenanordnung unabhängig voneinander einstellbar und nutzbar als auch der erste Abschnitt 104 der Flachspulenanordnung mit dem zweiten Abschnitt 105 der Flachspulenanordnung koppelbar und entkoppelbar, wodurch die Vorteile einer Bereitstellung mehrerer Flachspulenabschnitte auf einer Leiterbahnfläche sowie mit den in Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterten Vorteilen der Bereitstellung mehrerer Abschnitte einer Flachspulenanordnung auf verschiedenen Leiterbahnflächen kombiniert werden.
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Der 4 ist beispielhaft für die auf der ersten Leiterbahnfläche der 3 umgesetzte Ausführung einer Sensoranordnung mit einer Flachspule gezeigt, dass diese auch bei einer einlagigen Leiterplatte umgesetzt werden kann. Über den Unterschied, dass die Ausführungsform der 4 auf nur einer Leiterbahnfläche der Leiterplatte realisiert ist, hinaus sind die im Rahmen der Beschreibung zu 3 erläuterten Ausführungen weitgehend analog auch für die mit 4 dargestellte Ausführungsform umsetzbar. Lediglich auf eine Kopplung der ersten Flachspule mit einer auf einer anderen Ebene vorhandenen Flachspule muss bei dem Ausführungsbeispiel der 4 selbstverständlich verzichtet werden.
