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Dokumentenidentifikation DE102004039561B4 24.08.2006
Titel Kapazitive Sensoreinrichtung
Anmelder Intedis GmbH & Co. KG, 97084 Würzburg, DE
Erfinder Wagemann, Rolf, 97084 Würzburg, DE;
Cilensek, Carsten, 97273 Kürnach, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Böck - Tappe - Kirschner, 97074 Würzburg
DE-Anmeldedatum 13.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004039561
Offenlegungstag 23.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse G01V 3/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 102 48 761 A1 ist ein kapazitiver Sensor bekannt, der als flächiger, folienartiger Sensor ausgebildet ist. Auf einem Basiselement sind Flachleiterbahnen angeordnet, wobei die spezielle Struktur der Flachleiterbahnen auf der Folie jeweils ein kapazitives Aufnehmerelement bildet. Diese Aufnehmerelemente können Änderungen der Kapazität in der Umgebung detektieren, wobei diese Messsignale des Aufnehmerelements anschließend in ihrer Auswerteelektronik auswertbar sind.

Bei dem in der DE 102 48 761 A1 beschriebenen kapazitiver Sensor reagiert das Aufnehmerelement auf Änderungen der Kapazität im umgebenden Dielektrikum, das von Luft gebildet wird. Bei Annäherung eines Gegenstandes oder eines Körperteils ändert sich die Kapazität in der Umgebungsluft, was durch das Aufnehmerelement detektiert und von der Auswerteelektronik ausgewertet wird.

Die DE 103 58 793 A1 und die DE 103 58 791 A1 beschreiben jeweils ein kombiniertes Sensor- und Heizelement, das als Sitzbelegungssensor in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Die Belegungserkennung kann dabei durch Auswertung einer Kapazitätsänderung erfolgen, die durch die bei der Sitzbelegung ausgeübte Gewichtskraft verursacht wird. Als Sensor- und Heizelement dienen elektrische Leiterbahnen, die auf einer flexiblen Leiterbahnfolie angeordnet sind.

Aus der DE 197 24 168 C1 ist ein Sitzbelegungssensor für ein Fahrzeug bekannt, der mit einem kapazitiven Sensorelement ausgestattet ist. Das kapazitive Sensorelement weist dabei einen Detektionsbereich um sich herum auf, wobei die Änderung der Kapazität bei Einbringung eines Körpers in den Detektionsbereich auswertbar und detektierbar ist.

Die DE 198 26 391 A1 beschreibt einen Sensor zur Anwesenheitserfassung für Fahrzeugsitze. Der Sensor wird von zwei flächigen, flexiblen Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten Dielektrikum gebildet. Aufgrund der elastischen Komprimierbarkeit des Dielektrikums können die Elektroden bei Druckbelastung einander angenähert werden. Die dabei sich ändernde Kapazität wird zur Anwesenheitserfassung ausgewertet.

Die DE 41 10 702 A1 beschreibt einen Fahrzeugsitz mit Sitzbelegungssensor. Als Sensorelement dienen dabei zwei Elektroden, die sich einander kreuzend angeordnet sind und in den Kreuzungsstellen kapazitive Elemente bilden. Die Elektroden sind dabei in der Art von dünnen Folienstreifen ausgebildet, die durch Isolierfolie elektrisch abisoliert werden.

Die US 6,089,534 beschreibt ein Durchflussventil für flüssige Medien. Als Absperrorgan kommt dabei ein S-förmig gebogener Folienabschnitt zum Einsatz.

Nachteilig an dem aus der DE 197 24 168 C1 bekannten kapazitiven Sensor ist es, dass die mit dem Aufnehmerelement messbaren Änderungen im umgebenden Dielektrikum sehr stark von dem sich annähernden Gegenstand abhängen. Aus diesem Grund muss eine sehr aufwendige Auswerteelektronik vorgesehen werden, um zuverlässige Auswerteergebnisse zu erhalten.

Bei dem aus der DE 198 26 391 A1 bekannten Sensor ist es nachteilig, dass Messungenauigkeiten, die durch Lageungenauigkeiten im Abstand zwischen den beiden den Kondensator bildenden Elektroden verursacht werden, nur durch eine sehr genaue Kalibrierung des Sensors vermeidbar sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue kapazitive Sensoreinrichtung vorzuschlagen, die die Nachteile des bekannten Stands der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Sensoreinrichtung beruht auf dem Grundgedanken, dass auf dem das Aufnehmerelement tragenden Basiselement zugleich auch zwei Kapazitätselemente vorgesehen sind, die zusammen mit dem Aufnehmerelement jeweils einen Kondensator bilden. Dieses Kapazitätselement wird dann je nach Anwendungsfall geeignet platziert, so dass sich der durch die Sensoreinrichtung zu überwachende Prozess, beispielsweise eine Stellbewegung, auf das Kapazitätselement oder Aufnehmerelement überträgt und eine Relativbewegung zwischen dem Kapazitätselement und dem Aufnehmerelement verursacht. Da das Kapazitätselement definierte kapazitive Eigenschaften aufweist, können die Relativbewegungen zwischen dem Kapazitätselement und dem Aufnehmerelement mit der Sensoreinrichtung detektiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sind am Basiselement zwei Kapazitätselemente vorgesehen. Das Basiselement ist dabei zwischen den beiden Kapazitätselementen und dem Aufnehmerelement geeignet umgeformt, so dass das Basiselement eine Z-förmige oder S-förmige Gestalt einnimmt und die beiden Kapazitätselemente dem Aufnehmerelement auf beiden Seiten gegenüberliegen. Im Ergebnis wird damit eine Art Doppelplattenkondensator gebildet, so dass das Aufnehmerelement nach beiden Seiten hin kapazitiv abgeschirmt wird. Außerdem werden Lageungenauigkeiten des Aufnehmerelements relativ zu einem der Kapazitätselemente im Messergebnis weitgehend ausgeglichen, da ein zusätzlicher Abstand des Aufnehmerelements zu dem einen Kapazitätselement durch eine entsprechende Annäherung des Aufnehmerelements zum gegenüberliegenden Kapazitätselement ausgeglichen wird.

Die Umformung des Basiselements kann insbesondere in der Art einer Biegefalte ausgebildet sein, wobei sich bei Wahl eines ausreichend elastischen Materials zur Herstellung des Basiselements eine elastische Rückfederung des Basiselements in der Biegefalte ergibt. Soweit die Rückfederung des Werkstoffs des Basiselements in der Biegefalte bzw. in der Umformzone nicht ausreicht, können auch zusätzliche Federelemente zwischen Aufnehmerelement und Kapazitätselement vorgesehen sein, beispielsweise Schaumstoffeinlagen, um das Kapazitätselement in seine Ausgangsposition zurückzustellen.

Aus welchem Material das Basiselement hergestellt ist, ist grundsätzlich ohne Belang. Besonders geeignet dazu sind sogenannte Trägerfolien, die zugleich eine ausreichende elektrische Isolation der Flachleiter gewährleisten.

Um gut aufgelöste Sensorsignale zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kapazitätselement eine im Wesentlichen flächige Gestalt aufweist. Die vom Kapazitätselement bedeckte Fläche sollte dabei vorzugsweise im Wesentlichen genauso groß sein wie die vom Aufnehmerelement bedeckte Fläche.

Die Kapazitätselemente können entsprechend dem Aufnehmerelement ebenfalls in der Art von bestimmten Abschnitten eines Flachleiters, insbesondere sogenannten Masseflächen eines Flachleiters, ausgebildet sein.

Zur Bildung der Flachleiter auf dem Basiselement sind insbesondere Kupferschichten geeignet, die beispielsweise auf das Basiselement auflaminiert werden und zur Bildung der gewünschten Flachleiterstruktur fotolithographisch strukturiert und anschließend geätzt werden.

Um Störungen durch Kapazitätsänderungen am Kapazitätselement weitgehend ausschließen zu können, sollte das Kapazitätselement elektrisch leitend mit einem Massepotential verbunden sein.

Um unerwünschte Kurzschlüsse zwischen den verschiedenen Leiterelementen auszuschließen, kann auf der das Aufnehmerelement bzw. das Kapazitätselement tragenden Seite des Basiselements eine Isolationsschicht, insbesondere eine Isolatorfolie, vorgesehen sein. Derartige Isolatorfolien können beispielsweise nach dem Strukturieren der Flachleiterbahnen auflaminiert werden.

Statt einer Z-förmigen oder S-förmigen Gestalt der Sensoreinrichtung ist es auch denkbar, mehrere Aufnehmerelemente und Kapazitätselemente mäanderförmig auf dem Basiselement anzuordnen. Dadurch lässt sich das Messsignal der Sensoreinrichtung verstärken, was insbesondere bei relativ kleinen Stellbewegungen zwischen den Aufnehmerelementen und Kapazitätselementen bzw. bei relativ starken Störsignalen von Vorteil ist.

Um Potentialunterschiede zu vermeiden, sollten die beiden Kapazitätselemente elektrisch leitend miteinander verbunden werden.

Besonders einfach und kostengünstig kann die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung unter Verwendung einer FPC-Folie hergestellt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die Auswerteeinheit, insbesondere eine Auswerteelektronik, auf dem verformbaren Basiselement angeordnet. Dadurch wird es möglich, die Auswerteeinheit in sehr kurzem Abstand zum Aufnehmerelement zu platzieren, so das zur Kontaktierung zwischen Auswerteeinheit und Aufnehmerelement nur sehr kurze Verbindungsleitungen notwendig sind. Die von den Verbindungsleitungen verursachten Störkapazitäten, durch die das Messsignal verfälscht wird, sind somit sehr klein und weisen aufgrund der definierten Geometrie der Verbindungsleitungen zudem einen weitgehend vorbestimmbaren Wert auf.

Auf welchem Anwendungsgebiet die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eingesetzt wird, ist grundsätzlich beliebig. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung in einer Vertiefung oder Ausnehmung eines elastisch verformbaren Grundkörpers, insbesondere der Schaumpolsterung eines Fahrzeugsitzes, angeordnet. Bei Verformung des elastischen Grundkörpers wird dementsprechend auch das Basiselement verformt, so dass das Kapazitätselement an das Aufnehmerelement angenähert bzw. auseinanderbewegt wird. Durch Auswertung der dabei resultierenden Kapazitätsänderungen kann beispielsweise in einfacher Weise ein Sitzbelegungssensor oder ein Gewichtssensor am Fahrzeugsitz realisiert werden, da die Stauchung des verformbaren Grundkörpers und die dadurch verursachte Relativbewegung zwischen Aufnehmerelement und Kapazitätselement proportional zur einwirkenden Gewichtskraft ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

1 die Abwicklung einer Sensoreinrichtung in Ansicht von oben;

2 die Sensoreinrichtung gemäß 1 im Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I;

3 die Sensoreinrichtung gemäß 1 bei Anordnung in einem unbelasteten Fahrzeugsitz im Querschnitt;

4 den Fahrzeugsitz gemäß 3 bei Belastung.

In 1 ist die Abwicklung einer Sensoreinrichtung 01 schematisch dargestellt. An der Sensoreinrichtung 01 ist ein kapazitives Aufnehmerelement 02 vorgesehen, das über einen Anschluss 03 mit einer Auswerteeinheit elektrisch leitend kontaktiert wird. Weiter sind an der Sensoreinrichtung 01 zwei Kapazitätselemente 04 und 05 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 06 elektrisch leitend miteinander verbunden sind und über einen Anschluss 07 mit dem Masseleiter in einem Fahrzeug kontaktiert werden.

Beim Einbau der Sensoreinrichtung 01 werden die beiden Kapazitätselemente 04 und 05 relativ zum Aufnehmerelement 02 entlang der beiden Umformzonen 08 und 09 unter Bildung einer Biegefalte umgelegt, so dass die Kapazitätselemente 04 und 05 dem Aufnehmerelement 02 jeweils flächig gegenüberliegen. Die S-förmige Gestalt der Sensoreinrichtung 01 (siehe 3) ergibt dabei die Funktion eines Doppelplattenkondensators.

2 zeigt die Sensoreinrichtung 01 im Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I. Auf einer als Basiselement 10 dienenden Trägerfolie aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise einer Kunststofffolie, werden durch Auflaminieren einer Kupferschicht 11 und deren anschließende fotolithographische Ätzung Flachleiterelemente 11a und 11b gebildet, die das Aufnehmerelement 02, die Kapazitätselemente 04 und 05, die Verbindungsleitung 06 und die Anschlüsse 03 und 07 bilden. Nach der Strukturierung der Kupferschicht 11 zur Bildung der verschiedenen Flachleiterelemente 11a und 11b wird die Oberseite mit einer Isolatorfolie 12 abgedeckt.

In 3 ist die Anordnung der Sensoreinrichtung 01 in einer Ausnehmung 13 eines Schaumkörpers 14 schematisch dargestellt. Der Schaumkörper 14 kann dabei beispielsweise Teil der Polsterung eines Fahrzeugsitzes sein. Durch die Umformung der Sensoreinrichtung 01 in den Umformzonen 08 und 09 ergibt sich eine S-Form oder Z-Form, bei der das Aufnehmerelement 02 zwischen den beiden Kapazitätselementen 04 und 05 liegt. Das Aufnehmerelement 02 und die ans Massepotential des Fahrzeugs angeschlossenen Kapazitätselemente 04 und 05 bilden auf diese Weise einen Doppelplattenkondensator.

Wird der Schaumkörper 14, wie in 4 angedeutet, von oben belastet, beispielsweise weil sich eine Person auf den Fahrzeugsitz setzt, wird der Schaumkörper 14 komprimiert und dadurch auch die Sensoreinrichtung 01 zusammengedrückt. Dadurch werden die beiden Kapazitätselemente 04 und 05 an das Aufnehmerelement 02 angenähert. Die durch die Annäherung der Kapazitätselemente 04 und 05 resultierende Kapazitätsänderung wird vom Aufnehmerelement detektiert und kann in der nachgeordneten Auswerteeinheit derart ausgewertet werden, dass die Sitzbelegung ableitbar ist. Durch die beiden Kapazitätselemente 04 und 05 wird das Aufnehmerelement 02 nach außen hin weitgehend abgeschirmt, so dass Störungen durch sonstige Kapazitätsänderungen, beispielsweise durch die Masse des sich auf den Schaumkörper 14 aufsetzenden Passagiers, vernachlässigbar gering gehalten werden. Aufgrund der Elastizität der als Basiselement 10 dienenden Trägerfolie und der Isolatorfolie 12 federt die Sensoreinrichtung 01 ohne zusätzliche Maßnahmen nach Entlastung des Schaumkörpers 14 wieder auseinander, so dass die Kapazitätselemente 04 und 05 jeweils flächig an der Oberseite bzw. Unterseite der Ausnehmung 13 anliegen.


Anspruch[de]
  1. Kapazitive Sensoreinrichtung (01) mit zumindest einem Aufnehmerelement (02), das mit einer Auswerteeinheit verbindbar ist und auf Änderungen der Kapazität reagiert, wobei das Aufnehmerelement (02) von zumindest einem Flachleiter (11a) gebildet wird, der auf einem elastisch verformbaren Basiselement (10) angeordnet ist, wobei auf dem verformbaren Basiselement (10) zumindest ein Kapazitätselement (04, 05) vorgesehen ist, das zusammen mit dem Aufnehmerelement (02) einen Kondensator bildet, und wobei mit der Auswerteeinheit Relativbewegungen zwischen dem Kapazitätselement (04, 05) und dem Aufnehmerelement (02) durch die davon verursachten Änderungen der Kapazität des Kondensators detektierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiselement (10) zwei Kapazitätselemente (04,05) vorgesehen sind, wobei das Basiselement (10) zwischen Aufnehmerelement (02) und den beiden Kapazitätselementen (04, 05) jeweils eine Umformzone (08, 09) aufweist, so dass das Basiselement (10) eine im Wesentlichen Z-förmige oder S-förmige Gestalt aufweist, und wobei die beiden Kapazitätselemente (04, 05) dem Aufnehmerelement (02) auf zwei Seiten gegenüberliegen, und wobei die beiden Kapazitätselemente (04, 05) beim Zusammendrücken der Sensoreinrichtung (01) an das Aufnehmerelement (02) angenähert werden können.
  2. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformzone (08, 09) in der Art einer Biegefalte ausgebildet ist.
  3. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (10) in der Umformzone (08, 09) elastisch rückfedert.
  4. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (10) von einer Trägerfolie gebildet wird.
  5. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmerelement (02) und/oder die Kapazitätselemente (04, 05) eine im Wesentlichen flächige Gestalt aufweisen.
  6. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmerelement (02) und die Kapazitätselemente (04, 05) eine im Wesentlichen gleich große Fläche bedecken.
  7. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätselemente (04, 05) von zumindest einem Flachleiter (11b) gebildet werden.
  8. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmerelement und/oder die Kapazitätselemente aus einer Kupferschicht (11) hergestellt sind.
  9. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätselemente (04, 05) elektrisch leitend mit einem Massepotential verbunden sind.
  10. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Isolation des Aufnehmerelements (02) und/oder der Kapazitätselemente (04, 05) auf dem Basiselement (10) eine Isolationsschicht (12) vorgesehen ist.
  11. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätselemente (04, 05) eine kapazitive Abschirmung des Aufnehmerelements (02) bewirken.
  12. Sensoreinrichtung einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kapazitätselemente (04, 05) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  13. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (01) aus einer FPC-Folie hergestellt ist.
  14. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit auf dem verformbaren Basiselement (10) angeordnet ist.
  15. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (01) in einer Vertiefung oder Ausnehmung (13) eines elastisch verformbaren Grundkörpers (14) angeordnet ist.
  16. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) Teil der Polsterung eines Fahrzeugsitzes ist.
  17. Verwendung der Kapazitiven Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, als Sitzbelegungssensor am Fahrzeugsitz.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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