CN105765497B - 作为汽车内饰的压力传感界面 - Google Patents

Abstract

一种车辆控制系统，通过接收基于触摸的输入信号来控制一个或多个车辆系统或组件。一压力传感界面，具有第一和第二绝缘层以及位于第一和第二绝缘层之间的一个中间层，该中间层响应于施加的压力显示出电阻变化。进一步地，该界面还包括一个传感器网格，该传感器网格包括在第一绝缘层和中间层之间的第一套导电条以及在中间层和第二绝缘层之间的第二套导电条。一个控制器，通过监测第一和第二套导电条之间的电阻，可以识别用户在传感器网格中的输入信号。

Description

作为汽车内饰的压力传感界面

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年8月12日提交的第61/865,001号美国临时专利申请以及于2013年8月13日提交的第61/865,450号美国临时专利申请的优先权，其中两者的全部内容通过引用并入此案。

背景技术

本发明涉及汽车内饰，尤其涉及车内的用户界面。

传统的汽车内饰包括许多开关、按钮、刻度盘和其他用来接收乘员输入信号的实体控制元件。这些控制元件与相应的机构和系统相耦合，这些机构和系统包括娱乐系统、信息系统、气候控制装置、车门锁、车窗开闭调节器、座椅位置调节器、定速巡航器、镜子位置调节器、车头灯、方向盘调节器，等等。因此，典型的汽车内饰需要许多硬件来使司机或乘员能够控制汽车的各种功能。这不仅导致组件成本提高，汽车内饰面板还必须被设计以适应所有所需的控制元件，而且把所需的控制元件与相应的内饰面板相结合可能会占用大部分的组装时间。

发明内容

一方面，本发明提供了一种通过接收基于触摸的输入信号来控制一个或多个车辆系统或组件的车辆控制系统。一个压力传感界面包括第一和第二绝缘层以及位于第一和第二绝缘层之间的一个中间层，该中间层对施加的压力显示出电阻变化的响应。进一步地，该界面还包括一个传感器网格，该传感器网格包括位于第一绝缘层和中间层之间的第一套导电条以及位于中间层和第二绝缘层之间的第二套导电条。一个控制器通过监测第一和第二套导电条之间的电阻，可以用来识别用户在传感器网格中的输入信号。

另一方面，该发明提供了一种汽车内饰面板，其中，在该内饰面板叠置的复合层上装备了一个传感器网格，该传感器网格能够识别一个控制输入信号的位置和强度中的至少一个。

所述复合层可包括第一、第二绝缘层以及位于第一和第二绝缘层之间的一层导电材料，该层导电材料响应于施加的压力或应力显示出电阻变化。导电材料可以是带有导电剂的泡沫，或者是半导体凝胶。

第一和第二绝缘层各自可以包括多条附着于其上的导电条，第一绝缘层上的多条导电条都沿共同的第一方向延伸，该第一方向正交于第二绝缘层上的多条导电条所延伸的第二方向。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面构造的，包括压力传感界面的汽车内饰面板的部分装配图。

图2示出置于图1所示内饰面板的覆盖层内表面的导电中间层。

图3是图1所示内饰面板的透视图，示出了覆盖层的外表面。

图4是图1所示的内饰面板的底视图。

图5是具有导电条的替换配置的另一种汽车内饰面板的视图。

图6-14示出了图1所示内饰面板的压力传感界面的操作过程。

图15是另一种可替代的导电条配置的俯视图。

图16是使用了图15所示导电条配置的压力传感界面的装配分解图。

图17是根据本发明的一个方面构造的压力传感界面的电气原理图。

图18示出了一个包括了压力传感界面的车辆控制系统。

具体实施方式

在本发明的任何实施例被详细解释之前，应了解对本发明的应用不限于下面的描述中所提出的或下图中所示的结构细节和组件布置上。本发明具有其它实施例，且可以以不同方式实行或实施。

图1示出了在车辆(未显示)内安装的内部组件或内饰面板20。在所示的结构中，内饰面板20是车内与一个或多个座位位置相邻的一个扶手。但是，内饰面板20也可以替换成其他结构的形式。该内饰面板20具有一个完整的压力传感界面24(图3)，该压力传感界面24会在下文进一步详细描述。

该内饰面板20包括基底28和覆盖层或覆盖物32。安装时，覆盖层32可以覆盖所有或部分的基底28。该基底28可以定义内饰面板20的形状，并提供全部或实质上大部分的内饰面板20的刚度；而覆盖层32具有一个外表面34，该外表面定义了所有或大部分的内饰面板20的外露面(即，暴露于车厢和用户)。覆盖层32如图3所示可与基底28形状匹配。基底28和覆盖层32可以由非导电的材料制成。例如，基底28可以用硬塑料制成而覆盖层32可以用皮革、乙烯基类塑料或纺织物制成。与典型的用作车辆控制面板的显示屏相反，由于覆盖层32，压力传感界面24可以提供一种不透明和有弹性的外接触表面或材料。

如图1所示，该基底28和覆盖层32的相向表面(即基底28的面向覆盖层的面36，和覆盖层32的面向基底的面38)上分别具有许多导电条40、42。覆盖层32上的导电条42与覆盖层32一起可对来自于人手的轻度至中度的手动压力灵敏响应。导电条40、42可以由粘合到下层基材(即基底28或覆盖层32)上的金属箔片构成。然而，导电条40、42还可以为印刷导电条，如丝网印刷导电油墨条。在基底28上的导电条40被设置成并排的，所有导电条40都沿着第一方向(例如，扶手20的纵向方向)彼此平行延伸。覆盖层32上的导电条42也设置成并排的，所有导电条42都沿着第二方向(例如，扶手20的横向方向)彼此平行延伸。两套导电条40、42可以大体上彼此垂直地延伸，当它们叠在一起时便确定一个矩阵或点阵。该点阵确定了一种像素分辨率，该像素分辨率等于基底28上导电条40的数目乘以覆盖层32上的导电条42的数目。在一些结构中，通过增加在两套导电条40、42中的导电条数目，可以增加像素分辨率。此外或可替代地，可以使用插值法，基于利用相邻导电条40、42探测出的压力，分辨出内饰面板20上正被施加压力的导电条40、42之间的部分。在某些结构中可以使用增加导电条的数目和插值法的组合，以增加或最大限度地提高像素分辨率。还应注意的是，导电条40、42可以与基底28的面向覆盖层的面36和覆盖层32的面向基底的面38相邻，而不是直接置于其上。例如，每一套导电条40、42可以被置于一个单独的薄膜层上。

根据替换结构，图5显示了一个与图1-4所示的内饰面板20相似，但具有导电条40’、42’的内饰面板20’。如图1所示的导电条40、42覆盖了各自的表面36、38一半或更少的面积，而图5中的导电条40’、42’却基本上覆盖整个表面36、38，在每两条相邻的导电条之间只有极小的间距。因此，应该清楚导电条的宽度和它们的间距可根据需要或必要为了特殊的应用-特定的效果而变化。图15显示了根据另一种结构的一套导电条40”。在图15中，每个独立(电隔离)的导电条40”构成了多个间隔开的、导电条相互连通的印刷电路。这使得在没有过多材料使用的情况下具有一种更大的导电条宽度的功能。这种结构也应用在装配分解图图16中的导电条42”上。

回顾图2中所示的初始结构，当覆盖层32被安装在基底28上时，一个中间层48置于基底28和覆盖层32之间，以隔开两套导电条40、42。中间层48可以由一种弹性的可压缩材料构成，例如，聚氨酯泡沫。中间层48提供了一个可压缩的间隙，由此，相向表面36、38之间的实际位移距离额定维持在一个最大值且在中间层48被完全压缩时可以降低到接近零的最小值。因为下文会详细描述的原因，中间层48具有基于可变的电阻率(或相反地，电导率)的压缩响应电阻的特性。例如，中间层48可以在自然、未经压缩状态下在两套导电条40、42之间呈现额定电阻值，而在受到压缩后表现出渐减的电阻值(即，作为导电性增加的结果)。该中间层48的电阻只有在被压缩的局部发生变化。在一个结构中，中间层48的压缩响应的电阻特性是由散布在可压缩的不导电基质中的导电微粒所赋予的。例如，碳“灰”(即，碳黑微粒)可能会散布在聚氨酯泡沫中。在一个特定的结构中，中间层48包含约占50％重量的碳黑微粒。

两套导电条40、42与中间层48的总成构成了传感器网格。界面24被定义为覆盖层32中传感器网格所处的区域。两套导电条40、42中的一套被定义为传感器网格的输入端，另一套被定义为传感器网格的输出端。参考原理图17，输入电压V_高施加在输入端的每一个导电条(例如，导电条42)上。输出端(例如，导电条40)的每个导电条被监控或扫描以检测中间层48的电阻R₁的变化，该变化表明了覆盖层32和中间层48朝基底28的加压。电压被施加到导电条40、42的方式和导电条40、42被监控或扫描的方式分别在下文详细地描述。在输出端，在每个导电条40上监控一个测得电压V_传感器。在所示的结构中，一个固定电阻R₂被放置在测得电压V_传感器和接地之间的位置。正如下文更详细地描述，当压力被施加到界面24时，控制器105(图18)可以通过监控V_传感器来检测电阻R₁的变化来确定界面24上压力被施加的位置以及被施加的压力的相对量。当施加到中间层48的压力增加时，测得电压V_传感器也随着电阻R₁减小而增加。

图18说明了一种与车辆和内饰面板20相关联的控制系统100。该系统100包括一个通过电和/或通信连接到与车辆有关的各种模块、组件、或电子控制单元(“ECUs”)的控制器105。例如，所述控制器105连接到导电条40、导电条42、电源模块110、一个或更多的指示器/显示器115，气候控制模块120、娱乐控制模块125、安全控制模块130、一个或更多与汽车相关的附加的或不同的电子控制单元(ECUs)135、一个数据存储区或数据库140和发动机145。控制器105包括硬件和软件的结合，用来但不限于控制各种控制模块120-135的运作、访问来自于数据存储区140的数据或把数据存储在数据存储区140、控制发动机145的运作、激活一个或更多指示器/显示器115等等。如图18所示，在某些结构中，控制器105连接到，比如数据存储区140或发动机145，以直接控制数据存储区140或发动机145的运行或性能。在其他结构中，控制器105连接到一个中间控制模块或控制单元120-135，由此依次向与车辆相关的组件或模块提供控制信号。

在某些实施例中，控制器105包括多个电气和电子元件，其提供电源、操作控制和对在控制器105中的或与控制器105连接的和/或与车辆相关联的组件和模块的保护。例如，控制器105包括但不限于，一个处理单元150(例如，一个微处理器、一个微控制器或另一个合适的可编程装置)、一个存储器155、输入单元160和输出单元165。处理单元150包含但不限于，一个控制单元170、算术逻辑单元(“ALU”)175和多个寄存器180(如图18所示为一组寄存器)，并且控制器105是用一种已知的计算机功能结构实现的，如改进型哈佛结构、冯诺依曼结构，等等。处理单元150、存储器155、输入单元160和输出单元的165以及连接到控制器105的各个模块是由一个或更多的控制总线和/或数据总线连接的(例如，公共总线185)。为了说明起见，图18大致显示了控制总线和/或数据总线。为了实现各种模块和组件的互连和通信，使用一条或多条控制总线和/或数据总线，就这里所描述的本发明而言，为所属技术领域人员所熟知。在某些实施例中，控制器105部分或完全由半导体(例如，现场可编程门阵列field-programmable gate array,[“FPGA”]半导体)芯片实现，如通过寄存器传输级(register transfer level,“RTL”)设计过程开发的芯片。

存储器155包括，例如，一个程序存储区和一个数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型的存储器组合，如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态随机存取存储器[“DRAM”]、同步动态随机存取存储器[“SDRAM”]等)、电可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪存、硬盘、SD卡，或其他合适的磁、光、物理或电子存储设备。处理单元150连接到存储器155，并且执行软件指令，该软件指令能够被存储在存储器155的随机存取存储器上(例如，在执行期间)、存储器155的只读存储器上(例如，一般长期的(on agenerally permanent basis))，或另一个非临时性计算机可读介质如另一存储器或盘上。系统100的实现方案中包含的软件可以存储在控制器105的存储器155中。该软件包括，例如，固件、一个或多个应用程序、程序数据、筛选器、规则、一个或多个程序模块和其他可执行指令。控制器105配置为从存储器中检索并执行但不限于与在此所描述的控制方法相关的指令。在其他构架中，控制器105包含额外的、更少的或不同的组件。

电源模块110为控制器105或系统100的其他组件或模块提供一个电压。电源模块110，例如，是一个12V汽车电池(例如，一个12V的铅酸电池)或与传感器网格相互独立的电源(grid-independent power source)(如发电机、太阳能电池板，等)。

指示器/显示器115包括，例如，液晶显示器(“LCD”)、发光二极管(“LED”)显示器、有机发光二极管(“OLED”)显示器、薄膜晶体管(“TFT”)液晶显示器(LCD)及发光二极管(LEDs)、扬声器、发动机等，以提供系统100的状态或情况的视觉、听觉、或触觉的(tactile,or haptic)指示。指示器/显示器115可以配置为实时或基本实时地显示与系统100相关联的情况或数据。例如，指示器/显示器被配置为显示车辆的测得操作参数或设置，车辆的状态，气候设置，娱乐设置，安全设置/状态等。

在某些结构中，输入单元160和输出单元165至少符合内饰面板20对于期望的像素分辨率的输入端和输出端的数目(例如，在第一和第二套导电条40，42中导电条的数目)。控制器105被配置为监控输入单元160并且在进行上文所述的压力传感时向输出单元165输出电压。在某些实施例中，控制器105进行校准或初始化，以确定在每个输入单元160中的基准电压值。例如，当初始化时，控制器105按顺序在输入单元160上读取来自导电条42上的电压。测得的或监控到的电压值被存储在存储器155中作为基准值。然后，基准输入电压值被用于确定内饰面板20何时受压，如上文关于图17所述。

在操作期间，控制器利用输出单元165有选择性地向一个或多个导电条40输出电压。在某些实施例中，控制器105向导电条40中的其中一条提供一个输出电压。在其他实施例中，控制器105向多条导电条40或每一条导电条40提供输出电压。下文描述的本发明实施例是关于控制器105向导电条40中的其中一条提供一个输出电压的情形。当控制器105向导电条40提供输出电压时，该控制器自导电条42中有选择性地(例如，循序地，并行地，等等)监控输入单元。在某些实施例中，这种扫描技术以大于约30Hz的频率进行。此外或可替代地，扫描频率可以根据，例如，受控参数的类型(如气候、娱乐、安全等)改变(例如，大于或小于30Hz)。

如果，根据基准电压值与从导电条42上监控到的电压值的比较，检测到一个大于阈值的电压变化(如0.1伏、0.01伏、1％的电压范围、5％的电压范围、10％的电压范围等)，那么控制器105就确认有压力被施加到内饰面板20上。压力的位置基于输出电压施加到的输出单元165和电压变化被检测到的输入单元160来被确定。在某些实施例中，相应的输入单元160和输出单元165对应于显示查找表(“LUT”)中的坐标，控制器105使用该显示查找表来确定被施压的内饰面板20的像素。在某些实施例中，对于内饰面板20的每个像素，控制器105生成电压变化的映射或矩阵。之后，电压变化的映射被用于识别内饰面板20中的压力点。

此外，检测到的电压变化量(即相对于基准线)可以对应于施加在内饰面板20上的压力的不同程度。例如，施加到内饰面板20上的压力和由控制器105检测到的相应的电压变化量之间的关系可以是线性的，非线性的，指数性的，等等。在某些实施例中，控制器105可以根据驾驶员、受控参数的类型(如气候、娱乐、安全等)等修改(如增加或减少)对施加压力的敏感性。利用存储在例如存储器155中的显示查找表或一种算法，控制器可以将检测到的电压变化量与施加的压力量相关联。测量不同的压力使界面24(或与界面耦合的控制器105)能够区分接触的不同类型(例如，划刷、轻触、硬碰)，这使得压敏控制行为可以与界面24相耦合。换句话说，受控元件的参数(例如，变化的速度或量)可能取决于测得压力的大小。例如，施加于内饰面板20的压力越大，参数的变化越快。

视觉的、听觉、或触觉的反馈可以给用户以模拟一个实体开关或按钮的感觉，提示用户他们已成功地驱动一个特定的控制功能。例如，一个振动发生器可以与内饰面板20耦合，当控制器105确定一个已超过一个或多个临界值的驱动压力(threshold actuationpressure)被施加到界面24上时，振动发生器对界面24产生响应振动。

压力传感界面24可以与一个或多个车辆系统(例如，模块120-135，发动机145，数据存储区140等)耦合来向用户提供一个或多个开关状态或其他可调参数的控制。例如，但不限于，压力传感界面24可以通过控制器105和/或控制模块120-135，与娱乐系统(例如，收音机、DVD播放器等)、信息系统(例如，导航系统、倒车摄像头、行车电脑等)、气候控制装置(例如，温度、风扇速度、空调、通风控制装置)、门锁、车窗开闭调节器、座椅位置调节器、定速巡航器、镜子位置调节器、车头灯和/或方向盘调节器耦合。

压力传感界面24，尤其是覆盖层32上可具备来标识界面24上通过控制器与某些车辆控制装置相连的某些区域的标记。该标记可以采取许多不同的形式，包括但不限于印花、丝网印刷、贴花和缝纫。

虽然在这里以扶手来说明，具有整体的压力传感界面24的内饰面板20可以表现为几乎任何其他所需的车辆内部组件的形式。例如，压力传感界面24可以被构造为一个顶篷、仪表板、中控台、门板、方向盘、座椅、地板、车顶立柱饰件等等的一部分。虽然压力传感界面24可以连接到一个指示器或显示器(例如，一个数字显示屏)，压力传感界面24本身并不自带一个显示屏。相反，压力传感界面24是建立在汽车内饰现有的、无显示屏的那些部分上。因此，汽车内饰中照惯例不用作车辆控制用户界面的组件可以被适配以提供这样的功能，来提高传统汽车的用户体验。

Claims (16)

1.一种车辆控制系统，其特征在于，该车辆控制系统包括一用于车辆内饰的用户界面系统和至少一个车辆模块，其中，该车辆模块与用户界面系统耦合，该用户界面系统包括：

一接触面；

一传感器网格，其包括第一套导电条和第二套导电条，以及位于所述第一套导电条和所述第二套导电条之间的一个中间层；

一控制器；

所述中间层设置为响应施加到所述接触面上的压力而被压缩并且响应于所述中间层的压缩而提供可变电阻；以及

所述控制器设置为通过监测电信号而探测所述中间层的电阻，其中，所述控制器被配置为对接触面的每个像素生成电信号变化的映射或矩阵以识别作用于接触面的基于用户触摸的压力点，所述控制器配置为向该车辆模块发送控制信号以通过该压力点来控制由相应的车辆模块所控制的车辆模块的一个开/关状态或一个可调参数。

2.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述电信号具有一个电压。

3.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于位于第一套导电条和第二套导电条之间的该中间层设置为当受到施加的压力压迫时电阻减小。

4.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述第一套导电条和第二套导电条相互叠置。

5.根据权利要求4所述的车辆控制系统，其特征在于施加于所述第一套导电条和控制器的电压设置为监控第一套和第二套导电条相叠置处的第二套导电条的电压。

6.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述接触面包括标识至少一个接触面区域的标记，该接触面设置为与一车辆控制系统相连。

7.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于该界面设置为由车内乘员操控，其中控制器进一步设置为至少一个(a)发送信号至一控制模块，(b)控制一个发动机，(c)为车辆部件提供一个信号，(d)为车辆部件供电，(e)提供至少一个(1)可视反馈，(2)可听反馈，(3)接触反馈，(4)至车辆乘员的触觉反馈。

8.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述控制器进一步配置为发送一个控制信号到至少一个(a)一指示器，(b)一显示器，(c)一气候控制模块，(d)一娱乐控制模块，(e)一安全控制模块，(f)一发动机控制单元，(g)一数据存储器，(h)一数据库，(i)一发动机，(j)一车座椅，(k)一车窗开闭调节器。

9.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述控制器设置为探测至少一个(a)输入信号的位置，(b)输入信号的强度。

10.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述中间层包括：a)可压缩材料；b)导电微粒；c)不导电基质；d)带有导电剂的泡沫；e)半导体凝胶中的至少一种。

11.根据权利要求10所述的车辆控制系统，其特征在于，所述可压缩材料是聚氨酯泡沫。

12.根据权利要求10所述的车辆控制系统，其特征在于，在所述带有导电剂的泡沫中，碳黑微粒散布在聚氨酯泡沫中。

13.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述中间层包括一个可压缩的间隙，其中，当中间层被施加的压力压缩时，所述间隙减小。

14.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于所述中间层被设置为：当中间层处于未经压缩状态下呈现额定电阻值；当中间层被压缩时呈现渐减的电阻值。

15.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，该系统进一步包括一个振动发生器，所述振动发生器与所述界面耦合，并且当控制器确定一个超过一个临界值的驱动压力被施加到界面上时，振动发生器对该界面产生响应振动。

16.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，所述接触面被设置为一个扶手、顶篷、仪表板、中控台、门板、方向盘、座椅、地板、或车顶柱饰件的一部分。