CN113165682A - 用于在方向盘上进行手的电容位置检测的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在方向盘(20)上进行手(31)的电容位置检测的传感器装置(1)，其包括：‑沿着检测表面(21)设置的多个电容传感器(2‑6)，检测表面(21)是方向盘(20)的外表面，每个传感器(2‑6)包括至少一个传感器电极(2a‑6a)；以及‑电连接到传感器(2‑6)的测量器件(10)。为了提高在方向盘上进行电容式手检测的可靠性，本发明提供了测量器件(10)，其适于执行一系列检测操作，并且在每次检测操作中，通过向至少一个传感器(2‑6)的至少一个传感器电极(2a‑6a)施加检测信号来激活至少一个传感器(2‑6)，以便电容式地检测手(31)，同时通过将至少一个其他传感器(2‑6)的传感器电极(2a‑6a)中的至少一个接地来将至少一个其他传感器(2‑6)接地，并在连续的检测操作中激活不同的传感器(2‑6)。

Description

用于在方向盘上进行手的电容位置检测的传感器装置

技术领域

本发明大体上涉及用于在方向盘上进行手的电容位置检测的传感器装置。

背景技术

在现代交通工具中，可能有必要检测驾驶员是否将他的手放在方向盘上(例如，以确定驾驶员是否准备进行转向动作)。转向辅助装置可以包括主动校正可能性以供驾驶员在某些情况下使用。例如，可以规定仅当驾驶员将他的手放在方向盘上时才激活转向辅助系统。在大多数国家，强制性要求正在移动的交通工具处于驾驶员的控制之下，即使现代辅助系统在某些情况下也能够安全自主地操作交通工具。

为了识别是否有至少一只手放在方向盘上，已经发展出若干种概念。一个概念依赖于EPS系统，并在方向盘中引起低幅度振动。如果驾驶员的手放在方向盘上，则会产生能够被检测到的减振效果。但是，振动会分散驾驶员的注意力或使驾驶员感到不适。其他系统使用专用传感器。一种这样的系统使用电阻传感器元件，其中两个导体在方向盘的表面下方间隔开地设置。如果在表面上施加一定的压力，则会使两个导体接触。但是，激活传感器所需的压力量会使该方法变得不那么可靠。

另一种方法使用电容传感器，通过其对传感器生成的电场的影响来检测手。文件US 2012/326735 A1特别公开了三个电容传感器的使用，所述三个电容传感器被设置和配置为分别检测与方向盘的右前侧、左前侧和后表面的接触。当一个传感器的阻抗大于或等于阈值阻抗水平时，三个传感器同时被激活，并且所述一个传感器记录接触。虽然电容传感器比电阻传感器更可靠，但用户一只手的检测结果可能会受到另一只手接地情况的影响(bias)。如果因为驾驶员接触到交通工具的接地部件而导致另一只手接地，则总阻抗与另一只手不接地的情况有很大差异。通常，如果另一只手接地，则检测信号较高。然而，检测另一只手的接地情况是困难的，更不用说估计它对检测信号的影响了。其他因素(例如驾驶员座椅位置)也可能影响检测信号，从而使测量结果变得不那么可靠。

发明内容

发明目的

因此，本发明的目的是提高在方向盘上进行电容式手检测的可靠性。

此问题通过根据权利要求1所述的传感器装置来解决。

发明的大体描述

本发明提供了一种用于在方向盘上进行手的电容位置检测的传感器装置。这是指交通工具的方向盘，通常是诸如汽车之类的陆地交通工具。然而，也可以想到将其应用于诸如海上或空中交通工具的其他交通工具。传感器装置被设计成检测驾驶员的手的存在，并且更具体地检测手的位置。传感器装置被设计用于电容检测，这意味着手的检测是基于测量电容或是取决于电容的量。

传感器装置包括沿着检测表面设置的多个电容传感器。传感器装置可以适于检测邻近检测表面的物体(诸如手)。检测表面是方向盘的外表面。检测表面的形状在本发明的范围内不受限制，并且可以例如是平坦的、弯曲的、成角度的等。每个传感器包括至少一个传感器电极。传感器电极中的每一个至少部分地由导电材料(例如金属片、导电箔片等)制成。通常，它们是扁平的或片状的，但是其他形状(例如线性、笔直或曲折的形状)也是可能的。不同传感器的电极彼此电绝缘并且可以设置在绝缘基板上。如果传感器包括多个传感器电极，则这些电极在物理上可以是不同的，但是可以电连接到公共电位。

传感器装置还包括电连接到传感器的测量器件。通常，测量器件是单个器件，但是它也可以包括相互连接的多个物理上不同的器件。测量器件的至少一些功能可以由软件实现。优选地，测量器件具有与每个传感器的单独的专用电连接。如果传感器包括多个传感器电极，则这些传感器电极可以单独地连接到测量器件，或者它们可以具有与测量器件的公共连接。电连接可以是导电连接，但是它也可以是电容连接，即，各个传感器可以通过电容耦合到测量器件。

测量器件适于执行一系列检测操作，并且在每次检测操作中，通过向至少一个传感器的至少一个传感器电极施加检测信号来激活该至少一个传感器，以便电容式地检测手，同时通过将至少一个其他传感器的至少一个传感器接地来将该至少一个其他传感器接地，并在连续的检测操作中激活不同的传感器。测量器件执行一系列检测操作，即，这些检测操作一个接一个地顺序执行。这包括以下可能性：一次检测操作不会立即跟在先前的检测操作之后，而是在它们之间可能存在一些时间间隔(例如暂停)。在每次检测操作中，至少一个传感器被测量器件激活。如果测量器件向传感器施加检测信号，则该传感器被视为“被激活”。检测信号可以是电压信号或电流信号。检测信号可以至少是暂时恒定的，但是通常是时间相关的，优选地是交替的。检测信号的时间演变(即，“形状”)在本发明的范围内不受限制；它可以是例如方波信号、脉冲信号、锯齿波信号、正弦波信号等。检测信号甚至可以暂时为零，但其至少在检测操作的一部分中非零。如果传感器包括多个检测电极，则测量器件通常向该传感器的所有检测电极施加相同的检测信号。但是，可以想到将不同的检测信号施加到单个传感器的不同检测电极。然而，在这种情况下，这些电极也可以被视为属于不同的传感器。

测量器件施加检测信号以便电容式地检测手。换句话说，测量器件检测或接收对检测信号的某种响应。如果检测信号是电压信号，则检测信号通常是电流信号，反之亦然。该测量器件适于电容式地、即至少部分地基于相应传感器的电容来检测手。该检测还可以部分地基于传感器相对于地面的欧姆电阻，因为手的存在通常会导致欧姆损耗。测量器件检测相应传感器的电容或代表电容的值。由于不同的传感器具有不同的位置，因此取决于每个传感器相对于手的位置，每个传感器对检测信号的响应都不同。因此，在不同的检测操作中，可以基于不同传感器对检测信号的响应来检测手的位置。

当在每次检测操作中至少一个传感器被激活时，至少一个其他传感器被测量器件接地。这意味着该传感器的至少一个传感器电极连接到地电位。通常，该传感器的至少一个传感器电极(即，该传感器的所有传感器电极)连接到地电位。在诸如汽车的交通工具中，这通常意味着传感器电极(直接或间接)导电地连接到交通工具的底盘或者更一般地连接到车身。与地电位的连接可以通过测量器件来施加，即，接地连接可以被路由通过测量器件。本发明基于这样的想法，即，与传感器中的一个与手的一些“外部”接地连接之间的距离相比，不同的传感器通常相对靠近在一起。例如，外部接地连接可以是通过另一只手的接地连接。如果存在这种外部接地连接，则至少一个激活的传感器对检测信号的响应可能会受到外部接地连接的影响，以及受到通过至少一个接地的传感器的“内部”接地连接的影响。但是，主要是由于激活的传感器和接地的传感器之间的距离相对较短，因此可以预期外部接地连接的影响相对较小。也可以说存在通过(至少一个)激活的传感器和(至少一个)接地的传感器的第一电流环路，以及通过激活的传感器和外部接地连接的第二电流环路。在大多数情况下，第一电流环路可以被视为低阻抗环路，而第二阻抗环路通常具有可比较的或更高的阻抗。整体布置可以被视为两个阻抗环路的并联连接，其中低阻抗环路占主导地位。

优选地，传感器沿着检测表面相对于彼此偏移。换句话说，没有两个不同的传感器相对于检测表面具有相同的位置。但是，不同的传感器可以相对于检测表面重叠，并且可以设置在垂直于检测表面的不同位置处，即，设置在检测表面下方的不同深度处。

更优选地，传感器中的至少一些沿着检测表面彼此间隔开，使得每个传感器对应于检测表面上的传感器区域。在这种情况下，不同的传感器不会相对于检测表面重叠。如果传感器包括一个以上的传感器电极，则这包括不同传感器的传感器电极交替设置的可能性。换句话说，特定传感器的传感器区域不必一定是连贯的，而是可以包含若干子区域。各个传感器之间的间距可以具有不同的大小。它可以很小，例如小于单个传感器的线性尺寸的10％。它也可以很大，可能大于传感器的线性尺寸。然而，取决于传感器所设置的检测表面和预期的应用，可以选择小于手的典型尺寸的间距，从而确保手不能被放置在两个传感器之间并且因此保持未被检测到。例如，间距可以小于10cm或小于5cm。尽管上述传感器沿着检测表面彼此间隔开，但是另外可能的是，它们被设置在垂直于检测表面的不同位置，即设置在不同的深度。

如上所述，至少一些传感器可以包括多个传感器电极，甚至可能处于复杂的构造，例如不同传感器的传感器电极交替设置。但是，通常每个传感器包括一个传感器电极是足够的。这降低了整个传感器装置的复杂性，并允许降低成本。

测量器件可以通过多种方式控制不同的传感器。根据一个优选实施例，测量器件适于在每次检测操作结束时将在该检测操作期间被激活的至少一个传感器接地，并针对下一次检测操作激活不同的传感器。也可以说传感器在一次检测操作中被激活，并且在下一次检测操作中，该传感器被接地。可以说，在下一次检测操作中激活不同的传感器来代替该传感器。这包括接地的传感器的数量与在下一次检测操作中激活的传感器的数量不同的可能性。例如，在一次检测操作中，可以激活三个传感器，然后在下一次检测操作中将这三个传感器接地，而仅激活两个传感器，即，激活的传感器的数量减少。也可以是另一种方式，即，激活的传感器的数量可以从一次检测操作到下一次检测操作而增加。但是，最常见的是，在每次检测操作中，激活的传感器数量是相同的。

特别地，测量器件可以适于一次激活单个传感器。换句话说，在给定时间仅激活一个传感器。这可以有利地与上述实施例组合，使得对于每次检测操作，一个传感器被激活，而对于下一次检测操作，该传感器被接地并且不同的传感器被激活。

替代地，测量器件可以适于一次激活多个传感器。换句话说，在给定时间激活若干传感器。这可以有利地与上述实施例组合，使得对于每次检测操作，一组传感器被激活，而对于下一次检测操作，该组中的至少一个传感器接地并且至少一个不同的传感器被激活。

在某种程度上，取决于传感器的配置和/或所需的检测精度，一些传感器可能具有不同于地电位的电位(例如，未定义电位)。例如，如果这种具有未定义电位的传感器距离单个激活的传感器较远，而一个或若干个接地的传感器设置在激活的传感器附近，则未定义电位可能不会对检测精度产生严重的不利影响。在一些实施例中，甚至有利的是，至少一个传感器不被激活，而是具有不同于地电位的电位。甚至有可能在地电位和不同的可能未定义的电位之间切换未被激活的传感器的电位。在其他实施例中，测量器件优选地适于将每个未被激活的传感器接地。换句话说，在任何时刻，每个传感器要么被激活，要么被接地。

附图说明

通过以下参考附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是具有本发明的传感器装置的方向盘的示意图；

图2是图1的传感器装置的电路图；以及

图3是具有图1的传感器装置的交通工具的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有本发明的传感器装置1的方向盘20，该传感器装置1可用于在方向盘20上进行手位置检测。传感器装置1包括沿着方向盘20的表面21设置的多个传感器2-6。在该实施例中，每个传感器2-6包括单个传感器电极2a-6a，但是可选地，至少一个传感器2-6可以包括多个传感器电极2a-6a。每个传感器电极2a-6a由导电材料(例如金属箔片)制成，其设置在电绝缘基板上并被方向盘20的电绝缘衬里所覆盖。不同传感器2-6的传感器电极2a-6a沿着方向盘20的表面21间隔开设置，其中间距应小于要检测的手31的典型尺寸。因此，每个传感器2-6对应于表面21上的不同传感器区域2b-6b。为简单起见，传感器装置1的本实施例包括对应于五个传感器区域2b-6b以及总计五个传感器电极2a-6a的五个传感器2-6。但是，应当理解，传感器2-6和传感器区域2b-6b的数量可以更高或可能更低。四个传感器区域2b-5b设置在方向盘20的前侧，而第五传感器区域6b设置在方向盘20的后侧。前四个传感器2a-5a允许(近似)检测手31在方向盘30的圆周上的角度位置，而第五传感器6a允许确定驾驶员30是否已经将他的手31放在方向盘20上。

传感器2-6中的每一个单独地连接到测量器件10，即，测量器件10具有与传感器2-6中的每一个的专用电连接，如图2所示。包括微控制器11的测量器件10连接到用于供电的汽车电池14，并且包括AC电压源12。通过单独的开关13，每个传感器2-6可以选择性地连接到AC电压源12或接地部件40(例如车身的一部分)。测量器件10适于执行一系列检测操作，这些检测操作一个接一个地执行，可选地在其间进行暂停。每次检测操作的时间间隔可以是例如在几毫秒到几秒之间。在每次检测操作中，测量器件10通过操作开关13激活一个传感器2-6，并将所有其他传感器2-6接地。例如，在第一次检测操作中，测量器件10激活第一传感器2并将第二至第五传感器3-6接地。换句话说，测量器件10向第一传感器2施加检测信号(例如交流电压信号)，并将其余的传感器3-6连接到地电位。另外，测量器件10检测对该检测信号的响应(例如流向第一传感器2的电流)。该电流大体上取决于第一传感器2与地面之间的阻抗。

如图3中示意性地示出的那样，该阻抗受到两个电流环路A、B的影响。第一电流环路A存在于激活的第一传感器2、驾驶员30的手31和每个接地的传感器3-6之间。为简单起见，在图3中未示出第五传感器6。第二电流环路B存在于激活的第一传感器2、驾驶员30的身体和交通工具的接地部件41(例如座椅滑轨)之间。通常，第二电流环路B的阻抗在很大程度上取决于座椅位置、驾驶员30的姿势以及驾驶员是否正在例如用没有放在方向盘20上的第二只手触摸接地部件41。测量器件10的测量结果受到两个阻抗的影响。但是，很大程度上由于接地的传感器3-6与激活的传感器2的接近度，第一电流环路A通常具有较低的阻抗，因此总阻抗由第一电流环路A占主导地位。因此，外部接地部件41的影响很小，并且测量器件10可以以更高的可靠性检测驾驶员30的手31是否在对应于第一传感器2的第一传感器区域2b上。

在第二次检测操作中，第一传感器2接地并且第三至第五传感器4-6保持接地。另一方面，第二传感器3被激活，即，测量器件10向第二传感器3的电极3a施加检测信号。同样，由于第一、第三、第四和第五传感器2、4、5、6接地的事实，提高了测量结果的可靠性，从而像在先前的检测操作中一样形成第一电流环路A。在随后的检测操作中，测量器件10可以依次分别激活第三、第四和第五传感器4、5、6，同时将其余的传感器2-6接地。由于总阻抗由第一电流环路A占主导地位的事实，每次检测操作的准确性得以提高。

作为上述过程(其中单个传感器2-6被激活并且所有其他传感器2-6接地)的替代，可以想到若干种其他方法。例如，可以同时激活两个传感器2-6，例如在第一次检测操作期间激活第一和第二传感器2、3，在第二次检测操作期间激活第二和第三传感器3、4，依此类推，而所有其他传感器2-6都接地。另一种替代方式是一次激活一个传感器2-6，但仅将其余的传感器2-6中的一个或一些接地。例如，当激活第一传感器2时，仅其相邻的传感器(即第二、第四和第五传感器3、5、6)接地。第三传感器4可以具有任何不同的、可能未定义的电位。又一种也可以足以提高检测操作的可靠性的替代方案将是激活单个传感器2-6，同时将其相邻传感器2-6中的仅一个接地。

附图标记

1 传感器装置

2-6 传感器

2a-6a 传感器电极

2b-6b 传感器区域

10 测量器件

11 微控制器

12 AC电压源

13 开关

14 汽车电池

20 方向盘

21 表面

30 驾驶员

31 手

40，41 接地部件

A，B 电流环路

Claims (8)

1.一种用于在方向盘(20)上进行手(31)的电容位置检测的传感器装置(1)，其包括：

-沿着检测表面(21)设置的多个电容传感器(2-6)，所述检测表面(21)是方向盘(20)的外表面，每个传感器(2-6)包括至少一个传感器电极(2a-6a)；以及

-电连接到传感器(2-6)的测量器件(10)，

其中，所述测量器件(10)适于执行一系列检测操作，并且在每次检测操作中，通过向至少一个传感器(2-6)的至少一个传感器电极(2a-6a)施加检测信号来激活所述至少一个传感器(2-6)，以便电容式地检测手(31)，同时通过将至少一个其他传感器(2-6)的传感器电极(2a-6a)中的至少一个接地来将所述至少一个其他传感器(2-6)接地，并在连续的检测操作中激活不同的传感器(2-6)。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器(2-6)沿着所述检测表面(21)相对于彼此偏移。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器(2-6)中的至少一些沿着所述检测表面(21)彼此间隔开，使得每个传感器(2-6)对应于检测表面(21)上的传感器区域(2b-6b)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，每个传感器(2-6)包括单个传感器电极(2a-6a)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述测量器件(10)适于在每次检测操作结束时将在该检测操作期间被激活的至少一个传感器(2-6)接地，并且针对下一次检测操作激活不同的传感器(2-6)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述测量器件(10)适于一次激活单个传感器(2-6)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述测量器件(10)适于一次激活多个传感器(2-6)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述测量器件(10)适于将未被激活的每个传感器(2-6)接地。

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