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Die
Erfindung betrifft ein leitfähiges,
insbesondere elektrisch leitfähiges,
textiles Flächengebilde
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, deren leitfähige Filamente als Heizleiter,
als Temperatursensor, als Druckerfassungssensor oder als Antennen
geeignet sind.
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Es
ist bekannt durch den Einsatz von intelligenten, technischen Flächengebilden
die Funktionsfähigkeit
von Bekleidung, Bezügen
und technischen Textilien zu verbessern. Dazu ist es bekannt, ein
leitfähiges
textiles Flächengebilde
einzusetzen, das durch gezielt eingebrachte Strukturen, beispielsweise
elektrisch oder optisch leitfähige
Filamente, die konventionellen Funktionalitäten zu erweitern, so dass mehrere
Funktionen innerhalb eines textilen Flächengebildes dargestellt werden
können.
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Es
sind Gewebe aus Kunststofffäden
bzw. -fasern bekannt geworden, bei dem in regelmäßigen Abständen sehr dünne Kupfer- oder Silberfilamente eingewoben
sind. Diese sind elektrisch gegeneinander, beispielsweise durch
einen Polyurethan-Isolator, isoliert, so dass alle parallel und
orthogonal verlaufenden Filamente keine Verbindung untereinander aufweisen.
Dieses textile Flächengebilde
eignet sich hervorragend zur Herstellung elektronischer Schaltungen,
die direkt in das textile Flächengebilde
integriert sind. Der dazu notwendige Entwicklungsprozess ähnelt dem
Prozess zur Entwicklung elektronischer Platinen. Durch äußere Beschaltung
und elektrische Verbindungen der einzelnen Filamente können verschiedene
Anwendungen, wie beispielsweise die Erwärmung des textilen Flächengebildes
durch elektrischen Strom oder die Bestückung mit LED's für Beleuchtungsaufgaben,
realisiert werden.
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Es
ist weiterhin bekannt, bei einem leitfähigen textilen Flächengebilde
den Temperaturverlauf entlang eines Kupferfilaments zu messen. Dabei
wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass Kupferfilamente einen
positiven Temperaturkoeffizienten besitzen und damit der elektrische
Widerstand mit steigender Temperatur ansteigt. Das Verfahren für diese Temperaturmessung
wurde unter dem Titel „Temperature
Profile Estimation with Smart Textiles" von der ETH in Zürich veröffentlicht.
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Im
Automobilbau, insbesondere im Serienfahrzeugbau, ist es üblich, einen
Fahrzeugsitz einzusetzen, der tragende Strukturen, funktionale Komponenten,
wie beispielsweise Sensoren und Motoren, sowie polsternde Elemente
umfasst. In herkömmlichen
Fahrzeugsitzen sind unter anderem die Funktionen Sitzheizung, Sitzbelegungserkennung
und/oder automatische Kindersitzerkennung integrierbar. Die Integration
dieser Komponenten erfordert für
jede der Komponenten spezielle Matten, Steuergeräte und/oder Polsterungen. Alle
Komponenten müssen gegeneinander
isoliert werden, um ungewollte Beeinflussung zu verhindern.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung,
die Eignung von leitfähigen
textilen Flächengebilden
für den
Fahrzeugbau zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 2, des
Anspruchs 5 sowie des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
Lösung
der Aufgabe besteht darin, ein elektrisch leitfähiges textiles Flächengebilde
als Sitzheizung zu verwenden. Durch die extrem geringe Dicke, die
Flexibilität
und das geringe Gewicht kann das textile Flächengebilde direkt unter dem
Obermaterial, beispielsweise Leder oder Bezugsstoff, eingearbeitet
werden. Es kann dazu mit einem dünnen Vlies
verklebt und direkt auf die tragenden Schaumstoffstrukturen aufgelegt
werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Sitzheizung, beispielsweise
einer mäanderförmigen Kupferlitze
oder einer Carbon-Faser-Matte, ergeben sich mehrere Vorteile. So
kann beispielsweise eine Vliesschicht entfallen, mit der die mäanderförmige Kupferlitze
abgedeckt werden muss, damit die Kupferlitze unter dem Bezug für den Insassen
nicht spürbar
ist und die Wärmeausbreitung gleichmäßig erfolgt.
Das leitfähige
textile Flächengebilde
ist so dünn,
dass es prinzipiell nicht spürbar
ist. Zusätzlich
strahlt das textile Flächengebilde
die Wärme
gleichmäßig ab,
da es viele parallel zueinander verlaufende Heizleiterfilamente
enthält.
Durch die geringe Dicke des Aufbaus kann die Oberfläche bei gleicher
Leistung viel schneller erwärmt
werden. So kann sogar die Leistungsaufnahme der Sitzheizung bei
gleichem Wärmegefühl reduziert
werden. Die schnellere Aufheizgeschwindigkeit kann beispielsweise
dazu genutzt werden, die Sitze bereits zu heizen, sobald die Fernbedienung
des Fahrzeugs betätigt
oder eine Tür
geöffnet wird.
Damit ist der Sitz bereits angenehm warm, sobald der Insasse seinen Platz
einnimmt. Vorteilhaft ist zudem, dass die Verarbeitung des leitfähigen textilen
Flächengebildes
wesentlich einfacher ist, da es nur auf ein dünnes Vlies aufgeklebt werden
muss. Weiterhin kann das Gewicht der Gesamtkonstruktion verringert
werden, da auf zusätzliche
Polsterungsmaßnahmen
verzichtet werden kann. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die einzelnen
Heizleiterfilamente des textilen Flächengebildes direkt mit dem
Obermaterial in Kontakt stehen, die Möglichkeit besteht, darüber die
elektrostatische Aufladung des Obermaterials, insbesondere bei Stoffbezügen, abzuleiten.
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Gemäß Anspruch
2 besteht eine weitere Lösung
der Aufgabe auch darin, die elektrisch leitfähigen Filamente als Temperatursensoren
für ein
Temperaturerfassungssystem in einem Fahrzeugsitz zu verwenden. Wie
oben bereits beschrieben, kann durch die elektrisch leitfähigen Filamente,
insbesondere Kupferfilamente, die Temperatur gemessen werden.
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In
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind neben den Heizleiterfilamenten
Temperatursensorfilamente angeordnet, über die die Temperatur der
Heizleiterfilamente geregelt werden kann. Das hat den Vorteil, dass
beispielsweise das Sitzkissen oder die Sitzlehne in verschiedene
Segmente eingeteilt werden kann, die unterschiedliche Temperaturen
aufweisen. Jedes der Segmente kann durch eine elektronische Regelung
unterschiedlich temperiert werden. Dazu ist in jedem Segment neben
den Heizleiterfilamenten wenigstens ein Temperatursensorfilament
vorhanden, der die dort herrschende Temperatur misst. Dazu können die
im textilen Flächengebilde
eingearbeiteten elektrisch leitfähigen
Filamente unter entsprechender elektrischer Beschaltung verwendet.
Ein zusätzlicher
Sensor kann somit entfallen. Das Prinzip einer Temperaturregelung
für ein
einzelnes Segment ergibt sich folgendermaßen: Ein Solltemperaturwert
wird durch den Fahrer über Bedienelemente
eingegeben. Die aktuelle Temperatur des Heizleiterfilaments wird
durch eine Widerstandsmessung des Temperatursensorfilaments erfasst
und zur Auswertung bereitgestellt. Die Soll-Temperatur und die gemessene
Ist-Temperatur werden
miteinander verglichen, wobei die Heizleistung des Heizleiterfilaments
erhöht
wird, wenn die Ist-Temperatur kleiner als der Soll-Wert ist. Umgekehrt
wird die Heizleistung reduziert, wenn die Ist-Temperatur größer als
der Soll-Wert ist. Die Segmente in dem elektrisch leitfähigen textilen
Flächengebilde
können
für die
Sitzheizung entweder durch geeignete Anordnung der elektrisch leitfähigen Filamente
innerhalb des textilen Flächengebildes
oder aber auch durch die entsprechende Verschaltung der einzelnen
Filamente untereinander erzeugt werden. Je nach den elektrischen
Anforderungen, beispielsweise Ströme oder Spannungen und der
erforderlichen Heizleistung können
Segmente unterschiedlich elektrisch angeschlossen werden.
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Eine
weitere Lösung
der Aufgabe besteht darin, leitfähige
Filamente in ein textiles Flächengebilde einzuarbeiten,
die als Druckerfassungssensoren geeignet sind, wobei das Flächengebilde
für einen Fahrzeugsitz
als Sitzbelegungserkennung verwendbar ist. Neben der oben beschriebenen
Funktion als Sitzheizung kann das textile Flächengebilde noch weitere Aufgaben übernehmen,
ohne dass dazu zusätzliche
Elemente oder Komponenten in den Sitz eingebaut werden müssten. In
einem konventionell aufgebauten Fahrzeugsitz befindet sich unterhalb
einer tragenden Schaumstoffschicht eine Matte aus einem flexiblen
Material, das mit so genanten Druckmesszellen ausgerüstet ist.
Durch eine geeignete elektronische Auswertung kann aus einer Druckverteilung,
die mit mehreren dieser Zellen ermittelt wird, auf das Gewicht des
Passagiers zurückgerechnet werden.
Diese Information wird sowohl für
das Auslösen
des Airbags als auch für
Sicherheitsgurtfunktionen, wie beispielsweise Gurtstraffung oder
Gurtkraftbegrenzung, benötigt.
Der Aufwand für
die Entwicklung dieser Matten und der zusätzlichem Steuergeräte ist relativ
hoch. Außerdem
ist bei der Sitzproduktion ein eigener Arbeitsschritt mit Kalibrierung
für den Einbau
der Matten und der Elektronik notwendig. Durch den erfindungsgemäßen Gegenstand
gemäß Anspruch
5 kann dieser Arbeitsschritt entfallen, da diese Druckmessung durch
das leitfähige
textile Flächengebilde übernommen
wird. Dazu können
prinzipiell mehrere Verfahren angewendet werden, die nachfolgend
beschrieben sind.
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So
können
beispielsweise elektrisch leitfähige
Filamente eingesetzt werden, bei denen die Druckerfassung kapazitiv
und/oder in induktiv erfolgt. Durch den auf das textile Flächengebilde
ausgeübten Druck ändert sich
der Abstand zwischen parallel laufenden und sich kreuzenden elektrisch
leitfähigen
Filamenten. Damit verbunden ist eine messbare Kapazitäts- und/oder
Induktivitätsänderung,
die elektronisch ausgewertet wird. Bei dieser Art der Messung kann
es vorkommen, dass durch erhöhte
Feuchtigkeitswerte in der Umgebung die Messwerte verfälscht werden.
Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen entsprechend unempfindliche
Messverfahren, wie beispielsweise Mehrfrequenzmessung, einzusetzen.
Zusätzlich
zu der Kapazitätsmessung
zwischen einzelnen Filamenten können
auch Kapazitäten
zwischen größeren Flächen gemessen
werden. Z. B. kann die Kapazität
zwischen einer Fläche
am Schulterbereich des Sitzes und der Sitzfläche ermittelt werden. Darüber kann
dann ein Mensch von einem schweren Gegenstand unterschieden werden und
ggf. auf die Körpergröße des Passagiers
zurück geschlossen
werden.
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Diese
Messung ergänzt
so die gewichtsbezogene Sitzbelegungserkennung.
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Daher
kann die Druckerfassung durch Messung des elektrischen Widerstands
der elektrisch leitfähigen
Filamente erfolgen. So kann beispielsweise durch einen sandwichartigen
Aufbau des textilen Flächengebildes
mit gekreuzten Carbonfäden
und einem dazwischen eingearbeiteten textilen Abstandsflächengebilde
sowohl die Position als auch der Druck in Form einer Widerstandsänderung
gemessen werden. Genauso gut ist die Bestückung des textilen Flächengebildes
mit so genannten FSR-Zellen, auch
Druck-Mess-Zellen genannt, möglich,
die dann konventionell ausgewertet werden. Dabei könnten jedoch
die Zellen durch ihre Nähe
zum Obermaterial durch den Insassen spürbar sein. Des Weiteren kann die
Längenänderung
und die damit verbundene Widerstandsänderung der elektrisch leitfähigen Filamente
beim Durchbiegen des textilen Flächengebildes
dazu benutzt werden, um die vom Insassen auf den Fahrzeugsitz wirkenden
Druckkräfte
zu ermitteln.
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In
einer besonderen Ausführungsform
können
die Filamente optisch leitfähig
sein, so dass die im textilen Flächengebilde
eingearbeiteten Glas- oder Kunststofffilamente bei Durchbiegung
einen Anteil des in sie eingestrahlten Lichts auskoppeln. Diese reduzierte
Lichtintensität
ist ein Maß für die Biegung des
Filaments und damit der auf sie einwirkenden Kraft.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Filamente piezoelektrisch
leitfähig sein.
Dadurch können
Stauchungen oder Dehnungen direkt in Form einer elektrischen Spannung
gemessen werden. Wenn derartige Filamente eingewoben werden, kann
darüber
auf die mechanisch wirkenden Kräfte
geschlossen werden. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit zur dynamischen Kraftmessung,
um z. B. die Sicherheitssysteme gezielter aktivieren zu können.
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Schließlich wird
die Aufgabe gelöst,
indem elektrisch leitfähige
Filamente als Antennen eingesetzt werden, wobei das Flächengebilde
für einen Fahrzeugsitz
als Kindersitzerkennung verwendbar ist. Die konventionell als Kindersitzerkennung
eingebauten Antennenstrukturen im Fahrzeugsitz ermöglichen
eine Kommunikation über
eine Schnittstelle zwischen dem Kindersitz und dem Fahrzeugsitz selbst.
Durch die vielfältigen
Möglichkeiten,
in welcher Art und Weise elektrisch leitfähige Filamente in das textile
Flächengebilde
eingearbeitet werden können,
ist es möglich
auf einfachem Wege komplexe Antennenstrukturen darzustellen. Das
dazu notwendige Verfahren ähnelt
dem bekannten Leiterplattenentwurf. Durch elektrische Kontaktierung
zwischen den einzelnen elektrisch leitfähigen Filamenten können verschiedene
geometrische Formen von elektrischen Leitungen erzeugt werden. So
lässt sich
beispielsweise durch die Filamente eine elektrische Spule bilden
mit einer oder mehreren Windungen. Ist der Kindersitz mit einem
Magnetfeld ausgestattet, ist es möglich, den Kindersitz über Induktion
zu identifizieren. Es ist weiterhin möglich, mehrer dieser Antennenstrukturen
miteinander zu kombinieren, so dass darüber eine Kommunikation mit
dem Kindersitz realisiert werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine Kombination aller oben beschriebenen
Lösungen
wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Fahrzeugsitzes mit einem leitfähigen textilen
Flächengebilde,
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2 eine
mögliche
Segmentierung der Heizfläche
eines Fahrzeugsitzes,
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3a-3f elektrische
Beschaltungsmöglichkeiten
einer Heizfläche
eines Fahrzeugsitzes,
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4 eine
Darstellung einer Spule in einem elektrisch leitfähigen textilen
Flächengebilde,
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5 ein
möglicher
Gesamtaufbau eines Fahrzeugsitzes.
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Aus 1 geht
der Aufbau eines nicht näher dargestellten
Fahrzeugsitzes 1 hervor, der einen tragenden Schaumstoff 2 und
ein das Sitzkissen oder die Sitzlehne abschließendes Obermaterial 3 umfasst.
Das Obermaterial kann dabei Leder, Kunstleder, textiles Flächengebilde
oder ähnliches
sein. Zwischen dem tragenden Schaumstoff 2 und dem Obermaterial 3 ist
ein elektrisch leitfähiges
textiles Flächengebilde 4 angeordnet,
das elektrisch so verschaltet wird, dass es als Sitzheizung dient.
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Die
sich aus 2 ergebende Segmentierung des
Sitzkissens 5 des Kraftfahrzeugsitzes 1 wird durch
das elektrisch leitfähige
textile Flächengebildet darstellbar,
das drei verschiedene Segmente 6, 7 und 8 im
Sitzkissen 5 enthält.
Es versteht sich von selbst, dass in der Sitzlehne 9 die
selben oder auch andere Segmentierungen möglich sind. Jedes der Segmente 6, 7, 8 kann
durch eine elektronische Regelung unterschiedlich temperiert werden.
Dazu ist – wie
in der Detailansicht A erkennbar – in jedem Segment 6, 7 und 8 neben
den strichliert dargestellten Heizleiterfilamenten H wenigstens
ein strich-punktiert dargestelltes Temperatursensorfilament T notwendig,
das die dort herrschende Temperatur misst. Die durchgezogenen Linien
P stellen Polyesterfäden
dar, die die Grundstruktur des textilen Flächengebildes bilden, das in
diesem Fall ein Gewebe ist.
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Wie
aus den 3a bis 3f hervorgeht, gibt
es verschiedenen Möglichkeiten,
die Segmente elektrisch zu beschalten. Die gestrichelten Pfeile
sollen die Stromflussrichtung für
die Heizfilamente H darstellen, während die durchgezogenen Linien
die ein oder mehrere Temperatursensorfilamente T darstellen. Das
Grundgewebe ist wiederum durch Kett- und Schusspolyesterfäden P dargestellt.
Durch die elektrische Beschaltung können innerhalb des Gewebes
auch wesentlich mehr als nur drei Segmente dargestellt werden. Auch
diese einzelnen Segmente können
jeweils eine eigene Temperaturregelung erhalten. Einzelne Segmente
können
bei Bedarf sogar ganz abgeschaltet werden, so dass Energie gespart werden
kann. Es ist denkbar, verschiedene Heizprofile entsprechend den
Sitzdruckprofilen, also den Belastungsprofilen des Insassen, ganz
individuell einzustellen. Damit ist es möglich beispielsweise zwischen Segmentierungen,
also spezifische Heizcharakteristika, zwischen Männer und Frauen zu unterscheiden.
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4 zeigt
die Integration einer Antennenstruktur in ein elektrisch leitfähiges textiles
Flächengebilde
in Form einer Spule mit einer Windung. Mit Bezugszeichen 10 ist
dabei der elektrische Eingang und mit Bezugszeichen 11 der
elektrische Ausgang bezeichnet.
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Ein
Gesamtaufbau der Erfindung zeigt 5, bei der
die einzelnen Komponenten in einer Sandwichstruktur aus drei Schichten
kombiniert sind. Dabei umfasst die oberste Schicht 12 eine
Sitzheizung 13, zwei Empfängerantennen 14 (strichliniert) für die Kindersitzerkennung
und Carbonfilamente 16 für die Druckmessung. Die mittlere
Schicht 17 ist als polsterndes Abstandsgewirke ausgebildet
und notwendig zur Trennung der elektrisch aktiven oberen Schicht 12 und
unteren Schicht 19. Hiermit kann die Charakteristik der
Druckmessung verändert
werden. Die unterste Schicht 19 umfasst eine Sendeantenne 20 für die Kindersitzerkennung
und Karbonfilamente 21 zur Druckmessung. Die Druckmessung
findet an den Stellen statt, an denen sich die Carbonfilamente 16 der
oberen Schicht 12 mit den Carbonfilamenten 21 der
unteren Schicht 19 kreuzen.
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Dieser
in 5 dargestellte textile Flächenverbund kombiniert also
die Sitzheizungsfunktion mit einer Druckprofilmessung für die Sitzbelegungserkennung
und Antennenstrukturen für
die automatische Kindersitzerkennung.
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In
der Sitzfertigung kann dieser Flächenverbund
auf ein Vliesmaterial aufgeklebt werden und als eigenes Bauteil
im Sitzbezug verbaut werden. Dazu ist nur ein Arbeitsschritt notwendig.
Des Weiteren ergibt sich durch den textilen Flächenverbund noch der Vorteil,
dass mehrere Lagen von verschiedenen Materialen im Sitz entfallen
können,
wobei für
die Sitzheizung eine sehr schnelle Aufheizzeit realisiert werden
kann. Durch das Handling von nur einem textilen Flächenverbund
entfallen bei der Produktion mehrere Arbeitsschritte, so dass durch
reduzierte Teileanzahl die Logistik verkleinert werden können.