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Die Erfindung betrifft eine Kopfstütze mit einem Mikrowellensensor und mit einer Verstellvorrichtung zur Einstellung der Kopfstütze in Bezug auf eine Kopfposition einer Person insbesondere eines Fahrgastes nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 199 16 804 C1 ist bereits eine Vorrichtung zum Justieren einer Fahrzeugkopfstütze, bei der innerhalb der Kopfstütze zwei Kondensatorplatten übereinander angeordnet sind, die gleichphasig erregt werden, und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit einer Kopfposition liefern bekannt. Zur Justierung wird die Kopfstütze solange in ihrer Höhenposition verändert, bis die Sensorsignale der beiden Kondensatorplatten im Wesentlichen gleich groß sind.
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Aus der
DE 10 2006 023 102 A1 ist eine Kopfstütze für einen Fahrzeugsitz mit drei übereinander angeordneten Elektroden bekannt. Zur Bestimmung der Kopfposition werden die Elektroden immer nur paarweise betrieben. In einer ersten Messung wird der Wechselstrom über die obere und untere Elektrode und in einer zweiten über die untere und mittlere Elektrode gemessen. Eine optimale Position der Kopfstütze wird erkannt, wenn die Wechselströme gleich groß sind.
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Kapazitive Sensoren sind prinzipiell elektromagnetisch störempfindlich, weil bereits die Funktionsweise des Sensors auf der Auswertung elektrischer Felder beruht.
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Als weitere Sensoren sind Ultraschallsensoren denkbar, die jedoch relativ teuer sind und gerade im Nahbereich so genannte tote Zonen aufweisen, in denen keine Objekte erkannt werden.
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Optische Systeme haben den Nachteil, dass die sichere Erkennung durch alle Arten von sichtbaren Störeinflüssen, wie beispielsweise Haare, beeinträchtigt ist und sie empfindlich gegen Verschmutzung sind. Ferner können optische Systeme nicht unbedingt problemlos in das Design einer Kopfstütze integriert werden.
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Aus der
DE 199 45 411 A1 ist ferner ein Insassenschutzsystem bekannt, bei dem bei einem Rückwärtsaufprall eine Schutzeinrichtung aktiviert wird. Zur Erkennung der Position der Fahrgäste ist innen am Dach des Fahrzeugs ein Sensor angeordnet. Ein solcher Sensor kann beispielsweise als Ultraschallsensor, kapazitiver Sensor, Mikrowellensensor, Infrarotsensor oder als System für optische Mustererkennung ausgebildet sein.
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Aus der
DE 10 2006 041 982 A1 ist eine Antennenanordnung bekannt mit mindestens einem Primärstrahler sowie parasitären Antennenelementen, die in Azimut- und/oder Elevationsrichtung parallel zu den Primärstrahlern angeordnet sind, wobei mindestens ein weiteres parasitäres Antennenelement lediglich durch elektromagnetische Feldkopplung an den Primärstrahler angekoppelt ist.
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Die
DE 196 52 476 C2 zeigt einen Kraftfahrzeugsitz mit einer motorisch verstellbaren Kopfstütze und einer Vorrichtung zur Vermeidung von Quetschungen bei einer Abwärtsbewegung der Kopfstütze, wobei in dieser Vorrichtung ein Ultraschall-Sensor, Infrarot Sensor, optischer Reflextaster und/oder ein Mikrowellen-Sensor verbaut sein kann.
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Die
DE 32 40 294 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Höheneinstellung einer Kopfstütze mit einer Messeinrichtung, die die Höhe des Sitzbenutzers an bestimmten Körperstellen erfasst und über einen Verstellantrieb die Stützstellung der Kopfstütze an den Sitzbenutzer anpasst. Die Messeinrichtung ist hierbei als Infrarot-Reflexions-Lichtschranke ausgebildet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kopfstütze mit einer Kopferkennung mit hoher Störtoleranz und guter Einstellgenauigkeit in Höhe und Abstand zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Kopfstütze mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhaft ist eine Kopfstütze mit einer Verstellvorrichtung zur Einstellung der Kopfstütze in Bezug auf eine Kopfposition einer Person vorgesehen, mit einer Mikrowellenantenne eines Mikrowellensensors zur Detektion der Kopfposition. Im Gegensatz zu kapazitiven Sensorsystemen zeichnet sich ein Kopfstützenjustiersystem mit Mikrowellensensoren insbesondere durch eine höhere Reichweite und eine gute Richtwirkung aus. Aufgrund der höheren Frequenz liegen starke Nutzsignale vor. Ferner ist die Erdung für ein Mikrowellenssystem im Gegensatz zu kapazitiven oder galvanischen Systemen nicht weiter relevant.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kopfstütze vorgesehen, bei dem ausgehend von einem Signal des Mikrowellensensors ein günstiger Verfahrweg für die Kopfstütze ermittelt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Mikrowellenantenne von einem Polster der Kopfstütze abgedeckt ist, das elektrisch leitfähige und/oder dielektrische Beeinflussungselemente aufweist, wobei die Beeinflussungselemente eine Richtwirkung der Mikrowellenantenne beeinflussen. Dies hat den Vorteil, dass durch eine Anordnung der Beeinflussungselemente im Polster eine Richtwirkung, vorzugsweise in Richtung des Kopfes einer Person, vorgegeben werden kann.
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Des Weiteren ist es auch möglich zwei Mikrowellenantennen innerhalb des Polsters der Kopfstütze vorzusehen. So ist es beispielsweise vorteilhaft möglich, die eine Antenne zur Ausstrahlung und die andere zum Empfang der Mikrowelle zu nutzen. Auch kann es vorteilhaft vorgesehen sein, über die beiden Antennen sich gegenseitig überlagernde Mikrowellen oder Mikrowellen mit unterschiedlicher Phasenlage auszustrahlen.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die Mikrowellenantenne als passive Patch-Antenne ausgeführt sein, mit dem Vorteil, dass die Strahl- und/oder auch die Empfangsrichtung der Mikrowelle durch die Geometrie der Patch-Antenne und auch durch elektronische Einstellmöglichkeiten verändert und den jeweils notwendigen Gegebenheiten angepasst werden kann. Ferner lässt sich vorteilhaft eine Patch-Antenne in einfacher Art und Weise auch auf einer Leiterplatte integrieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Mikrowellenantenne derart ausgestaltet, dass durch Verändern der Richtwirkung zumindest ein Teil des Fahrgastinnenraumes abtastbar ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ein Verfahren vorgesehen, bei dem bei Vorliegen eines nicht plausiblen Signals die Kopfstütze in eine Default-Position gefahren wird, so dass in einfacher Art und Weise sichergestellt wird, dass auch bei unklaren Signalen die Kopfstütze immer eine für den Fahrgast sichere Position einnimmt.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße Kopfstütze,
- 2 eine Kopfstütze mit Antennensystem im Polster,
- 3 eine Kopfstütze mit einem passiven Patch-Antennenarray im Polster.
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1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kopfstütze 1 mit einer Mikrowellenantenne 10, die elektrisch mit einer Sende-Empfangseinheit 20, vorzugsweise einem Mikrowellensender/ -empfänger bzw. -transceiver verbunden ist. Die Einheit aus Mikrowellenantenne 10 und der Sende-Empfangseinheit 20 bildet einen Mikrowellensensor. Die Kopfstütze ist höhenverstellbar über eine Stütze 210 mit einer Lehne 200 eines Fahrzeugsitzes verbunden. Die Kopfstütze 1 ist vorzugsweise elektromotorisch in ihrer Höhe h und im Kopfabstand a verstellbar.
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Die über die Antenne 10 ausgestrahlte Mikrowelle - typischerweise mit Frequenzen im GHz-Bereich - werden vom Kopf 100 reflektiert und wiederum von der Antenne 10 empfangen. In einer bevorzugten Ausführungsform lassen sich aus der Laufzeit der Signale ein Abstand a und hieraus eine Position des Kopfes 100 ermitteln.
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Zur Auswertung der Signale kann es beispielsweise vorgesehen sein, eine Auswerteeinheit im Mikrowellentransceiver bzw. Mikrowellensensor 10, 20 zu integrieren. Ferner ist es auch denkbar, die Signale einem Steuergerät zuzuführen, das die weitere Auswertung und insbesondere auch Ansteuerung der Verstellvorrichtung der Kopfstütze 1 übernimmt.
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In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform gezeigt, bei der die Antenne 10 in ein erstes und zweites Antennensegment 10a, 10b aufgeteilt ist, die im Inneren der Kopfstütze 1 vorzugsweise mit einem Polster 40 eingefasst sind. Innerhalb des Polsters 40 sind im Bereich der beiden Antennensegmente 10a, 10b in kopfseitiger Richtung vorzugsweise dielektrisch wirksame oder/und elektrisch leitfähige Beeinflussungselemente 21, 23 angeordnet. Diese Beeinflussungselemente 21, 23 dienen beispielsweise zur Fokussierung oder Lenkung der von den Antennensegmenten 10a, 10b ausgestrahlten oder empfangenen Strahlung. Die Beeinflussungselemente 21, 23 können beispielsweise durch entsprechende Zusätze im Polsterschaum hergestellt werden. Beispielsweise könnten im Schaum dielektrische oder leitfähige Elemente eingebracht sein, oder der Schaum selbst weist in den gewünschten Bereichen eine entsprechende Eigenschaft auf. Die Beeinflussungselemente 21, 23 können somit auch als Beeinflussungsbereiche des Polsters 40 selbst ausgebildet sein. Beispielsweise auch durch Verändern der Polsterdichte in bestimmten Bereichen.
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Eine solche Antennenanordnung erlaubt es beispielsweise, eine sich gegenseitig überlagernde Wellenausbreitung 30 bereit zu stellen. Die Wellen können beispielsweise auch in unterschiedlichen Phasenlagen ausgestrahlt werden. Auch ist es denkbar, unterschiedliche Amplituden oder gar Frequenzen am ersten und zweiten Antennensegment abzustrahlen.
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Durch eine derartige Überlagerung ist es möglich nicht nur Abstandsinformationen, sondern ggf. auch Höhenpositionen oder gar die Kopfgeometrie zu erfassen.
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In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung gezeigt, bei der innerhalb der Kopfstütze 1 eine Sende-/Empfangseinrichtung 20 mit angeschlossener Antenne angeordnet ist, die eine im Wesentlichen ungerichtete Strahlung 31 emittiert. Im Polster 40 ist zur Erzeugung einer ausgerichteten Strahlung 32 ein passives Patch-Antennen-Array 50 strahlungsgekoppelt eingebunden.
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Wie bereits oben beschrieben ist es denkbar, solche Strukturen durch Einbringen entsprechender, vorzugsweise dielektrischer, Materialen bereitzustellen. Auch ist es denkbar, diese Eigenschaften bereits dem Polsterschaum beizufügen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist es vorgesehen, in der Steuereinheit die empfangenden Signale zusätzlich im Hinblick auf Störungen zu beurteilen.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, bei einem erkannten Störer die Arbeitsfrequenz zu wechseln. Zur Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz kann es ferner vorgesehen sein, die Seitenbänder des empfangenden Signals zu analysieren und in Abhängigkeit des jeweilig gestörten Seitenbandes eine geeignete neue Arbeitsfrequenz zu wählen. Beispielsweise könnte es bei einem gestörten oberen Seitenband vorgesehen sein, zu einer tieferen Arbeitsfrequenz zu wechseln.
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Auch kann es vorgesehen sein, die Arbeitsfrequenzen unabhängig von möglichen Störern, zufällig oder nach einem bestimmten Muster zu wechseln, um bereits im Vorfeld die Wahrscheinlichkeit einer Störung zu reduzieren.
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Ferner ist es vorteilhaft eine Arbeitsfrequenz zu wählen, die außerhalb der üblicherweise zu erwartenden Störquellen wie Rundfunksender usw. liegt. Erfindungsgemäß werden hierzu Frequenzen oberhalb 1 GHz bevorzugt.
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Auch im Hinblick auf mögliche Störemissionen des Sensorsystems ist es vorteilhaft, die Arbeitsfrequenz möglichst außerhalb der üblichen Rundfunkbänder zu legen, so dass möglicherweise in der Nähe des Sensorsystems betriebene Funkdienste möglichst nicht gestört werden.
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Zur Ausblendung zufälliger Störungen, beispielsweise schneller Transienten, pulsartiger Störungen oder so genannter Bursts, kann es ferner vorgesehen sein, die Signalaussendung auf kurze Intervalle - beispielsweise kleiner 1 Sekunde - zu beschränken.
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Außerdem kann zu diesem Zweck eine intelligente Erkennung der auf solche Weise beeinflussten Messsignalsequenzen erfolgen, so dass die daraus abgeleiteten Messwerte als ungültig verworfen werden können, Messwerte dagegen, die direkt davor oder danach auftreten und entsprechende Qualitätskriterien aufweisen, können sehr wohl in die normale Auswertung eingehen.
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Im Weiteren sind weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Systems dargestellt.
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Aufgrund der hohen Frequenzen sind solche Systeme naturgemäß sehr unempfindlich gegenüber Störer aus dem üblichen Rundfunkbereich < 500 MHz.
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Auch zeigen Mikrowellensysteme ein gutes Verhalten gegenüber Feuchtigkeiten und auch leitfähigen Medien und werden auch durch Verschmutzungen kaum beeinflusst.
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Der Mikrowellensensor 10, 20 ist ein berührungsloses Sensorsystem in der Kopfstütze 1, vorzugsweise in einem Kfz, aber auch in einem anderen Sitz in Fahrzeugen oder beispielsweise in medizinischen Einrichtungen wie Behandlungssesseln etc., mit welchem die Anwesenheit eines menschlichen Kopfes in Höhe h und Abstand a erkannt werden soll.
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Dabei soll möglichst zuverlässig nur die Hautoberfläche und nicht etwaige Haare, Kopfbedeckungen etc. erkannt werden, weil die durch die richtig positionierte Kopfstütze 1 realisierte Sicherheitsaufgabe sich nur an der Hautoberfläche und nicht an anderen Objekten orientiert.
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Mikrowelle durchdringt dünne und kleine Objekte, so dass Haare oder übliche Textilien typischerweise für die Messung nicht weiter relevant sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße System auch für relativ niedrige Frequenzen - beispielsweise zwischen 30 - 200 MHz - realisiert werden. Der Antenne 10 bzw. den Antennensegmenten 10a, b kommt dann eher die Funktion einer Elektrode zu. Ein solches System hat gegenüber einem mit geringeren Frequenzen arbeitenden kapazitiven System bessere Eigenschaften hinsichtlich Feuchtigkeit, da sich die Wasser-Dipole nicht mehr entsprechend der aufgeprägten Frequenz ausrichten können.
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Prinzipiell wir die Kapazität einer solchen offenen Elektrodengeometrie durch das in dem elektrischen Feld befindliche Objekt - hier ein Kopf 100 - verändert. Dabei können je nach Frequenz unterschiedliche Effekte ausgenutzt werden. Wie zum Beispiel die Absorption von elektrischen Feldern durch das Erfassungsobjekt, die Veränderung des Elektrodenabstandes und damit der elektrostatischen Kapazität oder auch eine Veränderung der zwischen zwei Elektroden befindlichen Dielektrizitätskonstanten.
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Bei höheren Frequenzen typischerweise zwischen 300 MHz bis 300 GHz, hier gemeinhin als „Mikrowelle“ bezeichnet, kommen die zu erfassenden Abstände in die Größenordnung der Wellenlänge, z.B. 30 cm bei 1 GHz. Dadurch können mit solch hohen Frequenzen zusätzliche Effekte ausgewertet werden, nämlich unter anderem, die Reflexion der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen an Grenzflächen mit erhöhter Dielektrizitätskonstante. Ferner besteht die Möglichkeit durch Überlagerung von gesendetem und reflektiertem Signal und auch unterschiedlicher Phasenlage Informationen über ein Objekt zu erlangen. Ferner erlauben die hohen Frequenzen auch eine Bestimmung eines Abstandes a ausgehend von der Laufzeit der gesendeten Signale. Darüber hinaus lässt sich eine Richtwirkung durch bündelnde Antennen verschiedenster Bauart gezielt einstellen.
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Weiterhin sind für einen Mikrowellensensor 10, 20, insbesondere für eine Kopfdetektion in einer Kopfstütze 1, folgende weitere Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann bei einer Verwendung einer Patch-Antenne 50 vorgesehen sein, die Antennenarrays 50 als Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte aufzubringen. Des Weiteren lässt sich die Richtwirkung elektronisch durch Veränderung der Einspeisesignale - beispielsweise der Phasenlage - beeinflussen. Die Richtwirkung kann beispielsweise auch durch Umschaltung von Teilen der Antennenstruktur, insbesondere mit Hilfe von Dioden, verändert werden.
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Insbesondere können dielektrische Materialien auch Teil einer Antennenstruktur sein.
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Des Weiteren ist es möglich, passive Antennen 10 strahlungsbasiert zu speisen, ohne dass eine galvanische Verbindung zur Elektronik/Steuerung besteht.
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Auch eine Nutzung von kostengünstig herstellbaren Schlitzantennen ist möglich.
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Ein Objekterkennung kann beispielsweise auch durch selbstschwingende Oszillatoren erfolgen, deren Stromaufnahme durch den Dopplereffekt, hervorgerufen durch elektrisch reflektierende Objekte, - insbesondere einem Kopf 100 - verändert werden.
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Im Weiteren kann die Antennenstruktur gleichzeitig als frequenzbestimmendes Glied eines Oszillators eingesetzt werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf einen genauen Frequenzabgleich verzichtet werden und es werden Bauteilkosten gespart.
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Ferner lässt sich durch das erfindungsgemäße Vorgehen ein dynamisches Sensorprinzip - z.B. Auswertung eines Dopplereffekts - realisieren, das zuverlässige Messungen auch bei einer bewegten Kopfstütze 1 erlaubt.
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Bei einem gleichzeitigen Betrieb mehrerer Antennen 10, besteht die Möglichkeit die räumliche Anordnung (z.B. oben, unten) der Antenne 10 zu optimieren, um beispielsweise besser die Höhe h eines Kopfes 100 erkennen zu können.
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Weiterhin ist es möglich, bei einem gleichzeitigen Betrieb von Antennen 10 verschiedener räumlicher Anordnung die Antennen10 auf unterschiedlichen Frequenzen zu betreiben, um die Signale leichter voneinander trennen zu können.
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Zusätzlich ist auch eine Sitzbelegerkennung möglich, z.B. durch gezielte Ausrichtung der Antennen 10. Möglich ist auch ein Kombinationssystem, mit welchem sowohl die Kopfposition als auch das Vorhandensein eines Objektes auf dem Fahrzeugsitz erkannt werden kann. Aufgrund der hohen Frequenzen ist auch eine Störfestigkeit gegen übliche Störer auf den Rundfunkbändern leichter möglich. Ferner erlaubt das erfindungsgemäße System auch, die Laufzeit von gepulsten Signalen zu messen, um hieraus Abstand a und Höhe h des Objektes zu ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kopfstütze
- 10
- Mikrowellenantenne
- 10a, b
- Antennensegmente
- 20
- Sende-Empfangseinheit, Mikrowellensender/ -empfänger, Mikrowellentransceiver
- 21
- Beeinflussungselement
- 23
- Beeinflussungselement
- 30
- sich gegenseitig überlagernde Wellenausbreitung
- 31
- ungerichtete Strahlung
- 32
- ausgerichtete Strahlung
- 40
- Polster
- 50
- Patch-Antennen-Array
- 100
- Kopf
- 200
- Lehne
- 210
- Stütze
- a
- Kopfabstand
- h
- Höhe
