DE102009055426A1

DE102009055426A1 - Kapazitive Sensorbaugruppe

Info

Publication number: DE102009055426A1
Application number: DE102009055426A
Authority: DE
Inventors: Marcus 63639 Kandler
Original assignee: Takata Petri AG
Current assignee: Takata AG
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-07
Also published as: CN102484474B; CN102484474A; US8970232B2; WO2011080324A1; EP2520023A1; EP2520023B1; JP2013516347A; US20120306512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, mit einem kapazitiven Sensorelement, das mindestens ein erstes elektrisches Leiterelement umfasst, und mit einem Referenzleiterelement, das ein elektrisches Referenzpotential definiert und das von dem ersten elektrischen Leiterelement beabstandet angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das erste elektrische Leiterelement (1) als Außenleiter ausgeführt, der das Referenzleiterelement (3) als Innenleiter umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige kapazitive Sensorbaugruppe umfasst zumindest ein kapazitives Sensorelement, das durch mindestens ein (erstes) elektrisches Leiterelement als Elektrode gebildet wird und das an eine Auswerteeinheit angeschlossen bzw. anzuschließen ist, welche mindestens eine Messgröße in Abhängigkeit von der kapazitiven Ankopplung des kapazitiven Sensorelementes an die Umgebung erfasst und auswertet, sowie zumindest ein (potentialführendes) elektrisches Referenzleiterelement, das ein elektrisches Referenzpotential (Nullpotential) bei der Bestimmung jener Messgröße bzw. allgemeiner bei der kapazitiven Ankopplung des kapazitiven Sensorelementes an die Umgebung bildet bzw. definiert und das von dem kapazitiven Sensorelement, also insbesondere von dem ersten elektrischen Leiterelement, beabstandet angeordnet ist. Der Begriff Leiterelement wird dabei vorliegend allgemein für ein ein- oder mehrteiliges elektrisch leitfähiges Element verwendet, das z. B. als Kabel, als Flachleiter, als elektrisch leitfähige Folie oder in sonstiger Form als elektrisch leitfähiges Bauelement (elektrisch leitfähige Baugruppe) ausgeführt sein kann.
Die zugeordnete Auswerteeinheit kann insbesondere die Änderung einer Messgröße (z. B. eines Messstromes) in Abhängigkeit von der kapazitiven Ankopplung des kapazitiven Sensorelementes an ein Referenzpotential, welches durch ein geeignetes Fahrzeugelement, wie z. B. Komponenten der Fahrzeugkarosserie, Komponenten eines Fahrzeugsitzes oder das erwähnte elektrische Heizelement, definiert sein kann, erfassen und auswerten, wobei diese kapazitive Ankopplung und damit jene Messgröße durch die Anwesenheit eines Fahrzeuginsassen oder eines sonstigen Objektes in der Umgebung des kapazitiven Sensorelementes beeinflusst wird. Im Fall eines in einen Fahrzeugsitz integrierten kapazitiven Sensorelementes kann hiermit z. B. die Anwesenheit eines auf dem Sitz befindlichen Fahrzeuginsassen erfasst werden und auch auf dessen Konstitution rückgeschlossen bzw. ein Kindersitz erkannt werden.
Aus der US 6,563,231 B1 ist es bekannt, zur Bildung eines kapazitiven Sensorelementes auf einer Sensormatte mindestens ein elektrisches Leiterelement als Elektrode vorzusehen. Die Sensormatte wird als Insassendetektor an einem Fahrzeugteil angeordnet, um die Belegung eines bestimmten Sitzplatzes eines Kraftfahrzeugs mit einem Fahrzeuginsassen feststellen zu können. Konkret wird die Sensormatte mit dem als kapazitivem Sensorelement dienenden elektrischen Leiterelement beispielsweise an einer Sitzfläche eines Kraftfahrzeugsitzes angeordnet, und zwar insbesondere zwischen dem Sitzbezug und einem Sitzpolster, also etwa unterhalb des Sitzüberzugs und oberhalb des Polsterschaums. Um zu ermitteln, ob sich ein Fahrzeuginsasse auf einem mit einem solchen Detektor ausgerüsteten Fahrzeugsitz befindet, wird die Kapazität zwischen der Sensormatte und einem Träger eines Referenzpotentials (Nullpotential), etwa definiert durch den Fahrzeugboden („Erde”) oder durch mindestens ein in die Sensormatte integriertes Referenzleiterelement, bestimmt. Dies muss keineswegs zwingend direkt durch eine (unmittelbare) Kapazitätsmessung erfolgen; sondern es kann durch die Messung beliebiger elektrischer Größen geschehen, die mit der genannten Kapazität verknüpft sind, deren jeweiliger Messwert also von der Kapazität (zwischen der Sensormatte und einem Träger des Referenzpotentials) abhängt, wie z. B. durch die Messung von Messströmen (in bzw. zu dem als kapazitivem Sensorelement dienenden elektrischen Leiterelement), vergl. auch DE 100 48 956 C1 im Fall einer Lenkrad-integrierten kapazitiven Sensorbaugruppe.
Befindet sich ein Fahrzeuginsasse auf dem entsprechenden Fahrzeugsitz, so wird die resultierende Kapazität beeinflusst durch die kapazitive Ankopplung des Insassen; und die resultierende Kapazität entspricht einer Kombination (je nach den konkreten Gegebenheiten z. B. näherungsweise einer Reihenschaltung) der Kapazität zwischen der Sitzoberfläche (bzw. dem dort vorgesehenen kapazitiven Sensorelement) und dem Fahrzeuginsassen sowie der Kapazität zwischen dem Fahrzeuginsassen und dem Referenzpotential. Indem dabei ein Referenzleiterelement mit Referenzpotential als Gegenelektrode in den Fahrzeugsitz bzw. in die Sensormatte selbst integriert wird, lässt sich der Abstand zwischen dem Träger des Referenzpotentials und dem zu detektierenden Fahrzeuginsassen reduzieren und hierdurch die Messempfindlichkeit verbessern.
Mit einer solchen Anordnung kann auch unterschieden werden, ob sich auf dem entsprechenden Fahrzeugsitz unmittelbar ein Fahrzeuginsasse befindet oder ob auf dem Fahrzeugsitz ein Kindersitz angebracht ist, der wiederum ein Kleinkind aufnimmt. Diese Feststellung kann genutzt werden, um gegebenenfalls, z. B. bei Nichtbelegung oder bei Belegung mit einem Kindersitz, einen oder mehrere dem entsprechenden Sitzplatz zugeordnete Airbags zu deaktivieren. Somit kann eine kapazitive Sensorbaugruppe als Insassendetektor verwendet werden, um Sicherheitseinrichtungen eines Kraftfahrzeugs zu aktivieren oder deaktivieren, aber auch zum Auslösen sonstiger Funktionen eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. von Warn- oder Steuerungsfunktionen.
Weiterhin ist es aus der Praxis bekannt, auf einer Sensormatte neben mindestens einem als Sensorelement dienenden elektrischen Leiterelement zusätzlich elektrisch betriebene Heizleiter anzuordnen, die von dem ersten elektrischen Leiterelement beabstandet angeordnet sind und die bei Bestromung Wärme zur Beheizung eines Lenkrades, eines Fahrzeugsitzes oder eines sonstigen Fahrzeugteiles erzeugen.
Bei kapazitiven Sensorsystemen, die neben einem kapazitiven Sensorelement auch mindestens ein elektrisches Heizelement und/oder mindestens ein Referenzleiterelement umfassen, ist die Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen dem das kapazitive Sensorelement bildenden (ersten) elektrischen Leiterelement sowie den das elektrische Heizelement bildenden Heizleitern bzw. dem jeweiligen Referenzleiterelement von Bedeutung, um zuverlässige Aussagen über die Belegung eines Sitzplatzes mit einem Fahrzeuginsassen gewinnen zu können. Insbesondere ist auch die Auswirkung von Feuchtigkeit und Nässe auf die Messergebnisse abhängig vom Abstand zwischen Sensorelement und Heizelement bzw. Sensorelement und Referenzleiterelement.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine kapazitive Sensorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer kapazitiven Sensorbaugruppe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach ist das ein kapazitives Sensorelement bildende erste elektrische Leiterelement der Sensorbaugruppe als (längserstreckter) Außenleiter ausgeführt und umgibt das (ein elektrisches Referenzpotential definierende) elektrische Referenzleiterelement, welches einen Innenleiter bildet (und entlang der – ggf. gekrümmten – Erstreckungsrichtung des Außenleiters verläuft).
Hierdurch wird in einfacher Weise eine definierte Anordnung eines ein kapazitives Sensorelement bildenden ersten elektrischen Leiterelementes bezüglich eines Referenzleiterelementes erreicht, wobei die Anordnung gezielt entweder so ausgelegt werden kann, dass der Abstand zwischen dem ersten elektrischen Leiterelement (Außenleiter) und dem Referenzleiterelement (Innenleiter) im Betrieb stets konstant bleibt, oder so ausgelegt werden kann, dass in Abhängigkeit von bestimmten äußeren Verhältnissen, wie z. B. einer Druckeinwirkung, definierte Abstandsänderungen ermöglicht werden. Das Referenzleiterelement („potentialführendes Element”) definiert dabei insbesondere (als Gegenelektrode zu dem ersten Leiterelement) jeweils ein Referenzpotential für (Kapazitäts-)Messungen.
Das Referenzleiterelement („potentialführendes Element”/Innenleiter) kann nach einer Weiterbildung gleichzeitig als elektrischer Heizleiter (zum Beheizen einer Fahrzeugkomponente) dienen und ist hierfür mit einem geeigneten elektrischen Strom („Heizstrom”) zu betreiben.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet das erste elektrische Leiterelement als Außenleiter eine längliche Hülle, in der sich das Referenzleiterelement als (länglicher) Innenleiter erstreckt. Ein solcher Aufbau lässt sich insbesondere nach Art eines geschirmten Leiters bzw. eines Koaxialkabels realisieren, mit dem Referenzleiterelement als Seele und dem ersten Leiterelement als äußerer Hülle.
Das erste Leiterelement in Form eines Außenleiters kann dabei – ebenso wie gegebenenfalls das Referenzleiterelement in Form eines Innenleiters – durch ein Leitungsgeflecht, eine elektrisch leitende Folie oder dergl. gebildet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung verläuft zwischen dem ersten Leiterelement als Außenleiter und dem Referenzleiterelement als Innenleiter ein weiteres, zweites Leiterelement, das insbesondere dazu dienen kann, das erste Leiterelement (Außenleiter) und das Referenzleiterelement (Innenleiter) gegeneinander abzuschirmen. Hierzu kann das zweite Leiterelement einen sogenannten potentialgesteuerten Schirm („driven shield”) bilden. Eine derartige Konfiguration kann insbesondere nach Art eines Triaxialkabels oder allgemeiner eines n-Axialkabels ausgeführt sein.
Das (hüllenartig) zwischen dem inneren Referenzleiterelement und dem äußeren ersten Leiterelement verlaufende zweite Leiterelement kann ebenfalls als Leitungsgeflecht, elektrisch leitende Folie oder dergl. ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist das Referenzleiterelement als innerer Leiter von einem Dielektrikum umgeben, das durch ein Gas, wie z. B. Luft, aber auch durch einen (isolierenden) Festkörper gebildet sein kann.
Gemäß einer Variante ist das Dielektrikum unter Einwirkung eines äußeren Druckes komprimierbar, so dass die Konfiguration der Sensoranordnung gezielt druckabhängig veränderbar ist, was wiederum die resultierende Kapazität beeinflusst und Rückschlüsse auf Druckverhältnisse im Bereich der Sensoranordnung ermöglicht. So kann als Dielektrikum ein Material verwendet werden, das sich unter einem äußeren Druck, der einen bestimmten Mindestdruck überschreitet, substantiell verformt, woraus etwa Rückschlüsse auf das Gewicht eines Fahrzeuginsassen gezogen werden können, der auf einem mit der Sensoranordnung ausgerüsteten Fahrzeugsitz Platz genommen hat. Neben einer Unterscheidung zwischen schwereren und leichteren Fahrzeuginsassen, die für die Wahl eines bestimmten Aufblasverhaltens eines Airbags von Bedeutung sein kann, lässt sich hiermit insbesondere die Unterscheidung zwischen einer Belegung mit einem Kindersitz und einem (kleinen) Fahrzeuginsassen unterstützen.
Nach einer Weiterbildung kann die Deformierbarkeit des Dielektriums ortsabhängig sein, etwa indem zur Bildung des das Referenzleiterelement umgebenden Dielektrikums in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Materialien verwendet werden.
Nach einer anderen Variante der Erfindung wird als Dielektrikum ein Material verwendet, das bei den im Normalbetrieb der Sensoranordnung auftretenden Drücken, also beispielsweise im Fall einer fahrzeugsitzintegrierten Sensoranordnung unter den von Fahrzeuginsassen erzeugten Drücken, nicht substantiell deformierbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass (Kapazitäts-)Messungen druckunabhängige Ergebnisse liefern.
Zum Schutz der Sensorbaugruppe und insbesondere eines das Referenzleiterelement umgebenden Dielektrikums vor Feuchtigkeit kann eine (isolierende) Schutzhülle vorgesehen sein, die zumindest das Referenzleiterelement als inneren Leiter (sowie gegebenenfalls ein das Referenzleiterelement umschließendes Dielektrikum) umhüllt. Eine solche Schutzhülle kann beispielsweise zwischen dem ersten Leiterelement als Außenleiter und dem Referenzleiterelement als Innenleiter verlaufen oder auch jenseits des Außenleiters; sie kann aber auch (alternativ oder zusätzlich) an der äußersten Oberfläche der Sensorbaugruppe verlaufen. Die Schutzhülle kann durch ein zusätzliches Hüllenelement gebildet oder unmittelbar in die Anordnung integriert sein, z. B. in Form eines Isolierlackes.
Insbesondere kann das erste Leiterelement mit einem Wechselstrom (als Messstrom) beaufschlagt werden, um durch Auswertung des Realteiles, des Imaginärteiles und/oder des Effektivwertes des Stromes auch bei Nässe zuverlässige Resultate zu ermöglichen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugsitzes mit einer Sensormatte, die mindestens ein kapazitives Sensorelement enthält;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters zur Bildung eines kapazitiven Sensorelementes;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters zur Bildung eines kapazitive Sensorelementes;
4 ein kapazitives Sensorelement zusammen mit einer zugeordneten Auswerteeinheit;
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Leiters zur Bildung eines kapazitive Sensorelementes;
6 einen schematischen Querschnitt durch ein Kraftfahrzeug-Lenkrad mit kapazitivem Sensorelement.
1 zeigt einen Kraftfahrzeugsitz 100, der ein auf einem Sitzuntergestell vorgesehenes Sitzkissen 101 sowie eine am Sitzuntergestell (klappbar) angelenkte Rückenlehne 106 aufweist, so dass ein auf dem Fahrzeugsitz befindlicher Fahrzeuginsasse I einerseits auf dem Sitzkissen 101 sitzt und sich andererseits mit seinem Rücken an der Rückenlehne 106 abstützen kann. Das Sitzkissen 101 umfasst z. B. ein Polster 102 und einen Bezug 104, wobei hier im Bereich der Sitzfläche des Sitzkissens 101 zwischen dem Sitzpolster 102 und dem Überzug 104 eine Sensormatte 103 angeordnet ist, die mindestens ein kapazitives Sensorelement aufweist. Hierzu kann in die Sensormatte ein erstes elektrisch leitfähiges Element, nachfolgend einfach als erstes Leiterelement bzw. als erster elektrischer Leiter bezeichnet, integriert sein, das eine Elektrode des kapazitiven Sensorelementes bildet und das mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden ist, um die Kapazität zwischen der Sensormatte 103, genauer dem mindestens einen auf der Sensormatte 103 angeordneten kapazitiven Sensorelement (Elektrode), und einem Referenzpotential des den Fahrzeugsitz 100 enthaltenden Fahrzeugs bestimmen zu können.
Die Auswerteeinheit 6 kann wiederum mit einem (nicht dargestellten) Steuergerät zusammenwirken, das in Abhängigkeit von der Belegung des Fahrzeugsitzes mit einem Insassen I und gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Größe und dem Gewicht des Insassen sowie in Abhängigkeit davon, ob der entsprechende Insasse unmittelbar auf dem Fahrzeugsitz 100 sitzt oder ob es sich hierbei um ein von einem Kindersitz aufgenommenes Kleinkind handelt, zugeordnete Sicherheitseinrichtungen des Fahrzeugsitzes, wie z. B. einen Airbag, aktiviert oder deaktiviert.
Bei einer Anordnung der in 1 gezeigten Art wird die Kapazität zwischen der Sensormatte 103 und dem Referenzpotential im Wesentlichen bestimmt durch die Kombination zweier Kapazitäten, nämlich der Kapazität C_SI zwischen der Sensormatte 103 und dem Fahrzeuginsassen I sowie der Kapazität C_IN zwischen dem Fahrzeuginsassen und dem Referenzpotential. Hinsichtlich geeigneter Möglichkeiten, den Fahrzeuginsassen I so an das Referenzpotential zu koppeln, dass eine besonders genaue Bestimmung der Belegung des Fahrzeugsitzes 100 ermöglicht wird, sowie hinsichtlich der (Kapazitäts-)Messung sei für weitere Einzelheiten auf die US 6,563,231 B1 verwiesen.
Vorliegend geht es insbesondere um die Ausgestaltung des elektrischen Leiters, welcher die Elektrode der Sensormatte 103 bildet, auf welche die für die Ermittlung der Sitzbelegung notwendigen Kapazitätsmessungen bezogen werden.
Gemäß der Querschnittsdarstellung der 2 ist ein als Bestandteil einer Sensormatte 103 unterhalb eines Sitzbezuges 104 angeordneter erster elektrischer Leiter, welcher ein kapazitives Sensorelement bzw. eine Elektrode einer Sensormatte bildet, als ein Außenleiter ausgeführt, der ein zur Definition bzw. Bildung eines elektrischen Referenzpotentiales dienendes elektrischen Referenzleiterelement (nachfolgend der Einfachheit halber als Referenzleiter 3 bezeichnet) als Innenleiter aufnimmt und hüllenartig umschließt. Der Referenzleiter 3 als Innenleiter verläuft dabei längserstreckt (senkrecht zur Blattebene der 2) und der das kapazitive Sensorelement bildende erste Leiter 1 verläuft (ebenfalls senkrecht zur Blattebene der 2) entlang des Referenzleiters 3. Konkret bilden der erste Leiter 1 als Außenleiter und der Referenzleiter 3 als Innenleiter gemäß der Konfiguration der 2 eine Anordnung nach Art eines geschirmten Leiters, z. B. eines Koaxialkabels, mit dem Innenleiter als Seele und dem Außenleiter als äußerer Hülle. Der Referenzleiter 3, der als ein (sitzintegriertes) Referenzpotentialelement dient, welches (z. B. anstelle des häufig hierfür vorgesehenen Fahrzeugbodens) ein Referenzpotential (für Kapazitätsbestimmungen) bildet/definiert, kann dabei vorliegend gleichzeitig als ein (durch Bestromung elektrisch betreibbarer) Heizleiter (zum Beheizen des Sitzes 100 bzw. des Sitzkissens 101) ausgebildet vorgesehen sein. Die Sensormatte 103 bildet dann zugleich eine Heizmatte.
Der Referenzleiter 3 ist von einem Isolator bzw. Dielektrikum 4 umgeben, welches sich zwischen dem Referenzleiter 3 als Innenleiter und dem ersten Leiter 1 als Außenleiter erstreckt und welches im Ausführungsbeispiel zu dem äußeren ersten Leiter 1 hin von einer (feuchtigkeitsdichten) Schutzhülle 5b umgeben ist. Als Heizleiter dient der Referenzleiter 3 zugleich zur Erzeugung von Wärme bei Bestromung mit elektrischem Strom, so dass hierdurch z. B. die Sitzfläche eines Sitzkissens beheizt werden kann. Das Material des Dielektrikums 4 ist hierbei so gewählt, dass ein hinreichender Teil der im Heizleiter 3 erzeugten Wärme (durch das Dielektrikum 4 hindurch austreten kann und) zur Beheizung des Sitzkissens 101 zur Verfügung steht.
An den Referenzleiter 3 und das Dielektrikum 4, hier umgeben von einer Schutzhülle 5b, schließt sich (radial) nach außen der als hüllenartiger Außenleiter ausgeführte erste Leiter 1 an, der durch ein leitfähiges Material, vorliegend in Form eines Leitungsgeflechtes 11 oder alternativ in Form einer elektrisch leitfähigen Folie oder einer Leiterbahn, gebildet wird. An der Außenseite des äußeren ersten Leiters 1 kann ebenfalls eine (feuchtigkeitsdichte) Schutzhülle 5a vorgesehen sein.
Im Ergebnis bilden bei Anwesenheit eines Insassen I auf dem Sitz 100 aus 1 das kapazitive Sensorelement (erster Leiter 1) und der Insasse I bzw. dessen dem Sensorelement zugewandte Körperpartie einen ersten Kondensator (der Kapazität C_SI) und der Insasse I sowie ein das Referenzpotential definierendes Element (hier der Referenzleiter 3) einen zweiten Kondensator (der Kapazität C_IN). Die beiden Kondensatoren sind näherungsweise in Reihe geschaltet.
Die Auswerteeinheit 6 ist an die Sensorbaugruppe 1, 3 angeschlossen und kann eine Messgröße (z. B. einen Messstrom) bzw. eine Änderung einer Messgröße als Folge einer durch einen Fahrzeuginsassen I erfolgten kapazitiven Kopplung zwischen dem kapazitiven Sensorelement (erster Leiter 1) und dem Referenzpotential (definiert durch den Referenzleiter 3) erfassen. Konkret können z. B. die Stärke, eine Frequenz, die Amplitude und/oder die Phase eines Messstromes bestimmt werden. Für eine mögliche konkrete Ausgestaltung einer Auswerteeinheit 6 sei auf 4 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
In einer Ausgestaltung ist das den Referenzleiter 3 als Innenleiter umgebende Dielektrikum 4 einerseits hinreichend starr ausgestaltet, so dass es sich unter den im Normalbetrieb der Sensoranordnung auftretenden Kräften bzw. Drücken nicht deformieren lässt. Unter den im Normalbetrieb auftretenden Kräften und Drücken werden dabei insbesondere solche verstanden, die von einem auf dem Fahrzeugsitz 100 sitzenden Fahrzeuginsassen I aufgebracht werden, vergleiche 1. In diesem Fall sorgt das Dielektrikum 4 dafür, dass der (radiale) Abstand zwischen dem ersten Leiter 1 als Außenleiter und dem Referenzleiter 3 als Innenleiter unabhängig von der Belegung des entsprechenden Fahrzeugsitzes stets konstant bleibt, so dass Kraft- bzw. Druckeinwirkung die resultierende Kapazität (unter Verwendung des Außenleiters 1 als kapazitivem Sensorelement) nicht substantiell beeinflusst.
Andererseits besteht die Möglichkeit, für das Dielektrikum 4 gezielt ein (isolierendes) Material auszuwählen, das sich in Abhängigkeit von dem Gewicht eines auf dem Fahrzeugsitz 100 sitzenden Fahrzeuginsassen verformt. So kann das Material des Dielektrikums 4 beispielsweise derart gewählt sein, dass es unter der Wirkung des Gewichtes eines Kindersitzes einschließlich eines darin befindlichen Kleinkindes nicht verformt wird, sondern eine substantielle Verformung erst ab einer Kraft- bzw. Druckschwelle auftritt, die oberhalb des Gewichtes eines Kindersitzes mit Kleinkind liegt und beispielsweise dem Gewicht eines kleinen weiblichen Fahrgastes (sogenannte 5%-Frau) entspricht.
Da mit einer Verformung des Dielektrikums 4 eine Änderung des Abstandes zwischen dem ersten Leiter 1 als Außenleiter und dem Referenzleiter 3 als Innenleiter einhergeht, ändern sich dementsprechend auch die Werte der auf den ersten Leiter 1 als kapazitives Sensorelement bezogenen Kapazitäten. Im Ergebnis kann also die Sensorbaugruppe bei geeigneter Wahl des Dielektrikums 4 ergänzend als ein druckempfindlicher Sensor (Drucksensor) ausgestaltet werden, um hierdurch zusätzliche Informationen über einen auf dem zugeordneten Fahrzeugsitz 100 befindlichen Fahrzeuginsassen zu gewinnen.
Bei Bedarf kann auch eine orts- bzw. richtungsabhängige Druckempfindlichkeit der Sensorbaugruppe erreicht werden, etwa indem für unterschiedliche Bereiche 41, 42, 43, 44 des Dielektrikums 4 unterschiedliche (isolierende) Materialien verwendet werden. Je nachdem in welchen Bereichen 41, 42, 43, 44 Materialien mit vergleichsweise großer Komprimierbarkeit (vergleichsweise großer Kompressibilität bzw. kleinem Kompressionsmodul) sowie Materialien mit vergleichsweise geringer Komprimierbarkeit (vergleichsweise kleiner Kompressibilität bzw. großem Kompressionsmodul) verwendet werden, lässt sich erreichen, dass Abstandsänderungen zwischen dem ersten Leiter 1 als Außenleiter und dem Referenzleiter 3 als Innenleiter von dem Ort und/oder der Richtung einer an der Sensorbaugruppe angreifenden Kraft abhängen.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, als Dielektrikum ein Material zu verwenden, das mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung (durch Deformation) auf Druckeinwirkung reagiert, so dass durch zeithabhängige Messung der Kapazität bzw. hiermit verknüpfter (also von der Kapazität abhängiger) Messgrößen Druckeinflüsse beobachtet, ausgewertet und berücksichtigt werden können. Eine geeignet gewählte Reaktionsverzögerung ermöglicht insbesondere ein phasenweises Messen, wobei etwa zunächst (vor der verzögerten Deformation des Dielektrikums als Folge einer Krafteinwirkung) rein kapazitive Kopplungsänderungen – als Folge einer Belegung des Sitzes – erfasst werden und anschließend (bei bzw. nach Deformation des Dielektrikums) der Einfluss einer Deformation des Dielektrikums auf die kapazitive Kopplung erfasst wird, wodurch zusätzliche Daten für die Erfassung der Sitzbelegung sowie die Unterscheidung zwischen unterschiedlich großen/schweren Fahrzeuginsassen zur Verfügung stehen.
Das Material des Dielektrikums 4 kann so gewählt werden, dass es sich durch Temperaturänderungen, also durch eine Änderung der Umgebungstemperatur und/oder durch eine Änderung der vom Referenz-/Heizleiter 3 im Betrieb erzeugten Temperatur – in Abhängigkeit davon, ob eine Temperaturerhöhung oder eine Temperaturabsenkung vorliegt – derart ausdehnt bzw. zusammenzieht, dass sich die Abstände zwischen den Komponenten der Sensorbaugruppe, insbesondere zwischen dem als kapazitives Sensorelement dienenden äußeren, ersten Leiter 1 und dem Referenz-/Heizleiter 3 ändern. Die hiermit verbundenen Auswirkungen auf die unter vorgegebenen Bedingungen (Belegung oder Nicht-Belegung des Sitzes sowie ggf. Konstitution eines den Sitz belegenden Insassen) ermittelte Kapazität erlauben einen Rückschluss auf die Umgebungstemperatur bzw. – bei Betrieb des Referenzleiters 3 als Heizleiter – auf die vom Heizleiter erzeugte Temperatur. Hiermit lassen sich zum einen Einrichtungen eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. die Heizeinrichtung selbst oder ein Klimagerät, steuern bzw. regeln und zum anderen Temperatureinflüsse auf die Sensorbaugruppe geeignet berücksichtigen.
3 zeigt eine Weiterbildung der Sensorbaugruppe aus 2, gemäß der sich zwischen dem ersten Leiter 1 als Außenleiter und dem Referenzleiter 3 als Innenleiter ein zusätzlicher zweiter Leiter 2 erstreckt, der hier (ebenfalls) als Leitungsgeflecht 21 ausgebildet ist und der den Referenzleiter 3 und das Dielektrikum 4 hüllenartig umgibt. Hierdurch lässt sich der als kapazitives Sensorelement dienende erste Leiter 1 in Form eines Außenleiters gegenüber dem Referenzleiter 3 in Form eines Innenleiters abschirmen, so dass Abstandsänderungen zwischen dem ersten Leiter 1 und dem Referenzleiter 3 keine substantielle Rückwirkung auf die resultierende Kapazität haben. Der durch den zweiten Leiter 2 gebildete Schirm kann dabei als ein so genannter potentialgesteuerter Schirm („driven shield”) ausgebildet sein.
Weiterhin kann zwischen dem ersten Leiter 1 und dem zweiten Leiter 2 eine weitere (gegebenenfalls feuchtigkeitsdichte) Schutzhülle 5c verlaufen. Von den insgesamt drei in 3 gezeigten Schutzhüllen 5a, 5b, 5c können dabei in der Praxis je nach Bedarf eine oder mehrere vorgesehen sein.
Zusammenfassend ist die Sensorbaugruppe gemäß 3 nach Art eines Triaxialkabels ausgebildet, mit dem Referenzleiter 3 als Seele, dem ersten Leiter 1 als äußerer Hülle und dem zweiten Leiter 2 als mittlerer Hülle, die den. Referenzleiter 3/Seele umschließt und die wiederum von der durch den ersten Leiter 1 gebildeten äußeren Hülle umschlossen wird.
4 zeigt eine Sensorbaugruppe 1, 3 der in 2 bzw. 3 im Querschnitt dargestellten Art als Bestandteil einer Sensormatte 103 zusammen mit einer nachgeordneten Auswerteeinheit 6 zu Auswertung von der Sensorbaugruppe 1, 3 erzeugter Ausgangssignale.
Die Auswerteeinheit 6 kann zum einen dazu dienen, in einfacher Weise die Kapazität der Sensormatte 103 bezogen auf das Referenzpotential zu ermitteln, welche bei Belegung des entsprechenden Fahrzeugsitzes 100 mit einem Fahrzeuginsassen I, vergleiche 1, bestimmt wird durch die Verschaltung (z. B. Reihenschaltung) der Kapazität C_SI zwischen der Sensormatte 103 und dem Fahrzeuginsassen 1 sowie der Kapazität C_IN zwischen dem Fahrzeuginsassen 1 und dem Referenzpotential.
Nach der konkreten in 4 gezeigten Ausgestaltung wird der erste Leiter 1 (Außenleiter) der Sensorbaugruppe als kapazitives Sensorelement mit einem Wechselstrom, z. B. einem Sinussignal einer definierten Frequenz, etwa von 120 kHz, beaufschlagt. Hierzu ist der Auswerteeinheit 6 eine Energieversorgungseinrichtung 65 zugeordnet; und es wird in einer Signalerzeugungseinrichtung 61 ein (sinusförmiger) Wechselstrom mit definierter Phase und Amplitude generiert und der Sensormatte 103 bzw. der Sensorbaugruppe 1, 3 (genauer dem mindestens einen ein kapazitives Sensorelement bildenden Außenleiter 1) zugeführt. Die Erzeugung des besagten Sinussignals kann durch einen Mikroprozessor 60 der Auswerteeinheit 6 gesteuert werden.
Mittels einer Messeinrichtung 62, die in eine an die Sensorbaugruppe 1, 3 angeschlossene elektrische Verbindungsleitung integriert ist und die im Ausführungsbeispiel zwischen der Signalerzeugungseinrichtung 61 und der Sensorbaugruppe 1, 3 bzw. der Sensormatte 103 liegt, wird der tatsächlich anliegende Wechselstrom gemessen und das Messergebnis dem Mikroprozessor 60 der Auswerteeinheit 6 zugeführt. Durch den Vergleich von Parametern des in der Signalerzeugungseinrichtung 61 erzeugten Wechselstroms, wie z. B. Amplitude und Phase, mit den an der Messeinrichtung 62 tatsächlich gemessenen entsprechenden Parametern, also z. B. Amplitude und Phase, lassen sich die durch die Sensormatte 103 bzw. Sensorbaugruppe 1, 3 und deren kapazitive Wechselwirkung mit der Umgebung (z. B. mit einem Fahrzeuginsassen) bewirkten Abweichungen in den besagten Parametern bestimmen.
Hierzu werden z. B. der Wirkstromanteil (also der mit der zugrundeliegenden Wechselspannung phasengleiche Anteil bzw. Realteil des Wechselstromes), insbesondere als Grundlage für die Bestimmung einer Phasenverschiebung, und/oder der Blindstromanteil (Imaginärteil des Wechselstromes) und/oder der Quadraturanteil bzw. Effektivwert des Stromes, insbesondere als Grundlage für die Bestimmung der Amplitude, ermittelt.
Insbesondere aus Amplitudenabweichungen kann dabei auf Kapazitäten der Sensorbaugruppe gegenüber einem Bezugspotential („Referenzpotential”) rückgeschlossen werden und aus Abweichungen der Phase auf mögliche Kriechströme, welche auf Feuchtigkeit bzw. Nässe im Sitz beruhen.
Hierdurch lassen sich bei der Auswertung gemessener Kapazitäten bzw. hiermit in Beziehung stehender Messgrößen zur Ermittlung der Belegung eines Sitzes, z. B. zur Unterscheidung der Zustände „nicht belegt”, „unmittelbar von einem Fahrzeuginsassen belegt” sowie „von einem in einem Kindersitz befindlichen Kleinkind belegt”, zusätzlich Feuchtigkeit und Nässe im Sitz berücksichtigen, was Fehlinterpretationen der Messergebnisse im Hinblick auf die Sitzbelegung verhindert.
Über eine Schnittstelle 68 können die über die Sitzbelegung gewonnenen Informationen an eine Steuereinrichtung weitergeleitet werden, um in Abhängigkeit hiervon Fahrzeugsysteme, insbesondere Insassenschutzsysteme, wie z. B. ein Airbagsystem, zu steuern.
5 zeigt eine kapazitive Sensorbaugruppe, die ein kapazitives Sensorelement 1 in Form eines Außenleiters umfasst, welches einen (ggf. als Heizleiter dienenden) Referenzleiter 3 als Innenleiter umgibt, wobei sich zwischen dem Referenzleiter 3 als Innenleiter und dem kapazitiven Sensorelement 1 als Außenleiter ein Dielektrikum erstreckt, im Querschnitt. Die in 5 gezeigte Anordnung, insbesondere deren erster Leiter 1 als Außenleiter sowie. der Referenzleiter 3 und das Dielektrikum 4, erstrecken sich dabei senkrecht zur Blattebene der 5.
Die Anordnung entspricht insoweit vom prinzipiellen Aufbau der Anordnung aus 2, mit dem Unterschied, dass es sich vorliegend um ein aus Schichten aufgebautes System handelt, das – nach Art eines Flachleiters – aus einer Mehrzahl aufeinander aufgebrachter (z. B. auflaminierter) Schichten besteht, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
In 5 ist dabei weiterhin angedeutet, dass die Anordnung aus dem äußeren, ersten Leiter 1, dem inneren Referenzleiter 3 sowie dem dazwischen liegenden Dielektrikum 4 außen von einem weiteren Dielektrikum 4' umgeben sein kann, an das sich wiederum ein elektrisch leitfähiges Element 1' anschließen kann usw. So können grundsätzlich n-fach nach außen hin elektrische Leiter 1, 1', ... aufeinander folgen, wobei diese jeweils durch eine geeignete isolierende Schicht voneinander getrennt sind.
Durch gestrichelte Linie sind in 5 beispielhaft Grenzflächen zwischen aufeinander angeordneten (aufeinander laminierten) Schichten angedeutet, die die Sensorbaugruppe aus 5 bilden.
6 zeigt schließlich einen Querschnitt durch ein Lenkrad 200 im Bereich des Lenkradkranzes mit einer dort angeordneten kapazitiven Sensorbaugruppe 203.
Gemäß 6 umfasst das Lenkrad 200 im Bereich des Kranzes ein Skelett 201 umgeben von einer Umhüllung 202, z. B. einem Lenkradschaum, und mit einem die äußere Oberfläche des Lenkradkranzes definierenden Bezug 204, z. B. aus Leder. Jenseits der Umhüllung 202, jedoch unterhalb der äußeren Oberfläche (definiert durch den Bezug 204) ist die kapazitive Sensorbaugruppe 203 angeordnet, die eine Vielzahl Anordnungen 1, 3 der in den 2 oder 3 oder 5 gezeigten Art umfasst, also jeweils mit einem als Außenleiter ausgebildeten kapazitiven Element und einem Referenzleiter/Heizleiter als innerem Leiter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6563231 B1 [0004, 0034]
DE 10048956 C1 [0004]

Claims

Kapazitive Sensorbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, mit – einem kapazitiven Sensorelement, das mindestens ein erstes elektrisches Leiterelement umfasst und das an eine Auswerteeinheit anzuschließen ist, welche mindestens eine Messgröße in Abhängigkeit von der kapazitiven Ankopplung des kapazitiven Sensorelementes an die Umgebung erfasst und auswertet, und – einem Referenzleiterelement, das ein elektrisches Referenzpotential definiert und das von dem ersten elektrischen Leiterelement beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Leiterelement (1) als äußeres Leiterelement ausgeführt ist, das das Referenzleiterelement (3) als Innenleiter umgibt.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leiterelement (1) als äußeres Leiterelement eine längliche Hülle bildet, in der sich das Referenzleiterelement (3) als Innenleiter erstreckt.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leiterelement (1) durch ein Leitungsgeflecht oder eine elektrisch leitfähige Folie gebildet wird.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leiterelement (1) als äußeres Leiterelement und das Referenzleiterelement (3) als Innenleiter einen koaxialen Kabelaufbau bilden.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leiterelement (1) als äußeres Leiterelement und das Referenzleiterelement (3) als Innenleiter einen geschirmten Kabelaufbau bilden.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Leiterelement (1) als äußerem Leiter und dem Referenzleiterelement (3) als Innenleiter zusätzlich ein zweites Leiterelement (2) verläuft.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leiterelement (2) das ersten Leiterelement (1) und das Referenzleiterelement (3) gegeneinander abschirmt.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leiterelement (2) als potentialgesteuerter Schirm ausgeführt ist.
Sensorbaugruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Leiterelement (1, 2) sowie das Referenzleiterelement (3) einen n-Axialkabelaufbau bilden.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzleiterelement (3) zumindest teilweise von einem Dielektrikum (4) umgeben ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (4) unter Druckeinwirkung komprimierbar ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Komprimierbarkeit des Dielektrikums (4) orts- und/oder richtungsabhängig ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Bereiche (41, 42, 43, 44) des Dielektrikums (4) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Sensorbaugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (4) aus einem derartigen Material besteht und derart ausgestaltet ist, dass das Dielektrikum (4) erst unter der Einwirkung eines Druckes oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes substantiell komprimierbar ist.
Sensorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (4) bei den im Normalbetrieb der Sensorbaugruppe (1, 3) auftretenden Drücken nicht substantiell deformierbar ist.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe mindestens eine feuchtigkeitsdichte Schutzhülle (5a, 5b, 5c) umfasst, die zumindest das Referenzleiterelement (3) umgibt.
Sensorbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 15 und Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (5a, 5b, 5c) das Dielektrikum (4) umgibt.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzleiterelement (3) zugleich als Heizleiter zum Beheizen mindestens einer Fahrzeugkomponente (100, 101, 106, 200) dient.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (1) mit einem Wechselstrom beaufschlagt ist und eine Messeinrichtung (62) zur Bestimmung von Parametern des Wechselstromes vorgesehen ist, um die Einwirkung der Sensorbaugruppe (1, 3) auf den Wechselstrom zu ermitteln.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe (1, 3) Bestandteil einer Sensormatte (103) ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 18 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormatte (103) als Heizmatte zum Beheizen mindestens einer Fahrzeugkomponente (100, 101, 106, 200) dient.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe (1, 3) weiterhin einen Temperatursensor bildet.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe ausgebildet und vorgesehen ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeugteil, um hiermit die Anwesenheit eines Fahrzeuginsassen an einem bestimmten Sitzplatz zu erkennen.
Sensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe ausgebildet und vorgesehen ist zum Einbau in einen Kraftfahrzeugsitz (100) und/oder ein Lenkrad (200) und/oder ein Sicherheitsgurtsystem.