DE102014016422A1

DE102014016422A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung

Info

Publication number: DE102014016422A1
Application number: DE102014016422.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Bossler; Martin Kreuzer; Guido Hirzmann; Alexander Lammers; Helga Heist
Original assignee: TRW Automotive Safety Systems GmbH
Current assignee: ZF Automotive Safety Systems Germany GmbH
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-12
Also published as: EP3216127A2; CN107107939A; US20170334477A1; US10501107B2; WO2016071002A2; WO2016071002A3

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung umfasst wenigstens eine in einem Lenkrad (10) angeordnete erste Elektrode (12), die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator (26) bildet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteschaltung (24) mit einem Referenzkondensator (30) bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator (26) schaltbar ist, einer Gleichspannungsquelle (34), die an den Referenzkondensator (30) anschließbar ist, und einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator (30). Ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer solchen Vorrichtung umfasst folgende, aufeinanderfolgende Schritte: Aufladen des Referenzkondensators (30) durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators (30) und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkondensator (30); Parallelschalten des Sensorkondensators (26) an den Referenzkondensator (30), sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators (30) auf den Sensorkondensator (26) übertragen wird; Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator (30); und Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators (26) aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators (30), der Referenzspannung bzw. ersten Spannung und der zweiten Spannung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer solchen Vorrichtung.
Abgesehen von optischen Erfassungssystemen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, eine Lenkradberührung sensorisch zu erfassen: kapazitiv und resistiv. Bei resisitiven Systemen wird durch den Druck der Hand auf das Lenkrad ein elektrisches Signal generiert. Einflüsse durch unterschiedlich straffe oder weniger straffe Lederummantelungen und damit unterschiedliche auf den Sensor wirkende Ausgangskräfte erschweren eine eindeutige Erkennung.
Bei kapazitiven Systemen ist derzeit eine störungsfreie Erkennung noch nicht oder nur mit großem technischen Aufwand möglich. Probleme wie unzureichende Erdung, Temperatureinflüsse und Erkennung des Ausgangszustandes beim Starten des Fahrzeuges sind zu lösen. Insbesondere neigen die Sensoren sehr stark zum Driften. Bei bekannten „offenen” Systemen, bei denen der menschliche Körper eine Kondensatorelektrode mit veränderlichem Abstand zu einer fest im Lenkrad angeordneten Elektrode bildet und deren Auswertung auf einem Schwingkreis basiert, wird die Frequenzverschiebung (Verstimmung des Schwingkreises) gemessen. Dabei wird jedoch oft bereits eine Annäherung an das Lenkrad als Berührung gewertet, sodass eine zuverlässige Erkennung einer echten Berührung nicht gewährleistet ist.
Aus der US 8 836 350 B2 ist ein Verfahren zur kapazitiven Berührungserkennung bekannt, das für die Abfrage von berührungsempfindlichen Tastaturen entwickelt wurde. Im Rahmen der Berührungserkennung wird die Spannung an einem internen Kondensator eines integrierten Schaltkreises überwacht, der an einen externen Kondensator koppelbar ist.
Die DE 10 2012 024 903 A1 zeigt ein Flächengebilde mit einem Träger, mindestens zwei elektrischen Funktionselementen und mindestens einer Naht, in die die strangförmigen Funktionselemente integriert sind. Ein solches Flächengebilde soll insbesondere in elektrischen Heizeinrichtungen Verwendung finden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige und robuste Erfassung einer Lenkradberührung zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung umfasst wenigstens eine in einem Lenkrad angeordnete erste Elektrode, die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator bildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteschaltung mit einem Referenzkondensator bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator schaltbar ist, einer Gleichspannungsquelle, die an den Referenzkondensator anschließbar ist, und einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator.
Im Vergleich zu einem „geschlossenen” System, bei dem zwei einander gegenüberliegende Elektroden im Lenkrad verbaut sind, die zur Erzeugung eines Ausgangssignals durch Druck aufeinander zu bewegt werden müssen und daher ein hochelastisches Dielektrikum bedingen, sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein „offenes” System vor, bei dem der menschliche Körper als zweite Kondensatorelektrode genutzt wird. Durch Annäherung und schließlich Berührung des Lenkrads ändert sich die Kapazität des so gebildeten Sensorkondensators signifikant. Somit kann auf eine zweite Kondensatorelektrode im Lenkrad verzichtet werden, und die erforderlichen baulichen Veränderungen im Lenkrad halten sich in Grenzen. Der erfindungsgemäße Aufbau der Auswerteeinrichtung ermöglicht dank der Einbeziehung des parallel zum Sensorkondensator schaltbaren Referenzkondensators eine zuverlässige und robuste Erkennung einer Lenkradberührung auch unter veränderlichen Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf Temperatur(drift), Feuchtigkeit etc. Die typischen Probleme bei der Überwachung von Schwingkreisen treten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf, da nur mit Gleichspannung gearbeitet wird, die vorteilhaft vom Bordnetz abgegriffen werden kann, und keine Frequenzen gemessen werden müssen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insgesamt sehr kostengünstig realisierbar und leicht skalierbar. Die Ergebnisse der Auswertung können an verschiedene Fahrzeugassistenzsysteme übergeben werden, um deren Steuerung entsprechend zu beeinflussen.
Zum kompakten Aufbau der Auswerteschaltung trägt bei, dass diese wenigstens teilweise auf einem Chip angeordnet werden kann. Insbesondere die Anordnung des Referenzkondensators auf einem Chip ist vorteilhaft, da der Chip einen Schutz vor äußeren Einflüssen bietet.
Die wenigstens eine erste Elektrode des Sensorkondensators ist bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung durch einen in einem Lenkradkranz des Lenkrads angeordneten elektrischen Leiter gebildet.
Der elektrische Leiter, aus dem die erste Elektrode gebildet ist, kann einen oder mehrere Drähte aufweisen, wobei es sich z. B. um handelsübliche Lackdrähte handeln kann. Drähte lassen sich grundsätzlich leicht biegen und in eine für eine Elektrode geeignete Form bringen.
Als elektrischer Leiter können aber auch ein oder mehrere leitfähige Bänder oder Bündel aus mehreren Litzen eingesetzt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der elektrische Leiter einen elektrisch leitfähigen Lack oder einer elektrisch leitfähige Paste auf. Das Aufbringen eines solchen Lacks bzw. einer solchen Paste auf einen Träger ermöglicht eine freie Formgestaltung der ersten Elektrode. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Lack bzw. die Paste bereits vor dem Schäumen auf den Rohling, der später die Umschäumung des Lenkradskeletts bildet, aufgetragen oder in das Werkzeug eingebracht werden kann. Dies kann prozesstechnische Vorteile gegenüber einem nachträglichen Einbringen der ersten Elektrode haben.
Eine weitere Möglichkeit, den elektrischen Leiter für die erste Elektrode zu bereitzustellen, ist die Verwendung einer (vorgefertigten) Metallplatte oder -folie.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der elektrische Leiter innerhalb einer Umschäumung angeordnet, die ein Lenkradskelett umgibt. Dort ist der elektrische Leiter vor mechanischer Beanspruchung und anderen Störeinflüssen weitestgehend geschützt. Zudem stellt der außenliegende, vom Lenkradskelett abgewandte Teil der Umschäumung einen Teil des Dielektrikums des Sensorkondensators dar, was im Hinblick auf die isolierenden Eigenschaften der Umschäumung vorteilhaft ist.
Es sind grundsätzlich aber auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen der elektrische Leiter auf einer Umschäumung aufgebracht ist, die ein Lenkradskelett umgibt. Dabei kann der elektrische Leiter entweder auf der dem Lenkradskelett zugewandten Innenseite oder auf der vom Lenkradskelett abgewandten Außenseite aufgebracht sein.
Beispielsweise kann der elektrische Leiter unmittelbar unterhalb einer äußeren Ummantelung des Lenkradkranzes, z. B. einer Leder- oder Kunstleder-Ummantelung, angeordnet sein. Der Begriff Ummantelung soll auch dekorative Anbauteile z. B. aus Kunststoff, Holzwerkstoff, Textil etc. umfassen.
Ausgehend von einem langgezogenen Grundmaterial (Drähte, Bänder etc.) kann der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der toroidalen Umfangsrichtung des Lenkradkranzes oder im Wesentlichen längs der poloidalen Umfangsrichtung des Lenkradkranzes verlaufen. „Im Wesentlichen” soll hier bedeuten, dass Krümmungen erlaubt oder sogar erwünscht sind, solange sich der elektrische Leiter insgesamt in der jeweils genannten Richtung erstreckt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Leiter Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware. Solche Gewebe oder Maschenwaren sind im Vergleich zu Metallplatten flexibler und passen sich besser an ihre Auflagefläche an.
In einer weiteren Ausführungsform der ersten Elektrode ist der elektrische Leiter auf einem Träger aufgebracht, insbesondere auf einem Textil, einer Matte oder einer Folie.
Der elektrische Leiter, der im letztgenannten Fall vorzugsweise durch fadengleiche Drähte gebildet ist, kann wie beim Sticken mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten des Trägers befestigt werden. Solche elektrisch leitfähigen Flächengebilde haben sich unter anderem bei elektrischen Lenkradheizungen bewährt, können im Rahmen der Erfindung aber auch als Kondensatorelektrode genutzt werden.
Der elektrische Leiter, aus dem die erste Elektrode des Sensorkondensators gebildet ist, muss nicht zwangsläufig aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Der elektrische Leiter kann auch aus einem Halbleitermaterial gebildet sein.
Um elektrische Störungen und damit die Fehleranfälligkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu minimieren bzw. die Qualität der Ergebnisse zu verbessern, ist eine Abschirmung wünschenswert. Eine passive Abschirmung kann durch ein metallisches Skelett des Lenkrads oder ein zwischen dem Lenkradskelett und der ersten Elektrode angeordneten elektrischen Leiter bereitgestellt werden, das bzw. der auf einem konstanten Potential oder auf Masse liegt.
Eine aktive Abschirmung kann dadurch erreicht werden, dass die Auswerteschaltung so eingerichtet ist, dass ein metallisches Skelett des Lenkrads oder ein zwischen dem Lenkradskelett und der ersten Elektrode angeordneter elektrischer Leiter bei einem Parallelschalten des Sensorkondensators und des Referenzkondensators auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
Für eine anspruchsvollere, differenziertere Auswertung, die über das bloße Erkennen einer Lenkradberührung hinausgeht, sieht die Erfindung mehrere über den Lenkradkranz verteilt angeordnete erste Elektroden vor, die galvanisch voneinander getrennt sind. Auf diese Weise wird die Anzahl der auswertbaren Sensorkondensatoren entsprechend erhöht. Je nach Anzahl und Anordnung der ersten Elektroden lassen sich Aufschlüsse über die konkrete Stelle der Lenkradberührung geben. Außerdem ist es möglich zu erkennen, ob eine oder zwei Hände am Lenkrad aufliegen, und auch Bewegungsmuster können erkannt werden.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe der oben definierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst folgende, aufeinanderfolgende Schritte:

– Aufladen des Referenzkondensators durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkondensator;
– Parallelschalten des Sensorkondensators an den Referenzkondensator, sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators auf den Sensorkondensator übertragen wird;
– Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator; und
– Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators, der Referenzspannung bzw. ersten Spannung und der zweiten Spannung.

Wie bereits erwähnt sorgt die geschickte Einbeziehung des Referenzkondensators mit bekannter konstanter Kapazität dafür, dass auch geringe Änderungen der Kapazität des Sensorkondensators zuverlässig detektiert werden können.
Vor dem Aufladen des Referenzkondensators und dem Ladungstransfer vom Referenzkondensator auf den Sensorkondensator wird zumindest der Sensorkondensator vollständig entladen. Während des Ladungstransfers ist der Referenzkondensator selbstverständlich von der Gleichspannungsquelle getrennt.
Um insbesondere Veränderungen der Kapazität des Sensorkondensators zu erkennen, die auf Bewegungen des Fahrers, insbesondere von dessen Hand oder Finger, schließen lassen, sind die oben genannten Verfahrensschritte kontinuierlich zu wiederholen.
Für eine hohe Auflösung der Detektierung sollte der zeitliche Abstand zwischen den Wiederholungen der Verfahrensschritte möglichst klein sein, vorzugsweise im Millisekundenbereich.
Zur Unterdrückung von Störungen und Verbesserung der Qualität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beim Parallelschalten des Sensorkondensators und des Referenzkondensators ein als (aktive) Abschirmung dienender elektrischer Leiter im Lenkrad, beispielsweise das metallische Lenkradskelett, auf ein vorgegebenes, zur Störunterdrückung geeignetes Potential aufgeladen werden.
Im Rahmen der Auswertung kann für eine reproduzierbare Erkennung einer Lenkradberührung auf wenigstens einen Schwellenwert für die Kapazität des Sensorkondensators zurückgegriffen werden, der vorzugsweise auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basiert.
Die Auswerteschaltung kann problemlos erweitert werden, um mehrere Sensorkondensatoren, genauer gesagt mehrere erste Elektroden zu überwachen. Dadurch wird eine anspruchsvollere, differenziertere Auswertung ermöglicht, die über das bloße Erkennen einer Lenkradberührung hinausgeht. Je nach Anzahl und Anordnung der ersten Elektroden lassen sich Aufschlüsse über die konkrete Stelle der Lenkradberührung geben. Außerdem ist es möglich zu erkennen, ob eine oder zwei Hände am Lenkrad aufliegen, und auch Bewegungsmuster können erkannt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Fahrzeuglenkrad mit schematisch dargestellten, verteilt angeordneten Elektroden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung;
2 einen schematischen Schnitt durch den Kranz des Lenkrads aus 1 mit einer Detailvergrößerung; und
3 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zur kapazitiven Erfassung einer Berührung eines Lenkrads 10 in einem Kraftfahrzeug, wie es beispielhaft in 1 gezeigt ist, wird wenigstens ein Sensorkondensator benötigt, der bei der im Folgenden beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung „offen” ausgebildet ist.
Als erste Elektrode 12 des Sensorkondensators dient eine elektrisch leitfähige Fläche, die unbeweglich im Lenkradkranz 14 angeordnet und von außen nicht sichtbar ist. (Zur Illustration sind in der linken Hälfte von 1 schematisch mehrere Stellen des Lenkradkranzes 14 markiert, an denen sich gemäß einer beispielhaften Anordnung erste Elektroden 12 befinden können.) Beispiele für verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung und Anordnung der ersten Elektrode 12 werden später noch genauer beschrieben.
Eine zweite Elektrode stellt der menschliche Körper des Fahrers dar. Dementsprechend ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode variabel. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist minimal, wenn der Fahrer, insbesondere dessen Finger oder Hand, das Lenkrad 10 unmittelbar über der ersten Elektrode 12 berührt.
Das Dielektrikum des Sensorkondensators wird durch die auf die erste Elektrode 12 radial nach außen folgenden Schichten des Lenkradkranzes 14, einschließlich der Ummantelung 20, und gegebenenfalls durch die Luft zwischen der Ummantelung 20 und der Hand des Fahrers gebildet.
2 zeigt einen Schnitt durch den Lenkradkranz 14 einschließlich einer Detailvergrößerung. Ein metallisches Lenkradskelett 16 ist von einer Kunststoff-Umschäumung 18, z. B. Polyurethan (PUR), umgeben. Die Umschäumung 18 ist wiederum von einer Ummantelung 20 aus Leder, Kunstleder, Holz, Stoff, Lack, Kunststoff, Gummi oder einem anderen, elektrisch nicht leitenden Material bedeckt. Selbstverständlich kann der Lenkradkranz 14 selbst noch weitere Bestandteile aufweisen, die hier jedoch von untergeordneter Bedeutung sind.
Wie bereits erwähnt befindet sich im Lenkradkranz 14 wenigstens eine erste Elektrode 12. Diese kann, wie in der Detailvergrößerung der 2 zu erkennen ist, durch eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Drähten 22 gebildet sein, die innerhalb der Umschäumung 18 angeordnet sind. Anstelle von mehreren Drähten 22 kann auch nur ein einziger, möglicherweise mehrfach gewundener Draht 22 vorgesehen sein. Der Einfachheit halber wird im Folgenden immer von einer Mehrzahl ausgegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 2 verlaufen die Drähte 22 längs zur toroidalen Umfangsrichtung T des Lenkradkranzes 14. Genauso gut können die Drähte 22 aber auch quer dazu verlaufen und sich ganz oder zumindest teilweise in der poloidalen Umfangsrichtung P um das Lenkradskelett 16 winden. In beiden Fällen ist nur die Grundrichtung der Drähte 22 angegeben, d. h. ein wellen- oder mäanderförmiger Verlauf soll jeweils mitumfasst sein.
Von Bedeutung ist in jedem Fall, dass die Drähte 22 insgesamt so angeordnet sind, dass sie insgesamt mehr oder weniger eine elektrisch leitfähige Fläche bilden, die als Kondensatorelektrode fungieren kann.
Es ist wünschenswert, dass die Drähte 22 nicht innen und/oder außen auf der Umschäumung 18 aufliegen, wo sie unter Umständen verrutschen oder vom Fahrer gespürt werden können, sondern innerhalb der Umschäumung 18 angeordnet sind. Grundsätzlich können die Drähte 22 entweder vor oder nach dem Schäumen in die Umschäumung 18 eingebracht werden. Im letzteren Fall muss die Umschäumung 18 nachträglich eingeschnitten werden. Damit die Drähte 22 sicher und zuverlässig in der Umschäumung 18 gehalten werden, kann ein besonderes Verfahren zum Einbringen angewendet werden, das eine schnelle und gleichmäßige Verlegung der Drähte 22 ermöglicht. Dabei werden die Drähte 22 direkt beim Einschneiden der Umschäumung 18 gleichzeitig in diesen Schnitt eingebracht, sodass kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist, um beispielsweise die Schnittränder zum Einlegen der Drähte 22 wieder auseinanderzubiegen.
Die Drähte 22 können mit einer isolierenden Lackschicht überzogen sein (z. B. Kupferlackdraht) und/oder Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware sein. Unter Gewebe und Maschenware soll hier allgemein jede mehr oder weniger zweidimensionale Struktur aus Drähten oder dergleichen verstanden werden, insbesondere ein- oder mehrlagige Gewebe sowie Gestricke und Gewirke.
Des Weiteren können die Drähte 22 auch auf einem Träger aufgebracht sein. Insbesondere ist als erste Elektrode 12 ein Flächengebilde geeignet, wie es bei einer elektrischen Lenkradheizung zum Einsatz kommt. Ein solches Flächengebilde weist einen Träger auf, der vorzugsweise flächig und zumindest teilweise ein Textil, eine Matte oder eine Folie sein kann. Die Drähte 22 können wie Fäden mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten am Träger befestigt werden. Der Verlauf und die Fläche, die die Drähte 22 auf dem Träger einnehmen, sollten so gewählt sein, dass sie als Kondensatorelektrode fungieren können.
Anstelle von Drähten 22 können auch andere elektrische Leiter, wie etwa elektrisch leitfähige Bänder, Bündel aus mehreren Litzen oder dergleichen, für die Ausbildung der ersten Elektrode 12 verwendet werden.
In einer anderen Variante ist die erste Elektrode 12 aus einem elektrisch leitfähigen Lack oder einer elektrisch leitfähigen Paste gebildet. Der Lack bzw. die Paste kann grundsätzlich auf der dem Lenkradskelett 16 zugewandten Innenseite oder auf der Außenseite der Umschäumung 18, z. B. direkt unter der Ummantelung 20, aufgebracht sein. Im letzteren Fall kann der Lack bzw. die Paste direkt auf den Rohling aufgetragen werden, bevor dieser geschäumt wird.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der ersten Elektrode 12 ist eine Metallplatte oder -folie, die zwischen Umschäumung 18 und Ummantelung 20 eingefügt ist.
Anstelle eines Metalls oder einer Legierung kann für den elektrischen Leiter auch ein Halbleitermaterial verwendet werden.
Falls bei der Detektierung von Lenkradberührungen eine Ortsauflösung gewünscht ist, können gemäß der schematischen Darstellung der linken Hälfte von 1 mehrere, in der toroidalen Umfangsrichtung T des Lenkradkranzes verteilt angeordnete erste Elektroden 12 vorgesehen sein, die gleichzeitig überwacht werden. Die ersten Elektroden 12 können zusätzlich auch (noch) in der poloidalen Umfangsrichtung P des Lenkradkranzes 14 verteilt und/oder nur an nach bestimmten Kriterien ausgesuchten Stellen des Lenkradkranzes 14 angeordnet sein.
Nachfolgend wird die Erfassung einer Lenkradberührung durch den Fahrer mithilfe der im Lenkradkranz 14 angeordneten ersten Elektrode 12 beschrieben. Die Erfassung basiert auf der Kapazitätsänderung des Sensorkondensators, die auftritt bei einer Annäherung des als zweite Elektrode fungierenden Fahrers, insbesondere von dessen Hand oder Finger, an die erste Elektrode 12.
3 zeigt den grundlegenden Aufbau einer Auswerteschaltung 24, die bei der hier beschriebenen Vorrichtung zum Einsatz kommt. Der Sensorkondensator ist hier allgemein mit 26 symbolisiert. Dessen in der Entfernung zur ersten Elektrode 12 variable zweite Elektrode, die durch den menschlichen Körper des Fahrers gebildet ist, ist hier mit 36 bezeichnet.
Mittels eines ersten Schalters 28 kann der Sensorkondensator 26 parallel zu wenigstens einem Referenzkondensator 30 geschaltet werden. Der Referenzkondensator 30 hat eine bekannte Kapazität C_Ref und kann zusammen mit weiteren Bestandteilen der Auswerteschaltung 24 auf einem Chip (IC) angeordnet sein, beispielsweise als Teil eines Analog-Digital-Wandlers. Die Kapazität C_Ref des Referenzkondensators 30 ist so gewählt, dass sie etwa im Bereich derjenigen Kapazität C_Sen des Sensorkondensators 26 liegt, wenn eine Lenkradberührung stattfindet.
Über einen zweiten Schalter 32 kann eine Gleichspannungsquelle 34 mit dem Referenzkondensator 30 verbunden werden. Mittels einer Messeinrichtung kann jeweils die Spannung am Referenzkondensator 30 gemessen werden.
Anhand der folgenden Ausführungen wird das grundlegende Messprinzip verdeutlicht. Durch Schließen des zweiten Schalters 32 wird eine bekannte Referenzspannung U_Ref an den Referenzkondensator 30 angelegt. Gemäß der Gleichung Q = C_Ref·U_Ref1 speichert der Referenzkondensator 30 eine Ladung Q. Alternativ kann der Referenzkondensator 30 aufgeladen und nach dem Ladevorgang eine erste Spannung am Referenzkondensator 30 gemessen werden, welche der Einfachheit halber ebenfalls als U_Ref1 bezeichnet wird.
Durch Öffnen des zweiten Schalters 32 und Schließen des ersten Schalters 28 wird der Referenzkondensator 30 von der Gleichspannungsquelle 34 getrennt und mit dem Sensorkondensator 26, der zuvor vollständig entladen wurde, parallel geschaltet. In diesem Schaltzustand findet ein Ladungsausgleich statt, bei dem ein Teil der Ladung Q des Referenzkondensators 30 auf den parallel geschalteten Sensorkondensator 26 übertragen wird. Für diesen Ladungstransfer werden etwa 20 Millisekunden veranschlagt.
Die Gesamtladung Q bleibt bei diesem Vorgang gleich, ist aber nun auf die beiden Kondensatoren 26, 30 aufgeteilt (Q = Q_Ref + Q_Sen). Dagegen ist die nun am Referenzkondensator 30 messbare zweite Spannung U_Ref2 geringer als die (erste) Referenzspannung U_Ref1, da die Gesamtkapazität der parallel geschalteten Kondensatoren 26, 30 (C_Ref + C_Sen) größer ist als die Kapazität C_Ref des Referenzkondensators 30 alleine: U_Ref2 = Q/(C_Ref + C_Sen)
Aus den obigen Zusammenhängen lässt sich nun ohne Weiteres die aktuelle Kapazität C_Sen des Sensorkondensators 26 berechnen: C_Ref·U_Ref1 – (C_Ref + C_Sen)·U_Ref2 C_Sen = C_Ref·(U_Ref1 – U_Ref2)/U_Ref2
Bei bekannter Kapazität C_Ref des Referenzkondensators 30 müssen also nur jeweils die Gleichspannungen U_Ref1 und U_Ref2 gemessen werden, um die aktuelle Kapazität C_Sen des Sensorkondensators 26 bestimmen zu können.
Die oben beschriebenen Vorgänge werden in kurzen Abständen, z. B. zwei Millisekunden, kontinuierlich wiederholt. Die fortlaufende Bestimmung der Kapazität C_Sen des Sensorkondensators 26 ermöglicht es, Änderungen dieser Kapazität zu erkennen. Anhand von sorgfältig festgelegten Schwellwerten, die auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basieren können, lässt sich bei Unter- bzw. Überschreiten dieser Schwellwerte auf eine Berührung bzw. auf ein Loslassen des Lenkrads 10 schließen.
Eine aufwendigere Auswertung ermöglicht es, bereits eine Annäherung an das Lenkrad 10 bzw. eine Entfernung vom Lenkrad 10 zu erkennen. Auch eine Unterscheidung zwischen einer Berührung/Annäherung mit der Hand und einer Berührung/Annäherung mit einem Finger kann getroffen werden.
Falls mehrere, galvanisch voneinander getrennte erste Elektroden 12 am Lenkrad 10 angebracht sind, kann die Auswertung aller so gebildeten Sensorkondensatoren 26 Aufschluss über die Stelle des Lenkrads 10 geben, an der eine Berührung stattfindet und ob eine oder zwei Hände am Lenkrad 10 aufliegen. Darüber hinaus können auch Gesten erkannt werden, wie etwa ein Entlangstreifen einer Hand auf dem Lenkradkranz 14.
Die Ergebnisse der Auswertung können verschiedenen Fahrzeugassistenzsystemen als Eingangsparameter zugeführt werden.
Zur Unterdrückung von Störungen kann das metallische Lenkradskelett 16 oder ein weiterer zwischen dem Lenkradskelett 16 und der ersten Elektrode 12 angeordneter elektrischer Leiter als Abschirmung genutzt werden. Eine passive Abschirmung wird dadurch erreicht, dass dieser elektrische Leiter auf ein konstantes Potential oder Masse gelegt wird. Dadurch werden insbesondere die Lade- und Entladevorgänge an den Kondensatoren 26, 30 und damit die Auswertung der gemessenen Spannungen robuster gegen Störungen. Zusätzlich oder alternativ kann eine aktive Abschirmung vorgesehen sein, bei der dieser elektrische Leiter beim zuvor beschriebenen Parallelschalten von Sensorkondensator 26 und Referenzkondensator 30 auf ein zur Störunterdrückung geeignetes Potential aufgeladen wird.
Die erste Elektrode 12 des Sensorkondensators 26 kann gleichzeitig ein Heizelement einer Lenkradheizung sein, oder sie kann mit einer solchen oder ähnlichen Einrichtung verbunden sein.
Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine erste Elektrode 12 auch am Airbagmodul des Lenkrads 10, insbesondere in oder unter dessen oberer Abdeckung, angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: Lenkrad
12: erste Elektrode
14: Lenkradkranz
16: Lenkradskelett
18: Umschäumung
20: Ummantelung
22: Drähte
24: Auswerteschaltung
26: Sensorkondensator
28: erster Schalter
30: Referenzkondensator
32: zweiter Schalter
34: Gleichspannungsquelle
36: zweite Elektrode
T: toroidale Umfangsrichtung
P: poloidale Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8836350 B2 [0004]
DE 102012024903 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung, mit wenigstens einer in einem Lenkrad (10) angeordneten ersten Elektrode (12), die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator (26) bildet, und einer Auswerteschaltung (24) mit einem Referenzkondensator (30) bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator (26) schaltbar ist, einer Gleichspannungsquelle (34), die an den Referenzkondensator (30) anschließbar ist, und einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung wenigstens teilweise auf einem Chip angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) durch einen in einem Lenkradkranz (14) des Lenkrads (10) angeordneten elektrischen Leiter gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen oder mehrere Drähte (22) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter ein oder mehrere leitfähige Bänder oder Bündel aus mehreren Litzen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen elektrisch leitfähigen Lack oder einer elektrisch leitfähige Paste aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter eine Metallplatte oder -folie aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter innerhalb einer Umschäumung (18) angeordnet ist, die ein Lenkradskelett (16) umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter auf einer Umschäumung (18) aufgebracht ist, die ein Lenkradskelett (16) umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter unmittelbar unterhalb einer äußeren Ummantelung (20) des Lenkradkranzes (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der toroidalen Umfangsrichtung des Lenkradkranzes (14) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der poloidalen Umfangsrichtung des Lenkradkranzes (14) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter auf einem Träger aufgebracht ist, insbesondere auf einem Textil, einer Matte oder einer Folie.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten des Trägers befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter aus einem Halbleitermaterial gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Skelett (16) des Lenkrads (10) oder ein zwischen dem Lenkradskelett (16) und der ersten Elektrode (12) angeordneter elektrischer Leiter auf einem konstanten Potential oder Masse liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung so eingerichtet ist, dass ein metallisches Skelett (16) des Lenkrads (10) oder ein zwischen dem Lenkradskelett (16) und der ersten Elektrode (12) angeordneter elektrischer Leiter bei einem Parallelschalten des Sensorkondensators (26) und des Referenzkondensators (30) auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere über den Lenkradkranz (14) verteilt angeordnete erste Elektroden (12) vorgesehen sind.
Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden, aufeinanderfolgenden Schritten: – Aufladen des Referenzkondensators (30) durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators (30) und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkondensator (30); – Parallelschalten des Sensorkondensators (26) an den Referenzkondensator (30), sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators (30) auf den Sensorkondensator (26) übertragen wird; – Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator (30); und – Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators (26) aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators (30), der Referenzspannung bzw. ersten Spannung und der zweiten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte kontinuierlich wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen den Wiederholungen der Verfahrensschritte im Millisekundenbereich liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Parallelschalten des Sensorkondensators (26) und des Referenzkondensators (30) ein als Abschirmung dienender elektrischer Leiter im Lenkrad auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Lenkradberührung auf wenigstens einen Schwellenwert für die Kapazität des Sensorkondensators (26) zurückgegriffen wird, der vorzugsweise auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe der Auswerteschaltung mehrere Sensorkondensatoren (26) überwacht werden.