DE102014117823A1

DE102014117823A1 - Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem Sensorsystem und Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines solchen Lenkrads

Info

Publication number: DE102014117823A1
Application number: DE102014117823.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Staude; Alexander Mayr; Frank Kaiser
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Lenkrad (10, 20, 30) für ein Kraftfahrzeug mit einem Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung, wobei das Sensorsystem zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) ausgebildet ist und wenigstens eine, in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) angeordnete, elektrisch leitfähige Sensorstruktur (11) mit einem Detektionsbereich aufweist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass zur Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Umgebung in einem ersten Abtastzyklus (AZ1) in einem ersten Schritt (T1) eine Referenzkapazität (170) mit einem ersten, definierten elektrischen Potenzial und eine von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (CUmgebung) jeweils mit einem zweiten, definierten elektrischen Potenzial aufladbar sind, in einem weiteren Schritt (T2) die Referenzkapazität (170) und die von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität(CUmgebung) kurzschließbar sind, und in einem weiteren Schritt (T3) das sich zwischen der Messkapazität (CUmgebung) und der Referenzkapazität (170) einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung, wobei das Sensorsystem zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich des Lenkrads ausgebildet ist und wenigstens eine, in einem Greifbereich des Lenkrads angeordnete, elektrisch leitfähige Sensorstruktur mit einem Detektionsbereich aufweist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich der Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber jeweils eine erfassbare, der Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung bewirkt, wobei das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Umgebung zu erfassen, so dass infolgedessen die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads erkannt werden kann.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich eines vorbeschriebenen Lenkrads, wobei das Lenkrad ein Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung aufweist, wobei das Sensorsystem zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich des Lenkrads ausgebildet ist und wenigstens eine, in einem Greifbereich des Lenkrads angeordnete, elektrisch leitfähige Sensorstruktur mit einem Detektionsbereich aufweist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich der Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber jeweils eine erfassbare, der Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung bewirkt, wobei das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Umgebung zu erfassen, so dass infolgedessen die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads erkannt werden kann.
Lenkräder für Kraftfahrzeuge mit derartigen Sensorsystemen mit kapazitiven Sensoreinrichtungen zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich des Lenkrads, insbesondere zur Hands-On-Off-Erkennung, auch in Verbindung mit Abschirmeinrichtungen und/oder in das Lenkrad integrierten Heizeinrichtungen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2011 084 903 A1 oder der DE 10 2009 058 138 A1 .
Zur Erfassung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur bzw. der Änderung einer kapazitiven Kopplung stehen aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Erfassung einer kapazitiven Kopplung kann grundsätzlich beispielsweise mittels eines Schwingkreises oder mithilfe eines Ladevorgangs, bei dem beispielsweise eine Stromänderung erfasst wird, gemessen werden, oder mittels anderer, entsprechend geeigneter Methoden. In Lenkrädern kommen dabei in der Regel Schwingkreise zum Einsatz, welche häufig aufwendig in der Umsetzung sind.
Darüber hinaus ist für andere Anwendungen ein Verfahren bekannt, das von der Firma „Microchip“ entwickelt worden ist, das sogenannte CVD(Capacitive Voltage Divider)-Verfahren, das auf einer einfachen Spannungsmessung basiert, wobei bei dem sogenannten CVD-Self-Verfahren eine Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung erfasst wird und bei dem sogenannten CVD-Mutual-Verfahren, eine Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit einer Referenzelektrode.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Lenkrad sowie ein alternatives Verfahren bereitzustellen, insbesondere ein verbessertes Lenkrad sowie ein verbessertes Verfahren, das auf einfache Art und Weise die Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads ermöglicht, insbesondere die Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand oder von Teilen davon.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Lenkrad sowie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Lenkrad ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass zur Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Umgebung in einem ersten Abtastzyklus in einem ersten Schritt eine Referenzkapazität und eine von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität jeweils mit einem definierten elektrischen Potenzial aufladbar sind, wobei die Referenzkapazität mit einem ersten, definierten elektrischen Potenzial aufladbar ist und die Messkapazität mit einem zweiten, definierten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzschließbar sind, und in einem weiteren Schritt das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfassbar ist, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt. Die Messkapazität wird dabei aufgeladen, indem an der Sensorstruktur ein definiertes elektrisches Potenzial angelegt wird.
Bevorzugt ist das Sensorsystem eines erfindungsgemäßen Lenkrads derart ausgebildet, dass in einem zweiten Abtastzyklus im ersten Schritt die Referenzkapazität mit dem zweiten elektrischen Potenzial aufladbar ist und die Messkapazität mit dem ersten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzschließbar sind, und in einem weiteren Schritt das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfassbar ist, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt. D.h. bevorzugt können die betreffenden Kapazitäten in einem zweiten, sich vorzugsweise an den ersten Abtastzyklus anschließenden Abtastzyklus, umgekehrt aufgeladen werden. Dadurch kann die Erkennungsgenauigkeit verbessert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorsystem eine Referenzelektrode auf, insbesondere zusätzlich, wobei die Referenzelektrode mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist und die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode bewirkt, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Referenzelektrode zu erfassen.
Bevorzugt ist das Sensorsystem derart ausgebildet, dass in einem weiteren Abtastzyklus, vorzugsweise in einem zweiten Abtastzyklus und/oder einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus, vorzugsweise zusätzlich, in einem ersten Schritt jeweils die Referenzelektrode mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, und in einem weiteren Schritt die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode erfassbar ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, nacheinander, vorzugsweise im Wechsel, insbesondere alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode zu erfassen und die ermittelten Änderungen der kapazitiven Kopplungen jeweils miteinander zu verrechnen zur Auswertung, ob sich eine Hand im Greifbereich des Lenkrads befindet bzw. annähert oder entfernt.
Dabei kann zum Beispiel über zwei Abtastzyklen eine Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung erfasst werden und anschließend über zwei Abtastzyklen eine Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode oder mit der Umgebung und der Referenzelektrode. Selbstverständlich ist die Reihenfolge beliebig.
Durch eine derartige kombinierte Erfassung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur, nämlich zum einen mit der Umgebung und zum anderen mit der Referenzelektrode bzw. mit der Umgebung und der Referenzelektrode, kann die Erkennungsgenauigkeit erheblich gesteigert werden, insbesondere kann die Auflösung, insbesondere die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung bzw. deren Genauigkeit dadurch deutlich verbessert werden. Insbesondere können Messfehler und stationäre Offsets oder dergleichen auf einfache Art und Weise herausgerechnet werden.
Bevorzugt weist die Sensoreinrichtung eines erfindungsgemäßen Lenkrads wenigstens zwei Sensorstrukturen auf, wobei wenigstens eine Sensorstruktur auch als Referenzelektrode schaltbar ist, vorzugsweise sämtliche Sensorstrukturen.
Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei Sensorstrukturen zumindest teilweise kämmend angeordnet, wobei das Sensorsystem insbesondere derart ausgebildet ist, dass aus dem Verhältnis der jeweils den einzelnen Sensorstrukturen zugeordneten, erfassbaren Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, eine Position einer menschlichen, sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen befindlichen Hand, bestimmbar ist.
Bevorzugt weist das Lenkrad auch eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem Abschirmelement auf, wobei die Abschirmeinrichtung zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads ausgebildet ist, insbesondere zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber einem metallischen Lenkradkern.
Dabei ist das Abschirmelement in einigen Fällen bevorzugt zumindest teilweise flächig ausgebildet mit einer Außenseite und einer Innenseite und vorzugsweise derart im Lenkrad angeordnet ist, dass die Innenseite dem Lenkradkern zugewandt ist und die Außenseite wenigstens einer Sensorstruktur, wobei das Abschirmelement den Lenkradkern insbesondere zumindest teilweise umgreift.
Besonders bevorzugt ist das Abschirmelement elektrisch leitfähig und kann während einer Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung wenigstens einer Sensorstruktur mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, vorzugsweise mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt.
Ein erfindungsgemäßes Lenkrad kann auch eine Heizeinrichtung aufweisen, wobei die Heizeinrichtung wenigstens eine elektrisch leitfähige Heizstruktur zur Heizung des Lenkrades aufweist und vorzugsweise mit der Sensoreinrichtung abgestimmt ansteuerbar ist, insbesondere zeitlich abgestimmt. Bei geeigneter Abstimmung der Ansteuerung der Sensoreinrichtung und der Heizeinrichtung aufeinander kann eine störende kapazitive Kopplung der Sensoreinrichtung mit Komponenten des Lenkrads, insbesondere mit der Heizeinrichtung reduziert, wenn nicht sogar vermieden werden.
Dazu kann die Heizeinrichtung beispielsweise allpolig abgeschaltet werden. In einigen Fällen ist es auch vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung zeitlich auf ein Pulsweitenmodulations-Signal, mit welchem die Heizstruktur angesteuert wird, synchronisiert wird, insbesondere derart, dass die Erfassung der kapazitiven Kopplung einer Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode nur erfolgt, während eine Heizleistung der betreffenden Heizstruktur konstant ist, d.h. nicht auf den Flanken des Pulsweitenmodulations-Signals.
Bevorzugt ist wenigstens eine Heizstruktur, alternativ oder zusätzlich, als Sensorstruktur schaltbar, wobei vorzugsweise dazu das Lenkrad, insbesondere das Sensorsystem, derart ausgebildet ist, dass die Heizstruktur für die Zeit der Verwendung als Sensorstruktur allpolig abschaltbar ist. Es versteht sich von selbst, dass währenddessen mit dieser Heizstruktur kein Heizbetrieb möglich ist, d.h. dass während dieser Zeit keine Heizleistung abgegeben werden kann.
Vorzugsweise kann auch wenigstens eine Heizstruktur als Referenzelektrode geschaltet werden, insbesondere sämtliche Heizstrukturen.
Besonders bevorzugt kann wenigstens eine Heizstruktur als aktives Abschirmelement geschaltet werden, wobei die Heizstruktur dazu bevorzugt mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, vorzugsweise mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt, wobei das Lenkrad vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die Beaufschlagung der Heizstruktur mit dem definierten elektrischen Potenzial eine Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads bewirkt, insbesondere gegenüber einem metallischen Lenkradkern.
Alternativ oder zusätzlich kann auch der Lenkradkern als aktives Abschirmelement geschaltet werden, wobei der Lenkradkern dazu bevorzugt mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, vorzugsweise mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt, wobei das Lenkrad insbesondere derart ausgebildet ist, dass die Beaufschlagung des Lenkradkerns mit dem definierten elektrischen Potenzial eine störende kapazitive Kopplung des Lenkradkerns mit der Sensoreinrichtung reduziert, insbesondere vermeidet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads, insbesondere zum Erfassen der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Umgebung, in einem ersten Abtastzyklus in einem ersten Schritt eine Referenzkapazität und eine von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität jeweils mit einem definierten elektrischen Potenzial aufgeladen werden, wobei die Referenzkapazität mit einem ersten elektrischen Potenzial aufgeladen wird und die Messkapazität mit einem zweiten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzgeschlossen werden, und in einem weiteren Schritt das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfasst wird, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt.
In einem zweiten Abtastzyklus wird vorzugsweise im ersten Schritt die Referenzkapazität mit dem zweiten elektrischen Potenzial aufgeladen und die Messkapazität mit dem ersten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt werden dann vorzugsweise die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzgeschlossen, und in einem weiteren Schritt wird insbesondere das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfasst, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt.
Weist das Sensorsystem eine Referenzelektrode auf und bewirkt die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode, wird bevorzugt in einem weiteren Abtastzyklus, insbesondere in einem zweiten Abtastzyklus und/oder einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus, vorzugsweise zusätzlich, in einem ersten Schritt jeweils die Referenzelektrode mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt und in einem weiteren Schritt die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode erfasst, wobei die ermittelten Änderungen anschließend bevorzugt für die Auswertung miteinander verrechnet werden.
Bevorzugt wird nacheinander, vorzugsweise im Wechsel, insbesondere alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode erfasst.
Weist die Sensoreinrichtung des Lenkrads wenigstens zwei Sensorstrukturen auf, wird vorzugsweise wenigstens eine Sensorstruktur zumindest zeitweise als Referenzelektrode geschaltet, vorzugsweise sämtliche Sensorstrukturen.
Sind wenigstens zwei Sensorstrukturen zumindest teilweise kämmend angeordnet, wird bevorzugt jeweils die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode erfasst und aus dem Verhältnis der erfassten, jeweils den einzelnen Sensorstrukturen zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, eine Position einer menschlichen, im Detektionsbereich der Sensorstrukturen befindlichen Hand bestimmt.
Weist das Lenkrad eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem elektrisch leitfähigem Abschirmelement auf zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads, insbesondere gegenüber dem Lenkradkern, wird das Abschirmelement vorzugsweise während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung wenigstens einer Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagt, insbesondere mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt.
Weist das Lenkrad eine Heizeinrichtung auf mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur zur Heizung des Lenkrades, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens eine Heizstruktur zumindest zeitweise als Sensorstruktur geschaltet und betrieben, wobei dazu vorzugsweise die Heizstruktur für die Zeit der Verwendung als Sensorstruktur allpolig abgeschaltet wird.
Weist das Lenkrad eine Heizeinrichtung auf mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur zur Heizung des Lenkrades, ist es in einigen Fällen auch vorteilhaft, wenn wenigstens eine Heizstruktur zumindest zeitweise als Referenzelektrode geschaltet und betrieben wird, vorzugsweise sämtliche Heizstrukturen.
Eine Heizstruktur und/oder der Lenkradkern können auch, zumindest zeitweise, alternativ oder zusätzlich zu einem eventuell vorhandenen weiteren Abschirmelement, als aktives Abschirmelement geschaltet und betrieben werden, insbesondere während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung einer Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, wobei dazu die Heizstruktur und/oder der Lenkradkern mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, vorzugsweise mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung im Zusammenhang mit dem Sensorsystem, dem Lenkrad oder dem Verfahren genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen gelten jeweils nicht nur für das Lenkrad, sondern jeweils auch für das beschriebene Verfahren und sind jeweils nicht nur in den jeweils beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen, technisch ausführbaren Kombinationen bzw. in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads in Frontansicht,
2 das erfindungsgemäße Lenkrad aus 1 mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung in Schnittdarstellung in Dickenrichtung,
3 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Lenkrads aus den 1 und 2 in Seitenansicht,
4 einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes der kapazitiven Sensoreinrichtung des erfindungsgemäßen Lenkrades aus den 1 bis 3 zur Verdeutlichung der Funktionsweise der kapazitiven Sensoreinrichtung,
5 einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes der kapazitiven Sensoreinrichtung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lenkrades,
6 schematisch den Verlauf eines an der Sensorstruktur der kapazitiven Sensoreinrichtung eines erfindungsgemäßen Lenkrades während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung anliegenden elektrischen Potenzials,
7a ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Sensorstruktur einer kapazitiven Sensoreinrichtung eines erfindungsgemäßen Lenkrads auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
7b ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Sensorstruktur einer kapazitiven Sensoreinrichtung des erfindungsgemäßen Lenkrads aus den 1 bis 3, ebenfalls auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
7c ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Sensorstruktur einer kapazitiven Sensoreinrichtung eines erfindungsgemäßen Lenkrads, ebenfalls auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads, wobei dieses Lenkrad zusätzlich eine Heizeinrichtung sowie eine Abschirmeinrichtung aufweist,
9 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Lenkrads aus den 8 in Seitenansicht,
10 ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad, ebenfalls auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
11 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad, ebenfalls auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
12 ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit teilweise kämmend angeordneten Sensorstrukturen in Umfassungsrichtung in abgewickelter Darstellung,
13 ein alternatives, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit kämmend angeordneten Sensorstrukturen in Umfangsrichtung in abgewickelter Darstellung.
14 eine schematische Darstellung einer zeitlich aufeinander abgestimmten Ansteuerung von Sensoreinrichtung und Heizeinrichtung,
15a einen Verlauf eines nachgeführten elektrischen Potenzials eines aktiven Abschirmelementes,
15b den Verlauf eines elektrischen Potenzials eines aktiven Abschirmelementes, wobei das Potenzial des Abschirmelements dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden elektrischen Potenzial folgt,
16 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads, wobei bei diesem Lenkrad die Sensorstruktur durch die Heizstruktur gebildet ist,
17 ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Sensorstruktur einer kapazitiven Sensoreinrichtung des erfindungsgemäßen Lenkrads aus 16 auf einem Träger in abgewickelter Darstellung,
18a einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes zur Steuerung der kapazitiven Sensoreinrichtung, der Heizeinrichtung und der Abschirmeinrichtung des erfindungsgemäßen Lenkrads aus 8,
18b einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes zu dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit einer durch die Heizstruktur gebildeten Sensorstruktur,
18c einen Ausschnitt eines alternativen Blockschaltbildes zu dem in 18a gezeigten Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Lenkrad gemäß 8 mit einer von der Sensorstruktur verschiedenen Heizstruktur und einer Abschirmeinrichtung, wobei die Heizstruktur als Referenzelektrode betrieben werden kann, und
18c einen Ausschnitt eines weiteren, alternativen Blockschaltbildes zu dem in 18a gezeigten Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Lenkrad gemäß 8 mit einer von der Sensorstruktur verschiedenen Heizstruktur und einer Abschirmeinrichtung, wobei die Heizstruktur als aktives Abschirmelement betrieben werden kann.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung in Frontansicht, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung unterhalb eines Lenkradbezugs 15 angeordnet ist und mehrere Sensorstrukturen 11 aufweist, die in dieser Darstellung allerdings nur durch einen Bezugspfeil schematisch angedeutet sind. Die Sensorstrukturen 11 erstrecken sich dabei in ihrer Gesamtheit sowohl vollständig umlaufend in Umfassungsrichtung 17, als auch vollständig umlaufend in Umfangsrichtung 18. D.h. die Sensorstrukturen 11 decken nahezu einen gesamten Greifbereich der Lenkradfläche ab.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die elektrisch leitfähigen Sensorstrukturen 11 als Teil der kapazitiven Sensoreinrichtung zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand bzw. eines Fingers 16 im Greifbereich des Lenkrads 10, insbesondere zur Hands-On-Off-Erkennung, auf einem Träger 9 aus einem dünnen Stoff aufgestickt und in das Lenkrad 10 integriert, wobei die Sensorstrukturen 11 unterhalb des Lenkradbezugs 15 aus Leder angeordnet sind, siehe 2.
Die Sensorstruktur 11 wird dabei jeweils durch mehrere, elektrische Leiter in Form von einzelnen Widerstandsdrähten gebildet, siehe 3, welche mäanderförmig auf dem Träger 9 um einen gesamten Umfang in Dickenrichtung, d.h. in Umfassungsrichtung 17 herum verlaufen und in Umfangsrichtung 18 über den gesamten Lenkradumfang verteilt gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind.
Ferner weist das Lenkrad 10 einen metallischen Lenkradkern 13 auf, der eine Tragstruktur des Lenkrads 10 bildet und im Kernbereich eines Lenkradquerschnittes angeordnet ist, was in 2 gut erkennbar ist. Die sich zwischen den zuvor beschriebenen Komponenten des Lenkrads 10 befindlichen und nicht näher beschriebenen Schichten sind jeweils mit einem Polyurethan(PU)-Schaum ausgefüllt.
Das Erkennen einer Annäherung und/oder einer Entfernung einer menschlichen Hand 16 mittels der kapazitiven Sensoreinrichtung erfolgt dabei nach dem sogenannten „kapazitiven Prinzip“, welches darauf beruht, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand 16 oder eines Teils der Hand 16, insbesondere die Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand 16 und/oder eines anderen menschlichen Körperteils an eine Sensorstruktur 11 bzw. von dieser weg, im Detektionsbereich dieser Sensorstruktur 11 eine Änderung der kapazitiven Kopplung der betreffenden Sensorstruktur 11 mit der Umgebung bewirkt, die messtechnisch erfasst werden kann. Aus der erfassten Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung, kann dann auf die Annäherung und/oder Entfernung der Hand 16 rückgeschlossen werden.
4 zeigt zur Verdeutlichung der Funktionsweise der kapazitiven Sensoreinrichtung einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes der kapazitiven Sensoreinrichtung des erfindungsgemäßen Lenkrades 10 aus den 1 bis 3.
6 zeigt den zugehörigen, sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand 16 in einem Greifbereich eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 dabei ergebenden, an der Sensorstruktur 11 anliegenden Potenzialverlauf U_Sensor während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung.
Dieser Verlauf entsteht, basierend auf dem CVD-Self-Verfahren der Firma „Microchip“, indem während eines ersten Abtastzyklus AZ₁ in einem ersten Schritt im Zeitraum T₁ die Referenzkapazität 170 und die mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode kapazitiv gekoppelte Sensorstruktur 11 definiert aufgeladen werden, beispielsweise die Referenzkapazität mit 5V und die Sensorstruktur 11 wie gezeigt mit 0V, und anschließend in einem zweiten Schritt T₂ die Referenzkapazität 170 und die Sensorstruktur 11 kurzgeschlossen werden. In einem dritten Schritt in einem Zeitraum T₃ wird dann von einer Auswerteeinrichtung 130, welche bei diesem Ausführungsbeispiel ein Mikrokontroller ist, das sich zwischen der Referenzkapazität 170 und der Sensorstruktur 11 einstellende Potenzial U_Sensor erfasst und ausgewertet. Aus dem sich an der Sensorstruktur 11 einstellenden Potenzial U_Sensor, welches die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung wiedergibt, kann nämlich rückgeschlossen werden, ob sich eine menschliche Hand oder ein Finger 16 etc. im Detektionsbereich der Sensorstruktur 11 befindet oder nicht bzw. ob sich eine Hand 16 an das Lenkrad annähert oder entfernt oder das Lenkrad berührt.
Zum Aufladen der Referenzkapazität 170 werden zunächst die Schalter S_w1 und S_w3 geschlossen und der Schalter S_w2 geöffnet. Zum Aufladen der Messkapazität C_Umgebung werden die Schalter S_w3 und S_w1 geöffnet und der Schalter S_w2 geschlossen. Ist die Messkapazität C_Umgebung aufgeladen, wird der Schalter S_w2 anschließend ebenfalls wieder geöffnet.
Das Kurzschließen erfolgt dann durch Schließen des Schalters S_w3. Das Kurzschließen bewirkt, dass sich an der Referenzkapazität 170 und der Messkapazität C_Umgebung das gleiche Potenzial U_Sensor einstellt, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial U_Sensor grundsätzlich in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität 170 und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität C_Umgebung einstellt. Ist die Messkapazität C_Umgebung etwa gleich groß wie die Referenzkapazität 170 stellt sich in etwa ein Potenzial U_Sensor mit halber Amplitude ein, d.h. in diesem Fall mit einer Amplitude von 5V stellt sich ein Potenzial an der Sensorstruktur 11 von ca. 2,5V.
Befindet sich keine menschliche Hand bzw. kein Finger 16 oder dergleichen im Detektionsbereich der Sensorstruktur 11, stellt sich dabei ein Potenzialverlauf U_Sensor-1 ein. Befindet sich hingegen eine menschliche Hand bzw. ein Finger oder dergleichen im Detektionsbereich der Sensorstruktur 11, ergibt sich ein anderer Potenzialverlauf, welcher hier beispielhaft durch den Potenzialverlauf U_Sensor-2 dargestellt ist. Anhand des sich ergebenden Potenzials U_Sensor-1 bzw. U_Sensor-2 kann auf die Anwesenheit oder Abwesenheit einer menschlichen Hand 16 im Detektionsbereich der Sensorstruktur 11 geschlossen werden.
Während des Erfassen des an der Sensorstruktur 11 und an der Referenzkapazität 170 anliegenden Potenzials U_Sensor kann, wenn der Schalter S_w3 wieder geöffnet ist, die Sensorstruktur bereits wieder mit einem definierten Potenzial beaufschlagt werden, beispielsweise für eine nächste Abtastung zur Hands-On-Off-Erkennung oder für einen anderen Zweck.
Das erfindungsgemäße Lenkrad 10 ist in diesem Fall außerdem derart ausgebildet, dass in einem zweiten Abtastzyklus AZ₂ im ersten Schritt T₄ die Referenzkapazität 170 mit dem zweiten elektrischen Potenzial von 0V aufladbar ist und die Messkapazität C_Umgebung mit dem ersten elektrischen Potenzial von 5V. D.h. die Kapazitäten können in einem zweiten Abtastzyklus AZ₂, der sich bevorzugt unmittelbar an den ersten Abtastzyklus AZ₁ anschließt, umgekehrt aufgeladen werden.
In einem weiteren Schritt T₅ können die Referenzkapazität 170 und die von der Sensorstruktur 11 und der Umgebung gebildete Messkapazität C_Umgebung dann wieder kurzgeschlossen werden und in einem weiteren Schritt T₆ kann erneut das sich zwischen der Messkapazität C_Umgebung und der Referenzkapazität 170 einstellende, resultierende elektrische Potenzial U_Sensor erfasst werden.
Diese spezielle Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 bzw. diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht die Auswertung von Potenzialdifferenzen ∆U₁ bzw. ∆U₂ anstatt absoluter Potenzialwerte U_Sensor-1 bzw. U_Sensor-2, wodurch eine bessere Erkennungsgenauigkeit erzielt werden kann. Insbesondere ist es in diesem Fall nicht mehr erforderlich sich auf die absoluten Potenzialwerte U_Sensor-1 bzw. U_Sensor-2 auswirkenden störende stationäre kapazitive Kopplungen zu korrigieren bzw. herauszurechnen bzw. die Sensoreinrichtung diesbezüglich entsprechend zu kalibrieren.
5 zeigt einen Ausschnitt eines schematischen, alternativen Blockschaltbildes einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad wobei bei diesem Ausführungsbeispiel das Lenkrad bzw. die kapazitive Sensoreinrichtung des Lenkrads zusätzlich noch eine Referenzelektrode 41 aufweist, die mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt werden kann, wobei die Anwesenheit einer menschlichen Hand 16 im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur 11 zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung C_Ref der Sensorstruktur 11 mit der Referenzelektrode 41 bewirkt, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung C_Ref der zu sensierenden Sensorstruktur 11 mit der Referenzelektrode 41 zu erfassen. D.h. zusätzlich kann noch eine Referenzelektrode 41 vorgesehen sein und die Kopplung C_Ref der Sensorstruktur 11 mit der Referenzelektrode 41 erfasst werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Referenzelektrode in einem weiteren Abtastzyklus, insbesondere in einem zweiten Abtastzyklus AZ₂ und(oder einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus hinzugeschaltet wird, da dies bei entsprechend gewähltem, an der Referenzelektrode 41 anliegendem Potenzial eine Vergrößerung der Potenzialdifferenz ∆U₁ bzw. ∆U₂ bewirkt, wodurch eine bessere Auflösung und somit eine höhere Erkennungsgenauigkeit erreicht werden kann. D.h. die Potenzialverläufe U_Sensor-1 bzw. U_Sensor-2 liegen dann auf einem anderen Niveau.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nacheinander, insbesondere im Wechsel, besonders bevorzugt alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Referenzelektrode 41 erfasst werden. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Erkennungsgenauigkeit erreichen, da eine Vielzahl an Potenzialwerten U_Sensor-1 bzw. U_Sensor-2 bzw. Potenzialdifferenzen ∆U₁ bzw. ∆U₂ zur Verfügung steht, welche nahezu beliebig miteinander verrechnet werden können, um Messfehler und stationäre Offsets oder dergleichen herauszurechnen bzw. zu kompensieren und/oder die Auflösung und damit die Genauigkeit bzw. die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung zu erhöhen.
Die Referenzelektrode 41 kann dabei wie die Sensorstruktur 11 aufgebaut sein und beispielsweise ein einfacher, elektrisch leitfähiger Draht, ein elektrisch leitfähiger Flachleiter oder ein entsprechendes Gewebe oder eine Matte oder dergleichen sein, oder ein massiver, elektrisch leitfähiger Körper.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Lenkrad selbstverständlich weitere Komponenten wie beispielsweise eine Heizeinrichtung mit wenigstens einer Heizstruktur und/oder eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem Abschirmelement aufweisen. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Anwendung in Lenkrädern mit zusätzlichen Komponenten geeignet. Es kann dabei sogar vorteilhaft mit dem Betrieb der zusätzlichen Komponenten kombiniert werden, was anhand der folgenden Beispiele erläutert werden soll.
7a zeigt beispielsweise eine alternative Anordnung einer Sensorstruktur 11 auf dem Träger 9 in abgewickelter Darstellung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad. In dieser Darstellung ist insbesondere die drahtförmige Ausgestaltung der Sensorstruktur 11 sowie deren mäanderförmige Anordnung auf dem Trägerstoff 9 gut erkennbar.
7b zeigt, ebenfalls in abgewickelter Darstellung, ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Sensorstrukturen 11 einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel auf dem Träger 9 insgesamt sechs, mäanderförmig verlaufende, in Umfangsrichtung 18 abschnittsweise nebeneinander angeordnete und nahezu gleichmäßig verteilte Sensorstrukturen 11a bis 11f aufgestickt sind, welche jeweils durch einen elektrisch leitfähigen Widerstanddraht gebildet werden. Die einzelnen Sensorstrukturen 11a bis 11f bilden dabei jeweils einzelne Messkapazitäten C_Umgebung mit der Umgebung, deren Kapazitäten bzw. deren Potenzial U_Sensor jeweils separat erfasst werden können. Dadurch kann eine Handposition bzw. die Anwesenheit, insbesondere die Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand bzw. eines Fingers 16 in Umfangsrichtung 18 sektorweise bzw. abschnittsweise detektiert werden. Dabei sind die einzelnen Sensorstrukturen 11a bis 11f jeweils mittels der Schalter SW elektrisch miteinander kontaktierbar, die bei Bedarf geöffnet oder geschlossen werden können.
Bei einer derartigen Sensoreinrichtung, insbesondere sobald die Sensoreinrichtung mehr als eine Sensorstruktur 11 aufweist, ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Sensorstruktur auch als Referenzelektrode schaltbar ist. D.h. vorzugsweise kann wenigstens eine Sensorstruktur 11 sowohl als Sensorstruktur 11 als auch als Referenzelektrode 41 betrieben werden, selbstverständlich nicht gleichzeitig. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Sensorstrukturen 11, so dass die einzelnen Sensorstrukturen 11 je nach Bedarf als Sensorstruktur 11 bzw. als Referenzelektrode 41 geschaltet werden können. Dadurch kann eine besonders gute Erkennungsgenauigkeit erzielt werden.
7c zeigt ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Sensorstrukturen 11a bis 11f einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad, ebenfalls in abgewickelter Darstellung, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorstrukturen 11a bis 11f gegenüber dem in 7b gezeigten Ausführungsbeispiel um 90° verdreht angeo rdnet sind.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 20 in Schnittdarstellung in Dickenrichtung, wobei dieses Lenkrad 20 sowohl eine unterhalb des Lenkradbezugs 15 angeordnete kapazitive Sensoreinrichtung mit einer Sensorstruktur 11 als auch eine Heizeinrichtung mit einer Heizstruktur 12 aufweist, die in dieser Darstellung, wie beim ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 in 2 in Umfassungsrichtung 17 nur teilweise dargestellt sind, sich jedoch sowohl vollständig umlaufend in Umfassungsrichtung 17, als auch vollständig umlaufend in Umfangsrichtung 18 erstrecken. D.h. die Sensorstruktur 11 und die Heizstruktur 12 erstrecken sich nahezu über einen gesamten Greifbereich der Lenkradfläche.
Dieses Lenkrad 20 weist ebenfalls einen metallischen Lenkradkern 13 auf, welcher die Tragstruktur des Lenkrads 20 bildet. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 weist dieses Lenkrad 20 außerdem noch eine Abschirmeinrichtung mit einem, in radialer Richtung außerhalb vom Lenkradkern 13, d.h. im Bereich der Außenseite des Lenkradkerns 13, angeordnetes, flächig ausgebildetes und bei diesem Ausführungsbeispiel vollständig umlaufendes Abschirmelement 14 auf, welches den Lenkradkern vollständig umschließt.
Außerhalb vom Abschirmelement 14 und unmittelbar unter dem Lenkradbezug 15 sind die Sensorstruktur 11 und die Heizstruktur 12 angeordnet, wobei die Anordnung der Heizstruktur 12 im Bereich der Außenseite des Abschirmelementes 14 dabei insbesondere in Bezug auf den Wirkungsgrad der Heizeinrichtung bzw. der Heizstruktur 12 vorteilhaft ist, da die abgegebene Heizwärme nicht erst das Abschirmelement passieren muss, bevor sie in den Greifbereich des Lenkrads 10 gelangt.
Die Sensorstruktur 11 und die Heizstruktur 12 sind beide auf einem Träger 9 aus einem dünnen Stoff aufgestickt und Teil einer kapazitiven Sensoreinrichtung, das zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand bzw. eines Fingers 16 im Detektionsbereich der elektrisch leitfähigen Sensorstruktur 11 ausgebildet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Sensorstruktur 11 und die Heizstruktur 12 jeweils durch unterschiedliche, elektrische Leiter in Form von einzelnen Widerstandsdrähten gebildet, welche mäanderförmig auf dem Träger 9 um einen gesamten Umfang in Dickenrichtung, d.h. in Umfassungsrichtung 17 herum verlaufen und in Umfangsrichtung 18 über den gesamten Lenkradumfang verteilt gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind, siehe 9.
10 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad 20, ebenfalls auf einem Träger in abgewickelter Darstellung, wobei die Sensorstrukturen 11a bis 11f und die Heizstruktur 12 durch separate, elektrische Leiter gebildet werden.
11 zeigt, ebenfalls in abgewickelter Darstellung, noch ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Sensorstrukturen 11 einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Lenkrad, wobei die Sensorstrukturen 11 bei diesem Ausführungsbeispiel für eine verbesserte Empfindlichkeit zusätzlich elektrisch leitende, mit der Sensorstruktur 11 verwirkte, aber nicht elektrisch kontaktierte Fäden bzw. Drähte 19 aufweisen, die vorzugsweise relativ zur Sensorstruktur 11 einen größeren Leitungswiderstand aufweisen.
13 zeigt ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Sensor- und Heizstrukturen 11a bis 11h bzw. 12, ebenfalls in abgewickelter Darstellung, wobei die Sensorstrukturen 11a bis 11h in diesem Fall teilweise kämmend angeordnet sind. Mit einer derartigen Anordnung der Sensorstrukturen 11a bis 11h ist eine ortsaufgelöste Erfassung einer Handpositionen, d.h. eine ortsaufgelöste Erfassung einer Annäherung und oder Entfernung einer menschlichen Hand bzw. eine Fingers 16, in Umfangsrichtung 18 sowie auch in Umfassungsrichtung 17 möglich.
Die teilweise kämmend angeordneten Sensorstrukturen 11a bis 11h sind dabei als dreieckförmige Flächen ausgebildet, die jeweils durch elektrisch leitfähige Gewebe gebildet werden, die auf dem Träger 9 aufgebracht und jeweils paarweise kämmend bzw. ineinander verschachtelt zueinander angeordnet sind, so dass bei der Annäherung einer menschlichen Hand an das Lenkrad mindestens die kapazitive Kopplung zweier Sensorstrukturen 11a und 11b bzw. 11b und 11c bzw. 11c und 11d bzw. 11e und 11f bzw. 11f und 11g oder 11g und 11h zur Umgebung und/oder einer Referenzelektrode verändert werden.
Die Auswertung der Änderung der kapazitiven Kopplung der einzelnen Sensorstrukturen 11a bis 11h erlaubt die eindeutige Ermittlung der Position der Annäherung der menschlichen Hand, da jeder Position ein eindeutiges Wertepaar zugeordnet ist bzw. da sich aus jeder Kombination der zugehörigen Sensorstrukturen 11a bis 11h anhand der Verhältnisse der Änderungen der kapazitiven Kopplungen der einzelnen, jeweils reagierenden Sensorstrukturen 11a und 11b bzw. 11b und 11c bzw. 11c und 11d bzw. 11e und 11f bzw. 11f und 11g oder 11g und 11h jeweils eine eindeutige Annäherungsposition bzw. -richtung ermitteln lässt.
Die Heizstruktur 12 wird in diesem Fall durch drei, miteinander elektrisch gekoppelte elektrisch leitende Widerstandsdrähte 12 gebildet, die ebenfalls mäanderförmig auf dem Träger 9 aufgebracht sind.
Erfolgt die Verschachtelung bzw. überschneidende Anordnung der Sensorstrukturen 11a, 11b, 11c, ..., wie bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls in abgewickelter Darstellung ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der Sensor- und Heizstrukturen 11a, 11b, 11c, ... bzw. 12 mit überschneidend angeordneten Sensorstrukturen 11a, 11b, 11c, ... einer kapazitiven Sensoreinrichtung für ein erfindungsgemäßes Sensorsystem zeigt, lässt sich ein eine Handposition in Umfassungsrichtung 17 erfassen, vorzugsweise sogar ein Umfassungswinkel bzw. ein sogenannter Umgreifungswinkel, d.h. wie weit das Lenkrad in Dickenrichtung mit einer Hand umfasst wird.
Weist ein erfindungsgemäßes Lenkrad, wie das beschriebene Lenkrad 20, eine von einer Sensorstruktur 11 verschiedene Heizstruktur 12 auf, so wie in den vorbeschriebenen Beispielen, ist es vorteilhaft, wenn ein erfindungsgemäßes Lenkrad derart ausgebildet ist, dass die Sensoreinrichtung und die Heizeinrichtung derart aufeinander abgestimmt angesteuert werden können, dass eine störende kapazitive Kopplung der Sensoreinrichtung mit Komponenten des Sensorsystems bzw. mit Komponenten des Lenkrads, insbesondere mit der Heizeinrichtung, reduziert werden kann bzw. sogar vermieden werden kann.
Dazu kann beispielsweise die Heizstruktur bzw. die Heizeinrichtung während der Erfassung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode 41 bzw. deren Änderung allpolig abgeschaltet werden, d.h. vollständig von beiden Polen getrennt werden kann. Dadurch kann eine störende kapazitive Kopplung der Sensoreinrichtung bzw. der betreffenden Sensorstruktur 11 mit der Heizstruktur 12 reduziert werden, wenn nicht sogar vermieden werden. Dabei wird vorzugsweise auf die bereits zur Regelung einer Lenkradheizungstemperatur vorliegende Abschaltfunktion zurückgegriffen.
Wird eine Heizstruktur 12 mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem PWM-Signal in Form von Rechteckpulsen 70 angesteuert, kann in vorteilhafter Weise, gemäß der Darstellung in 14, die Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung, symbolisiert durch ein Signal 80, erfolgen, während eine Heizleistung der Heizstruktur 12, symbolisiert durch das Signal 70, konstant ist. Dabei sollte die Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung insbesondere zwischen zwei Rechteckpulsen erfolgen, d.h. nicht auf einer Flanke, weder auf der steigenden Flanke, noch auf der fallenden Flanke. Dadurch kann ebenfalls auf einfache Art und Weise die störende kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit der Heizeinrichtung reduziert bzw. in einigen Anwendungsfällen sogar vermieden werden, sogar ohne, dass die Heizeinrichtung abgeschaltet werden muss.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein erfindungsgemäßes Lenkrad eine von einer Sensorstruktur 11 verschiedene Heizstruktur 12 aufweist, wenn wenigstens eine Heizstruktur 12 auch als aktives Abschirmelement betrieben werden kann, als sogenannter „Guard“. Dadurch kann in der Regel die Abschirmung der Sensorstruktur 11 gegen störende kapazitive Kopplungen verbessert werden und insbesondere eine störende kapazitive Kopplung mit dem metallischen Lenkradkern 13 vermieden werden.
Dazu kann die Heizstruktur 12 vorzugsweise während der Erfassung der Kapazitätsänderung der Sensorstrukturen 11a bis 11f mit einem definierten, elektrischen Potenzial U_AE beaufschlagt werden, insbesondere mit einem Potenzial U_AE, dass dem an der Sensorstruktur 11 während der Erfassung anliegenden Potenzial U_Sensor nachgeführt ist oder diesem folgt, beispielsweise mit einem wie in den 15a und 15b dargestellten Potenzial U_AE. Besonders bevorzugt kann die Heizstruktur 12 dabei mit dem gleichen Potenzial beaufschlagt werden, das an der Sensorstruktur 11 anliegt. D.h. je besser das Potenzial U_AE, mit welchem das aktive Abschirmelement beaufschlagt wird, dem an der abzuschirmenden Sensorstruktur 11 folgt, desto eine bessere Abschirmwirkung wird erzielt.
15a zeigt schematisch einen beispielhaften, vorteilhaften Verlauf eines nachgeführten elektrischen Potenzials U_AE, mit dem ein aktives Abschirmelement beaufschlagt werden kann, beispielsweise eine Heizstruktur 12 oder ein elektrisch leitendes, flächiges Abschirmelement 14 oder der Lenkradkern 13. Dabei nimmt das Potenzial U_AE zu, wenn das an der Sensorstruktur 11 anliegende Potenzial U_Sensor zunimmt und ab, wenn das an der Sensorstruktur 11 anliegende Potenzial U_Sensor abnimmt. Mit einer derartigen Beaufschlagung eines Abschirmelementes kann die Abschirmleistung bereits deutlich verbessert werden.
Ein derartiger Potenzialverlauf U_AE kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Sensorsystems mit einem Mikrocontroller von der Firma „Microchip“ erreicht werden, indem das betreffende Abschirmelement elektrisch mit einem speziell dafür vorgesehenen I/O-Pin am Mikrocontroller angeschlossen wird. Der Mikrocontroller ist entsprechend dazu ausgebildet, diesen Pin in Abhängigkeit vom Zustand der Sensoreinrichtung mit dem gezeigten Potenzialverlauf zu belegen.
Für eine noch bessere Abschirmung, sollte das definierte elektrische Potenzial U_AE, mit welchem das Abschirmelement beaufschlagt wird, dem an der Sensorstruktur 11 anliegenden elektrischen Potenzial U_Sensor möglichst gut folgen, vorzugsweise wie in 15b dargestellt.
15b zeigt schematisch den Verlauf eines elektrischen Potenzials U_AE eines aktiven Abschirmelementes, das nahezu den gleichen Kurvenverlauf mit nahezu gleichen absoluten Potenzialwerten aufweist wie das an der Sensorstruktur 11 anliegende elektrische Potenzial U_Sensor und somit dem Verlauf des an der Sensorstruktur 11 anliegenden elektrischen Potenzials U_Sensor folgt.
Dieser Potenzialverlauf U_AE kann ebenfalls durch die Verwendung eines Sensorsystems mit einem Mikrocontroller von der Firma „Microchip“ erreicht werden, wobei das betreffende Abschirmelement in diesem Fall an einen anderen, dafür vorgesehenen Pin am Mikrocontroller angeschlossen wird, und zwar am sogenannten „DACOUT“-Pin. Der Mikrocontroller ist entsprechend dazu ausgebildet, diesen Pin in Abhängigkeit vom Zustand der Sensoreinrichtung mit dem gezeigten Potenzialverlauf zu belegen.
Das Betreiben wenigstens einer Heizstruktur 12 als aktive Abschirmelement hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da in einigen Anwendungsfällen somit auf ein zusätzliches Abschirmelement 14, welches eine Abschirmung der Sensorstruktur 11 von dem metallischen Lenkradkern 13 bewirkt, insbesondere die kapazitive Entkopplung von Sensorstruktur 11 und Lenkradkern 13, verzichtet werden kann, wodurch das Gewicht des Lenkrads reduziert werden kann.
In einigen Anwendungsfällen kann es aber auch vorteilhaft sein, das Abschirmelement 14 alternativ und/oder zusätzlich zur Heizstruktur 12 als aktives Abschirmelement zu betreiben und mit einem definierten elektrischen Potenzial zu beaufschlagen.
In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, wenn der Lenkradkern 13 als aktives Abschirmelement betrieben wird und mit einem entsprechenden, definierten elektrischen Potenzial U_AE beaufschlagt wird, quasi zur Abschirmung vor sich selbst.
In vielen Fällen ist es außerdem vorteilhaft, wenn wenigstens eine Heizstruktur 12 auch als Referenzelektrode 41 betrieben werden kann, zumindest zeitweise, insbesondere wenn ein erfindungsgemäßes Lenkrad eine Heizstruktur 12 und mehrere Sensorstrukturen 11a bis 11f aufweist (vgl. z.B. 10), da dann sämtliche Sensorstrukturen 11a bis 11f mit nur einer Referenzelektrode kapazitiv gekoppelt werden können. Außerdem ist in diesem Fall keine zusätzliche Referenzelektrode erforderlich, denn es kann auf die im Lenkrad vorhandenen Komponenten zurückgegriffen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Verfügung stehenden elektrisch leitfähigen Komponenten eines erfindungsgemäßen Lenkrads, insbesondere wenigstens eine Sensorstruktur, wenigstens eine Heizstruktur und/oder ein metallischer Lenkradkern sowie ein Abschirmelement wechselnd als Referenzelektrode und/oder als aktives Abschirmelement betrieben werden können, je nach Bedarf. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Sensorstruktur möglichst mit einer benachbarten Referenzelektrode kapazitiv gekoppelt werden kann.
Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Lenkrad 10 zeigt 16 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 30, bei dem die Sensorstruktur 11 nicht von der Heizstruktur 12 verschieden ist, sondern durch diese gebildet ist, wobei auch in diesem Fall die Heizstruktur 12 und die durch diese gebildete Sensorstruktur 11 auf einem Träger 9 aus einem dünnen Stoff aufgestickt sind und aufeinander abgestimmt angesteuert werden können.
In diesem Fall, in dem die Heizstruktur 12 die Sensorstruktur 11 bildet, muss die Heizstruktur 12 während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Umgebung zum Erkennen einer Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand allpolig abgeschaltet werden, d.h. vollständig vom Plus- und Minuspol getrennt werden. Dann kann zum einen die Heizstruktur 12 als Sensorstruktur 11 genutzt werden und zum anderen kann eine störende kapazitive Kopplung der Sensorstruktur 11 mit der Heizstruktur 12 vermieden werden. Dabei kann beispielsweise auf die bereits zur Regelung einer Lenkradheizungstemperatur vorliegende Abschaltfunktion zurückgegriffen werden.
Die Sensorstruktur 11 und die Heizstruktur 12 können dabei selbstverständlich auch in diesem Fall auf unterschiedliche Arten und Weisen angeordnet sein. Ein erfindungsgemäßes Lenkrad kann auch mehrere Sensorstrukturen 11 und mehrere Heizstrukturen 12 aufweisen.
17 zeigt für ein Lenkrad 30 eine beispielhafte Anordnung einer Sensorstruktur 11 auf einem Träger 9. In dieser Darstellung ist insbesondere die drahtförmige Ausgestaltung der Sensor- und Heizstruktur 11 bzw. 12 sowie deren mäanderförmige Anordnung auf dem Trägerstoff 9 gut erkennbar.
18 zeigt einen Ausschnitt eines schematischen Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen Lenkrads, beispielsweise gemäß 8, zur Ansteuerung einer kapazitiven Sensoreinrichtung mit einer Sensorstruktur 11, einer Heizstruktur 12, sowie einer Abschirmeinrichtung mit einem elektrisch leitenden und mit einem definierten Potenzial U_AE beaufschlagbaren Abschirmelement 14 bzw. dem Lenkradkern 13 und einer Auswerteeinrichtung 130 in Form eines Mikrocontrollers (µC), in welchen eine Referenzkapazität 170 integriert ist.
Dabei ist die kapazitive Sensoreinrichtung mittels des Signals S₁₁ mit dem Mikrocontroller 130 gekoppelt. Die Heizeinrichtung mit der Heizstruktur 12 ist über das Signal S₁₂ ansteuerbar und die Abschirmeinrichtung mit dem Abschirmelement 14 oder dem Lenkradkern 13 über das Signal S_14,13. Die Heizeinrichtung bzw. die Heizstruktur 12 kann dabei in Abhängigkeit des Zustands der Sensoreinrichtung vom Mikrokontroller 130 angesteuert werden, und zwar zeitlich auf die Sensoreinrichtung abgestimmt, so dass eine störende kapazitive Kopplung der Sensorstruktur 11 mit Komponenten des Sensorsystems, wie beispielsweise der Heizeinrichtung oder mit Komponenten des erfindungsgemäßen Lenkrads 20 reduziert werden kann.
Die Heizeinrichtung kann dazu beispielsweise mittels der elektronischen Schalter 150 und 160, welche ebenfalls vom Mikrocontroller 130 angesteuert werden können, allpolig abgeschaltet werden, so dass gewährleistet ist, dass die Heizungsrichtung während der Messung bzw. der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur 11 keine störende kapazitive Kopplung mit der Sensorstruktur 11 mehr bewirkt.
Bei dem Schalter 150 handelt es sich um einen sogenannten High-Side-Switch zur Schaltung einer positiven Versorgungsspannung handelt und bei dem Schalter 160 um einen sogenannten Low-Side-Switch zum Schalten einer negativen Versorgungsspannung bzw. von Masse (GND). Selbstverständlich ist während dieser Zeit kein Heizbetrieb möglich.
Außerdem können das Abschirmelement 14 und/oder der Lenkradkern 13 jeweils allein oder in Kombination in Abhängigkeit des Zustands der Sensoreinrichtung vom Mikrokontroller 130 mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt werden und als aktives Abschirmelement betrieben werden, d.h. als „Guard“.
Das in 18b ausschnittsweise, dargestellte Blockschaltbild zeigt die Schaltung zur Steuerung für ein alternatives Lenkrad, bei welchem die Sensorstruktur 11 durch die Heizstruktur 12 gebildet wird, wie beispielsweise bei dem in den 16 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 30.
Zum Betrieb eines entsprechenden erfindungsgemäßen Lenkrads 30 bzw. zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads 30, bei welchen die Sensorstruktur 11 durch die Heizstruktur 12 gebildet wird, muss zunächst zwingend die Heizeinrichtung 120 mithilfe der Schalter 150 und 160 allpolig abgeschaltet werden, so dass der Heizbetrieb unterbrochen ist und die Heizstruktur 12 als Sensoreinrichtung 110 bzw. als Sensorstruktur 11 zur Verfügung steht.
18d zeigt einen Ausschnitt eines Blockschaltbildes zur Steuerung eines weiteren alternativen, erfindungsgemäßen Lenkrads, wobei in diesem Fall die Heizstruktur 12 auch als Referenzelektrode betrieben werden kann.
18d zeigt einen Ausschnitt eines Blockschaltbildes zur Steuerung eines weiteren alternativen, erfindungsgemäßen Lenkrads, wobei in diesem Fall die Heizeinrichtung bzw. insbesondere die Heizstruktur 12 als aktives Abschirmelement betrieben werden kann und mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, wobei die Heizstruktur 12 dabei mittels der Schalter 150 und 160 allpolig abgeschaltet werden kann und über das Signal S_14,13 vom Mikrocontroller 130 angesteuert und mit einem definierten elektrischen Potenzial U_AE zur Abschirmung der Sensorstruktur 11 von störenden kapazitiven Kopplungen beaufschlagt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011084903 A1 [0003]
DE 102009058138 A1 [0003]

Claims

Lenkrad (10, 20, 30) für ein Kraftfahrzeug mit einem Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung, wobei das Sensorsystem zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) ausgebildet ist und wenigstens eine, in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) angeordnete, elektrisch leitfähige Sensorstruktur (11) mit einem Detektionsbereich aufweist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Detektionsbereich der Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber jeweils eine erfassbare, der Sensorstruktur (11) zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Umgebung bewirkt, wobei das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Umgebung zu erfassen, so dass infolgedessen die Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) erkannt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass zur Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Umgebung in einem ersten Abtastzyklus (AZ₁) in einem ersten Schritt (T₁) eine Referenzkapazität (170) und eine von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) jeweils mit einem definierten elektrischen Potenzial aufladbar sind, wobei die Referenzkapazität (170) mit einem ersten, definierten elektrischen Potenzial aufladbar ist und die Messkapazität (C_Umgebung) mit einem zweiten, definierten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt (T₂) die Referenzkapazität (170) und die von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) kurzschließbar sind, und in einem weiteren Schritt das sich zwischen der Messkapazität (C_Umgebung) und der Referenzkapazität (170) einstellende, resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) erfassbar ist, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität (170) und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität (C_Umgebung) einstellt.
Lenkrad (10, 20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Abtastzyklus (AZ₂) im ersten Schritt (T₄) die Referenzkapazität (170) mit dem zweiten elektrischen Potenzial aufladbar ist und die Messkapazität (C_Umgebung) mit dem ersten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt (T₅) die Referenzkapazität (170) und die von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) kurzschließbar sind, und in einem weiteren Schritt (T₆) das sich zwischen der Messkapazität (C_Umgebung) und der Referenzkapazität (170) einstellende, resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) erfassbar ist, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität (170) und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität (C_Umgebung) einstellt.
Lenkrad (10, 20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem eine Referenzelektrode (41) aufweist, wobei die Referenzelektrode (41) mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist und die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur (11) zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) bewirkt, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung (C_Ref) der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) zu erfassen.
Lenkrad (10, 20, 30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Abtastzyklus (AZ₂) und/oder in einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus, vorzugsweise zusätzlich, in einem ersten Schritt die Referenzelektrode (41) mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, und in einem weiteren Schritt die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode erfassbar ist.
Lenkrad (10, 20, 30) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, nacheinander, vorzugsweise im Wechsel, insbesondere alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) zu erfassen.
Lenkrad (10, 20, 30) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung wenigstens zwei Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) aufweist, wobei wenigstens eine Sensorstruktur (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) auch als Referenzelektrode (41) schaltbar ist, vorzugsweise sämtliche Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...).
Lenkrad (10, 20, 30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) zumindest teilweise kämmend angeordnet sind, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass aus dem Verhältnis der jeweils den einzelnen Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) zugeordneten, erfassbaren Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode (41), eine Position einer menschlichen, sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) befindlichen Hand, bestimmbar ist.
Lenkrad (20, 30) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkrad (20, 30) eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem Abschirmelement (14) aufweist, wobei die Abschirmeinrichtung zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads (20, 30) ausgebildet ist, insbesondere zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber einem metallischen Lenkradkern (13).
Lenkrad (20, 30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (14) zumindest teilweise flächig ausgebildet ist mit einer Außenseite und einer Innenseite und vorzugsweise derart im Lenkrad (20, 30) angeordnet ist, dass die Innenseite dem Lenkradkern (13) zugewandt ist und die Außenseite wenigstens einer Sensorstruktur (11), wobei das Abschirmelement (14) den Lenkradkern (13) insbesondere zumindest teilweise umgreift.
Lenkrad (20, 30) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (14) elektrisch leitfähig ist und während einer Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung wenigstens einer Sensorstruktur (11) mit einem definierten, elektrischen Potenzial (U_AE) beaufschlagbar ist, vorzugsweise mit einem Potenzial (U_AE), das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzial (U_Sensor) zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial (U_AE), das dem Verlauf des an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzials (U_Sensor) folgt.
Lenkrad (20, 30) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkrad (20, 30) eine Heizeinrichtung aufweist, wobei die Heizeinrichtung wenigstens eine elektrisch leitfähige Heizstruktur (12) zur Heizung des Lenkrades (20, 30) aufweist.
Lenkrad (20, 30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) als Sensorstruktur (11) schaltbar ist, wobei vorzugsweise dazu das Lenkrad (20, 30), insbesondere das Sensorsystem, derart ausgebildet ist, dass die Heizstruktur (12) für die Zeit der Verwendung als Sensorstruktur (11) allpolig abschaltbar ist.
Lenkrad (20, 30) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) als Referenzelektrode (41) schaltbar ist, vorzugsweise sämtliche Heizstrukturen (12).
Lenkrad (20, 30) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) als aktives Abschirmelement schaltbar ist, wobei die Heizstruktur (12) dazu mit einem definierten, elektrischen Potenzial (U_AE) beaufschlagbar ist, vorzugsweise mit einem Potenzial (U_AE), das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzial (U_Sensor) zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial (U_AE), das dem Verlauf des an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzials (U_Sensor) folgt, wobei das Lenkrad (20, 30) vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die Beaufschlagung der Heizstruktur (12) mit dem definierten elektrischen Potenzial (U_AE) eine Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads (20, 30) bewirkt, insbesondere gegenüber einem metallischen Lenkradkern (13).
Lenkrad (10, 20, 30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkradkern (13) als aktives Abschirmelement schaltbar ist, wobei der Lenkradkern (13) dazu mit einem definierten, elektrischen Potenzial (U_AE) beaufschlagbar ist, vorzugs- weise mit einem Potenzial (U_AE), das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzial (U_Sensor) zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial (U_AE), das dem Verlauf des an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzials (U_Sensor) folgt, wobei das Lenkrad (10, 20, 30) insbesondere derart ausgebildet ist, dass die Beaufschlagung des Lenkradkerns (13) mit dem definierten elektrischen Potenzial (U_AE) eine störende kapazitive Kopplung des Lenkradkerns (13) mit der Sensoreinrichtung reduziert, insbesondere vermeidet.
Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) in einem Greifbereich eines Lenkrads (10, 20, 30) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Greifbereich eines Lenkrads (10, 20, 30) , das nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist, wobei das Lenkrad (10, 20, 30) ein Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung aufweist, wobei das Sensorsystem zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) ausgebildet ist und wenigstens eine, in einem Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) angeordnete, elektrisch leitfähige Sensorstruktur (11) mit einem Detektionsbereich aufweist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich der Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber jeweils eine erfassbare, der Sensorstruktur (11) zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Umgebung bewirkt, wobei das Sensorsystem dazu ausgebildet ist, diese Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Umgebung zu erfassen, so dass infolgedessen die Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Greifbereich des Lenkrads (10, 20, 30) erkannt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Greifbereich des Lenkrads, insbesondere zum Erfassen der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur (11) mit der Umgebung, in einem ersten Abtastzyklus (AZ₁) in einem ersten Schritt (T₁) eine Referenzkapazität (170) und eine von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) jeweils mit einem definierten elektrischen Potenzial aufgeladen werden, wobei die Referenzkapazität (170) mit einem ersten elektrischen Potenzial aufgeladen wird und die Messkapazität (C_Umgebung) mit einem zweiten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt (T₂) die Referenzkapazität (170) und die von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) kurzgeschlossen werden, und in einem weiteren Schritt (T₃) das sich zwischen der Messkapazität (C_Umgebung) und der Referenzkapazität (170) einstellende, resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) erfasst wird, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität (170) und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität (C_Umgebung) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Abtastzyklus (AZ₂) im ersten Schritt (T₄) die Referenzkapazität (170) mit dem zweiten elektrischen Potenzial aufgeladen wird und die Messkapazität (C_Umgebung) mit dem ersten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt (T₅) die Referenzkapazität (170) und die von der Sensorstruktur (11) und der Umgebung gebildete Messkapazität (C_Umgebung) kurzgeschlossen werden, und in einem weiteren Schritt (T₆) das sich zwischen der Messkapazität (C_Umgebung) und der Referenzkapazität (170) einstellende, resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) erfasst wird, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial (U_Sensor) in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität (170) und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität (C_Umgebung) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Sensorsystem eine Referenzelektrode (41) aufweist und die Anwesenheit einer menschlichen Hand (16) im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur (11) zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung (C_Ref) der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Abtastzyklus (AZ₂) und/oder einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus, vorzugsweise zusätzlich, in einem ersten Schritt die Referenzelektrode (41) mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt wird und in einem weiteren Schritt die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander, vorzugsweise im Wechsel, insbesondere alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11) mit der Referenzelektrode (41) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Sensoreinrichtung des Lenkrads (10, 20, 30) wenigstens zwei Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensorstruktur (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) zumindest zeitweise als Referenzelektrode (41) geschaltet wird, vorzugsweise sämtliche Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...).
Verfahren nach Anspruch 20, wobei wenigstens zwei Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) zumindest teilweise kämmend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode (41) erfasst wird und aus dem Verhältnis der erfassten, jeweils den einzelnen Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode (41), eine Position einer menschlichen, im Detektionsbereich der Sensorstrukturen (11a, 11b, 11c, ...; 11a‘, 11b‘, 11c‘, ...) befindlichen Hand (16) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Lenkrad (20, 30) eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem elektrisch leitfähigem Abschirmelement (14) aufweist zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads (20, 30), insbesondere gegenüber dem Lenkradkern (13), dadurch gekennzeichnet, das Abschirmelement (14) während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung wenigstens einer Sensorstruktur (11) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode (41) mit einem definierten, elektrischen Potenzial (U_AE) beaufschlagbar wird, vorzugsweise mit einem Potenzial (U_AE), das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzial (U_Sensor) zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial (U_AE), das dem Verlauf des an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzials (U_Sensor) folgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei das Lenkrad (20, 30) eine Heizeinrichtung aufweist mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur (12) zur Heizung des Lenkrades (20, 30), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) zumindest zeitweise als Sensorstruktur (11) geschaltet und betrieben wird, wobei dazu vorzugsweise die Heizstruktur (12) für die Zeit der Verwendung als Sensorstruktur (11) allpolig abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Lenkrad (20, 30) eine Heizeinrichtung aufweist mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur (12) zur Heizung des Lenkrades, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) zumindest zeitweise als Referenzelektrode (41) geschaltet und betrieben wird, vorzugsweise sämtliche Heizstrukturen (12).
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Lenkrad (20, 30) eine Heizeinrichtung aufweist mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur (12) zur Heizung des Lenkrades sowie eine Abschirmeinrichtung mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Abschirmelement (14) zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads, insbesondere gegenüber dem Lenkradkern (13), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizstruktur (12) und/oder der Lenkradkern (13) zumindest zeitweise als aktives Abschirmelement geschaltet und betrieben werden, insbesondere während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung einer Sensorstruktur (11) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode (41), wobei dazu die Heizstruktur (12) und/oder der Lenkradkern (13) mit einem definierten, elektrischen Potenzial (U_AE) beaufschlagt werden, vorzugsweise mit einem Potenzial (U_AE), das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzial (U_Sensor) zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial (U_AE), das dem Verlauf des an der Sensorstruktur (11) anliegenden Potenzials (U_Sensor) folgt.