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Die Erfindung geht aus von einem Lenkrad für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Lenkräder für Fahrzeuge bekannt, welche einen Lenkradkranz umfassen, welcher über Speichen mit einem Pralltopf verbunden ist. Im Pralltopf sind in der Regel Betätigungsvorrichtungen für ein Signalhorn und ein Fahrerairbag angeordnet. Gleichzeit bildet der Pralltopf auch das Zentrum der Drehachse des Lenkrades. Der Lenkradkranz umfasst in der Regel einen Grundkörper, welcher auch als Lenkradskelett bezeichnet wird und meist aus Metall besteht. Der Grundkörper ist mit einem Kunststoff umspritzt und mit einem Außenbezug, wie beispielsweise Kunstleder, ummantelt. Zudem sind aus dem Stand der Technik Lenkräder mit integrierter Lenkradheizung bekannt.
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So offenbart die
EP 0 832 806 A1 beispielsweise ein Lenkrad mit einer integrierten wenigstens einen Heizdraht umfassenden Lenkradheizung. Hierbei weist ein Lenkradkranz unter seinem Außenbezug eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff auf, in welche der Heizdraht eingeschmolzen ist.
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Weiterhin sind aus dem Stand dem Technik Airbagsysteme bekannt, welche jeweils einen Kunststoffsack aufweisen, welcher innerhalb weniger zehn Millisekunden aufgeblasen wird und verhindern kann, dass ein Insasse bei einem Aufprall auf harte Teile, wie beispielsweise das Lenkrad stößt. Ausgelöst wird das Airbagsystem durch ein Crashsensorsystem mit mindestens einem Beschleunigungssensor, welches einen Crash erkennen kann und das Airbagsystem bei einem erkannten Crash aktiviert. Um Fehlauslösungen zu verhindern, werden meist die Signale zweier Sensoren im vorderen Bereich des Fahrzeugs ausgewertet. Als nachteilig kann bei einem solchen Airbagsystem angesehen werden, dass der Kunststoffsack unabhängig von der Position der Hände des Fahrers am Lenkrad ausgelöst wird, so dass sich, bei bestimmten Positionen der Hände am Lenkrad, der Fahrer bei einer Airbagauslösung selbst ins Gesicht schlägt, was zu erheblichen Verletzungen führen kann.
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Das Lenkrad für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit Hilfe einer kapazitiven Sensorstruktur eine Handposition des Fahrers ermittelt wird. Die Sensorstruktur arbeitet kapazitiv und ist in einen Lenkradkranz integriert. Kapazitive Sensoren und zugehöre Auswertschaltungen sind etablierte Komponenten und stehen als Massenprodukte kostengünstig zur Verfügung, so dass eine kostengünstige Sensoreinheit zur Positionsbestimmung einer menschlichen Hand am Lenkradkranz realisiert werden kann.
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Die ermittelte Handposition kann dann verwendet werden, um einen Aufblasvorgang eines im Pralltopf angeordneten Airbags zu beeinflussen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Airbag bei einer ungünstigen Position nicht voll ausgelöst werden und dadurch verhindert werden, dass dem Fahrer seine Hände ins Gesicht geschleudert werden. Durch kann die Sicherheit des Fahrers im Crashfall in vorteilhafter Weise deutlich erhöht werden.
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Zudem kann optional eine bestehende Infrastruktur einer Lenkradheizung verwendet werden, welche als bisher schon verfügbare Komfortkomponente nur geringfügig modifiziert werden muss.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Lenkrad für ein Fahrzeug zur Verfügung, welches einen Pralltopf und einen Lenkradkranz umfasst, in welchem mindestens eine elektrische Leitung integriert ist. Hierbei umfasst eine kapazitive Sensorstruktur mindestens zwei als Außenleiter ausgeführte in den Lenkradkranz integrierte elektrische Leitungen, welche beabstandet zueinander angeordnet sind und eine Messkapazität ausbilden. Hierbei beeinflusst eine den Lenkradkranz berührende menschliche Hand den Wert der Messkapazität der kapazitiven Sensorstruktur am Kontaktbereich, so dass eine Auswerte- und Steuereinheit die Messkapazität zur Positionsbestimmung der menschlichen Hand am Lenkradkranz auswertet.
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Eine elektrische Kapazität verknüpft die gespeicherte Ladung auf einem Kondensator mit der Spannung, die zwischen den beiden Elektroden desselben auftritt. Die Kapazität eines Kondensators hängt in erster Näherung vom Abstand der Elektroden, deren Fläche sowie der Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden ab. Während Luft eine relative Permittivität von eins aufweist, liegt die Permittivität von Wasser als Hauptkomponente von menschlichem Gewebe bei 70 bis 90. Das bedeutet, dass eine Kondensatorstruktur zur Detektion von menschlichem Gewebe verwendet werden kann. Die Messgröße ist entsprechend die Kapazität. Vor diesem Hintergrund wird ein Lenkrad mit einer integrierten Sensoranordnung vorgestellt, welche die Position der Hände des Fahrers ermittelt. An den Bereichen, die zumindest von Teilen der Hand bedeckt werden, ist die Kapazität einer geeigneten kapazitiven Sensorstruktur deutlich größer als an den Bereichen, die nicht bedeckt sind.
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Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Airbagsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Lenkrads für ein Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass im Pralltopf ein Airbag eines Insassenschutzsystems angeordnet werden kann, welches die Auswerte- und Steuereinheit bei einem erkannten Crashfall aktivieren und über einen Airbaggenerator aufblasen kann, wobei die Auswerte- und Steuereinheit den Aufblasvorgang des Airbags in Abhängigkeit von der bestimmten Handposition beeinflussen kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Lenkrads kann die kapazitive Sensorstruktur zwischen einem Grundkörper und einem Außenbezug des Lenkradkranzes angeordnet werden. In vorteilhafter Weise kann die kapazitive Sensorstruktur in einer einzigen Metallebene ohne Durchkontaktierungen realisiert werden. So kann die kapazitive Sensorstruktur beispielsweise in eine flexible Leiterplatte eingebettet werden oder zwischen zwei Kunststofffolien platziert werden. So ist ein kostengünstiger Aufbau möglich, der die erforderliche mechanische Flexibilität gewährleistet. Diese flexible Struktur kann zur Montage nach dem Umspritzvorgang des Grundkörpers des Lenkradkranzes mit Kunststoff auf diesen aufgeklebt oder zumindest so befestigt werden, dass der Außenbezug aufgebracht werden kann, ohne dass die kapazitive Sensorstruktur verrutscht. Die kapazitive Sensorstruktur kann den Lenkradkranz im Querschnitt nur teilweise oder vollständig umschließen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Lenkrads kann die Auswerte- und Steuereinheit eine Wechselspannung an die kapazitive Sensorstruktur anlegen und eine Phasenverschiebung zwischen der angelegten Wechselspannung und einem resultierenden Wechselstrom als Messsignal erfassen und zur Positionsbestimmung auswerten. Die Phasenverschiebung kann beispielsweise einfach mit einem Lock-In Verfahren oder einer Phasenregelschleife (PLL: Phaselocked Loop) gemessen werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Lenkrads kann die Auswerte- und Steuereinheit durch Anlegen einer Gleichspannung als Heizspannung an erste Enden der beiden Außenleiter und durch elektrisches Verbinden der zweiten Enden der Außenleiter eine Heizfunktion aktivieren. Zur Implementierung der Heizfunktion ermöglicht die Auswerte- und Steuereinheit einen signifikanten Stromfluss über die Außenleiter. Zu diesem Zweck ist zwischen den zweiten Enden der Außenleiter ein Schaltelement angeordnet, welches die Auswerte- und Steuereinheit zur Durchführung der Heizfunktion leitend schaltet. Bei dem Schaltelement kann es sich in einer vorteilhaften Ausführungsform um einen MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) handeln, da dieser leistungslos angesteuert werden kann. Die Wechselspannung für die Positionsbestimmung kann die Gleichspannung für die Heizfunktion überlagern, so dass die Positionsbestimmung der Hände auch bei großen Gleichströmen für die Heizfunktion durchgeführt werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Lenkrads können die mindestens zwei Außenleiter der kapazitiven Sensorstruktur im abgewickelten Zustand beispielsweise jeweils eine gerade Form oder eine Dreieckform oder eine Rechteckform aufweisen. Zudem kann die kapazitive Sensorstruktur zumindest teilweise als Interdigitalstruktur ausgeführt werden, welche strahlenförmige zwischen den mindestens zwei Außenleiter angeordnete Innenleiter aufweisen kann, wobei von einem ersten Außenleiter ausgehende erste Innenleiter und von einem zweiten Außenleiter ausgehende zweite Innenleiter ineinander verzahnt angeordnet werden können. Durch eine vollständige Interdigitalstruktur können die kapazitive Kopplung zwischen den Außenleitern und damit die Grundkapazität der kapazitiven Sensorstruktur erhöht werden. Durch die Dreieckform können die Außenleiter verlängert werden, wodurch die Heizleistung erhöht werden kann. Auf der anderen Seite ist die Grundkapazität ohne Innenleiter geringer, da die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Außenleitern reduziert ist. Einen Kompromiss stellt die Rechteckform dar, bei welcher die Außenleiter rechteckförmig verlaufen und ineinander verzahnte Innenleiterbereiche zwischen den Außenleitern angeordnet werden können. Die Rechteckform ermöglicht eine abschnittsweise Ausbildung der Interdigitalstruktur.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Lenkrads kann der Lenkradkranz zwei kapazitive Sensorstrukturen aufweisen, welche jeweils auf einer Hälfte des Lenkradkranzes angeordnet sind. So kann eine erste kapazitive Sensorstruktur auf der linken Seite des Lenkradkranzes und eine zweite kapazitive Sensorstruktur kann auf der rechten Seite des Lenkradkranzes angeordnet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads für ein Fahrzeug.
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2 zeigt eine schematische transparente Darstellung des erfindungsgemäßen Lenkrads für ein Fahrzeug aus 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zur Positionsbestimmung einer menschlichen Hand am Lenkradkranz.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Lenkradkranzes des erfindungsgemäßen Lenkrads für ein Fahrzeug aus 1 und 2.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Lenkradkranzes des erfindungsgemäßen Lenkrads für ein Fahrzeug aus 1 und 2.
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5 zeigt eine Darstellung von mehreren Ausführungsbeispielen einer kapazitiven Sensorstruktur für die Sensoranordnung aus 2.
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6 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung aus 2.
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7 zeigt ein Kennliniendiagramm eines Messsignals der Sensoranordnung aus 6.
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8 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung aus 2.
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9 zeigt ein Kennliniendiagramm eines Messsignals der Sensoranordnung aus 8.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 5 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Lenkrads 1 für ein Fahrzeug einen Pralltopf 3 und einen Lenkradkranz 7, 7A, 7B, in welchem mindestens eine elektrische Leitung integriert ist. Hierbei umfasst eine kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B mindestens zwei als Außenleiter AL1, AL2 ausgeführte in den Lenkradkranz 7, 7A, 7B integrierte elektrische Leitungen, welche beabstandet zueinander angeordnet sind und eine Messkapazität ausbilden. Eine den Lenkradkranz 7, 7A, 7B berührende menschliche Hand beeinflusst den Wert der Messkapazität der kapazitiven Sensorstruktur 12, 12A, 12B am Kontaktbereich, so dass eine Auswerte- und Steuereinheit 20 die Messkapazität zur Positionsbestimmung der menschlichen Hand am Lenkradkranz 7, 7A, 7B auswertet.
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Wie insbesondere aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist im Pralltopf 3 ein Airbag 4 eines Insassenschutzsystems angeordnet, welchen die Auswerte- und Steuereinheit 20 bei einem erkannten Crashfall aktiviert und über einen nicht näher dargestellten Airbaggenerator aufbläst. Die Auswerte- und Steuereinheit 20 beeinflusst den Aufblasvorgang des Airbags 4 in Abhängigkeit von der bestimmten Handposition. Dadurch kann der Airbag 4 bei einer ungünstigen Position nicht voll ausgelöst werden, um zu verhindern, dass dem Fahrer seine Hände ins Gesicht geschleudert werden. Die Sensoranordnung 10, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei kapazitive Sensorstrukturen 12 und die Auswerte- und Steuereinheit 20 umfasst, arbeitet kapazitiv und ist in das Lenkrad 1 integriert. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, deckt eine erste kapazitive Sensorstruktur 12, welche über zwei elektrische Anschlüsse Vin1 und GND angesteuert wird, einen rechten Teil des Lenkradkranzes 7 ab, und eine zweite kapazitive Sensorstruktur 12, welche über zwei elektrische Anschlüsse Vin2 und GND angesteuert wird, deckt einen linken Teil des Lenkradkranzes 7 ab.
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Wie aus 3 bis 5 weiter ersichtlich ist, ist die kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B zwischen einem Grundkörper 9 und einem Außenbezug 16 des Lenkradkranzes 7, 7A, 7B angeordnet. Die flexible kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen nach dem Umspritzvorgang des Grundkörpers 9 mit einer Kunststoffschicht 14 auf diese aufgeklebt oder zumindest so befestigt, dass der Außenbezug 16 aufgebracht werden kann, ohne dass die kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B verrutscht. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, umschließt die kapazitive Sensorstruktur 12 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiels des Lenkradkranzes 7A den Lenkradkranz 7A im Querschnitt vollständig. Im Gegensatz dazu, umschließt die kapazitive Sensorstruktur 12 in dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des Lenkradkranzes 7B den Lenkradkranz 7B im Querschnitt nur teilweise. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B in vorteilhafter Weise in einer einzigen Metallebene ohne Durchkontaktierungen realisiert und in eine flexible Leiterplatte eingebettet. Alternativ kann die kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B zwischen zwei Kunststofffolien platziert werden. So ist ein kostengünstiger Aufbau möglich, der die erforderliche mechanische Flexibilität gewährleistet.
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5 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der kapazitiven Sensorstruktur 12, 12A, 12B im abgewickelten Zustand. Wie eine erste Darstellung a) in 5 zeigt, weisen im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der kapazitiven Sensorstruktur 12 die beiden Außenleiter AL1, AL2 eine gerade Form auf. Zudem ist die kapazitive Sensorstruktur 12 als Interdigitalstruktur ausgeführt, welche strahlenförmige zwischen den beiden Außenleitern AL1, AL2 angeordnete Innenleiter IL1, IL2 aufweist. Hierbei sind von einem ersten Außenleiter AL1 ausgehende erste Innenleiter IL1 und von einem zweiten Außenleiter AL2 ausgehende zweite Innenleiter IL2 ineinander verzahnt angeordnet. Dadurch kann die Grundkapazität der kapazitiven Sensorstruktur 12 erhöht werden.
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Wie eine zweite Darstellung b) in 5 zeigt, weisen im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der kapazitiven Sensorstruktur 12A die beiden Außenleiter AL1, AL2 eine Dreieckform auf und sind daher länger als die beiden Außenleiter AL1, AL2 des ersten Ausführungsbeispiels. Dies ist bei einer Integration einer Lenkradheizung sinnvoll, da eine bessere Verteilung der Heizleistung erzielt werden kann. Auf der anderen Seite ist die Grundkapazität geringer, da die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Außenleitern AL1, AL2 reduziert ist.
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Eine dritte Darstellung c) in 5 zeigt einen Kompromiss, wobei im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der kapazitiven Sensorstruktur 12B die beiden Außenleiter AL1, AL2 eine Rechteckform aufweisen, wobei bereichsweise ineinander verzahnte Innenleiter IL1, IL2 zwischen den Außenleitern AL1, Al2 angeordnet sind. Die Rechteckform ermöglicht eine abschnittsweise Ausbildung der Interdigitalstruktur.
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Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, weisen die kapazitiven Strukturen 12, 12A, 12B bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 theoretisch eine unendlich große Anzahl an Zuleitungswiderständen R und Kondensatoren C1, C2, Cn auf, deren Kapazität von der Präsenz der Hand des Fahrers abhängt. In 6 bezeichnet Vin eine Wechselspannung, die von einer Spannungsquelle mit Amplituden im Bereich von 0,1 V bis 10 V bei Frequenzen von einigen kHz bis wenigen MHz ausgegeben wird. Als Messsignal wird eine Phasenverschiebung ∆Φ zwischen der von der Spannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung Vin und einem resultierenden Wechselstrom Iin erfasst und zur Positionsbestimmung auswertet. 7 zeigt eine simulierte Kennlinie eines Netzwerks mit drei Kondensatoren gemäß 6. Die Kennlinie zeigt einen eineindeutigen Zusammenhang zwischen den verschiedenen Handpositionen P1, P2, P3 im Ersatzschaltbild aus 6 und der Phasenverschiebung ∆Φ. Zur Simulation wurde jeweils eine Kapazität doppelt so groß (2 µF) wie die anderen beiden gewählt (je 1 µF), um den Einfluss der Hand nachzubilden. Die Phasenverschiebung ∆Φ kann die Auswerte- und Steuereinheit 20 einfach mit einem Lock-In Verfahren oder einer Phasenregelschleife messen. 7 auf der x-Achse, an welcher Position P1, P2, P3 im Netzwerk gemäß 6 die große Kapazität (2 µF) positioniert ist. Die y-Achse zeigt den Phasenversatz zwischen dem Wechselstrom Iin und der Wechselspannung Vin. Es ist leicht ersichtlich, dass ein eindeutiger Zusammenhang besteht und eine Rekonstruktion der Handposition möglich ist.
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Zum optionalen Implementierung einer Heizfunktion für den Lenkradkranz 7, 7A, 7B, wird ein signifikanter Stromfluss über die Außenleiter AL1, AL2 ermöglicht.
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Wie aus 8 ersichtlich ist, ist daher im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 zwischen den beiden Außenleitern AL1, AL2 ein Schaltelement S1 angeordnet. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 aus 6 legt die Auswerte- und Steuereinheit 20 die Wechselspannung Vin an die kapazitive Sensorstruktur 12, 12A, 12B an, welche durch die Kondensatoren C1, C2, Cn und die Leitungswiderstände R repräsentiert wird, und ermittelt eine Phasenverschiebung ∆Φ zwischen der angelegten Wechselspannung Vin und dem resultierenden Wechselstrom Iin. Zusätzlich legt die Auswerte- und Steuereinheit 20 eine Gleichspannung als Heizspannung an erste Enden der beiden Außenleiter AL1, AL2 an und verbindet die zweiten Enden der Außenleiter AL1, AL2 elektrisch miteinander. Zur Durchführung der Heizfunktion schaltet die Auswerte- und Steuereinheit 20 das Schaltelement S1 leitend. Das Schaltelement S1 ist vorzugsweise als MOS-FET ausgeführt, da dieser leistungslos angesteuert werden kann. 9 zeigt eine simulierte Kennlinie des entsprechenden Netzwerkes mit drei Kondensatoren gemäß 8. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 ohne Heizfunktion zeigt die Kennlinie aus 9 auch bei einer großen Offset-Gleichspannung einen eineindeutigen Zusammenhang zwischen den verschiedenen Handpositionen P1, P2, P3 im Ersatzschaltbild aus 8 und der Phasenverschiebung ∆Φ.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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