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Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Lenkrades gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
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Die in einem derartigen Lenkrad vorhandene Sensoranordnung dient z.B. dazu, eine Berührung des Lenkrades durch eine Hand des Fahrzeugführers zu detektieren, wie z.B. in der
WO 2013/057263 beschrieben. Die Berührungserkennung wird insbesondere als Sicherheitsfunktion bei einer Verwendung von Fahrerassistenzsystemen, insbesondere bei Verwendung von Funktionen des autonomen Fahrens, genutzt, um zu überprüfen, ob der Fahrzeugführer seine Hände am Lenkrad hat, um erforderlichenfalls selber das Fahrzeug lenken zu können („Hands on/off-Detection“ - HOD). Die Berührungserkennung kann jedoch auch für andere Sicherheitsfunktionen oder auch für Komfortfunktionen genutzt werden, zum Beispiel zur Steuerung einer Lenkradheizung.
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Häufig ist die Berührungserkennung jedoch unzuverlässig, da z.B. der Verlauf der von der Sensoranordnung erzeugten elektrischen Feldlinien zum Beispiel von dem Zustand der im Lenkrad vorhandenen Materialien (insbesondere derjenigen Materialien, die ein Dielektrikum der Sensoranordnung ausbilden) und damit von den Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängt. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass fälschlicherweise eine Berührung der Hände angenommen wird, wenn ein anderer Körperteil, zum Beispiel ein Knie, des Fahrzeugführers in den Bereich des Lenkrads kommt.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine möglichst zuverlässige Erkennung einer Berührung des Lenkrades durch die Hände des Fahrzeugführers zu ermöglichen.
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Dieses Problem wird durch die Bereitstellung des Lenkrades mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach wird ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit
- - einer Sensoranordnung zur kapazitiven Erkennung einer Berührung des Lenkrades durch mindestens eine Hand eines Fahrzeugführers, wobei
- - die Sensoranordnung eine sich zumindest teilweise in einem Lenkradkranz des Lenkrades erstreckende Leiteranordnung aufweist, wobei
- - mindestens ein mit einem vorgebbaren Potential beaufschlagtes Potentialelement zur Beeinflussung eines von der Sensoranordnung erzeugten elektrischen Feldes, wobei das Potentialelement mindestens einen elektrischen Leiter der Leiteranordnung zumindest abschnittsweise umgibt.
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Mit Hilfe des Potentialelementes lässt sich insbesondere die Ausdehnung des von der Sensoranordnung (insbesondere von der Leiteranordnung) erzeugten elektrischen Feldes begrenzen, wodurch z.B. eine starke Streuung der Feldlinien dieses Feldes in die Umgebung des Lenkrades und damit die Gefahr von Fehlerkennungen, die etwa auf in Lenkradnähe befindliche andere Körperteile des Fahrzeugführers oder Gegenstände zurückgehen, reduziert wird.
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Denkbar ist, dass sich die Leiteranordnung (die insbesondere eine Elektrode der Sensoranordnung ausbildet) zumindest teilweise um ein Skelett des Lenkradkranzes herum erstreckt, wobei sich die Leiteranordnung z.B. in einem Schaummaterial des Lenkradkranzes befindet.
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Beispielsweise begrenzt das Potentialelement zumindest teilweise den elektrischen Leiter der Leiteranordnung. So verläuft das Potentialelement z.B. schleifenförmig oder ringförmig um den elektrischen Leiter der Leiteranordnung herum, d.h. es umgibt den Leiter zumindest teilweise. Weder der elektrische Leiter, noch das Potentialelement erstrecken sich notwendigerweise über den gesamten Umfang des Lenkrades (d.h. den eine Nabe des Lenkrades umlaufenden Umfang eines Lenkradkranzes des Lenkrades).
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Möglich ist jedoch auch, dass sich das Potentialelement vollständig um die Leiteranordnung herum erstreckt. Das Potentialelement erstreckt sich z.B. zumindest näherungsweise in derselben (oder einer parallelen) Ebene oder derselben (oder einer parallelen) Fläche wie der elektrische Leiter der Leiteranordnung. Beispielsweise ist das Potentialelement durch ein leitfähiges Material, z.B. in Form mindestens einer Leitung oder einer Leiterfläche (etwa einer auf einem Träger angeordneten Leiterbahn bzw. Leiterfläche), ausgebildet. Bei dem elektrischen Leiter der Leiteranordnung kann es sich ebenfalls um eine Leitung oder eine Leiterfläche handeln, wobei die Leitung bzw. Leiterfläche, die das Potentialelement ausbildet, zusammen mit der Leitung bzw. der Leiterfläche der Leiteranordnung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein können.
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Es können auch mehrere Potentialelemente vorgesehen sein, die (z.B. beabstandet voneinander) um das Lenkradskelett herum angeordnet sind. Beispielsweise sind die Potentialelemente gleichmäßig um das Lenkradskelett herum verteilt, d.h. sie weisen in einer Ebene senkrecht zum Lenkradskelett jeweils denselben Winkelabstand zum nächstgelegenen Potentialelement auf. Dies ist natürlich nicht zwingend erforderlich. Vielmehr könnten die Potentialelemente auch mit unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein.
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Die Leiteranordnung umfasst in einem Ausführungsbeispiel mindestens einen elektrischen Leiter, der eine kapazitive Antenne ausbildet. Der elektrische Leiter ist z.B. aus einem leitfähigen Material, z.B. aus einem Metall (etwa Kupfer) oder ITO, ausgebildet und auf einem Träger, z.B. in Form eines (insbesondere elektrisch isolierenden) Gewebes oder einer Folie, angeordnet. Eine derartige Anordnung bildet insbesondere eine Sensormatte (etwa eine „HOD-Matte“) aus. Denkbar ist, wie oben bereits angedeutet, dass das Potentialelement ebenfalls auf dem Träger angeordnet ist, z.B. in Form mindestens einer Leiterbahn.
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Das Potentialelement ist darüber hinaus insbesondere mit Massepotential beaufschlagt, wobei z.B. im Lenkrad eine elektrische Kontaktierung des Potentialelementes zur Verbindung mit einem Massepotential vorhanden ist. Das Potentialelement muss jedoch nicht zwingend mit Massepotential verbunden, sondern könnte auch mit einem anderen geeigneten Potential beaufschlagt werden. Insbesondere ist das Potentialelement mit einem Potential beaufschlagt, das kleiner als das Potential des elektrischen Leiters der Leiteranordnung ist.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bildet ein Lenkradskelett des Lenkrades eine Elektrode der Sensoranordnung aus, wobei sich zwischen dem Lenkradskelett und der Sensoranordnung ein Dielektrikum, das beispielsweise durch ein Schaummaterial des Lenkrades ausgebildet ist, befindet.
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Denkbar ist auch, dass die Leiteranordnung und das Potentialelement von einem Lenkradbezug (z.B. einem Lederbezug) umgeben sind, wobei der Lenkradbezug insbesondere eine Außenseite des Lenkrades (zumindest des Lenkradkranzes) bildet.
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Das erfindungsgemäße Lenkrad kann auch ein sich zwischen dem Lenkradskelett und der Leiteranordnung befindliches Heizelement (z.B. eine Heizmatte) umfassen, wobei z.B. zwischen dem Heizelement und der Leiteranordnung ein Abschirmelement angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Lenkrades, insbesondere wie oben beschrieben, mit den Schritten:
- - Bereitstellen einer Sensoranordnung zur kapazitiven Erkennung einer Berührung des Lenkrades durch mindestens eine Hand eines Fahrzeugführers;
- - Anordnen der Sensoranordnung derart, dass sich eine Leiteranordnung der Sensoranordnung zumindest teilweise in einem Lenkradkranz des Lenkrades erstreckt; und
- - Anordnen mindestens eines mit einem vorgebbaren Potential beaufschlagtes Potentialelements zur Beeinflussung eines von der Sensoranordnung erzeugten elektrischen Feldes derart, dass das Potentialelement mindestens einen elektrischen Leiter der Leiteranordnung zumindest abschnittsweise umgibt.
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Selbstverständlich können die oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Lenkrad erläuterten Ausführungsbeispiele analog zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch den Lenkradkranz eines Lenkrades gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 einen Schnitt durch den Lenkradkranz eines Lenkrades gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 schematisch eine Darstellung einer Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Lenkrades;
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Lenkradkranzes mit der Sensoranordnung aus 3;
- 5 schematisch einen Schnitt durch die Sensoranordnung des Lenkrades aus 4;
- 6 einen Schnitt durch den Lenkradkranz eines Lenkrades gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 schematisch einen Schnitt durch eine Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Lenkrades;
- 8 schematisch einen Schnitt durch eine Sensoranordnung eines konventionellen Lenkrades;
- 9A Äquipotentiallinien im Bereich der Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Lenkrads;
- 9B Äquipotentiallinien im Bereich einer Sensoranordnung eines herkömmlichen Lenkrads; und
- 10 eine Abwandlung einer Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Lenkrades.
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Der in 1 dargestellte Lenkradkranz 11 eines erfindungsgemäßen Lenkrades weist ein umlaufendes Lenkradskelett 11 (Lenkradkern, der zum Beispiel aus Magnesium ausgebildet ist) auf, wobei das Lenkradskelett 11 von einem Schaummaterial 12 umgeben ist.
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Des Weiteren umfasst der Lenkradkranz 1 eine Sensoranordnung 10 zur kapazitiven Erkennung einer Berührung des Lenkrades durch mindestens eine Hand eines Fahrzeugführers. Die Sensoranordnung 10 weist eine Leiteranordnung in Form einer HOD-Matte 13 auf, wobei die HOD-Matte 13 wiederum in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von kapazitiven Antennen umfasst, die durch mehrere, auf einem Träger angeordnete elektrische Leiter gebildet sind (vgl. 3). Das Lenkradskelett 11 kann ebenfalls ein Bestandteil (eine erste Elektrode) der Sensoranordnung 10 sein, wobei ein Abschnitt des Schaummaterials 12 zwischen dem Lenkradskelett 11 und der HOD-Matte 13 (zweite Elektrode) ein Dielektrikum der Sensoranordnung 10 bildet.
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Möglich ist auch, dass mehrere HOD-Matten 13 vorhanden sind, die (z.B. beabstandet voneinander) entlang des (eine Nabe des Lenkrades umlaufenden) Umfanges des Lenkradkranzes 11 hintereinander angeordnet sind. Auch können HOD-Matten 13 im Prinzip beliebiger Gestalt und Größe verwendet werden.
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Die Sensoranordnung 10 ist insbesondere mit einer in 1 nicht dargestellten Auswerteeinheit und/oder Spannungsquelle verbunden, wobei mittels der Auswerteeinheit eine Auswertung von elektrischen Signalen der Sensoranordnung 10 (z.B. der HOD-Matte 13) erfolgt. Anhand der elektrischen Signale kann eine Berührung des Lenkradkranzes 1 erkannt werden. Ein äußerer Abschnitt des Schaumaterials 12 ist von einem Lederbezug 14 umgeben, der eine äußere Sichtfläche des Lenkradkranzes 1 ausformt.
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Darüber hinaus weist der Lenkradkranz 1 zwei Potentialelemente in Form zweier mit Massepotential beaufschlagter Massepotentialschleifen (Massepotentialringe) 15a, 15b auf, die jeweils mindestens einen der elektrischen Leiter und damit zumindest eine der kapazitiven Antennen der HOD-Matte 13 zumindest teilweise umgeben. Beispielsweise sind die Massepotentialschleifen 15a, 15b zusammen mit dem jeweiligen elektrischen Leiter der HOD-Matte 13 auf einem Träger der HOD-Matte 13 angeordnet. Ein Beispiel der Anordnung einer derartigen Massepotentialschleife ist in 3 dargestellt. Mit Hilfe der Massepotentialschleifen 15a, 15b wird das von der Sensoranordnung 10 erzeugte elektrische Feld gezielt beeinflusst; insbesondere derart, dass sich die Ausdehnung des Feldes in die Umgebung des Lenkradkranzes 1 vermindert (vgl. 7 und 9A).
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2 zeigt eine Abwandlung der 1, wonach vier Massepotentialschleifen 15a bis 15d vorgesehen sind. Die Massepotentialschleifen 15a-d sind gleichmäßig um das Lenkradskelett 11 herum angeordnet (mit einem Winkelabstand von etwa 90°) und befinden sich insbesondere zumindest teilweise in derselben Ebene senkrecht zum Lenkradskelett 11. Denkbar ist allerdings auch, dass die Massepotentialschleifen 15a-d entlang des Umfanges des Lenkradkranzes 1 (um eine Lenkradnabe herum) versetzt zueinander angeordnet sind. Möglich ist selbstverständlich auch, dass mehr als vier Massepotentialschleifen vorgesehen sind, die auch nicht zwingend gleichmäßig um das Lenkradskelett 11 herum positioniert sein müssen.
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Ein Beispiel für eine Ausgestaltung einer Massepotentialschleife eines erfindungsgemäßen Lenkrades ist schematisch in 3 gezeigt. Dort befindet sich eine (z.B. in Form einer Leiterbahn ausgebildeter Massepotentialschleife 15 zusammen mit einer elektrischen Leitung 131 der HOD-Matte 13 auf einem Träger 132 (z.B. ein textiles Material oder eine Folie) der Matte 13. Die elektrische Leitung 131 ist z.B. durch Weben oder Aufnähen an dem Träger 132 befestigt. Denkbar ist allerdings auch, dass die elektrische Leitung 131 auf den Träger 132 aufgedruckt ist.
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Die Leitung 131 weist mehrere Leiterschleifen 1311 auf, wodurch eine Antenne 1310 oder ein Antennenbündel realisiert ist. Die Massepotentialschleife 15 umgibt die Antenne 1310 auf drei Seiten, nämlich auf zwei seitlichen (vertikalen) Längsseiten und auf einer oberen (horizontalen) kürzeren Seite der Antenne 1310. Entsprechend weist die Massepotentialschleife 15 zwei längere seitliche Abschnitte 151a, 151b sowie einen oberen Abschnitt 152 auf, wobei über die seitlichen Abschnitte 151a, 151b eine Verbindung mit Masse erfolgt. An einer Unterseite der Antenne 1310 befindet sich eine Zuleitung 133 zur Kontaktierung der elektrischen Leitung 131. Auf dieser Seite umgibt die Massepotentialschleife 15 in dem Ausführungsbeispiel der 3 die Leitung 131 nicht. Es ist jedoch durchaus denkbar, dass sich die Massepotentialschleife 15 zumindest auch entlang eines Abschnittes der Unterseite der Antenne 1310 erstreckt und somit zumindest näherungsweise vollständig um die Antenne 1310 herum verläuft.
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Die HOD-Matte 13 umfasst weitere elektrische Leiter und damit Antennen, die in 3 nicht dargestellt, jedoch durch den gestrichelten Fortsatz von Begrenzungslinien des Trägers 132 angedeutet sind. Zumindest einige dieser weiteren elektrischen Leiter (Antennen) können ebenfalls mit einer Massepotentialschleife analog zur dargestellten Massepotentialschleife 15 abgeschirmt sein.
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Einen Abschnitt der an einem Lenkradkranz 1 angeordneten HOD-Matte 13 der 3 ist in 4 gezeigt, wobei einige der Leiterschleifen 1311 nicht dargestellt sind.
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5 zeigt eine schematische Schnittansicht der HOD-Matte 13 der 3 und 4 im Bereich einer der Antennen 1310. Obwohl die Leitung 131 schematisch mit einem einzigen rechteckigen Querschnitt dargestellt ist, kann sie natürlich analog zu den 3 und 4 mehrere Leiterschleifen aufweisen. Die Massepotentialschleife 15 wird mit einem relativ zur Leitung 131 negativeren Potential beaufschlagt (angedeutet durch das Minus- bzw. Pluszeichen).
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Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Lenkrades ist in 6 gezeigt. Demnach umfasst der Lenkradkranz 1 analog zu 1 eine Sensoranordnung mit einer Leiteranordnung 13 sowie zwei Massepotentialschleifen 15a, 15b. Zusätzlich ist jedoch ein Heizelement 16 als Teil einer Lenkradheizung vorhanden, wobei zudem ein zwischen der HOD-Matte 13 und dem Heizelement 16 angeordnetes Abschirmelement 17 vorhanden ist.
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In 7 ist schematisch (nach Art eines Schichtmodells) ein Schnitt durch den Lenkradkranz 1 eines erfindungsgemäßen Lenkrades dargestellt, wobei sich in dem Lenkradkranz 1 ein Abschirmelement 17 (vgl. 6) befindet. Denkbar ist auch, dass in dem Lenkradkranz 1 analog zur 6 ein Heizelement angeordnet ist. Die Abschnitte 151a, 151b der Massepotentialschleife 15 befinden sich auf einem gegenüber der Leitung 131 niedrigeren Potential (nicht zwingend auf Massepotential wie in 7 dargestellt), wodurch sich die in 7 ebenfalls dargestellte Feldlinienverteilung (Feld E) ergibt.
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Das Lenkradskelett 11 als Elektrode der Sensoranordnung 10 ist ebenfalls mit einem gegenüber der Leitung 131 niedrigeren Potential, das z.B. dem Potential der Massepotentialschleife 15 entspricht, beaufschlagt. Insbesondere befindet sich das Lenkradskelett 11 auf Massepotential.
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8 zeigt die Feldlinienverteilung in Bezug auf eine konventionelle Sensoranordnung ohne Massepotentialschleife. Es ist zu erkennen, dass sich das elektrische Feld E insbesondere im mittleren Bereich des Leiters 131 weit in die Umgebung des Lenkradkranzes 1 ausbreitet. Durch Verwendung der Massepotentialschleife 15 wird diese Ausbreitung des Feldes deutlich reduziert; vgl. 7.
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Die 9A und 9B zeigen Berechnungen der sich für die Fälle der 7 (mit Massepotentialschleife) und 8 (ohne Massepotentialschleife) ergebenden Äquipotentiallinien P. Zur Berechnung der Äquipotentiallinien P wurde jeweils ein Schichtmodell des Lenkradkranzes verwendet, wobei das Lenkradskelett 11, das Schaummaterial 12, die HOD-Matte 13, die Massepotentialschleife 15 (in 9A) und der Lederbezug 14 jeweils als ebene Schichten angenommen wurden.
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In 10 ist eine weitere Ausgestaltung einer Sensoranordnung 10 eines erfindungsgemäßen Lenkrades gezeigt. Die Leiteranordnung 13 der Sensoranordnung 10 weist zwei elektrische Leiter in Form von (insbesondere metallischen) Sensorflächen 110, 130 auf, die durch einen (z.B. mäanderförmig, zickzackartig oder sinusförmig verlaufenden) Spalt 140 voneinander getrennt sind und zwei Elektroden der Sensoranordnung 10 bilden. Die Sensorflächen 110, 130 sind analog zu den obigen Ausführungsbeispielen teilweise von einer Massepotentialschleife 15 umgeben, wobei sich die Massepotentialschleife 15 auf einem niedrigen Potential als zumindest eine der Sensorflächen 110, 130 befindet (insbesondere auf Massepotential). Die Sensorflächen 110, 130 können natürlich eine im Prinzip beliebige (z.B. rechteckige) Geometrie aufweisen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Massepotentialschleifen 15 der obigen Ausführungsbeispiele natürlich nicht zwingend mit einem Massepotential beaufschlagt werden müssen. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass sich die Massepotentialschleifen (Potentialschleifen) 15 auf einem Potential befinden, dass lediglich kleiner ist als das Potential zumindest eines der elektrischen Leiter der Leiteranordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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