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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensor zum Erfassen einer Berührung einer Fahrzeugkomponente durch einen Fahrzeuginsassen oder einer Annäherung eines Fahrzeuginsassen an die Fahrzeugkomponente.
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Kapazitive Berührungs- oder Annäherungssensoren sind bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2014 223 128 A1 . Hier ist ein Sensorelement abwechselnd mit einem Heizdraht in einem Lenkradkranz angeordnet, wobei das Sensorelement zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche dient. Um den Einfluss des Heizdrahts auf die kapazitive Messung des Sensorelements zu kontrollieren, ist für den Heizdraht eine spezifische Schaltung vorgesehen. Neben unerwünschten Kopplungen zwischen dem Heizdraht und dem Sensorelement, die durch zusätzlichen Aufwand zu beheben sind, weist ein solcher Aufbau einen erhöhten Bauraum auf.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensor bereitzustellen, der neben der Sensorfunktion eine Heizfunktion aufweist und dennoch einen möglichst geringen Bauraum und keine aufwendige elektrische Schaltung erfordert.
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Dieses Problem wird durch die Bereitstellung des kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach umfasst der kapazitive Berührungs- oder Annäherungssensor mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode, wobei die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode in einer gemeinsamen Schicht angeordnet sind. Dabei ist eine Schicht hierbei insbesondere als eine Fläche auszulegen, die eben ist oder zumindest in einer Ebene auslegbar ist. Der kapazitive Berührungs- oder Annäherungssensor umfasst ferner eine elektronische Steuereinheit, die ausgebildet ist, die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode zu steuern. Dabei schaltet die elektronische Steuereinheit die mindestens eine erste Elektrode und nicht die mindestens eine zweite Elektrode innerhalb einer ersten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der ersten Steuerphase zum Beheizen der Fahrzeugkomponente als Heizelektrode. Die mindestens eine erste Elektrode dient in der ersten Steuerphase als Heizelektrode, während die mindestens eine zweite Elektrode in der ersten Steuerphase keine Funktion hat. Ferner schaltet die elektronische Steuereinheit, die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode während einer zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase zum Erfassen einer Berührung oder einer Annäherung als Sensorelektroden. In der zweiten Steuerphase dienen die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode als Sensorelektroden. Unter dem Schalten oder Steuern einer Elektrode durch die Steuereinheit ist zu verstehen, dass die Elektrode über einen vorbestimmten Zeitraum mit einem vorbestimmten Potential (Gleichspannung, Wechselspannung) beziehungsweise Strom beaufschlagt wird. Eine Mess- und Auswerteeinheit ist ausgebildet, die Kapazität beziehungsweise die Änderung der Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode zu messen und das Messergebnis auszuwerten, um eine Berührung oder eine Annäherung der beziehungsweise an die Fahrzeugkomponente zu erfassen. Die Mess- und Auswerteeinheit nutzt dabei die Tatsache, dass sich die Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode ändert, wenn sich ein Fahrzeuginsasse den Elektroden nähert und insbesondere durch den Wassergehalt des Fahrzeuginsassen die Permittivität des Dielektrikums zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode ändert.
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Durch die Verwendung der mindestens einen ersten Elektrode zeitweise als Heizelektrode und zeitweise als Sensorelektrode kann auf eine zusätzliche Elektrode verzichtet werden, was Bauraum einspart. Zudem kann die Heizelektrode die kapazitive Messung des kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensors nicht stören, da sie selbst Teil der Messvorrichtung ist.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet. Dabei können die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verzahnt in einer Interdigitalstruktur zueinander angeordnet sein. Dadurch kann eine erhöhte kapazitive Kopplung zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode erzielt werden, wodurch die Messvorrichtung robuster gegen Komponenten aus der Umgebung ist, die die kapazitive Messung beeinflussen können. Die mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise ein periodisches Rechteckmuster bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei zweite Elektroden vorgesehen, die sich entlang unterschiedlicher Abschnitte der mindestens einen ersten Elektrode erstrecken. Hierdurch kann nicht nur eine Berührung beziehungsweise Annäherung an sich erkannt werden, sondern auch räumlich aufgelöst werden, in welchem Bereich die Berührung beziehungsweise Annäherung erfolgt. Dabei können sich die mindestens zwei zweiten Elektroden zusammen entlang der gesamten mindestens einen ersten Elektrode erstrecken, wobei sich jede der mindestens zwei zweiten Elektroden entlang eines individuellen Abschnitts der mindestens einen ersten Elektrode erstreckt. Dabei können die mindestens zwei zweiten Elektroden gleich lang sein und sich entlang gleich langer Abschnitte der mindestens einen ersten Elektrode erstrecken. Alternativ können die mindestens zwei zweiten Elektroden unterschiedlich lang sein und sich entlang unterschiedlich langer Abschnitte der mindestens einen ersten Elektrode erstrecken. Beispielsweise können eine erste Elektrode und drei zweite Elektroden vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, dass der kapazitive Belegungs- oder Annäherungssensor zwei oder mehr erste Elektroden (Heizelektroden) umfasst. Hierdurch können einzelne Bereiche einer Fahrzeugkomponente, die mit dem kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor ausgestattet ist, individuell beheizbar ausgestaltet werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei zweiten Elektroden während der zweiten Steuerphase während aufeinanderfolgenden Zeitintervallen in der zweiten Steuerphase als Sensorelektroden geschaltet werden. Dabei kann (muss aber nicht) zwischen den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen eine Pause vorgesehen sein, in der keine der zweiten Elektroden als Sensorelektrode geschalten ist. Vorzugsweise überlappen sich die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle nicht. So können die Messsignale der einzelnen zweiten Elektroden, die jeweils unterschiedliche Abschnitte der mindestens einen ersten Elektrode (und somit der Fahrzeugkomponente) abdecken, zeitlich aufgelöst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase die mindestens eine erste Elektrode als Sendeelektrode geschalten wird und die mindestens eine zweite Elektrode als Empfangselektrode. Zu diesem Zweck kann die elektronische Steuereinheit derart ausgebildet sein, dass sie die mindestens eine erste Elektrode innerhalb der zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Somit bildet sich eine Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (Sendeelektrode) und der mindestens einen zweiten Elektrode (Empfangselektrode) aus, wobei die mindestens eine zweite Elektrode mit einem vorbestimmten Potential beaufschlagt ist. Das Potential kann zumindest während der zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase vorbestimmt sein. Das vorbestimmte Potential kann jedoch auch darüber hinaus, beispielsweise durchgehend, an der mindestens einen zweiten Elektrode anliegen. Beispielsweise kann die mindestens eine zweite Elektrode auf Masse liegen. Über die mindestens eine zweite Elektrode kann durch die Mess- und Auswerteeinheit innerhalb der zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase ein Messsignal (beispielsweise eine Spannung) gemessen werden, das von der Kapazität (beziehungsweise deren Änderung) zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode abhängt. Dabei kann die elektronische Steuereinheit derart ausgebildet sein, dass sie die mindestens eine zweite Elektrode innerhalb der zweiten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der zweiten Steuerphase mit der Mess- und Auswerteeinheit messtechnisch verbindet.
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Darüber hinaus kann die elektronische Steuereinheit ausgebildet sein, die mindestens eine erste Elektrode innerhalb der ersten Steuerphase oder eines Zeitintervalls in der ersten Steuerphase mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, so dass die mindestens eine erste Elektrode zum Beheizen der Fahrzeugkomponente dienen kann.
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Der kapazitive Berührungs- oder Annäherungssensor, und hier insbesondere die Steuereinheit, kann derart ausgebildet sein, dass sich die erste Steuerphase und die zweite Steuerphase zeitlich nicht überschneiden. Somit kann verhindert werden, dass die mindestens eine erste Elektrode zeitgleich eine Heizfunktion und eine Sensorfunktion erfüllt.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich die erste Steuerphase und die zweite Steuerphase einander abwechseln. Dabei kann ein Zyklus von einer ersten Steuerphase und der unmittelbar darauffolgenden zweiten Steuerphase gebildet werden, so dass die Summe der Dauer der ersten Steuerphase und der Dauer der zweiten Steuerphase der Dauer des Zyklus entspricht. Die Dauer der zweiten Steuerphase kann konstant sein, um Messungen stets unter den gleichen Bedingungen durchzuführen. Die Dauer eines Zyklus kann variabel sein. Durch eine Änderung der Dauer des Zyklus kann sich bei konstanter zweiter Steuerphase dann die Dauer der ersten Steuerphase ändern.
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Auch ist es möglich, bei konstanter Dauer der ersten Steuerphase die mindestens eine erste Elektrode während eines variablen Zeitintervalls innerhalb der ersten Steuerphase als Heizelektrode zu schalten. Da die Heizfunktion nur während dieses variablen Zeitintervalls vorliegt, kann dieses variable Zeitinterwall auch als Heizphase bezeichnet werden. Wenn die Heizphase kürzer als die Dauer der ersten Steuerphase ist, liegt zwischen der Heizphase und der zweiten Steuerphase ein Zeitraum, in dem weder eine Heizfunktion noch eine Messfunktion vorliegt. Die Heizphase kann kürzer als die erste Steuerphase sein oder gleich lang. Die Dauer der Heizphase kann bis zu 90% der Dauer eines Zyklus betragen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Lenkradanordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkrad, das einen Lenkradkranz umfasst, über den das Lenkrad von einem Fahrzeuginsassen ergreifbar ist. Der Lenkradkranz weist ein zentrales Lenkradskelett auf. Die Lenkradanordnung umfasst ferner einen kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensor nach einer der zuvor erwähnten Ausführungsformen. Dabei sind die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode in dem Lenkradkranz angeordnet. Der kapazitive Berührungs- oder Annäherungssensor dient zum Erfassen einer Auflage oder einer Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen auf/an dem Lenkrad.
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Dabei können die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode in einer gemeinsamen Elektrodenschicht angeordnet sein, die sich in einem Abstand zu dem Lenkradskelett (vollständig) um das Lenkradskelett herum erstreckt. Zwischen dieser Elektrodenschicht und dem Lenkradskelett können übliche Schaumstoff- und elektrische Isolationsschichten zur Polsterung beziehungsweise elektrischen Isolation des Lenkradskeletts vorgesehen sein. Jedoch kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Lenkradskelett und der die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode umfassenden Elektrodenschicht, also zwischen dem Lenkradskelett einerseits und der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode andererseits, kein Abschirmelement ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schaltanordnung eines kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein Phasendiagramm der Steuereinheit der Schaltanordnung aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 ein Phasendiagramm der Steuereinheit der Schaltanordnung aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 einen Querschnitt durch einen Lenkradkranz einer Lenkradanordnung, die den kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensor aus 1 umfasst; und
- 5 eine Draufsicht auf den Lenkradkranz aus 4.
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1 zeigt eine Schaltanordnung eines kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensors 1 gemäß einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform umfasst der Sensor 1 eine erste Elektrode 11 und drei zweite Elektroden 12a, 12b, 12c. Die erste Elektrode 11 ist in einer periodischen Rechteckstruktur angeordnet. Die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c erstrecken sich jeweils entlang eines Abschnitts der ersten Elektrode 11, wobei sich mehrere zweite Elektroden nicht entlang desselben Abschnitts erstrecken. Die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c sind derart angeordnet, dass sie sich zusammen im Wesentlichen entlang der gesamten ersten Elektrode 11 erstrecken. Dabei ragen die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c in von der ersten Elektrode 11 ausgebildete Rechteckformen hinein. In dieser Ausführungsform sind zwei zweite Elektroden 12a, 12c gleich lang und eine zweite Elektrode 12b doppelt so lang wie jede der beiden anderen zweiten Elektroden 12a, 12c. Die zwei kürzeren zweiten Elektroden 12a, 12c ragen in jeweils eine Rechteckform der ersten Elektrode 11, während die längere zweite Elektrode 12b in zwei Rechteckformen der ersten Elektrode 11 hineinragt. Die erste Elektrode 11 und die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c sind in einer gemeinsamen Schicht angeordnet.
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Die erste Elektrode 11 und die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c sind mit einer elektronischen Steuereinheit 13 elektronisch verbunden. Die Steuereinheit 13 ist ausgebildet, die erste Elektrode 11 und die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c zu steuern. Konkreter ist die Steuereinheit 13 ausgebildet, die erste Elektrode 11 während einer ersten Steuerphase t1 oder einer Heizphase tH, die kürzer als die erste Steuerphase t1 sein kann und innerhalb der Steuerphase t1 liegt, als Heizelektrode zu schalten. Zu diesem Zweck werden zwei Schalter S1 und S2 geschlossen und die erste Elektrode 11 (und insbesondere nicht die zweiten Elektroden) mit einer Stromquelle 14 verbunden, um die erste Elektrode 11 mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen. Hierdurch erhitzt sich die erste Elektrode und dient als Heizelektrode. Die zweiten Elektroden dienen nicht als Heizelektrode.
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Die Steuereinheit 13 ist ferner ausgebildet, die erste Elektrode 11 während einer zweiten Steuerphase t2 mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen, so dass die erste Elektrode als Sendeelektrode dient. Zwischen den drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c einerseits und der ersten Elektrode 11 andererseits bildet sich während der zweiten Steuerphase t2 eine Kapazität aus, deren Betrag sich ändert, wenn eine Hand in die Nähe des Sensors 1 kommt. Hierzu werden die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c innerhalb der zweiten Steuerphase t2 nacheinander für jeweils ein Drittel der Dauer der zweiten Steuerphase t2 von der Steuereinheit 13 als Empfangselektrode geschaltet. Das heißt, dass die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c jeweils zumindest für das jeweilige Drittel der zweiten Steuerphase t2 mit einem vorbestimmten Potential beaufschlagt sind und in dem jeweiligen Drittel der zweiten Steuerphase t2 der Kapazitätsmessung dienen. Zu diesem Zweck sind die erste Elektrode 11 und die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c ferner mit einer Mess- und Auswerteeinheit 15 verbunden. Die Einheit 15 misst die Änderung der Kapazität zwischen der ersten Elektrode 11 und den zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c. Insbesondere misst die Mess- und Auswerteeinheit 15 eine Messgröße (beispielsweise Spannung), die von der Kapazität zwischen den drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c einerseits und der ersten Elektrode 11 andererseits abhängt. Dabei werden die drei zweiten Elektroden 12a. 12b, 12c, die räumlich verteilt angeordnet sind, zeitlich versetzt (das heißt nicht zeitgleich) innerhalb der zweiten Steuerphase t2 als Empfangselektrode geschalten, so dass die Änderung der Kapazität in unterschiedlichen räumlichen Bereichen zeitlich separat erfasst werden kann. Somit kann jedes Messsignal der drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c einem definierten räumlichen Bereich zugeordnet werden.
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In 2 ist ein Phasendiagramm der Steuereinheit 13 zur Schaltung der einzelnen Elektroden 11, 12a, 12b, 12c dargestellt. Ein Zyklus mit der Dauer tZyklus umfasst die erste Steuerphase t1 und die zweite Steuerphase t2, die sich an die erste Steuerphase t1 unmittelbar anschließt. Die Dauer der ersten Steuerphase t1 beträgt 90% der Dauer des Zyklus tZyklus, während die Dauer der zweiten Steuerphase t2 10% der Dauer des Zyklus tZyklus beträgt. Innerhalb der ersten Steuerphase t1 kann die erste Elektrode 11 als Heizelektrode geschalten werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrode 11 nur in einem Zeitintervall, der Heizphase tH, die kürzer als die erste Steuerphase t1 ist, als Heizelektrode geschalten. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer der Heizphase tH 25% der Dauer des Zyklus tZyklus. In der zweiten Steuerphase t2 wird die erste Elektrode 11 dauerhaft als Sendeelektrode geschalten. Demgegenüber werden die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c nur über jeweils ein Drittel der Dauer der zweiten Steuerphase t2 zeitversetzt als Empfangselektroden geschalten. Durch den Zeitversatz kann über die drei zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c die Änderung der Kapazität räumlich aufgelöst werden.
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In 3 ist ein weiteres Phasendiagramm der Steuereinheit 13 dargestellt, das eine alternative Ausführungsform zeigt. Dieses Phasendiagramm unterscheidet sich von dem aus 2 insbesondere darin, dass die Heizphase tH und die erste Steuerphase t1 gleich lang sind, so dass die Dauer der Heizphase tH 90% der Dauer des Zyklus tZyklus beträgt.
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4 zeigt einen Querschnitt durch einen Lenkradkranz 21 einer Lenkradanordnung, die ein Lenkrad 2 und den kapazitiven Berührungs- oder Annäherungssensor 1 aus 1 umfasst. Der Lenkradkranz 21 umfasst einen Lenkradkern (oder zentrales Lenkradskelett) 211, der von einer elektrisch isolierenden Schicht 212 umgeben ist. Die elektrisch isolierende Schicht 212 wird von einer Elektrodenschicht 213 umgeben, in der die erste Elektrode 11 und die zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c angeordnet sind. Eine Ummantelung 214 deckt die Elektrodenschicht 213 ab. Zwischen dem Lenkradkern 211 und der Elektrodenschicht 213 ist kein Abschirmelement vorgesehen.
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5 zeigt eine Draufsicht auf ein Lenkrad 2 mit dem Lenkradkranz 21 aus 4. Die 4 zeigt ferner die räumliche Anordnung der zweiten Elektroden 12a, 12b, 12c. Während sich die eine der zwei kürzeren zweiten Elektroden 12a auf der linken Vorderseite des Lenkradkranzes 21 und die andere der zwei kürzeren zweiten Elektroden 12c auf der rechten Vorderseite des Lenkradkranzes 21 erstrecken, erstreckt sich die lange zweite Elektrode 12b über die gesamte Rückseite des Lenkradkranzes 21. Die linke und rechte Vorderseite des Lenkradkranzes 21 sind durch gestrichelte Linien getrennt voneinander dargestellt. Durch eine derartige Verteilung der zweiten Elektroden kann mittels des Sensors erfasst werden, ob eine Hand links oder rechts aufliegt und ob der Lenkradkranz 21 umgriffen wird, also auch an der Rückseite berührt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223128 A1 [0002]
