DE102021110299A1

DE102021110299A1 - Lenkrad mit adaptiv kapazitiver Berührerkennung, zugehörige Anordnung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021110299A1
Application number: DE102021110299.5A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schneider; Lutz Doebrich
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: US20220340190A1; CN115230800A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: eine Lenkradnabe (3), die zur lösbaren Befestigung an einer Lenkwelle (12) des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist; einen an der Lenkradnabe (3) festgelegten Lenkradkranz (2); wenigstens eine in den Lenkradkranz (2) integrierte Elektrode (4) zur kapazitiven Detektion einer Berührung des Lenkradkranzes (2); eine elektrisch leitende Verbindung (5) zwischen der Elektrode (4) und einer außerhalb des Lenkrads (1) angeordneten Auswertelektronik (6), um die Elektrode (4) über die elektrisch leitende Verbindung (5) mit einem elektrischen Messpotenzial zur Berührdetektion zu beaufschlagen und um anhand einer zugehörigen Messkapazitätsveränderung eine Berührung des Lenkradkranzes (2) in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Parameters zu detektieren; ein am oder im Lenkrad (1) angeordneter, nicht-flüchtiger Datenspeicher (10), in dem jeweils wenigstens einer der Parameter hinterlegt ist; wobei der nicht-flüchtige Datenspeicher (10) jeweils ausgebildet oder weitergebildet ist, durch eine außerhalb des Lenkrads (1) angeordnete und mit der Auswertelektronik (6) in datenübermittelnder Verbindung stehende Leseeinheit (7) ausgelesen zu werden, um den wenigstens einen Parameter an die Auswertelektronik (6) zu übermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad mit kapazitiver Berührerkennung. Lenkräder haben sich weg von einfachen Eingabevorrichtungen für die Vornahme von manuellen Lenkeingaben einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs entwickelt. Es dient somit neben der lenkenden Steuerung eines Kraftfahrzeugs auch der Vornahme von berührbasierten Eingaben bis hin zu Gesteneingaben zur Steuerung von sonstigen Komponenten des Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus ist es ausgebildet zur Überwachung der Lenkkontrolle des Fahrzeugführers beispielsweise beim Fahren des Fahrzeugs aber insbesondere beim Wechsel in einen autonomen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs und zurück. Aus der DE 10 2010 035 940 B4 ist ein Handgrifferkennungssystem für Lenkräder bekannt. Um den Umfang des Lenkkranzes herum ist eine piezoresistive Schicht angeordnet, die auf die vom Fahrzeugführer ausgeübte Kraft beim Umgreifen des Lenkrades reagiert. Wird von diesem System beispielsweise eine Anomalität wie zum Beispiel eine verkrampfte Handhaltung detektiert, können die Sensorsignale zum Abschalten des Motors führen oder zur Einleitung eines Bremsvorganges. Diese die Kraft einwirkenden Einrichtungen haben den Nachteil, dass sie einen vergleichsweise großen Bauraum einnehmen und somit eine den gesamten Lenkradkranz überdeckende Erfassung nur schwer zu realisieren ist. Es hat sich gezeigt, dass demgegenüber eine kapazitive Erkennung von Vorteil ist, da sie nicht nur die Berührerkennung auf der Oberfläche des Lenkradkranzes sondern auch eine Annäherungserkennung an den Lenkradkranz, bevor es zur Oberflächenberührung gekommen ist, gestattet. Durch einfache Gestaltung der verwendeten Elektroden kann bauraumsparend die Berührerkennung ortsaufgelöst erfolgen. Ein weiterer Vorteil einer im Lenkrad integrierten, kapazitiven Berührerkennung ist darin zu sehen, dass bei vielen Lenkrädern eine elektrische Lenkradheizung vorgesehen ist und die so bereits vorhandene elektrische Ausrüstung zumindest teilweise auch für die kapazitive Berührerkennung genutzt werden kann. Nachteilig bei der kapazitiven Berührerkennung ist, dass aus Platzgründen die Auswertelektronik regelmäßig außerhalb des Lenkrads angeordnet ist und bei einem Lenkradwechsel, beispielsweise aufgrund einer veränderten Permittivität der Lenkradkranzmaterialien, die Berührerkennung aufwändig an das neue Lenkrad angelernt werden muss, um eine zuverlässige Berührerkennung zu gewährleisten.
Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung, bei der ein Lenkrad mit kapazitiver Berührerkennung und externer Auswerteinheit vereinfacht, insbesondere ohne mehrfache Einmessvorgänge ausgetauscht werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Lenkrad gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Anordnung sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug. Der Begriff Kraftfahrzeug soll dabei auch eine softwaregestützte Simulation eines Kraftfahrzeugs beinhalten, bei der das Lenkrad eine Eingabevorrichtung zur Bewirkung einer virtuellen Lenkbewegung eines simulierten Kraftfahrzeugs ausbildet. Im Allgemeinen handelt es sich um ein Teil einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs, mit dem der Fahrzeugführer durch Drehen des Lenkrades eine Richtungsänderung des reellen oder virtuellen Kraftfahrzeugs bewirkt, indem beispielsweise ein oder mehrere Räder des Fahrzeugs ihre Lenkstellung ändern. Das erfindungsgemäße Lenkrad weist eine Lenkradnabe auf, die zur lösbaren Befestigung an einer Lenkwelle des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Beispielsweise ist eine Schraubverbindung zwischen der Lenkwelle und der Lenkradnabe vorgesehen. Beispielsweise wird die Schraubverbindung durch einen Pralltopf abgedeckt. Erfindungsgemäß ist ferner ein an der Lenkradnabe festgelegter Lenkradkranz vorgesehen. Beispielsweise ist der Lenkradkranz ringförmig oder alternativ als ein oder mehrere Ringsegmente ausgebildet. Der Lenkradkranz wird beispielsweise durch eine oder mehrere Lenkradspeichen an der Lenkradnabe festgelegt. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine in den Lenkradkranz integrierte Elektrode zur kapazitiven Detektion einer Berührung des Lenkradkranzes vorgesehen. Erfindungsgemäß ist ferner eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode und einer außerhalb des Lenkrads angeordneten Auswertelektronik vorgesehen, um die Elektrode über die elektrisch leitende Verbindung mit einem elektrischen Messpotenzial zur Berührdetektion zu beaufschlagen und um anhand einer zugehörigen Messkapazitätsänderung und in Abhängigkeit eines vorgegebenen Parameters eine Berührung des Lenkradkranzes zu detektieren. Die Funktion der kapazitiven Berührdetektion beruht beispielsweise auf der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung vor der Elektrode (aktive Zone). Die Auswertelektronik weist beispielsweise eine RC-Oszillatorschaltung auf. Es wird während der Beaufschlagung mit dem Messpotenzial die Kapazität zwischen der Elektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Statt eines Erdpotenzials kann auch eine Gegenelektrode mit einem zugehörigen Erd- oder Gegenpotenzial vorgesehen sein. Durch die Annäherung eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes an die Elektrode, insbesondere bei Berührung des Lenkradkranzes, vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC-Oszillators. Diese Änderung bewirkt, dass eine nachgeschaltete Triggerstufe „kippt“ und ihren Ausgangszustand ändert, wodurch eine Berührung positiv detektiert wird. Die Empfindlichkeit der Auswertelektronik kann im Allgemeinen durch Wahl des Schaltabstandes eingestellt werden. Der Schaltabstand der kapazitiven Berührdetektion variiert mit der Permittivitätskonstante und der Leitfähigkeit des angenäherten Materials sowie mit der wirksamen Fläche des angenäherten Körpers im Vergleich zum Elektrodenfläche, was aber bei der Lenkradsituation nur eingeschränkt der Fall ist. Der Schaltabstand ist aber darüber hinaus von den Einbaubedingungen, also den die Elektrode umgebenden Materialien des Lenkradkranzes abhängig, also davon, ob dieser beispielsweise aus Echtleder, Kunstleder, Holz oder Dergleichen ist. Beispielsweise wird der Schaltabstand durch eine der Permittivität des Materials des Lenkradkranzes zugeordneten Parameter und/oder durch eine der Geometrie und der Lage der Elektrode innerhalb des Lenkradkranzes zugeordneten Parameter vorgegeben.
Erfindungsgemäß ist ferner ein am oder im Lenkrad angeordneter, nicht-flüchtiger Datenspeicher vorgesehen, in dem jeweils wenigstens einer der Parameter, wie beispielsweise der der elektrischen Permittivitätskonstante des Lenkradkranzmaterials zugeordnete Parameter, hinterlegt ist. Erfindungsgemäß wird der nicht-flüchtige Datenspeicher durch eine außerhalb des Lenkrads angeordnete und mit der Auswertelektronik in datenübermittelnder Verbindung stehende Leseeinheit ausgelesen, um den wenigstens einen Parameter an die Auswertelektronik zu übermitteln, so dass diese beispielsweise in dem Auslesen nachfolgenden Auswertschritten, die Detektion mit Hilfe des gespeicherten Parameters angepasst durchführen kann. Beispielsweise kommunizieren die Leseeinheit, der Datenspeicher und die Auswertelektronik über eine als Bussystem, wie ein CAN-BUS, ausgebildete Datenverbindung.
Bevorzugt sind wenigstens die Elektrode und der Datenspeicher auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Bevorzugt ist das Substrat eine Folie oder ein Gewebe.
Bevorzugt wird die Elektrode durch einen Heizdraht einer Lenkradheizung ausgebildet. Beispielsweise wird der Heizbetrieb durch Beaufschlagung des Heizdrahtes mit einem pulsweitenmodulierten Heizstrom durchgeführt, während die Berührdetektion jeweils in einer Totzeit dieser Beaufschlagung erfolgt.
Beispielsweise sind die Leseeinheit und der nicht flüchtige Datenspeicher durch eine Datenleitung verbunden. Bevorzugt ist jedoch ein drahtloses Auslesen des Datenspeichers, bei dem ein am oder im Lenkrad angeordneter Transponder vorgesehen ist, der mit dem Datenspeicher elektrisch leitend verbunden ist und wobei der Transponder drahtlos mit der Leseeinheit kommuniziert. Beispielsweise bedient sich die drahtlose Kommunikation zwischen dem Transponder und der Leseeinheit der Radio Frequency Identification (RFID) Technologie in aktiver oder passiver Ausführung, der Near Field Communication (NFC) Technologie, der Bluetooth®-Technologie oder der WiFi-Technologie. Bevorzugt ist der Transponder auch auf dem vorgenannten Substrat angeordnet.
Bevorzugt sind sowohl der Transponder als auch der nicht-flüchtige Datenspeicher in den Lenkradkranz integriert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einem Lenkrad in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und einer außerhalb des Lenkrads angeordneten Auswertelektronik und einer außerhalb des Lenkrads angeordneten Leseeinheit. Beispielsweise sind die Auswertelektronik und die Leseeinheit hinter einer Lenksäulenverkleidung oder einer Blende des Armaturenbretts oder der Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit der zuvor beschriebenen Anordnung bzw. die Verwendung der beschriebenen Anordnung in einem Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Die Figur ist dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein Lenkrad 1 sowie eine außerhalb des Lenkrads 1 angeordnete Leseeinheit 7 und eine außerhalb des Lenkrads 1 angeordnete Auswertelektronik 6. Die Leseeinheit 7 steht in datenübermittelnder Verbindung mit der Auswertelektronik 6. In der 1 ist dazu eine nicht näher bezeichnete Datenleitung vorgesehen. Diese Übermittlung kann aber auch drahtlos ausgebildet sein.
Das Lenkrad 1 weist eine Lenkradnabe 3 zur lösbaren Befestigung des Lenkrades 1 an einer Lenkwelle 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs auf. Das Lenkrad 1 weist ferner einen ringförmigen Lenkradkranz 2 auf, der über mehrere Speichen 11 an der Lenkradnabe 3 abgestützt ist. Die Oberfläche des Lenkradkranzes 2 dient als Grifffläche für die Vornahme von Lenkeingaben durch einen Kraftfahrzeuglenker, welcher auch kurz als Fahrer bezeichnet wird. Unter der Oberfläche des Lenkradkranzes 2 und somit in den Lenkradkranz 2 integriert ist eine Elektrode 4 angeordnet, die sich in der der Drehrichtung des Lenkrads 1 entsprechenden Umfangsrichtung entlang des Lenkradkranzes 2 erstreckt. Die Elektrode 4 wird über eine elektrisch leitende Verbindung 5 durch die Auswertelektronik 6 mit einem Messpotenzial beaufschlagt. Die elektrisch leitende Verbindung 5 beinhaltet beispielsweise einen im Bereich der Lenkradnabe 3 vorgesehenen Schleifkontakt.
Die Elektrode 4 ist bei dieser Ausführungsform durch einen Heizdraht einer nicht dargestellten Lenkradheizung ausgebildet, welche den Heizdraht mit einem pulsweitenmodulierten Heizstrom beaufschlagt, während in der Totzeit dieses Heizstroms die Elektrode 4 der Berührdetektion zur Verfügung steht. Anhand einer zugehörigen Messkapazitätsänderung und in Abhängigkeit eines vorgegebenen Parameters wird somit durch die Auswertelektronik 6 eine Berührung des Lenkradkranzes 2 detektiert. Die Funktion der kapazitiven Berührdetektion beruht beispielsweise auf der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung vor der Elektrode 4, genauer im Bereich der Oberfläche des Lenkradkranzes 2. Die Auswertelektronik 6 weist beispielsweise eine RC-Oszillatorschaltung auf. Es wird während der Beaufschlagung mit dem Messpotenzial die Kapazität zwischen der Elektrode 4 und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Statt eines Erdpotenzials kann alternativ auch eine Gegenelektrode mit einem zugehörigen Erd- oder Gegenpotenzial vorgesehen sein. Durch die Annäherung einer Hand des Fahrers an die Elektrode 4, insbesondere bei Berührung des Lenkradkranzes 2, vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC-Oszillators. Diese Änderung bewirkt, dass eine nachgeschaltete, zur Auswertelektronik 6 gehörige Triggerstufe „kippt“ und ihren Ausgangszustand ändert, wodurch eine Berührung positiv detektiert wird. Die Empfindlichkeit der Auswertelektronik 6 kann im Allgemeinen durch Wahl des Schaltabstandes eingestellt werden. Der Schaltabstand der kapazitiven Berührdetektion variiert mit der Permittivitätskonstante und der Leitfähigkeit des angenäherten Materials sowie mit der wirksamen Fläche des angenäherten Körpers im Vergleich zum Elektrodenfläche, was aber bei der Lenkradsituation nur eingeschränkt der Fall ist. Der Schaltabstand ist aber darüber hinaus von den Einbaubedingungen, also den die Elektrode 4 umgebenden Materialien des Lenkradkranzes 2 abhängig, also davon, ob dieser beispielsweise aus Echtleder, Kunstleder, Holz oder Dergleichen ist. Beispielsweise wird der Schaltabstand durch eine der Permittivität des Materials des Lenkradkranzes 2 zugeordneten Parameter und/oder durch eine der Geometrie und der Lage der Elektrode innerhalb des Lenkradkranzes 2 zugeordneten Parameter vorgegeben.
Daher ist erfindungsgemäß ferner ein am oder im Lenkrad 1 angeordneter, hier ebenfalls im Lenkradkranz 2 angeordneter, nicht-flüchtiger Datenspeicher 10 vorgesehen, in dem jeweils wenigstens einer der Parameter, wie beispielsweise der der elektrischen Permittivitätskonstante des Lenkradkranzmaterials zugeordnete Parameter, hinterlegt ist. Dieser nicht-flüchtige Datenspeicher 10 wird durch die außerhalb des Lenkrads 1 angeordnete und mit der Auswertelektronik 6 in datenübermittelnder Verbindung stehende Leseeinheit 7 ausgelesen, um den wenigstens einen Parameter an die Auswertelektronik 6 zu übermitteln, so dass diese beispielsweise in den dem Auslesen nachfolgenden Auswertschritten, die Detektion mit Hilfe des gespeicherten und ausgelesenen Parameters angepasst durchführen kann. Bei dieser Ausführungsform ist ein drahtloses Auslesen des nicht-flüchtigen Datenspeichers 10 mittels eines am oder im Lenkrad 1 angeordneten Transponders 9 vorgesehen, der mit dem nicht-flüchtigen Datenspeicher 10 elektrisch leitend verbunden ist und wobei der Transponder 9 drahtlos mit der Leseeinheit 7 kommuniziert. Beispielsweise bedient sich die drahtlose Kommunikation zwischen dem Transponder 9 und der Leseeinheit 7 der Radio Frequency Identification (RFID) Technologie in aktiver oder passiver Ausführung, der Near Field Communication (NFC) Technologie, der Bluetooth®-Technologie oder der WiFi-Technologie, Die Elektrode 4, der nicht-flüchtige Speicher 10 sowie der Transponder 9 sind beispielsweise auf einem gemeinsamen, in 1 nicht gezeigten Substrat angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010035940 B4 [0001]

Claims

Lenkrad (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: eine Lenkradnabe (3), die zur lösbaren Befestigung an einer Lenkwelle (12) des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist; einen an der Lenkradnabe (3) festgelegten Lenkradkranz (2); wenigstens eine in den Lenkradkranz (2) integrierte Elektrode (4) zur kapazitiven Detektion einer Berührung des Lenkradkranzes (2); eine elektrisch leitende Verbindung (5) zwischen der Elektrode (4) und einer außerhalb des Lenkrads (1) angeordneten Auswertelektronik (6), um die Elektrode (4) über die elektrisch leitende Verbindung (5) mit einem elektrischen Messpotenzial zur Berührdetektion zu beaufschlagen und um anhand einer zugehörigen Messkapazitätsveränderung eine Berührung des Lenkradkranzes (2) in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Parameters zu detektieren; ein am oder im Lenkrad (1) angeordneter, nicht-flüchtiger Datenspeicher (10), in dem jeweils wenigstens einer der Parameter hinterlegt ist; eine außerhalb des Lenkrads (1) angeordnete und mit der Auswertelektronik (6) in datenübermittelnder Verbindung stehende Leseeinheit (7), die ausgebildet ist, den nicht-flüchtigen Datenspeicher (10) auszulesen und den wenigstens einen Parameter an die Auswertelektronik (6) zu übermitteln.
Lenkrad (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrode (4) und der Datenspeicher (10) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Lenkrad (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat eine Folie oder ein Gewebe ist.
Lenkrad (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Elektrode (4) durch einen Heizdraht einer Lenkradheizung ausgebildet wird.
Lenkrad (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Datenspeicher (10) über einen am Lenkrad angeordneten Transponder (9) drahtlos von der Leseeinheit (7) ausgelesen wird.
Lenkrad (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei ferner der Transponder (9) auf dem Substrat angeordnet ist.
Lenkrad (1) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transponder (9) und der nicht-flüchtige Datenspeicher (10) in dem Lenkradkranz (2) angeordnet sind.
Anordnung aus einem Lenkrad (1), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer außerhalb des Lenkrads (1) angeordneten Auswertelektronik (6) und einer außerhalb des Lenkrads (1) angeordneten Leseeinheit (7),
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch.