DE102021123518A1

DE102021123518A1 - Beheiztes fahrzeuglenkrad mit mehreren heizungen mit integrierten sensoren

Info

Publication number: DE102021123518A1
Application number: DE102021123518.9A
Authority: DE
Inventors: Stuart C. Salter; Pietro Buttolo; James Robert Chascsa II; Darren Palmer; Katherine Howard-Cone
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-03-10
Also published as: CN114162206A; US11485399B2; US20220073122A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt ein beheiztes Fahrzeuglenkrad mit mehreren Heizungen mit integrierten Sensoren bereit. Es ist ein Fahrzeuglenkrad bereitgestellt, das einen Kranz mit einer Kernstruktur, eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, und eine Steuerung umfasst, welche die leitfähige Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um ein Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer Heizzone zu erfassen, und umschaltet, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fahrzeuglenkräder und betrifft insbesondere beheizte Lenkräder.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einem Lenkrad ausgestattet, das mit einer elektrischen Heizung beheizt werden kann. Die Heizung, typischerweise in Form einer elektrischen Heizmatte, erstreckt sich im Allgemeinen über einen wesentlichen Abschnitt des Lenkradkranzes, sodass ein wesentlicher Abschnitt des Lenkradkranzes beheizt wird, wenn die Heizung aktiviert wird. Es kann jedoch wünschenswert sein, weniger Abschnitte des Lenkrads zu beheizen, um den Energieverbrauch zu reduzieren, insbesondere für Elektrofahrzeuge.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeuglenkrad bereitgestellt. Das Fahrzeuglenkrad beinhaltet einen Kranz, eine Kernstruktur und eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, und eine Steuerung, welche die leitfähige Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um das Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer der Heizzonen zu erfassen und die leitfähige Schaltung umschaltet, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.
Ausführungsformen des ersten Aspekts der Offenbarung können ein beliebiges oder eine Kombination der folgenden Merkmale beinhalten:

- die leitfähige Schaltung, die als der kapazitive Sensor betrieben wird, wird auch als die Heizung betrieben;
- eine Umschalt-Schaltung zum selektiven Umschalten des Betriebs der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung;
- die Steuerung steuert die Umschalt-Schaltung, um den Betrieb der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umzuschalten;
- die leitfähige Schaltung umfasst eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und eine zweite Elektrode, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, wobei die erste Vielzahl von leitfähigen Elektrodenfingern in die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern eingreift;
- eine dritte Elektrode und eine nachgiebige Schicht, die jeweils zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist.
- die Steuerung erfasst den Druck, der auf die Heizzone ausgeübt wird und stellt das Heizniveau auf Grundlage des erfassten Drucks ein.
- die leitfähige Schaltung umfasst mindestens eine Elektrode, die ein kapazitives Signal für den kapazitiven Sensor erzeugt und Wärme für die Heizung erzeugt;
- einen Bezug, der die leitfähige Schaltung umgibt;
- die Heizung wird als Widerstandsheizung betrieben, die auf Grundlage von elektrischem Strom Wärme erzeugt;
- die leitfähige Schaltung umfasst eine elektrische Heizmatte; und
- die Kernstruktur umfasst einen starren Kern und eine umgebende nachgiebige Schicht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeuglenkrad bereitgestellt. Das Fahrzeuglenkrad beinhaltet einen Kranz mit einer Kernstruktur, eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, wobei ein Bezug die Vielzahl von Heizzonen umgibt, und eine Steuerung, welche die Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um ein Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer der Heizzonen zu erfassen und die leitfähige Schaltung zu rekonfigurieren, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.
Ausführungsformen des zweiten Aspekts der Offenbarung können ein beliebiges oder eine Kombination der folgenden Merkmale beinhalten:

- die leitfähige Schaltung, die als der kapazitive Sensor betrieben wird, auch als die Heizung betrieben;
- eine Umschalt-Schaltung zum selektiven Umschalten des Betriebs der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung;
- die Steuerung steuert die Umschalt-Schaltung, um den Betrieb der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umzuschalten;
- die leitfähige Schaltung umfasst mindestens eine Elektrode, die ein kapazitives Signal für den kapazitiven Sensor erzeugt und Wärme für die Heizung erzeugt;
- der kapazitive Sensor umfasst eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und eine zweite Elektrode, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, wobei die erste Vielzahl von leitfähigen Elektrodenfingern in die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern eingreift;
- die Kernstruktur umfasst einen starren Kern, eine dritte Elektrode und eine umgebende nachgiebige Schicht, die jeweils zwischen der ersten und zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist, um den auf die Heizzone ausgeübten Druck zu erfassen, und stellt das Heizen auf Grundlage des erfassten Drucks ein; und
- die Heizung wird als Widerstandsheizung betrieben, die auf Grundlage von elektrischem Strom Wärme erzeugt;

Diese und andere Aspekte, Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei der Lektüre der folgenden Beschreibung, der Patentansprüche und der beigefügten Zeichnungen verständlich und ersichtlich.
Figurenliste
In den Zeichnungen gilt Folgendes:

1 ist eine perspektivische Vorderansicht des Innenraums eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform, das ein beheiztes Lenkrad mit Heizzonen mit leitfähiger Schaltung aufweist, die als kapazitive Sensoren und Heizungen rekonfiguriert werden können;
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines teilweise zusammengebauten Abschnitts des in
1 gezeigten beheizten Lenkrads;
3 ist eine Querschnittansicht durch die Linie III-III aus 2, welche die Schichten des Lenkrads weiter veranschaulicht;
4 ist ein Schaltplan, der eine der leitfähigen Schaltungen mit integrierten kapazitiven Sensoren und Heizungen gemäß der einen Ausführungsform veranschaulicht;
5 ist eine auseinandergezogene perspektivische Vorderansicht einer der leitfähigen Schaltungen gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine perspektivische Vorderansicht der in 5 gezeigten leitfähigen Schaltung, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, Signale in einem ersten Modus des kapazitiven Sensors abzutasten;
7 ist eine perspektivische Vorderansicht der in 5 gezeigten leitfähigen Schaltung, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, Signale in einem zweitem Modus des kapazitiven Sensors abzutasten;
8 ist eine perspektivische Vorderansicht der in 5 gezeigten leitfähigen Schaltung, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, Signale in einem dritten Modus des kapazitiven Sensors abzutasten;
9 ist eine Querschnittansicht der leitfähigen Schaltung aus 5, die ferner das elektrische Feld veranschaulicht, das in dem ersten Modus des kapazitiven Sensors erzeugt wird;
10 ist eine Querschnittansicht der leitfähigen Schaltung aus 5, die ferner das elektrische Feld veranschaulicht, das in dem zweiten Modus des kapazitiven Sensors erzeugt wird;
11 ist eine Querschnittansicht der leitfähigen Schaltung aus 5, die ferner das elektrische Feld veranschaulicht, das in dem dritten Modus des kapazitiven Sensors erzeugt wird;
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zum Abtasten und Messen von Signalen veranschaulicht, die durch die kapazitive Näherungssensorbaugruppe aus 5 in dem ersten, zweiten und dritten Modus des kapazitiven Sensors erzeugt werden; und
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zum Erfassen einer Hand in Kontakt mit dem Lenkrad und zum Steuern der Heizungen veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nach Bedarf werden in dieser Schrift detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen umgesetzt werden kann. Die Figuren entsprechen nicht zwingend einer detaillierten Ausgestaltung; einige schematische Darstellungen können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um eine Funktionsübersicht zu zeigen. Deshalb sind in dieser Schrift offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Für die Zwecke der Beschreibung in dieser Schrift beziehen sich die Ausdrücke „oberes“, „unteres“, „rechtes“, „linkes“, „hinteres“, „vorderes“, „vertikales“, „horizontales“ und Ableitungen davon auf die Konzepte in ihrer Ausrichtung in 1. Es versteht sich jedoch, dass die Konzepte verschiedene alternative Ausrichtungen annehmen können, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil vorgegeben ist. Es versteht sich außerdem, dass die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichten und in der folgenden Beschreibung beschriebenen konkreten Vorrichtungen und Prozesse lediglich beispielhafte Ausführungsformen der in den beigefügten Patentansprüchen definierten erfindungsgemäßen Konzepte sind. Somit sind konkrete Abmessungen und andere physische Eigenschaften im Zusammenhang mit den in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen nicht als einschränkend zu betrachten, sofern die Patentansprüche nicht ausdrücklich anderes vorgeben.
Die vorliegend veranschaulichten Ausführungsformen bestehen hauptsächlich aus Kombinationen aus Verfahrensschritten und Vorrichtungskomponenten, die ein beheiztes Fahrzeuglenkrad betreffen. Dementsprechend sind die Einrichtungskomponenten und Verfahrensschritte in den Zeichnungen gegebenenfalls durch herkömmliche Symbole dargestellt worden, wobei nur diejenigen konkreten Details gezeigt sind, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sachdienlich sind, um die Offenbarung nicht durch Details undeutlich zu machen, die dem Durchschnittsfachmann, für den die Beschreibung in dieser Schrift von Vorteil ist, ohne Weiteres ersichtlich sind. Ferner stehen gleiche Bezugszeichen in der Beschreibung und den Zeichnungen für gleiche Elemente.
Im in dieser Schrift verwendeten Sinne bedeutet der Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Aufzählung von zwei oder mehr Elementen verwendet wird, dass ein beliebiges der aufgezählten Elemente einzeln eingesetzt werden kann oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehr der aufgezählten Elemente eingesetzt werden kann. Falls zum Beispiel beschrieben ist, dass eine Zusammensetzung die Komponenten A, B und/oder C enthält, kann die Zusammensetzung A allein; B allein; C allein; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B und C in Kombination enthalten.
In dieser Schrift werden Bezugsausdrücke, wie etwa erstes und zweites, oberes und unteres und dergleichen, lediglich dazu verwendet, ein Element oder eine Handlung von einem anderen Element oder einer anderen Handlung zu unterscheiden, ohne notwendigerweise eine tatsächliche derartige Beziehung oder Reihenfolge zwischen derartigen Elementen oder Handlungen zu erfordern oder zu implizieren. Es ist beabsichtigt, dass die Ausdrücke „umfasst/umfassen“, „umfassend“ oder eine beliebige sonstige Variante davon derartig einen nicht ausschließlichen Einschluss abdecken, dass ein Prozess, Verfahren, Gegenstand oder eine Vorrichtung, der/das/die eine Aufzählung von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente beinhaltet, sondern andere Elemente beinhalten kann, die nicht ausdrücklich aufgelistet oder einem derartigen Prozess, Verfahren, Gegenstand oder einer derartigen Vorrichtung inhärent sind. Ein Element, dem „umfasst... ein/eine/einen“ vorangeht, schließt ohne weitere Einschränkungen nicht das Vorhandensein von zusätzlichen identischen Elementen in dem Prozess, Verfahren, Artikel oder der Einrichtung aus, der/das/die das Element umfasst.
Im in dieser Schrift verwendeten Sinne bedeutet der Ausdruck „ungefähr“, dass Mengen, Größen, Formulierungen, Parameter und andere Mengenangaben und Eigenschaften nicht genau sind und nicht genau sein müssen, sondern gegebenenfalls annähernd und/oder größer oder kleiner sein können und Toleranzen, Umwandlungsfaktoren, Abrundung, Messfehler und dergleichen und andere dem Fachmann bekannte Faktoren widerspiegeln können. Wenn der Ausdruck „ungefähr“ verwendet wird, um einen Wert oder einen Endpunkt eines Bereichs zu beschreiben, ist die Offenbarung so zu verstehen, dass sie den konkreten Wert oder Endpunkt beinhaltet, auf den Bezug genommen wird. Unabhängig davon, ob ein numerischer Wert oder ein Endpunkt eines Bereichs in der Beschreibung „ungefähr“ enthält, soll der numerische Wert oder der Endpunkt eines Bereichs zwei Ausführungsformen einschließen: eine, die durch „ungefähr“ modifiziert ist, und eine, die nicht durch „ungefähr“ modifiziert ist. Es versteht sich ferner, dass die Endpunkte jedes der Bereiche sowohl in Bezug auf den anderen Endpunkt als auch unabhängig von dem anderen Endpunkt bedeutend sind.
Die Ausdrücke „wesentlich“, „im Wesentlichen“ und Varianten davon sollen im in dieser Schrift verwendeten Sinne angeben, dass ein beschriebenes Merkmal gleich oder annähernd gleich einem Wert oder einer Beschreibung ist. Beispielsweise soll eine „im Wesentlichen ebene“ Fläche bedeuten, dass eine Fläche eben oder annähernd eben ist. Darüber hinaus soll „im Wesentlichen“ bedeuten, dass zwei Werte gleich oder annähernd gleich sind. In einigen Ausführungsformen kann „im Wesentlichen“ Werte innerhalb von ungefähr 10 % voneinander bezeichnen, wie ungefähr innerhalb von ungefähr 5 % voneinander oder innerhalb von ungefähr 2 % voneinander.
Im in dieser Schrift verwendeten Sinne bedeuten die Ausdrücke „der“, „die“, „das“ oder „ein“ oder „eine“ „mindestens ein(e)“ und sollten nicht auf „lediglich ein(e)“ beschränkt werden, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Daher schließt zum Beispiel eine Bezugnahme auf „eine Komponente“ Ausführungsformen ein, die zwei oder mehr solcher Komponenten aufweisen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Unter Bezugnahme auf die 1-5 ist ein beheiztes Lenkrad 20 veranschaulicht, das sich im Allgemeinen in einem Kraftfahrzeug 10 befindet. Das beheizte Lenkrad 20 beinhaltet einen Kranz mit einer Kernstruktur, eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, die über Schalter rekonfiguriert werden kann, um eine Heizung zum Beheizen einer Heizzone und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren. Eine Steuerung steuert die leitfähige Schaltung in jeder Heizzone, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um ein Vorhandensein der Hand des Benutzers in der entsprechenden Heizzone zu erfassen, und umschaltet, damit die Heizung die entsprechende Heizzone beheizt, wenn die Hand erfasst wird.
Unter Bezugnahme auf 1 ist das Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform im Allgemeinen mit dem beheizten Lenkrad 20 veranschaulicht. Das Fahrzeug 10 kann ein Kraftfahrzeug mit Rädern sein, das ein Lenkrad 20 zum Lenken der Richtung der lenkbaren Räder aufweist, wie etwa für ein Auto, einen Truck, einen Van, einen Bus, einen Geländewagen (Sport Utility Vehicle - SUV), oder zum Lenken anderer lenkbarer Fahrzeuge, die ein Lenkrad aufweisen, wie etwa ein Boot. Das Fahrzeug 10 weist der Darstellung nach eine Karosserie auf, die eine Fahrgastzelle 12 mit einem oder mehreren Sitze definiert, die dazu konfiguriert sind, einen oder mehrere Fahrgäste aufzunehmen. Das Lenkrad 20 ist typischerweise vor einem Fahrersitz positioniert, um es dem sitzenden Fahrer zu ermöglichen, das Lenkrad 20 mit seinen oder ihren Händen 25 in Eingriff zu nehmen und zu bedienen, um das Lenkrad 20 im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Das Lenkrad 20 erstreckt sich der Darstellung nach im Allgemeinen von einem Armaturenbrett in die Fahrzeugrückwärtsrichtung und befindet sich vor einem Fahrersitz, wie es bei durch Fahrer gelenkte Fahrzeugen üblich ist.
Unter besonderer Bezugnahme auf die 1 und 2 ist das Lenkrad 20 mit einem ringförmigen Kranz 40 und einer oder mehreren Speichen 42 oder einer anderen Verbindungsstruktur, die den Kranz 40 mit einer Lenkradwelle verbindet, die sich mit der Drehung des Lenkrads 20 dreht, gezeigt. Ein Lenkradwinkelsensor, wie etwa ein optischer Sensor, kann an der Lenkradwelle bereitgestellt oder an diese gekoppelt sein, um die Drehposition des Lenkrads 20 zu erfassen. An die eine oder die mehreren Speichen 42 können verschiedene Komponenten montiert sein, einschließlich einer durch einen Bediener betätigbaren Hupeneingabe und anderer Eingaben, wie etwa Radioeingaben, HLK-Eingaben, Geschwindigkeitssteuereingaben und anderer Steuerelemente.
Das Lenkrad 20 beinhaltet eine Vielzahl von Heizzonen 36A-36P, die sich in unterschiedlichen Winkelpositionen an dem Kranz 40 befinden. Die Vielzahl von Heizzonen 36A-36P sind gemäß einem Beispiel gleichwinklig entlang des Kranzes 40 des Lenkrads 20 angeordnet gezeigt. Jede der Heizzonen 36A-36P kann sich auf einem Abschnitt oder dem gesamten Umfang des Lenkradkranzes 40 erstrecken. In einer Ausführungsform weist jede Heizzone vier Heizzonen auf, und zwar Heizzonen an der Vorderseite, Rückseite, Oberseite und Unterseite des Kranzes 40. Jede der Vielzahl von Heizzonen 36A-36P weist eine leitfähige Schaltung 50A-50P auf, die rekonfiguriert werden kann, damit sie als kapazitiver Sensor und als Heizung betrieben werden kann, die unabhängig über elektrische Leistung mit Energie versorgt werden kann, um die entsprechende Heizzone zu beheizen, die sich über einen Abschnitt des Lenkrads 20 erstreckt.
An dem Kranz 40 ist die Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50-50P offenbart, die auswählbar als kapazitiver Sensor zum Erfassen eines Objekts betrieben werden kann, wie etwa eine Hand oder Hände des Benutzers, die sich auf dem Kranz 40 befindet/befinden, wie es etwa der Fall ist, wenn die Hände des Benutzers den Kranz 40 greifen oder den Kranz 40 anderweitig berühren, und als Heizung betrieben werden kann, um die entsprechende Heizzone zu beheizen. Jede der leitfähigen Schaltungen 50A-50P befindet sich in einer entsprechenden Heizzone 36A-36P, sodass, wenn sie als kapazitive Sensoren konfiguriert ist, ein Objekt relativ zu oder in der Nähe einer der Heizzonen 36A-36P erfasst wird. Wenn die leitfähige Schaltung 50A-50P ein Objekt erfasst, das auf eine Hand eines Fahrers hinweist, der den Kranz 40 innerhalb einer Heizzone greift, aktiviert eine Steuerung Schalter, um die leitfähige Schaltung 50A-50P in dieser Heizzone selektiv zu rekonfigurieren, damit sie als eine oder mehrere Heizungen betrieben wird, um so die Heizzone zu beheizen, bei der es sich nur um einen Abschnitt des Kranzes 40 handelt, wodurch die Zone(n), in denen die Hand den Kranz 40 im Allgemeinen greift, beheizt werden. Wenn zum Beispiel erfasst wird, dass eine Hand den Kranz greift, wird/werden die entsprechende(n) Heizung(en) mit Energie versorgt und wird die Energieversorgung der übrigen Heizung(en) unterbrochen, sodass nur der Abschnitt des Lenkradkranzes 40 beheizt wird, der von der Hand gegriffen wird. Dies führt zu einem reduzierten Verbrauch von elektrischer Energie, was insbesondere für elektrisch betriebene Fahrzeuge nützlich ist, aber auch zum Einsparen von Energie bei benzinbetriebenen Fahrzeugen von Nutzen ist.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 ist ein Abschnitt des ringförmigen Kranzes 40 des Lenkrads 20 im Allgemeinen teilweise zusammengebaut veranschaulicht, um so die verschiedenen Schichten des Lenkrads 20 zu veranschaulichen. Das Lenkrad 20 beinhaltet einen starren Kern 30, der in einer im Allgemeinen zylindrischen Form gezeigt ist, die gemäß einigen Beispielen aus Magnesium oder Aluminium hergestellt sein kann. Der Kern 30 kann auch als Armatur bezeichnet werden, die strukturelle Unterstützung und Form für das Lenkrad 20 bereitstellt. Der Kern 30 ist von einer dielektrischen Schicht 28 umgeben. Auf der Oberseite, der Unterseite, der Vorderseite und der Rückseite des Kranzes 40 befinden sich auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 28 vier leitfähige Elektroden 26, die als dritte Elektroden bezeichnet werden. Eine nachgiebige Schicht 32 umgibt die dielektrische Schicht 28 und die leitfähigen Elektroden 26 und kann aus Polyurethan oder Schaumstoff hergestellt sein. Die nachgiebige Schicht 32 kann eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweisen und stellt Kompressibilität mit Formgedächtnis bereit, die ein weiches oder gepolstertes Gefühl für das Lenkrad 20 ermöglicht. Die nachgiebige Schicht 32, die dielektrische Schicht 28, die leitfähigen Elektroden 26 und der Kern 30 stellen zusammen eine Kernstruktur des Lenkrads 20 bereit.
Eine wärmeisolierende dielektrische Schicht 34 kann auf der Oberseite der nachgiebigen Schicht 32 angeordnet sein. Die Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50A-50P ist um die dielektrische Schicht 34 angeordnet oder gewickelt. Jede der leitfähigen Schaltungen 50A-50P erstreckt sich durch eine jeweilige Heizzone 36A-36P des Kranzes 40. Die leitfähige Schaltung 50A ist als vier leitfähige Schaltungen gezeigt, die sich auf der Vorderseite, Rückseite, Oberseite und Unterseite des Kranzes 40 befinden. Die übrigen leitfähigen Schaltungen 50B-50P können gleichermaßen mit Schaltungen konfiguriert sein. Gemäß einer Ausführungsform sind leitfähigen Schaltungen 50A-50P in elektrisch betriebene Heizmatten integriert, die über Elektrizität, die zum Beispiel durch die eine oder die mehreren Fahrzeugbatterien bereitgestellt wird, mit Leistung versorgt werden können. Die Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50A-50P kann sich um einen wesentlichen Abschnitt der Kernstruktur erstrecken, um die Sensor/Heizungs-Abschnitte des Lenkrads 20 zu definieren. Eine optionale elektrisch nicht leitfähige dielektrische Schicht kann auf der Oberseite der Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50A-50P angeordnet sein und kann sich über alle der leitfähigen Schaltungen 50A-50P erstrecken, um eine Rückseite für einen darübergelegten Bezug und kapazitive Sensoren bereitzustellen und die leitfähige Schaltung dielektrisch Isolieren. Die dielektrische Schicht kann eine dünne elektrische/dielektrische Bahn aus Material, wie etwa Vlies oder Polyester, beinhalten, welche die leitfähigen Schaltungen 50A-50P bedeckt und ermöglicht, dass thermische Energie (Wärme) zu dem Bezug 22 durchströmt. Die dielektrische Schicht kann Wärmeleitfähigkeit für eine verbesserte Wärmeübertragung bereitstellen.
Über der Oberseite der Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50A-50P ist ein Bezug 22 bereitgestellt, der die Kernstruktur des Kranzes 40 vollständig bedeckt. Der Bezug 22 kann entlang einer Naht 24 zusammengenäht sein, an welcher eine erste und zweite Kante 22A und 22B des Bezugs 22 aneinander angrenzen können und entlang der Naht 24 miteinander verbunden sind. Die Naht 24 kann Stiche 23 beinhalten, die sich durch Löcher 38 erstrecken. Es versteht sich, dass der Bezug 22 gemäß einem Beispiel Leder oder gemäß einem anderen Beispiel Vinyl beinhalten kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 50A-50P jeweils einschichtige Schaltungen mit elektrisch leitfähigen Elektroden beinhalten, wie etwa Kupferdraht, der in eine aufgedruckte Schicht eingenäht ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die leitfähigen Schichten 50A-50P jeweils mehrere Schichten beinhalten, welche den kapazitiven Sensor und die Heizung als Matte bilden. In einer mehrschichtigen Heizung kann die elektrisch leitfähige Schaltung auf einer Seite oder zwischen mehreren Schichten hergestellt sein.
Die leitfähige Schaltung 50A und die Steuerschaltung zum Steuern der leitfähigen Schaltung 50A sind in 4 veranschaulicht. Die leitfähige Schaltung 50A besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, das ermöglicht, dass darauf elektrischer Strom und Signale übertragen werden. Die leitfähige Schaltung 50A beinhaltet eine erste Elektrode 142, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern 148 aufweist, die sich der Darstellung nach zwischen den leitfähigen Leitungen 144 und 146 erstreckt. Die leitfähige Schaltung 50A beinhaltet zudem eine zweite Elektrode 150, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern 152 aufweist, die elektrisch oder dielektrisch von der ersten Vielzahl von Elektrodenfingern 148 isoliert ist. Wenn sie als kapazitiver Sensor konfiguriert sind, greifen die erste und zweite Vielzahl von Elektrodenfingern 148 und 152 ineinander, um dazwischen eine kapazitive Kupplung zu bilden. Eine dielektrische Schicht 154 ist zwischen den Elektrodenfingern 152 und der Verbindungsleitung 146 angeordnet, um den Signalleitungen das Überkreuzen zu ermöglichen, ohne elektrische Verbindungen herzustellen. Somit sind die zweite Elektrode 150 und die entsprechenden Elektrodenfinger 152 von der Verbindungsleitung 146 und der ersten Elektrode 142 und den entsprechenden Elektrodenfingern 148 dielektrisch isoliert. Der Veranschaulichung nach ist die Umschalt-Schaltung, einschließlich einer Vielzahl von Schaltern, die als erster Schalter SW1, zweiter Schalter SW2, dritter Schalter SW3 und vierter Schalter SW4 gezeigt sind, mit der leitfähigen Schaltung 50A verbunden, um das Umschalten der leitfähigen Schaltung 50 zwischen dem Betrieb des kapazitiven Sensors und der Heizung zu steuern. Jeder der Schalter SW1-SW4 kann durch die Steuerungsschaltung, die wie gezeigt einen Mikroprozessors 162 beinhaltet, gesteuert werden. Der erste Schalter SW1 verbindet die erste Elektrode 142 über die Verbindungsleitung 144 mit einer Spannungsquelle, wie etwa der Fahrzeugbatterie, die als V gezeigt ist. Der vierte Schalter SW4 verbindet der Darstellung nach die erste Elektrode 142 über die Verbindungsleitung 146 mit der Erdung. Wenn sich der erste Schalter SW1 und der vierte Schalter SW4 in der geschlossenen Position für den Heizungsbetrieb befinden, wird somit von der ersten Verbindungsleitung 144 über die Finger 148 zu der zweiten Verbindungsleitung 146 und zur Erdung die elektrische Spannung V über die erste Elektrode 142 angelegt, um zu bewirken, dass elektrischer Strom dahindurch fließt und Wärme über der ersten Elektrode 142 erzeugt wird, damit sie als Heizung betrieben wird. Gleichzeitig befinden sich die Schalter SW2 und SW3 während Heizbetriebs in der geöffneten Position. Es versteht sich, dass der elektrische Strom, der durch die erste Elektrode 142 fließt, aufgrund des elektrischen Widerstands der Schaltung, die eine Widerstandsheizung zum Erzeugen von thermischer Energie (Wärme) bildet, Wärme erzeugt.
Die leitfähige Schaltung 50A kann auch dazu konfiguriert sein, in einem Erfassungsbetrieb als kapazitiver Sensor betrieben zu werden, um zu erfassen, wann eine Hand erkannt wird, welche die entsprechende Heizzone 50A-50P auf dem Lenkrad berührt oder greift, woraufhin die leitfähige Schaltung 50A in die Heizkonfiguration umgeschaltet werden kann, um die Heizzone zu beheizen. Um als ein kapazitiver Sensor betrieben zu werden, wird die leitfähige Schaltung 50A durch Öffnen des ersten Schalters SW1 und des vierten Schalters SW4 und Schließen des zweiten Schalters SW2 und dritten Schalters SW3 gesteuert. Wenn der erste und vierte Schalter SW1 und SW4 offen sind, wird elektrische Leistung von der Spannung entfernt und wenn der zweite und dritte Schalter SW2 und SW3 geschlossen sind, ist der Mikroprozessor 162 dazu in der Lage, Ansteuerungs- und Empfangssignale zu und von der ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 zu steuern, um ein kapazitives Aktivierungsfeld zum Erfassen des Vorhandenseins einer Hand auf dieser Region des Lenkrads zu erzeugen. Wenn sie zum Betrieb als kapazitiver Sensor konfiguriert ist, verwendet die leitfähige Schaltung 50A zum Erzeugen eines kapazitiven Felds die erste Elektrode 142 als Ansteuerungselektrode und die zweite Elektrode 150 als Empfangselektrode, die jeweils ineinandergreifende Finger 148 bzw. 152 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform empfängt die Ansteuerungselektrode 142 Rechteckwellen-Ansteuerungssignalimpulse, die in einer Spannung angelegt werden. Die zweite Elektrode 150 weist einen Ausgang zum Erzeugen einer Ausgangsspannung auf. Es versteht sich, dass die erste und zweite Elektrode 142 und 150 und die entsprechenden Elektrodenfinger 148 und 152 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein können, um die kapazitiven Felder als die Erfassungsaktivierungsfelder zu erzeugen. Weiterhin versteht sich, dass die erste und zweite Elektrode 142 und 150 anderweitig konfiguriert sein können, sodass andere Arten einzelner Elektroden- oder andere Mehrfachelektrodensensoren verwendet werden können. Die leitfähige Schaltung 50 kann mit leitfähiger Tinte gebildet sein oder kann alternativ mit starrer oder flexibler Schaltung gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird die erste Elektrode 142 mit einer Eingabespannung als Rechteckwellensignalimpulse versorgt, die einen Ladeimpulszyklus aufweisen, der ausreichend ist, um die zweite Elektrode 150 auf eine gewünschte Spannung aufzuladen. Somit dient die zweite Elektrode 150 als Messelektrode. Wenn eine Hand über Berührung oder Druck erkannt wird, verursacht die Hand oder der Druck eine Störung im Aktivierungsfeld, was ein Signal erzeugt, das zum Bestimmen des Vorhandenseins oder des Drucks der Hand verarbeitet wird. Die Störung des Aktivierungsfelds wird durch Verarbeiten der Ladungsimpulssignale erkannt.
Die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 und die entsprechende erste und zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern 148 bzw. 152 können auf einem Substrat, wie etwa der Schicht 34, gebildet sein. Gemäß einem Beispiel kann die erste Elektrode 142 über einen Klebstoff auf der inneren Fläche des Substrats angeordnet oder darauf geklebt sein. Die zweite Elektrode 150 ist ebenfalls derart auf der inneren Fläche des Substrats angeordnet, dass die zweite Vielzahl von Fingern 152 mit der ersten Vielzahl von Fingern 148 ineinandergreift. Um Kurzschließen der ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 zu verhindern, ist zwischen der ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 eine dielektrische Schicht 154 auf der inneren Fläche der Verbindungsleitung 146 derart angeordnet, dass die zweite Elektrode 150 und die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern 152 von der ersten Elektrode 142 getrennt sind. Der Rest der ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 und der leitfähigen Fingern 148 und 152 sind im Wesentlichen koplanar auf der inneren Fläche des Substrats. Es versteht sich, dass die dielektrische Schicht 154 gemäß anderen Ausführungsformen vergrößert sein kann, um im Wesentlichen mehr oder den gesamten Flächenbereich zwischen der ersten und zweiten Elektrode zu bedecken.
Unter Bezugnahme auf 5 ist die leitfähige Schaltung 50A der Darstellung nach an einer der vier Seiten um den Umfang des Kranzes 40 des Lenkrads 4 bereitgestellt. Die leitfähige Schaltung 50A kann an einer Vorderseite, einer Rückseite, einer Oberseite und einer Unterseite des Kranzes 40 bereitgestellt sein. Somit kann eine Hand des Benutzers auf der Vorder-, Ober-, Rück- und Unterseite des Kranzes 40 des Lenkrads 20 erkannt werden, indem alle vier leitfähigen Schaltungen 50A, die an jeder der vier Seiten positioniert sind, verwendet werden. Es versteht sich, dass bei Konfiguration als kapazitiver Sensor die Nähe zu oder die Berührung der Hand des Benutzers an einer oder mehreren der leitfähigen Schaltungen erkannt werden kann und dass sich die Hand des Benutzers zusammendrücken und der darauf ausgeübte Druck mit den kapazitiven Sensor erkannt werden kann. Die übrigen leitfähigen Schaltungen 50B-50P können gleichermaßen wie die leitfähige Schaltung 50A konfiguriert sein.
Gemäß der ersten Ausführungsform in 5 ist die Darstellung der leitfähigen Schaltung 50A für jede leitfähige Schaltung 50A-50P gezeigt. Die leitfähige Schaltung 50A beinhaltet drei Elektroden, die dazu konfiguriert sind, unter Verwendung einer Steuerung in unterschiedlichen Sensormodi oder -zuständen betrieben zu werden, um die Eingabe- und Ausgabeabtastung der von den verschiedenen Elektroden erzeugten Signale zu rekonfigurieren, um zum Bereitstellen von bis zu drei kapazitiven Sensoren in unterschiedlichen Sensorkonfigurationen betrieben zu werden, die als Gegenkapazitätssensor oder Selbstkapazitätssensor betrieben werden können, um Eingabebefehle, wie etwa Berührung, Nähe und Druck (Kraft/Fläche), zu erfassen.
Die Anordnung der Elektroden in der leitfähigen Schaltung 50A weist eine erste und eine zweite Elektrode 142 und 150 auf, die innerhalb einer gemeinsamen Schicht angeordnet und durch einen Trennabstand dielektrisch voneinander isoliert sind. Die erste Elektrode 142 weist eine erste Vielzahl von leitfähigen Fingern auf und die zweite Elektrode 150 weist eine zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern auf. Die erste Vielzahl von leitfähigen Fingern greift mit der zweiten Vielzahl von leitfähigen Fingern ineinander oder ist mit dieser verwoben.
Infolgedessen können die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 dazu konfiguriert sein, in einem ersten Modus als Gegenkapazitätssensor betrieben zu werden, wenn einer der Elektrodensignalanschlüsse mit einem Ansteuersignal angesteuert wird und der andere der Elektrodensignalanschlüsse ein Empfangssignal erzeugt, wenn er in einem Gegenkapazitätsmodus betrieben wird. Wenn einer der Elektrodensignalanschlüsse ein Ansteuersignal empfängt, wird diese Elektrode als Ansteuerelektrode und die andere Elektrode als Empfangselektrode betrieben. Die Ansteuerelektrode kann mit einer Spannung V_I angelegte Rechteckwellenansteuerimpulse empfangen. Die Empfangselektrode kann einen Ausgang zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Vo aufweisen. Es versteht sich, dass die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 zum Erzeugen eines kapazitiven elektrischen Felds als Aktivierungsfeld in verschiedenen anderen Konfigurationen angeordnet sein können.
Im Gegenkapazitätssensormodus wird die Ansteuerelektrode mit einer Spannungseingabe V_I als Rechteckwellenimpulse angelegt, die einen Ladeimpulszyklus aufweisen, der ausreichend ist, um die Empfangselektrode auf eine gewünschte Spannung aufzuladen. Die Empfangselektrode dient dadurch als Messelektrode. Wenn ein Benutzer oder Bediener, wie etwa der Finger eines Benutzers, in das elektrische Aktivierungsfeld im Allgemeinen in der Nähe der oberen Vorderseite der Näherungssensorbaugruppe eindringt, erkennt die Näherungssensorbaugruppe die durch den Finger verursachte Störung des elektrischen Aktivierungsfelds und bestimmt, ob die Störung ausreichend ist, um eine Berührungseingabe zu erkennen, die ausreicht, um einen Näherungsschalter zu aktivieren oder eine gewünschte Ausgabe zu erzeugen. Die Störung des elektrischen Aktivierungsfelds wird durch Verarbeiten des dem entsprechenden Signal zugeordneten Ladeimpulssignals erkannt.
Eine darüberliegende dielektrische Abdeckung 22 ist auf der oberen Vorderseite der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150 bereitgestellt, um der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150 dielektrische(n) Isolierung und Schutz bereitzustellen. Die dielektrische Abdeckung 22 kann beliebige dielektrische Materialien beinhalten, wie etwa ein dielektrisches Polymer oder einen dielektrischen Kunststoff, Leder, Holz, eine Verkleidungskomponente oder ein anderes dielektrisches Medium. Es versteht sich, dass die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 durch Drucken von leitfähiger Tinte in den gewünschten Mustern der Elektroden gebildet werden können. Gemäß einer Ausführungsform kann die Tinte auf die Rückseite der dielektrischen Abdeckung 22 gedruckt werden oder kann auf die Vorderseite der dielektrischen Schicht 34 darunter gedruckt werden. Auf andere Weise können die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 durch Platzieren vorgeformter leitfähiger Elektroden zwischen der dielektrischen Abdeckung 22 und der dielektrischen Schicht 34 gebildet werden.
Unter der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150 und der dielektrischen Schicht 34 ist die nachgiebige dielektrische Schicht 32 angeordnet. Die nachgiebige dielektrische Schicht 32 weist ein verhältnismäßig weiches Material auf, das nachgiebig und verformbar ist, wenn Druck, der über eine Fläche ausgeübte Kraft ist, auf die Vorderseite der Abdeckung 22 ausgeübt wird, um die erste nachgiebige dielektrische Schicht 32 zusammenzudrücken und zu verformen. Gemäß einem Beispiel kann die nachgiebige dielektrische Schicht 32 ein weiches Schaumstoffmaterial sein.
Unterhalb der nachgiebigen dielektrischen Schicht 32 befindet sich eine dritte Elektrode 26. Gemäß einer Ausführungsform ist die dritte Elektrode 26 als eine Bahn aus leitfähigem Material gezeigt. Die dritte Elektrode 26 weist einen Signalanschluss auf, um die Kommunikation von Signalen mit der Steuerung zu ermöglichen. In einem Sensormodus kann die dritte Elektrode 26 als Gegenkapazitätssensor betrieben werden, der auf die obere Vorderseite ausgeübten Druck erkennt, der eine Verformung der nachgiebigen dielektrischen Schicht 32 verursacht. Wenn die nachgiebige dielektrische Schicht 32 aufgrund von Druck zusammengedrückt wird und sich verformt, bewegt sich mindestens ein Abschnitt des Paars aus der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150, die miteinander kurzgeschlossen sein können, um eine einzelne Elektrode zu bilden oder einzeln betrieben werden können, in Richtung der dritten Elektrode 26. Wenn dies auftritt, erkennt die Steuerung die relative Position des Paars aus der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150 in Bezug auf die dritte Elektrode 26. In anderen Sensormodi kann die dritte Elektrode 26 offen geschaltet sein, um als Abschirmung für die erste und die zweite Elektrode 142 und 150, die sich darüber befinden, oder die dritte Elektrode 26, die sich darunter befindet, betrieben zu werden. Wenn sie als Abschirmung betrieben wird, kann die dritte Elektrode 26 offen geschaltet sein, sodass keine angelegte Spannung anliegt oder kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen auf eine gewünschte Spannung angesteuert werden.
Eine weitere untere dielektrische Schicht 28 ist der Darstellung nach unterhalb der dritten Elektrode 26 bereitgestellt, um die dritte Elektrode 26 auf der Unterseite dielektrisch zu isolieren. In einer Ausführungsform kann die untere dielektrische Schicht 28 ein dielektrisches Trägermaterial sein.
Unter Bezugnahme auf die 6-11 sind die verschiedenen Sensorbetriebsmodi der Elektrodenkonfigurationen, wie sie durch eine Steuerung 160 gesteuert werden, für eine Ausführungsform eines der Sensoren der leitfähigen Schaltung 50A veranschaulicht. Wie am besten in den 6-8 zu sehen, kann die Steuerung 160 einen Mikroprozessor 162 und einen Speicher 165 beinhalten, die mit einer oder mehreren Routinen 60, 200 konfiguriert sind. Gemäß einem Beispiel kann die Steuerung 160 eine Mikrosteuereinheit (micro control unit - MCU) mit Firmware sein. Es versteht sich, dass andere analoge und/oder digitale Schaltungen verwendet werden können, um die Steuerung 160 bereitzustellen. Die Steuerung 160 beinhaltet verschiedene Eingänge/Ausgänge, die drei Eingänge/Ausgänge beinhalten, die mit den jeweiligen Signalanschlüssen verbunden sind, die der ersten, zweiten und dritten Elektrode 142, 150 und 26 zugeordnet sind. Zusätzlich kann die Steuerung 160 auf Grundlage der erfassten Signale eine oder mehrere Ausgaben 168 erzeugen. Gemäß verschiedenen Beispielen kann die Steuerung 160 zum Beispiel auf Grundlage der Näherungserfassung Näherungsschalterausgaben bereitstellen, sodass die kapazitive Näherungssensorbaugruppe als ein oder mehrere kapazitive Näherungsschalter betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die 6 und 9 ist die leitfähige Schaltung 50A in der Konfiguration als kapazitiver Sensor gemäß einem ersten Sensormodus konfiguriert, in dem die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 eine Gegenkapazität miteinander bilden, um als erster Sensor zu dienen, der dazu verwendet werden kann, eine Berührung oder unmittelbare Nähe eines Benutzers an oder nahe der oberen Vorderseite der Abdeckung 22 zu erfassen. In diesem Sensormodus ist die dritte Elektrode 26 über die Steuerung 160 offen geschaltet, um eine leitfähige Abschirmung zu bilden, welche die Gegenkapazität zwischen der ersten Elektrode 142 und der zweiten Elektrode 150 verbessern kann. Die erste Elektrode 142 kann ein Ansteuersignal X empfangen und die zweite Elektrode 150 kann ein Empfangssignal Y liefern. Wie in 9 zu sehen, wird das elektrische Aktivierungsfeld 55 aufgrund einer Gegenkapazitätskopplung der ersten und der zweiten Elektrode 142 und 150 erzeugt, wie durch die Pfeile 55 veranschaulicht, um das Erkennen von Berührung oder Bewegung zu ermöglichen, z. B. Wischen auf oder über der vorderen Abdeckung 22 (z. B. innerhalb von 30 Millimetern). Wenn die leitfähige Schaltung 50A als Heizung konfiguriert ist, steuern die Steuerungen 160 die Schalter SW1 und SW4, um die Spannung V und einen Pfad zur Erdung und zu den Leerlaufschaltern SW2 und SW3 anzulegen.
Die Steuerung 160 kann den kapazitiven Näherungssensor der leitfähigen Schaltung 50A zwischen den verschiedenen Sensormodi mit einer schnellen Geschwindigkeit nacheinander umschalten, indem einfach die Eingaben und Ausgaben geändert werden und dadurch die Erfassungsanordnung neu konfiguriert wird, um nacheinander den ersten, zweiten und dritten Sensor bereitzustellen. Unter Bezugnahme auf die 7 und 10 ist leitfähige Schaltung 50A in dem zweiten Sensormodus gezeigt, bei dem die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind, um eine einzelne Elektrode zu bilden, wobei die dritte Elektrode 26 auf eine gewünschte Spannung angesteuert wird, um eine Abschirmung bereitzustellen. Um die erste und die zweite Elektrode 142 und 150 elektrisch miteinander kurzzuschließen, kann die Steuerung 160 einen Schalter 190 beinhalten, der in Firmware umgesetzt oder anderweitig mit einem analogen oder digitalen Schalter umgesetzt sein kann. In diesem Sensormodus empfangen die erste und die zweite Elektrode 142 und 150, die miteinander kurzgeschlossen sind, eine Selbstkondensatoreingabe, um ein elektrisches Aktivierungsfeld zu erzeugen, das durch die Pfeile 55 veranschaulicht ist, um einen zweiten selbstkapazitiven Sensor zu bilden, wie in 10 zu sehen, in dem das elektrische Aktivierungssignal Objekte über der oberen vorderen Abdeckung 32 in einem verlängerten Abstand (z. B. einem Abstand von bis zu 30 Zentimetern) erkennen kann. Die Selbstkondensatoreingabe kann eine Spannung für die Hälfte eines Zyklus anlegen, um die Elektrode zu laden, und kann während der anderen Hälfte des Zyklus die Kapazität erfassen. Unter Bezugnahme auf die 8 und 11 ist die leitfähige Schaltung 50A in dem dritten Sensormodus veranschaulicht, bei dem die erste und zweite Elektrode 142 und 150 über den Schalter 190, wie durch die Steuerung 160 gesteuert, elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind, und das Ansteuersignal X empfangen und die dritte Elektrode 26 das Empfangssignal Y liefert. Es versteht sich, dass die kurzgeschlossene erste und zweite Elektrode 142 und 150 das Ansteuersignal X empfangen können, um eine Gegenkapazität mit der dritten Elektrode 26 zu bilden, um einen dritten Sensor bereitzustellen. Somit kann die Bewegung der kurzgeschlossenen ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 in Bezug auf die dritte Elektrode aufgrund des Komprimierens der ersten nachgiebigen dielektrischen Schicht 32 als eine Angabe des Betrags der Kraft oder des Drucks erkannt werden, der auf die Vorderseite der Abdeckung 22 angewandt wird. Das elektrische Aktivierungsfeld zwischen der kurzgeschlossenen ersten und zweiten Elektrode 142 und 150 und der dritten Elektrode 26 ist in 11 durch die Pfeile 55 veranschaulicht.
Dementsprechend versteht es sich, dass die Steuerung 40 die leitfähige Schaltung 50A-50P nacheinander zwischen dem ersten, zweiten und dritten Sensormodus, wie in den 6-11 veranschaulicht, mit hohem Tempo umschalten kann, um die leitfähige Schaltung 50A nacheinander in verschiedenen Sensorkonfigurationen zu konfigurieren, die als erster, zweiter und dritter Sensor bezeichnet werden, und erfasste Signale abzutasten, um einen erfassten Zustand in jedem Sensormodus zu erfassen. Dies kann erreicht werden, indem die Steuerung 160 das Ansteuersignal X und das Empfangssignal Y zwischen den verschiedenen Eingängen und Ausgängen umschaltet und die Signale über einen kurzen Zeitraum, wie etwa 20 Millisekunden, abtastet und dann wiederholt nacheinander zum nächsten Sensormodus schaltet. Somit können mit den kapazitiven Sensoren der leitfähigen Schaltung 50A mehrere Sensoren realisiert werden. Die Sensorsignale können mit Schwellenwerten verglichen werden, um als Schalter zum Auslösen einer Ausgabereaktion zu fungieren. Die einem oder mehreren der Sensormodi zugeordneten Sensorfunktionen können dazu verwendet werden, Benutzereingaben zu erkennen. Es versteht sich, dass die leitfähigen Schaltungen 50B-50P ähnlich der leitfähigen Schaltung 50A durch die Steuerung 160 konfiguriert und gesteuert werden können.
Unter Bezugnahme auf 12 ist eine Routine 60 zum Steuern der Steuerung 160 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, um die leitfähige Schaltung 50A nacheinander zwischen den verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten. Die Routine 60 ist zum Betreiben der leitfähigen Schaltung 50A gemäß der ersten Ausführungsform in jedem der Sensormodi 1-3 gezeigt. Es versteht sich, dass die Routine 60 durch den Mikroprozessor 162 in der Steuerung 160 ausgeführt werden kann und dass die Routine 60 in dem Speicher 165 gespeichert sein kann. Gemäß einem Beispiel kann die Routine 60 Daten abtasten und die leitfähige Schaltung 50A in den verschiedenen Modi mit einer Abtastrate von etwa 20 Millisekunden rekonfigurieren. Es versteht sich, dass andere Abtastraten eingesetzt werden können.
Die Routine 60 beginnt bei Schritt 62, um Daten zu erhalten und geht dann zu Schritt 64 über, um die Steuerung in einem ersten Gegenkapazitätssensormodus 1 zu konfigurieren. Im Sensormodus 1 geht die Routine 60 zu Schritt 66 über, um die erste Elektrode mit dem Ansteuersignal X einzustellen und die zweite Elektrode mit dem Ansteuerempfangssignal Y einzustellen, und kann die dritte Elektrode als Abschirmung einstellen. Daraufhin geht die Routine 60 zu Schritt 68 über, um die Kapazität an dem konfigurierten Gegenkapazitätssensor im Sensormodus 1 abzutasten. Der Sensormodus 1 kann Berührungsbefehle erfassen, die dazu verwendet werden können, die Heizung zu aktivieren. Als nächstes geht die Routine 60 zu Schritt 70 über, um die Steuerung in einem Selbstkapazitätssensormodus 2 zu konfigurieren. Im Modus 2 geht die Routine 60 zu Schritt 72 über, um die erste und die zweite Elektrode elektrisch miteinander kurzzuschließen und die dritte Elektrode als Abschirmung einzustellen. Die miteinander kurzgeschlossenen erste und zweite Elektrode empfangen ein Selbstkapazitätseingangssignal. Als Nächstes tastet die Routine 60 bei Schritt 74 die Kapazität des konfigurierten Selbstkapazitätssensors im Sensormodus 2 ab. Der Sensormodus 2 kann dazu verwendet werden, das Erfassen eines Objekts in der Nähe des Sensors zu bestimmen.
Als nächstes geht die Routine 60 zu Schritt 76 über, um die Steuerung in einem Gegenkapazitätssensormodus 3 zu konfigurieren. Dies beinhaltet das elektrische Kurzschließen der ersten und der zweiten Elektrode miteinander und das Einstellen der kombinierten ersten und zweiten Elektrode mit dem Ansteuersignal X und das Einstellen der dritten Elektrode mit dem Empfangssignal Y in Schritt 78. Als Nächstes wird in Schritt 80, vor dem Ende bei Schritt 82, die Kapazität des konfigurierten Gegenkapazitätssensors im Sensormodus 3 abgetastet. Der Sensormodus 3 kann Druck erfassen, der von einem Benutzer auf das Lenkrad ausgeübt wird, und kann dazu verwendet werden, die Heizung zu aktivieren und das Beheizen zu erhöhen oder zu verringern.
Es versteht sich, dass die Routine 60 nacheinander mit hohem Tempo wiederholt werden kann, sodass das Abtasten zwischen der Ausführung der Sensorkonfigurationen in den Modi 1, 2 und 3 mit einer Abtastrate von zum Beispiel 20 Millisekunden erfolgen kann. Infolgedessen ist die leitfähige Schaltung in der Lage, nacheinander in mehreren Modi mit verschiedenen Konfigurationen von kapazitiven Sensoren betrieben zu werden, um verschiedene Signale, insbesondere Objekte und Eingabebefehle, in unterschiedlichen Sensormodi entsprechend der ersten Ausführungsform zu erfassen.
Unter Bezugnahme auf 13 ist eine Routine 200 zum Erfassen von Berührung und Druck und zum Heizen der einen oder mehreren Heizzonen mit der leitfähigen Schaltung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Routine 200 beginnt bei Schritt 202 und geht zu Schritt 204 über, um die Elektroden für jede leitfähige Schaltung zur Druckerfassung im Drucksendemodus zu konfigurieren. Als Nächstes erhält die Routine 200 bei Schritt 206 den Druck Pi für jeden Sensor i = 1: n. Als nächstes konfiguriert die Routine 200 die Elektroden für jeden Sensor zur Näherungserfassung in einem kapazitiven Berührungserfassungsmodus und erhält dann die Nähe- oder Berührungs-Ci für jeden Sensor i = 1:n.
Nach der Erhalten der Druck- und Berührungssignale geht die Routine 200 zu Entscheidungsschritt 212 über, um zu bestimmen, ob der erhaltene Druck Pi für jeden mit der leitfähigen Schaltung konfigurierten Sensor größer als ein Schwellenwert P_thr ist. Wenn der erhaltene Druck Pi nicht größer als der Schwellenwert ist, geht die Routine 200 zu Entscheidungsschritt 214 über, um zu bestimmen, ob das erhaltene Näherungssignal größer als ein Schwellenwert C_thr ist, und wenn dies nicht der Fall ist, schaltet das Heizelement für die zugehörige leitfähige Schaltung aus und kehrt dann zu Schritt 204 zurück.
Wenn der erhaltene Druck Pi größer als der Schwellenwert P_thr ist oder wenn das erhaltene Näherungssignal Ci größer als der Schwellenwert C thr ist, dann geht die Routine 200 zu Entscheidungsschritt 218 über, um zu bestimmen, ob der erhaltene Druck Pi größer als ein gleitender Mittelwert des Druckniveaus des Sensors i Pi ma plus ein Hystereseniveau HYST ist. Das Hystereseniveau HYST ist ein Niveau, welches das Signal überschreiten muss, bevor das Heizniveau geändert wird. Wenn Pi nicht größer als Pi_ma + HYST ist, dann geht die Routine 200 zu Entscheidungsschritt 220 über, um zu bestimmen, ob der erhaltene Druck Pi kleiner als Pi_ma - HYST ist. Wenn der erhaltene Druck Pi größer als Pi_ma + HYST oder kleiner als Pi_ ma - HYST ist, was angibt, dass der Druck entsprechend entweder zunimmt oder abnimmt, dann geht die Routine 200 zu Schritt 222 über, um ein Heizniveau für das entsprechende Pad i für die leitfähige Schaltung zu berechnen. Das durch Gleichung Hi identifizierte berechnete Heizniveau ist eine Funktion von f(Pi) plus einem minimalen Heizniveau am Lenkrad, wenn die Hand an der entsprechenden leitfähigen Schaltung erkannt wird. Somit können Erhöhungen oder Verringerungen des erfassten Drucks das Heizniveau erhöhen oder verringern, das für jede Heizzone durch die entsprechende leitfähige Schaltung erzeugt wird.
Wenn der erhaltene Druck Pi größer als Pi_ma + HYST und nicht kleiner als Pi_ma -HYST ist, was angibt, dass keine Druckänderung vorliegt, dann geht die Routine 200 direkt zu Schritt 224 über, um ein Heizniveau Hi an das entsprechende Pad der leitfähigen Schaltung anzuwenden. Daraufhin geht die Routine 200 zu Schritt 226 über, um den Schwellenwert Pi_ ma mit dem gleitenden Mittelwert des Druckniveaus des Sensors i zu aktualisieren, bevor sie zu Schritt 204 zurückgekehrt.
Dementsprechend setzt das Fahrzeuglenkrad 20 vorteilhafterweise eine Vielzahl von leitfähigen Schaltungen 36A-36H ein, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur an mehreren Heizzonen des Lenkrads 20 umgeben, um als einer oder mehrere Sensoren zum Erfassen der Position der Hände des Benutzers auf dem Lenkrad konfiguriert zu werden und um als die Vielzahl von Heizungen konfiguriert zu werden, um die eine oder die mehreren ausgewählten Heizungen auf Grundlage der erfassten Position der Hand zu aktivieren. Dies verbraucht vorteilhafterweise einen minimalen Betrag an erforderlicher Leistung, um das Lenkrad zu beheizen, ohne Energie zu verschwenden, wodurch elektrische Leistung eingespart wird.
Es versteht sich, dass Variationen und Modifikationen an der vorangehenden Struktur vorgenommen werden können, ohne von den Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und es versteht sich ferner, dass derartige Konzepte von den folgenden Patentansprüchen abgedeckt sind, sofern diese Patentansprüche durch ihren Wortlaut nicht ausdrücklich etwas anderes festlegen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeuglenkrad bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Kranz, eine Kernstruktur und eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, und eine Steuerung, welche die leitfähige Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um das Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer der Heizzonen zu erfassen und die leitfähige Schaltung umzuschalten, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die leitfähige Schaltung, die als der kapazitive Sensor betrieben wird, auch als die Heizung betrieben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch eine Umschalt-Schaltung zum selektiven Umschalten des Betriebs der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung gekennzeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerung die Umschalt-Schaltung, um den Betrieb der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umzuschalten.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schaltung eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und eine zweite Elektrode, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, wobei die erste Vielzahl von leitfähigen Elektrodenfingern in die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern eingreift.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung durch eine dritte Elektrode und eine nachgiebige Schicht gekennzeichnet, die jeweils zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform erfasst die Steuerung den Druck, der auf die Heizzone ausgeübt wird und stellt das Heizniveau auf Grundlage des erfassten Drucks ein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schaltung mindestens eine Elektrode, die ein kapazitives Signal für den kapazitiven Sensor erzeugt und Wärme für die Heizung erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch einen Bezug gekennzeichnet, der die leitfähige Schaltung umgibt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Heizung als Widerstandsheizung betrieben, die auf Grundlage von elektrischem Strom Wärme erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schaltung eine elektrische Heizmatte. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kernstruktur einen starren Kern und eine umgebende nachgiebige Schicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeuglenkrad bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Kranz, eine Kerns truktur und eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, einen Bezug, der die Vielzahl von Heizzonen umgibt, und eine Steuerung, welche die Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um das Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer der Heizzonen zu erfassen und die leitfähige Schaltung umzuschalten, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die leitfähige Schaltung, die als der kapazitive Sensor betrieben wird, auch als die Heizung betrieben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner durch eine Umschalt-Schaltung zum selektiven Umschalten des Betriebs der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung gekennzeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerung die Umschalt-Schaltung, um den Betrieb der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umzuschalten.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schaltung mindestens eine Elektrode, die ein kapazitives Signal für den kapazitiven Sensor erzeugt und Wärme für die Heizung erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der kapazitive Sensor eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und eine zweite Elektrode, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, wobei die erste Vielzahl von leitfähigen Elektrodenfingern in die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern eingreift.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kernstruktur einen starren Kern, eine dritte Elektrode und eine umgebende nachgiebige Schicht, die jeweils zwischen der ersten und zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist, um den auf die Heizzone ausgeübten Druck zu erfassen, und stellt das Heizen auf Grundlage des erfassten Drucks ein. Gemäß einer Ausführungsform wird die Heizung als Widerstandsheizung betrieben, die auf Grundlage von elektrischem Strom Wärme erzeugt.

Claims

Fahrzeuglenkrad, das Folgendes umfasst: einen Kranz mit einer Kernstruktur; eine Vielzahl von Heizzonen, die mindestens einen Abschnitt der Kernstruktur umgibt, wobei jede Heizzone eine leitfähige Schaltung aufweist, um eine Heizung und einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer Position einer Hand eines Benutzers auf dem Lenkrad zu definieren, und eine Steuerung, welche die leitfähige Schaltung in jeder Heizzone steuert, damit sie als der kapazitive Sensor betrieben wird, um ein Vorhandensein der Hand des Benutzers in mindestens einer der Heizzonen zu erfassen und die leitfähige Schaltung zu rekonfigurieren, damit sie als die Heizung betrieben wird, um die mindestens eine Heizzone zu beheizen, wenn die Hand in der mindestens einen Heizzone erfasst wird.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Schaltung, die als der kapazitive Sensor betrieben wird, auch als die Heizung betrieben wird.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 2, das ferner eine Umschalt-Schaltung zum selektiven Umschalten des Betriebs der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umfasst.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 3, wobei die Steuerung ferner die Umschalt-Schaltung steuert, um den Betrieb der leitfähigen Schaltung zwischen dem kapazitiven Sensor und der Heizung umzuschalten.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Schaltung eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und eine zweite Elektrode umfasst, die eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, und wobei die erste Vielzahl von leitfähigen Elektrodenfingern in die zweite Vielzahl von leitfähigen Fingern eingreift.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 5, das ferner eine dritte Elektrode und eine nachgiebige Schicht umfasst, die jeweils zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 6, wobei die Steuerung den Druck erfasst, der auf die Heizzone ausgeübt wird und das Heizniveau auf Grundlage des erfassten Drucks einstellt.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1-7, wobei die leitfähige Schaltung mindestens eine Elektrode umfasst, die ein kapazitives Signal für den kapazitiven Sensor erzeugt und Wärme für die Heizung erzeugt.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, das ferner einen Bezug umfasst, der die leitfähige Schaltung umgibt.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, wobei die Heizung als Widerstandsheizung betrieben wird, die auf Grundlage von elektrischem Strom Wärme erzeugt.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 10, wobei die leitfähige Schaltung eine elektrische Heizmatte umfasst.
Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, wobei die Kernstruktur einen starren Kern und eine umgebende nachgiebige Schicht umfasst.