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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung ausgebildet um wechselweise eine Fläche zu beheizen oder die Erkennung einer Berührung der Fläche zu ermöglichen.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Beheizen von den berührten Flächen an Lenkhandhaben bekannt. Zumeist sind solche Vorrichtungen in Lenkhandhaben, wie beispielsweise Lenkern oder Lenkrädern, oder in Sitze integriert.
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Dabei stellt die Heizung bzw. die Beheizung der Lenkhandhabe in erster Linie eine Komfortfunktion dar, welche einem Bediener ein angenehm temperiertes Bedienelement bereitstellen soll.
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Davon abweichend dient eine Berührungserkennung an Lenkhandhaben überwiegend der Steigerung der Fahrsicherheit, da durch die Berührungserkennung die Hand des Fahrers bzw. der Fahrer selbst erkannt und dadurch beispielsweise sichergestellt werden soll, dass der Fahrer die Handhabe mit zumindest einer Hand greift.
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Zusätzlich kann die Information über die Berührung bzw. Anwesenheit von Fahrer und/oder Hand auch bei zahlreichen weiteren Systemen des Fahrzeugs verwendet werden.
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In Fahrzeugen kann es erforderlich sein, zu erfassen, ob der Fahrer seine Hände am Lenkrad hat (z. B. um festzustellen, ob der Fahrer bereit ist, eine Lenkaktion auszuführen). Lenkassistenten können eine aktive Korrekturmöglichkeit für den Fahrer beinhalten, die unter bestimmten Umständen genutzt werden kann. Es kann aber auch andere Gründe geben, zu erkennen, ob der Fahrer seine Hände am Lenkrad hat oder nicht. So kann z. B. vorgesehen sein, dass ein Lenkassistenzsystem nur dann aktiviert wird, wenn der Fahrer seine Hände am Lenkrad hat. In den meisten Ländern ist es vorgeschrieben, dass das Fahrzeug bei der Fahrt unter der Kontrolle des Fahrers steht, auch wenn moderne Assistenzsysteme in der Lage wären, das Fahrzeug in bestimmten Situationen auf sichere Weise selbstständig und autonom zu steuern.
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Um allerdings festzustellen, ob mindestens eine Hand am Lenkrad positioniert ist oder nicht, wurden mehrere Konzepte entwickelt. Ein bekanntes Konzept stützt sich auf das EPS-System und induziert eine Vibration mit geringer Amplitude im Lenkrad. Wenn der Fahrer die Hände am Lenkrad hat, hat dies eine dämpfende Wirkung, die erfasst werden kann. Allerdings kann die Vibration für den Fahrer ablenkend oder störend sein. Andere Systeme verwenden spezielle Sensoren. Ein solches System verwendet resistive Sensorelemente, bei denen zwei Leiter im Abstand voneinander unter der Oberfläche des Lenkrads angeordnet sind. Wenn ein bestimmter Druck auf die Oberfläche ausgeübt wird, werden die Leiter in Kontakt gebracht. Der Druck, der zur Aktivierung des Sensors erforderlich ist, macht diesen Ansatz jedoch weniger zuverlässig.
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Ein alternativer Ansatz verwendet kapazitive Sensoren, die eine Hand durch ihren Einfluss auf ein vom Sensor erzeugtes elektrisches Feld, somit kapazitive Änderungen erkennen. Insbesondere das Dokument
US 2012/326735 A1 offenbart die Verwendung von kapazitiven Sensoren, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass sie jeweils den Kontakt mit der vorderen rechten Seite, der vorderen linken Seite und der hinteren Oberfläche eines Lenkrads erkennen. Die Sensoren werden gleichzeitig aktiviert und ein Sensor registriert einen Kontakt, wenn die Impedanz dieses Sensors größer oder gleich einem Schwellenwert für die Impedanz ist. Während kapazitive Sensoren zuverlässiger als resistive Sensoren sind, können die Erfassungsergebnisse für eine Hand des Benutzers durch einen geerdeten Zustand der anderen Hand verfälscht werden.
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Letztendlich handelt es sich dann um ein komplexes Netzwerk aus kapazitiven Einheiten, die durch einen Masseschluss oder Erdung dynamisch beeinflusst werden, so dass es zu unerwünschten Ergebnissen kommen kann.
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Wenn die andere Hand geerdet oder mit einer Masse verbunden ist, weil der Fahrer ein geerdetes Bauteil des Fahrzeugs berührt, unterscheidet sich die Gesamtimpedanz erheblich von einer Situation, in der die andere Hand nicht geerdet ist. Im Allgemeinen ist ein erfasstes Signal in seiner Signalstärke ausgeprägter bzw. höher, wenn die jeweils andere Hand oder der Fahrer irgendwo geerdet ist. Die Erfassung des geerdeten Zustands der anderen Hand ist jedoch schwierig, ganz zu schweigen von der Abschätzung ihres Einflusses auf das Erfassungssignal. Auch andere Faktoren können das erfasste Signal beeinflussen, z. B. die Sitzposition des Fahrers, wodurch die Messergebnisse weniger zuverlässig werden. Es besteht daher ein Bedürfnis danach die Messergebnisse sicherer zu machen.
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Ein weiterer Einfluss besteht im Übersprechen oder allgemein in der elektromagnetischen Interaktivität zwischen den Sensoren untereinander und der Umgebung. Es sind zwar im Stand der Technik Lösungen und Schirmkonzepte bekannt, um diese Einflüsse zu unterdrücken oder zumindest zu reduzieren, aber diese lassen sich, wenn technisch überhaupt kompatibel, in aller Regel nur mit einem vergleichsweise hohen Zusatzaufwand realisieren.
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Um sowohl ein Heizen als auch eine Berührungserkennung bereitstellen zu können, ist im Stand der Technik meist vorgesehen, dass eine Anwendung für solche Vorrichtungen, also eine Lenkhandhabe oder ein Sitz, sowohl mit einer Heizung als auch mit einem davon getrennten bzw. separaten Sensor zur Berührungserkennung ausgestattet ist. Das führt jedoch zu einem bauraum- und kostenintensiven Aufbau.
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Weiter ist sowohl aus der Schrift
EP 2 028 078 A1 als auch aus der Schrift
DE 11 2018 005 213 T5 eine Kombination von Heizung und Berührungserkennung bekannt. Gemäß beiden Varianten ist jeweils ein Sensor mit mehreren Sensorleitungen vorgesehen, von welchen eine der Sensorleitungen zugleich als Heizdraht genutzt wird, sodass diese integral miteinander ausgebildet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zum Beheizen einer Fläche und zur kapazitiven Erkennung einer Berührung der Fläche bereitzustellen, welche die zeitgleiche Ausführung der Funktionen ermöglicht und bei der die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der kapazitiven Handerfassung an einem Lenkrad verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Beheizen einer Fläche und zur Erkennung einer Berührung der Fläche vorgeschlagen.
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Die Vorrichtung kann insbesondere in einen Sitz oder eine Lenkhandhabe eines Fahrzeugs integriert sein. Die Fläche kann entsprechend beispielsweise eine Griff- bzw. Greiffläche der Lenkhandhabe oder eine Sitz- oder Lehnfläche des Sitzes sein.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung für eine Lenkhandhabe zum Beheizen einer Fläche (an der Lenkhandhabe) und zur Erkennung einer Berührung dieser Fläche vorgesehen, aufweisend eine Sensoranordnung und eine Steuervorrichtung sowie einen mit dieser verbundenen, elektrisch leitfähigen Funktionsleiter als Heizdraht zur Beheizung der Fläche, wobei die Steuervorrichtung eine Heiz-Schaltung zur Beheizung der Fläche über den Funktionsleiter sowie eine Sensor-Schaltung (vorzugsweise mit Messchaltung), ausgebildet zur Erkennung einer Berührung der Fläche durch eine Hand aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Sensoranordnung zur kapazitiven Positionserfassung einer Hand mit mehreren, mit einer Messvorrichtung verbundenen kapazitiven Sensoren ausgebildet, die entlang der besagten Fläche angeordnet sind, wobei jeder Sensor mindestens eine Sensorelektrode aufweist, wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, um eine Sequenz von Erfassungsvorgängen selektiv an den mehreren Sensoren auszuführen, und in jedem Erfassungsvorgang vorzugsweise mindestens einen Sensor durch Anlegen eines Erfassungssignals an seine mindestens eine Sensorelektrode zu aktivieren, wobei der jeweils zur Messung aktivierte Sensor über ein Schaltelement direkt oder über einen Widerstand mit der Erde oder Fahrzeugmasse temporär verbindbar ist, während zeitgleich die weiteren, nicht für einen Erfassungsvorgang aktivierten Sensoren bestimmungsgemäß von der Erde oder Masse getrennt sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messvorrichtung integraler Bestandteil der Sensor-Schaltung ist, so dass das Aktivieren von einzelnen Sensoren und das anschließende Messen durch eine Einheit gesteuert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass der hochohmige Widerstand mindestens einen elektrischen Widerstand in der Höhe von 5 kΩ besitzt.
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Eine Idee der Erfindung besteht darin, dass sequentiell der aktuell zu messende Sensor zuerst direkt oder hochohmig temporär z. B. über 5 kΩ geerdet und anschließend gemessen wird. Alle anderen Sensoren (die nicht gemessen werden) sind zur gleichen Zeit durch Schaltelemente offen und nicht geerdet. Nach dem Ende des Messvorgangs beim gerade aktivierten Sensor erfolgt dann dieses Schema nach und nach für die weiteren Sensoren sequentiell bis diese Messabfolge dann nach Erreichen des letzten Sensors wieder beim ersten Sensor startet bzw. beendet ist. Die Deaktivierung des einen gerade aktiven Sensors und die Aktivierung des jeweils nächsten weiteren Sensors kann zeitlich unmittelbar nacheinander erfolgen, so dass die Messpausen sehr kurz sind. Es ist denkbar, dass auch andere Messsequenzen von der Steuervorrichtung angesteuert werden, bei denen z. B. ein oder mehrere der Sensoren nicht in der Messabfolge sequentiell aktiviert, hochohmig geerdet und deaktiviert werden, sondern ausgelassen werden. Dies kann bereits beim ersten Durchlauf oder auch später erfolgen.
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Mit Vorteil ist daher vorgesehen, dass die Steuervorrichtung so konfiguriert ist, dass zunächst eine temporäre Verbindung des zur Messung jeweils aktivierten Sensors über ein Schaltelement mit der Erde oder Masse erfolgt und erst danach (nachdm die verbindung zum Grounding bzw. Erde wieder aufgehoben wurde) der kapazitive Messvorgang gestartet wird.
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Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der die Steuervorrichtung ausgebildet ist, um am Ende eines jeden Erfassungsvorgangs mindestens einen weiteren Sensor, der für den nächsten Erfassungsvorgang aktiviert wird, zu erden und weiterhin alle anderen Sensoren, die nicht für einen Erfassungsvorgang aktiviert wurden, bestimmungsgemäß weiterhin von der Erde oder Masse getrennt zu lassen, insbesondere dadurch, dass die zum Verbinden mit der Erde oder Masse vorgesehenen Schaltelemente dieser Sensoren geöffnet bleiben.
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Der Erfassungsvorgang umfasst demnach die temporäre Erdung und den nachfolgenden Messvorgang.
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Ebenfalls von Vorteil ist eine Konzeption bei der die Steuervorrichtung oder Messvorrichtung ausgebildet ist, um jeweils mehr als einen einzelnen Sensor zu aktivieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizdraht zur Beheizung der Fläche (Berührfläche), zugleich eine Sensoranordnung zur Erkennung einer Berührung der Fläche ist.
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Ebenfalls vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der der Heizdraht flächig und mäanderartig verlaufend angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Konfiguration ist vorgesehen, dass die Schaltelemente zum Verbinden und Trennen der Sensoren mit der Erde bzw. Masse als Halbleiterschaltelemente oder als elektronisch steuerbare Schaltelemente ausgebildet sind.
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Weiter bevorzugt ist eine Konfiguration, bei der parallel zu einer Sensorverbindung (Leitungsstrang L1), in der die Sensoranordnung zwischen einer Spannungsquelle und der Erde oder Masse angeordnet ist, ein mit der Spannungsquelle und der Erde bzw. Masse verlaufender optional zusätzlicher Leitungsstrang Lr mit wenigstens zwei Schaltelementen vorgesehen ist, zwischen denen eine feste Referenzkapazität Cref mit Erde /Masse verbunden ist. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die beiden parallelen Leitungsstränge jeweils über einen gesonderten Messkanal mit der Messvorrichtung verbunden sind und die Messvorrichtung dazu jeweils einen Messeingang für die Sensormessung und einen Eingang für die Referenzmessleitung für den Leitungsstrang mit der Referenzkapazität Cref aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft auch eine Lenkhandhabe eines Fahrzeugs mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung, wobei die Fläche eine Greiffläche zum Greifen der Lenkhandhabe ist, sodass die Greiffläche beheizbar und eine Berührung der Greiffläche erfassbar ist.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen, auch wenn dies im Einzelnen nicht explizit angegeben ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Sensoranordnung
- 3 eine Lenkhandhabe mit einem Funktionsleiter einer Vorrichtung.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Diese weist eine Steuervorrichtung 10 und einen damit verbundenen Funktionsleiter 13 auf, durch welchen eine Fläche 2 beheizt und eine Berührung der Fläche 2 detektiert werden kann.
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Zur Beheizung der Fläche 2 über den Heizdraht 13 ist in der Steuervorrichtung 10 eine Heizschaltung 11 vorgesehen, welche vorliegend eine Steuerung 11C und Schaltelemente 11V umfasst. Um eine Berührung der Fläche 2 detektieren zu können, wertet eine Sensor-Schaltung 12 eine über den Funktionsleiter 13 erfasste kapazitive Änderung aus.
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Die Steuerung 11C der Heiz-Schaltung 11 und die Sensor-Schaltung 12 sind vorliegend auf einem gemeinsamen Mikrocontroller 15 vorgesehen, wobei diese auch auf separaten Mikrocontrollern oder allgemein getrennt voneinander vorgesehen sein können.
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Weiter ist als Teil der Vorrichtung 1 bzw. als Teil der Steuervorrichtung 10 eine Spannungsversorgungseinheit 14 vorgesehen, welches jedoch alternativ nicht als Teil der Vorrichtung 1 oder der Steuervorrichtung 10 verstanden werden muss. Durch die Spannungsversorgungseinheit 14 wird die Sensor-Schaltung 12 und die Heiz-Schaltung 11 mit einer Netz- bzw. Betriebsspannung versorgt.
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Die Schaltelemente 11V können durch verschiedene Schaltungen implementiert sein.
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In der 2 ist die Funktionalität in der Vorrichtung 1 für eine Lenkhandhabe 3 zum Beheizen einer Fläche 2 und zur Erkennung einer Berührung der Fläche 2 an der Lenkhandhabe 3 (siehe 3) gezeigt.
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Die Sensoranordnung S ist mit einer Sensor-Schaltung 12 verbunden. , Ferner ist ein elektrisch leitfähiger Funktionsleiter 13 als Heizdraht zur Beheizung der Fläche 2 vorgesehen, wobei die Steuervorrichtung 10 ferner die in 1 gezeigte Heiz-Schaltung 11 aufweist. Die Sensor-Schaltung 12 ist ausgebildet zur Erkennung einer Berührung der Fläche 2 durch eine Hand, wobei die Sensoranordnung S mit kapazitiven Sensoren ausgebildet ist, die entlang der Fläche 2 angeordnet sind, wobei jeder Sensor mindestens eine Sensorelektrode aufweist.
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In 2 ist weiter zu erkennen, dass parallel zu der Sensorverbindung L1 ein optionaler Leitungsstrang Lr vorgesehen ist. Die Sensoranordnung S ist zwischen einer Spannungsquelle U und der Erde E bzw. Masse M angeordnet.
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Der Leitungsstrang Lr ist ebenfalls mit der Spannungsquelle und der Erde bzw. Masse verbunden und ist mit zwei Schaltelementen SL1, SL2 ausgestattet, zwischen denen eine feste Referenzkapazität Cref mit Erde /Masse verbunden ist.
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Die Kapazität des Messsensors der Sensoranordnung CSen ist neben der Kapazität der Hand des Benutzers CFin dargstellt. Mit Vorteil ist die Referenzkapazität Cref ungefähr gleich oder in der Größenordnung wie die Kapazität des Messensors CSen. Diese kann aber je nach Konfiguration ggf. auch abweichen.
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Die parallelen Leitungsstränge L1, L2, ..., Lr sind jeweils über einen gesonderten Messkanal mit der Messvorrichtung 10 verbunden und die Messvorrichtung 10 besitzt dazu jeweils einen Messeingang CH1, ..., CHR für die Sensormessung und einen Eingang CH2 für die Referenzmessleitung für den Leitungsstrang mit der Referenzkapazität Cref.
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Die Sensorschaltung 1 ist ferner ausgebildet, um eine Sequenz von Erfassungsvorgängen selektiv an den mehreren Sensoren auszuführen.
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Die zu beheizende Fläche 2, deren Berührung ebenfalls erfasst werden soll, und damit die Vorrichtung 1 kann in verschiedenen Anwendungen vorgesehen sein, wobei in 3 beispielhaft ein Lenkrad als Lenkhandhabe 3 dargestellt ist, welches beheizt und dessen Berührung erfasst werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012326735 A1 [0008]
- EP 2028078 A1 [0013]
- DE 112018005213 T5 [0013]
