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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Erkennung eines Insassen
in einem Fahrzeugsitz, wobei insbesondere ein kapazitives Erkennungssystem
verwendet wird.
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Bisheriger Stand der Technik
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Der
hierin benutzte Begriff „Insassenerkennungssystem” bezeichnet
ein an die Erkennung des Belegungszustands eines Fahrzeugsitzes
angepasstes System. Ein kapazitiver Sensor, der von Einigen als „E-Feld-Sensor” oder „Näherungssensor” bezeichnet
wird, bedeutet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den
Einfluss dessen anspricht, was bei einem vom kapazitiven Sensor
aufgebauten elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer
Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor
umfasst im Allgemeinen mindestens eine Elektrode, an welche bei
eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt
wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Elektrode
nahen räumlichen Bereich aufbaut. Ein Insasse oder Gegenstand,
der sich in diesem räumlichen Bereich befindet, wirkt mit
dem elektrischen Feld zusammen, wobei dieses Zusammenwirken vom
kapazitiven Sensor erkannt wird.
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Im
Gebiet der Belegungserfassung sind zahlreiche Varianten kapazitiver
Erfassungssysteme und zugeordnete Verfahren bekannt. Bei der vorliegenden
Erfindung wird eine Elektrodenanordnung verwendet, welche mindestens
eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine elektrisch
isolierende Schicht umfasst, die sandwichartig zwischen der ersten
und zweiten Elektrode aufgenommen ist. Wenn sich die Elektrodenanordnung
an ihrem Platz in einem Fahrzeugsitz befindet, ist sie derart ausgerichtet,
dass die erste Elektrode einer Sitzfläche zugewandt ist,
welche ein Insasse beim Sitzen auf dem Sitz berührt, wohingegen
die zweite Elektrode von der Sitzfläche abgewandt ist.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die erste
Elektrode (die so genannte „Erfas sungselektrode”)
und geerdete Oberflächen, die gegenüber der ersten
Elektrode im Fahrgastraum angeordnet sind, demzufolge Kondensatorplatten
eines ersten Kondensators bilden. Der Raum zwischen diesen Kondensatorplatten
umfasst den Raum über dem Fahrzeugsitz, welcher von einem
Insassen des Sitzes belegt sein kann. Demnach hängt die
Kapazität des ersten Kondensators vom Belegungszustand
des Sitzes ab (d. h. davon, ob sich ein Erwachsener, ein Kind, ein
Haustier, ein leerer oder belegter Kindersitz oder dergleichen darauf
befindet). Zur Reduzierung der Empfindlichkeit des Systems in Bezug
auf den hinter der zweiten Elektrode liegenden Raum (von der ersten
Elektrode aus gesehen) wird bekannterweise die zweite Elektrode
(die so genannte „Schirmelektrode”) mit im Wesentlichen der
gleichen Spannung wie die erste Elektrode betrieben. In diesem Zusammenhang
bedeutet „gleiche Spannung” eine Spannung, die
die gleiche Amplitude und Phase aufweist. Es versteht sich für
den Fachmann, dass die zweite Elektrode eine erste Kondensatorplatte
eines anderen Kondensators bildet, dessen Kapazität (nachfolgend
als „dritte Kapazität” bezeichnet) von
Gegenständen hinter der zweiten Elektrode abhängt.
Die zweite Kondensatorplatte des dritten Kondensators kann beispielsweise
der Sitzrahmen, die Sitzschale, die Sitzheizung usw. sein. Die zweite
Elektrode hat bei irgendeinem Moment der Messung der ersten Kapazität
im Wesentlichen das gleiche elektrische Potential wie die erste
Elektrode, so dass das elektrische Feld zwischen den zwei Elektroden
im Wesentlichen gleich null ist. Dadurch wird die Abschirmung der
ersten Elektrode vor jedweden Ungewissheiten bereitgestellt, welche Änderungen der
dritten Kapazität betreffen, und die Empfindlichkeit der
ersten Elektrode in Richtung des Insassen signifikant erhöht.
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Ein
kapazitives Klassifizierungssystem der Sitzbelegung und ein Verfahren
dieser Art wurden beispielsweise in
EP 1 457 391 A1 vorgeschlagen. Eine ähnliche
Elektrodenkonfiguration für den Zweck der kapazitiven berührungslosen
Abtastung im Bereich der Robotik ist aus
US 5,166,679 (Vranish et al.) bekannt.
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Eine
Aufgabe kapazitiver Insassenerkennungssysteme ist die zuverlässige
Erkennung eines nassen Sitzbezugs, welcher sonst zur fehlerhaften Er kennung
eines Insassen führen könnte. Das
US-Patent 6,392,542 (an Stanley) lehrt
einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrodenanordnung mit einer Erfassungselektrode
und einer Schirmelektrode umfasst, die in einem Sitz einbaubar sind
und in Wirkverbindung mit einem Sensorschaltkreis stehen, welcher
ein oszillierendes oder gepulstes Signal an die Elektroden anlegt,
das „am wenigsten schwach empfindlich” für
die Nässe des Sitzes ist. Stanley schlägt vor,
die Phase und Amplitude des zur Erfassungselektrode fließenden
Stroms als Reaktion auf eine daran angelegte Spannung mit einer
Frequenz von vorzugsweise weit über 400 kHz zu messen,
um einen belegten oder leeren Sitz zu erkennen und die Nässe des
Sitzes zu kompensieren.
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Technisches Problem
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Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Erkennung des Belegungszustands eines Fahrzeugsitzes bereitzustellen.
Dieser Gegenstand wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein
System nach Anspruch 13 erreicht.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Wie
vorstehend bereits kurz erklärt wurde, betrifft die vorliegende
Erfindung ein Insassenerkennungssystem mit einer Elektrodenanordnung
zur Positionierung in einem Fahrzeugsitz eines Kraftfahrzeugs, wobei
die Elektrodenanordnung Folgendes umfasst: eine erste Elektrode
zum Aufbau eines elektrischen Felds in einem Erkennungsbereich über dem
Fahrzeugsitz, eine zweite Elektrode und eine sandwichartig zwischen
der ersten und zweiten Elektrode aufgenommene elektrische Isolatorschicht. Wenn
die Elektrodenanordnung im Sitz positioniert ist, bildet die erste
Elektrode mit der Masse des Fahrzeugs einen ersten Kondensator mit
einer ersten Kapazität, die durch einen belegenden Körper
im Erkennungsbereich durch Zusammenwirken zwischen dem belegenden
Körper und dem elektrischen Feld beeinflussbar ist; bildet
die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode einen zweiten Kondensator
mit einer zweiten Kapazität; und bildet die zweite Elektrode eine
erste Kondensatorplatte eines dritten Kondensators mit einer dritten
Kapazität. Die zweite Platte des dritten Kondensators kann
durch Folgendes gebildet werden: leitfähige Oberflächen
am Fahrzeugmassepotential; oder eine dritte Elektrode, die durch eine
weitere leitfähige Oberfläche im Fahrzeugsitz wie
beispielsweise eine Sitzheizung, eine Sitzschale gebildet wird;
oder eine hinter der zweiten Elektrode (von der ersten Elektrode
aus gesehen) angeordnete dritte Elektrode. Als erster Indikator
des Sitzbelegungszustands wird ein Maß der ersten Kapazität
in einem Zeitintervall bestimmt, während dessen die erste
Elektrode zum Aufbau eines elektrischen Felds im Erkennungsbereich
veranlasst wird und die zweite Elektrode als angesteuerte Abschirmung
der ersten Elektrode betrieben wird. Es versteht sich für
den Fachmann, dass der hierin verwendete Begriff „Maß” einer
Kapazität irgendeine gemessene physikalische Größe
oder eine Kombination gemessener physikalischer Größen
umfassen soll, von welchen man die Kapazität ableiten kann.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung werden
die Schwankungen von mindestens einer der ersten, zweiten und dritten
Kapazität gemessen und wird das Frequenzspektrum der gemessenen
Schwankungen analysiert. Diese Analyse ergibt einen zweiten Indikator
des Sitzbelegungszustands. Die Ableitung des Sitzbelegungszustands
basiert auf dem Maß der ersten Kapazität und dem
Frequenzspektrum der gemessenen Schwankungen. Ein erster Aspekt
der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren der Erkennung
des Belegungszustands und ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht
sich auf das Insassenerkennungssystem, das eine wie vorstehend dargelegte
Elektrodenanordnung und eine Auswerteschaltung aufweist, die mit
der ersten und zweiten Elektrode in Wirkverbindung steht und derart
konfiguriert und angeordnet ist, dass sie gemäß dem
Verfahren arbeitet.
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Die
Erfinder erkannten, dass die Schwankungen der ersten, zweiten und/oder
dritten Kapazität (d. h. Abfolgen der Kapazitätsmaße,
die während eines bestimmten Zeitraums aufgezeichnet wurden) – also
nicht nur die einzelnen Kapazitätsmaße selbst – einen
zusätzlichen Indikator des Belegungszustands darstellen.
Bis jetzt wurden Schwankungen der Kapazitäten als störend
angesehen und die Aktivitäten gingen immer in die Richtung,
das „Rauschen” bei den Messungen z. B. durch Datenglättung zu
reduzieren. Der Nutzen des Schwankungsspektrums als zusätzlicher
Indikator der Sitzbelegung war bisher noch nicht entdeckt worden.
Es versteht sich für den Fachmann, dass Fahrzeug, Sitz
und Insasse zusammen ein komplexes System mechanischer Schwingungserzeuger
mit verschiedenen Schwingungsarten und entsprechenden Eigenfrequenzen bilden.
Es wurde herausgefunden, dass die Eigenfrequenzen eines auf einem
Fahrzeugsitz sitzenden Menschen von den Schwankungen der Kapazitäten abgeleitet
werden können. Insbesondere das Frequenzspektrum der Schwankungen
umfasst eine gewisse Anzahl von Peaks, die durch die auf den Sitz einwirkenden
Schwingungen und möglicherweise auf ihm sitzenden Insassen
oder einen darauf befindlichen Gegenstand verursacht werden. Diese
Schwingungen und demzufolge eine spezielle Gruppe von Spektralpeaks
sind charakteristisch für den Belegungszustand des Sitzes – d.
h. ob er leer ist oder mit einem Erwachsenen, einem Kindersitz usw.
belegt ist. Demnach betrifft die Analyse des Frequenzspektrums der
Schwankungen vorzugsweise den Bereich von 0,25 bis 25 Hz und bevorzugter
von 0,5 bis 25 Hz. Es versteht sich einerseits, dass das Maß der ersten
Kapazität, d. h. der erste hierin betrachtete Indikator,
hauptsächlich von den elektrischen Eigenschaften des belegenden
Körpers abhängt, d. h. ob der belegende Körper
(dieser hierin benutzte Begriff kann irgendein Objekt oder Lebewesen
bezeichnen, das den Fahrzeugsitz belegen kann) ein guter elektrischer
Leiter ist oder mehr wie ein Dielektrikum wirkt. Die Größe
und Masse des belegenden Körpers können die Kapazität
beeinflussen, doch die Erfahrung zeigt, dass dies nur in geringerem
Ausmaß der Fall ist. Andererseits hängt das Frequenzspektrum
der Schwankungen der betrachteten Kapazität überwiegend
von den mechanischen Eigenschaften des belegenden Körpers
wie z. B. der Größe, dem Gewicht, der Gewichtsverteilung
usw. ab. Die zwei Indikatoren sind daher in gewissem Sinne unabhängig
voneinander und erweitern somit die der Auswerteschaltung zur Verfügung
stehenden Informationen zur Durchführung der Einschätzung
des Belegungszustands.
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Der
zweite Indikator, der aus den Schwankungen einer Kapazität
abgeleitet wird, kann dazu eingesetzt werden, denjenigen Belegungszustand aufzuheben,
der aus der Betrachtung des ersten Indikators allein resultieren
würde. Dies ist insbesondere im Falle eines nassen Sitzbezugs
von Nutzen: in einer solchen Situation könnte das Maß der
ersten Kapazität anzeigen, dass der Sitz von einer Person, z.
B. einem kleineren Erwachsenen, belegt ist, wohingegen der zweite
Indikator einen leeren Sitz anzeigen würde, da sich die
Schwingungen eines leeren Sitzes mit nassem Sitzbezug nicht signifikant
von denjenigen eines leeren Sitzes mit trockenem Sitzbezug unterscheiden.
In diesem Fall wäre es geeignet, dass der zweite Indikator
den ersten Indikator aufhebt. Ein solche „Aufheben” kann
in der Auswerteschaltung auf Basis eines an jeden Indikator angehängten
Vertrauensniveaus oder „Vertrauenswürdigkeits”-Indexes
ausgeführt werden. Die Ableitung der Insassenklasse kann
nach herkömmlichen Mustererkennungsalgorithmen bewirkt
werden, bei denen z. B. die Clusteranalyse, neuronale Netze, Nearest-Neighbour-Verfahren
usw. verwendet werden.
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Der
Fachmann ist sich bewusst, dass es zahlreiche Wege zur Bestimmung
der Kapazität gibt, beispielsweise durch Messen der Ladezeit
der Elektrode(n), der Ladungsakkumulierung für eine vorgegebene
angelegte Spannung, eines als Reaktion auf eine bestimmte angelegte
Spannung in die Elektrode(n) fließenden Stroms usw. Es
versteht sich, dass die Auswerteschaltung die Schwankungen der ersten Kapazität
bestimmen kann, während die erste Elektrode zum Aufbau
des elektrischen Felds im Erkennungsbereich veranlasst wird und
die zweite Elektrode als angesteuerte Abschirmung der ersten Elektrode
betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung
auch die Schwankungen der dritten Kapazität ermitteln,
während die erste Elektrode zum Aufbau des elektrischen
Felds im Erkennungsbereich veranlasst wird und die zweite Elektrode
als angesteuerte Abschirmung der ersten Elektrode betrieben wird.
Wenn die Schwankungen der zweiten Kapazität zu bestimmen
sind, wird dies vorzugsweise in einem Zeitintervall erreicht, während
dessen die zweite Elektrode nicht als angesteuerte Abschirmung der
ersten Elektrode betrieben wird. Wenn die Schwankungen der zweiten
Kapazität zu bestimmen sind, umfasst der sandwichartig
zwischen der ersten und zweiten Elektrode aufgenommene elektrische Isolator
vorzugsweise ein Material, dessen Permittivität von dem
auf das Material wirkenden Druck abhängt, eine Elektretschicht
oder eine piezoelektrische Schicht. Als Material, dessen Permittivität
von dem auf es wirkenden Druck abhängt, kann man beispielsweise
ein Verbundmaterial verwenden, das eine elastische Matrix (z. B.
Gummi, Schaumstoff, Elastomer, Polymer oder dergleichen) mit Partikeln eines
homogen darin verteilten Füllstoffmaterials derart umfasst,
dass, wenn das Material Druck ausgesetzt ist, die Matrix verformt
wird und die Füllstoffpartikel näher zueinander
bewegt werden. Das Füllstoffmaterial und die elastische
Matrix haben vorzugsweise eine sehr unterschiedliche Permittivität,
damit der dynamische Bereich der Gesamtpermittivität maximal
ist. Man kann beispielsweise ein Matrixmaterial mit einem Elastizitätsmodul
im MPa-Bereich (z. B. 0,5–5 MPa) mit relativ niedriger
Permittivität sowie Partikel von BaTiO3 oder
TiO2 als Füllstoffmaterial verwenden.
Alternativ könnte man ein Matrixmaterial mit relativ hoher
Permittivität und Füllstoffpartikel mit relativ
niedriger Permittivität benutzen. Es ist anzumerken, dass
der elektrische Isolator außer dem Material, dessen Permittivität
sich in Abhängigkeit vom Druck ändert, weitere
Schichten umfassen könnte. Wenn allerdings der elektrische
Isolator zwischen den Elektroden aus einem wie vorstehend beschriebenen
Verbundmaterial besteht und wenn leitfähige Füllstoffpartikel
in diesem Material verwendet werden, sollte man die Dichte dieser
Füllstoffpartikel im Matrixmaterial derart auswählen,
dass das maximal erwartete Zusammendrücken das Verbundmaterial nicht
leitfähig macht (falls die Perkolationsschwelle des Verbundmaterials
durch die Volumenänderung wegen des Zusammendrückens überschritten
wird). Diese Einschränkung der Dichte leitfähiger
Füllstoffpartikel ist natürlich nicht erforderlich,
wenn zwischen der ersten und zweiten Elektrode mindestens eine zusätzliche
Schicht vorhanden ist, die gewährleistet, dass die Elektroden
sogar unter Druck elektrisch voneinander isoliert bleiben.
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Die
Auswerteschaltung ist vorzugsweise derart konfiguriert und angeordnet,
dass sie einen in die erste Elektrode fließenden Strom
bestimmt und das Maß der ersten Kapazität aus
dem in der ersten Elektrode fließenden Strom ableitet,
während die erste Elektrode zum Aufbau des elektrischen
Felds im Erkennungsbereich veranlasst wird und die zweite Elektrode
als angesteuerte Abschirmung betrieben wird.
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Die
Auswerteschaltung ist vorteilhafterweise derart konfiguriert und
angeordnet, dass sie die Schwankungen der ersten und/oder zweiten
Kapazität aus dem in der ersten Elektrode fließenden
Strom ableitet. Bei dieser Ausgestaltung kann die Auswerteschaltung
beispielsweise die Maße der ersten Kapazität während
eines vorgegebenen Zeitintervalls aufzeichnen und anschließend
den zweiten Indikator des Belegungszustands aus diesen Maßen
ableiten.
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Die
Auswerteschaltung ist vorteilhafterweise derart konfiguriert und
angeordnet, dass sie einen in die zweite Elektrode fließenden
Strom bestimmt und Schwankungen der dritten Kapazität aus
dem in der zweiten Elektrode fließenden Strom ableitet,
während die erste Elektrode zum Aufbau des elektrischen Felds
im Erkennungsbereich veranlasst wird und die zweite Elektrode als
angesteuerte Abschirmung betrieben wird. Vorzugsweise misst die
Auswerteschaltung die dritte Kapazität zur gleichen Zeit
wie die erste Kapazität.
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Die
Auswerteschaltung ist gemäß bestimmten Ausgestaltungen
der Erfindung derart konfiguriert und angeordnet, dass sie mindestens
in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus arbeitet, welche nicht
zur gleichen Zeit durchgeführt werden. Im ersten Betriebsmodus
wird die erste Elektrode zum Aufbau des elektrischen Felds im Erkennungsbereich veranlasst
und die zweite Elektrode als angesteuerte Abschirmung der ersten
Elektrode betrieben; dabei wird der Strom gemessen, der in die erste
Elektrode innerhalb des Zeitintervalls fließt, während
dessen die erste Elektrode zum Aufbau des elektrischen Felds im
Erkennungsbereich veranlasst wird und die zweite Elektrode als angesteuerte
Abschirmung betrieben wird, und das Maß der ersten Kapazität
aus diesem Strom abgeleitet. Der zweite Betriebsmodus ist der Bestimmung
der Schwankungen der zweiten und/oder dritten Kapazität
fest zugeordnet.
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Die
Auswerteschaltung legt gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung im zweiten Betriebsmodus eine Wechselspannung
zwischen der ersten und zweiten Elektrode an, ermittelt einen als Reaktion
auf die Wechselspannung in die erste und/oder zweite Elektrode fließenden
Strom und leitet die Schwankungen der zweiten Kapazität
aus dem als Reaktion auf die Wechselspannung in die erste und/oder
zweite Elektrode fließenden Strom ab. Bei dieser Ausgestaltung
umfasst die sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Elektrode
aufgenommene elektrische Isolatorschicht ein Material, dessen Per mittivität
sich in Abhängigkeit von dem auf es wirkenden Druck ändert.
Bei der Verwendung eines solchen Materials werden die Schwankungen der
Kapazitäten nicht nur durch die Änderung der Dicke
der isolierenden Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrode
herbeigeführt, so dass die Kapazitätsschwankungen
in Bezug auf die Situation verstärkt werden, in welcher
ein Material verwendet wird, dessen Permittivität beim
Zusammendrücken im Wesentlichen konstant bleibt.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische
Isolatorschicht eine Elektretschicht und/oder eine piezoelektrische
Schicht und ist die Auswerteschaltung derart konfiguriert und angeordnet,
dass sie im zweiten Betriebsmodus einen durch die Elektret- oder
piezoelektrische Schicht in der ersten und/oder zweiten Elektrode
induzierten Strom bestimmt (als Reaktion auf den Druck, der auf
die Elektret- oder piezoelektrische Schicht wirkt) und die Schwankungen
der zweiten Kapazität aus dem induzierten Strom ableitet.
Es versteht sich für den Fachmann, dass, wenn die elektrische
Isolatorschicht eine Elektret- oder piezoelektrische Schicht umfasst,
keine Potentialdifferenz mittels einer zusätzlichen Spannungsquelle
angelegt werden muss, um die zweite Kapazität oder deren Änderungen
zu bestimmen, da eine Elektret- oder piezoelektrische Schicht selbst
bewirkt, dass ein Strom fließt, wenn ein Druck aufgebracht
wird, d. h. wenn die Elektrodenanordnung mechanischen Schwingungen
ausgesetzt ist.
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Gemäß einer
weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die
Auswerteschaltung derart konfiguriert und angeordnet, dass sie im
zweiten Betriebsmodus die erste Elektrode als angesteuerte Abschirmung
der zweiten Elektrode betreibt und die Schwankungen der dritten
Kapazität misst.
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Während
die zweite Platte des dritten Kondensators in den zuvor erörterten
Ausgestaltungen des Insassenerkennungssystems vorzugsweise durch
eine geerdete Oberfläche des Fahrzeuginnenraums gebildet
ist, umfasst die Elektrodenanordnung bei einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung eine dritte Elektrode, welche die zweite
Kondensatorplatte des dritten Kondensators bildet. Die zweite und
die dritte Elektrode nehmen sandwichartig eine elektrische Isolatorschicht
auf, die eine Elektretschicht oder eine piezo elektrische Schicht
derart umfasst, dass die durch Schwingungen bedingten Schwankungen
der dritten Kapazität gesteigert werden. Die Auswerteschaltung
ist sogar noch bevorzugter in diesem Fall derart konfiguriert und
angeordnet, dass sie einen in die dritte Elektrode fließenden Strom
misst. Am meisten bevorzugt ist die Auswerteschaltung derart konfiguriert
und angeordnet, dass sie in mindestens zwei Betriebsmodi arbeitet,
wobei die Auswerteschaltung im ersten Betriebsmodus einen in die
erste Elektrode fließenden Strom bestimmt und das Maß der
ersten Kapazität aus dem in der ersten Elektrode fließenden
Strom ableitet und im zweiten Betriebsmodus einen in die dritte
Elektrode fließenden Strom bestimmt und Schwankungen der dritten
Kapazität aus dem in der dritten Elektrode fließenden
Strom ableitet.
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Die
Auswerteschaltung leitet die Last auf dem Sitz vorzugsweise aus
den Maßen der zweiten und/oder dritten Kapazität
ab. Vorzugsweise umfasst das Maß der auf den Sitz wirkenden
Last die Bildung eines Mittelwerts der Schwankungen der zweiten und/oder
dritten Kapazität.
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Es
versteht sich, dass die Auswerteschaltung auf verschiedene Weise
ausgeführt sein kann. Sie kann beispielsweise eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array
(FPGA), einen digitalen Signalprozessor und dergleichen umfassen
oder derart ausgeführt sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden nun beispielhaft
anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine schematische Seitenansicht eines Insassen auf einem Fahrzeugsitz;
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2:
eine schematische Darstellung eines kapazitiven Insassenerkennungssystems;
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3:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer ersten Ausgestaltung einer
Auswerteschaltung eines Insassenerkennungssystems;
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4:
eine schematische Darstellung des mechanischen Schwingungssystems
Fahrzeug/Sitz/Insasse;
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5:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer zweiten Ausgestaltung einer
Auswerteschaltung eines Insassenerkennungssystems;
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6:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer dritten Ausgestaltung einer
Auswerteschaltung eines Insassenerkennungssystems;
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7:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer vierten Ausgestaltung einer
Auswerteschaltung eines Insassenerkennungssystems;
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8:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Variante der Auswerteschaltung
von 7;
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9:
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer fünften Ausgestaltung
einer Auswerteschaltung eines Insassenerkennungssystems
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Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
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1 zeigt
einen Insassen 10, der auf einem Fahrzeugsitz 12 sitzt,
welcher mit einem kapazitiven Insassenerkennungssystem 14 versehen
ist. Das Insassenerkennungssystem 14 umfasst eine unter
der Oberfläche des Sitzteils 18 des Fahrzeugsitzes 12 positionierte
Elektrodenanordnung 16 sowie eine Auswerteschaltung 20.
Das Insassenerkennungssystem 14 ist in 2 detaillierter
dargestellt.
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Die
Elektrodenanordnung 16 umfasst eine Sandwichstruktur mit
einer im Wesentlichen ebenen ersten Elektrode 22, einer
im Wesentlichen ebenen zweiten Elektrode 24 und einer zwischen
den Elektroden 22 und 24 angeordneten elektrisch
isolierenden Schicht 26. Es sind verschiedene Konfigurationen
für die Elektrodenanordnung 16 möglich:
beispielsweise könnten die erste und zweite Elektrode als
gedruckte leitfähige Schichten an beiden Seiten einer flexiblen,
elektrisch isolierenden Folie (z. B. eine PET-Folie, eine PEN-Folie,
eine PI-Folie oder dergleichen) vorgesehen sein. Alternativ könnten
die Elektroden auf einzelnen Trägerfolien gehalten werden.
Mindestens eine der Trägerfolien könnte als elektrisch
isolierender Abstandshalter dienen. Alternativ könnte man
einen zusätzlichen Abstandshalter verwenden, z. B. eine
zusätzliche Folie oder ein zusätzliches Blatt
oder Gewebe. Die Elektroden könnten auch leitfähige
Gewebeschichten sein, die durch ein isolierendes Gewebe (z. B. ein
Abstands-Kettengewirk) oder eine isolierende Folie getrennt sind. Dem
Fachmann fallen ohne Weiteres andere geeignete Konfigurationen ein.
Es ist anzumerken, dass jede Elektrode eine geschlossene Oberfläche
innerhalb ihrer Außenränder bilden könnte,
aber nicht unbedingt eine solche geschlossene Oberfläche
bilden muss. Jede Elektrode könnte beispielsweise die Form
einer durchgehenden leitfähigen Struktur mit Öffnungen
bzw. Zwischenräumen darin aufweisen (im Gegensatz zu der
Form einer geschlossenen Oberfläche), z. B. in Form eines
Drahtes, der auf einem geschlängelten Weg, einem Gittermuster,
Netzmuster oder Kombinationen dieser Beispiele verläuft. Es
versteht sich, dass der Begriff „im Wesentlichen eben” eine
Elektrodenkonfiguration umfassen soll, bei der die Elektrode nicht
strikt in einer flachen Ebene enthalten ist, z. B. wenn sie gekrümmt
oder gewellt, aber relativ dünn im Vergleich zu ihren Seitenmaßen
ist.
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Die
Auswerteschaltung umfasst in der dargestellten Ausgestaltung einen
mit der zweiten Elektrode 24 wirkverbundenen Oszillator 28 (z.
B. einen spannungsgesteuerten Oszillator oder einen numerisch gesteuerten
Oszillator) und eine zwischen der zweiten Elektrode 24 und
der ersten Elektrode 22 wirkverbundene Strommessschaltung 30.
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Wenn
die Elektrodenanordnung 16 im Sitzteil des Fahrzeugsitzes 18 (oder
alternativ in der Rückenlehne des Sitzes) positioniert
ist, bildet die erste Elektrode 22 mit den umgebenden geerdeten
Oberflächen 32 des Fahrzeuginnenraums – also
z. B. mit Metallteilen in dem Dach des Fahrzeuginnenraums, der Fahrzeugtür,
dem Armaturenbrett und/oder dem Boden – einen ersten Kondensator.
Die Kapazität dieses ersten Kondensators (die „erste” Kapazität)
ist bei Bezugszeichen 34 dargestellt. Es ist unbedingt anzumerken,
dass die erste Kapazität vom Belegungszustand des Fahrzeugsitzes 12 abhängt
(d. h. davon, ob ein Erwachsener, ein Kind, ein Haustier, ein Kindersitz
usw. den Raum zwischen den Platten des ersten Kondensators einnimmt).
Die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 bilden
zusammen einen zweiten Kondensator (der als Kapazität die „zweite” Kapazität
hat und bei Bezugszeichen 36 dargestellt ist). Desgleichen
bildet die zweite Elektrode 24 mit den umgebenden geerdeten
Oberflächen 32 des Fahrzeuginnenraums einen dritten
Kondensator. Die „dritte” Kapazität des
dritten Kondensators ist bei Bezugszeichen 38 dargestellt.
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Wenn
die erste Kapazität 34 zu ermitteln ist, legt
der Oszillator 28 eine oszillierende Spannung an die zweite
Elektrode 24 an, während die Stromerkennungsschaltung 30 an
der ersten Elektrode 22 eine Spannung aufrechterhält,
die im Wesentlichen die gleiche Amplitude und Phase wie die Spannung
an der zweiten Elektrode aufweist. Die zweite Elektrode 24 bleibt
während der Messung der ersten Kapazität 34 somit
bei dem im Wesentlichen gleichen elektrischen Potential wie die
erste Elektrode 22. Demzufolge wird die Empfindlichkeit
der ersten Elektrode 22 nur in den Raum über dem
Fahrzeugsitz 12 gerichtet. Mit anderen Worten: die zweite
Elektrode 24 schirmt die erste Elektrode 22 ab
und hindert diese an einer kapazitiven Kopplung mit Objekten, die
sich hinter (von der ersten Elektrode 22 aus gesehen) der
zweiten Elektrode 24 befinden (z. B. eine Sitzheizung 40, die
Sitzschale 42 usw.). Die zweite Elektrode 24 ist zur
Erzielung der effizienten Abschirmung der ersten Elektrode 22 vorzugsweise
etwas größer (wie in 2 dargestellt).
Der Verlauf der elektrischen Feldlinien 44, die von der
ersten Elektrode ausgehen, wenn die erste Kapazität 34 zu
bestimmen ist, ist in 1 grob dargestellt. Der Insasse 10 ist
lediglich zum Zwecke der Deutlichkeit der Zeichnung mit einem gewissen
Abstand zum Sitzteil 18 abgebildet. Es versteht sich für
den Fachmann, dass der Strom, der in die erste Elektrode 22 als
Reaktion auf eine daran angelegte oszillierende Spannung mit vordefinierter Amplitude
fließt, von der ersten Kapazität und somit dem
Belegungszustand des Sitzes 12 abhängt. Demzufolge
kann ein Maß der ersten Kapazität aus dem in die
erste Elektrode fließenden Strom abgeleitet und daher ein
erster Indikator des Belegungszustands erhalten werden.
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3 zeigt
ein (vereinfachtes) Ersatzschaltbild einer ersten Ausgestaltung
eines kapazitiven Insassenerkennungssystems. Der Oszillator 28 legt eine
Wechselspannung an die zweite Elektrode 24 an. Der Verstärker 46 und
die Rückkopplungsimpedanz 47 bilden zusammen einen
Transimpedanzverstärker, der die Spannung an der ersten
Elektrode 22 im Wesentlichen gleich der Spannung an der
zweiten Elektrode 24 hält. Der Transimpedanzverstärker wandelt
folglich den in die erste Elektrode 22 fließenden
Strom in eine Spannung am Verstärkerausgang 48 um.
Da die erste Elektrode 22 an jedwedem Moment dieser Messung
im Wesentlichen das gleiche Potential wie die zweite Elektrode 24 hat,
bleibt der Strom durch die zweite Kapazität 38 im
Wesentlichen gleich null. Demnach hängt der in die erste
Elektrode fließende Strom fast ausschließlich
von der ersten Kapazität 34 ab. Die Mischstufe 49 und
der Tiefpassfilter 50 wandeln die Wechselstromausgabe des
Verstärkers 46 in eine Gleichspannung um, welche
von der ersten Kapazität 34 abhängt.
Diese Spannung wird an einen Analog/Digital-Wandler-Eingang (ADC-Eingang)
eines Mikrocontrollers 51 angelegt. Die Mischstufe 49 umfasst
vorzugsweise einen getakteten Gleichrichter, der Folgendes ausgibt:
ein Gleichstromsignal, das proportional zu der Komponente der vom
Verstärker 46 ausgegebenen Spannung ist, die in
Phase mit der Spannung an der zweiten Elektrode 24 ist;
und/oder ein Gleichstromsignal, das proportional zu der Komponente
der vom Verstärker 46 ausgegebenen Spannung ist,
die um 90° phasenverschoben bezogen auf die Spannung an der
zweiten Elektrode 24 ist. Das von der Mischstufe 49 ausgegebene
Gleichstromsignal kann weiter behandelt werden, bevor es dem Mikrocontroller 51 zugeführt
wird, beispielsweise für Kalibrierungszwecke. Da sogar
dann, wenn die Kapazität 34 nahe null ist, eine
Wechselspannung am Ausgang des Verstärkers 46 und
somit ein Signal am Ausgang des Tiefpassfilters vorliegt, wird diese
Verschiebung vorzugsweise entweder vor oder nach der Mischstufe 49 subtrahiert (in
den Zeichnungen nicht dargestellt).
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4 zeigt
schematisch ein Modell des Systems mechanischer Schwingungserzeuger,
das durch das Fahrzeug, den Sitz und den Insassen gebildet wird
(basierend auf der Veröffentlichung „Comfort
Assessment of Vehicles" von der IKA, RWTH Aachen, online
abrufbar unter http://www.ika.rwth-aachen.de/lehre/kfz-labor/4_comfort_en.pdf).
Es ist anzumerken, dass das Modell stark vereinfacht ist. Wenn das
Fahrzeug auf einer Straße fährt, überträgt sich
deren Unebenheit in Schwingungen, die an die Räder, das
Fahrgestell 53, die Motoreinheit, den Sitz 12 und
den Insassen 10 weitergegeben werden. Die verschiedenen
mechanischen Schwingungserzeuger des Systems werden deshalb dazu
veranlasst, mit ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen zu schwingen.
In 4 sind Beispiele für Bereiche der Resonanzfrequenzen
in Z-Richtung (die Vertikale in 4) dieser
Schwingungserzeuger angegeben. Die Resonanzfrequenz des Fahrgestells 53 liegt
normalerweise im Bereich von 1 bis 2 Hz; die Resonanzfrequenz der
Räder liegt im Bereich von ungefähr 8 bis 15 Hz,
und die der Motoreinheit im Bereich von ungefähr 12 bis
15 Hz. Der Körper des Insassen, der ebenfalls als System
mechanischer Schwingungserzeuger angesehen werden kann, hat Resonanzfrequenzen
in den Bereichen von 2,5 bis 3 Hz (Körper am Sitz), 4 bis
5 Hz (Magen), ungefähr 7 Hz (Herz), 3 bis 5 Hz (Körper
an der Schulter) und ungefähr 20 Hz (Kopf). Es versteht
sich für den Fachmann, dass, wenn der Sitz 12 leer
ist oder einen Gegenstand trägt (z. B. einen Kindersitz,
eine Tasche usw.), bestimmte Resonanzfrequenzen im System fehlen
(wohingegen andere vorhanden sein könnten). Man beobachtet bei
einem leeren Kindersitz (leicht am Sitz angeschnallt) oder einem
leichten Gegenstand beispielsweise eine Resonanz im Frequenzbereich
von über ungefähr 10 Hz. Bei einem leicht angeschnallten
belegten Kindersitz kann die Resonanz bereits bei ungefähr
7 Hz auftreten. Falls der Kindersitz fest am Sitz angeschnallt ist,
liegt die Resonanz normalerweise bei über 25 Hz. Die Analyse
der Schwingungen des Systems stellt demnach eine Angabe des Belegungszustands
des Sitzes 12 bereit.
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Die
Schwingungen des Sitzes und seines möglichen Insassen werden
bei der vorliegenden Erfindung durch die Schwankungen von mindestens
einer der ersten, zweiten und dritten Kapazität erkannt.
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Der
Mikrocontroller 51 zeichnet bei der Ausgestaltung von 3 die
Maße der ersten Kapazität während eines
vordefinierten Zeitintervalls auf (normalerweise einige zehn Sekunden,
vorzugsweise 5 bis 30 Sek.) und analysiert deren Schwankungen, z. B.
durch Ausführung einer Fourier-Transformation der so erhaltenen
Wellenform und Erkennung der Peaks im Frequenzspektrum der Schwankungen. Die
Maße der ersten Kapazität schwanken um einen Mittelwert.
Dieser Mittelwert kann als der erste Indikator des Belegungszustands
dienen, wohingegen ein zweiter Indikator des Belegungszustands aus
den Schwankungen der ersten Kapazität abrufbar ist. Es versteht
sich für den Fachmann, dass Systeme, die gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung arbeiten, den Belegungszustand
eines Fahrzeugsitzes zuverlässiger erkennen können.
Beispielsweise wird das vorstehend genannte Problem mit dem nassen Sitzbezug
signifikant verringert, da die Analyse der Schwankungen der Maße
der ersten Kapazität zeigen würden, dass die typischen
Peaks im Frequenzspektrum der Schwankungen fehlen, selbst wenn die Maße
der ersten Kapazität denjenigen ähnlich wären,
die man bei einem erwachsenen Insassen erwarten würde.
Die Analyse der Schwankungen kann natürlich auch mit weiteren
Messungen kombiniert werden, die auf die Erkennung eines nassen
Sitzbezugs abzielen, z. B. eine Messung bei mehreren Frequenzen.
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Bei
den nachstehend erörterten Ausgestaltungen werden die Schwingungen
des Fahrzeugsitzes und irgendeines diesen belegenden Körpers (Gegenstand,
Haustier, Erwachsener, Kind, leerer oder belegter Kindersitz usw.)
durch die Schwankungen der zweiten Kapazität oder der dritten
Kapazität erkannt.
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5 zeigt
ein (vereinfachtes) Ersatzschaltbild einer zweiten Ausgestaltung
eines kapazitiven Insassenerkennungssystems. Die Auswerteschaltung
von 5 misst gleichzeitig die erste Kapazität 34 und
die Summe aus der dritten Kapazität 38 und der
Reihenkapazität der ersten und zweiten Kapazität 34, 36.
Der Oszillator 28 ist nicht wie in dem System von 3 direkt
an die zweite Elektrode 24, sondern indirekt über
einen zweiten Transimpedanzverstärker angeschlossen, der
aus dem Verstärker 56 und der Impedanz 57 gebildet
wird. Der zweite Transimpedanzverstärker 56, 57 hält
die Spannung an der zweiten Elektrode 24 auf dem gleichen
Niveau wie den Ausgang des Oszillators 28 und wandelt den in
die zweite Elektrode 24 fließenden Strom in eine Wechselspannung
um, die bei Bezugszeichen 58 ausgegeben wird. Der in die
zweite Elektrode 24 fließende Strom entspricht
der Summe aus (a) dem durch die dritte Kapazität 38 fließenden
Strom und (b) dem Strom durch die Reihe der ersten Kapazität 34 und
der zweiten Kapazität 36. Die Mischstufe 59 und der
Tiefpassfilter 60 wandeln die vom Verstärker 56 ausgegebene
Wechselspannung in eine Gleichspannung um und leiten diese in den
Mikrocontroller 51.
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Die
Schaltung zur Bestimmung der Maße der ersten Kapazität
(Transimpedanzverstärker 46, 47, Mischstufe 49 und
Tiefpassfilter 50) ist die gleiche wie in 3.
Der Mikrocontroller 51 von 5 kann die
Maße der ersten Kapazität und/oder die Maße des
in die zweite Elektrode fließenden Stroms aufzeichnen,
um die Schwankungen davon zu bestimmen und das Frequenzspek trum
der Schwingungen abzuleiten. Der Mittelwert der Maße der
ersten Kapazität dient wieder als erster Indikator des
Belegungszustands, wohingegen der zweite Indikator des Belegungszustands
entweder aus den Schwankungen der ersten Kapazität oder
denjenigen des in die zweite Elektrode fließenden Stroms
oder beiden abgeleitet wird.
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Während
bei den Ausgestaltungen von 3 und 5 die
auf die Schwankungen der Kapazitäten bezogenen Maße
gleichzeitig mit den Maßen der ersten Kapazität 34 erfasst
werden, ist dies bei den Ausgestaltungen von 6–8 nicht
der Fall. Bei diesen Ausgestaltungen ist die Auswerteschaltung derart
konfiguriert und angeordnet, dass sie nacheinander in mindestens
zwei verschiedenen Modi betrieben wird, wobei der erste dieser Modi
der Erkennung der Maße der ersten Kapazität fest
zugeordnet ist und der zweite dieser Modi der Erkennung der Schwankungen
der zweiten Kapazität 36 fest zugeordnet ist.
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Die
Auswerteschaltung kann bei der Ausgestaltung von 6 mittels
der Schalter 61 und 62 zwischen zwei Betriebsmodi
umgeschaltet werden. Der arbeitende Teil der Schaltung von 6 entspricht
der in 3 dargestellten Schaltung und arbeitet wie in
Bezug auf diese Ausgestaltung beschrieben, wenn sich die Schalter 61 und 62 in
der dargestellten Position befinden (erster Betriebsmodus). Wenn
sich (im zweiten Betriebsmodus) die Schalter 61 und 62 in
der anderen Position befinden, ist der positive Eingang des Verstärkers 46 mit
einer Wechselspannung verbunden, deren Amplitude niedriger als die
Amplitude der an die zweite Elektrode 24 angelegten Wechselspannung
ist (die Impedanzen 63 und 64 bilden einen Spannungsteiler,
der bei dem Knoten 65 eine Spannung bereitstellt, deren
Amplitude bezogen auf die Spannung an der zweiten Elektrode 24 reduziert
ist, aber die gleiche Phase hat). Der Schalter 62 dient
zur Auswahl zwischen den Impedanzen 47 und 67 und
demnach zur Einstellung der Verstärkungsfaktors des Transimpedanzverstärkers.
Die erste Elektrode wird durch die Rückkopplungswirkung
des Verstärkers 46 und der Rückkopplungsimpedanz 67 bei
dem gleichen Potential wie der Spannungsteilerausgang 65 gehalten,
woraus sich ergibt, dass die erste Elektrode 22 mit einer
Wechselspannung angesteuert wird, die die gleiche Phase wie die
Span nung an der zweiten Elektrode 24 aufweist, aber eine
unterschiedliche Amplitude. Demzufolge liegen eine Spannungsdifferenz über
der zweiten Kapazität 36 und somit ein (nicht
null gleichender) Strom durch die zweite Kapazität 36 vor.
Da dieser Strom merklich größer als der Strom
durch die erste Kapazität 34 ist, wandelt der
Transimpedanzverstärker im zweiten Betriebsmodus fast nur
diesen Strom in eine Ausgangsspannung an seinem Ausgang 48 um.
Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten und zweiten Kapazität
ist auch der Grund, warum der Verstärkungsfaktor des Transimpedanzverstärkers
vorzugsweise auf den Betriebsmodus einstellbar ist. Im zweiten Betriebsmodus
hängt der Ausgang des Tiefpassfilters 50 von der
zweiten Kapazität ab. Demgemäß werden
im zweiten Betriebsmodus die Schwankungen der zweiten Kapazität
vom Mikrocontroller 51 aufgezeichnet und analysiert. Diese
Analyse kann analog der Analyse der Schwankungen der ersten Elektrode
erfolgen, die anhand von 3 beschrieben wurde. Das Umschalten
zwischen zwei Betriebsmodi wird periodisch durch den Mikrocontroller 51 durchgeführt.
Die Auswerteschaltung bestimmt ferner den Mittelwert der zweiten
Kapazität, der vom durchschnittlichen Zusammendrücken
der Elektrodenanordnung und somit dem Gewicht des Insassen abhängt.
Das so erhaltene Gewichtsmaß dient als dritter Indikator
des Belegungszustands des Fahrzeugsitzes 12. Es versteht
sich für den Fachmann, dass ein vom durchschnittlichen
Zusammendrücken der Elektrodenanordnung erhaltener Gewichtswert zusätzlich
zu der Einschätzung des „dynamischen” Gewichts
erhalten wird, welche die Analyse des Frequenzspektrums der Schwankungen
bereitstellen kann. Die Verwendung des dritten Indikators stellt
die Bestimmung des Belegungszustands daher auf eine noch solidere
Grundlage.
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Es
versteht sich für den Fachmann, dass die Schwankungen der
zweiten Kapazität 36 bei der Ausgestaltung von 6 durch
die erste Elektrode 22 bedingt sein können, die
relativ zur zweiten Elektrode 24 schwingt (derart, dass
der Abstand zwischen den Elektroden 22, 24 entsprechend
den Schwingungen variiert, denen der Sitz 12 ausgesetzt
ist). Die sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Elektrode aufgenommene
elektrisch isolierende Schicht 26 ist somit vorzugsweise
zusammendrückbar. Die elektrisch isolierende Schicht um fasst
jedoch bevorzugter ein Material, dessen Permittivität vom
Zusammendrücken des Materials abhängt. Gegebenenfalls könnte
die elektrisch isolierende Schicht bei dieser Ausgestaltung auch
eine Elektretschicht oder eine piezoelektrische Schicht umfassen.
Wie vorstehend bereits dargelegt wurde, würde ein solches
Material die Änderungen der zweiten Kapazität 36 beträchtlich
verstärken.
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Bei
der Ausgestaltung von 7 kann die Auswerteschaltung
ebenfalls mittels der Schalter 71 und 72 zwischen
zwei Betriebsmodi umgeschaltet werden. Der arbeitende Teil der Schaltung
von 7 entspricht der in 3 dargestellten
Schaltung und arbeitet wie in Bezug auf diese Ausgestaltung beschrieben,
wenn sich die Schalter 71 und 72 in der dargestellten
Position befinden (erster Betriebsmodus). Wenn sich (im zweiten
Betriebsmodus) die Schalter 71 und 72 in der anderen
Position befinden, sind die positiven Eingänge der Verstärker 46 und 76 mit
der Masse 32 verbunden, während die erste Elektrode 22 nun
an den zweiten Transimpedanzverstärker angeschlossen ist,
der aus dem Verstärker 76 und der Impedanz 77 besteht.
Die isolierende Schicht 26 zwischen der ersten Elektrode 22 und
der zweiten Elektrode 24 umfasst bei dieser Ausgestaltung
ein Elektretmaterial oder ein piezoelektrisches Material. Jedwede
Druckänderung (Zusammendrücken wegen Schwingungen),
die auf den durch die erste und zweite Elektrode gebildeten Kondensator
wirkt, erzeugt eine Ladungsübertragung (d. h. einen Strom) zum
Transimpedanzverstärker 76, 77. Die Ausgabe 78 des
Verstärkers 76 wird durch den Tiefpassfilter 80 gefiltert
und zum ADC-Eingang des Mikrocontrollers 51 geleitet. Im
zweiten Betriebsmodus der Auswerteschaltung zeichnet der Mikrocontroller 51 somit die
Schwankungen des in der ersten Elektrode 22 fließenden
Stroms auf, welche in diesem Fall den Schwankungen der zweiten Kapazität 36 entsprechen.
Die Analyse dieser Schwankungen kann analog der Analyse erfolgen,
die anhand von 3 beschrieben wurde. Wie bei
der vorherigen Ausgestaltung lässt der Mikrocontroller 51 die
Auswerteschaltung durch Betätigung der Schalter 71 und 72 periodisch
zwischen den beiden Betriebsmodi umschalten.
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8 zeigt
eine Variante der Ausgestaltung von 7. Die Auswerteschaltung
ist wieder mittels der Schalter 81 und 82 zwischen
zwei Betriebsmodi umschaltbar. Der arbeitende Teil der Schaltung
von 8 entspricht der in 3 dargestellten
Schaltung und arbeitet wie in Bezug auf diese Ausgestaltung beschrieben,
wenn sich die Schalter 81 und 82 in der dargestellten
Position befinden (erster Betriebsmodus). Im zweiten Betriebsmodus
(wenn die Schalter 81 und 82 in der anderen Position
sind) arbeitet die Schaltung von 8 analog
der Schaltung von 7 (mit den Schaltern 71 und 72 in
der Position „zweiter Betriebsmodus”). Der Fachmann
bemerkt, dass die Funktion des Transimpedanzverstärkers 76, 77 bei der
Ausgestaltung von 8 von dem Transimpedanzverstärker übernommen
wird, der durch den Verstärker 46 und die Impedanz 87 gebildet
wird. Im zweiten Betriebsmodus ist der positive Eingang des Verstärkers 46 an
die Masse 32 angeschlossen und wird die Rückkopplungsimpedanz
durch die Impedanz 87 bereitgestellt. Auch bei dieser Variante
umfasst die isolierende Schicht 26 zwischen der ersten Elektrode 22 und
der zweiten Elektrode 24 ein Elektretmaterial oder ein
piezoelektrisches Material. Jedwede Druckänderung (Zusammendrücken
wegen Schwingungen), die auf den durch die erste und zweite Elektrode
gebildeten Kondensator wirkt, erzeugt eine Ladungsübertragung
(d. h. einen Strom) zum Transimpedanzverstärker 46, 87.
Die Ausgabe 48 des Verstärkers 46 wird
durch den Tiefpassfilter 90 gefiltert und zum ADC-Eingang
des Mikrocontrollers 51 geleitet. Im zweiten Betriebsmodus
der Auswerteschaltung zeichnet der Mikrocontroller 51 somit die
Schwankungen des in der ersten Elektrode 22 fließenden
Stroms auf, welche in diesem Fall den Schwankungen der zweiten Kapazität 36 entsprechen.
Die Analyse dieser Schwankungen kann analog der Analyse erfolgen,
die anhand von 3 beschrieben wurde. Wie bei
der Ausgestaltung von 6 lässt der Mikrocontroller 51 die
Auswerteschaltung durch Betätigung der Schalter 81 und 82 periodisch
zwischen den beiden Betriebsmodi umschalten. Es versteht sich für
den Fachmann, dass das durchschnittliche Zusammendrücken
der Elektrodenanordnung bei den Ausgestaltungen von 7 und 8 auch
als ein Gewichtsmaß verwendet werden kann, auf das man
sich bei der Bestimmung des Belegungszustands verlassen kann.
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In 9 ist
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß noch
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Wie in den vorangehenden
Ausgestaltungen bildet die erste Elektrode mit der Masse des Fahrzeugs
einen ersten Kondensator mit der Kapazität 34;
ferner bilden die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 zusammen
einen zweiten Kondensator mit der Kapazität 36.
Die Elektrodenanordnung der vorliegenden Ausgestaltung umfasst jedoch
eine dritte Elektrode 25, mit welcher die zweite Elektrode 24 einen
dritten Kondensator mit der Kapazität 39 bildet
(die dritte Elektrode bildet ferner mit der Masse des Fahrzeugs einen
vierten Kondensator, doch dies wird nicht in die weitere Betrachtung
einbezogen). Die zweite und dritte Elektrode 24, 25 nehmen
sandwichartig eine elektrisch isolierende Schicht auf, welche eine
piezoelektrische Schicht oder eine Elektretschicht umfasst (in 9 nicht
dargestellt).
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Die
Auswerteschaltung kann mit dem Schalter 91 zwischen zwei
Betriebsmodi umgeschaltet werden. Wenn sich der Schalter 91 in
der dargestellten Position befindet (entspricht dem ersten Betriebsmodus),
sind die erste und zweite Elektrode 22, 24 wie
bei der Ausgestaltung von 3 angeschlossen und
arbeitet die Auswerteschaltung wie in Bezug auf diese Ausgestaltung
beschrieben. In diesem Fall hält der durch den Verstärker 86 und
die Impedanz 87 gebildete Transimpedanzverstärker
die Spannung an der dritten Elektrode im Wesentlichen gleich wie
die oszillierende Spannung, die vom Oszillator 28 an die zweite
Elektrode angelegt wird.
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Wenn
sich der Schalter 91 in der anderen Position befindet (entspricht
dem zweiten Betriebsmodus), ist die zweite Elektrode mit der Masse 32 verbunden
und der positive Eingang des Verstärkers 86 ebenfalls
an die Masse 32 angeschlossen. Wenn der dritte Kondensator
Schwingungen ausgesetzt ist, induziert die Elektretschicht bzw.
die piezoelektrische Schicht Ladungen (und somit einen Strom) in
der dritten Elektrode 25, welche in eine Spannung am Ausgang
des Transimpedanzverstärkers 86, 87 umgewandelt
werden. Diese Ausgabe wird im Tiefpassfilter 100 gefiltert
und zum ADC-Eingang des Mikrocontrollers 51 geleitet. Der
Mikrocontroller 51 zeichnet die in der Elektrode 25 induzierten
Ströme auf (welche den Schwankungen der dritten Kapazität
entsprechen) und führt eine Frequenzanalyse der aufgezeichneten
Daten derart durch, dass er den zweiten Indikator der Belegung abruft.
Der Mikrocontroller 51 veranlasst, dass der Schalter 91 die
Auswerteschaltung periodisch zwischen den zwei Betriebsmodi umschaltet.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Insassenerkennungssystem umfasst eine Elektrodenanordnung zur Positionierung
in einem Sitz eines Kraftfahrzeugs und eine Auswerteschaltung, die
mit der Elektrodenanordnung wirkverbunden ist. Letztere umfasst
eine erste Elektrode zum Aufbau eines elektrischen Felds in einem
Erkennungsbereich über dem Fahrzeugsitz, eine zweite Elektrode
und eine sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Elektrode
aufgenommene elektrische Isolatorschicht. Wenn die Elektrodenanordnung im
Sitz positioniert ist, bildet die erste Elektrode mit der Masse
des Fahrzeugs einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität,
welche durch einen belegenden Körper im Erkennungsbereich
durch Zusammenwirken zwischen dem belegenden Körper und dem
elektrischen Feld beeinflussbar ist; bildet die erste Elektrode
mit der zweiten Elektrode einen zweiten Kondensator mit einer zweiten
Kapazität; und bildet die zweite Elektrode mit mindestens
einer von der Masse des Fahrzeugs und einer dritten Elektrode einen
dritten Kondensator mit einer dritten Kapazität. Als erster
Indikator des Sitzbelegungszustands wird ein Maß der ersten
Kapazität bestimmt, während die erste Elektrode
zum Aufbau eines elektrischen Felds im Erkennungsbereich veranlasst
wird und die zweite Elektrode als angesteuerte Abschirmung der ersten Elektrode
betrieben wird. Die Schwankungen von mindestens einer der ersten,
zweiten und dritten Kapazität werden gemessen und das Frequenzspektrum
der gemessenen Schwankungen wird analysiert, woraus sich ein zweiter
Indikator des Belegungszustands ergibt. Die Ableitung des Belegungszustands des
Sitzes basiert dann sowohl auf dem ersten Indikator als auch auf
dem zweiten Indikator.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1457391
A1 [0004]
- - US 5166679 [0004]
- - US 6392542 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Comfort
Assessment of Vehicles” von der IKA, RWTH Aachen, online
abrufbar unter http://www.ika.rwth-aachen.de/lehre/kfz-labor/4_comfort_en.pdf [0037]