DE112011100443B4

DE112011100443B4 - Kapazitives Insassenerkennungssystem mit Interferenzerkennung

Info

Publication number: DE112011100443B4
Application number: DE112011100443.5T
Authority: DE
Inventors: Christoph Wendt; Darren Khan; Michael Puetz; Marc Tonteling; Gianluca Favalli
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: WO2011095420A1; EP2353946A1; DE112011100443T5; US8698511B2; US20130015866A1

Abstract

Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510), aufweisend:eine Antennenelektrode (14, 214, 415, 515);einen Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512), der so konfiguriert ist, dass er ein Sinusspannungssignal erzeugt, wobei der Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512) betrieblich an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) gekoppelt ist, um das Sinusspannungssignal an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) anzulegen,eine Strommessschaltung (18, 20, 28, 30, 40; 218, 219, 220, 230, 240; 418, 420, 430, 440; 518, 520, 530a, 530b, 540), die so konfiguriert ist, dass sie Stromsignale misst, wobei die Stromsignale die Amplitude und Phase eines in der Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder in einer separaten Messelektrode (414, 514) fließenden Stroms, oder eine erste und einezweite Stromkomponente des Stroms umfassen, wobei die erste und die zweite Stromkomponente um eine Phasendifferenz zueinander phasenverschoben sind, die nicht 180° oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt;eine Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550), die betrieblich an die Strommessschaltung (18, 20, 28, 30, 40; 218, 219, 220, 230, 240; 418, 420, 430, 440; 518, 520, 530a, 530b, 540) gekoppelt ist, um auf Basis der gemessenen Stromsignale einen Belegungszustand festzustellen und ein den festgestellten Belegungszustand anzeigendes Ausgangssignal auszugeben;dadurch gekennzeichnet, dass der Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512) über eine Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) betrieblich an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) gekoppelt ist, wobei die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) so konfiguriert ist, dass sie die Amplitude des an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) angelegten Sinusspannungssignals an eine Amplitude angleicht, die aus mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist;dass die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) betrieblich mit der Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) verbunden ist;und dass die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) so konfiguriert ist, das sie eine der mindestens zwei diskreten Amplituden nach der anderen auswählt und veranlasst, dass die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) die Amplitude des an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) angelegten Sinusspannungssignals an die ausgewählte Amplitude angleicht; wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) konfiguriert ist, zur Ausführung eines Interferenzerkennungsmodus, wobei der Interferenzerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, und das Feststellen, ob die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder die separate Messelektrode (414, 514) einer Interferenz unterliegt, umfasst, und zur Ausführung eines Insassenerkennungsmodus, wobei der Insassenerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine große der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, das Feststellen des Belegungszustands basierend auf den Stromsignalen, die im Insassenerkennungsmodus gemessen wurden, und das Ausgeben des den festgestellten Belegungszustand anzeigenden Ausgangsignals umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein kapazitives Insassenerkennungssystem, insbesondere ein derartiges System zum Erkennen der Abwesenheit oder Anwesenheit eines Insassen in oder auf einem belegbaren Gegenstand.
Hintergrund der Erfindung
Wie es hier verwendet wird, bezieht sich ein kapazitives Insassenerkennungssystem auf einen kapazitiven Sensor, der dazu geeignet ist, den Belegungszustand eines belegbaren Gegenstandes, wie z. B. eines Kinosessels, eines Autositzes, eines Krankenhausbettes, eines Stuhls, eines Sofas, usw. zu erkennen. Ein kapazitiver Sensor, der manchmal als elektrischer Feldsensor oder Näherungssensor bezeichnet wird, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss von etwas, was gefühlt werden kann (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Objekt, etc.), auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches Schwingungssignal angelegt wird und die daraufhin in einen Bereich im Raum nahe der Antennenelektrode ein elektrisches Feld ausstrahlt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor weist mindestens eine Messelektrode auf, die selber die eine oder die mehreren Antennenelektroden aufweisen könnte, an der der Einfluss eines Objekts oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
Das technische Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith, veröffentlicht in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, Seiten 54-60, beschreibt das Konzept der elektrischen Feldmessung, wie sie zur Durchführung berührungsloser dreidimensionaler Positionsmessungen, und insbesondere zur Messung der Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer verwendet wird. Innerhalb des allgemeinen Konzepts der kapazitiven Messung unterscheidet der Autor zwischen verschiedenen Mechanismen, die er als Lademodus, Parallelmodus und Sendemodus bezeichnet, was verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entspricht. Im Lademodus wird ein Spannungsschwingungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Schwingungsfeld an Masse aufbaut. Das zu messende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen Sendeelektrode und Masse. Im „Parallelmodus“ wird ein Spannungsschwingungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfängerelektrode aufgebaut wird, und die an der Empfängerelektrode induzierte Verschiebungsstromstärke wird gemessen, wodurch die Verschiebungsstromstärke durch den gemessenen Körper modifiziert werden kann. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Berührung gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung. Der „Parallelmodus“ wird alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet.
Es wurde eine breite Vielfalt von kapazitiven Insassenerkennungssystemen vorgeschlagen, z. B. zur Steuerung des Entfaltens von einem oder mehreren Airbags, wie z.B. eines Fahrerairbags, eines Beifahrerairbags und/oder eines Seitenairbags. Das US-Patent US 6 161 070 A von Jinno et al. betrifft ein Insassenerkennungssystem, das eine einzelne Antennenelektrode umfasst, die auf einer Oberfläche eines Insassensitzes in einem Kraftfahrzeug montiert ist. Ein Oszillator legt ein Spannungsschwingungssignal an die Antennenelektrode an, wodurch ein kleines elektrisches Feld um die Antennenelektrode erzeugt wird. Jinno schlägt das Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Insassen auf dem Sitz basierend auf der Amplitude und der Phase des zur Antennenelektrode fließenden Stroms vor. Das US-Patent US 6 392 542 B1 von Stanley lehrt einen elektrischen Feldsensor, der eine Elektrode umfasst, die innerhalb eines Sitzes angebracht werden kann und betrieblich an eine Messschaltung gekoppelt ist, die ein Schwingungssignal oder ein Impulssignal „mit einer möglichst schwachen Reaktion“ auf die Feuchtigkeit des Sitzes an die Elektrode anlegt. Stanley schlägt vor, die Phase und Amplitude des zur Elektrode fließenden Stroms zu messen, um einen belegten oder nicht belegten Sitz zu erkennen und die Sitzfeuchtigkeit auszugleichen.
Die als gattungsbildend anzusehende US 2008/0186034 A1 offenbart ein kapazitives Insassenerkennungssystem mit einem Oszillator und einer betrieblich an den Oszillator gekoppelten Elektrode, an die der Oszillator ein Spannungsschwingungssignal anlegt. Als Reaktion auf die angelegte Spannungsschwingung wird das Fließen eines elektrischen Stroms in die Elektrode veranlasst, wobei der Strom auf eine ein elektrisches Feld beeinflussende Eigenschaft eines Objekts oder eines Insassen nahe der Elektrode reagiert. Der zum Fließen in der Elektrode veranlasste Strom hat eine erste mit dem Spannungsschwingungssignal phasengleiche Stromkomponente und eine zweite um 90° zum Spannungsschwingungssignal phasenverschobene Stromkomponente. Eine Messschaltung ist betrieblich an die Elektrode und an den Oszillator gekoppelt, um ein erstes, die erste Stromkomponente anzeigendes Signal und ein zweites, die zweite Stromkomponente anzeigendes Signal zu erzeugen. Das erste, die erste Stromkomponente anzeigende Signal und das zweite, die zweite Stromkomponente anzeigende Signal werden einem Prozessor zugeführt, der betrieblich an die Messschaltung gekoppelt ist und der basierend auf dem ersten bzw. dem zweiten, die erste bzw. die zweite Stromkomponente anzeigenden Signal einen Belegungszustand feststellt und ein Ausgangsignal ausgibt, das den Belegungszustand anzeigt.
Die Druckschrift EP 1 048 534 A1 offenbart ein weiteres kapazitives Insassenerkennungssystem, bei dem eine erste Stromkomponente und eine um 90° phasenverschobene zweite Stromkomponente zum Ermitteln einer Belegungssituation ausgewertet werden. Ein weiteres derartiges System ist aus der Druckschrift DE 11 2008 000 902 B4 bekannt.
Die US-Anmeldung US 2009/0295412 A1 geht das Problem an, dass Umgebungsbedingungen, wie eine elektronische Interferenz, die Auslesung des Insassenerkennungssystems stören könnten. Elektronisches Rauschen durch elektrostatische Entladung oder ein Mobiltelefon können bewirken, dass manche Insassen fälschlicherweise als Erwachsene erkannt werden. Bei einem Insassenschutzsystem, in dem einer oder mehrere Airbags je nach Ausgabe eines Insassenerkennungssystems aktiviert oder deaktiviert wird oder werden, könnte eine elektronische Interferenz dazu führen, dass ein oder mehrere Airbags fälschlicherweise aktiviert oder deaktiviert wird oder werden. Um dieses Problem zu lösen, offenbart die US 2009/0295412 A1 einen Insassendetektor, der elektronisches Rauschen ausgleicht. Die Anmeldung schweigt sich jedoch darüber aus, wie das Vorliegen einer elektronischen Interferenz zuverlässig erkannt wird.
Die Druckschrift DE 44 17 827 C2 offenbart ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit von Personen an einem Aufenthaltsort, insbesondere auf Fahrzeugsitzen, an Lenkrädern oder Griffen deichselgelenkter Fahrzeuge, bei dem durch mindestens eine an eine Spannungsquelle angeschlossene Meßelektrode ein elektrisches Feld in der Umgebung des Aufenthaltsortes erzeugt wird. Gemäss der Druckschrift wird durch mindestens eine weitere an eine Spannungsquelle angeschlossene Referenzelektrode ein elektrisches Feld außerhalb der unmittelbaren Umgebung des Aufenthaltsortes erzeugt wrd und relative Änderungen der Kapazität von Referenz- und Meßelektrode(n) gemessen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit dem Erkennen einer elektronischen Interferenz in einem kapazitiven Insassenerkennungssystem. Dieses Problem wird durch ein System nach Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung umfasst ein kapazitives Insassenerkennungssystem eine Antennenelektrode und einen Sinussignalgenerator, der dafür konfiguriert ist, ein Sinusspannungssignal zu erzeugen, wobei der Sinussignalgenerator betrieblich an die Antennenelektrode gekoppelt ist, um das Sinusspannungssignal an die Antennenelektrode anzulegen. Wenn das Sinusspannungssignal an die Antennenelektrode angelegt ist, strahlt letztere ein elektrisches Schwingungsfeld an die Umgebung aus. Das kapazitive Insassenerkennungssystem weist ferner eine Strommessschaltung auf, die dafür konfiguriert ist, Stromsignale zu messen, die in der Antennenelektrode oder in einer separaten Messelektrode mit der gleichen Frequenz wie das Sinussignal auftreten. Die gemessenen Stromsignale können z. B. eine Amplitude (maximale Abweichung vom Mittelwert eines Wechselsignals) und eine Phase des Stroms oder eine erste und eine zweite Stromkomponente des Stroms umfassen, wobei die erste und die zweite Stromkomponente um eine Phasendifferenz zueinander phasenverschoben sind, die nicht 180° oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt. Wenn die Strommessschaltung zum Messen der ersten und zweiten Stromkomponente konfiguriert ist, wird ihre Phasendifferenz vorzugsweise gleich 90° gewählt. Mehr bevorzugt werden die erste und die zweite Stromkomponente phasengleich mit dem Sinusspannungssignal bzw. um 90 Grad gegenüber dem Sinusspannungssignal phasenverschoben gewählt. Eine Steuer- und Auswerteschaltung (z. B. ein Mikroprozessor) ist betrieblich an die Strommessschaltung gekoppelt, um auf Basis der gemessenen Stromsignale einen Belegungszustand festzustellen und ein den festgestellten Belegungszustand anzeigendes Ausgangssignal auszugeben. Der Sinussignalgenerator ist über eine Amplitudeneinstellstufe betrieblich an die Antennenelektrode gekoppelt, wobei die Amplitudeneinstellstufe so konfiguriert ist, dass sie die Amplitude des an die Antennenelektrode angelegten Sinusspannungssignals an eine Amplitude angleicht, die aus mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist. Die Amplitudeneinstellstufe ist betrieblich mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbunden, und die Steuer- und Auswerteschaltung ist konfiguriert zum Auswählen einer der mindestens zwei diskreten Amplituden nach der anderen und zum Veranlassen, dass die Amplitudeneinstellstufe die Amplitude des an die Antennenelektrode angelegten Sinusspannungssignals an die ausgewählte Amplitude angleicht. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist ferner dafür konfiguriert, einen Interferenzerkennungsmodus und einen Insassenerkennungsmodus auszuführen. Der Interferenzerkennungsmodus umfasst das Messen der Stromsignale, während eine kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, und das Bestimmen, ob die Antennenelektrode oder die separate Messelektrode einer Interferenz unterliegt. Der Insassenerkennungsmodus umfasst das Messen der Stromsignale, während eine große der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, das Feststellen des Belegungszustands basierend auf den während des Insassenerkennungsmodus gemessenen Stromsignalen und das Ausgeben des den festgestellten Belegungszustand anzeigenden Ausgangsignals. Es sei angemerkt, dass die Begriffe „klein“ und „groß“ hier verwendet werden, um die Beziehung zwischen den diskreten Amplituden des Interferenzerkennungsmodus bzw. des Insassenerkennungsmodus zu bezeichnen. Mit anderen Worten ist die dem Interferenzerkennungsmodus zugeordnete diskrete Amplitude (die erste oder die „kleine“ der mindestens zwei diskreten Amplituden) kleiner als die dem Insassenerkennungsmodus zugeordnete diskrete Amplitude (die zweite oder die „große“ von den mindestens zwei diskreten Amplituden). Die erste („kleine“) der mindestens zwei diskreten Amplituden beträgt vorzugsweise höchstens 20 %, mehr bevorzugt höchstens 10 %, noch mehr bevorzugt höchstens 5 %, und sogar noch mehr bevorzugt höchstens 1 % der zweiten („großen“) der mindestens zwei diskreten Amplituden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste der mindestens zwei diskreten Amplituden eine Nullamplitude.
Wie ersichtlich ist, führt die Strommessschaltung im Interferenzerkennungsmodus die gleichen frequenzselektiven Stromsignalmessungen aus wie im Insassenerkennungsmodus. Es wird angenommen, dass in der Antennenelektrode oder in der separaten Messelektrode im Interferenzerkennungsmodus vorkommende Stromsignale von einer Interferenz herrühren. Wenn ein Nullamplitudensignal im Interferenzerkennungsmodus an die Antennenelektrode angelegt wird, trifft dies im strengen Sinne, ohne Annäherung, zu. Solange die während des Interferenzerkennungsmodus gemessenen Stromsignale unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes bleiben, stellt die Steuer- und Auswerteschaltung vorzugsweise fest, dass keine (signifikante) Interferenz vorliegt. Wenn diese Stromsignale den Schwellenwert übersteigen, stellt die Steuer- und Auswerteschaltung jedoch vorzugsweise fest, dass eine (signifikante) Interferenz vorliegt.
Die Steuer- und Auswerteschaltung ist vorzugsweise zum zeitlich verschachtelten Ausführen des Interferenzerkennungsmodus und des Insassenerkennungsmodus sowie zum Umschalten in einen gestörten Betriebsmodus konfiguriert, wenn sie feststellt, dass die Antennenelektrode einer Interferenz unterliegt. Vorzugsweise weist die Steuer- und Auswerteschaltung einen Speicher auf, in dem sie den von ihr festgestellten Belegungszustand speichert.
Die Steuer- und Auswerteschaltung kann so konfiguriert sein, dass sie mindestens einen der folgenden Schritte ausführt, wenn sie im gestörten Betriebsmodus arbeitet:

o Aussetzen des Insassenerkennungsmodus;
o Ausgeben eines Ausgangssignals, das einen vorgegebenen Belegungszustand anzeigt;
o Ausgeben eines Ausgangssignals, das den zuletzt festgestellten Belegungszustand anzeigt (d.h. den letzten Belegungszustand, der in Abwesenheit einer Interferenz festgestellt wurde);
o Ausgeben eines Ausgangssignals, das das Vorliegen einer Interferenz anzeigt;
o wiederholtes Ausführen des Interferenzerkennungsmodus und Verlassen des gestörten Betriebsmodus, nachdem festgestellt wurde, dass die Antennenelektrode keiner Interferenz mehr unterliegt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sinussignalgenerator ein digitaler Sinussignalgenerator, aufweisend einen Festspeicherchip, in dem Sinuswellenformmuster digital gespeichert sind, einen Digital-Analog-Umsetzer, der betrieblich mit dem Festspeicherchip verbunden ist, um eine gestufte Sinuswellenform aus den Sinuswellenformmustern zu erzeugen, und ein Filter (z. B. ein Tiefpaßfilter), das so konfiguriert ist, dass es die von dem Digital-Analog-Umsetzer erzeugte gestufte Sinuswellenform glättet. Der digitale Sinussignalgenerator umfasst vorzugsweise einen betrieblich an den Festspeicherchip gekoppelten Zähler, um diesen anzusteuern und ihn zu veranlassen, die Sinuswellenformmuster sequentiell an den Digital-Analog-Umsetzer zu senden. Der digitale Sinussignalgenerator kann ein externes Taktsignal auf einem Taktsignaleingangsknoten an dem Zähler empfangen. Vorzugsweise umfasst der digitale Sinussignalgenerator jedoch einen Taktsignalgenerator, der betrieblich mit dem Zähler verbunden ist, um dem Zähler ein Taktsignal zuzuführen. Gegebenenfalls kann die Steuer- und Auswerteschaltung betrieblich mit dem Taktsignalgenerator verbunden sein, um die Taktrate des dem Zähler zugeführten Taktsignals zu modifizieren und dadurch die Frequenz des angelegten Sinusspannungssignals zu ändern.
Am meisten bevorzugt umfasst die kapazitive Insassenerkennung eine Abschirmelektrode, an die der Sinussignalgenerator betrieblich gekoppelt ist, um das Sinusspannungssignal anzulegen. Die Abschirmelektrode wird somit auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten wie die Antennenelektrode, die das elektrische Feld zwischen der Antennenelektrode und der Abschirmelektrode aufhebt. Die Antennenelektrode wird dadurch in den Richtungen unempfindlich gemacht, in denen sie die Abschirmelektrode „sieht“. Eine derartige Konfiguration ist besonders nützlich, wenn die Antennenelektrode auch als die Messelektrode verwendet wird, d.h. die Elektrode, auf der die Strommessungen erfolgen.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung betrifft einen Autositz, der mit einem kapazitiven Insassenerkennungssystem ausgestattet ist, wie es im Allgemeinen hier vorstehend beschrieben wurde. Einer oder mehrere derartige Autositze können in einem Kraftfahrzeug, das mit einem Insassenschutzsystem ausgerüstet ist (z. B. einem Sicherheitsgurthinweis und/oder einem Airbag-System), das auf das kapazitive Insassenerkennungssystem anspricht, verwendet werden.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:

1 ein vereinfachtes Blockdiagramm ist, das eine erste Ausführungsform eines kapazitiven Insassenerkennungssystems im Lademodus zeigt;
2 eine schematische Ansicht eines mit einem Fahrzeugsitz ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist, in dem ein kapazitives Insassenerkennungssystem nach einer zweiten Ausführungsform im Lademodus eingebaut ist;
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm des in 2 gezeigten kapazitiven Insassenerkennungssystems ist;
4 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Variante des Systems aus 3 ist;
5 eine schematische Ansicht eines mit einem Fahrzeugsitz ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist, in dem ein kapazitives Insassenerkennungssystem nach einer zweiten Ausführungsform im Kopplungsmodus eingebaut ist;
6 ein vereinfachtes Blockdiagramm des in 5 gezeigten kapazitiven Insassenerkennungssystems ist;
7 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Variante des Systems aus 6 ist;
8 ein Taktdiagramm ist, das den Betrieb eines in den 1 bis 7 veranschaulichten Insassenerkennungssystems im Insassenerkennungsmodus veranschau licht;
9 ein Diagramm ist, das in Abhängigkeit der phasengleichen Stromkomponente den Schwellenwert für die um 90° phasenverschobene Stromkomponente darstellt, oberhalb derer ein Sitz als belegt und unterhalb derer der Sitz als nicht belegt angesehen wird;
10 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Ausschnitts der in den 1, 3, 4, 6 und 7 dargestellten Schaltungen ist.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
In 1 ist eine vereinfachte Schaltung eines kapazitiven Insassenerkennungssystems 10 im Lademodus veranschaulicht. Ein Sinussignalgenerator (Oszillator 12) legt ein sinusförmiges Spannungssignal V_a einer gewählten Frequenz f (z. B. 80 kHz, 100 kHz, 120 kHz oder irgendeiner anderen Frequenz im Bereich von 60 bis 250 kHz) an eine sendende und messende Antennenelektrode 14 an. Als Reaktion auf das Anlegen des Sinusspannungssignals V_a an die Elektrode 14 wird veranlasst, dass ein Strom mit der gleichen Schwingungsfrequenz wie das angelegte Sinusspannungssignal V_a in dieser fließt. Die Eigenschaften dieses Stroms hängen vom Scheinwiderstand (Kapazität und Widerstand, bei Bezugszeichen 16 gezeigt) zwischen Elektrode 14 und Masse ab. Der Scheinwiderstand und somit der Strom lassen Rückschlüsse auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten oder Insassen in der Nähe der Antennenelektrode 14 zu, da derartige Objekte oder Insassen den Scheinwiderstand ändern. Der in der Elektrode 14 fließende Strom mit der Frequenz f kann als eine Summe aus einem ersten Stromsignal, das mit dem angelegten Spannungsschwingungssignal phasengleich ist, und einem zweiten Stromsignal, das um 90° gegenüber dem angelegten Spannungsschwingungssignal phasenverschoben ist, ausgedrückt werden. Zum Beispiel angenommen, dass das angelegte Spannungssignal als V_a(t)=v₀ sin(ω·t) ausgedrückt werden kann, wobei t eine Zeitvariable, v₀ die Amplitude des angelegten Spannungssignals und ω die Winkelfrequenz (ω=2πf) ist, dann kann der Strom als I(t)=i₀·α·sin(ω·t)+i₀·β·cos(ω·t) ausgedrückt werden, wobei i₀ die Amplitude des Stroms und α und β Koeffizienten mit α²+β²=1 sind. Wie ersichtlich ist, ist der erste Term (die erste oder „phasengleiche“ Stromkomponente) mit dem angelegten Spannungssignal phasengleich, und der zweite Term (die zweite oder „um 90° phasenverschobene“ Stromkomponente) ist um 90° gegenüber dem angelegten Spannungssignal phasenverschoben. Der Strom ist somit vollständig durch das Paar von Messwerten [i₀α, i₀β] gekennzeichnet. Fachleute werden erkennen, dass die erste Stromkomponente den Widerstandsteil des Scheinwiderstands 16 anzeigt, während die zweite Stromkomponente den kapazitiven Teil anzeigt. Alternativ könnte der in der Antennenelektrode 14 fließende Strom als I(t)=i₀·sin(ω·t+φ) ausgedrückt werden, wobei φ die Phasendifferenz zwischen dem Strom und der angelegten Spannung ist. Der Strom ist auch vollständig gekennzeichnet, wenn das Paar von Messwerten [i_o, φ] gemessen wird. Es besteht eine einfache Beziehung zwischen [i₀α, i₀β] und [i_o, φ].
Wir wenden uns nun zu Veranschaulichungszwecken dem besonderen Fall zu, in dem die Elektrode 14 unterhalb der Oberfläche eines Sitzes integriert ist. Bei einem trockenen und nicht belegten Sitz sind sowohl die phasengleiche als auch die um 90° phasenverschobene Komponente des Stroms klein. Wenn der Sitz trocken ist und von einer Person belegt wird, bleibt der Scheinwiderstand 16 überwiegend kapazitiver Natur, aber die Kapazität nimmt zu, was sich in einer Erhöhung der phasenverschobenen Stromkomponente in Bezug auf die Situation eines nicht belegten Sitzes widerspiegelt. Wenn sichergestellt wäre, dass der Sitz immer trocken ist, könnte alleine die Feststellung der phasenverschobenen Stromkomponente bereits das Feststellen des Belegungszustandes des Sitzes erlauben. Das Vorliegen von Wasser auf dem Sitz bewirkt jedoch, dass sowohl der kapazitive als auch der Widerstandsteil des Scheinwiderstands im Wesentlichen größer sind als bei einem trockenen Sitz. Folglich kann die Entscheidung, ob der Sitz nicht belegt oder belegt ist, nur auf Grundlage der um 90° phasenverschobenen Stromkomponente zum fälschlichen Erkennen eines Insassen führen, wenn der Sitz nicht belegt und nass ist. Kapazitive Insassenerkennungssysteme stellen daher vorteilhafterweise die phasengleiche Stromkomponente zusätzlich zu der phasenverschobenen Stromkomponente fest.
Wie in 1 gezeigt ist, wandelt der Strom-Spannungs-Wandler 18 (z. B. ein Transimpedanz-Verstärker) den in der Messelektrode 14 fließenden Strom in ein Spannungssignal V_c um, welches hier als „Wandler-Spannungssignal“ bezeichnet wird. Man sollte sich bewusst sein, dass diese Umwandlung beide vorstehend erwähnten Stromkomponenten i₀α und i₀β beeinträchtigen, die noch nicht als separate Signale am Strom-Spannungs-Wandler 18 zugänglich sind. Das Wandler-Spannungssignal V_c wird einem getakteten Gleichrichter 20 zugeführt, der einen Schalter 22, eine erste Verzweigung mit einem invertierenden Verstärker 24, eine zweite Verzweigung mit einem nicht invertierenden Verstärker 26 sowie ein Tiefpassfilter 28 umfasst. Das Wandler-Spannungssignal wird dem invertierenden Verstärker 24 und dem nicht-invertierenden Verstärker 26 zugeführt. Die Verstärkung des Verstärkers 24 ist entgegengesetzt zu derjenigen des Verstärkers 26 (z. B. -1 bzw. 1). Die Ausgaben der Verstärker 24 und 26 werden alternierend kombiniert und durch den Schalter 22 dem Tiefpassfilter 28 zugeführt.
Der Schalter 22 wird durch eine Steuerschaltung 30 gesteuert, die ein Binärsignal zuführt, d. h. ein Signal, das zwei Werte annehmen kann. Für die nachstehenden Erklärungen wird auf das Taktdiagramm aus 8 Bezug genommen. Zur Feststellung der phasengleichen Stromkomponente veranlasst die Steuerschaltung 30 den Schalter 22, jedesmal auf den invertierenden Verstärker 26 umzuschalten, wenn das an die Elektrode angelegte Sinusspannungssignal V_a positiv ist, d. h. während jeder positiven Halbperiode der Sinusspannung V_a, entsprechend der Zeitintervalle TI₁ in 8. Wenn die an die Elektrode angelegte Spannungsschwingung V_a negativ ist, d. h. während jeder negativen Halbperiode der Sinusspannung V_a, entsprechend den Zeitintervallen Tl₂ in 8, veranlasst die Steuerschaltung 30 den Schalter 22 dazu, zum invertierenden Verstärker 24 umzuschalten. Die Ausgangssignale der Verstärker 24 und 26 werden somit zu einem Zwischensignal (dem „ersten“ Zwischensignal) V_i1 kombiniert und in das Tiefpassfilter 28 eingegeben. Das Spannungssignal V₀₁, das folglich von dem Tiefpassfilter 28 ausgegeben wird, entspricht einem Zeitmittel des ersten Zwischensignals V_i1 und zeigt die phasengleiche Komponente des Stroms i₀α an.
Zum Feststellen der um 90° phasenverschobenen Stromkomponente veranlasst die Steuerschaltung 30 den Schalter 22 dazu, jedesmal zum nicht-invertierenden Verstärker 26 umzuschalten, wenn sich die an die Elektrode angelegte Spannungsschwingung V_a auf einer positiven Neigung befindet, d. h. während der in 8 mit Tl₃ gekennzeichneten Zeitintervalle. Wenn sich die an die Elektrode angelegte Spannungsschwingung V_a auf einer negativen Neigung befindet, d. h. während der Intervalle Tl₄, veranlasst die Steuerschaltung 30 den Schalter 22 dazu, zum invertierenden Verstärker 24 umzuschalten. Die Ausgangssignale der Verstärker 24 und 26 werden somit zu einem Zwischensignal (dem „zweiten“ Zwischensignal) V_i2 kombiniert und in das Tiefpassfilter 28 eingegeben. Das folglich von dem Tiefpassfilter 28 ausgegebene Spannungssignal V₀₂ entspricht einem Zeitmittel des zweiten Zwischensignals und zeigt die um 90° phasenverschobene Komponente des Stroms i₀β an.
Das Tiefpassfilter 28 gibt die Signale V_o1 und V_o2, die die phasengleichen und die um 90° phasenverschobenen Komponenten anzeigen, als analoge Signale aus und führt sie einem Analog-Digital-Umsetzer 40 zu, der diese wiederum in digitaler Form dem Mikroprozessor 50 zuführt.
Der Mikroprozessor 50 kann den Belegungszustand basierend auf den Signalen, die die phasengleiche Stromkomponente bzw. die um 90° phasenverschobene Stromkomponente anzeigen, feststellen. Eine Möglichkeit für den Mikroprozessor, dies zu tun, ist in 9 veranschaulicht. Das die um 90° phasenverschobene Stromkomponente anzeigende Signal wird mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert von dem die phasengleiche Stromkomponente anzeigenden Signal abhängt. 9 zeigt ein Diagramm, das den Schwellenwert für die um 90° phasenverschobene Stromkomponente als Funktion darstellt, die mit der phasengleichen Stromkomponente ansteigt. Wenn festgestellt wird, dass die um 90° phasenverschobene Stromkomponente (die die Kapazität anzeigt) unterhalb der Schwellenkurve für die festgestellte phasengleiche Stromkomponente (die den Widerstand anzeigt) liegt, wird der Sitz als „nicht von einer Person belegt“ bewertet; wenn festgestellt wird, dass sie oberhalb des Schwellenwertes für die festgestellte phasengleiche Stromkomponente liegt, wird der Sitz als „von einer Person belegt“ bewertet. Je nach Ergebnis der Feststellung des Belegungszustands gibt der Mikroprozessor 50 ein Ausgangssignal aus, das den Belegungszustand an ein an das kapazitive Insassenerkennungssystem 10 angeschlossenes Gerät übermittelt, d. h. die Steuereinheit eines Airbag-Systems oder eines Sicherheitsgurthinweises. Die Tatsache, dass der Schwellenwert für die um 90° phasenverschobene Stromkomponente mit einer steigenden phasengleichen Stromkomponente steigt, gleicht die vorstehend erwähnte Wirkung eines nassen Sitzes aus. Wie vorstehend erwähnt wurde, gibt es andere Möglichkeiten, durch die die Feststellung des Belegungszustands in den Mikroprozessor 50 implementiert werden könnte.
Elektronische Interferenz, z. B. von einem Mobiltelefon oder einem Laptopcomputer in der Nähe der Antennenelektrode 14, kann die gemessenen Stromsignale i₀α und i₀β ändern und schließlich dazu führen, dass fälschlicherweise ein Insasse oder fälschlicherweise kein Insasse erkannt wird. Daher ist das kapazitive Insassenerkennungssystem 10 dafür konfiguriert, eine elektronische Interferenz zuverlässig zu erkennen. Der Mikroprozessor 50 steuert das System 10, so dass es abwechselnd in einem Interferenzerkennungsmodus und in einem Insassenerkennungsmodus arbeitet. Wenn er im Insassenerkennungsmodus arbeitet, stellt der Mikroprozessor den Belegungszustand basierend auf den Stromsignalmessungen, wie vorstehend beschrieben, fest. Wenn er im Interferenzerkennungsmodus arbeitet, stellt der Mikroprozessor 50 fest, ob die Antennenelektrode 14 einer Interferenz unterliegt.
Das kapazitive Insassenerkennungssystem 10 umfasst eine Amplitudeneinstellstufe 13, die zwischen dem Oszillator 12 und der Antennenelektrode 14 angeschlossen ist. Die Amplitudeneinstellstufe 13 kann zwischen mindestens zwei Zuständen geschaltet werden, wobei jeder Zustand einer programmierten Signalamplitude am Ausgangsknoten der Amplitudeneinstellstufe 13 zugeordnet ist. Die Amplitudeneinstellstufe 13 könnte z. B. einen elektronisch steuerbaren Schalter umfassen, der die Antennenelektrode 14 betrieblich mit Masse oder mit dem Oszillator 12 verbindet, oder mit dem Amplitudensteuernetzwerk eines D/A-Umsetzers (wie z. B. ein R-2R-Netzwerk mit einer einstellbaren Bezugsspannung). Im Interferenzerkennungsmodus hält der Mikroprozessor 50 die Amplitudeneinstellstufe 13 in einem ersten Zustand, wobei sie die Amplitude des Sinusspannungssignals auf einen ersten diskreten Wert gleich 0 oder nahe 0 einstellt. Im Insassenerkennungsmodus hält der Mikroprozessor 50 die Amplitudeneinstellstufe 13 in einem zweiten Zustand, in dem sie die Amplitude des Sinusspannungssignals auf einen zweiten diskreten Wert einstellt, der wesentlich höher ist als der erste Wert. In beiden Modi arbeitet die Strommessschaltung auf die gleiche Weise, d. h. sie bestimmt die Stromkomponenten i0α und i0β. Wenn während des Interferenzerkennungsmodus die Stromsignale eine bestimmte Rauschgrenze übersteigen, folgert der Mikrokontroller 50, dass eine Interferenz vorliegt. Die Rauschgrenze ist so gewählt, dass die im Interferenzerkennungsmodus angelegte kleine Amplitudenspannung keinen Strom induziert, der die Grenze unter normalen Umständen übersteigt (d. h. in Abwesenheit einer Interferenz).
Wenn der Mikrokontroller 50 eine Interferenz erkennt, schaltet er in einen gestörten Betriebsmodus, in dem er den Insassenerkennungsmodus aussetzt und einen vorgegebenen Belegungszustand ausgibt. Der vorgegebene Belegungszustand wird abhängig von der Anwendung des Insassenerkennungssystems ausgewählt. Der vorgegebene Belegungszustand könnte z. B. der letzte Belegungszustand sein, der als gültig festgestellt wurde, bevor die Interferenz erkannt wurde. Der Mikrokontroller 50 kann auch ein Signal ausgeben, das das Vorliegen einer Interferenz anzeigt. Im gestörten Betriebsmodus führt der Mikrokontroller 50 wiederholt den Interferenzerkennungsmodus aus (z. B. in gleichmäßigen Zeitabständen) und bleibt solange im gestörten Betriebsmodus, wie die Interferenz anhält. Wenn der Mikrokontroller 50 keine Interferenz mehr erkennt, verlässt er den gestörten Betriebsmodus und arbeitet wieder normal.
Das Insassenerkennungssystem 10 stellt abwechselnd phasengleiche und phasenverschobene Stromkomponenten fest. Wenn die phasengleiche Stromkomponente festgestellt wird, schaltet der Schalter 22 in der Tat zu den Zeitpunkten um, zu denen die an die Antennenelektrode 14 angelegte Spannungsschwingung V_a einen Nulldurchgang aufweist. Im Gegensatz dazu schaltet der Schalter 22, wenn die um 90° phasenverschobene Stromkomponente festgestellt wird, zu den Zeitpunkten um, zu denen die an die Elektrode 14 angelegte Spannungsschwingung V_a einen Höchst- oder Mindestwert erreicht hat. Wie in 10 gezeigt ist, kann die Steuerschaltung 30 z. B. einen Phasenschieber, der das Sinusspannungssignal von dem Oszillator 12 empfängt, und einen Komparator umfassen. Der Komparator vergleicht die Ausgabe des Phasenschiebers mit einer Bezugsspannung, die dem Mittelwert (Gleichstromkomponente) des von dem Oszillator 12 ausgegebenen Sinusspannungssignals entspricht. Wenn die Ausgabe des Phasenschiebers 32 auf einem Potential liegt, das höher ist als die Bezugsspannung, gibt der Komparator ein „hohes“ Signal an den Schalter 22 aus. Wenn die Ausgabe des Phasenschiebers 32 auf einem Potential liegt, das niedriger ist als die Bezugsspannung, gibt der Komparator ein „tiefes“ Signal an den Schalter 22 aus. Wenn die phasengleiche Komponente des Stroms festzustellen ist, leitet der Phasenschieber das Oszillatorsignal im Wesentlichen ohne zusätzliche Phasenverschiebung weiter. Daraus ergibt sich, dass die Ausgabe des Komparators während der ersten Zeitintervalle TI₁, „hoch“ und während der zweiten Zeitintervalle Tl₂ „tief“ ist (siehe mit V_comp1 bezeichnete Kurve in 8). Wenn die um 90° phasenverschobene Komponente des Stroms festzustellen ist, leitet der Phasenschieber das Oszillatorsignal mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90° weiter. Daraus ergibt sich, dass die Ausgabe des Komparators während der dritten Zeitintervalle Tl₃ „hoch“ und während der vierten Zeitintervalle Tl₄ „tief“ ist (siehe mit V_comp2 bezeichnete Kurve in 8). Es sei angemerkt, dass die „hohe“ und die „tiefe“ Ausgabe des Komparators 34 nicht unbedingt einander entgegengesetzt sein müssen, wie es in 8 gezeigt ist. Die „tiefe“ Ausgabe könnte z. B. am Erdpotential liegen. Die durch den Phasenschieber zusätzlich vorgesehene Phasenverschiebung kann durch den Mikroprozessor 50 gesteuert werden. Dieser kann insbesondere dem Phasenschieber ein Taktsignal liefern, das die Frequenz des Wechsels zwischen der Feststellung der phasengleichen Stromkomponente und der Feststellung der um 90° phasenverschobenen Stromkomponente bestimmt. Da die Steuerschaltung 30 mit dem Ausgangsknoten des Oszillators 12 verbunden ist, empfängt sie ein von Null verschiedenes Amplitudensignal zur Synchronisierung auch während des Interferenzerkennungsmodus.
2 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 260 mit einem Autositz 262, der mit einem kapazitiven Insassenerkennungssystem 210 im Lademodus ausgestattet ist, das genauer anhand 3 erklärt wird. Der Oszillator 212 legt ein Sinusspannungssignal V_a einer gewählten Frequenz f (z. B. 80 kHz, 100 kHz, 120 kHz oder irgendeiner anderen Frequenz im Bereich von 60 bis 250 kHz) an die Abschirmelektrode 215 sowie an die sendende und messende Antennenelektrode 214 an. Die Abschirmelektrode 215 ist über die Amplitudeneinstellstufe 213 mit der Ausgabe des Oszillators 212 verbunden. Der Strom-Spannungs-Wandler 218 hält die Messelektrode 214 im Wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Abschirmelektrode. Die Eigenschaften des in der Messelektrode fließenden Stroms hängen von dem Scheinwiderstand 216 zwischen Messelektrode 214 und Masse ab. Der Vorteil des Vorsehens einer Abschirmelektrode 215 besteht darin, dass die Empfindlichkeit der Messelektrode 214 in eine bestimmte Richtung gelenkt werden kann, z. B. in einen Bereich, den ein Insasse normalerweise belegt.
Ein Differentialverstärker 219 verstärkt die Potentialdifferenz zwischen dem Ausgabeanschluss des Signalstrom-Spannungs-Wandlers 218 und der Ausgabe des Oszillators 212, wobei diese Potentialdifferenz den in der Messelektrode fließenden Strom anzeigt. In diesem Fall wird das von dem Differentialverstärker 219 ausgegebene Signal als das Wandler-Spannungssignal V_c angesehen. Das Wandler-Spannungssignal V_c wird einem getakteten Gleichrichter 220 zugeführt, der einen elektronisch gesteuerten Schalter 222, eine Verstärkerschaltung (mit einer ersten Verzweigung mit einem invertierenden Verstärker 224 und einer zweiten Verzweigung mit einem nicht-invertierenden Verstärker 226) sowie einen Integrator 229 umfasst. Das Wandler-Spannungssignal V_c wird dem invertierenden Verstärker 224 und dem nicht-invertierenden Verstärker 226 zugeführt. Die Verstärkung des Verstärkers 224 ist entgegengesetzt zu derjenigen des Verstärkers 226 (z. B. -1 bzw. 1). Die Ausgaben der Verstärker 224 und 226 werden alternierend kombiniert und durch den Schalter 222 dem Integrator 229 zugeführt.
Der Schalter 222 wird durch die Steuerschaltung 230 gesteuert, die als die Steuerschaltung 30 arbeitet, die genau anhand 1 beschrieben ist. Wie ersichtlich ist, integriert der Integrator 229 das erste und das zweite Zwischenspannungssignal V_i1, V_i2, die in den getakteten Gleichrichter 220 eingreifen. Fachleute werden erkennen, dass es das Integrieren eines Signals über einen bestimmten Zeitraum ermöglicht, das Mittel des Signals während des gegebenen Zeitraums zu bestimmen. Wenn die Integrationszeit bekannt ist, sind als Zeitintegrale ausgegebene Signale somit zumindest ebenso aussagekräftig wie die entsprechenden Zeitmittelsignale. Der Integrator 229 gibt somit Signale, die die phasengleichen und die um 90° phasenverschobenen Komponenten anzeigen, als analoge Signale aus und führt sie einem Analog-Digital-Umsetzer 40 zu, der diese wiederum in digitaler Form dem Mikroprozessor 250 zuführt. Der Mikroprozessor 250 bestimmt daraufhin einen Belegungszustand. Der Integrator 229 könnte durch ein Tiefpassfilter ersetzt werden, wie es z. B. bei Bezugszeichen 28 in 1 gezeigt ist.
Der Mikroprozessor 250 arbeitet auf die Weise, wie sie für den Mikroprozessor 50 von 1 genau beschrieben wird. Insbesondere wirkt der Mikroprozessor 250 mit der Amplitudeneinstellstufe 213 auf die gleiche Weise zusammen wie der Mikroprozessor 50 mit der Amplitudeneinstellstufe 13 zusammenwirkt.
Das Netzwerk, das das Sinusspannungssignal an die Abschirmelektrode 215 und die Antennenelektrode 214 (Oszillator 212, Amplitudeneinstellstufe 213 und Strom-Spannungs-Wandler 218) anlegt, und die Strommessschaltung (die den Differentialverstärker 219, den getakteten Gleichrichter 220, die Steuerschaltung 230 und den Analog-Digital-Umsetzer 240 umfasst) sind vorzugsweise zusammen in einer anwenderspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder in einem programmierbaren eingebetteten System-on-Chip integriert (der konfigurierbare analoge und digitale Funktionen, Speicher und einen Mikrokontroller auf einem einzelnen Chip integriert), wie er z. B. von Cypress unter der Marke „PSoC“ erhältlich ist. Der Mikroprozessor 250 kommuniziert vorzugsweise mit der ASIC oder dem programmierbaren eingebetteten System-on-Chip (oder dessen relevanten Komponenten) über eine Kommunikationsschnittstelle, z. B. eine serielle Schnittstelle. Eine weitere Kommunikationsschnittstelle ist auf dem Mikrokontroller 250 vorgesehen, um diesem zu ermöglichen, den Belegungszustand einem Insassenschutzsystem mitzuteilen (z. B. dem Airbag-Entfaltungssystem oder dem Sicherheitsgurthinweis des Fahrzeugs 260).
4 zeigt eine Variante des kapazitiven Insassenerkennungssystems aus 3. Der Kürze halber wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet, und nur Unterschiede zum System aus 3 werden nachstehend genau beschrieben. Wenn es nicht anders angegeben ist, hat daher die Variante aus 4 die gleichen Merkmale und arbeitet auf die gleiche Weise wie das kapazitive Insassenerkennungssystem aus 3.
Der getaktete Gleichrichter 220' umfasst ein Tiefpassfilter 228, um das Zeitmittel des ersten und des zweiten Zwischensignals V_i1 und V_i2 zu ermitteln.
Der Oszillator 212' ist als ein digitaler Sinussignalgenerator implementiert, der einen Festspeicherchip 212a mit darin digital gespeicherten Wellenformmustern und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 212b (z. B. ein R-2R ladder DAC oder ein DAC irgendeiner geeigneten Art), der mit dem Ausgangsknoten des Festspeicherchips 212a verbunden ist, um eine gestufte Sinuswellenform aus den Sinuswellenformmustern zu erzeugen, umfasst. Ein Zähler 212c ist mit dem Festspeicherchip 212a (z. B. einem EPROM oder einem EEPROM) verbunden, um die Register von diesem nach einer vorbestimmten Sequenz anzusprechen. Der Zähler 212c empfängt ein Bezugstaktsignal vom Bezugstaktgeber (z. B. einem Kristall- oder SAW-Oszillator). Die von dem DAC-Umsetzer 212b ausgegebene gestufte Sinuswellenform wird durch ein Rekonstruktions-Tiefpassfilter (nicht gezeigt) geglättet. Der Mikroprozessor 250 steuert die Zählrate des Zählers 212c und dadurch die Frequenz f des erzeugten Sinusspannungssignals.
5 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 460 mit einem Autositz 462, der mit einem kapazitiven Insassenerkennungssystem 410 im Kopplungsmodus ausgerüstet ist, von dem Varianten genauer anhand der 6 und 7 beschrieben werden. Es wird ersichtlich, dass der Betrieb der Systeme im Kopplungsmodus weitgehend dem Betrieb der vorstehend besprochenen Systeme im Lademodus ähnlich ist. Der wichtigste Unterschied zwischen einem reinen Kopplungsmodus-System und einem reinen Lademodus-System besteht darin, dass bei ersterem das Sinusspannungssignal V_a an eine sendende Antennenelektrode angelegt wird, während ein Strom an einer Messelektrode gemessen wird, die sich von der sendenden Antennenelektrode unterscheidet.
6 zeigt ein kapazitives Insassenerkennungssystem 410 im Kopplungsmodus nach einer ersten Variante von diesem. Ein Sinusspannungssignalgenerator (Oszillator 412) legt über die Amplitudeneinstellstufe 413 ein Spannungsschwingungssignal V_a einer Frequenz f (ausgewählt im oben angegebenen Bereich) an die sendende Antennenelektrode 415 an. Als Reaktion auf das an die Antennenelektrode 415 angelegte Spannungsschwingungssignal V_a wird das Fließen von Strom in der Messelektrode 414 veranlasst, die in der Nähe der sendenden Antennenelektrode 415 angeordnet ist. Die Eigenschaften dieses Stroms hängen von dem Scheinwiderstand 416 zwischen den Elektroden 415 und 414 ab. Der Scheinwiderstand und der Strom lassen Rückschlüsse in Bezug auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten oder Insassen im Bereich zwischen den Elektroden 414 und 415 zu. Wie bei den Ausführungsformen im Lademodus kann der in der Elektrode 414 fließende Strom als eine Summe aus einer ersten Stromkomponente, die mit dem an die Sendeelektrode 415 angelegten Spannungsschwingungssignal V_a phasengleich ist, und einer zweiten Stromkomponente, die in Bezug auf das an die Sendeelektrode 415 angelegte Spannungsschwingungssignal V_a um 90° phasenverschoben ist, ausgedrückt werden.
Der Strom-Spannungs-Wandler 418, der betrieblich mit der Messelektrode 414 verbunden ist, wandelt den darin fließenden Strom in ein Wandler-Spannungssignal V_c um. Das Wandler-Spannungssignal V_c wird einem getakteten Gleichrichter 420 zugeführt, der einen Schalter 422, eine erste Verzweigung mit einem invertierenden Verstärker 424, eine zweite Verzweigung mit einem nicht invertierenden Verstärker 426 sowie ein Tiefpassfilter 428 umfasst. Das Wandler-Spannungssignal V_c wird dem invertierenden Verstärker 424 und dem nicht-invertierenden Verstärker 426 gemäß dem von der Steuerschaltung 430 zugeführten binären Signal zugeführt. Die Verstärkung des Verstärkers 424 ist entgegengesetzt zu derjenigen des Verstärkers 426 (z. B. -1 bzw. 1). Der Schalter 422 kombiniert die Ausgaben der Verstärker 424 und 426 alternierend und führt das kombinierte Signal (das erste oder zweite Zwischenspannungssignal) dem Tiefpassfilter 428 zu. Dieser ist an den Analog-Digital-Umsetzer 440 angeschlossen, dem die Tiefpassfiltersignale zugeführt werden. Der Analog-Digital-Umsetzer wandelt die Tiefpassfiltersignale in digitale Signale um, die zum Mikroprozessor 450 gesendet werden. Da das System 410 im Wesentlichen wie das System aus 1 arbeitet, werden die verschiedenen, von den verschiedenen Elementen der Schaltung durchgeführten Aktionen hier nicht wiederholt, und der Leser der Beschreibung wird für Einzelheiten auf die Beschreibung der Ausführungsform von 1 verwiesen.
Die Amplitudeneinstellstufe 413 ist zwischen dem Oszillator 412 und der sendenden Antennenelektrode 415 angeschlossen. Die Amplitudeneinstellstufe 413 kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. Im Interferenzerkennungsmodus hält der Mikroprozessor 450 die Amplitudeneinstellstufe 413 in einem ersten Zustand, in dem diese die Amplitude des Sinusspannungssignals auf einen ersten diskreten Wert gleich 0 oder nahe 0 einstellt. Im Insassenerkennungsmodus hält der Mikroprozessor 450 die Amplitudeneinstellstufe 413 in einem zweiten Zustand, in dem diese die Amplitude des Sinusspannungssignals auf einen zweiten diskreten Wert einstellt, der wesentlich höher ist als der erste Wert. In beiden Modi arbeitet die Strommessschaltung auf die gleiche Weise, d. h. sie bestimmt die Stromkomponenten i₀α und i₀β.
7 zeigt ein kapazitives Insassenerkennungssystem 510 im Kopplungsmodus mit einem erweiterten getakteten Gleichrichter 520. Der Oszillator 512 legt über eine Amplitudeneinstellstufe 513 ein Sinusspannungssignal V_a an die Sendeelektrode 515 an. Als Reaktion auf das an die Antennenelektrode 515 angelegte Sinusspannungssignal V_a wird das Fließen von Strom in der Messelektrode 514 veranlasst, die in der Nähe der Sendeelektrode 515 angeordnet ist. Die Eigenschaften dieses Stroms hängen von dem Scheinwiderstand 516 zwischen den Elektroden 515 und 514 ab. Der Strom-Spannungs-Wandler 518 wandelt den in der Messelektrode 514 fließenden Strom in ein Wandler-Spannungssignal V_c um, das diesen Strom und somit den Scheinwiderstand anzeigt.
Das Wandler-Spannungssignal V_c wird dem erweiterten getakteten Gleichrichter 520 zugeführt. Der getaktete Gleichrichter 520 umfasst eine erste Verstärkerverzweigung, die einen invertierenden Verstärker 524a und einen nicht-invertierenden Verstärker 526a mit entgegengesetzten Verstärkungsfaktoren umfasst, die betrieblich mit dem Strom-Spannungs-Wandler 518 und einem ersten Schalter 522a verbunden sind, die abwechselnd den invertierenden Verstärker 524a und den nicht-invertierenden Verstärker 526a an ein erstes Tiefpassfilter 528a anschließen. Der erweiterte getaktete Gleichrichter 520 umfasst ferner eine zweite Verstärkerverzweigung, die einen invertierenden Verstärker 524b und einen nicht-invertierenden Verstärker 526b mit entgegengesetzten Verstärkungsfaktoren umfasst, die betrieblich mit dem Strom-Spannungs-Wandler 518 und einem ersten Schalter 522b verbunden sind, die abwechselnd den invertierenden Verstärker 524b und den nicht-invertierenden Verstärker 526b an ein zweites Tiefpassfilter 528a anschließen.
Die Steuerschaltung 530a veranlasst den Schalter 522a jedesmal auf den nicht-invertierenden Verstärker 526a umzuschalten, wenn das an die Elektrode angelegte Spannungsschwingungssignal V_a positiv ist, d. h. in den ersten Zeitintervallen TI₁. Wenn die an die Elektrode angelegte Spannungsschwingung V_a negativ ist, d. h. während der zweiten Zeitintervalle Tl₂, veranlasst die Steuerschaltung 530a den Schalter 522a dazu, auf den invertierenden Verstärker 524a umzuschalten. Die Ausgangssignale der Verstärker 524a und 526a werden somit zu einem Zwischensignal V_i1 (dem „ersten“ Zwischensignal) kombiniert und in das Tiefpassfilter 528a eingegeben. Das Tiefpassfilter 528a gibt somit ein Signal V_o1 als ein analoges Signal aus, das die phasengleiche Stromkomponente anzeigt, und führt dieses dem Analog-Digital-Umsetzer 540 zu.
Die andere Steuerschaltung 530b veranlasst den Schalter 522b dazu, jedesmal auf den nicht-invertierenden Verstärker 526b zu schalten, wenn das an die Elektrode angelegte Spannungsschwingungssignal V_a auf einer positiven Neigung liegt, d. h. während der dritten Zeitintervalle Tl₃. Wenn sich die an die Elektrode angelegte Spannungsschwingung V_a auf einer negativen Neigung befindet, d. h. während der vierten Zeitintervalle TI₄, veranlasst die Steuerschaltung 530b den Schalter 522b, zum invertierenden Verstärker 524b umzuschalten. Die Ausgangssignale der Verstärker 524b und 526b werden somit zu einem Zwischensignal V_i2 (dem „zweiten“ Zwischensignal) kombiniert und in das Tiefpassfilter 528b eingegeben. Das folglich von dem Tiefpassfilter 528b ausgegebene Spannungssignal V_o2 entspricht einem Zeitmittel des zweiten Zwischensignals V_i2 und zeigt die um 90° phasenverschobene Komponente des Stroms an. Dieses analoge Signal, das die um 90° phasenverschobene Komponente des Stroms anzeigt, wird auch dem Analog-Digital-Umsetzer 540 zugeführt. In Bezug auf die Steuerschaltungen 530a und 530b sollte erwähnt werden, dass diese wie in 10 gezeigt implementiert werden können. In diesem Fall liefert der der Steuerschaltung 530b zugeordnete Phasenschieber eine feste 90°-Phasenverschiebung. Der der Steuerschaltung 530a zugeordnete Phasenschieber liefert eine feste Null-Phasenverschiebung, d. h. dieser Phasenschieber kann weggelassen werden.
Der Analog-Digital-Umsetzer 540 kombiniert das Signal V_o1, das die phasengleiche Stromkomponente anzeigt, und das Signal V_o2, das die um 90° phasenverschobene Stromkomponente anzeigt, zu einem digitalen Multiplexsignal, das die Informationen über beide Stromkomponenten enthält. Der Mikroprozessor 550 empfängt das Multiplexsignal, extrahiert die relevanten Informationen und berechnet eine Entscheidung darüber, welchen Belegungszustand er als Ausgabe liefert.
Es sei angemerkt, dass die Verwendung einer Abschirmelektrode oder mehrerer Abschirmelektroden nicht ausgeschlossen ist und sogar in den Ausführungsformen, die nicht insbesondere als dieses Merkmal aufweisend beschrieben wurden, als vorteilhaft angesehen wird.
Wenn die hier erwähnten Elektroden in einen Sitz integriert werden sollen, werden sie vorzugsweise aus einem flexiblen Material hergestellt oder in ein solches eingebracht, um dem Insassen einen Sitzkomfort zu bieten. Die Elektrode könnte beispielsweise aus Metallfasern, die in ein Textilmaterial (z. B. eine Textilschicht des Sitzes) eingenäht sind, oder aus leitfähiger Tinte, die auf der Oberfläche eines Substratmaterials, wie eines dielektrischen Films, angeordnet ist, bestehen. In einer anderen Ausführungsform könnten die Elektroden aus einer Metallplatte oder -folie gebildet sein.
Es sei angemerkt, dass in jeder der hier offenbarten Ausführungsformen hier individuell beschriebene Elemente in kombinierte Elemente integriert werden könnten.

Claims

Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510), aufweisend: eine Antennenelektrode (14, 214, 415, 515); einen Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512), der so konfiguriert ist, dass er ein Sinusspannungssignal erzeugt, wobei der Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512) betrieblich an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) gekoppelt ist, um das Sinusspannungssignal an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) anzulegen, eine Strommessschaltung (18, 20, 28, 30, 40; 218, 219, 220, 230, 240; 418, 420, 430, 440; 518, 520, 530a, 530b, 540), die so konfiguriert ist, dass sie Stromsignale misst, wobei die Stromsignale die Amplitude und Phase eines in der Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder in einer separaten Messelektrode (414, 514) fließenden Stroms, oder eine erste und einezweite Stromkomponente des Stroms umfassen, wobei die erste und die zweite Stromkomponente um eine Phasendifferenz zueinander phasenverschoben sind, die nicht 180° oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt; eine Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550), die betrieblich an die Strommessschaltung (18, 20, 28, 30, 40; 218, 219, 220, 230, 240; 418, 420, 430, 440; 518, 520, 530a, 530b, 540) gekoppelt ist, um auf Basis der gemessenen Stromsignale einen Belegungszustand festzustellen und ein den festgestellten Belegungszustand anzeigendes Ausgangssignal auszugeben; dadurch gekennzeichnet, dass der Sinussignalgenerator (12, 212, 412, 512) über eine Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) betrieblich an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) gekoppelt ist, wobei die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) so konfiguriert ist, dass sie die Amplitude des an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) angelegten Sinusspannungssignals an eine Amplitude angleicht, die aus mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist; dass die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) betrieblich mit der Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) verbunden ist; und dass die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) so konfiguriert ist, das sie eine der mindestens zwei diskreten Amplituden nach der anderen auswählt und veranlasst, dass die Amplitudeneinstellstufe (13, 213, 413, 513) die Amplitude des an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) angelegten Sinusspannungssignals an die ausgewählte Amplitude angleicht; wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) konfiguriert ist, zur Ausführung eines Interferenzerkennungsmodus, wobei der Interferenzerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, und das Feststellen, ob die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder die separate Messelektrode (414, 514) einer Interferenz unterliegt, umfasst, und zur Ausführung eines Insassenerkennungsmodus, wobei der Insassenerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine große der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, das Feststellen des Belegungszustands basierend auf den Stromsignalen, die im Insassenerkennungsmodus gemessen wurden, und das Ausgeben des den festgestellten Belegungszustand anzeigenden Ausgangsignals umfasst.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510) nach Anspruch 1, wobei die kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden höchstens 20 %, mehr bevorzugt höchstens 10 %, noch mehr bevorzugt höchstens 5 % und sogar noch mehr bevorzugt höchstens 1 % der großen der mindestens zwei diskreten Amplituden beträgt.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510) nach Anspruch 1, wobei die kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden eine Nullamplitude ist.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sinussignalgenerator ein digitaler Sinussignalgenerator (212') ist, der einen Festspeicherchip (212a), in dem Sinuswellenformmuster digital gespeichert sind, und einen Digital-Analog-Umsetzer (212b), der betrieblich mit dem Festspeicherchip (212a) verbunden ist, um eine gestufte Sinuswellenform aus den Sinuswellenformmustern zu erzeugen, sowie ein Filter aufweist, das so konfiguriert ist, dass es die von dem Digital-Analog-Umsetzer (212b) erzeugte gestufte Sinuswellenform glättet.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (210) nach Anspruch 4, wobei der digitale Sinussignalgenerator (212') einen Zähler (212c) aufweist, der betrieblich an den Festspeicherchip (212a) gekoppelt ist, um den Festspeicherchip (212a) anzusteuern und zu veranlassen, die Sinuswellenformmuster sequentiell an den Digital-Analog-Umsetzer (212b) zu senden.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (210) nach Anspruch 5, wobei der digitale Sinussignalgenerator (212') einen Taktsignalgenerator (212d) aufweist, der betrieblich mit dem Zähler (212c) verbunden ist, um den Zähler mit einem Taktsignal zu versorgen.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (210) nach Anspruch 5, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (250) betrieblich mit dem digitalen Sinussignalgenerator (212') verbunden ist, um eine Zählrate des Zählers zu ändern.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend eine Abschirmelektrode (215), wobei der Sinussignalgenerator (212, 212') betrieblich an die Abschirmelektrode (215) gekoppelt ist, um das Sinusspannungssignal derart an die Abschirmelektrode (215) anzulegen, dass die Abschirmelektrode (215) auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten wird wie die Antennenelektrode (214), und um ein elektrisches Feld zwischen der Antennenelektrode (214) und der Abschirmelektrode (215) aufzuheben.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) so konfiguriert ist, dass sie den Interferenzerkennungsmodus und den Insassenerkennungsmodus zeitlich verschachtelt ausführt, und wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) so konfiguriert ist, dass sie in einen gestörten Betriebsmodus schaltet, wenn sie feststellt, dass die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) einer Störung unterliegt.
Kapazitives Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510) nach Anspruch 9, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (50, 250, 450, 550) so konfiguriert ist, dass sie mindestens eine der folgenden Maßnahmen vornimmt, während sie in dem gestörten Betriebsmodus arbeitet: a. Anhalten des Insassenerkennungsmodus; b. Ausgeben eines Ausgangsignals, das einen vorgegebenen Belegungszustand anzeigt; c. Ausgeben eines Ausgangsignals, das einen kurz vorher festgestellten Belegungszustand anzeigt; d. Ausgeben eines Ausgangsignals, das das Vorliegen einer Störung anzeigt; e. wiederholtes Ausführen des Interferenzerkennungsmodus und das Verlassen des gestörten Betriebsmodus, nachdem festgestellt wurde, dass die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) keiner Störung mehr unterliegt.
Autositz (262, 462), der mit einem kapazitiven Insassenerkennungssystem (210, 410) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgerüstet ist.
Kraftfahrzeug (260, 460), das einen oder mehrere Autositze (262, 462) nach Anspruch 11 und ein Insassenschutzsystem aufweist, das auf das kapazitive Insassenerkennungssystem (10, 210, 410, 510) anspricht, wie z.B. ein Sicherheitsgurthinweis und/oder ein Airbag-System.
Kapazitives Insassenerkennungsverfahren, umfassend: das Erzeugen eines Sinusspannungssignals und das Anlegen des Sinusspannungssignals an eine Antennenelektrode (14, 214, 415, 515); das Messen von Stromsignalen, wobei die Stromsignale eine Amplitude und eine Phase eines in der Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder in einer separaten Messelektrode (414, 514) fließenden Stroms oder eine erste und eine zweite Stromkomponente des Stroms aufweist, wobei die erste Stromkomponente mit dem Sinusspannungssignal phasengleich und die zweite Stromkomponente zum Sinusspannungssignal um 90 Grad phasenverschoben ist; das Feststellen eines Belegungszustands basierend auf den gemessenen Stromsignalen; und das Ausgeben eines den festgestellten Belegungszustand anzeigenden Ausgangsignals; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch das Angleichen der Amplitude des an die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) angelegten Sinusspannungssignals an eine aus mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählte Amplitude; und dass eine der mindestens zwei diskreten Amplituden nach der anderen ausgewählt wird, um mindestens einen Interferenzerkennungsmodus bzw. einen Insassenerkennungsmodus auszuführen, wobei der Interferenzerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine kleine der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, und das Feststellen, ob die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) oder die separate Messelektrode (414, 514) einer Interferenz unterliegt, umfasst, wobei der Insassenerkennungsmodus das Messen der Stromsignale, während eine große der mindestens zwei diskreten Amplituden ausgewählt ist, das Feststellen des Belegungszustands basierend auf den während des Insassenerkennungsmodus gemessen Stromsignalen und das Ausgeben des den festgestellten Belegungszustand anzeigenden Ausgangsignals umfasst.
Kapazitives Insassenerkennungsverfahren nach Anspruch 13, wobei der Interferenzerkennungsmodus und der Insassenerkennungsmodus zeitlich verschachtelt ausgeführt werden, und wobei ein gestörter Betriebsmodus ausgeführt wird, wenn festgestellt wird, dass die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) einer Interferenz unterliegt.
Kapazitives Insassenerkennungsverfahren nach Anspruch 14, wobei während des gestörten Betriebsmodus das Verfahren mindestens eine der folgenden Maßnahmen aufweist: a. das Anhalten des Insassenerkennungsmodus; b. das Ausgeben eines Ausgangsignals, das einen vorgegebenen Belegungszustand anzeigt; c. das Ausgeben eines Ausgangsignals, das einen kurz vorher festgestellten Belegungszustand anzeigt; d. das Ausgeben eines Ausgangsignals, das das Vorliegen einer Interferenz anzeigt; e. das wiederholte Ausführen des Interferenzerkennungsmodus und das Verlassen des gestörten Betriebsmodus, nachdem festgestellt wurde, dass die Antennenelektrode (14, 214, 415, 515) keiner Störung mehr unterliegt.