DE112013005610T5

DE112013005610T5 - Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor

Info

Publication number: DE112013005610T5
Application number: DE112013005610.0T
Authority: DE
Inventors: Michael Pütz; Andreas Petereit; Franck Althaus; Laurent Lamesch; David Hoyer; Michael Virnich; Thomas Meyers
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-08-27
Also published as: LU92102B1; WO2014079735A1; US20150298590A1; US9764668B2

Abstract

Ein kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor (10) umfasst eine Heizschaltung, eine Impedanzmessschaltung (34, 36, 40) und eine Diagnoseschaltung. Die Heizschaltung umfasst ein Heizelement (12). Die Impedanzmessschaltung ist derart an das Heizelement angeschlossen, dass sie die Impedanz zwischen dem Heizelement und einem Knoten auf Massepotential misst. Die Diagnoseschaltung ist für die Messung des elektrischen Widerstands über die Heizschaltung konfiguriert und umfasst einen Heizstromsensor (42), der dafür konfiguriert ist, einen Heizstrom durch die Heizschaltung zu erfassen, eine Stromversorgungsvorrichtung (48) zur Speisung eines Diagnosestroms durch die Heizschaltung sowie einen strombegrenzenden Massepfad (50), der dafür konfiguriert ist, den Diagnosestrom abzuleiten und den Heizstrom zu blockieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor, der ein Heizelement als seine Antennenelektrode nutzen kann. Ein wie hierin vorgeschlagener kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor kann beispielsweise zur Erfassung der Ab- oder Anwesenheit eines Insassen auf einem belegbaren Gegenstand, der ein Fahrzeugsitz, ein Krankenhausbett usw. sein könnte, oder zur Erfassung einer Hand des Fahrers auf dem Lenkrad verwendet werden.
Technischer Hintergrund
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 elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche bei eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode, an welcher der Einfluss eines Gegenstands oder Lebewesens auf das elektrische Feld erfasst wird. Bei einigen kapazitiven Belegungssensoren (mit dem so genannten „Lademodus”; im Engl. „loading mode”) dienen die eine oder mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom, der als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung in die eine oder mehreren Antennenelektroden fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder mehreren Antennenelektroden. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus”; im Engl. „coupling mode”) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der bzw. die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Erfassung eines elektrischen Feldes, wobei das Konzept verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen durchzuführen und um insbesondere die Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck zu erfassen, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Erfassung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode” (Lademodus), „shunt mode” (Nebenschlussmodus) und „transmit mode” (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das zu erfassende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld zu einer Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den Körper, der gerade erfasst wird, modifiziert werden kann. Im „Sendemodus” wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird. Der „Nebenschlussmodus” wird alternativ auch als der oben genannte „Kopplungsmodus” bezeichnet.
Es wurden viele verschiedene kapazitive Insassenerfassungssysteme vorgeschlagen, beispielsweise zur Steuerung der Entfaltung von einem oder mehreren Airbags wie z. B. einem Fahrerairbag, einem Beifahrerairbag und/oder einem Seitenairbag. Das an Stanley erteilte US-Patent 6,392,542 lehrt einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrode umfasst, die in einem Sitz angebracht werden kann und mit einer Erfassungsschaltung wirkgekoppelt ist.
Der Gedanke, das Heizelement einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Belegungserfassungssystems zu benutzen, ist seit langer Zeit bekannt. Die WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann und in der Sitzfläche angeordnet ist, wobei der Leiter ferner eine Elektrode eines Zwei-Elektroden-Sitzbelegungssensors bildet.
Die US 7,521,940 betrifft eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, die in der Lage sind, zu einem Zeitpunkt entweder im Heizmodus oder im Insassenerfassungsmodus zu arbeiten. Die Vorrichtung umfasst ein Sensor-/Heizkissen zum Senden eines Erfassungssignals, eine an einen ersten Knoten des Sensor-/Heizkissens gekoppelte erste Diode, eine an einen zweiten Knoten des Sensor-/Heizkissens gekoppelte zweite Diode, einen an die erste Diode gekoppelten ersten Transistor und einen an die zweite Diode gekoppelten zweiten Transistor. Beim Erfassungsmodus sind der erste und zweite Transistor geöffnet und die Knoten zwischen dem ersten Transistor und der ersten Diode sowie zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Diode in Sperrrichtung vorgespannt, um das Sensor-/Heizkissen von der Energieversorgung der Heizschaltung zu isolieren.
Die US 2009/0295199 offenbart eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, wobei jeder der zwei Knoten des Heizelements über zwei in Reihe geschaltete Transistoren an die Heizenergieversorgung angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann nicht gleichzeitig im Erfassungsmodus und im Heizmodus arbeiten. Wenn sich die Vorrichtung im Erfassungsmodus befindet, werden die Knoten zwischen jedem Transistorpaar mittels jeweiliger Spannungsfolger aktiv auf dem gleichen Potential wie das Heizelement gehalten, um eine etwaige Impedanz der Transistoren bei offenem Schalter zu neutralisieren.
Genau derselbe Gedanke wurde bereits in der US 6,703,845 offenbart. Diese Druckschrift offenbart Induktoren als Alternative zu Transistoren, um eine hohe Impedanz bei der Frequenz des oszillierenden Signals zwischen dem Heizelement und der Energiequelle der Heizschaltung zu erzielen. Wie bei der vorher besprochenen Druckschrift hält ein Spannungsfolger die Zwischenknoten im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie das Heizelement, um die Energieversorgung der Heizschaltung wirksam bei der Frequenz des oszillierenden Signals von dem Heizelement zu isolieren.
Ein Nachteil des in der US 6,703,845 offenbarten Systems besteht darin, dass die Induktoren, die als Wechselstrom-Entkopplungselemente verwendet werden, den gesamten Heizstrom (bis 10 A Gleichstrom und höher) aufnehmen müssen und eine hohe Wechselstromimpedanz gleichzeitig für die kapazitive Messschaltung und die Sitzheizung darstellen. Eine hohe Induktivität und ein hoher Betriebsgleichstrom bedeuten, dass die Induktoren auf große Kerne aufgewickelt werden müssen, die teuer sind. Je nach der aus der US 6,703,845 ausgewählten Anwendung müssen entweder zwei oder vier dieser Induktoren verwendet werden.
Die US 2011/121618 offenbart noch eine andere Variante eines Insassenerfassungssystems, das ein Heizelement angrenzend an die Sitzfläche eines Sitzes umfasst. Eine kapazitive Insassenerfassungsschaltung ist elektrisch an das Heizelement gekoppelt. Eine Gleichtaktdrossel ist zwischen der Heizschaltung und dem Heizelement als eine Isolationsschaltung angeordnet, die verhindert, dass die Heizschaltung die Insassenerfassungsschaltung beeinflusst.
Wenn kapazitive Belegungs- oder Näherungserfassungssysteme ein Heizelement als Antennenelektrode nutzen, wird das Heizelement möglicherweise eine sicherheitsrelevante Komponente. Somit muss eventuell die einwandfreie Funktionsweise des Heizelements überwacht werden, um auszuschließen, dass das kapazitive Belegungs- oder Näherungserfassungssystem falsch abliest.
Technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorgenannte Problem zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Ein kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor umfasst eine Heizschaltung, eine Impedanzmessschaltung und eine Diagnoseschaltung zur Überprüfung der Integrität der Vorrichtung. Die Heizschaltung umfasst ein Heizelement, das zwischen einem ersten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, die zum Anschluss der Heizschaltung an eine Heizstromquelle vorgesehen sind. Die Impedanzmessschaltung ist derart an das Heizelement angeschlossen, dass sie die Impedanz zwischen dem Heizelement und einem Knoten auf Massepotential (z. B. dem Fahrzeugchassis, wenn der Detektor in einem Fahrzeug angeordnet ist) misst. Die Diagnoseschaltung ist gemäß einem Aspekt der Erfindung für die Messung des elektrischen Widerstands über die Heizschaltung zwischen dem ersten und zweiten Knoten konfiguriert und umfasst einen in der Heizschaltung angeordneten Heizstromsensor, der dafür konfiguriert ist, einen Heizstrom (typisch im Bereich von 1 bis 15 A) durch die Heizschaltung zu erfassen; eine an einen von dem ersten und zweiten Knoten angeschlossene Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung eines Diagnosestroms (z. B. im Bereich von 10 bis 100 mA) durch die Heizschaltung; und einen an den anderen von dem ersten und zweiten Knoten angeschlossenen strombegrenzenden Massepfad, der dafür konfiguriert ist, den Diagnosestrom abzuleiten und den Heizstrom zu blockieren.
Es versteht sich, dass die vorgeschlagene Konfiguration eine Diagnose der Heizschaltung gestattet, während diese eingeschaltet (Heizen) und ausgeschaltet ist. Zur Diagnose der Sitzheizschaltung startet die Diagnoseschaltung vorzugsweise, indem sie den Heizstromsensor verwendet, um den durch das Heizelement fließenden Strom zu messen. Nimmt man an, dass der zwischen dem ersten und zweiten Knoten erwartete Strom bekannt ist, wenn der gemessene Strom in einem vordefinierten Bereich liegt, können eine Stromkreisunterbrechung und/oder ein Kurzschluss ausgeschlossen werden und endet die Diagnose. Wenn ein zu hoher Strom erfasst wird, wird davon ausgegangen, dass sich ein Kurzschluss ereignete. Wenn der gemessene Strom unter dem vordefinierten Bereich liegt, kann dies mehrere Ursachen haben: (a) die Sitzheizung ist aus, (b) die Heizschaltung ist unterbrochen oder (a) und (b) zur gleichen Zeit. Um diese Mehrdeutigkeit zu beseitigen, versucht die Stromversorgungsvorrichtung, einen Diagnosestrom durch das Heizelement zu speisen. Da Heizungssteuereinheiten vorhanden sind, die die Hoch- und Niedrigpotentialenden des Heizelements abtrennen, wird ein Massepfad bereitgestellt, über welchen der durch die Stromversorgungsvorrichtung erzeugte Diagnosestrom gegen Masse fließen kann. Wenn der Diagnosestrom wie beabsichtigt fließt (d. h., dass er in dem vordefinierten Bereich umfasst ist), gilt der Heizstrom als intakt für den Zweck der kapazitiven Erfassung. Wenn der Diagnosestrom zu hoch ist, wird vom Auftreten eines Kurzschlusses ausgegangen, und wenn der Diagnosestrom zu niedrig ist, wird angenommen, dass eine Stromkreisunterbrechung auftrat.
Die Diagnoseschaltung ist vorzugsweise für die Messung eines Spannungsabfalls zwischen dem ersten und zweiten Knoten konfiguriert. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Entscheidung darüber, ob ein Kurzschluss und/oder eine Stromkreisunterbrechung auftraten, auf der Grundlage des erfassten Widerstands (berechnet als Verhältnis zwischen Spannungsabfall und gemessenem Strom) erfolgen. Bevorzugter umfasst die Diagnoseschaltung einen an den ersten Knoten angeschlossenen ersten Spannungsabgriff zur Messung einer Spannung am ersten Knoten und einen an den zweiten Knoten angeschlossenen zweiten Spannungsabgriff zur Messung einer Spannung am zweiten Knoten.
Der für den Diagnosestrom vorgesehene Massepfad ist als strombegrenzender Massepfad konfiguriert (beispielsweise als sättigbare Stromsenke oder selbstregelndes Transistornetzwerk, das für kleine Ströme wie z. B. bis 200 mA niederohmig und für höhere Ströme hochohmig ist), um zu verhindern, dass der Heizstrom durch ihn fließt, wenn die Heizung in Betrieb ist.
Das Heizelement umfasst vorzugsweise eine ohmsche Heizung, also beispielsweise einen aus einem Widerstandsmaterial bestehenden Draht oder eine auf ein Substrat aufgedruckte Widerstandsbahn. Das Heizelement kann aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstands (PTC-Material; positive-temperature coefficient material) bestehen, d. h. einem Material, dessen elektrischer Widerstand sich erhöht, wenn ein zunehmender Strom durch es fließt.
Die Stromversorgungsvorrichtung umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Spannungsquelle, und mindestens eines von der Stromversorgungsvorrichtung und dem strombegrenzenden Massepfad umfasst einen Diagnosestromsensor zur Erfassung des Diagnosestroms. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Stromversorgungsvorrichtung eine Stromquelle umfassen.
Die Heizschaltung kann eine Gleichtaktdrossel zur Wechselstromentkopplung des Heizelements von den Hoch- und Niedrigpotentialseiten der Heizstromquelle umfassen. Die Gleichtaktdrossel umfasst eine erste Wicklung, die zwischen dem ersten Knoten und dem Heizelement angeschlossen ist, und eine zweite Wicklung, die zwischen dem Heizelement und dem zweiten Knoten angeschlossen ist.
Der Heizstromsensor könnte dafür konfiguriert werden, einen Spannungsabfall an mindestens einer von der ersten und zweiten Wicklung zu messen. Der Wert des Heizstroms kann in diesem Fall als Verhältnis des Spannungsabfalls zu dem Widerstandswert der Wicklung berechnet werden.
Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft eine Sitzheizung und einen Sitzbelegungssensor in Kombination, die einen wie vorstehend beschriebenen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor umfassen.
Ein anderer bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft eine Lenkradheizung und einen Handzugriffsdetektor in Kombination, die einen wie vorstehend beschriebenen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausgestaltungen anhand der begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: ein schematisches Schaltbild einer kombinierten, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisenden Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
2: ein schematisches Schaltbild einer Variante der Vorrichtung von 1;
3: ein schematisches Schaltbild einer anderen Variante der Vorrichtung von 1;
4: eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugsitzes, der mit einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ausgerüstet ist;
5: eine schematische Zeichnung eines Lenkrads, das mit einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ausgerüstet ist.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 zeigt eine kombinierte, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisende Vorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Die kombinierte, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisende Vorrichtung 10 umfasst ein ohmsches Heizelement 12, das Wärme erzeugt, wenn ein elektrischer Strom durch es fließt. Das Heizelement 12 ist zwischen einem ersten Knoten 14 und einem zweiten Knoten 16, über welchen es an eine Heizstromquelle 18 angeschlossen ist, angeschlossen. Die Heizstromquelle 18 umfasst eine Spannungsquelle 20 (z. B. eine Fahrzeugbatterie), ein Paar elektronisch gesteuerter Schalter 22, 24 (z. B. Transistoren) und eine Steuereinheit 26 (z. B. ein Mikrocontroller), die für das Öffnen und Schließen der Schalter 22, 24 konfiguriert ist. Die Steuereinheit 26 ist an eine Steuerschnittstelle 28 angeschlossen, die einem Benutzer die Möglichkeit bietet, die Heizung ein- und auszuschalten und/oder die gewünschte Heizenergie oder Temperatur einzustellen. Die Steuereinheit 26 ist ferner an einen Temperatursensor 30 angeschlossen. Die Steuereinheit 26 öffnet und schließt die Schalter in Abhängigkeit von den Befehlen des Benutzers (Heizung an oder aus, gewünschte Temperatur) und der vom Temperatursensor 30 erfassten Temperatur. Die Steuereinheit implementiert vorteilhafterweise ein Pulsweitenmodulationsschema, um die gewünschte Heizenergie oder Temperatur zu erzielen.
Das Heizelement 12 dient darüber hinaus als Antennenelektrode eines kapazitiven Sensors 32. Der kapazitive Sensor umfasst einen Oszillator 34, der eine oszillierende Spannung (Wechselspannung) an das Heizelement 12 anlegt. Eine Wechselstromsensor 36 misst den Wechselstrom, der in das Heizelement 12 fließt. Der Wechselstrom hängt von der komplexen Impedanz Z_X (die als Widerstandswert und als Kapazität repräsentiert ist) zwischen dem Heizelement 12 und Masse ab. In der Heizschaltung ist eine Gleichtaktdrossel 38 angeordnet, um den Fluss der Wechselstroms über die Heizstromquelle 18 gegen Masse zu verhindern. Der vom Wechselstromsensor 36 erfasste Wechselstrom wird von einem Mikrocontroller 40 ausgewertet. Da der Wechselstrom von der komplexen Impedanz zwischen Heizelement und Masse abhängt, kann ein leitendes Objekt oder eine Person in der Nähe des Heizelements 12 erkannt werden.
Der kapazitive Sensor umfasst ferner eine Diagnoseschaltung, um insbesondere einen Kurzschluss oder eine Stromkreisunterbrechung zwischen dem ersten 14 und dem zweiten Knoten 16 zu erfassen. Die Diagnoseschaltung umfasst einen Heizstromsensor 42, der in Reihenschaltung mit dem Heizelement 12 zwischen dem ersten Knoten 14 und dem zweiten Knoten 16 angeordnet ist. Der Heizstromsensor 42 ist dafür konfiguriert, den Heizstrom zu messen, den die Heizstromquelle 18 durch das Heizelement 12 speist. Der Mikrocontroller erhält den Messwert (als „I_H” bezeichnet) vom Heizstromsensor 42. Der Mikrocontroller erhält ferner über einen Abgriff 44 die Spannung (als „U₁” bezeichnet) am ersten Knoten 14 sowie über einen Abgriff 46 die Spannung (als „U₂” bezeichnet) am zweiten Knoten 16. Der Mikrocontroller kann somit den elektrischen Widerstand zwischen dem ersten Knoten 14 und dem zweiten Knoten 16 als R = (U₁ – U₂)/I_H berechnen. Die Heizschaltung gilt als korrekt arbeitend, wenn der berechnete Widerstand in einem vordefinierten Bereich (z. B. 0,5 bis 20 Ω) umfasst ist. Wenn ein zu niedriger Widerstand gemessen wird, wird davon ausgegangen, dass ein Kurzschluss auftrat. Wenn ein zu hoher Widerstand gemessen wird, kann daraus noch keine Schlussfolgerung gezogen werden, weil einer oder beide Schalter 22, 24 offen sein könnte. Um diese Mehrdeutigkeit zu beseitigen, ist die Spannungsquelle 48 an den ersten Knoten 14 angeschlossen und eine sättigbare Stromsenke 50 an den zweiten Knoten 16 angeschlossen. Ein Diagnosestromsensor 52 ist in Reihenschaltung mit der Spannungsquelle 48 zur Messung des Stroms (als „I_D” bezeichnet) vorgesehen, der durch die Diagnoseschaltung fließt (die die Spannungsquelle 48, den Teil der Heizschaltung zwischen dem ersten und zweiten Knoten 14, 16 und die sättigbare Stromsenke 50 umfasst). Der Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Knoten wird berechnet als: R = (U₁ – U₂)/I_D. Wenn der berechnete Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Knoten 14, 16 im vordefinierten Bereich umfasst ist, gilt die Heizschaltung als intakt. Wenn der berechnete Widerstand zu hoch ist (über dem vordefinierten Bereich), wird davon ausgegangen, dass eine Stromkreisunterbrechung auftrat. Wenn der berechnete Widerstand zu niedrig ist (unter dem vordefinierten Bereich), wird davon ausgegangen, dass ein Kurzschluss auftrat.
Im Falle eines Kurzschlusses oder einer Stromkreisunterbrechung kann keine zuverlässige Messung der komplexen Impedanz Z_X durchgeführt werden. Der Mikrocontroller 40 ist dafür konfiguriert, jedwede kapazitive Erfassung vorübergehend aufzuheben, wenn diese Situation auftritt, und ein entsprechendes Warnsignal auszugeben.
Es lohnt sich anzumerken, dass die sättigbare Stromsenke 50 den durch sie fließenden Strom auf einen sehr kleinen Wert (z. B. zwischen 10 und 100 mA) begrenzt, um zu verhindern, dass der Heizstrom (mehrere A) über den kapazitiven Sensor gegen Masse fließt und sie zerstört. Der Diagnosestrom und der Heizstrom unterscheiden sich somit um einige Größenordnungen. Der Diagnosestromsensor 52 ist deshalb dafür konfiguriert, kleine Ströme (z. B. in der Größenordnung von Zehnteln mA) zu erfassen, wohingegen der Heizstromsensor 42 dafür konfiguriert ist, große Ströme (z. B. mehrere A) zu erfassen. Die sättigbare Stromsenke 50 gewährleistet darüber hinaus, dass der Diagnosestrom unabhängig vom Zustand der Heizstromquelle fließen kann.
Es ist anzumerken, dass die Spannungsquelle 48 vorzugsweise derart konfiguriert ist, dass sie eine signifikant kleinere Spannung an das Heizelement 12 anlegt als die Heizstromquelle 18. In diesem Fall können die Messungen der Spannungsdifferenz U₁ – U₂ des Heizstroms I_H und des Diagnosestroms I_D gleichzeitig erfolgen, weil der Mikrocontroller 40 auf der Grundlage der erfassten Spannungsdifferenz U₁ – U₂ entscheiden kann, ob die Heizstromquelle an oder aus ist:

– wenn U₁ – U₂ > U_th ist (wobei U_th eine vordefinierte Schwellenspannung zwischen der durch die Spannungsquelle 48 angelegten Spannung und der durch die Heizstromquelle 18 angelegten Spannung ist), muss der Widerstand mittels des Heizstroms, d. h. R = (U₁ – U₂)/I_H, berechnet werden;
– wenn U₁ – U2 < U_th ist, muss der Widerstand mittels des Diagnosestroms, d. h. R = (U₁ – U₂)/I_D, berechnet werden.

Es lohnt sich anzumerken, dass eine Diode 64 verhindert, dass der Heizstrom durch die Spannungsquelle 48 gegen Masse fließt.
2 veranschaulicht eine Variante der kombinierten, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisenden Vorrichtung von 1. Der einzige Unterschied zu der zuvor besprochenen Figur ist die Anordnung des Heizstromsensors 42. Für beliebige weitere Details wird der Leser daher auf die obige Besprechung von 1 verwiesen.
Der Heizstromsensor von 2 umfasst einen Operationsverstärker 54, dessen erster Eingang über einen ersten Widerstand 56 an den zweiten Knoten 16 angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang über ein Paar zweiter Widerstände 58, 58' an das Heizelement 12 angeschlossen ist. Der Operationsverstärker 54 misst also den Spannungsabfall an einer der Wicklungen der Gleichtaktdrossel 38. Der Heizstrom kann deshalb von dem Mikroprozessor als Verhältnis des durch den Operationsverstärker 54 gemessenen Spannungsabfalls zu dem Widerstandswert der Wicklung der Gleichtaktdrossel 38 berechnet werden.
Um jedweden signifikanten Einfluss des Operationsverstärkers auf die kapazitive Messung zu vermeiden, wird das vom Oszillator 34 erzeugte Wechselstromsignal an den Knoten zwischen den Widerständen 58 und 58' angelegt. Der Widerstandswert des Widerstands 58' wird signifikant größer als der Widerstandswert der Wechselstromsensors 36 ausgewählt.
3 zeigt noch eine andere Variante der kombinierten, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisenden Vorrichtung von 1. Der einzige Unterschied zu 1 ist wieder die Anordnung des Heizstromsensors 42. Für beliebige weitere Details wird der Leser auf die obige Besprechung von 1 verwiesen.
Bei der in 3 dargestellten Variante ist der Schalter 22 als Schaltkomponente mit einem Stromerfassungsmerkmal oder einem Stromspiegelmerkmal (z. B. einem entsprechenden MOSFET-Transistor) implementiert. Der Heizstromsensor 42 ist somit in den Schalter 22 integriert. Es lohnt sich anzumerken, dass der Heizstromsensor zusätzlich oder alternativ dazu in den Schalter 24 integriert werden könnte.
4 zeigt schematisch einen Fahrzeugsitz 60, der mit einem kapazitiven Belegungssensor und einer Sitzheizung in Kombination ausgerüstet ist, die als eine kombinierte, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisende Vorrichtung 10 konfiguriert sind.
5 zeigt schematisch ein Lenkrad 62, das mit einem kapazitiven Handzugriffsdetektor und einer Lenkradheizung in Kombination ausgerüstet ist, die als eine kombinierte, eine Heizung und einen kapazitiven Sensor aufweisende Vorrichtung 10 konfiguriert sind.

Claims

Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor (10), umfassend eine Heizschaltung einschließlich eines zwischen einem ersten (14) und einem zweiten (16) Knoten angeschlossenen Heizelements (12), wobei der erste und zweite Knoten das Anschließen der Heizschaltung an eine Heizstromquelle (18) gestatten; eine Impedanzmessschaltung (34, 36, 40), die an das Heizelement angeschlossen ist, um die Impedanz zwischen dem Heizelement und einem Knoten auf Massepotential zu messen; gekennzeichnet durch eine Diagnoseschaltung zur Messung des elektrischen Widerstands über die Heizschaltung zwischen dem ersten und zweiten Knoten, wobei die Diagnoseschaltung Folgendes umfasst: einen in der Heizschaltung angeordneten Heizstromsensor (42), der dafür konfiguriert ist, einen Heizstrom durch die Heizschaltung zu erfassen; eine an einen von dem ersten und zweiten Knoten angeschlossene Stromversorgungsvorrichtung (48) zur Speisung eines Diagnosestroms durch die Heizschaltung; einen an den anderen von dem ersten und zweiten Knoten angeschlossenen strombegrenzenden Massepfad (50), der dafür konfiguriert ist, den Diagnosestrom abzuleiten und den Heizstrom zu blockieren.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsvorrichtung eine Spannungsquelle (48) umfasst und wobei mindestens eines von der Stromversorgungsvorrichtung und dem strombegrenzenden Massepfad einen Diagnosestromsensor (52) zur Erfassung des Diagnosestroms umfasst.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der strombegrenzende Massepfad eine sättigende Stromsenke (50) umfasst.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizschaltung eine Gleichtaktdrossel (38) mit einer ersten und einer zweiten Wicklung umfasst, wobei die erste Wicklung zwischen dem ersten Knoten und dem Heizelement angeschlossen ist und die zweite Wicklung zwischen dem Heizelement und dem zweiten Knoten angeschlossen ist.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach Anspruch 4, wobei der Heizstromsensor (2, 42) dafür konfiguriert ist, einen Spannungsabfall an mindestens einer von der ersten und zweiten Wicklung zu messen.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stromversorgungsvorrichtung eine Stromquelle umfasst.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Diagnoseschaltung dafür konfiguriert ist, einen Spannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Knoten zu messen.
Kapazitiver Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Diagnoseschaltung einen an den ersten Knoten angeschlossenen ersten Spannungsabgriff (44) zur Messung einer Spannung am ersten Knoten und einen an den zweiten Knoten angeschlossenen zweiten Spannungsabgriff (46) zur Messung einer Spannung am zweiten Knoten umfasst.
Sitzheizung und Sitzbelegungssensor in Kombination (4), umfassend einen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8.
Lenkradheizung und Handzugriffsdetektor in Kombination (5), umfassend einen kapazitiven Belegungs- oder Näherungsdetektor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8.