DE112014000714T5

DE112014000714T5 - Kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE112014000714T5
Application number: DE112014000714.5T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch; Michael Puetz; Frank Althaus; Michael Virnich; David Hoyer; Andreas Petereit; Thomas Meyers
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-10-29
Also published as: LU92149B1; US9731627B2; WO2014122197A1; US20150367751A1

Abstract

Ein kapazitiver Sensor (12) für einen Fahrzeugsitz (10) weist eine Antennenelektrode (16) und eine Steuer- und Auswerteschaltung (14) auf, die wirksam mit der Antennenelektrode verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist dafür konfiguriert, in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, in dem sie einen zwischen der Antennenelektrode und Masse fließenden elektrischen Wechselstrom misst. Der kapazitive Sensor weist einen Sitzgestellanschluss (38) zum Anschließen der Steuer- und Auswerteschaltung an das Sitzgestell (20) des Fahrzeugsitzes auf. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist dafür konfiguriert, in einem zweiten Betriebsmodus zu arbeiten, in dem sie in den Sitzgestellanschluss fließenden elektrischen Strom misst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen kapazitiven Sensor, z. B. zum Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person auf einem Sitz (Sitzbelegungserkennung) oder der Anwesenheit oder Abwesenheit der Hand einer Person auf dem Lenkrad eines Autos (Erkennung einer Handberührung).
Stand der Technik
Kapazitive Sensoren haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung der Anwesenheit und/oder der Position eines leitfähigen Körpers in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff "kapazitiver Sensor" einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Erfassten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands, usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor weist mindestens eine Messelektrode auf, die identisch zu Sendeantennenelektroden oder dazu verschieden sein kann, 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 distinkten Mechanismen, die er als "loading mode" (Lademodus), "shunt mode" (Parallelmodus), und "transmit mode" (Sendemodus) bezeichnet, was verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entspricht. Im "Lademodus" wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Der zu messende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im "Parallelmodus”, der alternativ auch als “Kopplungsmodus” bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an eine Empfängerelektrode aufgebaut wird, und der an der Empfängerelektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem gemessenen Körper ab. Im "Sendemodus" wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Berührung gebracht, der dann zu einem Sender in Bezug auf einen Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
Die kapazitive Kopplungsstärke wird im Allgemeinen bestimmt, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Masse (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker gemessen werden, der an die Messelektrode angeschlossen ist und den in die Messelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zum Strom umwandelt.
Wenn ein kapazitiver Sensor zur Belegungserkennung in einem Fahrzeugsitz verwendet wird, hängt die Impedanz zwischen der Antennenelektrode und Masse nicht nur von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Insassen auf dem Sitz, sondern auch von anderen leitfähigen Körpern in der Nähe der Antennenelektrode ab. Einer dieser leitfähigen Körper ist das (typischerweise aus Metall gefertigte) Sitzgestell. Je nach Fahrzeugmodell kann das Sitzgestell elektrisch mit dem Fahrzeugrahmen verbunden sein oder nicht, und dies hat einen Einfluss auf die gemessene Impedanz zwischen der Antennenelektrode und Masse.
Die US 2007/0192007 A1 offenbart ein Insassenklassifizierungssystem, welches eine sogenannte "identifizierende" und "überwachende" Schaltung umfasst, die dafür konfiguriert ist zu erkennen, ob die Sitzschale, das Rücksitzgestell und das Sitzheizungselement über eine Anschlussmasse auf Masse liegen.
Aufgabenstellung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Sensor für einen Fahrzeugsitz zur Verfügung zu stellen, der dafür konfiguriert ist, zu überwachen, ob das Sitzgestell auf Masse liegt. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Es wird ein kapazitiver Sensor für einen Fahrzeugsitz vorgeschlagen, der eine Antennenelektrode zur Anordnung in dem Fahrzeugsitz und eine Steuer- und Auswerteschaltung, die mit der Antennenelektrode wirksam verbunden ist, umfasst. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist dafür konfiguriert, in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, in welchem die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, elektrischen Wechselstrom zu messen, der zwischen der Antennenelektrode und Masse fließt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der kapazitive Sensor einen Sitzgestellanschluss zum Verbinden der Steuer- und Auswerteschaltung mit dem Sitzgestell des Fahrzeugsitzes und zum vorübergehenden Koppeln einer Messschaltung der Steuer- und Auswerteschaltung an das Sitzgestell des Fahrzeugsitzes über den Sitzgestellanschluss. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist dafür konfiguriert, in einem zweiten Betriebsmodus zu arbeiten, in welchem die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, elektrischen (Wechsel)strom zu messen, der in den Sitzgestellanschluss fließt. Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff "Sitzgestell" Gestellabschnitte in der Rückenlehne des Sitzes und/oder Gestellabschnitte in dem Sitzabschnitt von diesem, z. B. der Sitzschale, falls der Sitz eine solche umfasst.
Es sei angemerkt, dass im ersten Betriebsmodus, d. h. im Messmodus, der Sitzgestellanschluss vorzugsweise von der Messschaltung der Steuer- und Auswerteschaltung abgekoppelt (und z. B. an Masse gekoppelt) ist, so dass der Sitzgestellanschluss das Messsignal in diesem Betriebsmodus nicht beeinflusst. Im zweiten Betriebsmodus, d. h. im Diagnosemodus, ist er mit der Messschaltung wirksam verbunden, so dass der in den Sitzgestellanschluss fließende Strom gemessen werden kann. Wie ersichtlich ist, ist es durch Messung des in den Sitzgestellanschluss fließenden elektrischen Stroms möglich zu überprüfen, ob das Sitzgestell über eine eigene Verbindung zu Masse verfügt. Somit wird, falls der in den Sitzgestellanschluss fließende elektrische Strom gewisse Kriterien erfüllt (z. B. in Bezug auf Amplitude und Phase), das Sitzgestell als an Masse gebunden angesehen.
Vorzugsweise umfasst die Steuer- und Auswerteschaltung einen Oszillator und einen Transimpedanzverstärker mit einem Referenzeingang, einem Stromsignaleingang, der wirksam an die Antennenelektrode gekoppelt werden kann, und einem Ausgang, wobei der Oszillator an den Referenzeingang angeschlossen ist, um die Wechselspannung an diesen anzulegen, wobei der Transimpedanzverstärker dafür konfiguriert ist, einen Wechselstrom derart in den Stromsignaleingang einzuspeisen, dass ein Spannungsunterschied zwischen dem Referenzeingang und dem Stromsignaleingang im Wesentlichen aufgehoben und eine den Wechselstrom anzeigende Spannung an dem Ausgang ausgegeben wird. Der Stromsignaleingang des Transimpedanzverstärkers ist vorzugsweise wirksam an die Antennenelektrode gekoppelt, um den Wechselstrom in die Antennenelektrode einzuspeisen. Der Wechselstrom kann z. B. durch eine induktive Kopplung (d. h. über einen Transformator), eine kapazitive Kopplung (über einen Kondensator) und/oder eine direkte Kopplung (z. B. durch Verdrahtung) eingespeist werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der kapazitive Sensor eine Schaltvorrichtung, die dafür konfiguriert und angeordnet ist, den Sitzgestellanschluss abwechselnd mit einem Masseleiter und mit dem Referenzeingang zu verbinden. Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteschaltung, wenn sie sich im zweiten Betriebsmodus befindet und falls der gemessene elektrische Strom, der in den Sitzgestellanschluss fließt, nicht die Kriterien erfüllt, aus denen geschlossen werden kann, dass das Sitzgestell an Masse gebunden ist, dafür konfiguriert, folgende Schritte auszuführen:

a) Messen von zwischen der Antennenelektrode und Masse fließendem elektrischem Wechselstrom und dabei Verbinden des Sitzgestellanschlusses mit dem Masseleiter unter Verwendung der Schaltvorrichtung und
b) Messen von zwischen der Antennenelektrode und Masse fließendem elektrischem Wechselstrom und dabei Verbinden des Sitzgestellanschlusses mit dem Referenzeingang unter Verwendung der Schaltvorrichtung.

Die Steuer- und Auswerteschaltung ist vorzugsweise dafür konfiguriert zu bestimmen, ob zumindest ein Weg zur Masse für das Sitzgestell verfügbar ist, und zwar auf Grundlage der Messungen gemäß a) und b), und ein Fehlersignal auszugeben, wenn bestimmt wird, dass kein Weg zur Masse für das Sitzgestell verfügbar ist.
Wie ersichtlich ist, kann, falls der in den Sitzgestellanschluss fließende elektrische Strom gering ist, dies zwei Ursachen haben (welche gleichzeitig auftreten können): 1) das Sitzgestell hat selbst keine oder nur eine schlechte Verbindung zur Masse und/oder 2) der Sitzgestellanschluss ist unterbrochen oder schlecht mit dem Sitzgestell verbunden. Durch Vergleichen der elektrischen Wechselströme, die in die Antennenelektrode fließen, wenn der Sitzgestellanschluss auf Masse liegt und wenn er mit einer Spannung angetrieben wird, die die gleiche Amplitude und Phase aufweist wie die Spannung an der Antennenelektrode, erkennt die Steuer- und Auswerteschaltung, ob der Sitzgestellanschluss mit dem Sitzgestell verbunden ist. Falls der Unterschied zwischen den gemäß a) und b) gemessenen Strömen erheblich von dem erwarteten Wert abweicht, erkennt die Steuer- und Auswerteschaltung einen Fehler (Unterbrechung des Drahts zwischen dem Sitzgestell und dem Sitzgestellanschluss) und reagiert infolgedessen, z. B. durch Ausgabe eines Fehlersignals, welches irgendeine Anwendereinrichtung (wie z. B. einem Airbagsystem, einem Sicherheitsgurtspanner, einer Warnlampe usw.) darüber informiert, dass der kapazitive Sensor defekt ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuer- und Auswerteschaltung einen Strommesser, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, in den Sitzgestellanschluss fließenden elektrischen Strom zu messen. Der Strommesser kann z. B. ein zwischen dem Oszillator und dem Sitzgestellanschluss angeordnetes Impedanzglied und einen Spannungsdetektor umfassen, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, eine Spannung durch das Impedanzglied zu messen. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff "Impedanzglied" einen Widerstand, einen Kondensator, einen Induktor oder irgendeine Kombination von diesen Komponenten.
Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Fahrzeugsitz, der einen kapazitiven Sensor wie vorstehend beschrieben aufweist.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein kombiniertes Heiz- und kapazitives Messystem, aufweisend einen kapazitiven Sensor wie vorstehend beschrieben, wobei das Heizelement sowohl zum Heizen als auch als die Antennenelektrode des kapazitiven messenden Untersystems dient. Noch ein weiterer bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft somit einen Fahrzeugsitz, der ein kombiniertes Heiz- und kapazitives Messsystem nach Anspruch 10 aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines Autositzes ist, der mit einem kapazitiven Sensor nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist;
2 ein schematisches Diagramm der Schaltung des kapazitiven Sensors aus 1 ist;
3 eine schematische Ansicht eines Autositzes ist, der mit einer kombinierten Heiz- und kapazitiven Messvorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist;
4 ein schematisches Diagramm der Schaltung der kombinierten Heiz- und kapazitiven Messvorrichtung nach 3 ist.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die 1 und 2 veranschaulichen eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche ein Autositz 10 ist, der einen kapazitiven Sensor 12 umfasst. Der kapazitive Sensor 12 umfasst ein elektronisches Steuermodul 14, welches die Steuer- und Auswerteschaltung des kapazitiven Sensors 12 implementiert, und eine Antennenelektrode 16, die zwischen der Abdeckung und der Schaumpolsterung des Sitzabschnitts 18 des Autositzes 10 angeordnet ist. Der Autositz 10 hat einen Stützrahmen, von welchem der Übersichtlichkeit der Zeichnungen halber nur die Sitzschale 20 gezeigt ist.
Der kapazitive Sensor 12 ist dafür konfiguriert, den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes 10 basierend auf der elektrischen Impedanz zwischen der Antennenelektrode 16 und Masse zu erkennen. Falls ein Insasse auf dem Fahrzeugsitz 10 anwesend ist, überbrückt er oder sie einen Teil des Spalts zwischen der Antennenelektrode und der Fahrzeugkarosserie (welche auf Massepotential liegt) und erhöht somit die Kapazität des Kondensators, der durch die Antennenelektrode 16 und die Fahrzeugkarosserie als Gegenelektrode gebildet ist. Der kapazitive Sensor erkennt die Änderung der Kapazität als Teil der komplexen Impedanz zwischen der Antennenelektrode und Masse. Ein Teil der komplexen Impedanz zwischen der Antennenelektrode und Masse hängt auch von der Geometrie des Sitzgestells ab sowie davon, ob das Sitzgestell auf Masse liegt oder nicht („schwebend"). Demnach müssen Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass das Sitzgestell in dem Zustand bleibt (auf Masse liegend oder schwebend), für welchen der kapazitive Sensor kalibriert wurde. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass der kapazitive Sensor zur Verwendung mit einem Sitz mit einem auf Masse liegenden Sitzgestell kalibriert ist. Es sei angemerkt, dass gewisse Autositze keine Sitzschale 20 haben (das Sitzpolster kann in diesem Fall von Federn getragen sein), aber dies ändert nichts an der Tatsache, dass der Zustand des Sitzgestells überwacht werden muss.
Der kapazitive Sensor 12 umfasst somit eine Sitzgestellverbindung, die durch Draht mit dem Sitzgestell verbunden ist (in 1: mit der Sitzschale 20 als Teil des Sitzgestells). Das elektronische Steuermodul 14 ist dafür konfiguriert, zu gegebener Zeit zu bestimmen, ob das Sitzgestell richtig auf Masse liegt.
2 zeigt einen schematischen Schaltplan des kapazitiven Sensors 12. Die Steuer- und Auswerteschaltung (implementiert durch das elektronische Steuermodul 14) ist durch ein geschirmtes Kabel 22 (z. B. ein Koaxialkabel) mit der Antennenelektrode 16 verbunden, welches einen Kernleiter (Innenleiter) 24 und einen Abschirmleiter (Rohrabschirmung) 26 umfasst, der den Kernleiter 24 umgibt und elektrisch von diesem isoliert ist. Der Kernleiter 24 ist wirksam mit dem Stromsignaleingang 28.1 des Transimpedanzverstärkers 28 verbunden, während der Abschirmleiter 26 wirksam mit dem Referenzeingang 28.2 des Transimpedanzverstärkers 28 verbunden ist. Eine Wechselspannungsquelle 30 (z. B. ein numerisch gesteuerter Oszillator) ist mit dem Referenzeingang 28.2 verbunden, um an diesen eine Wechselspannung anzulegen. Der Transimpedanzverstärker 28 ist dafür konfiguriert, einen Strom in seinen Stromsignaleingang 28.1 einzuspeisen, so dass der Spannungsunterschied zwischen dem Referenzeingang 28.2 und dem Stromsignaleingang 28.1 im Wesentlichen aufgehoben wird. Die an dem Ausgang 28.3 des Transimpedanzverstärkers 28 erzeugte Spannung zeigt den Strom an, der in den oder aus dem Stromsignaleingang 28.1 fließt. Das elektronische Steuermodul 14 umfasst ferner einen Schalter 34, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, eine normative Impedanz 36 elektrisch parallel zu der Impedanz zwischen der Antennenelektrode 16 und Masse zu schalten. Das elektronische Steuermodul 14 ist über einen Sitzgestellanschluss 38 mit dem Sitzgestell (hier als Sitzschale 20 dargestellt) verbunden. Eine Schaltvorrichtung 40 ist zum Verbinden des Sitzgestellanschlusses 38 entweder mit Masse oder mit dem Referenzeingang 28.2 des Transimpedanzverstärkers 28 vorgesehen.
Der Ausgang 28.3 des Transimpedanzverstärkers 28 ist mit einem Mikrokontroller 32 verbunden. Der Mikrokontroller 32 steuert den Betrieb des numerisch gesteuerten Oszillators 30, des Schalters 34, der Schaltvorrichtung 40 und misst den Spannungsabfall durch den Widerstand 42 über die Spannungsabgriffe 44 und 46. Das elektronische Steuermodul 14 führt verschiedene Betriebsmodi aus.
– Messmodus
Im Messmodus hält der Mikrokontroller die Schalter 34 und 40.1 geöffnet und den Schalter 40.2 geschlossen. Der Abschirmleiter ist somit an den Referenzeingang 28.2 des Transimpedanzverstärkers 28 gekoppelt. Der Oszillator 30 gibt eine Wechselspannung (z. B. im Frequenzbereich von 50 bis 600 kHz) aus. Der Transimpedanzverstärker 28 versucht, seinen Stromsignaleingang 28.1 auf dem gleichen elektrischen Potential zu halten wie den Referenzeingang 28.2, was bedeutet, dass die Spannungen an den Transimpedanzverstärkereingängen 28.1 und 28.2 im Wesentlichen die gleiche Frequenz, Amplitude und Phase aufweisen. Die Wechselspannung wird über den Kernleiter 24 des geschirmten Kabels 22 an die Antennenelektrode 16 geleitet. Da der Abschirmleiter 26 und der Kernleiter 24 des geschirmten Kabels 22 das gleiche elektrische Potential haben, wird die Kapazität des geschirmten Kabels 22 im Wesentlichen ausgeglichen, d. h. während des Messmodus fließt kein Wechselstrom zwischen dem Kernleiter 24 und dem Abschirmleiter 26. Daraus folgt, dass außer unvermeidlichen, aber geringen Verlusten der gesamte Wechselstrom, der durch den Kernleiter 24 eingespeist wird, über die komplexe Impedanz Z_x zwischen Antennenelektrode 16 und Masse zur Masse fließt. Die komplexe Impedanz Z_x umfasst eine variable Komponente (einschließlich aller Variationen der Impedanz, die durch Änderungen des Belegungszustands verursacht werden), in 2 als ein Widerstand 48 und eine Kapazität 50 gezeigt, und eine (theoretisch) konstante Komponente, die als Kapazität 52 dargestellt ist. Die konstante Komponente hängt weitgehend von der Konfiguration des Sitzes ab, insbesondere von der Gestaltung des Sitzgestells. Wenn sich die komplexe Impedanz Z_x ändert (z. B. weil sich ein Sitzinsasse hinsetzt), ändert sich der von dem Transimpedanzverstärker 28 zugeführte Wechselstrom entsprechend, was sich wiederum in der Wechselspannung am Ausgang 28.3 des Transimpedanzverstärkers 28 widerspiegelt. Die komplexe Impedanz kann als Z_X = U_osc/I_TIA berechnet werden, wobei U_osc die komplexe, vom Oszillator 30 ausgegebene Spannung ist und I_TIA der komplexe Strom ist, der in den Stromeingangsknoten 28.1 des Transimpedanzverstärkers 28 fließt. Bei I_TIA = αU_out, wobei α ein Proportionalitätsfaktor und U_out die vom Transimpedanzverstärker 28 ausgegebene Spannung ist, erhält man schließlich Z_X durch: Z_x = U_osc/(αU_out).
Basierend auf dem Messwert der komplexen Impedanz Z_x kann der Mikrokontroller z. B. den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes 10 bestimmen. Falls jedoch nicht garantiert werden kann, dass das Sitzgestell auf Masse liegt (falls der Leiter 56 unterbrochen ist), kann der Messwert der komplexen Impedanz eine unbekannte komplexe Abweichung haben, der die Bestimmung des Belegungszustands beeinflussen kann.
– Kalibriermodus
Um den vorstehend erwähnten Proportionalitätsfaktor α zu eliminieren oder bestimmen, wird die im Messmodus durchgeführte Messung wiederholt, während eine normative Impedanz Z_norm parallel zur unbekannten Impedanz Z_x hinzugefügt wird. In 1 ist die normative Impedanz Z_norm als ein Widerstand 34 mit bekanntem Widerstand dargestellt, es könnte jedoch ebenso gut ein Kondensator verwendet werden. Um die normative Impedanz Z_norm parallel zu der unbekannten Impedanz Z_x hinzuzufügen, schließt der Mikrokontroller 32 den Schalter 34. Die Schaltvorrichtung 40 bleibt in dem gleichen Zustand wie im Messmodus.
Es folgt aus Z_norm/Z_x = I_x/I_norm, wobei I_x der komplexe Strom durch Z_x und I_norm der komplexe Strom durch Z_norm ist, und aus I_tot = I_x + I_norm folgt, dass Z_x = Z_norm(I_tot – I_x)/I_x. Wenn U_out,1 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 28 im Messmodus und U_out,2 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 28 im Kalibriermodus ist, erhält man Z_x = Z_norm(αU_out,2 – αU_out,1)/(αU_out,1), wobei der Proportionalitätsfaktor α aufgehoben wird: Z_x = Z_norm(U_out,2 – U_out,1)/U_out,1.
– Erdungsdiagnosemodus
Wie in 2 zu sehen ist, kann, falls die Verbindung zwischen dem Sitzgestellanschluss 38 und dem Sitzgestell defekt ist, das elektronische Steuermodul 14 nicht erkennen, ob das Sitzgestell auf Masse liegt (über den Masseleiter 54 oder über den Schalter 40.2). Wie vorstehend angegeben, könnte der Belegungszustand falsch bestimmt werden, falls er auf der Annahme basiert, dass das Sitzgestell auf Masse liegt, obwohl es dies aber tatsächlich nicht ist.
Im Diagnosemodus schließt der Mikrokontroller zunächst den Schalter 40.1 und öffnet den Schalter 40.2. Der Schalter 34 ist geöffnet. Der Sitzgestellanschluss ist somit über den Widerstand 42 mit dem Ausgang des Oszillators 30 verbunden. Falls das Sitzgestell über den Masseleiter 54 an Masse gebunden ist und der Sitzgestellanschluss über den Leiter 56 mit dem Sitzgestell verbunden ist, fließt Strom durch den Widerstand 42. Dies führt zu einem Spannungsabfall, der von dem Mikrokontroller 32 über die Spannungsabgriffe 44 und 46 gemessen wird. Falls der gemessene Spannungsabfall ausreichend hoch ist, kann das Sitzgestell als an Masse gebunden angenommen werden und das elektronische Steuermodul kann in den Messmodus umschalten. Falls jedoch der Mikrokontroller 32 keinen oder einen zu geringen Spannungsabfall misst, zeigt dies an, dass der Masseleiter 54 und/oder der Leiter 56 unterbrochen oder schlecht verbunden ist. Falls diese Situation eintritt, wird ein weiterer Test ausgeführt, um zu erkennen, ob die Verdrahtung zwischen dem Sitzgestellanschluss 38 und dem Sitzgestell intakt ist.
Dieser Test umfasst a) das Messen des elektrischen Wechselstroms, der zwischen der Antennenelektrode 16 und Masse fließt, während der Sitzgestellanschluss 38 unter Verwendung der Schaltvorrichtung 40 mit dem Masseleiter 58 verbunden ist (d. h. wenn der Schalter 40.1 geöffnet und der Schalter 40.2 geschlossen ist); und b) das Messen des elektrischen Wechselstroms, der zwischen der Antennenelektrode 16 und Masse fließt, während der Sitzgestellanschluss 38 unter Verwendung der Schaltvorrichtung 40 mit dem Referenzeingang 28.2 des Transimpedanzverstärkers verbunden ist (d. h. wenn der Schalter 40.1 geschlossen und der Schalter 40.2 geöffnet ist). Wenn dieser Test durchgeführt wird, wird angenommen, dass wenigstens einer der Leiter 54 und 56 defekt ist. Angenommen, dass nur der Leiter 54 defekt ist (hochohmig), verhält sich das Sitzgestell wie eine angetriebene Abschirmelektrode in Situation b), was impliziert, dass kein oder nur ein geringer komplexer Strom zwischen der Antennenelektrode 16 und dem Sitzgestell fließt (d. h. durch die Kapazität 52 in 2), während in Situation a) das Sitzgestell über den Leiter 56 auf Masse liegt. Daher entspricht der Unterschied der gemessenen Ströme in den Situationen a) bzw. b) dem Strom zur Masse durch das Sitzgestell. Falls ∆U_out den Unterschied der Ausgangsspannungen des Transimpedanzverstärkers 28 in den Situationen a) und b) bezeichnet, kann der Strom zur Masse durch das Sitzgestell (mit I_sf bezeichnet) als I_sf = α∆U_out berechnet werden (wobei α der oben eingeführte Proportionalitätsfaktor ist). Die komplexe Impedanz Z_sf zwischen der Antennenelektrode 16 und dem Sitzgestell kann als Z_sf = U_osc/l_sf = U_osc/(α∆U_out) berechnet werden. Falls der Leiter 56 defekt, aber der Leiter 54 in Ordnung ist, ist das Sitzgestell in beiden Situationen a) und b) an Masse gebunden, was impliziert, dass ∆U_out klein sein wird. Falls beide Leiter 54 und 56 defekt sind, schwebt das Sitzgestell in beiden Situationen a) und b), was auch zu einem kleinen Spannungsunterschied ∆U_out führt. Es folgt, dass der Mikrokontroller 32 den Spannungsunterschied ∆U_out als einen Indikator für den intakten Zustand des Leiters 56 verwenden kann. Insbesondere betrachtet der Mikrokontroller 32 den Test als bestanden, falls ∆U_out einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt und anderweitig versagt hat. Er gibt eine Fehlermeldung an seinem Ausgang 60 aus, falls der Test nicht bestanden wurde, um irgendeine Anwendereinrichtung (Warnlampe, Airbag-Aufblassystem, Sicherheitsgurterinnerung oder dergleichen) zu informieren, dass der kapazitive Sensor 12 nicht korrekt arbeitet. Die Fehlermeldung kann den Grund für den Fehler anzeigen ("schlechte Sitzerdung"), was nützlich ist, falls der Mikroprozessor dafür konfiguriert ist, andere Fehler zu erkennen.
3 zeigt einen Autositz 110, der mit einer kombinierten Heiz- und kapazitiven Sensorvorrichtung 100 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist. Die kombinierte Heiz- und kapazitive Sensorvorrichtung 100 ist in dem Sitzabschnitt 118 des Fahrzeugsitzes 110 angeordnet. 4 zeigt schematisch die Schaltung der kombinierten Heiz- und kapazitiven Sensorvorrichtung 100.
Die kombinierte Heiz- und kapazitive Sensorvorrichtung 100 umfasst ein ohmsches Heizelement 116, welches Wärme erzeugt, wenn ein elektrischer Strom hindurch fließt. Das Heizelement 116 ist zwischen einem ersten Knoten 186 und einem zweiten Knoten 188 des elektronischen Steuermoduls 114 eines kapazitiven Sensors 112 angeschlossen, über welchen es mit einer Heizstromquelle 162 verbunden ist. Die Heizstromquelle 162 umfasst eine Spannungsquelle 164 (z. B. eine Autobatterie), ein Paar von elektronisch gesteuerten Schaltern 166, 168 (z. B. Transistoren) und eine Steuereinheit 170 (z. B. einen Mikrokontroller), die dafür konfiguriert ist, die Schalter 166, 168 zu öffnen und zu schließen. Die Steuereinheit 170 ist mit einer Steuerschnittstelle 172 verbunden, welche es einem Benutzer ermöglicht, die Heizung ein- und auszuschalten und/oder die gewünschte Heizenergie oder Temperatur einzustellen. Die Steuereinheit 170 ist ferner mit einem Temperatursensor 174 verbunden. Die Steuereinheit 170 öffnet und schließt die Schalter 166, 168 je nach den Befehlen des Benutzers (Heizung an oder aus, gewünschte Heizenergie oder gewünschte Temperatur) und der von dem Temperatursensor 174 gemessenen Temperatur. Vorteilhafterweise implementiert die Steuereinheit 170 ein Pulsdauermodulationsschema, um die gewünschte Heizenergie oder Temperatur zu erreichen.
Das Heizelement 116 dient des Weiteren als eine Antennenelektrode eines kapazitiven Sensors 112. Der kapazitive Sensor 112 umfasst eine Steuer- und Auswerteschaltung (elektronisches Steuermodul 114), wie in 4 schematisch gezeigt. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist mit dem Heizelement 116 (Antennenelektrode) durch ein geschirmtes Kabel 122 (z. B. ein Koaxialkabel) verbunden, welches ein Paar von Kernleitern (Innenleiter) 124, 124' und einen Abschirmleiter (Rohrabschirmung) 126 umfasst, der die Kernleiter 124, 124' umgibt und elektrisch von diesen isoliert ist. Die Kernleiter 124, 124' sind wirksam mit dem Stromsignaleingang 128.1 eines Transimpedanzverstärkers 128 verbunden, während der Abschirmleiter 126 über die Schaltvorrichtung 176 wirksam mit dem Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers 128 verbunden ist. Eine Wechselspannungsquelle 130 (z. B. ein numerisch gesteuerter Oszillator) ist mit dem Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers 128 verbunden, um an diesen eine Wechselspannung anzulegen. Der Transimpedanzverstärker 128 ist dafür konfiguriert, einen Strom in seinen Stromsignaleingang 128.1 einzuspeisen, so dass der Spannungsunterschied zwischen dem Referenzeingang 128.2 und dem Stromsignaleingang 128.1 im Wesentlichen aufgehoben wird. Die an dem Ausgang 128.3 des Transimpedanzverstärkers 128 erzeugte Spannung zeigt den Strom an, der in den oder aus dem Stromsignaleingang 128.1 fließt.
Eine Gleichtaktdrossel 180 verbindet die Anschlüsse des Heizelements 116 mit den entsprechenden Anschlüssen der Heizstromquelle 162. Die Gleichtaktdrossel 180 hat eine wesentlich geringere Impedanz gegenüber Differenzströmen (deren induzierte Magnetfelder sich im Wesentlichen im Kern der Gleichtaktdrossel 180 aufheben), wie dem Heizstrom, als gegenüber Gleichtaktströmen, wie dem Wechselstrom, der durch das elektronische Steuermodul 114 in das Heizelement 116 eingespeist wird. Die Verbindungsanschlüsse 190, 192 der Heizstromquelle 162 sind über Kopplungskondensatoren 194, 196 an Masse wechselstromgekoppelt. Diese garantieren, dass die Seite der Gleichtaktdrossel 180, die von dem Heizelement 116 weg weist, auf einem definierten Wechselstrompotential gehalten wird (d. h. Wechselstromerdung).
Das elektronische Steuermodul 114 umfasst ferner einen Schalter 134, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, eine normative Impedanz 136 elektrisch parallel zu der Impedanz zwischen Antennenelektrode 116 und Masse zu schalten. Das elektronische Steuermodul 114 ist über einen Sitzgestellanschluss 138 mit dem Sitzgestell (hier als Sitzschale 120 dargestellt) verbunden. Eine Schaltvorrichtung 140 ist zum Verbinden des Sitzgestellanschlusses 138 abwechselnd mit Masse oder mit dem Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers 128 vorgesehen.
Der Ausgang 128.3 des Transimpedanzverstärkers 128 ist mit einem Mikrokontroller 132 verbunden. Der Mikrokontroller 132 steuert den Betrieb des numerisch gesteuerten Oszillators 130, des Schalters 134, der Schaltvorrichtungen 140, 176 und misst den Spannungsabfall durch den Widerstand 142 über die Spannungsabgriffe 144 und 146. Das elektronische Steuermodul 114 führt verschiedene Betriebsmodi aus.
– Messmodus
Im Messmodus hält der Mikrokontroller 132 die Schalter 140.1, 176.1 und 134 geöffnet und die Schalter 140.2 und 176.2 geschlossen. Der Abschirmleiter 126 ist somit an den Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers 128 wechselstromgekoppelt und das Sitzgestell ist an Masse gebunden. Der Oszillator 130 gibt eine Wechselspannung (z. B. im Frequenzbereich von 50 bis 750 kHz) aus. Der Transimpedanzverstärker 128 versucht, den Stromeingangsknoten 128.1 auf dem gleichen elektrischen Potential zu halten wie den Referenzeingang 128.2, was bedeutet, dass die Spannungen an den Transimpedanzverstärkereingängen 128.1 und 128.2 im Wesentlichen die gleiche Frequenz, Amplitude und Phase aufweisen. Die Wechselspannung wird über die Kernleiter 124, 124‘ des geschirmten Kabels 122 an das Heizelement 116 angelegt. Wegen des Kopplungskondensators 178 werden beide Enden des Heizelements 116 auf dem gleichen Wechselstrompotential gehalten. Das Gleichstrompotential ist jedoch anders, falls die Heizstromquelle 162 eingeschaltet ist. Da der Abschirmleiter 126 und die Kernleiter 124, 124‘ des geschirmten Kabels 122 das gleiche elektrische Wechselstrompotential haben, wird die Kapazität des geschirmten Kabels 122 im Wesentlichen ausgeglichen, d. h. im Messmodus fließt kein Wechselstrom zwischen den Kernleitern 124, 124‘ und dem Abschirmleiter 126. Es sei angemerkt, dass die Gleichtaktdrossel 180, deren erste Wicklung 182 zwischen der Hochspannungsseite der Heizstromquelle 162 und der Hochspannungsseite (Gleichstrom) des Heizelements 116 angeschlossen ist und deren zweite Wicklung 184 zwischen der Niederspannungsseite (Gleichstrom) des Heizelements 116 und der Niederspannungsseite der Heizstromquelle 162 angeschlossen ist, im Wesentlichen verhindert, dass der über den Stromsignaleingang 128.1 eingespeiste Wechselstrom über die Heizstromquelle 162 gegen Masse fließt. Daraus folgt, dass außer unvermeidlichen, aber geringen Verlusten der gesamte Wechselstrom, der in die Kernleiter 124, 124‘ eingespeist wird, über die komplexe Impedanz Z_x zwischen Heizelement 116 und Masse gegen Masse fließt. Wenn sich die komplexe Impedanz Z_x also ändert (z. B. weil sich ein Sitzinsasse auf den Sitz setzt), ändert sich der von dem Transimpedanzverstärker 128 zugeführte Wechselstrom entsprechend, was sich wiederum in der Wechselspannung am Ausgang 128.3 des Transimpedanzverstärkers 128 widerspiegelt. Die komplexe Impedanz kann als Z_x = U_osc/I_TIA berechnet werden, wobei U_osc die komplexe Spannung ist, die durch den Oszillator 130 ausgegeben wird, und I_TIA der komplexe Strom ist, der in den Stromsignaleingang 128.1 des Transimpedanzverstärkers 128 fließt. Bei I_TIA = αU_out, wobei α ein Proportionalitätsfaktor und U_out die durch den Transimpedanzverstärker 128 ausgegebene Spannung ist, erhält man Z_x durch: Z_x = U_osc/(αU_out).
Basierend auf dem Messwert der komplexen Impedanz kann der Mikrokontroller 132 z. B. den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes 110 bestimmen.
– Kalibriermodus
Um den Proportionalitätsfaktor α zu eliminieren oder zu bestimmen, wird die im Messmodus durchgeführte Messung wiederholt, während eine normative Impedanz Z_norm parallel zur unbekannten Impedanz Z_x hinzugefügt wird. In 3 ist die normative Impedanz Z_norm als ein Widerstand mit bekanntem Widerstand dargestellt, es könnte jedoch ebenso gut ein Kondensator verwendet werden. Um die normative Impedanz Z_norm parallel zur unbekannten Impedanz Z_x hinzuzufügen, schließt der Mikrokontroller 132 den Schalter 134, während die Schaltvorrichtungen 140 und 176 in dem gleichen Zustand bleiben wie im Messmodus.
Es folgt aus Z_norm/Z_x = I_x/I_norm, wobei I_x der komplexe Strom durch Z_x und I_norm der komplexe Strom durch Z_norm ist, und aus I_tot = I_x + I_norm folgt, dass Z_x = Z_norm(I_tot – I_x)/I_x. Bezeichnet U_out,1 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 128 im Messmodus und U_out,2 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 128 im Kalibriermodus, erhält man Z_x = Z_norm(αU_out,2 – αU_out,1)/(αU_out,1), wobei der Proportionalitätsfaktor α aufgehoben wird: Z_x = Z_norm(U_out,2 – U_out,1)/U_out,1.
– Kabeldiagnosemodus
Wie in 4 zu sehen ist, kann, falls die Verbindung zwischen dem Abschirmleiter 126 und dem Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers 128 defekt ist oder falls der Abschirmleiter 126 beschädigt ist, der Abschirmleiter 126 die Kernleiter 124, 124' nicht wirksam gegen Massepotential abschirmen. Eine falsche Messung könnte die Folge sein.
Im Kabeldiagnosemodus hält der Mikrokontroller 132 den Schalter 176.1 geschlossen und den Schalter 176.2 geöffnet, wodurch der Abschirmleiter 126 des geschirmten Kabels 122 an Massepotential gebunden ist (falls das System intakt ist). Die vom Transimpedanzverstärker 128 ausgegebene Spannung entspricht dann der Summe des komplexen Stroms, der durch den vom geschirmten Kabel 122 gebildeten Kondensator fließt, und des komplexen Stroms, der durch die komplexe Impedanz Z_x fließt.
Wenn Z_cable die Impedanz des geschirmten Kabels 122 ist, folgt aus Z_cable/Z_X = I_X/I_cable, wobei I_x der komplexe Strom durch Z_x ist und I_cable der komplexe Strom durch Z_cable ist, dass Z_cable = Z_X(U_out,3 – U_out,1)/U_out,1, wobei U_out,1 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 128 im Messmodus bezeichnet und U_out,3 die komplexe Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 128 im Kabeldiagnosemodus bezeichnet. Falls die gemessene Impedanz Z_cable von dem erwarteten Wert abweicht, schließt der Mikrokontroller 132, dass ein Fehler aufgetreten ist und erzeugt eine entsprechende Fehlermeldung an seinem Ausgang 160.
Es sei angemerkt, dass die gemessene komplexe Impedanz Z_cable in eine widerstandsfähige Komponente und eine kapazitive Komponente aufgeteilt werden kann. Falls die kapazitive Komponente C_cable unterhalb einer Schwellenkapazität liegt, schließt der Mikrokontroller 132, dass das Kabel 122 nicht mehr vollständig abgeschirmt ist. Falls zum Beispiel die nominale Kapazität des Kabels 500 pF pro Meter Kabellänge beträgt und die Kabellänge 1 m beträgt, kann diese Art von Fehler als erkannt gelten, falls die gemessene Kapazität C_cable unter z. B. 450 pF fällt. Falls die widerstandsfähige Komponente R_cable über einem Schwelllenwiderstand liegt, schließt der Mikrokontroller 132, dass der Abschirmleiter 126 eine schlechte Verbindung zur Schaltvorrichtung 176 hat. In beiden Fällen gibt der Mikrokontroller 132 eine Fehlermeldung aus, die anzeigt, welcher Fehler aufgetreten ist.
Vorzugsweise werden die Fehlerschwellen mit Hysterese bezeichnet, d. h. die Schwellenwerte, die zu einer Aufhebung einer Fehlermeldung führen, unterscheiden sich von denjenigen, bei denen eine Fehlermeldung erzeugt wird. Diese Hysterese trägt zu einer Vermeidung eines häufigen Schaltens zwischen den Zuständen "Fehler erkannt" und "kein Fehler erkannt" bei. Wieder mit Bezug auf das vorstehende Beispiel, in dem eine Fehlermeldung erzeugt wird, wenn C_cable unter 450 pF fällt, wird der Schwellenwert, über den C_cable ansteigen muss, damit die Fehlermeldung aufgehoben wird, höher eingestellt, z. B. auf 480 pF.
– Erdungsdiagnosemodus
Falls die Verbindung zwischen dem Sitzgestellanschluss 138 und dem Sitzgestell defekt ist, kann das elektronische Steuermodul 114 nicht erkennen, ob das Sitzgestell auf Masse liegt (über den Masseleiter 154 oder über den Schalter 140.2). Der Belegungszustand könnte falsch bestimmt werden, falls er auf der Annahme basiert, dass das Sitzgestell auf Masse liegt, obwohl es dies aber tatsächlich nicht ist.
Im Erdungsdiagnosemodus schließt der Mikrokontroller 132 zunächst den Schalter 140.1 und öffnet den Schalter 140.2. Der Schalter 134 ist geöffnet, der Schalter 176.1 ist geöffnet und der Schalter 176.2 ist geschlossen. Der Sitzgestellanschluss 138 ist somit über den Widerstand 142 mit dem Ausgang des Oszillators 130 verbunden. Falls das Sitzgestell über den Masseleiter 154 an Masse gebunden ist und der Sitzgestellanschluss 138 über den Leiter 156 mit dem Sitzgestell verbunden ist, fließt Strom durch den Widerstand 142. Dies führt zu einem Spannungsabfall, der von dem Mikrokontroller 132 über die Spannungsabgriffe 144 und 146 gemessen wird. Falls der gemessene Spannungsabfall ausreichend hoch ist, kann das Sitzgestell als an Masse gebunden angenommen werden und das elektronische Steuermodul 114 kann in den Messmodus oder in den Kalibriermodus umschalten. Falls jedoch der Mikrokontroller 132 keinen oder einen zu geringen Spannungsabfall misst, zeigt dies an, dass der Masseleiter 154 und/oder der Leiter 156 unterbrochen oder schlecht verbunden ist. Falls diese Situation eintritt, wird ein weiterer Test ausgeführt, um zu erkennen, ob die Verdrahtung zwischen dem Sitzgestellanschluss 138 und dem Sitzgestell intakt ist.
Dieser Test umfasst a) das Messen des elektrischen Wechselstroms, der zwischen der Antennenelektrode 116 und Masse fließt, während der Sitzgestellanschluss 138 unter Verwendung der Schaltvorrichtung 140 mit dem Masseleiter 158 verbunden ist (d. h. wenn der Schalter 140.1 geöffnet und der Schalter 140.2 geschlossen ist); und b) das Messen des elektrischen Wechselstroms, der zwischen der Antennenelektrode 116 und Masse fließt, während der Sitzgestellanschluss 138 unter Verwendung der Schaltvorrichtung 140 mit dem Referenzeingang 128.2 des Transimpedanzverstärkers verbunden ist (d. h. wenn der Schalter 140.1 geschlossen und der Schalter 140.2 geöffnet ist). Wenn dieser Test durchgeführt wird, wird angenommen, dass wenigstens einer der Leiter 154 und 156 defekt ist. Angenommen, dass nur der Leiter 154 defekt ist (hochohmig), verhält sich das Sitzgestell wie eine angetriebene Abschirmelektrode in Situation b), was impliziert, dass kein oder nur ein geringer komplexer Strom zwischen der Antennenelektrode 116 und dem Sitzgestell fließt (d. h. durch die Kapazität 152 in 2), während in Situation a) das Sitzgestell über den Leiter 156 auf Masse liegt. Daher entspricht der Unterschied der gemessenen Ströme in den Situationen a) bzw. b) dem Strom zur Masse durch das Sitzgestell. Falls ∆U_out den Unterschied der Ausgangsspannungen des Transimpedanzverstärkers 128 in den Situationen a) und b) bezeichnet, kann der Strom zur Masse durch das Sitzgestell (mit I_sf bezeichnet) als I_sf = α∆U_out berechnet werden (wobei α der oben eingeführte Proportionalitätsfaktor ist). Die komplexe Impedanz Z_sf zwischen der Antennenelektrode 116 und dem Sitzgestell kann als Z_sf = U_osc/(I_sf = U_osc/(α∆U_out) berechnet werden. Falls der Leiter 156 defekt ist, aber der Leiter 154 in Ordnung ist, ist das Sitzgestell in beiden Situationen a) und b) an Masse gebunden, was impliziert, dass ∆U_out klein sein wird. Falls beide Leiter 154 und 156 defekt sind, schwebt das Sitzgestell in beiden Situationen a) und b), was auch zu einem kleinen Spannungsunterschied ∆U_out führt. Es folgt, dass der Mikrokontroller 132 den Spannungsunterschied ∆U_out als einen Indikator für den intakten Zustand des Leiters 156 verwenden kann. Insbesondere betrachtet der Mikrokontroller 132 den Test als bestanden, falls ∆U_out einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt und anderweitig versagt hat. Er gibt eine Fehlermeldung an seinem Ausgang 160 aus, falls der Test nicht bestanden wurde, um irgendeine Anwendereinrichtung (Warnlampe, Airbag-Aufblassystem, Sicherheitsgurterinnerung oder dergleichen) zu informieren, dass der kapazitive Sensor 112 nicht korrekt arbeitet. Die Fehlermeldung zeigt vorzugsweise den Grund für den Fehler an ("schlechte Sitzerdung").
Während spezifische Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass angesichts der Gesamtlehre der Offenbarung verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details entwickelt werden könnten. Insbesondere sind alle numerischen Werte, die in dieser Beschreibung angegeben sind, nur zu Veranschaulichungszwecken angegeben. Demnach sollen die besonderen offenbarten Anordnungen nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Rahmen der Erfindung begrenzen, für die der gesamte Umfang der beigefügten Ansprüche und aller Äquivalente von diesen gilt.
Bezugszeichenliste

10, 110: Autositz
12, 112: Kapazitiver Sensor
14, 114: Elektronisches Steuermodul
16: Antennenelektrode
18, 118: Sitzabschnitt
20, 120: Sitzschale (Teil des Sitzgestells)
22, 122: Geschirmtes Kabel
24, 124, 124‘: Kernleiter
26, 126: Abschirmleiter
28, 128: Transimpedanzverstärker
28.1, 128.1: Stromsignaleingang
28.2, 128.2: Referenzsignaleingang
28.3, 128.3: Transimpedanzverstärkerausgang
30, 130: Wechselspannungsquelle
32, 132: Mikrokontroller
34, 134: Schalter
36, 136: Normative Impedanz
38, 138: Sitzgestellanschluss
40, 140: Schaltvorrichtung
40.1, 40.2, 140.1, 140.2: Schalter
42, 142: Widerstand
44, 144: Spannungsabgriff
46, 146: Spannungsabgriff
48: Variable widerstandsfähige Komponente von Z_x
50: Variable kapazitive Komponente von Z_x
52: Theoretisch konstante Komponente von Z_x
54, 154: Masseleiter
56, 156: Leiter
58, 158: Masseleiter
60, 160: Mikrokontrollerausgang
100: Kombinierte Heizungs- und kapazitive Sensorvorrichtung
116: Heizelement, auch als Antennenelektrode verwendet
162: Heizstromquelle
164: Spannungsquelle
166, 168: Schalter
170: Steuereinheit
172: Steuerschnittstelle
174: Temperatursensor
176: Schaltvorrichtung
176.1, 176.2: Schalter
178: Kopplungskondensator
180: Gleichtaktdrossel
182: Erste Wicklung
184: Zweite Wicklung
186: Erster Knoten
188: Zweiter Knoten
190, 192: Verbindungsanschlüsse
194, 196: Kopplungskondensatoren
Z_X: Impedanz zwischen Antennenelektrode und Masse

Claims

Kapazitiver Sensor (12) für einen Fahrzeugsitz (10), aufweisend eine Antennenelektrode (16) zur Anordnung in dem Fahrzeugsitz; eine Steuer- und Auswerteschaltung (14), die wirksam mit der Antennenelektrode verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, in dem die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, einen zwischen der Antennenelektrode und Masse fließenden elektrischen Wechselstrom zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor einen Sitzgestellanschluss (38) aufweist, um die Steuer- und Auswerteschaltung an ein Sitzgestell (20) des Fahrzeugsitzes anzuschließen, und dass die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, in einem zweiten Betriebsmodus zu arbeiten, in dem die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, in den Sitzgestellanschluss fließenden elektrischen Strom zu messen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung einen Oszillator (30) und einen Transimpedanzverstärker (28) mit einem Referenzeingang (28.2), einem Stromsignaleingang (28.1), der wirksam an die Antennenelektrode gekoppelt werden kann, und einem Ausgang (28.3) aufweist, wobei der Oszillator an den Referenzeingang angeschlossen ist, um die Wechselspannung an diesen anzulegen, wobei der Transimpedanzverstärker dafür konfiguriert ist, einen Wechselstrom derart in den Stromsignaleingang einzuspeisen, dass ein Spannungsunterschied zwischen dem Referenzeingang und dem Stromsignaleingang im Wesentlichen aufgehoben und eine den Wechselstrom anzeigende Spannung an dem Ausgang ausgegeben wird.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, wobei der Stromsignaleingang wirksam an die Antennenelektrode gekoppelt ist, um den Wechselstrom in die Antennenelektrode einzuspeisen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2 oder 3, aufweisend eine Schaltvorrichtung (40), die dafür konfiguriert und angeordnet ist, den Sitzgestellanschluss abwechselnd mit einem Masseleiter und mit dem Referenzeingang zu verbinden.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung, wenn sie in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet und wenn der gemessene, in den Sitzgestellanschluss fließende elektrische Strom ein Kriterium nicht erfüllt, woraus geschlossen werden kann, dass das Sitzgestell auf Masse liegt, dafür konfiguriert ist, die folgenden Schritte auszuführen: a) Messen von zwischen der Antennenelektrode und Masse fließendem elektrischem Wechselstrom und dabei Verbinden des Sitzgestellanschlusses mit dem Masseleiter unter Verwendung der Schaltvorrichtung und b) Messen von zwischen der Antennenelektrode und Masse fließendem elektrischem Wechselstrom und dabei Verbinden des Sitzgestellanschlusses mit dem Referenzeingang unter Verwendung der Schaltvorrichtung.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert ist, zu bestimmen, ob zumindest ein Weg zur Masse für das Sitzgestell verfügbar ist, und zwar auf Grundlage der Messungen a) und b), und ein Fehlersignal auszugeben, wenn bestimmt wird, dass kein Weg zur Masse für das Sitzgestell verfügbar ist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung einen Strommesser (142, 144, 146) umfasst, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, in den Sitzgestellanschluss fließenden elektrischen Strom zu messen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, wobei der Strommesser ein Impedanzglied umfasst, das zwischen dem Oszillator und dem Sitzgestellanschluss angeordnet ist, wobei das Impedanzglied einen Widerstand und/oder einen Kondensator und/oder einen Induktor aufweist, und wobei der Strommesser ferner einen Spannungsdetektor aufweist, der dafür konfiguriert und angeordnet ist, Spannung durch das Impedanzglied zu messen.
Fahrzeugsitz, aufweisend einen kapazitiven Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kombiniertes Heiz- und kapazitives Messsystem (100), aufweisend einen kapazitiven Sensor (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Antennenelektrode ein Heizelement (116) ist.
Fahrzeugsitz (110), aufweisend ein kombiniertes Heiz- und kapazitives Messsystem nach Anspruch 10.