DE112016000792T5

DE112016000792T5 - Kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem, das unter nassen Bedingungen funktionsfähig ist

Info

Publication number: DE112016000792T5
Application number: DE112016000792.2T
Authority: DE
Inventors: Guenter Goedert; Oleg ZEILER; Edmund Marx; Ingrid Scheckenbach
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2018-02-08
Also published as: WO2016131639A1; US20180037137A1; US10131249B2

Abstract

Ein kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem (10), insbesondere ein Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem (10), aufweisend: – mindestens ein kapazitives Sensorelement (12) mit mindestens einer Messelektrode (14), – eine Impedanzmessschaltung (16) zum Bestimmen einer komplexen Impedanz oder eines komplexen Schein-Leitwertes (Y) der mindestens einen Messelektrode (14), – eine Auswerteeinheit (22) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (24) basierend auf einem bestimmten komplexen Schein-Leitwert (Y) der mindestens einen Messelektrode (14) und Vergleichen des bestimmten komplexen Schein-Leitwerts (Y) mit mindestens einem vorbestimmten Wert (Ylow thr, Yupp thr), und – mindestens ein elektrisch leitendes Erdanschlusselement (48; 56), welches bewusst elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden ist und welches in großer Nähe zu der mindestens einen Messelektrode (14) angeschlossen ist, wobei das mindestens eine Erdanschlusselement (48; 56) und die mindestens eine Messelektrode (14) galvanisch getrennt sind. Sobald der Sitz (26) nass wird, werden das elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) und die Umgebung der Messelektrode (14) nass, und die Messelektrode (14) wird durch das mindestens eine Erdanschlusselement (48; 56) direkt elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem, insbesondere ein Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem, und einen Sitz, insbesondere einen Fahrzeugsitz, umfassend ein solches Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeugsitzbelegungserkennungssysteme sind heutzutage insbesondere in Personenwagen zum Bereitstellen eines Sitzbelegungssignals für verschiedene Geräte weit verbreitet, zum Beispiel zum Zweck eines Sicherheitsgurterinnerungssystems (Seat Belt Reminder, SBR) oder einer Aktivierungskontrolle für ein zusätzliches Rückhaltesystem (Auxiliary Restraint System, ARS). Sitzbelegungserkennungssysteme umfassen Sitzbelegungssensoren, die es bekanntlich in einer Reihe von Varianten gibt, z. B. basierend auf kapazitiver Erfassung.
Des Weiteren werden Fahrzeugsitzbelegungserkennungssysteme bekanntlich als Mittel zur Einschätzung einer potentiellen Aktivierung eines eingebauten Passagierrückhaltesystems im Fahrzeug, wie eines Airbags, eingesetzt. Ein Ausgangssignal des Sitzbelegungserkennungssystems wird normalerweise an eine elektronische Steuereinheit des Fahrzeugs übertragen, um zum Beispiel als Basis für eine Entscheidung zu dienen, ein Airbagsystem für den Fahrzeugsitz zu entfalten.
Es ist auf dem Fachgebiet ferner bekannt, einen Abschnitt einer elektrischen Sitzheizung eines Fahrzeugsitzes als Sensor in einem kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystem zu verwenden. Zum Beispiel beschreibt die Offenlegungsschrift DE 41 10 702 A1 einen Fahrzeugsitz mit einer elektrischen Sitzheizung, aufweisend einen Leiter, der durch den Durchgang von elektrischem Strom durch diesen erwärmt werden kann. Der Leiter befindet sich in der Sitzfläche und bildet einen Teil eines kapazitiven Sensors zum Erkennen einer Sitzbelegung des Sitzes.
Sitzbelegungserkennungssysteme, die auf einer kapazitiven Erfassung basieren, basieren auf der Bestimmung einer Änderung der komplexen Impedanz Z oder des Schein-Leitwerts Y von mindestens einer Messelektrode eines kapazitiven Sensors, die durch ein sich der Messelektrode näherndes Objekt verursacht wird. Eine Sitzbelegungserkennung oder eine Sitzbelegungsklassifizierung kann durch Vergleich einer gemessenen komplexen Impedanz Z oder eines gemessenen Schein-Leitwerts Y der Messelektrode mit vorbestimmten Schwellenwerten und/oder vorbestimmten Toleranzbereichen bestimmt werden.
Die vorbestimmten Schwellenwerte und/oder die vorbestimmten Toleranzbereiche werden normalerweise für trockene Umgebungsbedingungen in der Umgebung der Messelektrode definiert, da vernünftigerweise angenommen wird, dass sich in dem Sitz kein flüssiges Wasser befindet. Der Begriff ”trocken“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere als eine Abwesenheit von flüssigem Wasser verstanden werden und ein Vorliegen von Wasserdampf in einem Bereich von 0 % bis 100 % relative Feuchtigkeit umfassen. Der Begriff ”nass“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere als ein Zustand verstanden werden, der ein Vorliegen von flüssigem Wasser umfasst.
Es gibt jedoch Situationen, in denen ein Sitz oder ein Abschnitt des Sitzes nass werden könnte. Dies kann zum Beispiel geschehen, wenn ein Sitzinsasse im Fahrzeug eine Flüssigkeit, wie Wasser oder Kaffee, auf den Sitz verschüttet.
Wenn Abschnitte des Sitzes, die nahe der Messelektrode angeordnet sind, nass geworden sind, kann sich die gemessene komplexe Impedanz Z oder der gemessene Schein-Leitwert Y der Messelektrode wesentlich ändern, sogar so sehr, dass der Vergleich einer gemessenen komplexen Impedanz Z oder eines Schein-Leitwertes Y mit den vorbestimmten Schwellenwerten und/oder den vorbestimmten Toleranzbereichen zu einer falschen Einschätzung führen kann, was die Sitzbelegungsbedingungen oder Sitzbelegungsklassen angeht. Wenn sich das flüssige Wasser im Laufe der Zeit innerhalb des Sitzes verteilt, ändert sich die Wirkung auf die gemessene komplexe Impedanz Z oder den gemessenen Schein-Leitwert Y der Messelektrode auch auf nicht vorhersehbare Weise.
Aufgabe der Erfindung
Daher ist es, um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, wünschenswert, ein Sitzbelegungserkennungssystem mit einer verbesserten Robustheit und Leistung zur Verfügung zu stellen, unabhängig davon, ob in der Nähe der Messelektrode nasse oder trockene Bedingungen herrschen. Diese Aufgabe kann z. B. durch ein Sitzbelegungserkennungssystem nach Anspruch 1 gelöst werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein kapazitives Sitzbelegungsklassifizierungssystem, insbesondere ein Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem gelöst, welches aufweist

– mindestens ein kapazitives Sensorelement mit mindestens einer Messelektrode,
– eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz oder eines komplexen Schein-Leitwertes der mindestens einen Messelektrode relativ zu einer Referenzelektrode, und
– eine Auswerteeinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für mindestens eines von einem Erkennen und einem Klassifizieren einer Sitzbelegung repräsentativ ist.

Das Ausgangssignal der Auswerteeinheit basiert auf einer bestimmten komplexen Impedanz oder einem bestimmten komplexen Schein-Leitwert der mindestens einen Messelektrode und dem Vergleich der bestimmten komplexen Impedanz oder des bestimmten komplexen Schein-Leitwertes mit mindestens einem vorbestimmten Wert für die bestimmte komplexe Impedanz oder den bestimmten komplexen Schein-Leitwert.
Das Sitzbelegungsklassifizierungssystem umfasst ferner mindestens ein elektrisch leitendes Erdanschlusselement, welches bewusst elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden/verbindbar ist und welches in großer Nähe zu der mindestens einen Messelektrode angeordnet ist. Gleichzeitig sind das mindestens eine Erdanschlusselement und die mindestens eine Messelektrode galvanisch getrennt.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine bestimmte komplexe Impedanz oder ein bestimmter komplexer Schein-Leitwert der mindestens einen Messelektrode außerhalb eines Toleranzbereichs oder auf einer falschen Seite eines Schwellenniveaus liegen kann, die zum Beispiel für einen Zustand eines trockenen Sitzes auf Grund undefinierter und unbeabsichtigter zusätzlicher elektrischer Wege zwischen der mindestens einen Messelektrode und der Referenzelektrode für eine Unterscheidung zwischen der Klasse ”Erwachsener“ und der Klasse „Kindersitz” vorbestimmt sind, wobei es sich zum Beispiel um einen elektrisch leitenden Teil des Sitzes handeln kann, und dass diese Wirkung zumindest teilweise durch einen bewussten und definierten elektrischen Weg zwischen der mindestens einen Messelektrode und der Referenzelektrode, der durch mindestens ein auf geeignete Weise gestaltetes Erdanschlusselement vorgesehen werden kann, ausgeglichen werden kann.
Somit kann das Sitzbelegungserkennungssystem für die Bedingung des trockenen Sitzes auf die beabsichtigte Weise arbeiten, und das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement ist nicht wirksam. Sobald der Sitz nass wird, werden das mindestens eine Erdanschlusselement und zumindest die Umgebung der mindestens einen Messelektrode auch nass, und die mindestens eine Messelektrode wird durch das mindestens eine Erdanschlusselement direkt elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden, wodurch die Wirkungen der undefinierten und unbeabsichtigten zusätzlichen elektrischen Wege bedeutungslos werden.
Wie es für die Fachleute ohne weiteres klar ist, bildet, neben der geometrischen Ausführung, ein elektrischer spezifischer Widerstand des mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselements einen weiteren Gestaltungsparameter des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems.
Auf diese Weise kann ein kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem mit einer verbesserten Robustheit und Leistung sowohl unter trockenen als auch unter nassen Sitzbedingungen bereitgestellt werden.
Der Begriff „Fahrzeug”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere so verstanden werden, dass er Personenkraftwagen, LKWs und Busse umfasst.
Der Begriff „elektrisch verbunden”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist so zu verstehen, dass er galvanische elektrische Verbindungen ebenso wie Verbindungen, die durch eine kapazitive und/oder induktive elektromagnetische Kopplung hergestellt werden, umfasst.
Der Begriff „galvanischer Kontakt”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als ein elektrischer Kontakt, der einen Gleichstrom (Direct Current, DC) leiten kann. Im gleichen Sinne versteht sich der Begriff „galvanisch getrennt”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, insbesondere dahingehend, dass er keinen Gleichstrom (DC) zwischen galvanisch getrennten Objekten leitet.
Der Begriff „in großer Nähe”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als ein Abstand, der im Vergleich zu mindestens einer Erstreckungsgröße der mindestens einen Messelektrode klein ist.
Die Sitzbelegungsklassifizierung kann mindestens zwei Klassen aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus den Klassen „leer”, „Kindersitz“ und „Erwachsener“ besteht”.
Vorzugsweise wird der mindestens eine kapazitive Sensor im Lademodus betrieben. Der Begriff „Lademodus”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist insbesondere als ein Modus zum Messen eines Verschiebungsstroms zu verstehen, der durch das Vorliegen eines geerdeten Objekts in der Nähe einer einzelnen Messelektrode bewirkt wird (vgl. J. Smith et al., Electric field sensing for graphical interfaces, IEEE Comput. Graph. Appl., 18(3): 54–60, 1998). Im Allgemeinen wird auch in Betracht gezogen, bei manchen Ausführungsformen den mindestens einen kapazitiven Sensor im Sendemodus oder im Parallelmodus zu betreiben. Diese beiden Modi werden auch in dem vorstehend erwähnten Artikel beschrieben, der hier durch Bezugnahme einbezogen sein soll.
Bei manchen Ausführungsformen kann der mindestens eine kapazitive Sensor als ein kapazitiver Schutz-Mess-Sensor mit einer Messelektrode und einer Schutzelektrode gestaltet sein, die proximal und voneinander isoliert angeordnet sind. Die Technik des „Schutzes“ ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wird häufig zum bewussten Maskieren und somit Formen eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensorelements verwendet. Hierfür ist die Impedanzmessschaltung dafür ausgelegt, die Schutzelektrode auf demselben elektrischen Potential zu halten wie die Messelektrode, um eine Erzeugung eines elektrischen Felds zwischen der Messelektrode und der Schutzelektrode zu verhindern.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Referenzelektrode ein elektrisch leitendes Sitzgestell sein, das an ein Erdpotential, zum Beispiel eine Fahrzeugkarosserie, angeschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sitzbelegungserkennungssystems wird die mindestens eine Messelektrode durch mindestens ein elektrisches Sitzheizungselement gebildet, das dafür ausgelegt ist, einen heizbaren Sitz durch den Durchfluss von elektrischem Strom durch diesen zu heizen. Dies ist auf Grund einer inhärenten starken kapazitiven Kopplung des mindestens einen elektrischen Sitzheizungselements an den Sitz, insbesondere an ein elektrisch leitendes Sitzgestell bei einem Fahrzeugsitz, vorteilhaft und bietet den Vorteil der Einsparung von Hardware.
Falls das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement koplanar zu zumindest einem Abschnitt des mindestens einen kapazitiven Sensorelements angeordnet ist, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass, sobald der Sitz nass wird, das mindestens eine Erdanschlusselement und zumindest die Umgebung der mindestens einen Messelektrode auch nass werden, und die mindestens eine Messelektrode wird durch das mindestens eine Erdanschlusselement direkt mit der Referenzelektrode verbunden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Sitzbelegungserkennungssystems umfasst das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement einen einzelnen Draht, der in einer Ebene angeordnet ist und eine gekrümmte Form hat. Die gekrümmte Form ist derart relativ zu der mindestens einen Messelektrode angeordnet, dass eine konkave Seite der gekrümmten Form zu einer Außenkontur der mindestens einen Messelektrode weist. Auf diese Weise kann trotz der Anordnung in großer Nähe eine geringe kapazitive Kopplung zwischen dem mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselement und der mindestens einen Messelektrode erreicht werden. Die geringe kapazitive Kopplung kann einen Aufwand für die geeignete Gestaltung des mindestens einen Erdanschlusselements verringern.
In einer besonders einfachen und mechanisch stabilen Ausführung umfasst das mindestens eine Erdanschlusselement einen einzelnen Draht, der in einer Ebene angeordnet ist und zwei Schenkel aufweist, die einen rechten Winkel bilden. Das mindestens eine Erdanschlusselement ist derart relativ zu der mindestens einen Messelektrode angeordnet, dass ein Scheitel des rechten Winkels weiter von einer Außenkontur der mindestens einen Messelektrode entfernt ist als die Schenkel.
Vorzugsweise sind die Schenkel des mindestens einen Erdanschlusselements gerade geformt.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Sitzbelegungserkennungssystems umfasst das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement einen einzelnen Draht, der in einer Ebene angeordnet und zumindest mit einem Teil seiner Erstreckungslänge parallel zu einer Außenkontur der mindestens einen Messelektrode angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Kopplung zwischen der mindestens einen Messelektrode und dem mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselement in erster Linie kapazitiv, wodurch ein Aufwand für das geeignete Gestalten des mindestens einen Erdanschlusselements verringert werden kann.
Bei manchen Ausführungsformen des Sitzbelegungserkennungssystems weist das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement mindestens einen Widerstand auf, der elektrisch in Reihe mit einem Abgleich des mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselements geschaltet ist. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise ein weiterer Freiheitsgrad für die Gestaltung des mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselements bereitgestellt werden.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Widerstand einen Thermistor auf, der dafür ausgelegt ist, als Temperatursensor zu dienen, durch den ein Hardwareaufwand bei einem beheizbaren Sitz verringert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeugsitz vorgesehen, welcher aufweist:

– eine Sitzstruktur zum Errichten des Fahrzeugsitzes auf einem Boden eines Fahrgastraums des Fahrzeugs,
– ein Sitzgrundflächenpolster,
– mindestens ein Sitzheizungselement, das zum Heizen durch den Durchfluss von elektrischem Strom durch dieses ausgelegt ist,
– eine Sitzgrundfläche, die von der Sitzstruktur unterstützt wird und dafür ausgelegt ist, das Sitzgrundflächenpolster aufzunehmen, wobei die Sitzgrundfläche und das Sitzgrundflächenpolster dafür vorgesehen sind, ein Gesäß eines Sitzinsassen zu unterstützen,
– eine Rückenlehne, die dafür ausgelegt ist, ein Rückenlehnenpolster aufzunehmen, welches zum Stützen eines Lenden- und Rückenbereichs des Sitzinsassen vorgesehen ist, und
– eine Ausführungsform des Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystems, wie hier offenbart.

Die mindestens eine Messelektrode des mindestens einen kapazitiven Sensorelements ist vorzugsweise durch das mindestens eine Sitzheizungselement oder mindestens eines von mehreren Sitzheizungselementen gebildet.
Auf diese Weise kann ein beheizbarer Fahrzeugsitz mit einem kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystem mit einer verbesserten Robustheit und Leistung unter trockenen wie auch unter nassen Fahrzeugsitzbedingungen bereitgestellt werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist das mindestens eine Sitzheizungselement am Sitzpolster positioniert.
Bei manchen Ausführungsformen ist das mindestens eine Sitzheizungselement am Rückenlehnenpolster positioniert.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und durch diese erklärt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Fahrzeugsitzes mit einem eingebauten kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystem gemäß der Erfindung ist; und
2 in einem Diagramm eine geschätzte Verschiebung eines komplexen Schein-Leitwerts Y, wie er durch eine Impedanzmessschaltung des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems gemäß 1 zu bestimmen ist, zwischen einem trockenen Zustand und einem nassen Zustand des Fahrzeugsitzes zeigt; und
3 eine elektrische Äquivalenzschaltung des kapazitiven Sensorelements des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems gemäß 1 ist,
4 schematisch eine Ausführungsform des elektrisch leitenden Erdanschlusselements des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems gemäß 1 veranschaulicht, das in großer Nähe zur Messelektrode des kapazitiven Sensorelements angeordnet ist,
5 eine schematische Veranschaulichung einer erwarteten Wirkung der Ausführungsform des elektrisch leitenden Erdanschlusselements gemäß 4 ist,
6 schematisch eine alternative Ausführungsform eines elektrisch leitenden Erdanschlusselements veranschaulicht, das in großer Nähe zur Messelektrode des kapazitiven Sensorelements des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems gemäß 1 angeordnet ist, und
7 eine schematische Veranschaulichung einer erwarteten Wirkung der alternativen Ausführungsform des elektrisch leitenden Erdanschlusselements gemäß 6 ist.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Fahrzeugsitzes 26 eines als Personenwagen gestalteten Fahrzeugs mit einer Ausführungsform eines kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems 10 gemäß der Erfindung. Der Fahrzeugsitz 26 weist eine Sitzstruktur (nicht gezeigt) zum Errichten des Fahrzeugsitzes 26 auf einem Fahrgastraumboden des Fahrzeugs und eine Sitzgrundfläche, die dafür ausgelegt ist, ein Sitzgrundflächenpolster 28 aufzunehmen, auf. Die Sitzgrundfläche und das Sitzgrundflächenpolster 28 sind zum Stützen eines Gesäßes eines menschlichen Sitzinsassen vorgesehen. Der Fahrzeugsitz 26 weist ferner eine Rückenlehne auf, die dafür ausgelegt ist, ein Rückenlehnenpolster aufzunehmen, welches zum Stützen eines Lenden- und Rückenbereichs des Sitzinsassen vorgesehen ist. Die Rückenlehne, die in 1 der Deutlichkeit halber nicht gezeigt ist, ist an einer hinteren Kante 30 des Sitzgrundflächenpolsters 28 angeordnet, was in 1 rechts gezeigt ist.
Der Fahrzeugsitz 26 umfasst eine Sitzheizungsvorrichtung (nicht gezeigt), umfassend mehrere Sitzheizungsdrähte 40, 42, 44, z. B. aus Constantan^®-Draht, die dafür ausgelegt sind, den Fahrzeugsitz 26 durch einen Durchfluss von elektrischem Strom, der von der Sitzheizungsvorrichtung durch diese bereitgestellt wird, zu heizen, wie es auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Die Sitzheizungsdrähte 40, 42, 44 sind an verschiedenen Stellen des Fahrzeugsitzes 26 angeordnet. Ein Heizungsdraht 40 ist jeweils an jedem der beiden Sitzgrundflächenpolster-Seitenelemente 32 angebracht, die zum Stützen der Schenkel des Sitzinsassen von der Seite vorgesehen sind. Ein weiterer Heizungsdraht 42 ist an einem Sitzgrundflächenpolster-Vorderelement 34 angebracht, und zwei weitere Heizungsdrähte sind an einem zweiteiligen Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement 44 in der Nähe der A-Fläche 38 des Sitzgrundflächenpolsters 28 angebracht.
Das kapazitive Sitzbelegungserkennungssystem 10 weist ein kapazitives Sensorelement 12 mit einer Messelektrode 14 auf, die die beiden Sitzheizungselemente 44 aufweist, die an dem zweiteiligen Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement 36 angeordnet sind. Jedes der beiden Sitzheizungselemente 44 bildet ein mäanderndes Muster, das parallel zur A-Fläche 38 des Sitzgrundflächenpolster-Mittelelements 36 angeordnet ist. Die von den beiden Sitzheizungselementen 44 gebildeten mäandernden Muster bedecken einen Großteil der Oberfläche des Sitzgrundflächenpolster-Mittelelements 36, der einen Messbereich 46 der Messelektrode 14 darstellt.
Ferner umfasst das kapazitive Sitzbelegungserkennungssystem 10 eine Impedanzmessschaltung 16 und eine Auswerteeinheit 22, die jeweils entfernt von dem Fahrzeugsitz 26 eingebaut sind. Die Impedanzmessschaltung 16 ist mit ihren Anschlüssen elektrisch an die beiden Sitzheizungselemente 44 angeschlossen, die an dem Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement 36 angebracht sind. Die Impedanzmessschaltung 16 ist dafür ausgelegt, einen komplexen Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 relativ zu einer Referenzelektrode zu bestimmen.
Die Referenzelektrode wird durch die elektrisch leitende Sitzstruktur des Fahrzeugsitzes 26 gebildet, die an ein Erdpotential angeschlossen wird, das durch eine Karosserie des Fahrzeugs dargestellt ist.
Die Impedanzmessschaltung 16 umfasst eine Signalerzeugungseinheit 18 zum Erzeugen eines periodischen zeitabhängigen Signals, das an das kapazitive Sensorelement 12 und eine Messschaltung 20 anzulegen ist, um den komplexen Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 zu bestimmen.
Die Auswerteeinheit 22 ist dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal von der Impedanzmessschaltung 16 zu empfangen, das den bestimmten komplexen Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 als Eingangssignal anzeigt.
Auch wenn die Messschaltung 20 in dieser speziellen Ausführungsform dafür ausgelegt ist, den komplexen Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 zu bestimmen, wird auch in Betracht gezogen, dass die Messschaltung in einer anderen Ausführungsform dafür ausgelegt sein kann, die komplexe Impedanz Z der Messelektrode 14 zu bestimmen.
Die Real- und Imaginärteile des Schein-Leitwertes Y können in Bezug auf die Real- und Imaginärteile der Impedanz Z und umgekehrt ausgedrückt werden, wie es den Fachleuten ohne weiteres klar sein wird: wobei Y = G + j∙B und Z = R + j∙X, wobei G den Leitwert, B den Blindleitwert, R den Widerstand und X den Blindwiderstand bezeichnet, daraus ergibt sich, dass
Der Blindwiderstand X_c eines Kondensators mit dem Kapazitätswert C ist gegeben durch X_c = – 1 / 2π∙f∙C wobei f eine Signalfrequenz bezeichnet, mit der der Blindwiderstand bestimmt wird.
Der Blindleitwert B_c des Kondensators mit dem Kapazitätswert C kann somit ausgedrückt werden als
was bei R = 0 reduziert wird auf
Das in 2 angegebene Diagramm zeigt schematisch eine geschätzte und experimentell gesicherte Verschiebung eines komplexen Schein-Leitwerts Y, wie durch ein herkömmliches Sitzbelegungserkennungssystem bestimmt, zwischen einem trockenen Zustand und einem nassen Zustand des Fahrzeugsitzes 26. Der untere durchgezogene Kreis stellt den komplexen Schein-Leitwert des leeren Fahrzeugsitzes 26 im trockenen Zustand dar. Der obere durchgezogene Kreis stellt den komplexen Schein-Leitwert entsprechend der 5-Prozent-Frau als Sitzinsasse, die den Fahrzeugsitz 26 im trockenen Zustand belegt, dar. Der untere Kreis in gepunkteter Linie stellt den komplexen Schein-Leitwert im nassen Zustand des Fahrzeugsitzes 26 dar. Der obere Kreis in gepunkteter Linie stellt den komplexen Schein-Leitwert entsprechend der 5-Prozent-Frau als Sitzinsasse, die den Fahrzeugsitz 26 im nassen Zustand belegt, dar. Die untere gestrichelte Linie stellt untere vorbestimmte Werte Y_{low thr} für den bestimmten komplexen Schein-Leitwert der Messelektrode entsprechend einer Sitzbelegungsunterklasse „weibliche Erwachsene” dar. Die obere gestrichelte Linie stellt obere vorbestimmte Werte Y_{upp thr} für den bestimmten komplexen Schein-Leitwert der Messelektrode entsprechend der Sitzbelegungsunterklasse „weibliche Erwachsene” dar.
Außerdem ist die Auswerteeinheit 22 des vorgeschlagenen kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems 10 dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal 24 zu erzeugen, das für eine Klassifizierung einer Sitzbelegung steht, wobei das Ausgangssignal 24 auf einem bestimmten komplexen Schein-Leitwert der Messelektrode 14 und einem Vergleich des bestimmten komplexen Schein-Leitwertes mit vorbestimmten unteren Grenzwerten Y_{low thr} und oberen Grenzwerten Y_{upp thr} für den bestimmten komplexen Schein-Leitwert basiert. Die Sitzbelegungsklassifizierung umfasst die Belegungsklassen ”leer“, „Kind“ und ”Erwachsener“. Das von der Auswerteeinheit 22 erzeugte Ausgangssignal 24 wird über eine CAN-Kommunikationsverbindung 62 zum Zwecke der Airbag-Aktivierungssteuerung einer Airbag-Steuereinheit 60 des Fahrzeugs zugeführt. Zum Beispiel wird, falls das übertragene Ausgangssignal 24 die Belegungsklasse „Erwachsener“ darstellt, ein Airbag des Fahrzeugsitzes 26 eingesetzt.
Es ist aus 2 offensichtlich, dass bei herkömmlichen kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystemen Fehlklassifizierungen dadurch auftreten können, dass der Fahrzeugsitz 26 vom trockenen Zustand in den nassen Zustand überführt wird. Die Verschiebung wird systematisch auf Grund einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit zu höheren Werten von G und auf Grund einer erhöhten elektrischen Permittivität zu höheren Werten von B gerichtet.
Um diesen Mangel zu beheben, weist das vorgeschlagene kapazitive Sitzbelegungserkennungssystem 10 ein elektrisch leitendes Erdanschlusselement 48 (1 und 3) auf, das bewusst elektrisch an die Referenzelektrode angeschlossen und in großer Nähe zur Messelektrode 14, d. h. zu den beiden Sitzheizungselementen 44, die an dem Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement 36 angebracht sind, angeordnet ist. Das elektrisch leitende Erdanschlusselement 48 und die Messelektrode 14 sind galvanisch voneinander getrennt. Das elektrisch leitende Erdanschlusselement 48 kann einen Widerstand 54 umfassen, der elektrisch in Reihe mit einem Abgleich des elektrisch leitenden Erdanschlusselements 48 geschaltet ist. Der Widerstand 54 weist einen NTC-Widerstand (NTC = negativer Temperaturkoeffizient) auf, der dafür ausgelegt ist, als Temperatursensor zum Steuern einer Temperatur des beheizbaren Fahrzeugsitzes 26 zu dienen.
Eine elektrische Äquivalenzschaltung der offenbarten Anordnung ist in 3 gegeben. Hier stellt

– B₁₁ den Blindleitwert der Messelektrode 14 dar, d. h. die beiden Sitzheizungselemente 44, die an dem Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement 36 angebracht sind, relativ zur Referenzelektrode, die das elektrische Erdpotential der Fahrzeugkarosserie hat;
– B₂₁ den Blindleitwert des elektrisch leitenden Erdanschlusselements 48 relativ zur Messelektrode 14 dar;
– G₂₁ den Leitwert zwischen der Messelektrode 14 und dem elektrisch leitenden Erdanschlusselement 48 dar; und
– R₂₂ den Widerstandswert des Widerstands 54 des elektrisch leitenden Erdanschlusselements 48 dar.

Das elektrisch leitende Erdanschlusselement 48 ist koplanar zu einem Abschnitt der Messelektrode 14 angeordnet und weist einen einzelnen Metalldraht auf (4). Der einzelne Draht weist zwei Schenkel 50 auf, die einen rechten Winkel bilden, und ist relativ zur Messelektrode 14 angeordnet, so dass ein Scheitel 52 des rechten Winkels von einer Außenkontur der Messelektrode 14 weiter entfernt ist als die Schenkel 50. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann das elektrisch leitende Erdanschlusselement eine gekrümmte Form haben, wobei die gekrümmte Form derart relativ zur Messelektrode angeordnet ist, dass eine konkave Seite der gekrümmten Form zu einer Außenkontur der Messelektrode weist. Bei manchen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann die Form des elektrisch leitenden Erdanschlusselements gleichförmig gekrümmt sein.
Auf Grund einer geringen kapazitiven Kopplung zwischen dem elektrisch leitenden Erdanschlusselement 48 und der Messelektrode 14 wird ein Schein-Leitwert Y des elektrisch leitenden Erdanschlusselements 48 durch den Leitwertterm G₂₁ dominiert, und der Blindleitwertterm B₂₁ ist vernachlässigbar.
Dies ist schematisch in 5 veranschaulicht. Der gestrichelte Pfeil stellt die Entwicklung des komplexen Schein-Leitwerts Y der Messelektrode 14 für Werte des Widerstands R₂₂ von unendlich (Beginn des Pfeils) zu 0 (Spitze des Pfeils) dar.
Durch Kalibrierung wird der Wert für den Widerstand R₂₂ so ausgewählt, dass der komplexe Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 durch die oben beschriebene Anordnung so angepasst wird, dass sie innerhalb einer Bandbreite von vorbestimmten Werten Y_{low thr}, Y_{upp thr} für den bestimmten komplexen Schein-Leitwert einer gewünschten Klassifizierung liegt, sobald der Fahrzeugsitz 26 nass wird, das elektrisch leitende Erdanschlusselement 48 und die Umgebung der Messelektrode 14 nass werden und die Messelektrode 14 durch das mindestens eine Erdanschlusselement 48 direkt elektrisch mit der Referenzelektrode wird.
6 veranschaulicht schematisch eine alternative Ausführungsform eines elektrisch leitenden Erdanschlusselements 56, das in großer Nähe zur Messelektrode 14 des kapazitiven Sensorelements 12 des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems gemäß 10 angeordnet ist.
Das elektrisch leitende Erdanschlusselement 56 weist einen einzelnen Metalldraht auf, der koplanar zu einem Abschnitt der Messelektrode 14 angeordnet ist. Der einzelne Draht ist mit einem Teil seiner Erstreckungslänge parallel zu einer Außenkontur der Messelektrode 14 angeordnet, die mehrfach gekrümmt ist, um eine maximale kapazitive Kopplung zu erreichen.
Auf Grund einer starken kapazitiven Kopplung zwischen dem elektrisch leitenden Erdanschlusselement 56 und der Messelektrode 14 wird ein Schein-Leitwert des elektrisch leitenden Erdanschlusselements 56 durch den Blindleitwertterm B₂₁ dominiert, und der Leitwertterm G₂₁ ist vernachlässigbar.
Dies ist schematisch in 7 veranschaulicht. Der gestrichelte, kreisförmige Pfeil stellt die Entwicklung des komplexen Schein-Leitwerts Y der Messelektrode 14 für Werte des Widerstands R₂₂ von unendlich (Beginn des Pfeils) zu 0 (Spitze des Pfeils) dar.
Durch Kalibrierung wird der Wert für den Widerstand R₂₂ so ausgewählt, dass der komplexe Schein-Leitwert Y der Messelektrode 14 durch die oben beschriebene Anordnung so eingestellt wird, dass er innerhalb einer Bandbreite von vorbestimmten Werten Y_{low thr}, Yupp thr für den bestimmten komplexen Schein-Leitwert einer gewünschten Klassifizierung liegt, sobald der Fahrzeugsitz 26 nass wird, das elektrisch leitende Erdanschlusselement 56 und die Umgebung der Messelektrode 14 nass werden und die Messelektrode 14 durch das mindestens eine Erdanschlusselement 56 direkt elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden wird.
Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und herbeigeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ oder „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließt keine Mehrheit aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem
12: kapazitives Sensorelement
14: Messelektrode
16: Impedanzmessschaltung
18: Signalerzeugungseinheit
20: Messschaltung
22: Auswerteeinheit
24: Ausgangssignal
26: Fahrzeugsitz
28: Sitzgrundflächenpolster
30: hintere Kante
32: Sitzgrundflächenpolster-Seitenelement
34: Sitzgrundflächenpolster-Vorderelement
36: Sitzgrundflächenpolster-Mittelelement
38: A-Fläche
40: Sitzheizungselement (Seite)
42: Sitzheizungselement (vorne)
44: Sitzheizungselement (als Messelektrode)
46: Messbereich
48: elektrisch leitendes Erdanschlusselement
50: Schenkel
52: Scheitel
54: Widerstand
56: elektrisch leitendes Erdanschlusselement
58: Widerstand
60: Airbag-Steuereinheit
62: CAN-Kommunikationsverbindung
Y: Schein-Leitwert
G: Leitwert
B: Blindleitwert
R: Widerstand

Claims

Kapazitives Sitzbelegungserkennungssystem (10), insbesondere Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem (10), aufweisend – mindestens ein kapazitives Sensorelement (12) mit mindestens einer Messelektrode (14), – eine Impedanzmessschaltung (16) zum Bestimmen einer komplexen Impedanz oder eines komplexen Schein-Leitwertes (Y) der mindestens einen Messelektrode (14) relativ zu einer Referenzelektrode, – eine Auswerteeinheit (22), die dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal (24) zu erzeugen, das für mindestens eines von einem Erkennen und einem Klassifizieren einer Sitzbelegung repräsentativ ist, wobei das Ausgangssignal (24) auf einer bestimmten komplexen Impedanz oder einem bestimmten komplexen Schein-Leitwert (Y) der mindestens einen Messelektrode (14) und auf einem Vergleich der bestimmten komplexen Impedanz oder des bestimmten komplexen Schein-Leitwertes (Y) mit mindestens einem vorbestimmten Wert (Y_{low thr}, Y_{upp thr}) für die bestimmte komplexe Impedanz oder den bestimmten komplexen Schein-Leitwert (Y) basiert, und – mindestens ein elektrisch leitendes Erdanschlusselement (48; 56), welches bewusst elektrisch mit der Referenzelektrode verbunden ist und welches in großer Nähe zu der mindestens einen Messelektrode (14) angeschlossen ist, wobei das mindestens eine Erdanschlusselement (48; 56) und die mindestens eine Messelektrode (14) galvanisch getrennt sind.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Messelektrode (14) durch mindestens ein Sitzheizungselement (44) gebildet ist, das dafür ausgelegt ist, einen heizbaren Sitz (26) durch den Durchfluss von elektrischem Strom durch diesen zu beheizen.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) koplanar zu zumindest einem Abschnitt der mindestens einen Messelektrode (14) angeordnet ist.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) einen einzelnen Draht aufweist, der in einer Ebene angeordnet ist und eine gekrümmte Form aufweist, und wobei die gekrümmte Form derart relativ zu der mindestens einen Messelektrode (14) angeordnet ist, dass eine konkave Seite der gekrümmten Form zu einer Außenkontur mindestens einer Messelektrode (14) weist.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) einen einzelnen Draht aufweist, der in einer Ebene angeordnet ist, und wobei der einzelne Draht zwei Schenkel (50) aufweist, die einen rechten Winkel bilden, und derart relativ zu der mindestens einen Messelektrode (14) angeordnet ist, dass ein Scheitel (52) des rechten Winkels von einer Außenkontur der mindestens einen Messelektrode (14) weiter entfernt ist als die Schenkel (50).
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) einen einzelnen Draht aufweist, der in einer Ebene angeordnet ist und der zumindest mit einem Teil seiner Erstreckungslänge parallel zu einer Außenkontur der mindestens einen Messelektrode (14) angeordnet ist.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine elektrisch leitende Erdanschlusselement (48; 56) mindestens einen Widerstand (54; 58) aufweist, der elektrisch in Reihe mit einem Abgleich des mindestens einen elektrisch leitenden Erdanschlusselements (48; 56) geschaltet ist.
Sitzbelegungserkennungssystem (10) nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Widerstand (54; 58) einen Thermistor aufweist, der dafür ausgelegt ist, als Temperatursensor zu dienen.
Sitz (10), insbesondere Fahrzeugsitz (26), aufweisend – eine Sitzstruktur zum Errichten des Fahrzeugsitzes (26) auf einem Boden eines Fahrgastraums des Fahrzeugs, – ein Sitzgrundflächenpolster (28), – mindestens ein Sitzheizungselement (40, 42, 44), das zum Heizen durch den Durchfluss von elektrischem Strom durch dieses ausgelegt ist, – eine Sitzgrundfläche, die von der Sitzstruktur unterstützt wird und dafür ausgelegt ist, das Sitzgrundflächenpolster (28) aufzunehmen, wobei die Sitzgrundfläche und das Sitzgrundflächenpolster (28) dafür vorgesehen sind, ein Gesäß eines Sitzinsassen zu unterstützen, – eine Rückenlehne, die dafür ausgelegt ist, ein Rückenlehnenpolster aufzunehmen, welches zum Stützen eines Lenden- und Rückenbereichs des Sitzinsassen vorgesehen ist, und – ein Fahrzeugsitzbelegungserkennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Messelektrode (14) durch das mindestens eine Sitzheizungselement (44) oder mindestens eines von mehreren Sitzheizungselementen (40, 42, 44) gebildet ist.
Verwendung des kapazitiven Sitzbelegungserkennungssystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Fahrzeugsitz (26) nach Anspruch 9.