DE112019001695T5

DE112019001695T5 - Sensoranordnung zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts

Info

Publication number: DE112019001695T5
Application number: DE112019001695.4T
Authority: DE
Inventors: Frank Althaus; Baptiste Anti; Thomas Faber; Michael Puetz; Jan Liptak
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-12-17
Also published as: WO2019185777A1; CN111936823B; LU100755B1; US20210048318A1; CN111936823A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts (20). Um Mittel zur Handerkennung auf einem Lenkrad zur Verfügung zu stellen, die zuverlässig sind und eine geringe Komplexität aufweisen, umfasst die Sensoranordnung: - eine Sensorleitung (2) mit mehreren, in Reihe geschalteten Sensorelektroden (3-5), wobei mindestens ein Widerstandselement (6, 7) jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden (3-5) wirksam in Reihe geschaltet ist, - eine Messvorrichtung (10), die über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung (13) mit einem ersten Anschluss (8) der Sensorleitung (2) verbunden ist, wobei die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, ein zeitabhängiges erstes Signal an den ersten Anschluss (8) anzulegen und eine aktivierte Sensorelektrode (3-5) mit einem Objekt (20) in ihrer Nähe zu identifizieren, zumindest teilweise basierend auf einem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss (8).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Sensoranordnung zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts.
Hintergrund der Erfindung
In modernen Fahrzeugen kann es notwendig sein zu erkennen, ob der Fahrer seine Hände am Lenkrad hat (z. B. um zu bestimmen, ob der Fahrer bereit ist, eine Lenkaktion auszuführen). Lenkassistenten können eine aktive Korrekturmöglichkeit für den Fahrer aufweisen, die unter bestimmten Umständen zu verwenden ist. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass ein Lenkassistenzsystem nur aktiviert wird, wenn der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad hat. In den meisten Ländern ist es vorgeschrieben, dass das Fahrzeug, wenn es sich bewegt, unter der Kontrolle des Fahrers ist, auch wenn moderne Assistenzsysteme in der Lage wären, das Fahrzeug in bestimmten Situationen autonom und sicher zu bedienen.
Um zu identifizieren, ob mindestens eine Hand auf dem Lenkrad positioniert ist, wurden mehrere Konzepte entwickelt. Ein Konzept beruht auf dem EPS-System und induziert eine Vibration mit geringer Amplitude im Lenkrad. Befinden sich die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad, hat dies eine Dämpfungswirkung, die erkannt werden kann. Diese Vibration kann jedoch für den Fahrer ablenkend oder störend sein. In anderen Systemen werden dedizierte Sensoren verwendet. In einem derartigen System werden widerstandsfähige Sensorelemente verwendet, wobei zwei Leiter voneinander beabstandet unter der Oberfläche des Lenkrads angeordnet sind. Wird ein bestimmter Druck auf die Oberfläche ausgeübt, werden die Leiter in Kontakt gebracht. Durch den Betrag des Drucks, der benötigt wird, um den Sensor zu aktivieren, wird dieser Ansatz jedoch weniger zuverlässig. In einem weiteren Ansatz werden kapazitive Sensoren verwendet, die eine Hand durch ihren Einfluss auf ein von dem Sensor erzeugtes elektrisches Feld erkennt. Während diese Sensoren zuverlässiger sind, erhöhen sie die Komplexität des Lenkrads erheblich, insbesondere falls die Position der Hand erkannt werden muss, was es erforderlich macht, mehrere Sensoren, d. h. einen für jede Oberflächenposition, zusammen mit einer Erfassungsschaltung für jeden individuellen Sensor bereitzustellen. Diese Komplexität erhöht die Kosten und macht das System fehleranfälliger.
Aufgabe der Erfindung
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Handerkennung auf einem Lenkrad zur Verfügung zu stellen, die zuverlässig sind und eine geringe Komplexität aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Sensoranordnung zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts zur Verfügung. Die Sensoranordnung ist dafür ausgelegt, das Vorliegen eines Objekts, insbesondere einer Hand oder eines Fingers eines Benutzers, zu erkennen und insbesondere eine Position des Objekts zu erkennen. Die Sensoranordnung ist zur kapazitiven Erkennung ausgelegt, was bedeutet, dass die Erkennung des Objekts auf dem Messen einer Kapazität bzw. eines Betrags, der von einer Kapazität abhängt, basiert.
Die Sensoranordnung umfasst eine Sensorleitung mit mehreren in Reihe geschalteten Sensorelektroden, wobei mindestens ein Widerstandselement wirksam zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden in Reihe geschaltet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Sensorleitung um eine Reihenschaltung von Sensorelektroden und mindestens einem Widerstandselement. Die Sensorelektroden können aus jeder Art von leitfähigem Material gefertigt sein, z. B. Metallblech, leitfähige Folie oder dergleichen. Bei manchen Ausführungsformen können die Sensorelektroden aus einem flexiblen Material gefertigt sein. Die Größe und Form der Elektroden ist im Rahmen der Erfindung nicht begrenzt. Sie können entlang, auf oder unter der Oberfläche einer Vorrichtung angeordnet sein, auf der die Position eines Objekts in der Nähe erkannt werden muss. Die Sensorelektroden können flach sein mit einer Dicke, die viel kleiner als eine Länge und Breite ist. Die Anzahl von Sensorelektroden in der Sensorleitung ist im Rahmen der Erfindung nicht begrenzt, kann jedoch z. B. zwischen 2 und 10 oder zwischen 3 und 5 liegen. Es sei angemerkt, dass das Messprinzip und die Genauigkeit ähnlich sind, solange die Anzahl der Messkanäle n-1 im Vergleich zur Anzahl n von Elektroden ist. Alle Sensorelektroden sind in einer Sensorleitung in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass ein Strom, der von einem Ende der Sensorleitung zum entgegengesetzten Ende der Sensorleitung fließt, durch alle Sensorelektroden fließt. Jede Sensorelektrode kann in Bezug auf Erde oder eine geerdete Struktur einer Kapazität zugeordnet sein.
Mindestens ein Widerstandselement ist wirksam zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden in Reihe geschaltet. Jedes Widerstandselement hat natürlich einen elektrischen Widerstand. In Bezug auf jedes Paar von aufeinanderfolgenden (oder benachbarten) Sensorelektroden in der Sensorleitung ist mindestens ein Widerstandselement wirksam zwischen diesen beiden Sensorelektroden in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass ein Strom, der von einer Sensorelektrode zur nächsten Sensorelektrode fließt, durch das jeweilige Widerstandselement fließt. Ferner sind, da mindestens ein Widerstandselement zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Sensorelektroden angeschlossen ist, je weiter die beiden Elektroden innerhalb der Sequenz der Sensorelektrode voneinander getrennt sind, desto höher die Anzahl an Widerstandselementen, durch die ein Strom dazwischen hindurch fließen muss. Wenn der Strom z. B. von der „ersten“ Elektrode zur „zweiten“ Elektrode fließt, fließt der Strom durch (mindestens) ein Widerstandselement, während, wenn er von der „ersten“ Elektrode zur „fünften“ Elektrode fließt, ein Strom durch (mindestens) vier Widerstandselemente fließt.
Die Sensoranordnung umfasst ferner eine Messvorrichtung, die über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung mit einem ersten Anschluss der Sensorleitung verbunden ist. Insbesondere kann die Messvorrichtung eine erste elektrische Quelle (z. B. eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle) umfassen, die über die erste Verbindung mit dem ersten Anschluss verbunden ist. Hier und im Folgenden soll der Begriff „Messvorrichtung“ in Bezug auf die physische Konfiguration in keiner begrenzenden Weise ausgelegt werden. Zum Beispiel kann die Messvorrichtung mehrere physisch voneinander beabstandete Komponenten umfassen, die drahtlos oder durch einen Draht getrennt oder miteinander verbunden sein könnten. Zumindest einige Aspekte der Messvorrichtung können softwareimplementiert sein. Die Messvorrichtung ist an einen ersten Anschluss der Sensorleitung angeschlossen, d. h. elektrisch angeschlossen, wobei „erster Anschluss“ keine Art von Sequenz impliziert, sondern einfach dazu dient, den ersten Anschluss von anderen Anschlüssen zu unterscheiden, die vorliegen können. Im Allgemeinen kann sich der erste Anschluss in jedem Teil der Sensorleitung befinden. Der erste Anschluss kann auch als „Verbindungspunkt“ bezeichnet werden, der als elektrische Verbindung zwischen der Messvorrichtung und der Sensorleitung dient. Er kann durch eine dauerhafte Verbindung (z. B. durch Löten) oder durch eine lösbare Verbindung (z. B. Steckverbindung) verwirklicht werden. Die Messvorrichtung ist mit dem ersten Anschluss über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung verbunden. Mit anderen Worten gibt es keine Schaltung oder leitfähige Leitung, die von der ersten Verbindung zwischen der Messvorrichtung und dem ersten Anschluss abzweigt. Somit ist der Strom an der ersten elektrischen Quelle gleich dem Strom am ersten Anschluss. Normalerweise, aber nicht zwangsläufig, ist die Messvorrichtung (und insbesondere die erste elektrische Quelle) direkt mit dem ersten Anschluss verbunden, ohne ein widerstandsfähiges, induktives oder kapazitives Element dazwischen.
Gemäß der Erfindung ist die Messvorrichtung dafür ausgelegt, ein zeitabhängiges erstes Signal an den ersten Anschluss anzulegen und eine aktivierte Sensorelektrode mit einem Objekt in ihrer Nähe zu identifizieren, und zwar zumindest teilweise basierend auf einem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss. Das erste Signal kann ein Spannungssignal sein, d. h. die Messvorrichtung kann eine Spannungsquelle umfassen, die dafür ausgelegt ist, eine vorbestimmte Spannung bereitzustellen. Das erste Signal könnte jedoch auch ein Stromsignal sein, falls die Messvorrichtung eine Stromquelle umfasst, die dafür ausgelegt ist, einen vorbestimmten Strom bereitzustellen. In beiden Fällen ist das erste Signal zeitabhängig, d. h. es ändert sich in Abhängigkeit von der Zeit. Insbesondere kann es ein Wechselsignal sein, das abwechselnd seine Polarität ändert. Das Signal könnte ein Impulssignal sein, aber normalerweise ist es ein kontinuierliches Signal.
Die Messvorrichtung legt das erste Signal an den ersten Anschluss an und verwendet ein erstes Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss, d. h. ein Verhältnis zwischen einer Spannung am ersten Anschluss und einem Strom am ersten Anschluss, um eine aktivierte Sensorelektrode zu identifizieren. Das Spannungs-Strom-Verhältnis könnte z. B. durch eine Impedanz oder einen Schein-Leitwert dargestellt werden. Falls jedoch das erste Signal einer vorbestimmten Spannung (bzw. einem Strom) entspricht, ist das Spannungs-Strom-Verhältnis implizit durch Messung des Stroms (bzw. der Spannung) gegeben. Zum Beispiel kann die Messvorrichtung eine vorbestimmte Spannung anlegen und den fließenden Strom messen, wobei die Impedanz und der Schein-Leitwert implizit gegeben sind und gegebenenfalls explizit bestimmt werden können. Es versteht sich, dass die Impedanz sowie der Schein-Leitwert Funktionen der Frequenz des ersten Signals sind, und falls das erste Signal eine Überlagerung von verschiedenen Frequenzen enthält, gilt für jede Frequenz ein(e) andere(r) Impedanz/Schein-Leitwert. Es ist anzumerken, dass es im Allgemeinen eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom am ersten Anschluss gibt, weshalb das Spannungs-Strom-Verhältnis im Allgemeinen Informationen über eine Amplitude und einen Phasenwinkel bzw. einen Realteil und einen Imaginärteil enthält. Falls zum Beispiel der Strom gemessen wird, muss die Messung die Phasenverschiebung in Bezug auf die angelegte Spannung einschließen oder muss zwischen einem Realteil des Stroms (in Phase mit der Spannung) und einem Imaginärteil (mit einer 90°-Verschiebung in Bezug auf die Spannung) unterscheiden.
Die Messvorrichtung ist dafür ausgelegt, eine aktivierte Sensorelektrode mit einem Objekt in ihrer Nähe zu identifizieren. Mit anderen Worten identifiziert sie (mindestens) eine Elektrode, die ein Objekt in ihrer Nähe hat. Eine Elektrode mit einem Objekt in ihrer Nähe wird hier als „aktiviert“ bezeichnet. Das Objekt ist in der Nähe, was die Möglichkeit einschließt, dass das Objekt tatsächlich die jeweilige Elektrode berührt, aber die Elektrode ist normalerweise elektrisch von dem Objekt isoliert, z. B. durch eine Schicht von Isoliermaterial. Durch Identifizieren der aktivierten Sensorelektrode ist die Position des Objekts bekannt. Die Identifizierung der aktivierten Sensorelektrode basiert zumindest teilweise auf dem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis. Wenn sich ein Objekt in der Nähe einer Sensorelektrode befindet, wird ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode und Erde beeinflusst. Mit anderen Worten ändert sich die Kapazität, die der jeweiligen Sensorelektrode zugeordnet ist. Dies beeinflusst wiederum die individuelle Impedanz der jeweiligen Sensorelektrode und somit das erste Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss. Diese Wirkung allein ermöglicht es normalerweise jedoch nicht, zwischen verschiedenen Sensorelektroden zu unterscheiden. Falls zum Beispiel alle Sensorelektroden ähnlich ausgelegt sind und eine ähnliche Position in Bezug auf Erde haben, ändert die sich ändernde Kapazität die Gesamtimpedanz auf (nahezu) die gleiche Weise, unabhängig davon, welche Sensorelektrode diejenige mit dem Objekt in der Nähe ist. Da jedoch ein Widerstandselement wirksam zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden angeschlossen ist, wird der Strom, der zwischen dem ersten Anschluss und der aktivierten Sensorelektrode fließt, von einer Anzahl von Widerstandselementen beeinflusst. Diese Zahl erhöht sich mit der Anzahl an Sensorelektroden zwischen dem ersten Anschluss und der aktivierten Sensorelektrode. Daher ist der Widerstand zwischen dem ersten Anschluss und der aktivierten Sensorelektrode unterschiedlich, je nachdem, welche Sensorelektrode aktiviert ist. Dies ermöglicht im Prinzip eine Identifizierung der aktivierten Sensorelektrode basierend auf dem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis. Obwohl das Ergebnis in manchen Fällen unklar sein könnte, können solche Unklarheiten normalerweise durch eine geeignete Anordnung der Sensoranordnung und/oder optionale Merkmale vermieden werden, die nachstehend besprochen werden.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung besteht darin, dass sie nur eine begrenzte Menge an Verdrahtung erfordert, nämlich für die Verbindungen innerhalb der Sensorleitung und für die Verbindung der Messvorrichtung mit dem ersten Anschluss. Auch erfordert sie nur eine Messvorrichtung, die nur ein einzelnes Signal anlegen muss. Daher kann das erfindungsgemäße Konzept auf einfache und kostengünstige Weise und mit einer kompakten Ausführung verwirklicht werden.
Es gibt verschiedene denkbare Anwendungen für die erfindungsgemäße Sensoranordnung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoranordnung zur Handerkennung in einem Lenkrad eines Fahrzeugs, normalerweise eines Landfahrzeugs, wie einem Auto, geeignet. Eine Anwendung auf andere Fahrzeuge, wie See- oder Luftfahrzeuge, ist jedoch auch denkbar. Bei einer solchen Ausführungsform sind die erste und die zweite Elektrode und die leitfähigen Elemente entlang einer Oberfläche des Lenkrads angeordnet, wobei eine Position einer Hand eines Benutzers erkannt werden kann. Mit anderen Worten ist die Erkennungsfläche eine Außenfläche des Lenkrads. Die Sensoranordnung kann in diesem Zusammenhang auch als eine Sensoranordnung für die Handpositionserkennung gekennzeichnet werden, da der Hauptzweck darin besteht, die Position mindestens einer Hand eines Benutzers (Fahrers) auf dem Lenkrad zu erkennen. Es ist anzumerken, dass ein Lenkrad mit mehr als einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung versehen werden könnte, falls dies als vorteilhaft erachtet wird.
Im Allgemeinen kann der erste Anschluss an jeder Stelle entlang der Sensorleitung angeordnet sein. Vorzugsweise ist der erste Anschluss jedoch ein Endanschluss der Sensorleitung. Mit anderen Worten ist die Messvorrichtung mit einem Ende der Sensorleitung verbunden, wobei alle Sensorelektroden und Widerstandselemente stromabwärts des ersten Anschlusses nacheinander verbunden sind. Diese Ausführung trägt normalerweise dazu bei, Unklarheiten zu verringern, da es für jede Sensorelektrode eine einzigartige, individuelle Zahl an Widerstandselementen gibt, die zwischen dieser Sensorelektrode und dem ersten Anschluss angeschlossen sind.
Es ist denkbar, dass jedes Widerstandselement ein interner Widerstand einer Sensorelektrode ist. Dies würde jedoch normalerweise einen internen Widerstand erfordern, der beträchtlich höher ist als typische Werte für z. B. kapazitive Sensorelektroden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Falls der Widerstand des Widerstandselements ziemlich gering ist, kann es schwierig sein, dessen Einfluss auf das erste Spannungs-Strom-Verhältnis zu messen, wodurch es schwierig wird, eine aktivierte Sensorelektrode zu identifizieren. Vorzugsweise ist mindestens ein Widerstandselement ein außerhalb der Sensorelektroden vorhandener Widerstand. Mit anderen Worten ist mindestens ein dedizierter Widerstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden angeschlossen. Normalerweise ist jedes Widerstandselement ein Widerstand. Der Widerstandswert des Widerstands kann z. B. so gewählt werden, dass er von der gleichen Größenordnung ist wie typische Blindwiderstandswerte der Sensorelektroden.
Vorzugsweise unterscheiden sich die Widerstände aller Widerstandselemente um weniger als 20 %. Dies bedeutet, dass der Unterschied zwischen dem kleinsten Widerstand und dem größten Widerstand weniger als 20 % beträgt (in Bezug auf den größten Widerstand). Der Unterschied kann sogar niedriger liegen, z. B. bei weniger als 10 % oder weniger als 5 %. Insbesondere können die Widerstände aller Widerstandselemente identisch sein. Falls der Widerstand eines Widerstandselements viel größer als der Widerstand eines anderen Widerstandselements ist, würde der Einfluss des letzteren Widerstandselements nur einen begrenzten Einfluss auf den Gesamtwiderstand haben. Im Allgemeinen sollten die Widerstände der Widerstandselemente in einem solchen Bereich liegen, dass die Spannungs-Strom-Phasenverschiebung erkennbar ist. Die Varianz der Widerstände muss nicht unbedingt sehr genau sein, da es immer einen Messkanal gibt, der direkt angeschlossen ist, so dass die vorstehende Aussage erfüllt ist.
Nach einer Ausführungsform ist die Messvorrichtung dafür ausgelegt, eine erste Spannung als erstes Signal anzulegen und die aktivierte Sensorelektrode zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und einem Imaginärteil eines ersten Stroms am ersten Anschluss zu identifizieren. In diesem Zusammenhang ist die erste Spannung normalerweise eine vorbestimmte Spannung, die von einer ersten Spannungsquelle der Messvorrichtung zugeführt wird. Die Messvorrichtung kann den ersten Strom entweder am ersten Anschluss oder an einer anderen Stelle, die äquivalent ist, messen. Da die erste Spannung gegeben ist, können der Realteil des ersten Stroms, der mit der ersten Spannung in Phase ist, und der Imaginärteil, der in Bezug auf die erste Spannung um 90° verschoben ist, bestimmt werden. Bei Betrachten des Verhältnisses zwischen dem Realteil und dem Imaginärteil in einem Diagramm können bestimmte Bereiche einer spezifischen Sensorelektrode zugeordnet werden. Die äußere Grenze eines bestimmten Bereichs kann durch einen oder mehrere Schwellenwerte für den Realteil (bzw. den Imaginärteil) beschrieben werden, die im Allgemeinen eine Funktion des Imaginärteils (bzw. des Realteils) sind. Diese Schwellenwerte können entweder durch die Messvorrichtung basierend auf einer Formel berechnet werden oder in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Es versteht sich, dass alternativ das erste Signal ein Stromsignal sein könnte und die aktivierte Sensorelektrode zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und dem Imaginärteil einer ersten Spannung am ersten Anschluss identifiziert werden könnte.
Vorzugsweise ist das erste Signal ein sinusförmiges Signal. Ein solches Signal kann als Sinuswelle mit keinen oder nur vernachlässigbaren Oberwellen beschrieben werden. Mit anderen Worten hat das erste Signal eine einzelne Frequenz, was die Bewertung des Spannungs-Strom-Verhältnisses vereinfacht, da dieses Verhältnis normalerweise frequenzabhängig ist. Vorzugsweise wird für jede Messung die gleiche Frequenz beibehalten. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, verschiedene Frequenzen für verschiedene Messungen anzulegen.
In manchen Fällen kann die Identifizierung einer aktivierten Sensorelektrode nicht eindeutig oder unklar sein. Dies gilt insbesondere bei Situationen, in denen mehr als eine Sensorelektrode durch ein Objekt in der Nähe aktiviert wird. Solche Unklarheiten können jedoch gelöst werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messvorrichtung über eine lineare, unverzweigte zweite Verbindung mit einem zweiten Anschluss der Sensorleitung verbunden und dafür ausgelegt, ein zeitabhängiges zweites Signal an den zweiten Anschluss anzulegen und mindestens eine aktivierte Sensorelektrode zumindest teilweise basierend auf einem zweiten Spannungs-Strom-Verhältnis am zweiten Anschluss anzulegen. Wie beim ersten Anschluss kann der zweite Anschluss durch eine dauerhafte Verbindung oder durch eine nicht dauerhafte Verbindung verwirklicht werden. Es versteht sich, dass der zweite Anschluss vom ersten Anschluss verschieden ist und es mindestens ein Element (eine Sensorelektrode oder ein Widerstandselement) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss geben muss. Der zweite Anschluss kann als ein verschiedener Referenzpunkt zum Bestimmen eines (zweiten) Spannungs-Strom-Verhältnisses angesehen werden. Die Messvorrichtung ist mit dem zweiten Anschluss über eine lineare, unverzweigte zweite Verbindung verbunden. Mit anderen Worten gibt es keine Schaltung oder leitfähige Leitung, die von der zweiten Verbindung zwischen der Messvorrichtung und dem zweiten Anschluss abzweigt. Insbesondere kann die Messvorrichtung eine zweite elektrische Quelle (z. B. eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle) umfassen, die über die zweite Verbindung mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Der Strom an der zweiten elektrischen Quelle ist gleich dem Strom am zweiten Anschluss. Normalerweise, aber nicht zwangsläufig, ist die Messvorrichtung (und insbesondere die zweite elektrische Quelle) direkt mit dem zweiten Anschluss verbunden. Natürlich ist das Messprinzip das gleiche in Bezug auf den ersten Anschluss und das erste Signal. Wie beim ersten Signal kann das zweite Signal ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein. Vorzugsweise ist es ein sinusförmiges Signal. Während das erste und das zweite Signal an zwei verschiedenen Anschlüssen angelegt werden, ist es möglich, dass beide Signale ansonsten identisch sind, indem sie die gleiche Wellenform, Frequenz, Amplitude, Phase usw. aufweisen. Vorzugsweise ist die Messvorrichtung dafür ausgelegt, mindestens eine aktivierte Sensorelektrode basierend auf dem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis und dem zweiten Spannungs-Strom-Verhältnis zu identifizieren. Mit anderen Worten werden Informationen, die aus Messungen betreffend sowohl den ersten als auch den zweiten Anschluss erhalten werden, kombiniert.
Der zweite Anschluss könnte ein Endanschluss sein, der an einem Ende der Sensorleitung angeordnet ist. Insbesondere in Fällen, in denen es sich bei dem ersten Anschluss um einen Endanschluss handelt, trägt jedoch ein zweiter Anschluss, der an dem anderen Ende der Signalleitung angeordnet ist, selten dazu bei, Unklarheiten zu lösen. Daher wird es bevorzugt, dass der zweite Anschluss zwischen zwei Sensorelektroden angeordnet wird. Das heißt, der zweite Anschluss wird elektrisch zwischen diesen beiden Sensorelektroden angeschlossen. Dies gilt insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für einen Fall, in dem es sich bei dem ersten Anschluss um einen Endanschluss handelt.
Es wird auch bevorzugt, dass der erste und der zweite Anschluss asymmetrisch auf der Sensorleitung angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Zahl von Sensorelektroden zwischen dem ersten Anschluss und einem Ende der Signalleitung sich von der Zahl von Sensorelektroden zwischen dem zweiten Anschluss und dem entgegengesetzten Ende der Signalleitung unterscheiden muss. Falls zum Beispiel der erste Anschluss ein Endanschluss ist, gibt es null Elektroden zwischen diesem und einem Ende der Sensorleitung, weshalb mindestens eine Elektrode zwischen dem zweiten Anschluss und dem entgegengesetzten Ende vorhanden sein muss. Bei einer derartigen Konfiguration ist es normalerweise möglich, alle Unklarheiten zu lösen, die sich dadurch ergeben, dass zwei Sensorelektroden gleichzeitig aktiviert werden.
Die Messvorrichtung kann dafür ausgelegt sein, das erste Signal und das zweite Signal sequentiell und/oder gleichzeitig anzulegen. In einer Ausführungsform ist die Messvorrichtung dafür ausgelegt, das erste Signal anzulegen und das erste Signal auszuschalten, bevor das zweite Signal angelegt wird. In einer anderen Ausführungsform werden beide Signale gleichzeitig angelegt, was natürlich zu einer Stromüberlagerung innerhalb der Signalleitung führt. Dadurch wird die Bewertung des ersten und zweiten Spannungs-Strom-Verhältnisses wiederum etwas komplexer, aber immer noch machbar. Es kann auch Ausführungsformen geben, in denen das erste Signal aktiviert wird, dann das zweite Signal aktiviert wird, bevor das erste Signal deaktiviert wird, und nachdem das erste Signal deaktiviert wurde, das zweite Signal deaktiviert wird. Natürlich kann die Sequenz der beiden Signale umgekehrt sein, so dass das zweite Signal vor dem ersten Signal aktiviert wird. In einer weiteren möglichen Ausführungsform können die beiden Signale auch verschiedene Frequenzen haben.
Beim Einsetzen des zweiten Signals an dem zweiten Anschluss ist die Messvorrichtung vorzugsweise dafür ausgelegt, mindestens zwei aktivierte Sensorelektroden zu identifizieren. Mit anderen Worten kann die Messvorrichtung zwei Sensorelektroden identifizieren, die gleichzeitig jeweils ein Objekt in ihrer Nähe haben. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn die Sensoranordnung zur Handerkennung in einem Lenkrad des Fahrzeugs angepasst ist. In diesem Fall ist es recht üblich, dass der Fahrer das Lenkrad entweder mit einer Hand oder mit beiden Händen berührt, was sicher identifiziert und unterschieden werden muss.
Vorzugsweise ist die Messvorrichtung dafür ausgelegt, eine zweite Spannung als zweites Signal anzulegen und die aktivierte Sensorelektrode zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und einem Imaginärteil eines zweiten Stroms am zweiten Anschluss zu identifizieren. Wie bei der ersten Spannung ist die zweite Spannung normalerweise eine vorbestimmte Spannung, die von einer zweiten Spannungsquelle der Messvorrichtung zugeführt wird. Die Messvorrichtung kann den zweiten Strom entweder am zweiten Anschluss oder an einer anderen Stelle, die äquivalent ist, messen. Da die zweite Spannung gegeben ist, können der Realteil und der Imaginärteil des zweiten Stroms bestimmt werden. Es können wiederum bestimmte Bereiche in einem Diagramm, das den Realteil mit dem Imaginärteil in Beziehung setzt, einer spezifischen Sensorelektrode (oder einer Kombination von Sensorelektroden) zugeordnet werden. Durch Vergleichen der Werte für den Realteil und den Imaginärteil des zweiten Stroms mit Schwellenwerten kann die jeweilige Sensorelektrode identifiziert werden. Einige Bereiche können jedoch einer einzelnen Sensorelektrode sowie einer Kombination von Sensorelektroden zugeordnet werden, was zu Unklarheiten führt. Solche Unklarheiten können jedoch normalerweise gelöst werden, wenn die Messungen in Bezug auf den ersten Anschluss betrachtet werden. Ebenso können, beim Betrachten des Realteils und des Imaginärteils des ersten Stroms, einige Bereiche auch einer einzelnen Elektrode sowie einer Kombination aus zwei Elektroden zugeordnet werden. Diese Unklarheiten können normalerweise durch Berücksichtigung der Messungen am zweiten Anschluss gelöst werden. Es versteht sich, dass alternativ das zweite Signal ein Stromsignal sein könnte und die aktivierte Sensorelektrode zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und dem Imaginärteil einer zweiten Spannung am zweiten Anschluss identifiziert werden könnte.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts unter Verwendung einer Sensorleitung mit mehreren, in Reihe geschalteten Sensorelektroden zur Verfügung, wobei mindestens ein Widerstandselement wirksam zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden in Reihe geschaltet ist. Das Verfahren umfasst das Anlegen eines zeitabhängigen ersten Signals über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung mit einem ersten Anschluss der Sensorleitung und das Identifizieren einer aktivierten Sensorelektrode mit einem Objekt in ihrer Nähe, zumindest teilweise basierend auf einem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss. All diese Begriffe wurden vorstehend mit Bezug auf die erfindungsgemäße Sensoranordnung beschrieben und werden daher nicht erneut erklärt. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denjenigen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Die Verfahrensschritte können durch eine Messvorrichtung durchgeführt werden, die wie vorstehend beschrieben mit dem ersten Anschluss verbunden ist. Insbesondere kann das erste Signal durch eine erste elektrische Quelle der Messvorrichtung über die erste Verbindung angelegt werden.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist;
2 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen einem Realteil und einem Imaginärteil eines ersten Stroms zeigt;
3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist;
4 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen einem Realteil und einem Imaginärteil eines ersten Stroms zeigt; und
5 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen einem Realteil und einem Imaginärteil eines zweiten Stroms zeigt.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, die z. B. zur Handpositionserkennung an einem Lenkrad verwendet werden kann. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Sensorleitung 2, die eine erste, zweite und dritte Sensorelektrode 3, 4, 5 umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Die Sensorelektroden 3, 4, 5 könnten drei Zonen („Zone 1“, „Zone 2“, „Zone 3“) einer Oberfläche des Lenkrads zugeordnet sein. Ein erster Widerstand 6 ist zwischen der ersten Sensorelektrode 3 und der zweiten Sensorelektrode 4 in Reihe geschaltet, während ein zweiter Widerstand 7 zwischen der zweiten Sensorelektrode 4 und der dritten Sensorelektrode 5 in Reihe geschaltet ist. In der gezeigten Ausführungsform haben der erste und der zweite Widerstand 6, 7 einen identischen Widerstand R.
Eine Messvorrichtung 10 ist über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung 13 mit einem ersten Anschluss 8 der Sensorleitung 2 verbunden. Der erste Anschluss 8 ist ein Endanschluss, d. h. er ist an einem ersten Ende 2.1 der Sensorleitung 2 angeordnet. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle 11, die dazu geeignet ist, eine vorbestimmte sinusförmige erste Spannung V₁ als erstes Signal an den ersten Anschluss 8 anzulegen. Insbesondere ist die erste Spannungsquelle 11 mit dem ersten Anschluss 8 über die erste Verbindung 13 verbunden. Die Messvorrichtung 10 ist auch dazu geeignet, einen ersten Strom I₁ durch den ersten Anschluss 8 zu messen.
Wenn die erste Spannung V₁ an die Sensorleitung 2 angelegt wird, werden die Sensorelektroden 3, 4, 5 mit einer abwechselnden Polarität geladen, während ein elektrisches Feld zwischen jeder Sensorelektrode 3, 4, 5 und Erde gebildet wird (z. B. einer geerdeten Struktur des Fahrzeugs). Falls ein Objekt 20, wie die Hand eines Benutzers, in der Nähe z. B. der dritten Sensorelektrode 5 angeordnet wird, ändern sich das elektrische Feld und damit die Kapazität der dritten Sensorelektrode 5. Insbesondere erhöht sich die Kopplung dieser dritten Sensorelektrode 5 gegen Erde erheblich. Diese dritte Sensorelektrode 5 wird nun als eine „aktivierte“ Sensorelektrode betrachtet.
Um eine Position des Objekts 20 zu bestimmen, muss die Messvorrichtung 10 die aktivierte Sensorelektrode 5 identifizieren. Diese Identifizierung basiert auf einem Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss 8. Da die erste Spannung V₁ in diesem Fall durch die erste Spannungsquelle 11 vorbestimmt ist, ist es ausreichend, den ersten Strom I₁ durch den ersten Anschluss 8 zu betrachten. War die erste Spannung V₁ nicht vorbestimmt, könnte sie gemessen werden und der erste Strom I₁ könnte normalisiert werden (z. B. durch Teilen durch die Amplitude der ersten Spannung V₁ ).
2 ist ein Diagramm, das den Realteil des ersten Stroms I₁ als Abszisse und den Imaginärteil des ersten Stroms I₁ als Ordinate zeigt. Das Diagramm zeigt verschiedene Messungen betreffend eine Aktivierung der ersten Sensorelektrode 3 (ausgefüllte Raute, „Zone 1“), der zweiten Sensorelektrode 4 (ausgefülltes Quadrat, „Zone 2“) bzw. der dritten Sensorelektrode 5 (leerer Kreis, „Zone 3“). Dies liegt daran, dass ein Strom, der zwischen dem ersten Anschluss 8 und der jeweiligen aktivierten Sensorelektrode 3, 4, 5 fließt, durch eine unterschiedliche Anzahl an Widerständen 6, 7 fließt, je nachdem, welche Sensorelektrode 3, 4, 5 aktiviert ist. Dies beeinflusst wiederum den Gesamtwiderstand der Sensorleitung 2, auch wenn der Blindwiderstand mehr oder weniger davon unabhängig ist, welche Sensorelektrode 3, 4, 5 aktiviert ist. Die Messungen betreffen eine Situation, in der das Objekt 20 sich in der Nähe nur jeweils einer Sensorelektrode 3, 4, 5 befindet. In diesem Fall ist es offensichtlich, dass die Messungen betreffend die verschiedenen Zonen deutlich unterschieden werden können, da sie z. B. durch die gestrichelte Linie in 2 getrennt werden können, die Schwellenwerten für den Imaginärteil bzw. den Realteil entsprechen. Der Schwellenwert für den Imaginärteil ist zum Beispiel eine Funktion des Realteils. Die Schwellenwerte können durch die Messvorrichtung 10 gemäß einer Formel berechnet werden, oder sie können aus einer Nachschlagetabelle abgelesen werden. Durch Vergleichen der Messwerte mit den Schwellenwerten kann die Messvorrichtung 10 die aktivierte Sensorelektrode 3, 4, 5 identifizieren.
Falls jedoch zwei Sensorelektroden 3, 4, 5 gleichzeitig aktiviert werden, können die Messungen in Bezug auf die Identifizierung der aktivierten Sensorelektrode 3, 4, 5 unklar werden. Zum Beispiel führen die Messungen betreffend ein Objekt 20, das gleichzeitig in der Nähe der ersten Elektrode 3 und der dritten Elektrode 5 ist, zu ähnlichen Strömen wie diejenigen betreffend das Objekt 20, das in der Nähe der zweiten Elektrode 4 ist.
Diese Unklarheiten können durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gelöst werden, die in 3 gezeigt ist. Diese Ausführungsform ist weitgehend identisch zu der in 1 gezeigten, aber die Messvorrichtung 10 umfasst ferner eine zweite Spannungsquelle 12, die über eine lineare, unverzweigte zweite Verbindung 14 mit einem zweiten Anschluss 9 der Sensorleitung 2 verbunden ist. Der zweite Anschluss 9 ist zwischen der zweiten Sensorelektrode 4 und der dritten Sensorelektrode 5, oder genauer zwischen der zweiten Sensorelektrode 4 und dem zweiten Widerstand 7, angeordnet, so dass der erste und der zweite Anschluss 8, 9 asymmetrisch auf der Sensorleitung 2 angeordnet sind. Mit anderen Worten gibt es, während es keine Sensorelektrode zwischen dem ersten Anschluss 8 und dem ersten Ende 2.1 der Sensorleitung 2 gibt, eine Sensorelektrode zwischen dem zweiten Anschluss 9 und dem zweiten Ende 2.2 der Sensorleitung 2.
In einem Schritt kann die Messvorrichtung 10 die erste Spannung V₁ an den ersten Anschluss 8 anlegen und den ersten Strom I₁ wie vorstehend beschrieben messen. Das entsprechende Diagramm, das den Realteil und den Imaginärteil des ersten Stroms I₁ in Beziehung setzt, ist in 4 gezeigt. Wie vorstehend erwähnt, können die Ergebnisse unklar sein, zum Beispiel wenn man die Messungen betrachtet, die eine Aktivierung nur der zweiten Sensorelektrode 4 betreffen (ausgefülltes Quadrat, „Zone 2“) und diejenigen, die eine gleichzeitige Aktivierung der ersten und der dritten Sensorelektrode 3, 5 betreffen (leere Raute, „Zone 1 & 3“).
In einem weiteren Schritt, der vor, nach oder gleichzeitig mit dem vorstehend erwähnten Schritt ausgeführt werden kann, legt die Messvorrichtung 10 eine zweite Spannung V₂ als zweites Signal an den zweiten Anschluss 9 an und misst einen zweiten Strom I₂ durch den zweiten Anschluss 9. Die zweite Spannung V₂ ist auch eine sinusförmige Spannung mit einer vorbestimmten Amplitude und Frequenz, die sogar identisch zu derjenigen der ersten Spannung V₁ sein kann. Ein Diagramm, das den Realteil und den Imaginärteil des zweiten Stroms I₂ in Beziehung setzt, ist in 5 gezeigt. Obwohl dieses Diagramm alleine auch einige Unklarheiten umfasst, löst sie die Unklarheiten des Diagramms in 4 und umgekehrt. Zum Beispiel sind in 5 die Messungen betreffend eine Aktivierung nur der zweiten Sensorelektrode 4 (ausgefülltes Quadrat, „Zone 2“) und diejenigen betreffend eine gleichzeitige Aktivierung der ersten und der dritten Sensorelektrode 3, 5 (leere Raute, „Zone 1 & 3“) klar getrennt. Andererseits sind, während die Messungen betreffend eine gleichzeitige Aktivierung der ersten und der zweiten Elektrode 3, 4 (ausgefülltes Dreieck, „Zone 1 & 2“) und diejenigen betreffend eine gleichzeitige Aktivierung der zweiten und dritten Elektrode 3, 5 (leeres Quadrat, „Zone 2 & 3“) in 5 im gleichen Bereich liegen, diese in 4 deutlich getrennt. Daher ermöglicht die Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, eine zuverlässige Identifizierung eines Objekts 20 in der Nähe nur einer Sensorelektrode 3, 4, 5 sowie eines Objekts 20 (bzw. zweier Objekte) gleichzeitig in der Nähe von zwei Sensorelektroden 3, 4, 5.
Bezugszeichenliste

1: Sensoranordnung
2: Sensorleitung
2.1: erstes Ende
2.2: zweites Ende
3, 4, 5: Sensorelektrode
6, 7: Widerstand
8, 9: Anschluss
10: Messvorrichtung
11, 12: Spannungsquelle
13, 14: Verbindung
20: Objekt
I₁, I₂: Strom
R: Widerstand
V₁, V₂: Spannung

Claims

Sensoranordnung (1) zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts (20), umfassend: - eine Sensorleitung (2) mit mehreren, in Reihe geschalteten Sensorelektroden (3-5), wobei mindestens ein Widerstandselement (6, 7) jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden (3-5) wirksam in Reihe geschaltet ist, - eine Messvorrichtung (10), die über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung (13) mit einem ersten Anschluss (8) der Sensorleitung (2) verbunden ist, wobei die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, ein zeitabhängiges erstes Signal an den ersten Anschluss (8) anzulegen und eine aktivierte Sensorelektrode (3-5) mit einem Objekt (20) in ihrer Nähe zu identifizieren, und zwar zumindest teilweise basierend auf einem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss (8).
Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Handerkennung in einem Lenkrad eines Fahrzeugs geeignet ist.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (8) ein Endanschluss der Sensorleitung (2) ist.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Widerstandselement (6, 7) ein außerhalb der Sensorelektroden (3-5) liegender Widerstand ist.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Widerstände aller Widerstandselemente (6, 7) um weniger als 20 % unterscheiden.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, eine erste Spannung (V₁) als erstes Signal anzulegen und die aktivierte Sensorelektrode (3-5) zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und einem Imaginärteil eines ersten Stroms (11) am ersten Anschluss (8) zu identifizieren.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein sinusförmiges Signal ist.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) über eine lineare, unverzweigte zweite Verbindung (14) an einen zweiten Anschluss (9) der Sensorleitung (2) angeschlossen und dafür ausgelegt ist, ein zeitabhängiges zweites Signal an den zweiten Anschluss (9) anzulegen und mindestens eine aktivierte Sensorelektrode (3-5) zumindest teilweise basierend auf einem zweiten Spannungs-Strom-Verhältnis am zweiten Anschluss (9) zu identifizieren.
Sensoranordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (9) zwischen zwei Sensorelektroden (3-5) angeordnet ist.
Sensoranordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (8) und der zweite Anschluss (9) asymmetrisch in der Sensorleitung (2) angeordnet sind.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, das erste Signal und das zweite Signal sequentiell und/oder gleichzeitig anzulegen.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, mindestens zwei aktivierte Sensorelektroden (3-5) zu identifizieren.
Sensoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dafür ausgelegt ist, eine zweite Spannung (V₂) als zweites Signal anzulegen und die aktivierte Sensorelektrode (3-5) zumindest teilweise basierend auf einem Realteil und einem Imaginärteil eines zweiten Stroms (I₂) am zweiten Anschluss (9) zu identifizieren.
Verfahren zur kapazitiven Positionserkennung eines Objekts (20) unter Verwendung einer Sensorleitung (2) mit mehreren, in Reihe geschalteten Sensorelektroden (3-5), wobei mindestens ein Widerstandselement (6, 7) jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensorelektroden (3-5) wirksam in Reihe geschaltet ist, wobei das Verfahren umfasst: - das Anlegen eines zeitabhängigen ersten Signals über eine lineare, unverzweigte erste Verbindung (13) an einen ersten Anschluss (8) der Sensorleitung (2), und - das Identifizieren einer aktivierten Sensorelektrode (3-5) mit einem Objekt (20) in ihrer Nähe, und zwar zumindest teilweise basierend auf einem ersten Spannungs-Strom-Verhältnis am ersten Anschluss (8).