EP3216127A2 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung einer lenkradberührung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erfassung einer lenkradberührung

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Publication number
EP3216127A2
EP3216127A2 EP15823496.3A EP15823496A EP3216127A2 EP 3216127 A2 EP3216127 A2 EP 3216127A2 EP 15823496 A EP15823496 A EP 15823496A EP 3216127 A2 EP3216127 A2 EP 3216127A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steering wheel
capacitor
electrical conductor
reference capacitor
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP15823496.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen BOSSLER
Martin Kreuzer
Guido Hirzmann
Alexander Lammers
Helga Heist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Automotive Safety Systems Germany GmbH
Original Assignee
TRW Automotive Safety Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TRW Automotive Safety Systems GmbH filed Critical TRW Automotive Safety Systems GmbH
Publication of EP3216127A2 publication Critical patent/EP3216127A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/046—Adaptations on rotatable parts of the steering wheel for accommodation of switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/06—Rims, e.g. with heating means; Rim covers
    • B62D1/065—Steering wheels with heating and ventilating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/962—Capacitive touch switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a steering wheel contact.
  • the invention further relates to a method for detecting a steering wheel touch by means of such a device.
  • CONFIRMATION COPY DE 10 2012 024 903 A1 shows a sheet with a carrier, at least two electrical functional elements and at least one seam, in which the strand-shaped functional elements are integrated. Such a sheet is intended to be used in particular in electrical heaters.
  • the object of the invention is to enable a reliable and robust detection of a steering wheel touch.
  • the device according to the invention for detecting a steering wheel contact comprises at least one first electrode arranged in a steering wheel, which forms at least one sensor capacitor together with a human body functioning as a second electrode and an intervening dielectric.
  • the device according to the invention further comprises an evaluation circuit with a reference capacitor of known capacitance, which is switchable parallel to the sensor capacitor, a DC voltage source which can be connected to the reference capacitor, and a measuring device for measuring the voltage at the reference capacitor.
  • the device according to the invention sees an "open" system before, in which the human body is used as a second capacitor electrode.
  • the capacitance of the sensor capacitor thus formed changes significantly.
  • the structure of the evaluation device according to the invention makes possible a reliable and robust detection of a steering wheel contact even under varying conditions, in particular in the With regard to temperature (drift), humidity, etc.
  • the typical problems in the monitoring of resonant circuits do not occur in the device according to the invention, since only working with DC voltage, which can be tapped advantageous from the electrical system, and no frequencies must be measured.
  • the device according to the invention is overall very cost-effective and easily scalable. The results of the evaluation can be transferred to various vehicle assistance systems in order to influence their control accordingly.
  • the compact design of the evaluation circuit contributes to the fact that it can at least partially be arranged on a chip.
  • the arrangement of the reference capacitor on a chip is advantageous because the chip provides protection against external influences.
  • the at least one first electrode of the sensor capacitor is formed in the preferred embodiments of the invention by an arranged in a steering wheel rim of the steering wheel electrical conductor.
  • the electrical conductor from which the first electrode is formed may comprise one or more wires, wherein it is z. B. may be commercially available enameled wires. In principle, wires can be easily bent and placed in a form suitable for an electrode. As an electrical conductor but also one or more conductive strips or bundles of several strands can be used.
  • the electrical conductor to an electrically conductive paint or an electrically conductive paste.
  • the application of such a varnish or paste to a support allows a free shaping of the first electrode.
  • Another advantage is that the paint or the paste before the foaming on the blank, which later forms the foam around the steering wheel skeleton, can be applied or introduced into the tool. This may have procedural advantages over a subsequent introduction of the first electrode.
  • Another way to provide the electrical conductor for the first electrode is to use a (prefabricated) metal plate or foil.
  • the electrical conductor is disposed within a foam surrounding a steering wheel skeleton. There, the electrical conductor is largely protected against mechanical stress and other disturbing influences.
  • the outer, facing away from the steering wheel skeleton part of the foam surrounds a part of the dielectric of the sensor capacitor, which is advantageous in view of the insulating properties of the foam.
  • the electrical conductor is applied to a foam surrounding a steering wheel skeleton.
  • the electrical conductor can be applied either on the inner side facing the steering wheel skeleton or on the outside facing away from the steering wheel skeleton.
  • a leather or synthetic leather sheathing be arranged.
  • sheathing should also decorative attachments z.
  • plastic, wood material, textile, etc. include.
  • the electrical conductor can run essentially along the toroidal circumferential direction of the steering wheel rim or essentially along the poloidal circumferential direction of the steering wheel rim. "Substantially” is intended here to mean that curvatures are permitted or even desired as long as the electrical conductor as a whole extends in the particular direction mentioned.
  • the electrical conductor is part of a metallic fabric or a metallic knitwear.
  • Such fabrics or knits are more flexible in comparison to metal plates and better conform to their bearing surface.
  • the electrical conductor is applied to a carrier, in particular on a textile, a mat or a film.
  • the electrical conductor which is preferably formed in the latter case by thread-like wires, can be attached as in embroidering by means of pulling or sewing on one or both sides of the carrier.
  • Such electrically conductive fabrics have been proven, inter alia, in electric steering wheel heating, but can also be used as a capacitor electrode within the scope of the invention.
  • the electrical conductor from which the first electrode of the sensor capacitor is formed, does not necessarily consist of a metal or a metal alloy.
  • the electrical conductor can also be formed from a semiconductor material.
  • a passive shield may be provided by a metallic skeleton of the steering wheel or an electrical conductor disposed between the steering wheel skeleton and the first electrode, which is at a constant potential or grounded.
  • An active shielding can be achieved in that the evaluation circuit is set up such that a metallic skeleton of the steering wheel or an electrical conductor arranged between the steering wheel skeleton and the first electrode is charged to a predetermined potential when the sensor capacitor and the reference capacitor are connected in parallel.
  • the invention provides a plurality of distributed over the steering wheel rim arranged first electrodes, which are galvanically separated from each other. In this way, the number of evaluable sensor capacitors is increased accordingly. Depending on the number and arrangement of the first electrodes, conclusions can be given about the specific location of the steering wheel contact. It is also possible to detect whether one or two hands are resting on the steering wheel, and also movement patterns can be detected.
  • the invention also provides a method for detecting a steering wheel touch by means of the device according to the invention as defined above.
  • the procedure comprises the following, successive steps: - Charging the reference capacitor by applying a known reference voltage, or charging the reference capacitor and then measuring a first voltage on the reference capacitor;
  • the skillful inclusion of the reference capacitor with known constant capacitance ensures that even small changes in the capacitance of the sensor capacitor can be reliably detected.
  • the sensor capacitor Before charging the reference capacitor and the charge transfer from the reference capacitor to the sensor capacitor at least the sensor capacitor is completely discharged. Of course, during the charge transfer, the reference capacitor is disconnected from the DC source.
  • the time interval between the repetitions of the method steps should be as small as possible, preferably in the millisecond range.
  • the evaluation can be used for a reproducible detection of a steering wheel touch on at least one threshold for the capacitance of the sensor capacitor, which is preferably based on empirically determined empirical values.
  • the evaluation circuit can easily be extended to monitor several sensor capacitors, more precisely several first electrodes. This allows a more sophisticated, differentiated evaluation, which goes beyond the mere detection of a steering wheel touch. Depending on the number and arrangement of the first electrodes can provide information about the specific location of the steering wheel touch. It is also possible to detect whether one or two hands are resting on the steering wheel, and also movement patterns can be detected.
  • FIG. 1 is a vehicle steering wheel with schematically illustrated, distributed electrodes arranged a device according to the invention for detecting a steering wheel contact;
  • FIG. 2 is a schematic section through the rim of the steering wheel of Figure 1 with an enlarged detail
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an evaluation circuit of the device according to the invention.
  • At least one sensor capacitor is required, which is designed to be "open" in the device for detecting a steering wheel contact described below.
  • the first electrode 12 of the sensor capacitor is an electrically conductive surface which is arranged immovably in the steering wheel rim 14 and is not visible from the outside. (To illustrate, in the left half of FIG. 1, several points of the steering wheel rim 14 are schematically marked, at which first electrodes 12 can be located according to an exemplary arrangement Various possibilities of the design and arrangement of the first electrode 12 will be described in more detail later.
  • a second electrode represents the human body of the driver. Accordingly, the distance between the first electrode 12 and the second electrode is variable. The distance between the two electrodes is minimal when the driver, in particular his fingers or hand, touches the steering wheel 10 immediately above the first electrode 12.
  • the dielectric of the sensor capacitor is formed by the layers of the steering wheel rim 14, including the casing 20, radially outward of the first electrode 12, and optionally by the air between the casing 20 and the driver's hand.
  • FIG. 2 shows a section through the steering wheel rim 14 including an enlarged detail.
  • a metallic steering wheel skeleton 16 is surrounded by a plastic foam 18, z.
  • the foam 18 is in turn covered by a sheath 20 made of leather, synthetic leather, wood, fabric, paint, plastic, rubber or other electrically non-conductive material.
  • the steering wheel rim 14 itself may have other components, but here are of minor importance.
  • At least one first electrode 12 is located in the rim 14 of the steering wheel. As can be seen in the detailed enlargement of FIG. 2, this can be formed by a plurality of interconnected wires 22 which are arranged inside the foam casing 18. Instead of a plurality of wires 22, only a single, possibly multi-twisted wire 22 may be provided. For the sake of simplicity, the following will always assume a plurality.
  • the wires 22 extend longitudinally to the toroidal circumferential direction T of the steering wheel rim 14.
  • the wires 22 can equally well run transversely thereto and wind completely or at least partially in the poloidal circumferential direction P about the steering wheel skeleton 16.
  • a wave or meandering course should be included in each case. It is important in any case that the wires 22 are arranged overall so that they form a total of more or less an electrically conductive surface that can act as a capacitor electrode.
  • the wires 22 do not rest on the inside and / or outside of the skirt 18, where they may slip or be sensed by the driver, but are disposed within the foam 18.
  • the wires 22 can be introduced into the foam casing 18 either before or after foaming. In the latter case, the foam 18 must be cut later.
  • a special method of insertion can be used which allows for a fast and uniform laying of the wires 22. In this case, the wires 22 are introduced into the cut at the same time as cutting the foam casing 18 at the same time, so that no additional working step is required in order, for example, to disassemble the cut edges for inserting the wires 22 again.
  • the wires 22 may be coated with an insulating lacquer layer (eg, enameled copper wire) and / or may be part of a metallic fabric or a metallic knit fabric.
  • an insulating lacquer layer eg, enameled copper wire
  • the term "woven and knitted fabric” is intended to generally mean here any more or less two-dimensional structure of wires or the like, in particular single-layered or multi-layered woven fabrics as well as knitted fabrics and knitted fabrics.
  • the wires 22 may also be applied to a carrier.
  • a sheet is suitable, as used in an electric steering wheel heating.
  • Such a sheet has a carrier, which may preferably be flat and at least partially a textile, a mat or a film.
  • the wires 22 may be fastened like threads by pulling or sewing on one or both sides of the support.
  • the course and area occupied by the wires 22 on the carrier should be chosen so that they can function as a capacitor electrode.
  • other electrical conductors such as electrically conductive bands, bundles of multiple strands or the like, may be used to form the first electrode 12.
  • the first electrode 12 is formed from an electrically conductive lacquer or an electrically conductive paste.
  • the paint or paste can basically on the steering wheel skeleton 16 facing inside or on the outside of the foam 18, z. B. directly under the Ummante- ment 20, be applied. In the latter case, the paint or paste can be applied directly to the blank before it is foamed.
  • Another possible embodiment of the first electrode 12 is a metal plate or foil which is inserted between the foam casing 18 and the casing 20.
  • a semiconductor material can also be used for the electrical conductor.
  • a spatial resolution is desired in the detection of steering wheel touch, according to the schematic representation of the left half of Figure 1, a plurality of distributed in the toroidal circumferential direction T of the steering wheel rim arranged first electrodes 12 may be provided, which are monitored simultaneously.
  • the first electrodes 12 may also be distributed (still) in the circumferential poloidal direction P of the steering wheel rim 14 and / or arranged only at locations of the steering wheel rim 14 selected according to specific criteria.
  • the detection of a steering wheel contact by the driver using the arranged in the steering wheel rim 14 first electrode 12 will be described.
  • the detection is based on the capacitance change of the sensor capacitor, which occurs when the driver acting as the second electrode, in particular his hand or finger, approaches the first electrode 12.
  • FIG. 3 shows the basic structure of an evaluation circuit 24, which is used in the device described here.
  • the sensor capacitor is here generally symbolized by 26. Its second electrode variable in the distance to the first electrode 12, which is formed by the driver's human body, is designated here by 36.
  • the sensor capacitor 26 can be connected in parallel with at least one reference capacitor 30.
  • the reference capacitor 30 has a known capacitance C Re f and can be arranged together with other components of the evaluation circuit 24 on a chip (IC), for example as part of an analog-to-digital converter.
  • the capacitance C Ref of the reference capacitor 30 is chosen such that it lies approximately in the region of the capacitance C Se n of the sensor capacitor 26 when a steering wheel contact takes place.
  • a DC voltage source 34 can be connected to the reference capacitor 30 via a second switch 32. By means of a measuring device, in each case the voltage at the reference capacitor 30 can be measured.
  • the reference capacitor 30 can be charged and, after charging, a first voltage on the reference capacitor 30 can be measured, which for the sake of simplicity is also referred to as U Ref1 .
  • the reference capacitor 30 is disconnected from the DC voltage source 34 and connected in parallel with the sensor capacitor 26, which was previously completely discharged. In this switching state, a charge compensation takes place, in which a part of the charge Q of the reference capacitor 30 is transferred to the parallel-connected sensor capacitor 26. For this charge transfer about 20 milliseconds are estimated.
  • a more complex evaluation makes it possible to detect an approach to the steering wheel 10 or a distance from the steering wheel 10. Also, a distinction between a touch / approach with the hand and a touch / approach with a finger can be made.
  • the evaluation of all sensor capacitors 26 thus formed can provide information about the location of the steering wheel 10 at which a contact takes place and whether one or two hands rest on the steering wheel 10.
  • gestures can also be recognized, such as a strum of a hand on the steering wheel rim 14th
  • the results of the evaluation can be fed to various vehicle assistance systems as input parameters.
  • the metallic steering wheel skeleton 16 or another electrical conductor disposed between the steering wheel skeleton 16 and the first electrode 12 can be used as a shield. Passive shielding is achieved by placing this electrical conductor at a constant potential or ground.
  • an active shield may be provided, in which this electrical conductor in the above-described parallel switching sensor capacitor 26 and reference capacitor 30 is charged to a suitable for noise suppression potential.
  • the first electrode 12 of the sensor capacitor 26 may simultaneously be a heating element of a steering wheel heater, or it may be connected to such or similar device. Additionally or alternatively, the at least one first electrode 12 may also be arranged on the airbag module of the steering wheel 10, in particular in or under its upper cover.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung umfasst wenigstens eine in einem Lenkrad (10) angeordnete erste Elektrode (12), die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator (26) bildet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteschaltung (24) mit einem Referenzkondensator (30) bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator (26) schaltbar ist, einer Gleichspannungsquelle (34), die an den Referenzkondensator (30) anschließbar ist, und einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator (30). Ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer solchen Vorrichtung umfasst folgende, aufeinanderfolgende Schritte: Aufladen des Referenzkondensators (30) durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators (30) und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkondensator (30); Parallelschalten des Sensorkondensators (26) an den Referenzkondensator (30), sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators (30) auf den Sensorkondensator (26) übertragen wird; Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator (30); und Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators (26) aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators (30), der Referenzspannung bzw. ersten Spannung und der zweiten Spannung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer solchen Vorrichtung.
Abgesehen von optischen Erfassungssystemen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, eine Lenkradberührung sensorisch zu erfassen: kapazitiv und resistiv. Bei resisitiven Systemen wird durch den Druck der Hand auf das Lenkrad ein elektrisches Signal generiert. Einflüsse durch unterschiedlich straffe oder weniger straffe Lederummantelungen und damit unterschiedliche auf den Sensor wirkende Ausgangskräfte erschweren eine eindeutige Erkennung.
Bei kapazitiven Systemen ist derzeit eine störungsfreie Erkennung noch nicht oder nur mit großem technischen Aufwand möglich. Probleme wie unzureichende Erdung, Temperatureinflüsse und Erkennung des Ausgangszustandes beim Starten des Fahrzeuges sind zu lösen. Insbesondere neigen die Sensoren sehr stark zum Driften. Bei bekannten„offenen" Systemen, bei denen der menschliche Körper eine Kondensatorelektrode mit veränderlichem Abstand zu einer fest im Lenkrad angeordneten Elektrode bildet und deren Auswertung auf einem Schwingkreis basiert, wird die Frequenzverschiebung (Verstimmung des Schwingkreises) gemessen. Dabei wird jedoch oft bereits eine Annäherung an das Lenkrad als Berührung gewertet, sodass eine zuverlässige Erkennung einer echten Berührung nicht gewährleistet ist.
Aus der US 8 836 350 B2 ist ein Verfahren zur kapazitiven Berührungserkennung bekannt, das für die Abfrage von berührungsempfindlichen Tastaturen entwickelt wurde. Im Rahmen der Berührungserkennung wird die Spannung an einem internen Kondensator eines integrierten Schaltkreises überwacht, der an einen externen Kondensator koppelbar ist.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die DE 10 2012 024 903 A1 zeigt ein Flächengebilde mit einem Träger, mindestens zwei elektrischen Funktionselementen und mindestens einer Naht, in die die strangförmigen Funktionselemente integriert sind. Ein solches Flächengebilde soll insbesondere in elektrischen Heizeinrichtungen Verwendung finden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine zuverlässige und robuste Erfassung einer Lenkradberührung zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vor- richtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung umfasst wenigstens eine in einem Lenkrad angeordnete erste Elektrode, die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator bildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteschaltung mit einem Referenzkondensator bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator schaltbar ist, einer Gleichspannungsquelle, die an den Referenzkondensator anschließbar ist, und einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator.
Im Vergleich zu einem „geschlossenen" System, bei dem zwei einander gegenüberliegende Elektroden im Lenkrad verbaut sind, die zur Erzeugung eines Ausgangssignals durch Druck aufeinander zu bewegt werden müssen und daher ein hochelastisches Dielektrikum bedingen, sieht die erfindungsgemäße Vorrich- tung ein „offenes" System vor, bei dem der menschliche Körper als zweite Kondensatorelektrode genutzt wird. Durch Annäherung und schließlich Berührung des Lenkrads ändert sich die Kapazität des so gebildeten Sensorkondensators signifikant. Somit kann auf eine zweite Kondensatorelektrode im Lenkrad verzichtet werden, und die erforderlichen baulichen Veränderungen im Lenkrad halten sich in Grenzen. Der erfindungsgemäße Aufbau der Auswerteeinrichtung ermöglicht dank der Einbeziehung des parallel zum Sensorkondensator schaltbaren Referenzkondensators eine zuverlässige und robuste Erkennung einer Lenkradberührung auch unter veränderlichen Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf Temperatur(drift), Feuchtigkeit etc. Die typischen Probleme bei der Überwachung von Schwingkreisen treten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf, da nur mit Gleichspannung gearbeitet wird, die vorteilhaft vom Bordnetz abgegriffen werden kann, und keine Frequenzen gemessen werden müssen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insgesamt sehr kostengünstig realisierbar und leicht skalierbar. Die Ergebnisse der Auswertung können an verschiedene Fahrzeugassistenzsysteme übergeben werden, um deren Steuerung entsprechend zu beeinflussen.
Zum kompakten Aufbau der Auswerteschaltung trägt bei, dass diese wenig- stens teilweise auf einem Chip angeordnet werden kann. Insbesondere die Anordnung des Referenzkondensators auf einem Chip ist vorteilhaft, da der Chip einen Schutz vor äußeren Einflüssen bietet.
Die wenigstens eine erste Elektrode des Sensorkondensators ist bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung durch einen in einem Lenkrad- kränz des Lenkrads angeordneten elektrischen Leiter gebildet.
Der elektrische Leiter, aus dem die erste Elektrode gebildet ist, kann einen oder mehrere Drähte aufweisen, wobei es sich z. B. um handelsübliche Lackdrähte handeln kann. Drähte lassen sich grundsätzlich leicht biegen und in eine für eine Elektrode geeignete Form bringen. Als elektrischer Leiter können aber auch ein oder mehrere leitfähige Bänder oder Bündel aus mehreren Litzen eingesetzt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der elektrische Leiter einen elektrisch leitfähigen Lack oder einer elektrisch leitfähige Paste auf. Das Aufbringen eines solchen Lacks bzw. einer solchen Paste auf einen Träger ermöglicht eine freie Formgestaltung der ersten Elektrode. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Lack bzw. die Paste bereits vor dem Schäumen auf den Rohling, der später die Umschäumung des Lenkradskeletts bildet, aufgetragen oder in das Werkzeug eingebracht werden kann. Dies kann prozesstechnische Vorteile gegenüber einem nachträglichen Einbringen der ersten Elektrode haben. Eine weitere Möglichkeit, den elektrischen Leiter für die erste Elektrode zu bereitzustellen, ist die Verwendung einer (vorgefertigten) Metallplatte oder -folie. Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der elektrische Leiter innerhalb einer Umschäumung angeordnet, die ein Lenkradskelett umgibt. Dort ist der elektrische Leiter vor mechanischer Beanspruchung und anderen Störeinflüssen weitestgehend geschützt. Zudem stellt der außenliegende, vom Lenkradskelett abgewandte Teil der Umschäumung einen Teil des Dielektrikums des Sensorkondensators dar, was im Hinblick auf die isolierenden Eigenschaften der Umschäumung vorteilhaft ist.
Es sind grundsätzlich aber auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen der elektrische Leiter auf einer Umschäumung aufgebracht ist, die ein Lenkradskelett umgibt. Dabei kann der elektrische Leiter entweder auf der dem Lenkradskelett zugewandten Innenseite oder auf der vom Lenkradskelett abgewandten Außenseite aufgebracht sein.
Beispielsweise kann der elektrische Leiter unmittelbar unterhalb einer äußeren Ummantelung des Lenkradkranzes, z. B. einer Leder- oder Kunstleder-Um- mantelung, angeordnet sein. Der Begriff Ummantelung soll auch dekorative Anbauteile z. B. aus Kunststoff, Holzwerkstoff, Textil etc. umfassen.
Ausgehend von einem langgezogenen Grundmaterial (Drähte, Bänder etc.) kann der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der toroidalen Umfangsrich- tung des Lenkradkranzes oder im Wesentlichen längs der poloidalen Umfangs- richtung des Lenkradkranzes verlaufen. „Im Wesentlichen" soll hier bedeuten, dass Krümmungen erlaubt oder sogar erwünscht sind, solange sich der elektrische Leiter insgesamt in der jeweils genannten Richtung erstreckt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Leiter Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware. Solche Gewebe oder Maschenwaren sind im Vergleich zu Metallplatten flexibler und passen sich besser an ihre Auflagefläche an.
In einer weiteren Ausführungsform der ersten Elektrode ist der elektrische Leiter auf einem Träger aufgebracht, insbesondere auf einem Textil, einer Matte oder einer Folie. Der elektrische Leiter, der im letztgenannten Fall vorzugsweise durch fadengleiche Drähte gebildet ist, kann wie beim Sticken mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten des Trägers befestigt werden. Solche elektrisch leitfähigen Flächengebilde haben sich unter anderem bei elektrischen Lenkradheizungen bewährt, können im Rahmen der Erfindung aber auch als Kondensatorelektrode genutzt werden.
Der elektrische Leiter, aus dem die erste Elektrode des Sensorkondensators gebildet ist, muss nicht zwangsläufig aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Der elektrische Leiter kann auch aus einem Halbleitermaterial gebildet sein.
Um elektrische Störungen und damit die Fehleranfälligkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu minimieren bzw. die Qualität der Ergebnisse zu ver- bessern, ist eine Abschirmung wünschenswert. Eine passive Abschirmung kann durch ein metallisches Skelett des Lenkrads oder ein zwischen dem Lenkradskelett und der ersten Elektrode angeordneten elektrischen Leiter bereitgestellt werden, das bzw. der auf einem konstanten Potential oder auf Masse liegt.
Eine aktive Abschirmung kann dadurch erreicht werden, dass die Auswerte- Schaltung so eingerichtet ist, dass ein metallisches Skelett des Lenkrads oder ein zwischen dem Lenkradskelett und der ersten Elektrode angeordneter elektrischer Leiter bei einem Parallelschalten des Sensorkondensators und des Referenzkondensators auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
Für eine anspruchsvollere, differenziertere Auswertung, die über das bloße Erkennen einer Lenkradberührung hinausgeht, sieht die Erfindung mehrere über den Lenkradkranz verteilt angeordnete erste Elektroden vor, die galvanisch voneinander getrennt sind. Auf diese Weise wird die Anzahl der auswertbaren Sensorkondensatoren entsprechend erhöht. Je nach Anzahl und Anordnung der ersten Elektroden lassen sich Aufschlüsse über die konkrete Stelle der Lenkrad- berührung geben. Außerdem ist es möglich zu erkennen, ob eine oder zwei Hände am Lenkrad aufliegen, und auch Bewegungsmuster können erkannt werden.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe der oben definierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfah- ren umfasst folgende, aufeinanderfolgende Schritte: - Aufladen des Referenzkondensators durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkondensator;
- Parallelschalten des Sensorkondensators an den Referenzkondensator, sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators auf den Sensorkondensator übertragen wird;
- Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator; und
- Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators, der Referenzspannung bzw. ersten Span- nung und der zweiten Spannung.
Wie bereits erwähnt sorgt die geschickte Einbeziehung des Referenzkondensators mit bekannter konstanter Kapazität dafür, dass auch geringe Änderungen der Kapazität des Sensorkondensators zuverlässig detektiert werden können. Vor dem Aufladen des Referenzkondensators und dem Ladungstransfer vom Referenzkondensator auf den Sensorkondensator wird zumindest der Sensorkondensator vollständig entladen. Während des Ladungstransfers ist der Referenzkondensator selbstverständlich von der Gleichspannungsquelle getrennt.
Um insbesondere Veränderungen der Kapazität des Sensorkondensators zu erkennen, die auf Bewegungen des Fahrers, insbesondere von dessen Hand oder Finger, schließen lassen, sind die oben genannten Verfahrensschritte kontinuierlich zu wiederholen.
Für eine hohe Auflösung der Detektierung sollte der zeitliche Abstand zwischen den Wiederholungen der Verfahrensschritte möglichst klein sein, vor- zugsweise im Millisekundenbereich.
Zur Unterdrückung von Störungen und Verbesserung der Qualität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beim Parallelschalten des Sensorkondensators und des Referenzkondensators ein als (aktive) Abschirmung dienender elektrischer Leiter im Lenkrad, beispielsweise das metallische Lenkradskelett, auf ein vorgegebenes, zur Störunterdrückung geeignetes Potential aufgeladen werden. Im Rahmen der Auswertung kann für eine reproduzierbare Erkennung einer Lenkradberührung auf wenigstens einen Schwellenwert für die Kapazität des Sensorkondensators zurückgegriffen werden, der vorzugsweise auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basiert. Die Auswerteschaltung kann problemlos erweitert werden, um mehrere Sensorkondensatoren, genauer gesagt mehrere erste Elektroden zu überwachen. Dadurch wird eine anspruchsvollere, differenziertere Auswertung ermöglicht, die über das bloße Erkennen einer Lenkradberührung hinausgeht. Je nach Anzahl und Anordnung der ersten Elektroden lassen sich Aufschlüsse über die konkrete Stelle der Lenkradberührung geben. Außerdem ist es möglich zu erkennen, ob eine oder zwei Hände am Lenkrad aufliegen, und auch Bewegungsmuster können erkannt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 ein Fahrzeuglenkrad mit schematisch dargestellten, verteilt angeordneten Elektroden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung;
- Figur 2 einen schematischen Schnitt durch den Kranz des Lenkrads aus Figur 1 mit einer Detailvergrößerung; und
- Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zur kapazitiven Erfassung einer Berührung eines Lenkrads 10 in einem Kraftfahrzeug, wie es beispielhaft in Figur 1 gezeigt ist, wird wenigstens ein Sensorkondensator benötigt, der bei der im Folgenden beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung„offen" ausgebildet ist.
Als erste Elektrode 12 des Sensorkondensators dient eine elektrisch leitfähige Fläche, die unbeweglich im Lenkradkranz 14 angeordnet und von außen nicht sichtbar ist. (Zur Illustration sind in der linken Hälfte von Figur 1 schematisch mehrere Stellen des Lenkradkranzes 14 markiert, an denen sich gemäß einer beispielhaften Anordnung erste Elektroden 12 befinden können.) Beispiele für verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung und Anordnung der ersten Elektrode 12 werden später noch genauer beschrieben.
Eine zweite Elektrode stellt der menschliche Körper des Fahrers dar. Dementsprechend ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode variabel. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist minimal, wenn der Fahrer, insbesondere dessen Finger oder Hand, das Lenkrad 10 unmittelbar über der ersten Elektrode 12 berührt.
Das Dielektrikum des Sensorkondensators wird durch die auf die erste Elektrode 12 radial nach außen folgenden Schichten des Lenkradkranzes 14, ein- schließlich der Ummantelung 20, und gegebenenfalls durch die Luft zwischen der Ummantelung 20 und der Hand des Fahrers gebildet.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Lenkradkranz 14 einschließlich einer Detailvergrößerung. Ein metallisches Lenkradskelett 16 ist von einer Kunststoff- Umschäumung 18, z. B. Polyurethan (PUR), umgeben. Die Umschäumung 18 ist wiederum von einer Ummantelung 20 aus Leder, Kunstleder, Holz, Stoff, Lack, Kunststoff, Gummi oder einem anderen, elektrisch nicht leitenden Material bedeckt. Selbstverständlich kann der Lenkradkranz 14 selbst noch weitere Bestandteile aufweisen, die hier jedoch von untergeordneter Bedeutung sind.
Wie bereits erwähnt befindet sich im Lenkradkranz 14 wenigstens eine erste Elektrode 12. Diese kann, wie in der Detailvergrößerung der Figur 2 zu erkennen ist, durch eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Drähten 22 gebildet sein, die innerhalb der Umschäumung 18 angeordnet sind. Anstelle von mehreren Drähten 22 kann auch nur ein einziger, möglicherweise mehrfach gewundener Draht 22 vorgesehen sein. Der Einfachheit halber wird im Folgenden immer von einer Mehrzahl ausgegangen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 verlaufen die Drähte 22 längs zur toroi- dalen Umfangsrichtung T des Lenkradkranzes 14. Genauso gut können die Drähte 22 aber auch quer dazu verlaufen und sich ganz oder zumindest teilweise in der poloidalen Umfangsrichtung P um das Lenkradskelett 16 winden. In beiden Fällen ist nur die Grundrichtung der Drähte 22 angegeben, d. h. ein wellen- oder mäanderförmiger Verlauf soll jeweils mitumfasst sein. Von Bedeutung ist in jedem Fall, dass die Drähte 22 insgesamt so angeordnet sind, dass sie insgesamt mehr oder weniger eine elektrisch leitfähige Fläche bilden, die als Kondensatorelektrode fungieren kann.
Es ist wünschenswert, dass die Drähte 22 nicht innen und/oder außen auf der Umschäumung 18 aufliegen, wo sie unter Umständen verrutschen oder vom Fahrer gespürt werden können, sondern innerhalb der Umschäumung 18 angeordnet sind. Grundsätzlich können die Drähte 22 entweder vor oder nach dem Schäumen in die Umschäumung 18 eingebracht werden. Im letzteren Fall muss die Umschäumung 18 nachträglich eingeschnitten werden. Damit die Drähte 22 sicher und zuverlässig in der Umschäumung 18 gehalten werden, kann ein besonderes Verfahren zum Einbringen angewendet werden, das eine schnelle und gleichmäßige Verlegung der Drähte 22 ermöglicht. Dabei werden die Drähte 22 direkt beim Einschneiden der Umschäumung 18 gleichzeitig in diesen Schnitt eingebracht, sodass kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist, um beispiels- weise die Schnittränder zum Einlegen der Drähte 22 wieder auseinanderzubiegen.
Die Drähte 22 können mit einer isolierenden Lackschicht überzogen sein (z. B. Kupferlackdraht) und/oder Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware sein. Unter Gewebe und Maschenware soll hier allgemein jede mehr oder weniger zweidimensionale Struktur aus Drähten oder dergleichen verstanden werden, insbesondere ein- oder mehrlagige Gewebe sowie Gestricke und Gewirke.
Des Weiteren können die Drähte 22 auch auf einem Träger aufgebracht sein. Insbesondere ist als erste Elektrode 12 ein Flächengebilde geeignet, wie es bei einer elektrischen Lenkradheizung zum Einsatz kommt. Ein solches Flächengebilde weist einen Träger auf, der vorzugsweise flächig und zumindest teilweise ein Textil, eine Matte oder eine Folie sein kann. Die Drähte 22 können wie Fäden mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten am Träger befestigt werden. Der Verlauf und die Fläche, die die Drähte 22 auf dem Träger einnehmen, sollten so gewählt sein, dass sie als Kondensatorelektrode fungieren können. Anstelle von Drähten 22 können auch andere elektrische Leiter, wie etwa elektrisch leitfähige Bänder, Bündel aus mehreren Litzen oder dergleichen, für die Ausbildung der ersten Elektrode 12 verwendet werden.
In einer anderen Variante ist die erste Elektrode 12 aus einem elektrisch leit- fähigen Lack oder einer elektrisch leitfähigen Paste gebildet. Der Lack bzw. die Paste kann grundsätzlich auf der dem Lenkradskelett 16 zugewandten Innenseite oder auf der Außenseite der Umschäumung 18, z. B. direkt unter der Ummante- lung 20, aufgebracht sein. Im letzteren Fall kann der Lack bzw. die Paste direkt auf den Rohling aufgetragen werden, bevor dieser geschäumt wird. Eine weitere mögliche Ausgestaltung der ersten Elektrode 12 ist eine Metallplatte oder -folie, die zwischen Umschäumung 18 und Ummantelung 20 eingefügt ist.
Anstelle eines Metalls oder einer Legierung kann für den elektrischen Leiter auch ein Halbleitermaterial verwendet werden. Falls bei der Detektierung von Lenkradberührungen eine Ortsauflösung gewünscht ist, können gemäß der schematischen Darstellung der linken Hälfte von Figur 1 mehrere, in der toroidalen Umfangsrichtung T des Lenkradkranzes verteilt angeordnete erste Elektroden 12 vorgesehen sein, die gleichzeitig überwacht werden. Die ersten Elektroden 12 können zusätzlich auch (noch) in der poloidalen Umfangsrichtung P des Lenkradkranzes 14 verteilt und/oder nur an nach bestimmten Kriterien ausgesuchten Stellen des Lenkradkranzes 14 angeordnet sein.
Nachfolgend wird die Erfassung einer Lenkradberührung durch den Fahrer mithilfe der im Lenkradkranz 14 angeordneten ersten Elektrode 12 beschrieben. Die Erfassung basiert auf der Kapazitätsänderung des Sensorkondensators, die auftritt bei einer Annäherung des als zweite Elektrode fungierenden Fahrers, insbesondere von dessen Hand oder Finger, an die erste Elektrode 12.
Figur 3 zeigt den grundlegenden Aufbau einer Auswerteschaltung 24, die bei der hier beschriebenen Vorrichtung zum Einsatz kommt. Der Sensorkondensator ist hier allgemein mit 26 symbolisiert. Dessen in der Entfernung zur ersten Elektrode 12 variable zweite Elektrode, die durch den menschlichen Körper des Fahrers gebildet ist, ist hier mit 36 bezeichnet. Mittels eines ersten Schalters 28 kann der Sensorkondensator 26 parallel zu wenigstens einem Referenzkondensator 30 geschaltet werden. Der Referenzkondensator 30 hat eine bekannte Kapazität CRef und kann zusammen mit weiteren Bestandteilen der Auswerteschaltung 24 auf einem Chip (IC) angeordnet sein, beispielsweise als Teil eines Analog-Digital-Wandlers. Die Kapazität CRef des Referenzkondensators 30 ist so gewählt, dass sie etwa im Bereich derjenigen Kapazität CSen des Sensorkondensators 26 liegt, wenn eine Lenkradberührung stattfindet.
Über einen zweiten Schalter 32 kann eine Gleichspannungsquelle 34 mit dem Referenzkondensator 30 verbunden werden. Mittels einer Messeinrichtung kann jeweils die Spannung am Referenzkondensator 30 gemessen werden.
Anhand der folgenden Ausführungen wird das grundlegende Messprinzip verdeutlicht. Durch Schließen des zweiten Schalters 32 wird eine bekannte Referenzspannung URef an den Referenzkondensator 30 angelegt. Gemäß der Gleichung
speichert der Referenzkondensator 30 eine Ladung Q. Alternativ kann der Referenzkondensator 30 aufgeladen und nach dem Ladevorgang eine erste Spannung am Referenzkondensator 30 gemessen werden, welche der Einfachheit halber ebenfalls als URef1 bezeichnet wird.
Durch Öffnen des zweiten Schalters 32 und Schließen des ersten Schalters 28 wird der Referenzkondensator 30 von der Gleichspannungsquelle 34 getrennt und mit dem Sensorkondensator 26, der zuvor vollständig entladen wurde, parallel geschaltet. In diesem Schaltzustand findet ein Ladungsausgleich statt, bei dem ein Teil der Ladung Q des Referenzkondensators 30 auf den parallel geschalteten Sensorkondensator 26 übertragen wird. Für diesen Ladungstransfer werden etwa 20 Millisekunden veranschlagt.
Die Gesamtladung Q bleibt bei diesem Vorgang gleich, ist aber nun auf die beiden Kondensatoren 26, 30 aufgeteilt (Q = QRef + Qsen)- Dagegen ist die nun am Referenzkondensator 30 messbare zweite Spannung URef2 geringer als die (erste) Referenzspannung URef1, da die Gesamtkapazität der parallel geschalte- ten Kondensatoren 26, 30 (CRef + CSen) größer ist als die Kapazität CRef des Referenzkondensators 30 alleine:
Aus den obigen Zusammenhängen lässt sich nun ohne Weiteres die aktuelle Kapazität CSen des Sensorkondensators 26 berechnen:
CRef * Ußefl = (CRef + Csen) * URef2
Csen = CRef * (U efi - URef2) / URef2
Bei bekannter Kapazität CRef des Referenzkondensators 30 müssen also nur jeweils die Gleichspannungen URefi ünd URef2 gemessen werden, um die aktuelle Kapazität CSen des Sensorkondensators 26 bestimmen zu können.
Die oben beschriebenen Vorgänge werden in kurzen Abständen, z. B. zwei Millisekunden, kontinuierlich wiederholt. Die fortlaufende Bestimmung der Kapazität CSen des Sensorkondensators 26 ermöglicht es, Änderungen dieser Kapazität zu erkennen. Anhand von sorgfältig festgelegten Schwellwerten, die auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basieren können, lässt sich bei Unterbzw. Überschreiten dieser Schwellwerte auf eine Berührung bzw. auf ein Loslassen des Lenkrads 10 schließen.
Eine aufwendigere Auswertung ermöglicht es, bereits eine Annäherung an das Lenkrad 10 bzw. eine Entfernung vom Lenkrad 10 zu erkennen. Auch eine Unterscheidung zwischen einer Berührung/Annäherung mit der Hand und einer Berührung/Annäherung mit einem Finger kann getroffen werden.
Falls mehrere, galvanisch voneinander getrennte erste Elektroden 12 am Lenkrad 10 angebracht sind, kann die Auswertung aller so gebildeten Sensorkondensatoren 26 Aufschluss über die Stelle des Lenkrads 10 geben, an der eine Berührung stattfindet und ob eine oder zwei Hände am Lenkrad 10 aufliegen. Darüber hinaus können auch Gesten erkannt werden, wie etwa ein Entlangstreifen einer Hand auf dem Lenkradkranz 14.
Die Ergebnisse der Auswertung können verschiedenen Fahrzeugassistenzsystemen als Eingangsparameter zugeführt werden. Zur Unterdrückung von Störungen kann das metallische Lenkradskelett 16 oder ein weiterer zwischen dem Lenkradskelett 16 und der ersten Elektrode 12 angeordneter elektrischer Leiter als Abschirmung genutzt werden. Eine passive Abschirmung wird dadurch erreicht, dass dieser elektrische Leiter auf ein kon- stantes Potential oder Masse gelegt wird. Dadurch werden insbesondere die Lade- und Entladevorgänge an den Kondensatoren 26, 30 und damit die Auswertung der gemessenen Spannungen robuster gegen Störungen. Zusätzlich oder alternativ kann eine aktive Abschirmung vorgesehen sein, bei der dieser elektrische Leiter beim zuvor beschriebenen Parallelschalten von Sensorkon- densator 26 und Referenzkondensator 30 auf ein zur Störunterdrückung geeignetes Potential aufgeladen wird.
Die erste Elektrode 12 des Sensorkondensators 26 kann gleichzeitig ein Heizelement einer Lenkradheizung sein, oder sie kann mit einer solchen oder ähnlichen Einrichtung verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine erste Elektrode 12 auch am Airbagmodul des Lenkrads 10, insbesondere in oder unter dessen oberer Abdeckung, angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
10 Lenkrad
12 erste Elektrode
14 Lenkradkranz
16 Lenkradskelett
18 Umschäumung
20 Ummantelung
22 Drähte
24 Auswerteschaltung
26 Sensorkondensator
28 erster Schalter
30 Referenzkondensator
32 zweiter Schalter
34 Gleichspannungsquelle
36 zweite Elektrode
T toroidale Umfangsrichtung
P poloidale Umfangsrichtung

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Erfassung einer Lenkradberührung, mit
wenigstens einer in einem Lenkrad (10) angeordneten ersten Elektrode (12), die zusammen mit einem als zweite Elektrode fungierenden menschlichen Körper und einem dazwischenliegenden Dielektrikum wenigstens einen Sensorkondensator (26) bildet, und
einer Auswerteschaltung (24) mit
einem Referenzkondensator (30) bekannter Kapazität, der parallel zum Sensorkondensator (26) schaltbar ist,
einer Gleichspannungsquelle (34), die an den Referenzkondensator (30) anschließbar ist, und
einer Messeinrichtung zum Messen der Spannung am Referenzkondensator (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung wenigstens teilweise auf einem Chip angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) durch einen in einem Lenkradkranz (14) des Lenkrads (10) angeordneten elektrischen Leiter gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen oder mehrere Drähte (22) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter ein oder mehrere leitfähige Bänder oder Bündel aus mehreren Litzen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen elektrisch leitfähigen Lack oder einer elektrisch leitfähige Paste aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter eine Metallplatte oder -folie aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter innerhalb einer Umschäumung (18) angeordnet ist, die ein Lenkradskelett (16) umgibt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter auf einer Umschäumung (18) aufgebracht ist, die ein Lenkradskelett (16) umgibt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter unmittelbar unterhalb einer äußeren Ummante- lung (20) des Lenkradkranzes (20) angeordnet ist. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der toroidalen Umfangs- richtung des Lenkradkranzes (14) verläuft.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter im Wesentlichen längs der poloidalen Umfangs- richtung des Lenkradkranzes (14) verläuft.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter Teil eines metallischen Gewebes oder einer metallischen Maschenware ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter auf einem Träger aufgebracht ist, insbesondere auf einem Textil, einer Matte oder einer Folie.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter mittels Durchziehen oder Aufnähen auf einer oder auf beiden Seiten des Trägers befestigt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter aus einem Halbleitermaterial gebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Skelett (16) des Lenkrads (10) oder ein zwischen dem Lenkradskelett (16) und der ersten Elektrode (12) angeordneter elektrischer Leiter auf einem konstanten Potential oder Masse liegt. 18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung so eingerichtet ist, dass ein metallisches Skelett (16) des Lenkrads (10) oder ein zwischen dem Lenkradskelett (16) und der ersten Elektrode (12) angeordneter elektrischer Leiter bei einem Parallelschalten des Sensorkondensators (26) und des Referenzkondensa- tors (30) auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere über den Lenkradkranz (14) verteilt angeordnete erste Elektroden (12) vorgesehen sind.
20. Verfahren zur Erfassung einer Lenkradberührung mithilfe einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden, aufeinanderfolgenden Schritten:
Aufladen des Referenzkondensators (30) durch Anlegen einer bekannten Referenzspannung, oder Aufladen des Referenzkondensators (30) und anschließendes Messen einer ersten Spannung am Referenzkonden- sator (30);
Parallelschalten des Sensorkondensators (26) an den Referenzkondensator (30), sodass ein Teil der Ladung des Referenzkondensators (30) auf den Sensorkondensator (26) übertragen wird;
Messen einer zweiten Spannung am Referenzkondensator (30); und - Bestimmen der Kapazität des Sensorkondensators (26) aus der bekannten Kapazität des Referenzkondensators (30), der Referenzspannung bzw. ersten Spannung und der zweiten Spannung. 1 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte kontinuierlich wiederholt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen den Wiederholungen der Verfahrensschritte im Millisekundenbereich liegt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Parallelschalten des Sensorkondensators (26) und des Referenzkondensators (30) ein als Abschirmung dienender elektrischer Leiter im Lenkrad auf ein vorgegebenes Potential aufgeladen wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Lenkradberührung auf wenigstens einen Schwel- lenwert für die Kapazität des Sensorkondensators (26) zurückgegriffen wird, der vorzugsweise auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten basiert.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe der Auswerteschaltung mehrere Sensorkondensatoren (26) überwacht werden.
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