ES2883694T3 - Dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo para el volante de un vehículo - Google Patents

Abstract

Dispositivo (100) de calentamiento y sensor capacitivo para un volante (V) de un vehículo, comprendiendo el dispositivo (100): un soporte (11) de material flexible, eléctricamente aislante, al que se fijan al menos una primera pista (12) eléctricamente conductora y al menos una segunda pista (14) eléctricamente conductora, distinta de la al menos una primera pista (12); una unidad electrónica (20) de control conectada eléctricamente a la al menos una primera pista (12), adaptada para ser conectada eléctricamente a una fuente de alimentación eléctrica, y que comprende un módulo (40) de lectura de capacitancia, conectado eléctricamente a la al menos una segunda pista (14), en donde la unidad electrónica (20) de control está configurada para controlar la al menos una primera pista (12) y la al menos una segunda pista (14), de modo que la al menos una primera pista (12) está adaptada para generar calor para calentar el volante (V), y la al menos una segunda pista (14) está adaptada para funcionar como un medio sensor capacitivo, enviando valores de capacitancia a la unidad electrónica (20) de control; caracterizado por que el dispositivo comprende, además: - al menos un elemento metálico (29) conectado a la unidad electrónica (20) de control, estando dicho al menos un elemento metálico (29) destinado a entrar en contacto con un bastidor metálico del volante (V) para disipar el calor, - una conexión eléctrica (71), que conecta la unidad electrónica (20) de control a la al menos una primera pista (12); - al menos un primer interruptor (52), que conecta al menos una primera pista (12) a tierra, - al menos un segundo interruptor (54) que conecta al menos una primera pista (12) a la fuente de alimentación eléctrica; en donde el primer interruptor (52) es un MOSFET configurado para limitar el valor de intensidad de corriente (I) a través de la al menos una primera pista (12) cuando dicho valor (I) de intensidad de corriente excede un valor umbral (Ilim) predeterminado de intensidad de corriente, llevando dicho valor (I) de intensidad de corriente a un valor que sea menor o igual a dicho valor umbral (Ilim) predeterminado de intensidad de corriente.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo para el volante de un vehículo

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo, en particular a un dispositivo eléctrico, para el volante de un vehículo, p. ej., un vehículo de motor.

Técnica anterior

En los últimos años, la seguridad se ha convertido en un aspecto de suma importancia en el mercado de la automoción, que aborda de manera creciente el concepto de vehículos autónomos o inteligentes.

Con este fin, se ha desarrollado el ADAS (Advanced Driver Assistance System (“Sistema Avanzado de Asistencia al Conductor”)), es decir, un sistema electrónico de asistencia a la conducción de alto rendimiento, para ayudar a evitar errores que a menudo ocurren durante la conducción con el fin de prevenir accidentes.

En particular, el ADAS comprende una multiplicidad de funciones, desarrolladas para asistir al conductor de un vehículo, alertarlo en caso de peligro o emergencia, a fin de limitar el riesgo de colisión con otros vehículos o peatones.

De particular interés entre las funciones del ADAS es la función HOD (Hands Off Detection (“Detección de que las manos no están en el volante”)), realizada por un dispositivo sensor, p. ej., de tipo capacitivo u óptico, integrado en el volante de un vehículo de motor y adecuado para asegurar que el conductor mantenga el control del vehículo de motor mientras conduce.

Actualmente, el control de par del volante (sensor de par) se utiliza para detectar si el conductor tiene sus manos en el volante, pero muestra algunas criticidades, en particular porque puede causar lecturas falsas debido al movimiento del volante cuando el automóvil está en movimiento, incluso si las manos del conductor no están en el volante.

Por tanto, se siente la necesidad de superar las desventajas de la técnica anterior.

El documento WO 2016/087203 describe el preámbulo de la reivindicación 1.

Compendio de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar un único dispositivo que permita tanto el calentamiento como la detección capacitiva para el volante de un vehículo de motor.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo que permita una mejor detección capacitiva que la técnica anterior.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo que permita un mejor calentamiento del volante que la técnica anterior.

Al menos uno de tales objetos se consigue mediante un dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo para un volante de un vehículo según la reivindicación 1.

Según otro aspecto, la invención proporciona un volante para un vehículo, comprendiendo el volante o bien un dispositivo como se define anteriormente o bien un elemento conductor flexible como se define anteriormente.

Por ejemplo, la invención proporciona un volante para vehículo de motor con el que está asociado, en particular fijado, el dispositivo de calentamiento y de sensor capacitivo tal como se definió anteriormente.

Preferible, pero no exclusivamente, la al menos una primera pista y la al menos una segunda pista están o bien incorporadas en el soporte o bien están fijadas a una superficie o cara, p. ej., una cara exterior, del soporte.

Ventajosamente, la invención proporciona un solo componente, es decir, el elemento conductor flexible, configurado para realizar tanto la función de calentamiento como la función de sensor, mediante respectivas pistas conductoras dedicadas, preferiblemente de manera exclusiva, al calentamiento y a la función de sensor.

Ventajosamente, el dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo para el volante de un vehículo de motor puede usarse con elementos capacitivos de cualquier tamaño, es decir, de modo que no sea necesario reemplazar el microcontrolador según el tamaño del elemento capacitivo usado.

Ventajosamente, según un aspecto, previendo al menos un condensador, en particular un condensador en serie con la pista capacitiva (o pista de sensor), se reduce el valor de capacitancia introducido al microcontrolador, en particular introducido al módulo de lectura de capacitancia del microcontrolador. De esta manera, se puede utilizar el mismo microcontrolador, en particular el mismo módulo de lectura de capacitancia, independientemente del tamaño y la geometría del elemento conductor flexible. Preferiblemente, el nivel de saturación del microcontrolador, en particular de su módulo de lectura de capacitancia, es relativamente bajo, p. ej., hasta o igual a 1000 pF. Preferiblemente, cuando se prevé, se usa un condensador con capacitancia de hasta o igual a 1000 pF o 2000 pF, que preferiblemente tiene un valor de capacitancia que es estable a medida que varía la temperatura, p. ej., en el intervalo de -40 a 85° C.

Ventajosamente, de acuerdo con un aspecto, conectando y desconectando cíclicamente la al menos una primera pista, o pista de calentamiento, hacia y desde la fuente de alimentación y tierra, la pista de calentamiento se usa para hacer una protección. En particular, durante la lectura de capacitancia, cuando la pista de calentamiento está desconectada de la fuente de alimentación y de tierra, la unidad electrónica de control, o ECU, pone la pista de calentamiento al mismo potencial que la pista del sensor capacitivo, es decir, que la al menos una segunda pista. De esta manera, es posible evitar que factores ambientales, tales como la humedad, determinen "falsos toques" del volante. De manera ventajosa, según un aspecto, se prevé un MOSFET que limita, típicamente ajusta, la intensidad de la corriente que atraviesa la pista de calentamiento cuando dicha corriente excede un valor umbral predeterminado.

Ventajosamente, según un aspecto, se prevé al menos un elemento metálico que actúa como puente térmico entre la unidad electrónica de control y el bastidor metálico del volante, en particular para disipar el calor. De esta manera se evita el sobrecalentamiento indeseado de la unidad electrónica de control.

Ventajosamente, según un aspecto, se prevén dos o más sensores de temperatura adaptados para ser fijados al volante, p. ej., dos, tres o cuatro sensores de temperatura. En virtud de la disposición apropiada, p. ej. sensores de temperatura, equiespaciados, se puede controlar el calentamiento del volante por medio de la pista de calentamiento según la temperatura real de múltiples zonas del volante.

Ventajosamente, la al menos una primera pista conductora es distinta, es decir, diferente, de la al menos una segunda pista conductora.

Preferible, pero no exclusivamente, se prevén solo una primera pista conductora y solo una segunda pista conductora. Preferible, pero no exclusivamente, la al menos una primera pista conductora y al menos una segunda pista conductora son planas y, por lo tanto, diferentes de un alambre o hilo. En particular, la al menos una primera pista conductora y la al menos una segunda pista conductora son láminas que tienen una dimensión mucho menor que las otras dos dimensiones.

Preferiblemente, la detección táctil o de proximidad se realiza exclusivamente midiendo la variación de capacitancia, lo que significa que la medición de los valores de variación de capacitancia son el único parámetro físico utilizado para detectar el contacto o la proximidad de la mano o manos del conductor.

Típica, pero no exclusivamente, la expresión "elemento conductor flexible" significa un componente con una o más partes hechas de material eléctricamente aislante y una o más partes hechas de material eléctricamente conductor. El elemento conductor flexible, o "Flex Foil" (“Lámina Flexible”), pertenece al campo de la electrónica flexible y también puede denominarse circuito flexible en inglés.

Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones particulares de la invención.

Breve descripción de las figuras

Otras características y ventajas de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción de algunas realizaciones, proporcionada a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: La figura 1 muestra una vista esquemática en sección de un dispositivo según la invención;

La figura 2 muestra una vista esquemática en sección frontal de un componente del dispositivo de la figura 1;

La figura 3 muestra una vista en perspectiva de una realización del dispositivo de la figura 1;

La figura 4 muestra un ejemplo de diagrama de circuito de un módulo del dispositivo de la figura 1;

Las figuras 5 y 6 muestran esquemas de la variación, en función del tiempo, de la corriente que atraviesa las pistas de calentamiento según dos configuraciones respectivas del dispositivo de la invención;

La figura 7 muestra esquemáticamente el volante de un vehículo de motor con el que está asociado el dispositivo de la figura 1;

La figura 8 muestra una vista esquemática en sección frontal de un componente del dispositivo de la figura 1, en una condición ambiental particular;

Las figuras 9a y 9b muestran gráficos de la variación de la capacitancia de entrada en la unidad electrónica de control según dos configuraciones respectivas del dispositivo de la invención;

La figura 10 muestra esquemáticamente una configuración de un componente del dispositivo de la invención, según una realización;

La figura 11 muestra esquemáticamente un gráfico que representa parte de un ciclo operativo del dispositivo de la invención, según una realización.

Las mismas referencias en las figuras identifican los mismos elementos.

Descripción detallada de realizaciones ejemplares de la invención.

Las figuras 1 y 2 en particular ilustran esquemáticamente un dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo para un volante V (mostrado esquemáticamente en la figura 7) de un vehículo de motor según la presente invención. El dispositivo de calentamiento y sensor capacitivo según la invención, generalmente indicado por el número de referencia 100, comprende un elemento conductor flexible 10, o circuito flexible, y una unidad electrónica de control, o ECU, 20. La ECU 20 está conectada eléctricamente al elemento conductor flexible 10 y está adaptada para ser conectada a una fuente de alimentación eléctrica, p. ej., a la alimentación eléctrica del vehículo de motor.

El elemento conductor flexible 10 comprende una capa de material aislante 11, que es un soporte flexible eléctricamente aislante, y una pluralidad de pistas conductoras 12, 14 fijadas a la capa aislante 11. Más detalladamente, las pistas conductoras 12, 14 comprenden al menos una pista 12 configurada para ser utilizada como medio de calentamiento, en lo sucesivo también denominada pista de calentamiento, y al menos una pista 14 configurada para ser utilizada como medio sensor capacitivo, en lo sucesivo también denominada pista de sensor capacitivo o pista capacitiva. En el ejemplo no limitativo que se muestra en las figuras, solo hay una pista 12 de calentamiento y solo una pista 14 capacitiva. Según otro ejemplo no limitativo (no mostrado), se prevén una única pista de calentamiento y dos pistas capacitivas, estando conectadas preferiblemente las dos pistas capacitivas en dos terminales respectivos.

A modo de ejemplo no limitativo solamente, el elemento conductor flexible 10 puede fabricarse grabando una lámina metálica fijada a la capa aislante, o mediante la reticulación de un soporte de silicona, sobre el cual se disponen las pistas conductoras formadas mediante corte, p. ej., mediante corte por láser.

Preferible, pero no exclusivamente, el elemento conductor flexible 10 tiene la forma de una banda sustancialmente rectangular. Opcionalmente, el elemento conductor flexible 10 es extensible, siendo plástica y/o elásticamente deformable. En particular, la al menos una capa aislante 11 es extensible, siendo plástica y/o elásticamente deformable, p. ej., plásticamente deformable hasta aproximadamente un 10-20% con respecto a una configuración en reposo o configuración inicial.

Preferiblemente, el grosor del elemento conductor flexible 10 está comprendido entre 0,1 y 1 mm, o entre 0,1 y 0,6 mm, o entre 0,3 y 1 mm, o entre 0,3 y 0,6 mm; por ejemplo, el grosor es igual a aproximadamente 0,3 mm o es igual a aproximadamente 0,6 mm. Tal grosor del elemento conductor flexible 10 corresponde sustancialmente al grosor total de la al menos una capa aislante 11, p. ej., de una o dos capas aislantes, y de la al menos una pista conductora 12, o de manera equivalente al grosor total de la al menos una capa aislante 11 y de al menos una pista conductora 14.

Preferiblemente, el elemento conductor flexible 10 es mucho más delgado que su longitud y anchura, donde la longitud y la anchura corresponden sustancialmente a la longitud y la anchura de la al menos una capa aislante 11. Por ejemplo, la longitud puede ser de entre 900 y 1200 mm y el ancho puede ser de entre 80 y 160 mm, o de entre 80 y 100 mm. El tamaño del elemento conductor flexible todavía se puede seleccionar de acuerdo con el tamaño de cualquier volante en el que esté previsto que se aplique el elemento conductor flexible.

En la realización mostrada en las figuras, el elemento conductor flexible 10 comprende solo una capa de material aislante 11, sobre la cual se fijan las respectivas pistas conductoras 12, 14. Sin embargo, alternativamente, el elemento conductor flexible 10 puede ser formado mediante la superposición de dos o más capas de material aislante 11, cada una de las cuales puede estar provista o no de las respectivas pistas conductoras 12, 14. En este caso, por ejemplo, las pistas conductoras están dispuestas entre dos capas de material aislante. En particular, un ejemplo de dispositivo según la invención comprende dos capas aislantes, entre las cuales están dispuestas al menos una primera pista 12 y al menos una segunda pista 14, formando sustancialmente un sándwich; preferiblemente, las dos capas aislantes están hechas de PVC; y preferiblemente cada una de las dos capas aislantes tiene un grosor de aproximadamente 0,2 mm. Una de las dos capas puede estar dispuesta en el cuerpo del volante V, p. ej., en el bastidor de metal del volante, y la otra capa aislante puede estar revestida con una capa de revestimiento, p. ej., cuero. Ventajosamente, de esta manera, la capa de revestimiento no tendrá protuberancias debido a las pistas conductoras.

El material de la capa o de las capas aislantes 11, o más en general del soporte aislante flexible, es típicamente un material polímero. A modo de ejemplo no limitativo solamente, los materiales aislantes son PVC, PTFE, PS, PP, PE, PC, ABS, PET, PA, PU (también expandido), PUR, NBR, silicona, EPDM y similares, opcionalmente con aditivos. En general, se pueden usar termoplásticos y elastómeros que tengan propiedades de alargamiento adecuadas.

Las pistas conductoras, es decir, la pista 12 de calentamiento y la pista capacitiva 14, pueden tener una geometría compleja. Por ejemplo, pueden tener sustancialmente la forma de una serpentina y opcionalmente hay presentes ramas laterales. La disposición mutua de las pistas conductoras puede ser, sólo a modo de ejemplo, tal que una o más secciones de la pista 14 estén dispuestas entre dos tramos de la pista 12. Las pistas conductoras 12, 14 están conectadas a la unidad electrónica 20 de control a través de contactos respectivos, o partes de contacto, o terminaciones, 13a, 13b y 15a, 15b. Estas partes de contacto se denominan normalmente "almohadilla o almohadillas".

Típica, pero no exclusivamente, se prevé una almohadilla para cada pista. Opcionalmente, dos o más almohadillas se agrupan y se encierran en un conector. Preferiblemente, las almohadillas 15a, 15b están en contacto mutuo.

Según otro ejemplo (no mostrado), se prevén dos pistas capacitivas, cada pista capacitiva tiene solo una almohadilla, y las almohadillas de las dos pistas capacitivas están conectadas eléctricamente entre sí para estar en cortocircuito eléctrico.

La pista 12 de calentamiento, típicamente en circuito cerrado, está conectada por medio de los contactos 13a, 13b, a las respectivas almohadillas de un área de conexión o interfaz de conexión 23 de la unidad electrónica 20 de control. Las pistas 12 de calentamiento cumplen la función de calentamiento del volante V del vehículo de motor generando calor por efecto Joule cuando se alimentan. La pista capacitiva 14, que puede ser un circuito cerrado o un circuito abierto, está conectada a través de conectores 15a, 15b a una almohadilla 25, que es un área de conexión, de la unidad electrónica 20 de control. También se prevé un conector 27, preferiblemente para conectar a un sistema ADAS. Además, también se prevé un área o interfaz 81 de alimentación, adaptada para ser conectada a una fuente de energía eléctrica, p. ej., la batería de un automóvil. La interfaz de alimentación está conectada eléctricamente a un módulo 80 de potencia que está conectado al microcontrolador 30, a la potencia de salida para calentamiento 50, y al módulo 60 de monitorización de temperatura para alimentarlos eléctricamente.

Sólo a modo de ejemplo no limitativo, los materiales con los que se puede fabricar cada pista conductora son aluminio, Constantán, cobre, plata alemana, acero, Inconel, latón y similares. Preferiblemente, las pistas conductoras 12, 14 están hechas de aluminio. Preferiblemente, el grosor de las pistas conductoras 12, 14 está comprendido entre 10 y 200 pm, p. ej., entre 15 y 150 pm.

En uso, el elemento conductor flexible 10 del dispositivo 100 se fija, preferiblemente mediante pegado, sobre la superficie del volante V de un vehículo de motor o de un vehículo en general, y posteriormente se reviste con una capa 36, típicamente hecha de cuero.

La unidad electrónica 20 de control comprende una placa de circuito impreso (PCB - Printed Circuit Board) 21 contenida dentro de un alojamiento 22 (figura 3). Preferiblemente, el alojamiento 22 de la PCB 21 está dimensionado para poder ser insertado dentro de la estructura del volante V del vehículo de motor.

Preferiblemente, el alojamiento 22 tiene sustancialmente forma de caja. En el ejemplo mostrado en la figura 3, el alojamiento 22 tiene sustancialmente forma de paralelepípedo, aunque es evidente que una persona experta en la técnica también puede elegir otro tipo de forma. Típicamente, el alojamiento 22 comprende una pared superior 26a, una pared inferior 26b y paredes laterales mutuamente opuestas 27 a, 27b y 28a, 28b. Los conectores 23 y 25 están previstos en la pared lateral 28a, adaptados para ser conectados, respectivamente, con los conectores 13a, 13b de la pista (o pistas) 12 de calentamiento y con los conectores 15a, 15b de la pista (o pistas) capacitiva 14 del elemento conductor 10, como se describió anteriormente.

Preferiblemente, el alojamiento 22 se puede abrir. Para este propósito, en la pared lateral 27a, hay previstos medios 31 de cierre, p. ej., un clip. Preferiblemente, en una abertura en una pared del alojamiento 22, hay previsto un conector 33, preferiblemente un conector del tipo de 6 u 8 pines. En este caso, hay previstos pines: bus de Lin y salida digital dirigidos al sistema ADAS; entrada del sensor de temperatura del volante; puerto serie para conexión con PC. Por ejemplo, pin 1 y 3: bus de Lin salida digital (0-5 V de c.c.) dirigidos al sistema ADAS; pin 2 y 6 para la conexión a la línea de tierra; pin 4 y 5: entrada para uno o más sensores de temperatura del volante; pin 7 y 8 (opcional): canales de transmisión y recepción del puerto serie para comunicación con PC, respectivamente.

Un ala 29, preferiblemente de metal, p. ej., de aluminio, asciende desde la pared lateral 27b, opuesta a la pared 27a. El ala 29 está provista de un orificio 29a para conectarse al bastidor metálico del volante V del vehículo de motor. En particular, como se describirá con mayor detalle a continuación en la presente descripción, este ala metálica 29 actúa como puente térmico entre la placa 21 de circuito impreso y el bastidor metálico del volante V, con el fin de utilizar el propio bastidor metálico como un disipador de calor.

La unidad electrónica 20 de control está conectada eléctricamente con la pista capacitiva 14 del elemento conductor 10 y mide una capacitancia, capacitancia general definida, Ctot. Como se explicará con mayor detalle, la capacitancia Ctot tiene un valor diferente en función de si el conductor toca o no el volante sobre el que está fijado el elemento conductor flexible 10. De hecho, la ECU 20 puede medir un aumento de capacitancia indicado con Cmano (figura 2), que se genera cuando el conductor pone sus manos cerca o en contacto con el volante V. El aumento de capacitancia es relativo a una valor de capacitancia línea de base Clíneabase.

El valor de capacitancia total Ctot, típicamente en forma de una señal digital, es transmitido por la unidad electrónica 20 de control a otra unidad electrónica de control, p. ej., al ADAS del vehículo de motor. La transmisión se realiza a través de un bus de interfaz apropiado o un tipo de salida digital, p. ej., a través de la interfaz 27 de conexión (figura 1) que se puede conectar a una unidad electrónica de control, en particular al ADAS.

Más detalladamente, la unidad electrónica 20 de control comprende un controlador 30, o microcontrolador, adaptado para recibir la señal capacitiva asociada con la capacitancia Ctot en la entrada. El controlador 30 comprende un módulo 40 de lectura de capacitancia. Solo a modo de ejemplo, el módulo 40 de lectura de capacitancia usa tecnología CapSense. El módulo 40 de lectura de capacitancia está configurado para leer un valor de capacitancia de línea de base Clíneabase, que típicamente es igual a la diferencia de capacitancia entre la pista capacitiva 14 y tierra. Cuando la mano del usuario no toca el volante sobre el que está fijado el elemento conductor 10, el controlador 30 lee una capacitancia total Ctot = Clíneabase a través del módulo 40 de lectura de capacitancia. Cuando el usuario toca el volante sobre el que se fija el elemento conductor 10 con una o ambas manos o con sus dedos, el controlador 30 lee una capacitancia total Ctot = Clíneabase + Cmano a través del módulo 40 de lectura de capacitancia. El valor de capacitancia Cmano se suma, en particular, se suma al valor Clíneabase.

Ventajosamente, la unidad electrónica 20 de control también comprende al menos un condensador, preferiblemente un condensador 32 conectado en serie entre el conector 25 de la señal de entrada capacitiva Ctot y el módulo 40 de lectura de capacitancia del controlador 30. Cuando se prevén varios condensadores, los condensadores se conectan en serie.

Preferiblemente, el condensador 32 está dispuesto entre el área de conexión 25, a la que están conectados la pista capacitiva 14 y el controlador 30, es decir, fuera del último. El condensador 32 está conectado en serie entre la señal capacitiva Ctot, transmitida por la pista conductora 14, y el módulo 40 de lectura de capacitancia y permite atenuar parcialmente la señal capacitiva Ctot. De hecho, esto permite incrementar la dinámica del módulo 40 de lectura de capacitancia que puede trabajar ventajosamente con un margen más amplio con respecto a su propio nivel de saturación.

La presencia del condensador 32 permite por tanto ventajosamente utilizar la misma unidad electrónica 20 de control independientemente del tipo de volante V y, en particular, independientemente del tamaño y la geometría del elemento conductor flexible 10 y de las respectivas pistas conductoras 12 y 14.

Preferiblemente, el condensador 32 tiene un tamaño adecuado en función de la capacitancia leída por la pista capacitiva y del valor de saturación de la lectura de capacitancia del módulo 40 de lectura de capacitancia.

La unidad electrónica 20 de control está además conectada eléctricamente a la pista 12 de calentamiento del elemento conductor 10 y alimenta dicha pista 12 de calentamiento para calentar la superficie del volante V del vehículo de motor.

Como se describió anteriormente, la unidad electrónica 20 de control comprende un módulo 80 de fuente de alimentación, p.ej., una alimentación lineal (LDO), conectada eléctricamente a la pista 12 de calentamiento por medio de una salida 50, de alimentación, también conectada al microcontrolador 30.

En la Figura 4 se muestra un ejemplo de diagrama de circuito de la salida de potencia o salida 50 de potencia del calentador. En particular, la salida 50 de potencia comprende un interruptor 52, preferiblemente un MOSFET 52 de potencia, que conecta uno de los terminales a tierra, en particular el terminal 13b de la pista 12 de calentamiento; y otro interruptor 54, preferiblemente un MOSFET 54, que conecta el otro terminal 13a de la pista 12 de calentamiento a la fuente de alimentación del vehículo, típicamente por medio del módulo 80. Además, preferiblemente, la ECU 20 está conectada eléctricamente a la pista 12 de calentamiento por medio de una conexión eléctrica 71 que, como se describirá a continuación, es una conexión con funcionalidad de protección.

La pista 12 de calentamiento tiene preferiblemente un coeficiente de temperatura positivo, o efecto PTC, que determina el aumento del valor óhmico de la pista 12 de calentamiento a medida que aumenta la temperatura.

La figura 5 muestra un gráfico que ilustra la variación en función del tiempo de la corriente extraída (línea discontinua) por la pista 12 de calentamiento. Como se muestra, durante la alimentación de la pista 12, debido al aumento de temperatura por efecto Joule y al consiguiente aumento del valor óhmico de la pista 12 de calentamiento, la corriente consumida disminuye con el tiempo.

En la etapa inicial de calentamiento, correspondiente al intervalo de tiempo T1, la corriente I que atraviesa la pista 12 de calentamiento puede exceder un umbral de corriente superior predeterminado I^lim preferiblemente comprendido entre 7 y 10 A o entre 8 y 9 A, p. ej., o bien igual o aproximadamente igual a 8 A, que se muestra en la figura 5 con una línea continua.

Para superar este inconveniente, el MOSFET 52 de potencia se gestiona como fuente de corriente. En particular, el MOSFET 52 está configurado para limitar la corriente de entrada I, llevándola al valor I^lim. Esta limitación se realiza en particular si y cuando la corriente que atraviesa la pista 12 de calentamiento durante el intervalo de tiempo inicial T1 de la etapa de calentamiento excede de I^lim. Solo a modo de ejemplo, el intervalo de tiempo inicial está entre 5 s y 20 min, p. ej., entre 10 s y 10 min. Preferiblemente, el intervalo de tiempo T1 comienza cuando la función de calentamiento está habilitada, es decir, cuando se suministra potencia a la pista de calentamiento. El MOSFET 52 está configurado de modo que la limitación cesa cuando la corriente I que atraviesa la pista 12 de calentamiento es menor que el valor umbral de corriente predeterminado I^lim.

Por ejemplo, el ajuste de corriente mencionado anteriormente se logra modulando la tensión de puerta V^gs del MOSFET 52 de potencia a través de un primer filtro RC 51 (figura 4) y un segundo filtro RC 53 conectados en cascada. El primer filtro RC 51 comprende una resistencia R6 y un condensador C13, mientras que el segundo filtro RC comprende una resistencia R7 y un condensador C14.

En virtud de la presencia de estos filtros RC 51, 53 en cascada, durante el ajuste de corriente, el MOSFET 52 de potencia trabaja en zona lineal, por lo que se comporta sustancialmente como una resistencia equivalente variable conectada en serie con la pista 12 de calentamiento.

Durante el ajuste de corriente descrito anteriormente, se disipa una potencia, por ejemplo, en el MOSFET 52 de potencia igual al producto de la caída de tensión entre el drenaje y la fuente del MOSFET 52 y la corriente drenaje-fuente del MOSFET 52.

En condiciones críticas, dicha potencia puede alcanzar un valor muy alto, p. ej., igual a aproximadamente 30 W, que no se puede disipar a través de la placa 21 de circuito impreso de la unidad electrónica 20 de control, que tiene, por ejemplo, una superficie de aproximadamente 12 cm². Para disipar dicha potencia, se utiliza ventajosamente la aleta metálica 29 asociada, en particular conectada a, la placa 21 de circuito impreso de la unidad electrónica 20 de control. Dicha ala 29 está asociada con la placa 21 de circuito impreso cerca del MOSFET 52 de potencia del módulo 50 de potencia y, como se describió anteriormente, proporciona ventajosamente un puente térmico entre la placa de circuito impreso y el bastidor metálico del volante V, para usar tal bastidor de metal como un disipador de calor. Con referencia al calentamiento del volante V, la unidad electrónica 20 de control del dispositivo 100 está configurada para regular la potencia en la pista 12 de calentamiento, de modo que la temperatura del volante V esté comprendida en un intervalo de valor de temperatura predeterminado, por ejemplo, entre 35 y 40° C.

Para este propósito, con referencia a la figura 7, el dispositivo 100 según la invención comprende una pluralidad de sensores 16 de temperatura, preferiblemente termistores, distribuidos apropiadamente a lo largo de la circunferencia del volante V. Preferiblemente, el número N de los termistores 16 usados es o bien mayor o bien igual a tres, p. ej. cuatro. Los termistores 16 se colocan en el elemento conductor flexible 10 del dispositivo 100, preferiblemente debajo del revestimiento de cuero del volante V, cerca de la pista 12 de calentamiento. Los termistores 16 están conectados entre sí en serie y se comunican eléctricamente con la unidad electrónica 20 de control, en particular con un módulo 60 de control de temperatura del volante, que preferiblemente forma parte de la unidad electrónica 20 de control.

Los termistores 16 miden una resistencia total R^tot y transmiten una señal S^temp en la entrada a la unidad electrónica 20 de control.

Dicha resistencia total R^tot se obtiene a partir de la siguiente fórmula:

donde Rⁿ es la resistencia correspondiente a la enésima resistencia, R^tot es la resistencia equivalente leída en la entrada de la unidad electrónica 20 de control y R^media es la media aritmética de las lecturas de los N termistores 16.

Al prever un número N de termistores 16 distribuidos apropiadamente a lo largo de la circunferencia del volante V, se reduce ventajosamente el error inducido por un sobrecalentamiento localizado del volante V en un factor de 1/N. Preferiblemente, los termistores están equiespaciados y separados mutuamente. Según un ejemplo, se prevén cuatro sensores 16 de temperatura dispuestos aproximadamente a 90° uno de otro cuando el dispositivo 100 está fijado al volante V.

Se ha observado que, en función de factores externos, p. ej., del calor generado por la radiación solar, puede haber presentes en el volante zonas más calientes, es decir, las zonas irradiadas, y las zonas sombreadas, por lo tanto, las zonas más frías. Si se prevé un solo termistor, en lugar de una pluralidad de termistores, la temperatura detectada por dicho termistor se ve muy afectada por su posición en el volante V. Experimentalmente, se pueden observar incrementos del valor del valor de temperatura detectado por un solo termistor de hasta 15° C y, por lo tanto, que afecten negativamente a la precisión del modo de exposición del volante a la luz solar.

Con referencia a la figura 8, algunos factores medioambientales, tales como la humedad y la temperatura, típicamente introducen un aumento en la capacitancia, de modo que Ctot aumenta en un valor sustancialmente igual a Cmano incluso cuando el conductor no toca el volante. Se detecta así un toque falso del volante. Por ejemplo, en el caso de alta humedad, pueden formarse gotas de agua en el volante V que introducen una capacitancia Cgota. La capacitancia parásita Cgota generada por las gotas de agua puede en algunos casos tener un valor comparable, es decir, similar al de la capacitancia Cmano que se genera cuando las manos del conductor tocan el volante V. Se deduce que la capacitancia parásita Cgota transmitida a la unidad electrónica 20 de control en presencia de gotas de agua en el volante es interpretada incorrectamente por el controlador 30 como un toque del volante. La situación se muestra en la figura 9a. La figura 9a, así como la figura 9b comentada a continuación, muestran la variación en el tiempo de la capacitancia detectada por la ECU 20. Se puede observar el nivel de umbral de detección del toque y el aumento de capacitancia debido al toque, indicado por "toque con el dedo", y el aumento de capacitancia debido a las gotas de agua, indicado por "gotas de líquido". Vale la pena señalar que el valor del nivel de umbral en las dos figuras 9a y 9b es indicativo y puede establecerse de acuerdo con los requisitos. Para evitar este problema de "falso toque", la ECU 20 está configurada para operar una protección usando la pista 12 de calentamiento. En este caso, la ECU 20 pone la pista 12 de calentamiento al mismo potencial que la pista 14 del sensor capacitivo durante la lectura de capacitancia. En consecuencia, los dos extremos de cada gota se mantienen a potenciales de valores mutuamente muy similares. Por lo tanto, el efecto de la capacitancia parásita debido a las gotas de agua se reduce drásticamente, como se muestra en la figura 9b.

Más en particular, con referencia a la figura 10, se considera un período en el que la capacitancia se lee en una parte de dicho período, es decir, durante un tiempo dado indicado por Dlectura, y el calentamiento tiene lugar en una segunda parte, es decir, durante un tiempo dado, indicado por Dcalentamiento. Preferiblemente, el tiempo Dlectura es más corto que el tiempo Dcalentamiento. Más preferiblemente, el tiempo Dlectura está comprendido entre el 5 y el 90%, p. ej., aproximadamente el 10%, del período, siendo la parte restante del período el tiempo Dcalentamiento. El tiempo del período total está comprendido preferiblemente entre 10 y 100 ms, p. ej., aproximadamente 10 ms.

La figura 11 muestra esquemáticamente una parte de un ciclo operativo. En particular, se muestran dos períodos en secuencia. Cada período consta de una etapa de lectura (Dlectura) seguida de una etapa de calentamiento (Dcalentamiento).

Según un ejemplo, la ECU 20 está conectada a la pista 12 de calentamiento a través de la conexión 71, o pin de blindaje. El conmutador 52 conecta la pista 12 de calentamiento a tierra y el conmutador 54 conecta la pista de calentamiento a la batería (+Batería). La ECU 20 controla la apertura y el cierre de los interruptores 52 y 54. Cuando los interruptores 52, 54 están abiertos, de modo que la pista 12 de calentamiento está desconectada de la batería y de tierra, el microcontrolador 30 pone la pista 12 de calentamiento al mismo potencial que la pista capacitiva 14, y la lectura de capacitancia se realiza en este estado.

La Figura 10 muestra la misma ECU 20 en dos configuraciones diferentes, que ocurren en secuencia de tiempo. Durante el tiempo de lectura (Dlectura) la ECU 20 inhabilita la función de calentamiento, abriendo los interruptores SW1 y SW2, de modo que la pista 12 de calentamiento no está conectada a la fuente de alimentación, es decir, a la batería y a tierra, como se muestra a la izquierda de la figura 10. De esta manera, durante la lectura, la pista 12 de calentamiento solo se conecta al pin 71 de la ECU 20, lo que la pone al mismo potencial que la pista de un sensor capacitivo 14.

La descripción se proporciona únicamente a modo de ejemplo no limitativo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (100) de calentamiento y sensor capacitivo para un volante (V) de un vehículo, comprendiendo el dispositivo (100):

un soporte (11) de material flexible, eléctricamente aislante, al que se fijan al menos una primera pista (12) eléctricamente conductora y al menos una segunda pista (14) eléctricamente conductora, distinta de la al menos una primera pista (12);

una unidad electrónica (20) de control conectada eléctricamente a la al menos una primera pista (12), adaptada para ser conectada eléctricamente a una fuente de alimentación eléctrica, y que comprende

un módulo (40) de lectura de capacitancia, conectado eléctricamente a la al menos una segunda pista (14), en donde la unidad electrónica (20) de control está configurada para controlar la al menos una primera pista (12) y la al menos una segunda pista (14), de modo que la al menos una primera pista (12) está adaptada para generar calor para calentar el volante (V), y la al menos una segunda pista (14) está adaptada para funcionar como un medio sensor capacitivo, enviando valores de capacitancia a la unidad electrónica (20) de control; caracterizado por que el dispositivo comprende, además:

- al menos un elemento metálico (29) conectado a la unidad electrónica (20) de control, estando dicho al menos un elemento metálico (29) destinado a entrar en contacto con un bastidor metálico del volante (V) para disipar el calor, - una conexión eléctrica (71), que conecta la unidad electrónica (20) de control a la al menos una primera pista (12); - al menos un primer interruptor (52), que conecta al menos una primera pista (12) a tierra,

- al menos un segundo interruptor (54) que conecta al menos una primera pista (12) a la fuente de alimentación eléctrica;

en donde el primer interruptor (52) es un MOSFET configurado para limitar el valor de intensidad de corriente (I) a través de la al menos una primera pista (12) cuando dicho valor (I) de intensidad de corriente excede un valor umbral (I^lim) predeterminado de intensidad de corriente, llevando dicho valor (I) de intensidad de corriente a un valor que sea menor o igual a dicho valor umbral (I^lim) predeterminado de intensidad de corriente.

2. Dispositivo (100) según la reivindicación 1, en el que dicho al menos un elemento metálico (29) está conectado a una placa (21) de circuito impreso de la unidad electrónica (20) de control.

3. Dispositivo (100) según la reivindicación 1 o 2, en el que la al menos una primera pista (12) y la al menos una segunda pista (14) tienen cada una un grosor de 10 a 200 pm.

4. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad electrónica (20) de control comprende al menos un condensador (32) conectado en serie entre el módulo (40) de lectura de capacitancia y la al menos una segunda pista (14).

5. Dispositivo (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad electrónica (20) de control está configurada para controlar cíclicamente el al menos un primer interruptor (52) y el al menos un segundo interruptor (54) de modo que:

durante una etapa de lectura, la al menos una primera pista (12) está desconectada eléctricamente de la fuente de alimentación eléctrica y de tierra, y

durante una etapa de calentamiento, la al menos una primera pista (12) está conectada eléctricamente a la fuente de alimentación eléctrica y a tierra,

siendo realizadas la etapa de lectura y la etapa de calentamiento una tras otra, definiendo un ciclo de tiempo predeterminado, y en donde, durante la etapa de lectura, la unidad electrónica (20) de control está configurada para configurar la al menos una primera pista (12) al mismo potencial que la al menos una segunda pista (14) mediante la conexión eléctrica (71).

6. Dispositivo (100) según la reivindicación 5, en el que el tiempo de dicha etapa de lectura es del 5% al 90% de dicho tiempo de ciclo predeterminado, y el tiempo de dicha etapa de calentamiento es del 10% al 95% de dicho tiempo de ciclo predeterminado, y preferiblemente en el que dicho tiempo de ciclo predeterminado es de 10 a 100 ms.

7. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un módulo (60) de control de temperatura y al menos un sensor (16) de temperatura conectado eléctricamente al módulo (60) de control de temperatura.

8. Dispositivo (100) según la reivindicación 7, que comprende al menos dos sensores de temperatura, preferiblemente dos, tres o cuatro sensores de temperatura, estando dichos al menos dos sensores de temperatura dispuestos preferiblemente para estar equiespaciados sobre la al menos una capa aislante (11).

9. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en el que el módulo (40) de lectura de capacitancia tiene un valor de saturación de hasta 1000 pF, y preferiblemente en el que al menos un condensador (32) tiene una capacitancia de hasta 1000 pF. o de hasta 2000 pF.

10. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una capa aislante (11) es extensible, siendo plástica y/o elásticamente deformable, preferiblemente hasta un 10-20% con respecto a una configuración inicial de la al menos una capa aislante (11).

11. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos capas aislantes, entre las cuales están dispuestas al menos una primera pista (12) y al menos una segunda pista (14); preferiblemente en el que las dos capas aislantes están hechas de PVC; y preferiblemente en el que cada una de las dos capas aislantes tiene un grosor de aproximadamente 0,2 mm.

12. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho valor umbral (I^lim) de intensidad de corriente predeterminado está comprendido entre 7 y 10 A, o entre 8 y 9 A, preferiblemente igual o aproximadamente igual a 8 A.

13. Volante (V) para un vehículo, que comprende un dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. Volante (V) según la reivindicación 13, que comprende al menos dos sensores (16) de temperatura, preferiblemente dos, tres o cuatro sensores de temperatura, estando dispuestos dichos al menos dos sensores (16) de temperatura de manera preferible mutuamente separados y equiespaciados, preferiblemente a aproximadamente 90° entre sí y preferiblemente en el que dichos al menos dos sensores (16) de temperatura están dispuestos entre la al menos una capa aislante (11) y una capa de revestimiento (36) del volante (V).

15. Volante (V) según la reivindicación 13 o 14, en el que el dispositivo (100) comprende dos capas aislantes entre las que están dispuestas al menos una primera pista (12) y al menos una segunda pista (14); en el que una capa aislante está dispuesta alrededor de un cuerpo del volante (V), preferiblemente alrededor del bastidor de metal, y la otra capa aislante está revestida con la capa (36) de revestimiento; preferiblemente en el que las dos capas aislantes están hechas de PVC; y preferiblemente en el que cada una de las dos capas aislantes tiene un grosor de aproximadamente 0,2 mm.