WO2016087231A1 - Sensorsystem für ein lenkrad eines kraftfahrzeugs, lenkrad mit einem solchen sensorsystem und verfahren zum betrieb eines solchen sensorsystems - Google Patents

Sensorsystem für ein lenkrad eines kraftfahrzeugs, lenkrad mit einem solchen sensorsystem und verfahren zum betrieb eines solchen sensorsystems Download PDF

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WO2016087231A1
WO2016087231A1 PCT/EP2015/077209 EP2015077209W WO2016087231A1 WO 2016087231 A1 WO2016087231 A1 WO 2016087231A1 EP 2015077209 W EP2015077209 W EP 2015077209W WO 2016087231 A1 WO2016087231 A1 WO 2016087231A1
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WO
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sensor
steering wheel
sensor system
structures
capacitive
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Application number
PCT/EP2015/077209
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Sascha Staude
Alexander Mayr
Frank Kaiser
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Publication date
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles

Definitions

  • Sensor system for a steering wheel of a motor vehicle steering wheel with such a sensor system and method for operating such a sensor system
  • the invention relates to a sensor system for a steering wheel of a motor vehicle with at least one capacitive sensor device and a control device for
  • the capacitive sensor device comprises at least two electrically conductive sensor structures and is designed to detect a presence of a human hand in a gripping region of a steering wheel, wherein the sensor system is designed such that the presence of a human hand in a detection region of a sensor structure each one detectable, the respective sensor structure associated change of a capacitive coupling of the sensor structure with the environment and / or a reference electrode relative to a reference state without presence of a hand in this detection area causes.
  • the invention relates to a steering wheel for a motor vehicle with such a sensor system and a method for operating such a sensor system.
  • Sensor systems for steering wheels of a motor vehicle for hands-on-off detection with capacitive sensor devices are basically known from the prior art, for example from DE 203 09 603 U1, which discloses a steering wheel with sector-wise arranged sensor devices, so that the approach and / or
  • the object of the invention is to provide a sensor system with an improved detection of the hand position.
  • An inventive sensor system is characterized in that the at least two sensor structures are arranged at least partially meshing and are provided for arrangement in the gripping region of a steering wheel, wherein the sensor system is designed such that from the ratio of the detected, the individual sensor structures associated changes in the capacitive couplings the environment and / or a reference electrode, a position of a human hand, which is located in the detection region of the sensor structures, can be determined.
  • the sensor device has a plurality of sensor structures, which are distributed in sections and arranged at least partially meshing with each other via the steering wheel surface.
  • the change in the capacitive coupling of the sensor structure to the environment and / or a reference electrode can be assigned to the individual sensor structures, so that it can be detected in which detection area and thus in the region of which sensor structure a human hand or a part thereof is located.
  • the hand position on the steering wheel can not only be determined sector by sector, i. only domain-resolved, but also spatially resolved within a defined range.
  • the sensor device which is designed to detect the presence of a human hand in a gripping region of a steering wheel, in particular for hands-on-off detection, is designed in particular for detecting an approach and / or removal of a human hand and thus in a functional Installation state in a steering wheel for detecting approach and / or removal of a human hand to a steering wheel on or away from a steering wheel.
  • the sensor device is also designed to detect a touch of the steering wheel by hand, in particular the change of a touch of a
  • Sensor device takes place according to the so-called "capacitive principle", which is based on the fact that the presence of a human hand in the detection region of the sensor structure causes a change in the capacitive coupling of the sensor structure with the environment and / or a reference electrode to a reference state without the presence of the human hand,
  • the change in the capacitive coupling of the sensor structure essentially depends on the position of the hand in the detection region of the sensor structure, so that in particular an approach and / or distance or a touch can be detected.
  • capacitive sensor devices have at least one sensor structure in the form of an electrode, which forms the "plate” of an electrical capacitor, wherein the electrode or the sensor structure can be the surface to be sensed or can be arranged below the surface to be sensed, in the vicinity thereof
  • the environment and / or a reference electrode arranged in a capacitive coupling region of the sensor structure which is generally connected to ground (GND) and usually has a potential of 0 V, forms the second "plate" of the sensor capacitor.
  • an electrically conductive material or a dielectric for example a human finger or a human hand
  • the capacitive coupling of the sensor structure to the environment and / or a reference electrode changes, which can be detected by measurement.
  • the capacitive coupling of the sensor structure with the environment and / or a reference electrode it is then possible to detect the presence of a human hand in the detection area of the sensor structure, in particular an approach and / or distance or a touch by a human hand.
  • the detection of the change in the capacitive coupling of the sensor structure can be carried out in the usual manner known from the prior art, in particular by means of a resonant circuit, or by means of a simple voltage measurement, for example by means of the developed by the company "Microchip” CVD (Capacitive Voltage divider) method.
  • CVD Capacitive Voltage divider
  • the so-called CVD self-method is used, in which the change of the capacitive coupling of the sensor structure is detected with the environment or the so-called CVD Mutual method, in which the change of the capacitive coupling of the sensor structure is detected with a reference electrode.
  • the detection of the change in the capacitive coupling of the sensor structure is particularly preferably carried out with a combination of the CVD self-method with the CVD mutual method.
  • the detection of the change in the capacitive coupling is carried out by means of the following described method, which represents a further development of the CVD method developed by the company "Microchip.”
  • the preferred method is characterized in that the detection of the presence a human hand in the gripping region of the steering wheel, in particular for detecting the change in the capacitive coupling of the sensor structure to be sensed with the environment, in a first sampling cycle in a first step, a reference capacitance and a measured capacitance formed by the sensor structure and the environment each having a defined electrical potential wherein the reference capacitance is charged with a first electrical potential and the measuring capacitance with a second electrical potential, in a further step the reference capacitance and that of the sensor structure and shorted to the measuring capacitance formed in the environment, and in a further step detecting the resulting electrical potential between the measuring capacitance and the reference capacitance, the resulting electrical potential being dependent on the first and second electrical potential and on the magnitude of the reference capacit
  • the reference capacitance is charged with the second electrical potential and the measuring capacitance is charged with the first electrical potential, then in a further step the reference capacitance and the measuring capacitance formed by the sensor structure and the environment are short-circuited and in one Another step is, in particular, the resultant between the measuring capacitance and the reference capacitance, resulting electric potential detected, the resulting electric potential depending on the first and second potential and depending on the size of the reference capacitance and depending on the size of the measuring capacity.
  • the sensor system has a reference electrode and if the presence of a human hand in the detection region of a sensor device causes a detectable change of capacitive coupling of the sensor structure to the reference electrode relative to the reference structure, it is preferably used in a further sampling cycle, in particular in a second sampling cycle and / or or a third and / or fourth scanning cycle, preferably additionally, in a first step, the reference electrode is acted upon by a defined electrical potential and detected in a further step, the capacitive coupling of the sensor structure with the reference electrode, the determined changes then preferably for the evaluation with each other will be charged.
  • the change of the capacitive coupling of the sensor structure with the environment and the change of the capacitive coupling of the sensor structure with the reference electrode is detected sequentially, preferably alternately, in particular alternately.
  • at least one sensor structure is switched at least temporarily as a reference electrode, preferably all sensor structures.
  • the change in the capacitive coupling of the sensor structure can also be measured by means of a charging process in which, for example, a current change is detected, or by means of other, correspondingly suitable methods.
  • an inventive steering wheel has a shielding device for shielding the sensor device against interfering capacitive couplings with components of the steering wheel, in particular with respect to the steering wheel core, wherein the shielding element preferably during the detection of a change in the capacitive coupling of at least one sensor structure with the environment and / / or a reference electrode can be acted upon with a defined, electrical potential, in particular with a potential which is at least partially tracked to a potential applied to the sensor structure during the detection of the change in the capacitive coupling, in particular with a potential which corresponds to the profile of the voltage applied to the sensor structure Potential follows. That is to say that the shielding element can be switched as an active shielding element, ie can be operated as a so-called "guard" or shielding electrode
  • Shielding elements present are preferably a plurality of shielding elements
  • a tracking potential is understood to mean a potential that increases when the potential applied to the sensor structure increases or decreases when the potential applied to the sensor structure decreases.
  • the electric field forming between the sensor structure and the surroundings and / or a reference electrode due to the capacitive coupling can be positively influenced, in particular such that a basic capacitance of the sensor device is reduced, so that the presence of a human hand, in particular an approach and / or or a removal of a human hand, a larger change in the capacitive coupling causes and thus metrologically easier and more accurate and thus more reliable can be detected. That in other words, through the
  • SNR Signal Ratio Ratio
  • the potential with which the shielding element can be acted upon can not only be tracked in addition to the potential applied to the sensor structure, but can also follow the course of the potential applied to the sensor structure. That the potential with which the shielding element can be acted upon is preferably substantially along the same curve as the potential applied to the sensor structure.
  • the shielding element can be subjected to the same absolute electrical potential applied to the sensor structure, ie with the same, absolute potential values.
  • the basic capacitance of the sensor system can in many cases be reduced to almost zero, so that a particularly high resolution of the sensor system can be achieved. That is, it can be achieved that an approach and / or removal of a human hand a sufficiently large Changes the capacitive coupling of the sensor structure with the environment and / or a reference electrode causes, which can be reliably detected metrologically.
  • the steering wheel has a heating device with at least one electrically conductive heating structure for heating the steering wheel
  • at least one heating structure is switched and operated at least temporarily as a sensor structure, with the heating structure preferably being switched off in all poles for the time of use as a sensor structure becomes.
  • the steering wheel has a heating device with at least one electrically conductive heating structure for heating the steering wheel, it is also advantageous in some cases if at least one heating structure is switched and operated at least temporarily as a reference electrode, preferably all heating structures.
  • a heating structure and / or the steering wheel core can also be switched and operated as an active shielding element, at least temporarily, alternatively or in addition to any further shielding element, in particular during the detection of a change in the capacitive coupling of a sensor structure with the environment and / or a reference electrode ,
  • the heating structure and / or the steering wheel core are acted upon by a defined, electrical potential, preferably with a potential which is at least partially tracked during detection of the change in the capacitive coupling to the sensor structure potential, in particular with a potential that follows the course of the voltage applied to the sensor structure potential.
  • Detection quality of an approach and / or removal of a human hand impacting capacitive coupling of the sensor device with the heater at the time of measurement can be avoided, in particular without the arrangement of an additional shielding element between the heater and the sensor device.
  • at least one heating structure as active
  • Shielding a disturbing coupling of the sensor device with the steering wheel core can be reduced or avoided, which is especially in the case of a metallic
  • the operation of at least one heating structure as an active shielding element has a particularly advantageous effect if the heating structure operated as an active shielding element is arranged with at least one sensor structure in the same plane, since in this way a particularly good shielding of this sensor structure from surrounding capacitances can be achieved an even greater increase in resolution can be achieved.
  • a hand position in the circumferential direction can be detected if the sensor structures are arranged at least partially meshing in the circumferential direction.
  • At least two sensor structures in the circumferential and / or surrounding direction are arranged with each other in a mutually linear and complementary to each other changing portion.
  • the sensor system preferably has at least two sensor structures arranged in a meshing manner in the surrounding direction, it being possible to determine the surrounding angle on the steering wheel from the ratio of the detected changes in capacitance of these sensor structures.
  • the sensor system preferably has correspondingly at least two sensor structures arranged in the circumferential direction, wherein the hand position on the steering wheel in the circumferential direction can be determined from the ratio of the detected changes in the capacitive couplings of these sensor structures to the environment and / or a reference electrode.
  • the sensor structures are preferably formed in each case by individual wires, flat conductors, electrically conductive fabrics and / or combinations thereof.
  • at least one sensor structure is flat, particularly preferably wedge-shaped, in particular triangular, wherein the sensor structure for this purpose preferably comprises a flat conductor or an electrically conductive mat, in particular an electrically conductive fabric.
  • the sensor structure can also be formed only by at least one electrical conductor, in particular by a wire, i. be formed linear.
  • the conductor is arranged meandering in this case, so that it extends over as large a surface as possible.
  • the sensor structure is applied to a carrier, which can be arranged below a steering wheel cover.
  • a carrier which can be arranged below a steering wheel cover.
  • a fabric layer or the like has proved to be particularly advantageous as a carrier, wherein the sensor structure in this case is preferably applied to the carrier by embroidering, sewing or the like
  • At least one sensor structure preferably has at least one region which has the shape of a right-angled triangle, wherein preferably one side edge of the sensor structure forms a hypotenuse.
  • At least two sensor structures are wedge-shaped, preferably triangular in shape, and arranged in a meshing arrangement, in particular at least one region in each case, which has the shape of a right-angled triangle.
  • the sensor structures are preferably arranged in such a meshing manner that one side edge of one sensor structure is at least partially parallel to the side edge of the other
  • Sensor structure is arranged, in particular, each of the hypotenuse forming side edges are at least partially arranged parallel to each other. It has been found that a good spatial resolution can be achieved in a simple manner with sensor structures formed and arranged in this way.
  • An inventive steering wheel is characterized in that it is a
  • Has inventive sensor system in particular a sensor system according to the invention, which is designed for hands-on-off detection.
  • An inventive method for operating a corresponding sensor system for a steering wheel of a motor vehicle, in particular for operating a sensor system according to the invention is characterized in that in a first step, the changes associated with the individual sensor structures of the capacitive couplings are detected with the environment and / or a reference electrode and in at least one further step from the ratio of the detected, the individual sensor structures associated changes in the capacitive couplings a position of a human hand, which is located in the detection region of the sensor structures is determined.
  • At least two, at least partially meshing in the circumferential direction are arranged to determine a Um chargedswinkel during operation of a sensor system
  • Sensor structures detects the changes in the capacitive couplings in each case at least two sensor structures arranged in meshing manner in the circumferential direction. Subsequently, from the ratio of the detected changes of the capacitive couplings of these sensor structures with the environment and / or a reference electrode of the
  • the changes in the capacitive couplings of at least two sensor structures arranged in the circumferential direction are first detected to determine a hand position in the circumferential direction during operation of a sensor system having at least two sensor structures arranged at least partially in the circumferential direction. Subsequently, from the ratio of the detected changes of the capacitive
  • Couplings of these sensor structures with the environment and / or a reference electrode determines the hand position in the circumferential direction.
  • FIG. 1a shows a first embodiment of a steering wheel according to the invention with a sensor system according to the invention in front view
  • Fig. 1 b an inventive embodiment of the embodiment of
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of the invention for the
  • Fig. 1a shows a first embodiment of a steering wheel 10 according to the invention with a sensor system according to the invention with a capacitive sensor device in front view, wherein the steering wheel 10 disposed below a steering wheel cover 15 capacitive sensor device having a plurality of sensor structures 1 1, however, in this illustration, respectively only schematically indicated by a reference arrow.
  • a heater with a Heating structure 12 is provided, which is also indicated schematically only by the reference arrow.
  • the sensor structures 1 1 and the heating structure 12 extend in their entirety both completely circumferentially in the circumferential direction 17, as well as completely circumferential in the circumferential direction 18. That is, the sensor structure 1 1 and the
  • Heating structure 12 covers almost the entire gripping area of the steering wheel surface.
  • the sensor system according to the invention is designed to detect the presence of a human hand or a finger in the detection region of the sensor structures 1 1, in particular for detecting an approach and / or removal of a human hand to the steering wheel 10, i. for hands-on-off detection.
  • the heating structures 12 and the sensor structures 1 1 formed by them are embroidered on a carrier 9 made of a thin material, which is shown in FIG. 1 b in an unwound representation.
  • the sensor system comprises a total of 12 pairs of sensor structures 1 1 a, 1 1 a ', 1 1 b, 1 1 b' meshing with one another; 1 1 c, 1 1 c '; ..., which are each formed by electrically conductive fabric mats in the form of right-angled triangles and in the circumferential direction 17 sections and intermeshingly distributed, so that when approaching a human hand to the steering wheel at least the capacitive coupling with the environment and / or a reference electrode of two sensor structures 1 1 a / 1 1 a ', 1 1 b / 1 1 b', 1 1 c / 1 1 c ', ... are changed.
  • the individual sensor structures 1 1 a, 1 1 a ', 1 1 1 b, 1 1 b'; 1 1 c, 1 1 c, ... a "sensor structure pair" 1 1 a / 1 1 a ', 1 1 b / 1 1 b', 1 1 c / 1 1 c ', ... are arranged so combing in that one side edge of the one sensor structure, in this case the
  • Hypotenuse is arranged parallel to the side edge of the other sensor structure, which in this case is also the hypotenuse.
  • Embodiment can be according to the principle described above both a hand position in the circumferential direction 18 and a Um chargedswinkel in
  • the heating structures 12 are formed in the two embodiments described in each case by electrical conductors in the form of resistance wires, which meander across the sensor structures 1 1 extend and are electrically insulated from these, wherein the sensor system is preferably designed such that the
  • Sensor device and the heater with the heating structures 12 can be controlled so coordinated that a disturbing capacitive coupling of the sensor device with components of the sensor system and / or in a
  • the heating structures 12 can be used, in particular for increasing the recognition accuracy of the sensor system during the detection of a change in the capacitive coupling of the sensor structures 1 1 a / 1 1 a ', 1 1 b / 1 1 b', 1 1 c / 1 1 c ', ... are operated with the environment and / or a reference electrode, as an active shielding element and are acted upon by a defined electrical potential, which corresponds to the relevant sensor structures 1 1 a / 1 1 a', 1 1 b / 1 1 b ', 1 1 c / 1 1 c', ... applied subsequent potential or this follows in particular.
  • the heating structures 12 are preferably designed such that the
  • Actuation of the heating structures 12 with the defined electrical potential a Shielding the sensor device against interfering capacitive couplings with components of the steering wheel 10 causes, in particular with respect to a steering wheel core.
  • the steering wheel 10 has a heating device with at least one electrically conductive heating structure 12, that in a particularly preferred embodiment of a steering wheel 10 according to the invention at least one heating structure 12 can be operated as an active shielding, wherein the heating structure 12 in particular alternatively or in addition to another shielding , For example, alternatively or in addition to a separate shielding, can be operated as an active shielding.
  • At least one separate shielding element may be provided, for example an electrically conductive, planar shielding element, around the sensor structures 1 1 a / 1 1 a ', 1 1 b / 1 1 b', 1 1 c / 1 1 c ', ...
  • Capacitive decoupling of other components such as a metallic
  • such a shielding element can preferably be operated as an active shielding element and correspondingly acted upon by a defined electrical potential.
  • At least one sensor structure 1 1 is formed by a heating structure, i. at least one of the triangular sensor structures 1 1 a / 1 1 a ', 1 1 b / 1 1 b', 1 1 c / 1 1 c ',... is a heating structure.
  • the sensor system must be designed in such a way that the heating structure can be switched off in an all-pole manner during the detection of the change in the capacitive coupling of the sensor structure with the environment and / or a reference electrode, i. can be completely separated from both the positive and the negative pole.
  • the two above-described sensor systems are further adapted to control the heater or the associated heating structures 12 in response to a detected hand position and in particular in a functional installation state of the sensor system according to the invention in a steering wheel according to the invention to heat the steering wheel only in the area in which the hand or a recognized finger or the like is located.
  • a variety of structural modifications is possible, in particular concerning the design and arrangement of the sensor structures, without the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem für ein Lenkrad (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Sensoreinrichtung, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung wenigstens zwei elektrisch leitfähige Sensorstrukturen (11) aufweist und zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads ausgebildet ist, wobei die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich einer Sensorstruktur jeweils eine erfassbare, der jeweiligen Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode gegenüber einem Referenzzustand bewirkt, wobei die zwei Sensorstrukturen (11) zumindest teilweise kämmend angeordnet sind und zur Anordnung im Greifbereich eines Lenkrads vorgesehen sind, wobei aus dem Verhältnis der erfassten, den einzelnen Sensorstrukturen (11) zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode eine Position einer menschlichen Hand, die sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen (11) befindet, bestimmt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Lenkrad (10) mit einem solchen Sensorsystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensorsystems.

Description

Sensorsystem für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, Lenkrad mit einem solchen Sensorsystem und Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensorsystems
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einer kapazitiven Sensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung zur
Ansteuerung der Sensoreinrichtung, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung wenigstens zwei elektrisch leitfähige Sensorstrukturen aufweist und zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads ausgebildet ist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Detektionsbereich einer Sensorstruktur jeweils eine erfassbare, der jeweiligen Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit einer Hand in diesem Detektionsbereich bewirkt.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Sensorsystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensorsystems.
Sensorsysteme für Lenkräder eines Kraftfahrzeugs zur Hands-On-Off-Erkennung mit kapazitiven Sensoreinrichtungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der DE 203 09 603 U1 , welche ein Lenkrad mit sektorweise angeordneten Sensoreinrichtungen offenbart, so dass die Annäherung und/oder
Entfernung einer menschlichen Hand sektorweise, d.h. bereichsweise erkannt werden kann. Eine genaue Bestimmung einer Handposition ist mit dieser Anordnung jedoch nicht möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Sensorsystem für ein Lenkrad
bereitzustellen sowie ein verbessertes Lenkrad mit einem solchen Sensorsystem und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines solchen Sensorsystems, wobei es
insbesondere Aufgabe der Erfindung ist, ein Sensorsystem mit einer verbesserten Erkennung der Handposition bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Sensorsystem, durch ein
erfindungsgemäßes Lenkrad sowie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorstrukturen zumindest teilweise kämmend angeordnet sind und zur Anordnung im Greifbereich eines Lenkrads vorgesehen sind, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass aus dem Verhältnis der erfassten, den einzelnen Sensorstrukturen zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode eine Position einer menschlichen Hand, die sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen befindet, bestimmbar ist.
D.h. mit anderen Worten, dass die Sensoreinrichtung mehrere Sensorstrukturen aufweist, die abschnittsweise verteilt und zumindest teilweise ineinander kämmend über die Lenkradfläche angeordnet sind.
Dabei sind die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode jeweils den einzelnen Sensorstrukturen zuordbar, so dass erkannt werden kann, in welchem Detektionsbereich und damit im Bereich welcher Sensorstruktur sich eine menschliche Hand oder ein Teil davon befindet.
Durch eine derartige, erfindungsgemäße, zumindest teilweise kämmende Anordnung der einzelnen Sensorstrukturen kann die Handposition am Lenkrad nicht nur sektorweise ermittelt werden, d.h. nur bereichsaufgelöst, sondern auch ortsaufgelöst innerhalb eines definierten Bereiches.
Die Sensoreinrichtung, die zur Erkennung der Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads ausgebildet ist, insbesondere zur Hands-On-Off- Erkennung, ist dabei insbesondere zur Erkennung einer Annäherung und/oder einer Entfernung einer menschlichen Hand ausgebildet und damit in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einem Lenkrad zur Erkennung einer Annäherung und/oder einer Entfernung einer menschlichen Hand an ein Lenkrad heran bzw. von diesem weg.
Bevorzugt ist die Sensoreinrichtung auch dazu ausgebildet, eine Berührung des Lenkrads mit der Hand zu erkennen, insbesondere die Änderung einer Berührung einer
menschlichen Hand am Lenkrad, beispielsweise eine Positionsänderung der Hand. Das Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand mittels der kapazitiven
Sensoreinrichtung erfolgt dabei nach dem sogenannten„kapazitiven Prinzip", welches darauf beruht, dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich der Sensorstruktur eine Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit der menschlichen Hand bewirkt, die messtechnisch erfasst werden kann. Dabei hängt die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur im Wesentlichen von der Position der Hand im Detektionsbereich der Sensorstruktur ab, so dass insbesondere eine Annäherung und/oder Entfernung bzw. eine Berührung erkannt werden kann.
Kapazitive Sensoreinrichtungen weisen dazu wenigstens eine Sensorstruktur in Form einer Elektrode auf, welche die„Platte" eines elektrischen Kondensators bildet, wobei die Elektrode bzw. die Sensorstruktur die zu sensierende Oberfläche sein kann oder unterhalb der zu sensierenden Oberfläche angeordnet sein kann, in deren Nähe eine Anwesenheit einer menschlichen Hand erkannt werden soll. Dabei bildet die Umgebung und/oder eine in einem kapazitiven Kopplungsbereich der Sensorstruktur angeordnete Referenzelektrode, welche in der Regel an Masse (GND) anliegt und üblicherweise ein Potenzial von 0 Volt aufweist, die zweite„Platte" des Kondensators.
Wird nun ein elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum, beispielsweise ein menschlicher Finger oder eine menschliche Hand in die unmittelbare Umgebung der Sensorstruktur gebracht, ändert sich die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, was messtechnisch erfasst werden kann. Anhand dieser Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode kann dann auf die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich der Sensorstruktur, insbesondere auf eine Annäherung und/oder Entfernung bzw. eine Berührung durch eine menschliche Hand,
rückgeschlossen werden.
Die Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur kann dabei auf übliche aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen, insbesondere mittels eines Schwingkreises, oder mittels einer einfachen Spannungsmessung, beispielsweise mit Hilfe des von der Firma„Microchip" entwickelten CVD (Capacitive Voltage Divider)-Verfahrens. Bevorzugt wird dabei das sogenannte CVD-Self-Verfahren eingesetzt, bei welchem die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung erfasst wird oder das sogenannte CVD-Mutual-Verfahrens, bei welchem die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit einer Referenzelektrode erfasst wird.
Besonders bevorzugt erfolgt die Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur jedoch mit einer Kombination des CVD-Self- Verfahrens mit dem CVD- Mutual- Verfahren.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung jedoch mittels des folgenden beschriebenen Verfahrens, welches eine Weiterentwicklung des von der Firma„Microchip" entwickelten CVD-Verfahrens darstellt. Das bevorzugt eingesetzte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich des Lenkrads, insbesondere zum Erfassen der Änderung der kapazitiven Kopplung der zu sensierenden Sensorstruktur mit der Umgebung, in einem ersten Abtastzyklus in einem ersten Schritt eine Referenzkapazität und eine von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität jeweils mit einem definierten elektrischen Potenzial aufgeladen werden, wobei die Referenzkapazität mit einem ersten elektrischen Potenzial aufgeladen wird und die Messkapazität mit einem zweiten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzgeschlossen werden, und in einem weiteren Schritt das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfasst wird, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten elektrischen Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt.
In einem zweiten Abtastzyklus wird vorzugsweise im ersten Schritt die Referenzkapazität mit dem zweiten elektrischen Potenzial aufgeladen und die Messkapazität mit dem ersten elektrischen Potenzial, in einem weiteren Schritt werden dann vorzugsweise die Referenzkapazität und die von der Sensorstruktur und der Umgebung gebildete Messkapazität kurzgeschlossen, und in einem weiteren Schritt wird insbesondere das sich zwischen der Messkapazität und der Referenzkapazität einstellende, resultierende elektrische Potenzial erfasst, wobei sich das resultierende elektrische Potenzial in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Potenzial sowie in Abhängigkeit von der Größe der Referenzkapazität und in Abhängigkeit von der Größe der Messkapazität einstellt.
Weist das Sensorsystem eine Referenzelektrode auf und bewirkt die Anwesenheit einer menschlichen Hand im Detektionsbereich einer Sensoreinrichtung einem Referenzzustand gegenüber eine erfassbare, der Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode, wird bevorzugt in einem weiteren Abtastzyklus, insbesondere in einem zweiten Abtastzyklus und/oder einem dritten und/oder vierten Abtastzyklus, vorzugsweise zusätzlich, in einem ersten Schritt jeweils die Referenzelektrode mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt und in einem weiteren Schritt die kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode erfasst, wobei die ermittelten Änderungen anschließend bevorzugt für die Auswertung miteinander verrechnet werden.
Bevorzugt wird nacheinander, vorzugsweise im Wechsel, insbesondere alternierend, die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Referenzelektrode erfasst. Dabei wird vorzugsweise wenigstens eine Sensorstruktur zumindest zeitweise als Referenzelektrode geschaltet, vorzugsweise sämtliche Sensorstrukturen.
Die Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur kann aber auch mithilfe eines Ladevorgangs, bei dem beispielsweise eine Stromänderung erfasst wird, gemessen werden, oder mittels anderer, entsprechend geeigneter Methoden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist ein erfindungsgemäßes Lenkrad eine Abschirmeinrichtung zur Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads, insbesondere gegenüber dem Lenkradkern, auf, wobei das Abschirmelement vorzugsweise während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung wenigstens einer Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, insbesondere mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt. D.h. bevorzugt ist das Abschirmelement als aktives Abschirmelement schaltbar, d.h. als sogenannter„Guard" bzw. als Schirmungselektrode betreibbar. Sind mehrere
Abschirmelemente vorhanden, sind vorzugsweise mehrere Abschirmelemente
entsprechend elektrisch leitfähig und mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagbar, insbesondere alle Abschirmelemente.
Unter einem nachgeführten Potenzial wird dabei ein Potenzial verstanden, dass zunimmt, wenn das an der Sensorstruktur anliegende Potenzial zunimmt bzw. das abnimmt, wenn das an der Sensorstruktur anliegende Potenzial abnimmt.
Dadurch kann das sich zwischen der Sensorstruktur und der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode aufgrund der kapazitiven Kopplung bildende elektrische Feld positiv beeinflusst werden, insbesondere derart, dass eine Grundkapazität der Sensoreinrichtung verringert wird, so dass die Anwesenheit einer menschlichen Hand, insbesondere eine Annäherung und/oder eine Entfernung einer menschlichen Hand, eine größere Änderung der kapazitiven Kopplung bewirkt und somit messtechnisch einfacher und genauer und damit zuverlässiger erfasst werden kann. D.h. mit anderen Worten kann durch die
Verwendung eines aktiven Abschirmelements die Auflösung des Sensorsystems verbessert werden, insbesondere das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal to Noise Ratio), wodurch die Erkennungsqualität erheblich gesteigert werden kann.
Bevorzugt kann das Potenzial, mit welchem das Abschirmelement beaufschlagt werden kann, dabei dem an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial nicht nur nachgeführt werden, sondern kann dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgen. D.h. das Potenzial, mit welchem das Abschirmelement beaufschlagt werden kann, verläuft vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gleichen Kurve, wie das an der Sensorstruktur anliegende Potenzial.
Besonders bevorzugt kann das Abschirmelement dabei mit dem gleichen absoluten elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, das an der Sensorstruktur anliegt, d.h. mit den gleichen, absoluten Potenzialwerten. Dadurch kann die Grundkapazität des Sensorsystems in vielen Fällen nahezu auf null reduziert werden, so dass sich eine besonders hohe Auflösung des Sensorsystems erreichen lässt. D.h. dadurch kann erreicht werden, dass eine Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand eine ausreichend große Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode bewirkt, die messtechnisch sicher erfasst werden kann. Je besser das elektrische Potenzial, mit welchem das Abschirmelement beaufschlagt wird, dem an der Sensorstruktur anliegendem Potenzial folgt, desto eine besser ist die erreichbare Ab- schirmwirkung.
Weist das Lenkrad eine Heizeinrichtung auf mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur zur Heizung des Lenkrades, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens eine Heizstruktur zumindest zeitweise als Sensorstruktur geschaltet und betrieben, wobei dazu vorzugsweise die Heizstruktur für die Zeit der Verwendung als Sensorstruktur allpolig abgeschaltet wird.
Weist das Lenkrad eine Heizeinrichtung auf mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur zur Heizung des Lenkrades, ist es in einigen Fällen auch vorteilhaft, wenn wenigstens eine Heizstruktur zumindest zeitweise als Referenzelektrode geschaltet und betrieben wird, vorzugsweise sämtliche Heizstrukturen.
Eine Heizstruktur und/oder der Lenkradkern können auch, zumindest zeitweise, alternativ oder zusätzlich zu einem eventuell vorhandenen weiteren Abschirmelement, als aktives Abschirmelement geschaltet und betrieben werden, insbesondere während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung einer Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, wobei dazu die Heizstruktur und/oder der Lenkradkern mit einem definierten, elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, vorzugsweise mit einem Potenzial, das einem während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung an der Sensorstruktur anliegenden Potenzial zumindest teilweise nachgeführt ist, insbesondere mit einem Potenzial, das dem Verlauf des an der Sensorstruktur anliegenden Potenzials folgt.
Die Verwendung einer Heizstruktur als Abschirmelement hat insbesondere den Vorteil, dass auf besonders einfache Art und Weise eine sich nachteilig auf die
Erkennungsqualität einer Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand auswirkende kapazitive Kopplung der Sensoreinrichtung mit der Heizeinrichtung im Zeitpunkt der Messung vermieden werden kann, insbesondere ohne die Anordnung eines zusätzlichen Abschirmelements zwischen der Heizeinrichtung und der Sensoreinrichtung. Außerdem kann durch das Betreiben wenigstens einer Heizstruktur als aktives
Abschirmelement eine störende Kopplung der Sensoreinrichtung mit dem Lenkradkern reduziert bzw. vermieden werden, was insbesondere im Fall eines metallischen
Lenkradkerns vorteilhaft ist.
Das Betreiben wenigstens einer Heizstruktur als aktives Abschirmelement wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn die als aktives Abschirmelement betriebene Heizstruktur mit wenigstens einer Sensorstruktur in derselben Ebene angeordnet ist, da auf diese Weise eine besonders gute Abschirmung dieser Sensorstruktur von umgebenden Kapazitäten erreicht werden kann, so dass eine noch größere Steigerung der Auflösung erzielt werden kann.
Es versteht sich von selbst, dass während der Zeit, in der die Heizstruktur als aktives Abschirmelement betrieben werden kann, kein Heizbetrieb dieser Heizstruktur möglich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorsystem zur Bestimmung eines
Umfassungswinkels einer Hand an einem Lenkrad und/oder zur Bestimmung einer Handposition an einem Lenkrad in Umfangsrichtung ausgebildet.
Dabei ist eine Handposition in Umfangsrichtung detektierbar, wenn die Sensorstrukturen zumindest teilweise kämmend in Umfangsrichtung angeordnet sind. Ein
Umfassungswinkel, d.h. um wie viel Grad das Lenkrad in seiner Dicke umfasst wird, kann hingegen detektiert werden, wenn die Sensorstrukturen entsprechend zumindest teilweise kämmend in Umfassungsrichtung angeordnet sind.
Je nach Unterteilung und Anordnung der Sensorstrukturen ist eine entsprechende Ortsauflösung möglich. Bevorzugt sind wenigstens zwei Sensorstrukturen in Umfangsund/oder Umfassungsrichtung mit sich jeweils linear und komplementär zueinander änderndem Anteil zueinander angeordnet.
Zur Bestimmung eines Umfassungswinkels weist das Sensorsystem vorzugsweise wenigstens zwei in Umfassungsrichtung kämmend angeordnete Sensorstrukturen auf, wobei aus dem Verhältnis der erfassten Kapazitätsänderungen dieser Sensorstrukturen der Umfassungswinkel am Lenkrad bestimmbar ist. Zur Bestimmung einer Handposition in Umfangsrichtung weist das Sensorsystem vorzugsweise entsprechend wenigstens zwei in Umfangsrichtung kämmend angeordnete Sensorstrukturen aufweist, wobei aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode die Handposition am Lenkrad in Umfangsrichtung bestimmbar ist.
Die Sensorstrukturen sind dabei vorzugsweise jeweils durch einzelne Drähte, Flachleiter, elektrisch leitfähige Gewebe und/oder Kombinationen daraus gebildet. Bevorzugt ist wenigstens eine Sensorstruktur flächig, besonders bevorzugt keilförmig, insbesondere dreieckförmig ausgebildet, wobei die Sensorstruktur dazu vorzugsweise ein Flachleiter oder eine elektrisch leitfähige Matte aufweist, insbesondere ein elektrisch leitfähiges Gewebe. Die Sensorstruktur kann aber auch nur durch wenigstens einen elektrischen Leiter, insbesondere durch einen Draht, gebildet sein, d.h. linienförmig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist der Leiter in diesem Fall mäanderförmig angeordnet, so dass er sich über eine möglichst große Fläche erstreckt.
Besonders bevorzugt ist die Sensorstruktur dabei auf einem Träger aufgebracht, der unterhalb eines Lenkradbezugs angeordnet werden kann. Als besonders vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Stofflage oder dergleichen als Träger erwiesen, wobei die Sensorstruktur in diesem Fall bevorzugt durch Sticken, Nähen oder dergleichen auf dem Träger aufgebracht ist
Bevorzugt weist dabei wenigstens eine Sensorstruktur zumindest einen Bereich auf, der die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist, wobei vorzugsweise eine Seitenkante der Sensorstruktur eine Hypotenuse bildet.
Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei Sensorstrukturen keilförmig, vorzugsweise dreieckförmig ausgebildet und kämmend angeordnet, insbesondere zumindest mit jeweils einem Bereich, der die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist. Dabei sind die Sensorstrukturen vorzugsweise derart kämmend angeordnet, dass eine Seitenkante der einen Sensorstruktur zumindest teilweise parallel zur Seitenkante der anderen
Sensorstruktur angeordnet ist, wobei insbesondere die jeweils die Hypotenuse bildenden Seitenkanten zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, dass mit derartig ausgebildeten und angeordneten Sensorstrukturen auf einfache Art und Weise eine gute Ortsauflösung erreicht werden kann. Ein erfindungsgemäßes Lenkrad ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein
erfindungsgemäßes Sensorsystem aufweist, insbesondere ein erfindungsgemäßes Sensorsystem, das zur Hands-On-Off-Erkennung ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Sensorsystems für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Sensorsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die den einzelnen Sensorstrukturen zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode erfasst werden und in wenigstens einem weiteren Schritt aus dem Verhältnis der erfassten, den einzelnen Sensorstrukturen zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen eine Position einer menschlichen Hand, die sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen befindet, bestimmt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Bestimmung eines Umfassungswinkel beim Betrieb eines Sensorsystems mit wenigstens zwei, zumindest teilweise in Umfassungsrichtung kämmend angeordneten
Sensorstrukturen die Änderungen der kapazitiven Kopplungen jeweils wenigstens zweier in Umfassungsrichtung kämmend angeordneter Sensorstrukturen erfasst. Anschließend wird aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode der
Umfassungswinkel bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Bestimmung einer Handposition in Umfangsrichtung beim Betrieb eines Sensorsystems mit wenigstens zwei zumindest teilweise in Umfangsrichtung kämmend angeordneten Sensorstrukturen zunächst die Änderungen der kapazitiven Kopplungen jeweils wenigstens zweier in Umfangsrichtung kämmend angeordneter Sensorstrukturen erfasst. Anschließend wird aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven
Kopplungen dieser Sensorstrukturen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode die Handposition in Umfangsrichtung bestimmt.
Die mit Bezug auf das Sensorsystem beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Lenkrad sowie für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung im Zusammenhang mit dem Sensorsystem, dem Lenkrad oder dem Verfahren genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen gelten jeweils nicht nur für das Sensorsystem, sondern jeweils auch für das Lenkrad sowie für das beschriebene Verfahren und sind jeweils nicht nur in den jeweils beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen, technisch ausführbaren Kombinationen bzw. in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 a ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem in Frontansicht,
Fig. 1 b ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung der
Sensorstrukturen eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit teilweise kämmend angeordneten Sensorstrukturen in Umfassungsrichtung in abgewickelter Darstellung und
Fig. 2 ein alternatives, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die
Ausgestaltung der Sensorstrukturen eines erfindungsgemäßen Lenkrads mit kämmend angeordneten Sensorstrukturen in Umfangsrichtung in abgewickelter Darstellung.
Fig. 1 a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem mit einer kapazitiven Sensoreinrichtung in Frontansicht, wobei das Lenkrad 10 eine unterhalb eines Lenkradbezugs 15 angeordnete kapazitive Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl an Sensorstrukturen 1 1 aufweist, die in dieser Darstellung allerdings jeweils nur durch einen Bezugspfeil schematisch angedeutet sind. Außerdem ist bei diesem Lenkrad 10 zusätzlich eine Heizeinrichtung mit einer Heizstruktur 12 vorgesehen, welche ebenfalls nur durch den Bezugspfeil schematisch angedeutet ist. Die Sensorstrukturen 1 1 und die Heizstruktur 12 erstrecken sich dabei in ihrer Gesamtheit sowohl vollständig umlaufend in Umfassungsrichtung 17, als auch vollständig umlaufend in Umfangsrichtung 18. D.h. die Sensorstruktur 1 1 und die
Heizstruktur 12 decken nahezu den gesamten Greifbereich der Lenkradfläche ab.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist zur Erkennung der Anwesenheit einer menschlichen Hand bzw. eines Fingers im Detektionsbereich der Sensorstrukturen 1 1 ausgebildet, insbesondere zur Erkennung einer Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand an das Lenkrad 10, d.h. zur Hands-On-Off-Erkennung.
Die Heizstrukturen 12 und die durch diese gebildete Sensorstrukturen 1 1 sind dabei auf einem Träger 9 aus einem dünnen Stoff aufgestickt, welcher in Fig. 1 b in abgewickelter Darstellung gezeigt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Sensorsystem insgesamt 12 Paare von miteinander kämmend angeordneten Sensorstrukturen 1 1 a, 1 1 a', 1 1 b, 1 1 b'; 1 1 c, 1 1 c';... auf, welche jeweils durch elektrisch leitfähige Gewebematten gebildet werden in Form rechtwinkliger Dreiecke und in Umfassungsrichtung 17 abschnittsweise und ineinander kämmend verteilt angeordnet sind, so dass bei der Annäherung einer menschlichen Hand an das Lenkrad mindestens die kapazitive Kopplung mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode zweier Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... verändert werden.
Die Auswertung der Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode der einzelnen Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... erlaubt die eindeutige Ermittlung der Position der Annäherung der menschlichen Hand, da jeder Position ein eindeutiges Wertepaar an Änderungen der kapazitiven Kopplungen zugeordnet ist bzw. da sich aus jeder Kombination von Änderungen der kapazitiven Kopplungen der zugehörigen Sensorstrukturen 1 1 a 1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... anhand der Verhältnisse der Änderungen der kapazitiven Kopplungen der beiden jeweils reagierenden Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... jeweils eine eindeutige Annäherungsposition bzw. -richtung ermitteln lässt. Die einzelnen Sensorstrukturen 1 1 a, 1 1 a', 1 1 b, 1 1 b'; 1 1 c, 1 1 c,... eines „Sensorstrukturpaares" 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... sind dabei derart kämmend angeordnet, dass eine Seitenkante der einen Sensorstruktur, in diesem Fall die
Hypotenuse, parallel zur Seitenkante der anderen Sensorstruktur angeordnet ist, welche in diesem Fall ebenfalls die Hypotenuse ist. Durch eine derartige Anordnung und
Unterteilung der Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c', ...über die Lenkradfläche, ist es möglich eine Handposition in Umfassungsrichtung 17 ortsaufgelöst zu detektieren sowie sektorweise die Handposition im Umfangsrichtung 18 zu erfassen.
Erfolgt die kämmende bzw. überschneidende Anordnung bzw. die Verschachtelung der Sensorstrukturen 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, ... 1 1 h, wie bei dem in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel, lässt sich nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip sowohl eine Handposition in Umfangsrichtung 18 als auch ein Umfassungswinkel in
Umfassungsrichtung 18 ermitteln.
Die Heizstrukturen 12 werden bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils durch elektrische Leiter in Form von Widerstandsdrähten gebildet, welche mäanderförmig quer über die Sensorstrukturen 1 1 verlaufen und von diesen elektrisch isoliert sind, wobei das Sensorsystem bevorzugt derart ausgebildet ist, dass die
Sensoreinrichtung und die Heizeinrichtung mit den Heizstrukturen 12 derart aufeinander abgestimmt angesteuert werden können, dass eine störende kapazitive Kopplung der Sensoreinrichtung mit Komponenten des Sensorsystems und/oder in einem
funktionsgemäßen Einbauzustand des Sensorsystems in einem Lenkrad mit
Komponenten des Lenkrads reduziert, insbesondere vermieden wird.
Bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Heizstrukturen 12 dazu, insbesondere zur Erhöhung der Erkennungsgenauigkeit des Sensorsystems während der Erfassung einer Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode, als aktives Abschirmelement betrieben werden und mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, was dem an den betreffenden Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... anliegenden Potenzial nachgeführt ist bzw. diesem insbesondere folgt.
Dabei sind die Heizstrukturen 12 vorzugsweise derart ausgebildet, dass die
Beaufschlagung der Heizstrukturen 12 mit dem definierten elektrischen Potenzial eine Abschirmung der Sensoreinrichtung gegenüber störenden kapazitiven Kopplungen mit Komponenten des Lenkrads 10 bewirkt, insbesondere gegenüber einem Lenkradkern.
D.h., wenn das Lenkrad 10 eine Heizeinrichtung mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Heizstruktur 12 aufweist, dass in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lenkrads 10 wenigstens eine Heizstruktur 12 als aktives Abschirmelement betrieben werden kann, wobei die Heizstruktur 12 insbesondere alternativ oder zusätzlich zu einem anderen Abschirmelement, beispielsweise alternativ oder zusätzlich zu einem separaten Abschirmelement, als aktives Abschirmelement betrieben werden kann.
Selbstverständlich kann auch jeweils alternativ oder zusätzlich wenigstens ein separates Abschirmelement vorgesehen sein, beispielsweise ein elektrisch leitendes, flächiges Abschirmelement, um die Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c',... kapazitiv von weiteren Komponenten zu entkoppeln, beispielsweise von einem metallischen
Lenkradkern. Vorzugsweise kann ein derartiges Abschirmelement dabei als aktives Abschirmelement betrieben werden und entsprechend mit einem definierten elektrischen Potenzial beaufschlagt werden.
Es ist aber auch denkbar, dass wenigstens eine Sensorstruktur 1 1 durch eine Heizstruktur gebildet wird, d.h. dass wenigstens eine der dreieckförmigen Sensorstrukturen 1 1 a/1 1 a', 1 1 b/1 1 b', 1 1 c/1 1 c', ...eine Heizstruktur ist. In diesem Fall muss das Sensorsystem allerdings derart ausgebildet sein, dass die Heizstruktur während der Erfassung der Änderung der kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode allpolig abgeschaltet werden kann, d.h. sowohl vom Pluspol als auch vom Minuspol vollständig getrennt werden kann.
Um den Energieverbrauch für die Heizeinrichtung so gering wie möglich zu halten, sind die beiden vorbeschriebenen Sensorsysteme ferner dazu ausgebildet, die Heizeinrichtung bzw. die zughörigen Heizstrukturen 12 in Abhängigkeit von einer erkannten Handposition anzusteuern und insbesondere in einem funktionsgemäßen Einbauzustand des erfindungsgemäßen Sensorsystems in einem erfindungsgemäßen Lenkrad das Lenkrad nur in dem Bereich zu beheizen, in welchem sich die Hand bzw. ein erkannter Finger oder dergleichen befindet. Selbstverständlich ist eine Vielzahl konstruktiver Abwandlungen möglich, insbesondere betreffend die Ausgestaltung und Anordnung der Sensorstrukturen, ohne den
Schutzbereich zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Sensorsystem für ein Lenkrad (10) eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einer
kapazitiven Sensoreinrichtung und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Sensoreinrichtung, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung wenigstens zwei elektrisch leitfähige Sensorstrukturen (1 1 ) aufweist und zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads ausgebildet ist, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass die
Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Detektionsbereich einer
Sensorstruktur jeweils eine erfassbare, der jeweiligen Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode gegenüber einem Referenzzustand ohne
Anwesenheit einer Hand in diesem Detektionsbereich bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Sensorstrukturen (1 1 ) zumindest teilweise kämmend angeordnet sind und zur Anordnung im Greifbereich eines Lenkrads vorgesehen sind, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass aus dem Verhältnis der erfassten, den einzelnen Sensorstrukturen (1 1 ) zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode eine Position einer menschlichen Hand, die sich im
Detektionsbereich der Sensorstrukturen (1 1 ) befindet, bestimmbar ist.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem zur Bestimmung eines Umfassungswinkels einer Hand an einem Lenkrad (10) und/oder zur Bestimmung einer Handposition an einem Lenkrad (10) in
Umfangsrichtung (18) ausgebildet ist.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensorstrukturen (1 1 ) kämmend angeordnet sind.
4. Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem zur Bestimmung eines Umfassungswinkels wenigstens zwei in Umfassungsrichtung (17) kämmend angeordnete Sensorstrukturen (1 1 ) aufweist, wobei aus dem
Verhältnis der erfassten Kapazitätsänderungen dieser Sensorstrukturen (1 1 ) der Umfassungswinkel am Lenkrad (10) bestimmbar ist.
5. Sensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Sensorsystem zur Bestimmung einer Handposition wenigstens zwei in
Umfangsrichtung (18) kämmend angeordnete Sensorstrukturen (1 1 ) aufweist, wobei aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen (1 1 ) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode die Handposition am Lenkrad (10) in Umfangsrichtung (18) bestimmbar ist.
6. Sensorsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensorstruktur flächig ausgebildet ist, vorzugsweise keilförmig, insbesondere dreieckförmig.
7. Sensorsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, insbesondere nach
Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensorstruktur zumindest einen Bereich aufweist, der die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist, wobei vorzugsweise eine Seitenkante der Sensorstruktur eine Hypotenuse bildet.
8. Sensorsystem nach Anspruch 3 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Sensorstrukturen (1 1 ) keilförmig, vorzugsweise dreieckförmig ausgebildet sind, insbesondere zumindest mit jeweils einem Bereich, der die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist, und kämmend angeordnet sind, wobei die Sensorstrukturen (1 1 ) vorzugsweise derart kämmend angeordnet sind, dass eine Seitenkante der einen Sensorstruktur zumindest teilweise parallel zur Seitenkante der anderen Sensorstruktur angeordnet ist, wobei insbesondere die jeweils die Hypotenuse bildenden Seitenkanten zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind.
9. Lenkrad (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem Sensorsystem, wobei das
Sensorsystem insbesondere zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich des Lenkrads ausgebildet ist und wenigstens eine kapazitive Sensoreinrichtung und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Sensoreinrichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Betrieb eines Sensorsystems für ein Lenkrad (10) eines
Kraftfahrzeugs, insbesondere zum Betrieb eines Sensorsystems, das nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, wobei das Sensorsystem eine kapazitive Sensoreinrichtung und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der
Sensoreinrichtung aufweist, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung wenigstens zwei elektrisch leitfähige Sensorstrukturen (1 1 ) aufweist, die zumindest teilweise kämmend angeordnet sind und zur Anordnung in einem Greifbereich eines Lenkrads vorgesehen sind, wobei das Sensorsystem zur Erkennung einer Anwesenheit einer menschlichen Hand im Greifbereich eines Lenkrads ausgebildet ist, wobei die Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem
Detektionsbereich einer Sensorstruktur jeweils eine erfassbare, der jeweiligen Sensorstruktur zugeordnete Änderung einer kapazitiven Kopplung der
Sensorstruktur mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit einer Hand in diesem
Detektionsbereich bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die den einzelnen
Sensorstrukturen (1 1 ) zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode erfasst werden und in wenigstens einem weiteren Schritt aus dem Verhältnis der erfassten, den einzelnen Sensorstrukturen (1 1 ) zugeordneten Änderungen der kapazitiven Kopplungen eine Position einer menschlichen Hand, die sich im Detektionsbereich der Sensorstrukturen (1 1 ) befindet, bestimmt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10 zum Betrieb eines Sensorsystems mit wenigstens zwei, zumindest teilweise in Umfassungsrichtung (17) kämmend angeordneten Sensorstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines
Umfassungswinkel die Änderungen der kapazitiven Kopplungen jeweils wenigstens zweier in Umfassungsrichtung (17) kämmend angeordneter Sensorstrukturen (1 1 ) erfasst werden und aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen (1 1 ) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode der Umfassungswinkel bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 zum Betrieb eines Sensorsystems mit
wenigstens zwei zumindest teilweise in Umfangsrichtung (18) kämmend angeordneten Sensorstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Handposition in Umfangsrichtung (18) die Änderungen der kapazitiven Kopplungen jeweils wenigstens zweier in Umfangsrichtung (18) kämmend angeordneter Sensorstrukturen (1 1 ) erfasst werden und aus dem Verhältnis der erfassten Änderungen der kapazitiven Kopplungen dieser Sensorstrukturen (1 1 ) mit der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode die Handposition in
Umfangsrichtung (18) bestimmt wird.
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