CN107107939A - 用于检测方向盘接触的装置及方法 - Google Patents

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CN107107939A CN201580060483.7A CN201580060483A CN107107939A CN 107107939 A CN107107939 A CN 107107939A CN 201580060483 A CN201580060483 A CN 201580060483A CN 107107939 A CN107107939 A CN 107107939A
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汉斯-尤尔根·博斯勒
马丁·克罗伊策
吉多·西尔茨曼
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Abstract

本发明涉及一种用于检测方向盘接触的装置，该装置包括至少一个被布置在方向盘(10)中的第一电极(12)，该第一电极与作为第二电极的人体以及位于其间的电介质形成至少一个传感电容器(26)。此外，该装置包括分析电路(24)，该分析电路具有：可与传感电容器(26)并联的、已知电容值的参考电容器(30)；可连接到参考电容器(30)上的直流电压源(34)；以及用于测量参考电容器(30)上的电压的测量装置。用于借助于这样的装置检测方向盘接触的方法包括下述的、相继的步骤：通过施加已知的参考电压对参考电容器(30)充电，或对参考电容器(30)充电且然后测量参考电容器(30)上的第一电压；将传感电容器(26)并联到参考电容器(30)上，使得参考电容器(30)的部分电荷被传送到传感电容器(26)上；测量参考电容器(30)上的第二电压；以及由参考电容器(30)的已知电容值、参考电压或第一电压和第二电压确定传感电容器(26)的电容值。

Description

用于检测方向盘接触的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测方向盘接触的装置。此外，本发明涉及一种用于借助于这样的装置检测方向盘接触的方法。
背景技术
除了光学检测***，基本上有两种可能性来传感式地检测方向盘接触：电容式和电阻式。在电阻式***中，通过手放到方向盘上的压力产生电信号。通过不同拉紧或较小地拉紧的皮革***产生影响，由此作用到传感器上的不同初始力使得难以明确识别。
在电容式***中，还不能实现无干扰识别，或需要大量技术支出才能实现无干扰识别。需要解决诸如未充分接地、温度影响以及在汽车启动时的原始状态识别的问题。特别地，传感器非常强烈地倾向于漂移。在已知的“开放的”***中，在其中人体以距被固定地布置在方向盘中的电极变化的距离形成电容电极且其基于振荡电路的评估，测量频移(振荡电路失谐)。然而在此通常将认定接近方向盘为接触，使得不能确保可靠地识别真实接触。
在US 8 836 350 B2中已知一种用于电容式接触识别的方法，该方法用于查询对触摸敏感的键盘。在接触识别的范围内，集成电路的内部电容器上的电压被监控，该集成电路可耦合到外部电容器上。
DE 10 2012 024 903 A1示出一种面结构，其具有载体、至少两个电功能件以及至少一个缝，线状的功能件被集成到该缝中。这样的面结构特别应用于电加热装置。
发明内容
本发明的目的在于使得可以可靠且稳健地检测方向盘接触。
该目的通过具有权利要求1的特征的装置以及通过具有权利要求20的特征的方法实现。在从属权利要求中给出根据本发明的装置以及根据本发明的方法的有利和针对性设计方案。
根据本发明的用于检测方向盘接触的装置包括至少一个被布置在方向盘中的第一电极，该第一电极与作为第二电极的人体以及之间的电介质形成至少一个传感电容器。此外，根据本发明的装置包括分析电路，该分析电路具有：可与传感电容器并联的、已知电容值的参考电容器，可连接到参考电容器上的直流电压源，以及用于测量参考电容器上的电压的测量装置。
相比于“封闭的”***，在该***中两个相互对置的电极被构建在方向盘中，电极必须通过压力被相互移动从而产生输出信号且因此要求高弹性电介质；根据本发明的装置提供“开放的”***，在该***中人体被用作为第二电容电极。通过接近以及最后接触方向盘，这样形成的传感电容器的电容值显著变化。由此可以舍弃方向盘中的第二电容电极，方向盘中的所要求的结构变化保持为最小。计算装置的根据本发明的结构由于包括可与传感电容器并联的参考电容器使得也可以在变化的条件下、特别在考虑到温度(漂移)、湿度等的情况下可靠地且稳健地识别方向盘接触。在根据本发明的装置中，不出现在监控振荡电路时的典型问题，因为仅以直流电压工作，该直流电压可有利地从车辆电源中获得，且不必测量频率。根据本发明的装置整体上可成本非常有利地被实现且容易扩展。计算结果可传送至不同的车辆辅助***，从而相应地影响其控制。
下述方式有助于分析电路的紧凑结构，即其至少部分地可被布置在芯片上。特别地，将参考电容器布置在芯片上是有利的，因为芯片提供针对外部影响的保护。
在本发明的优选实施方式中，传感电容器的至少一个第一电极通过被布置在方向盘的方向盘轮圈中的电导体形成。
形成第一电极的电导体可具有一个或多个金属丝，其中，金属丝例如可以是商用漆包线。金属丝可基本上轻微弯曲且被制成适用于电极的形状。
然而，一个或多个导电带或由多股绞合线制成的束也可用作为电导体。
根据本发明的一个特别实施方式，电导体具有导电漆或导电膏。将这样的漆或这样的膏施加到载体上使得可以对第一电极的形状进行自由设计。另一优点在于，漆或膏在发泡之前已经被施加到随后形成方向盘骨架的泡沫垫的坯件上，或可被置于工具中。这可相对于事后安置第一电极具有工艺技术方面的优点。
提供用于第一电极的电导体的另一可能性是使用(预制的)金属板或金属薄膜。
根据本发明的优选实施方式，电导体被布置在包裹方向盘骨架的泡沫垫内。在此，电导体最大程度地受到保护免受机械应力以及其他的干扰影响。此外，泡沫垫的外置的、背向方向盘骨架的部分构成传感电容器的电介质的部分，这相对于泡沫垫的绝缘特性是有利的。
然而，基本上其他的实施方式也是可行的，在其中，电导体被施加在包裹方向盘骨架的泡沫垫上。在此，电导体可被施加在面对方向盘骨架的内侧或背向方向盘骨架的外侧上。
例如，电导体可直接被布置在方向盘轮圈的外***、例如皮革或人造皮革***之下。概念***也应包括例如由塑料、木质材料、纺织品等制成的装饰附件。
基于被拉长的基础材料(金属丝、带等)，电导体可基本沿着方向盘轮圈的环向圆周方向或基本沿着方向盘轮圈的极向圆周方向延伸。在此“基本”应表示允许或甚至期望弯曲，只要电导体整体上在分别所述的方向上延伸。
根据本发明的一个扩展方案，电导体是金属纺织物的或金属针织物的部分。这样的纺织物或针织物相比于金属板是更柔性的，且更好地匹配其安置面。
在第一电极的另一个实施方式中，电导体被施加在载体上、特别在纺织品、垫或薄膜上。
在后一情况下优选通过纤维相同的金属丝形成的电导体可在刺绣时借助于织入或缝合而被固定在载体的一侧或两侧上。这样的导电面结构此外在方向盘电加热***的情况下得到证明，也可在本发明的范围内被用作为电容电极。
形成传感电容器的第一电极的电导体不必强制由金属或金属合金构成。电导体也可由半导体材料制成。
为了最小化电干扰且由此最小化根据本发明的装置的易出错性以及为了改进结果的质量，期望使用屏蔽。可通过方向盘的金属骨架或被布置在方向盘骨架与第一电极之间的电导体提供无源屏蔽，其处于恒电势或接地。
可通过下述方式实现有源屏蔽，即分析电路被设置成，使得方向盘的金属骨架或被布置在方向盘骨架与第一电极之间的电导体在传感电容器与参考电容器并联时被充电到预定电势。
对于超过仅识别方向盘接触的、更复杂的、更差异化的分析，本发明提供多个在方向盘轮圈上分布式布置的第一电极，其彼此电流绝缘。通过该方式，可分析的传感电容器的数量相应增多。根据第一电极的数量和布置可给出针对方向盘接触的具***置的启示。此外，可以识别是否一只手或两只手放在方向盘上，且也可识别运动模式。
本发明也借助于上述的根据本发明的装置提供一种用于检测方向盘接触的方法。该方法包括下述的、相继的步骤：-通过施加已知的参考电压对参考电容器充电，或对参考电容器充电且然后测量参考电容器上的第一电压；-将传感电容器并联到参考电容器上，使得参考电容器的部分电荷被传送到传感电容器上；测量参考电容器上的第二电压；以及-由参考电容器的已知电容值、参考电压或第一电压和第二电压确定传感电容器的电容值。
如上所述，具有已知恒定电容值的参考电容器的适当包括使得可以可靠地检测到传感电容器的电容值的微小变化。
在对参考电容器充电或电荷从参考电容器转移到传感电容器上之前，传感电容器至少完全放电。而在电荷转移期间，参考电容器显然与直流电压源分开。
特别为了识别传感电容器的电容值的变化，该变化涉及驾驶员、特别是其手或手指的运动，从而上述方法步骤连续重复。
针对检测的高精度，所述方法步骤的重复之间的时间间隔可以尽可能小，优选在毫秒范围内。
为了抑制干扰以及改进根据本发明的方法的质量，在传感电容器与参考电容器并联时，方向盘中的用作为(有源)屏蔽的电导体、例如金属方向盘骨架可被充电成预定的、适用于抑制干扰的电势。
在分析的范围内，为了可重复地识别到方向盘接触，采用针对传感电容器的电容值的至少一个阀值，其优选基于凭经验确定的经验值。
分析电路可无问题地扩展，从而监控多个传感电容器，更确切地说监控多个第一电极。由此可以进行超过仅识别方向盘接触的、更复杂的、更差异化的分析。根据第一电极的数量和布置可给出针对方向盘接触的具***置的启示。此外，可以识别是否一只手或两只手放在方向盘上，且也可识别运动模式。
附图说明
在下文和参考的附图中给出本发明的其他特征和优点。附图中：
图1示出汽车方向盘，其具有根据本发明的用于检测方向盘接触的装置的示意性示出的、分布式布置的电极；
图2以细节放大图示出通过图1中的方向盘的轮圈的截面；以及
图3示出根据本发明的装置的分析电路的原理电路图。
具体实施方式
如例如在图1中所示的，为了电容式检测接触机动车中的方向盘10的接触，需要至少一个传感电容器，其被“开放地”构建在下文描述的用于检测方向盘接触的装置中。
导电面用作为传感电容器的第一电极12，该导电面被固定地布置在方向盘轮圈14中且不能从外部看到。(为了说明，在图1的左半部分中示意性地标记了方向盘轮圈14的多个位置，第一电极12根据示例性的布置可处于该位置上)，下文中还详细描述了针对第一电极12的不同可能性的设计方案和布置的实例。
驾驶员的身体为第二电极。相应地，第一电极12与第二电极之间的距离变化。当驾驶员、特别是其手指或手直接在第一电极12上接触方向盘10时，两个电极之间的距离最小。
传感电容器的电介质通过包括***20的方向盘轮圈14的径向向外随后第一电极12的层，以及若需要则通过在***20与驾驶员的手之间的空气形成。
图2示出通过包括细节放大的方向盘轮圈14的截面。金属方向盘骨架16被诸如聚氨酯(PUR)的塑料泡沫垫18包裹。泡沫垫18再次被由皮革、人造皮革、木头、织物、漆、塑料、橡胶或任何其他不导电材料覆盖。当然，方向盘轮圈14自身也可具有其他部件，然而其在此是次要的。
如上所述地，至少一个第一电极12位于方向盘轮圈14中。如可在图2的细节放大中看到的，第一电极通过多个相互连接的金属丝22形成，金属丝被布置在泡沫垫18之下。代替多个金属丝22，也可设置唯一的、可以多次卷绕的金属丝22。为了简化，下文中总使用多个。
在图2的实施例中，金属丝22沿着方向盘轮圈14的环向圆周方向T延伸。同样好地，金属丝22然而也可横向于该方向延伸，且完全或至少部分地在极向圆周方向P上围绕方向盘骨架16卷绕。在这两种情况下，仅说明金属丝22的基本方向，即应分别包括波纹形或曲折形延伸。
每种情况的意义在于，金属丝22整体被布置成使得其差不多形成导电面，该导电面可作为电容电极。
期望的是，金属丝22并非在内部和/或在外部放置在泡沫垫18上，其中，金属丝可能滑落或被驾驶员感觉到；而金属丝被布置在泡沫垫18内。基本上，金属丝22可在发泡之前或之后被置入泡沫垫18中。在后一情况下，泡沫垫18必须事后被剪切。由此金属丝22安全且可靠地被保持在泡沫垫18中，可使用用于置入的特别方法，该方法使得可以快速且均匀地铺设金属丝22。在此，金属丝22直接在剪切泡沫垫18时同时被置入切口，使得不需要额外的工序，从而例如再次分开切割边缘从而置入金属丝22。
金属丝22可覆有绝缘漆层(例如，漆包铜线)，和/或是金属纺织物的或金属针织物的部分。在此，纺织物和针织物一般应理解成由金属丝等制成的每种基本二维的结构，特别是单层或多个层的纺织物以及编织物和针织物。
此外，金属丝22也可被施加在载体上。特别地，面结构适用于第一电极12，如其用于方向盘电加热***的情况。这样的面结构具有载体，其优选可以是平面的，且至少部分地是纺织品、垫或薄膜。金属丝22诸如丝可借助于织入或缝合被固定在载体上的一个或两个侧面上。所述延伸和将金属丝22容纳在载体上的面应被选择成使得其可作为电容电极。
代替金属丝22，也可使用其他电导体，如导电带、由多股绞合线制成的束等，从而形成第一电极12。
在另一变型方案中，第一电极12由导电漆或导电膏形成。漆或膏基本可被施加到面对方向盘骨架16的内侧上或泡沫垫18的外侧上，例如直接在***20之下。在后一情况下，漆或膏可在坯件发泡之前已经直接施加到坯件上。
第一电极12的另一可行设计方案为金属板或金属薄膜，其被***泡沫垫18与***20之间。
代替金属或合金，针对电导体也可使用半导体材料。
若在检测方向盘接触期间期望位置分辨率，根据在图1的左半部分中示意性图示，可设置多个在方向盘轮圈的环向圆周方向T上分布式布置的第一电极12，其同时被监控。第一电极12也可额外地(还)在方向盘轮圈14的极向圆周方向P上被分布，和/或仅被布置在方向盘轮圈14的根据确定的标准挑选的位置上。
下文中描述通过驾驶员借助于被布置在方向盘轮圈14中的第一电极12检测方向盘接触。该检测基于传感电容器的电容值变化，该电容值变化在作为第二电极的驾驶员、特别是其手或手指接近第一电极12时出现。
图3示出分析电路24的基本结构，在此描述的装置中使用分析电路。传感电容器在此一般标记为26。远离第一电极12变化的、通过驾驶员的人体形成的第二电极在此标记为36。
借助于第一开关28，传感电容器26可并联连接至少一个参考电容器30。参考电容器30具有已知的电容值CRef，且可与分析电路24的其他部件一起被布置在芯片(IC)上，例如作为模拟数字转换器的部分。参考电容器30的电容值CRef被选择成使得其大致在当方向盘接触发生时传感电容器26的电容值CSen的范围中。
通过第二开关32，直流电压源34可与参考电容器30连接。借助于测量装置可分别测量参考电容器30上的电压。
根据下述实施方式说明基本的测量原理。通过闭合第二开关32，已知的参考电压URef施加到参考电容器30上。根据方程Q＝CRef*URef1，参考电容器30存储电荷Q。替选地，参考电容器30可被充电，且在充电过程之后测量在参考电容器30上的第一电压，该第一电压为了简化同样被标记成URef1。
通过打开第二开关32以及闭合第一开关28，参考电容器30与直流电压源34分开，且与之前已经完全放电的传感电容器26并联。在该开关状态下进行充电均衡，在其中，参考电容器30的部分电荷Q被转移到并联连接的传感电容器26上。对于该电荷转移估算为大致20毫秒。
总电荷Q在该过程中保持不变，然而现在被分到两个电容器26、30上(Q＝QRef+QSen)。相反地，现在在参考电容器30上可测量的第二电压URef2小于(第一)参考电压URef1，因为并联连接的电容器26、30的总电容值(CRef+CSen)大于参考电容器30自身的电容值CRef：
URef2＝Q/(CRef+CSen)
基于上述关系，现在可容易地计算传感电容器26的当前电容值CSen：
CRef*URef1＝(CRef+CSen)+URef2
CSen＝CRef*(URef1–URef2)/URef2
在已知参考电容器30电容值CRef的情况下，仅必须分别测量直流电压URef1和URef2，从而可以确定传感电容器26的当前电容值CSen。
上述过程在以短暂的间隔、例如2毫秒连续重复。对传感电容器26的电容值CSen的连续确定使得可以识别该电容值的变化。根据谨慎确定的阀值，可在低于或高于该阀值时推断接触和/或脱离方向盘10，该阀值可基于凭经验确定的经验值。
更复杂的计算使得可以识别接近方向盘10和/或脱离方向盘10。也可区分以手接触/靠近与以手指接触/靠近之间的区别。
若多个电流相互隔离的第一电极12被安置在方向盘10上，对所有这样形成的传感电容器26的计算可给出方向盘10的位置方面的信息，在所述位置上接触以及是否一只手或两只手在方向盘10上。此外，也可识别手势，如手沿着方向盘轮圈14的移动。
计算的结果可作为输入参数被提供给不同的车辆辅助***。
为了抑制干扰，金属方向盘骨架16或被布置在方向盘骨架16与第一电极12之间的另一电导体可被用作为屏蔽。可通过下述方式实现无源屏蔽，即该电导体处于恒电势或接地。由此特别地使得在电容器26、30上的充电和放电过程更加稳健地抵抗干扰，且由此使得对所测得的电压的计算更加稳健地抵抗干扰。额外地或替选地，可设置有源屏蔽，在其中，如前述在传感电容器26与参考电容器30并联连接时电导体被充电成适用于抑制干扰的电势。
传感电容器26的第一电极12可同时是方向盘加热***的加热件，或其可与这样的或类似的装置连接。
额外地或替选地，至少一个第一电极12也被布置在方向盘10的安全气囊模块上、特别在其上部盖部中或之下。
参考标记列表
10 方向盘
12 第一电极
14 方向盘轮圈
16 方向盘骨架
18 泡沫垫
20 ***
22 金属丝
24 分析电路
26 传感电容器
28 第一开关
30 参考电容器
32 第二开关
34 直流电压源
36 第二电极
T 环向圆周方向
P 极向圆周方向

Claims (25)

1.一种用于检测方向盘接触的装置，该装置具有：
至少一个被布置在方向盘(10)中的第一电极(12)，该第一电极与作为第二电极的人体以及位于其间的电介质形成至少一个传感电容器(26)；以及
分析电路(24)，该分析电路具有：
可与传感电容器(26)并联的、已知电容值的参考电容器(30)，
可连接到参考电容器(30)上的直流电压源(34)，以及
用于测量参考电容器(30)上的电压的测量装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该分析电路至少部分地被布置在芯片上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一电极(12)通过被布置在方向盘(10)的方向盘轮圈(14)中的电导体形成。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电导体具有一个或多个金属丝(22)。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，电导体具有一个或多个导电带或由多股绞合线制成的束。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其特征在于，电导体具有导电漆或导电膏。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其特征在于，电导体具有金属板或金属薄膜。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其特征在于，电导体被布置在包裹方向盘骨架(16)的泡沫垫(18)内。
9.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其特征在于，电导体被施加在包裹方向盘骨架(16)的泡沫垫(18)上。
10.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其特征在于，电导体直接被布置在方向盘轮圈(20)的外***(20)之下。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的装置，其特征在于，电导体基本沿着方向盘轮圈(14)的环向圆周方向延伸。
12.根据权利要求3至10中任一项所述的装置，其特征在于，电导体基本沿着方向盘轮圈(14)的极向圆周方向延伸。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的装置，其特征在于，电导体是金属纺织物的或金属针织物的部分。
14.根据权利要求3至13中任一项所述的装置，其特征在于，电导体被施加在载体上、特别在纺织品、垫或薄膜上。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，电导体借助于织入或缝合而被固定在载体的一侧或两侧上。
16.根据权利要求3至14中任一项所述的装置，其特征在于，电导体由半导体材料形成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，方向盘(10)的金属骨架(16)或被布置在方向盘骨架(16)与第一电极(12)之间的电导体处于恒电势或接地。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，分析电路被设置成，使得方向盘(10)的金属骨架(16)或被布置在方向盘骨架(16)与第一电极(12)之间的电导体在传感电容器(26)和参考电容器(30)并联连接时被充电成预定电势。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置多个在方向盘轮圈(14)上分布式布置的第一电极(12)。
20.一种用于借助于根据前述权利要求中任一项所述的装置检测方向盘接触的方法，该方法具有下述的、相继的步骤：
通过施加已知的参考电压对参考电容器(30)充电，或对参考电容器(30)充电且然后测量参考电容器(30)上的第一电压；
将传感电容器(26)并联连接到参考电容器(30)上，使得参考电容器(30)的部分电荷被传送到传感电容器(26)上；
测量参考电容器(30)上的第二电压；以及
由参考电容器(30)的已知电容值、参考电压或第一电压和第二电压确定传感电容器(26)的电容值。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法步骤连续重复。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法步骤的重复之间的时间间隔在毫秒范围中。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其特征在于，在传感电容器(26)与参考电容器(30)并联连接时，方向盘中的用作为屏蔽的电导体被充电成预定的电势。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其特征在于，为了识别到方向盘接触，采用针对传感电容器(26)的电容值的至少一个阀值，其优选基于凭经验确定的经验值。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，其特征在于，借助于分析电路监控多个传感电容器(26)。
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