CN107850467A - 具有额外的电容传感器的光学传感设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于布置在汽车内的传感器设备(1)，包括：用于向所述汽车的客舱(14)的空间区域(8)内发出光信号(9)的发送单元(3)；用于感测从所述客舱(14)的所述空间区域(8)所反射的光信号(10)的接收单元(4)；分析单元(6)，以便将所述所被反射的光信号(10)与一种开关功能和/或控制功能对应起来；关于所述光信号(9,10)可穿透的盖板(2)，所述盖板被布置在所述客舱(14)与所述发送单元(4)之间；以及另外包括电容传感器，其具有至少一个用于产生至少从局部对所述客舱(14)进行感测的测量电容的电极(7,7a，7b，7c)和用于检测所述测量电容的电容改变的装置；并且其中，所述分析单元(6)另外被设置为，依据所述电容改变来改变所述开关功能和/或控制功能和/或改变所述发送单元(3)的发送功率。

Description

具有额外的电容传感器的光学传感设备
本发明涉及一种用于布置在汽车内的光学传感设备，该传感设备具有用于向所述汽车客舱内发出光学信号的发送单元以及用于感测从所述汽车客舱所反射的光学信号的接收单元。所述传感器设备被设计为，用于给处于所述汽车客舱内的空间区域施加光学信号并且自这一空间区域检测所被反射的光学信号。因此，所述传感设备被构造为反射光栅，也称作开敞式光栅。光学信号在本发明的定义中例如是一种脉冲的或者是一种连续的激光射束。所述光学发送信号例如也是一种脉冲的或者是一种连续的通过发光二极管(LED)所产生的光线。
根据本发明的所述传感设备可包括多个应用领域，在所述汽车客舱内由所述传感设备而被施加以所述光学信号的空间领域可相应地具有不同的定位和范围。所有符合这类型的传感设备的缺陷是，它们可由于其开敞式光室的特性而辐射到所述汽车客舱内并且由此其发送单元作为光源就可能干扰驾驶人员，因为即便是在本身对于人的肉眼而言不可感知的远红外光线辐射时，真正的光源也可被感测为是微弱发光的物体，尤其是当这些光源被集成在方向盘内时。
此外，可能由于物体在所述汽车客舱内的不符合常规的布置而带来反射，这些反射会导致，所述传感设备错将这种反射与一种开关功能或者控制功能对应起来。这一问题尤其是存在于当所述传感设备布置在方向盘内时，因为在此所被反射的、与所述传感设备的例如作为指纹扫描器或者作为光学输入鼠标的实际功能没有任何关联的光信号可能由于所述方向盘的运动以及由于其操纵而触及所述接收器。因而就存在需要另外一种用于使得通过光学设备进行检测可信的传感机构。
除了期望另外一种避免功能故障、验证所述光学检测的检测以外，所述设备另外还要满足汽车制造中所常见的要节省安装空间且减轻重量的要求。
有鉴于这种背景，本发明的目的是，要对此对朝向所述汽车客舱的光学传感设备加以改进，使得这种传感设备可被更可靠地检测到和/或能够能耗友好地且对包括人类感官知觉在内的环境友好地来运行，尤其是所述传感设备被设置得节省安装空间。这一目的通过根据权利要求所述的传感设备以及通过从属权利要求的应用得以实现。从属权利要求的说明内容分别是有利的设计。要注意，在权利要求中所单独列举的特征可以任意的、在技术上有意义的方式相互结合，并由此指明本发明的更多其他构型。另外，说明书，尤其是与附图相结合，说明并指定了本发明的特性。
本发明涉及一种用于布置在汽车内的传感设备。这种传感设备具有用于向所述汽车客舱发出光学信号的发送单元。所述传感设备包括用于感测由所述汽车客舱所反射的光学信号的接收单元。暴露于所述光学信号的空间区域是通过所述发送器和所述接收器的布置或者说其辐射特性或接收特性的布置来预先给定的。其中，所述发送器和所述接收器被这样布置，使得存在至少一个部分重叠。所述发送和接收特性是分别按照应用情况来定位的。所述传感设备在所要施加的空间区域方面以及由此在检测结果方面、并且进而在应用方面不受限制。例如所述光学传感器被设置为，要检测所述汽车客舱内的烟雾和/或燃气，因此，暴露的空间区域基本把整个汽车客舱包括进去。优选所述暴露的空间区域被布置得直接紧邻所述盖板，并且一直延伸至所述盖板上的几公分处。例如涉及一种所谓的用于产生感测码的指纹扫描器，或者涉及一种感测输入装置的移动、如指状物通过暴露的空间区域的、例如在所述盖板表面上的移动的扫描器。
根据本发明的传感设备另外包括分析单元，以便将所被反射的光学信号与一种开关功能和/或控制功能对应起来。
根据本发明，一种对于所发出的光学信号而言可穿透的盖板，所述盖板至少被布置在所述汽车客舱与所述发送单元之间并且优选另外被布置在所述汽车客舱与所述接收单元之间。所述盖板例如为半透明或透明。
根据本发明，所述传感设备另外包括电容传感器，具有至少一个用于例如基于朝向所述汽车客舱的电场来产生至少在局部对所述汽车客舱进行感测的、优选至少对被施加所述光学信号的空间区域进行感测的测量电容的电极，以及包括用于检测所述测量电容的电容变化的装置。
根据本发明，所述分析单元另外被设置为，根据所述电容变化来改变所述开关功能和/或控制功能和/或改变所述发送单元的发送功率。作为改变例如也可以理解为是所述开关功能的限制或允许或者是所述发送单元的所述发送行为的打开或关闭。因此，所述电容传感器例如作用于使得基于所述光学信号所获得的检测结果可信。例如所述电容传感器用于在只有当检测到电容变化时才激活所述发送单元或者使其在功率上提高。所述电容传感器例如用于，将由于弄脏了或者其他影响(太阳光线)而不像期望的那样所产生的光学反射信号与真正所要检测的、就像例如通过在该空间区域内存在的指状物所产生的信号区分开来。因此，所述检测的可靠性就得以提高。
所述电容传感器例如具有一个电极或多个、例如两个彼此电隔离的电极来产生所述场域。
优选所述传感设备将光线在红外范围内作为光学信号辐射出去。红外可被看做为是10﹣3至7.8x10﹣7之间的光谱范围。所述光学信号的光谱范围优选处在近红外光谱范围内。红外光线的这一范围由780nm一直延伸至3μm。
优选所述电容传感器的所述至少一个电极被布置在所述发送单元与所述盖板之间和/或被布置在所述发送单元周围的区域内和/或被布置在所述盖板上。例如所述电极被布置在同一个支承着所述发送和接收单元的电路板上。优选所述至少一个电极被布置在所述被施加有所述光学信号的空间区域以外。
如上面所提到的，所述传感设备被设置为用于感测由位于所述盖板上的指状物所反射的信号，以及用于确定操作输入，或者用于根据所被感测的信号生成感测码。
优选所述分析单元被设置为用于通过所述指状物沿着所述盖板的移动根据由所述接收单元所感测的信号的散斑图样的变化来确定所述操作输入。
优选所述场域和/或所述用于检测所述场域的电容变化的装置被设置为，用于检测指状物在所述盖板表面上的触摸，优选仅仅检测指状物在所述盖板上的触摸。
所述盖板例如由塑料、优选由热塑塑料制造。所述塑料优选为半透明或透明。
根据一种优选的构型，所述盖板被构造为杯状，并且所述发送单元、所述接收单元和所述分析单元和/或另外还包括所述至少一个电极被定位在通过所述盖板的杯状所形成的腔内，以便保护所述电子元件。
为了节省安装空间，所述发送单元、所述接收单元和所述分析单元被布置在同一个电路板(5)上。例如所述电路板被布置在所述杯状盖板的上述腔内。由此，所述盖板和所述腔构成了两件式的外壳，以便保护所述电子元件、例如发送单元、接收单元和分析单元和/或包括所述电极在内。
优选所述电极被布置在所述杯壁(cup wall)上，优选被布置在所述杯壁的朝向所述腔的内侧上。所述电极在一种构型中也在朝向所述腔的杯底上延伸，其中，例如还剩下未被所述电极覆盖的“窗孔”，用于所述光学信号穿过。优选所述电极通过所述盖板的金属涂层、优选铝涂层构成。所述金属涂层例如通过气相沉积被涂覆在所述盖板上。
优选所述发送单元是一种半导体激光二极管，优选为一种垂直腔面发射-结构方式的半导体激光，也被称作垂直腔面发射激光二极管(vertical-cavity surface-emitting Laserdiode)。优选涉及一种SMD结构方式的激光二极管。
优选所述测量电容的电容变化是借助基准电容来检测的。所述用于检测电容变化的装置例如包括基准电路部分，用于所述预先给定的基准电容的既定的周期性的充电和放电，包括测量电路部分，用于所要测定的测量电容的既定的周期性的充电和放电，包括至少一个用于求得至少一个表示所述基准电容的充电的时间变化的值以及用于求得至少一个表示所述测量电容的充电的时间变化的值的电路部分，并且包括用于将所述至少一个表示所述基准电容的充电的时间变化的值与所述至少一个表示所述测量电容的充电的时间变化的值进行对比以及用于基于该比对推断得出所述测量电容的值的电路部分。其中，其时间上的变化是所述测量电容的根据本发明的电容变化的一种度量。
此外，本发明涉及一种操纵元件，该操纵元件具有开关装置以及可移动地安装的致动部件(actuating part)，其中，所述致动部件作用于所述开关装置，以便改变所述开关装置的开关状态。此外，可设置复位装置，用于所述致动部件复位至初始状态。例如由此实现一种电力机械式按键。其中，所述传感设备在上述构型的其中一种中界定了所述致动部件。例如通过所述盖板来界定所述致动部件的朝向操作人员的操作表面。在一种构型中，根据本发明的操纵元件是操纵元件的排列(集群)其中的一个操纵元件，其在结构上与上述操纵元件有所不同并且围绕着根据本发明的操纵元件被分组。
此外，本发明涉及一种包括上述操纵元件的汽车方向盘。优选所述操纵元件被布置在将碰撞缓冲吸能器(转向盘毂)与方向盘轮缘连接起来的方向盘辐条内。
上述的传感设备优选应用于汽车内。因此，本发明尤其是涉及一种由包括在上述实施方式的其中一种中的传感设备的汽车方向盘构成的装置。
下面借助附图进一步阐述本发明以及技术领域。要注意，附图仅指出了本发明的一种非常优选的实施变型，但这并非仅限于此。
其中：
图1为根据本发明的传感设备的第一种实施方式的剖视图；
图2为一种根据本发明的、包括了根据本发明的传感设备的第二种实施方式的操纵元件20的剖视图；
图3为根据本发明的传感设备的第二种实施方式的透视细节图。
图1示出了根据本发明的传感设备1的第一种实施方式。所述传感设备1具有半透明的杯状盖板2。所述盖板被置入至少在局部界定汽车内部、也称作汽车客舱的贴片13的透孔内。所述杯状盖板2界定了腔，主要的电子元件3、4、6以及电路板5被定位在其内。所述杯状盖板2的杯底界定了通向汽车客舱14的窗孔12，并且在其背向所述腔的一侧上界定了朝向所述汽车客舱14且界定该客舱的表面。与所述盖板2的这一表面相邻接的是空间区域8，所述空间区域还通过根据本发明的传感设备1以光学的方式进行监测。这种光学的监测单元在当前情况下涉及一种所谓的指纹扫描器。这一光学的监测单元包括半导体激光二极管形式的发送单元3，该发送单元将光学信号9辐射到所述汽车客舱14的所述空间区域8内，以及包括接收单元4，用于感测从所述汽车客舱14的所述空间区域8所反射的光学信号10，就像通过图1中所示的指状物11所引起的那样。为了仅仅在所述指状物11靠近所述盖板2时才激活所述发送单元3并且由此改变其发送功率，另外设置电容传感器，所述电容传感器设定了对所述空间区域8进行感测的测量电容。这一测量电容是通过引起朝向所述汽车客舱的电场的电极7来设定的。所述电极7被构造为所述周围的杯壁7b的朝向所述腔15的内侧的连贯的金属涂层，也被构造为所述盖板2的为贴合所述电路板5所设置的接合边缘7a。所述电极7通过所述接合边缘7a与所述电路板5的导体电路导电地接触。所述分析单元6在检测到所述指状物11靠近所述盖板时基于所述测量电容的相应改变而激活所述发送单元3，并在检测到所述指状物11足够远离所述盖板时基于所述测量电容的相应改变而禁用所述发送单元3。
图2示出了根据本发明的操纵元件20，其中，根据本发明的传感设备1的第二种实施方式设定了致动部件。所述传感设备1的如图2中所示的实施方式与图1中所示的实施方式的不同之处主要在于所述电极7的设计。所述电极7在这种如图2的实施方式中也通过所述盖板2的所述杯底的朝向所述腔15的表面7c延伸，其中，剩下对于由发送单元3和接收单元4构成的光学监测单元而言充足的窗孔12，如从图3中可明显看到的那样，该图示出了所述盖板2的所述腔15的透视图。所述传感设备1被可移动地集成到一群被布置在方向盘的辐条内的更多未示出的操纵元件的贴片的透孔内。所述传感设备1设定了根据本发明的操纵元件20的致动部件。所述盖板2的朝向所述操作人员的表面22界定了操控表面。在背向操作人员的一侧上以及与所述电路板5相邻地设置以键垫17的开关坡面为形式的、由弹性材料构成的开关装置19，其中，所述开关坡面19以其由通导材料构成的接触桩18被布置在两个被布置在另一个电路板16上的接触表面上方。在所述另外的电路板与所述传感设备1之间设置以柔性导体(Flexleiter)21为形式的导电连接。所述致动部件1、即所述传感设备1与所述开关坡面19这样共同作用，使得在逆于通过所述弹性的开关坡面19引起的复位力而压低所述传感设备1时，在其终端位置上，位于所述另一个电路板16上的接触面通过所述接触桩18的接合而导电地连接，从而由此改变开关状态。

Claims (18)

1.一种用于布置在汽车内的传感设备(1)，包括：
发送单元(3)，用于向所述汽车的客舱(14)的空间区域(8)发出光学信号(9)；
接收单元(4)，用于感测自所述客舱(14)的所述空间区域(8)反射的光学信号(10)；
分析单元(6)，用于将被反射的光学信号(10)与开关功能和/或控制功能对应起来；
盖板(2)，其相对于所述光学信号(9,10)可穿透，并且被布置在所述汽车客舱(14)与所述发送单元(4)之间；以及
另外包括电容传感器，所述电容传感器具有至少一个用于产生至少在局部对所述汽车客舱(14)进行感测的测量电容的电极(7,7a,7b,7c)，以及用于检测所述测量电容的电容改变的装置；并且其中，所述分析单元(6)另外被设置为，根据所述电容改变来改变所述开关功能和/或控制功能和/或改变所述发送单元(3)的发送功率。
2.根据上述权利要求所述的传感设备(1)，其中，所述测量电容至少对所述空间区域(8)进行感测。
3.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述空间区域(8)直接与所述盖板(2)紧邻。
4.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述发送单元(3)辐射出红外范围内的光线。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述至少一个电极(7,7a,7b,7c)被布置在所述发送单元(3)与所述盖板(2)之间和/或被布置在所述发送单元(3)周围的区域内和/或被布置在所述盖板(2)上。
6.根据上述权利要求所述的传感设备(1)，其中，所述至少一个电极(7,7a,7b,7c)被布置在所述空间区域(8)以外。
7.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述传感设备被设置为用于感测由位于所述盖板(2)上的指状物(11)所反射的光学信号(10)，以及用于确定操作输入，或者用于根据被感测的光学信号(10)生成识别码。
8.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述分析单元(6)被设置为用于通过所述指状物(11)沿着所述盖板(2)表面的移动根据由所述接收单元(4)所感测的光学信号(10)的散斑图样的变化来确定所述操作输入。
9.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述场域和/或所述用于检测通过所述至少一个电极(7,7a，7b，7c)产生的测量电容的电容变化的装置被设置为，要监测指状物(11)在所述盖板(2)的表面上的触摸、优选仅仅是指状物(11)在所述盖板(2)上的触摸。
10.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述盖板(2)被构造为杯状，并且所述发送单元(3)、所述接收单元(4)和所述分析单元(6)被设置在通过所述杯状盖板(2)所界定的腔(15)内。
11.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述发送单元(3)、所述接收单元(4)和所述分析单元(6)被布置在同一个电路板(5)上。
12.根据上述两项权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述电极被布置在所述杯状盖板(2)的壁(7b)上。
13.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述电极(7,7a，7b，7c)是通过所述盖板(2)的金属涂层、优选铝涂层构成。
14.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，所述发送单元(3)是半导体激光二极管。
15.根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，其中，借助基准电容来监测所述测量电容的电容改变。
16.一种操纵元件，包括开关装置、可移动地安装且作用于所述开关装置以便改变所述开关装置的开关状态的致动部件，并且具有根据上述权利要求中任一项所述的传感设备(1)，所述传感设备限定了所述致动部件。
17.一种包括根据上述权利要求中任一项所述的操纵元件的汽车方向盘。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的传感设备(1)在汽车内的应用。
CN201680034172.8A 2015-07-01 2016-05-19 具有额外的电容传感器的光学传感设备 Pending CN107850467A (zh)

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