DE112011101042T5

DE112011101042T5 - Kombination aus Sitzheizung und kapazitivem Belegungssensor

Info

Publication number: DE112011101042T5
Application number: DE112011101042T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch; Michael Virnich; Aloyse Schoos
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: US8729430B2; EP2368771A1; DE112011101042B4; US20130020305A1; WO2011117238A1

Abstract

Eine Sitzheizung und ein kapazitiver Belegungssensor in Kombination umfassen ein Heizungsnetz und ein kapazitives Erfassungsnetz. Das Heizungsnetz umfasst ein Heizelement (10), das zwischen einem ersten Knoten (21) und einem zweiten Knoten (22) angeschlossen ist, um Wärme abzuführen. Das kapazitive Erfassungsnetz ist an das Heizelement angeschlossen, um daran einen oszillierenden Strom anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus der an dem Heizelement resultierenden Spannung herzuleiten. Das Heizungsnetz umfasst eine Gleichtaktdrossel 16, die den ersten und zweiten Knoten mit einem dritten (23) bzw. vierten (24) Knoten verbindet. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst ferner ein Mittel zur Aufrechterhaltung des oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen des oszillierenden Stroms in das Heizelement sowie einen hochohmigen Verstärker (32), der einen mit dem Heizelement wirkverbundenen Eingangsknoten zur Untersuchung der resultierenden Spannung und einen Ausgangsknoten (44) zur Bereitstellung eines die Spannung angebenden Ausgangssignals aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein kapazitives Insassenerkennungssystem, beispielsweise zur Erkennung der Ab- oder Anwesenheit eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Insassen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Sitzheizung und eine kapazitive Belegungserfassungsvorrichtung in Kombination.
Hintergrund der Erfindung
Ein kapazitiver Sensor, der von Einigen als „E-Feld-Sensor” oder „Näherungssensor” bezeichnet wird, bedeutet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss dessen anspricht, was bei einem elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche bei eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode, an welcher der Einfluss eines Gegenstands oder Lebewesens auf das elektrische Feld erfasst wird. Bei einigen kapazitiven Belegungssensoren (mit dem so genannten „Lademodus”; im Engl. „loading mode”) dienen die eine oder mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom, der in die eine oder mehreren Antennenelektroden als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder mehreren Antennenelektroden. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus”; im Engl. „coupling mode”) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der bzw. die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Erfassung eines elektrischen Feldes, wobei das Konzept verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen durchzuführen und um insbesondere die Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck zu erfassen, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Erfassung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode” (Lademodus), „shunt mode” (Nebenschlussmodus) und „transmit mode” (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das zu erfassende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld zu einer Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den Körper, der gerade erfasst wird, modifiziert werden kann. Im „Sendemodus” wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird. Der „Nebenschlussmodus” wird alternativ auch als der oben genannte „Kopplungsmodus” bezeichnet.
Es wurden viele verschiedene kapazitive Insassenerfassungssysteme vorgeschlagen, beispielsweise zur Steuerung der Entfaltung von einem oder mehreren Airbags wie z. B. einem Fahrerairbag, einem Beifahrerairbag und/oder einem Seitenairbag. Das US-Patent 6,161,070 an Jinno et al. bezieht sich auf ein Insassenerkennungssystem, das eine einzige Antennenelektrode umfasst, die in einem Kraftfahrzeug auf einer Oberfläche eines Fahrgastsitzes angebracht ist. Ein Oszillator legt ein oszillierendes Spannungssignal an die Antennenelektrode an, wodurch ein sehr kleines elektrisches Feld um die Antennenelektrode herum erzeugt wird. Jinno schlägt vor, dass die An- oder Abwesenheit eines Insassen auf dem Sitz auf der Grundlage der Amplitude und Phase des Stroms erfasst wird, der zu der Antennenelektrode fließt. Das US-Patent 6,392,542 an Stanley lehrt einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrode umfasst, die in einem Sitz angebracht werden kann und mit einer Erfassungsschaltung wirkgekoppelt ist, welche ein oszillierendes oder gepulstes Signal mit „höchstens schwachem Ansprechen” auf die Nässe des Sitzes an die Elektrode anlegt. Stanley schlägt vor, die Phase und die Amplitude des zu der Elektrode fließenden Stroms zu messen, um einen belegten oder leeren Sitz zu erfassen und die Sitznässe zu kompensieren.
Der Gedanke der Benutzung des Heizelements einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Belegungserfassungssystems ist seit langer Zeit bekannt. Die WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann und in der Sitzoberfläche angeordnet ist, wobei der Leiter ferner eine Elektrode eines Zwei-Elektroden-Sitzbelegungssensors bildet.
Die WO 95/13204 offenbart ein ähnliches System, bei dem die Schwingungsfrequenz eines an das Heizelement angeschlossenen Oszillators gemessen wird, um den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes herzuleiten.
Die US 7,521,940 betrifft eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, die in der Lage sind, gleichzeitig im Heizmodus oder im Insassenerfassungsmodus zu arbeiten. Die Vorrichtung umfasst eine Sensor-/Heizunterlage zum Senden eines Erfassungssignals, eine an einen ersten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte erste Diode, eine an einen zweiten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte zweite Diode, einen an die erste Diode gekoppelten ersten Transistor und einen an die zweite Diode gekoppelten zweiten Transistor. Beim Erfassungsmodus sind der erste und zweite Transistor geöffnet und die Knoten zwischen dem ersten Transistor und der ersten Diode sowie zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Diode in Sperrrichtung vorgespannt, um die Sensor-/Heizunterlage von der Energieversorgung der Heizschaltung zu isolieren.
Die US 2009/0295199 offenbart eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, wobei jede der zwei Anschlussklemmen des Heizelements über zwei in Reihe geschaltete Transistoren an die Energieversorgung angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann nicht gleichzeitig im Erfassungsmodus und im Heizmodus arbeiten. Wenn sich die Vorrichtung im Erfassungsmodus befindet, werden die Knoten zwischen jedem Transistorpaar mittels jeweiliger Spannungsfolger aktiv auf dem gleichen Potential wie das Heizelement gehalten, um eine etwaige Impedanz der Transistoren bei offenem Schalter zu neutralisieren.
Genau derselbe Gedanke wurde bereits in der US 6,703,845 offenbart. Diese Druckschrift offenbart als Alternative zu Transistoren Induktoren, um eine hohe Impedanz bei der Frequenz des oszillierenden Signals zwischen dem Heizelement und der Energiequelle der Heizschaltung zu erzielen. Wie bei der vorher besprochenen Druckschrift hält ein Spannungsfolger die Zwischenknoten im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie das Heizelement, um die Energieversorgung der Heizschaltung wirksam bei der Frequenz des oszillierenden Signals von dem Heizelement zu isolieren.
Ein Nachteil des in der US 6,703,845 offenbarten Systems besteht darin, dass die Induktoren, die als Wechselstrom-Entkopplungselemente verwendet werden, den gesamten Heizstrom (bis 10 A Gleichstrom und höher) aufnehmen müssen und eine hohe Wechselstromimpedanz gleichzeitig für die kapazitive Messschaltung und die Sitzheizung darstellen. Eine hohe Induktivität und ein hoher Betriebsgleichstrom bedeuten, dass die Induktoren auf große Kerne aufgewickelt werden müssen, die teuer sind. Je nach der von der US 6,703,845 ausgewählten Anwendung müssen entweder zwei oder vier dieser Induktoren verwendet werden.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung sieht eine Sitzheizung und einen kapazitiven Belegungssensor in Kombination vor, bei denen die Möglichkeit einer kostengünstigeren Herstellung und verbesserten Erfassungsleistung gegeben ist. Die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination gemäß der Erfindung sind in Anspruch 1 definiert.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Eine Sitzheizung und ein (im Lademodus betriebener) kapazitiver Belegungssensor in Kombination, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassen ein Heizungsnetz und ein kapazitives Erfassungsnetz. Das Heizungsnetz umfasst ein Heizelement, das zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, um Wärme abzuführen, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom zwischen dem ersten und zweiten Knoten fließt. Das kapazitive Erfassungsnetz ist an das Heizelement angeschlossen, um daran einen oszillierenden Strom anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einer an dem Heizelement resultierenden Spannung als Reaktion auf das Anlegen des oszillierenden Stroms herzuleiten. Erfindungsgemäß umfasst das Heizungsnetz eine Gleichtaktdrossel, die den ersten und den zweiten Knoten mit einem dritten bzw. einem vierten Knoten verbindet. Darüber hinaus umfasst das kapazitive Erfassungsnetz ein Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals in dem Heizelement oder zum Speisen eines oszillierenden Signals in das Heizelement sowie einen hochohmigen Verstärker, der Folgendes aufweist: einen Eingangsknoten, der, beispielsweise über den ersten oder zweiten Knoten, mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um die resultierende oszillierende Spannung zu untersuchen, und einen Ausgangsknoten, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das die oszillierende Spannung angibt. Vorzugsweise leitet das kapazitive Erfassungsnetz nicht nur die kapazitive Last des Heizelements her, sondern auch den Widerstandsteil der komplexen Impedanz zwischen dem Heizelement und Masse.
Im Allgemeinen gestattet das Ausgangssignal des hochohmigen Verstärkers die Messung der am Heizelement vorliegenden Spannung, im Wesentlichen ohne dass die Messung durch sein Vorhandensein gestört wird. Die Ausgangsspannung des hochohmigen Verstärkers ermöglicht die Herleitung der komplexen Impedanz und folglich der Kapazität zwischen dem Heizelement und Masse. Da die Kapazität zwischen dem Heizelement und Masse davon abhängt, ob ein leitender Körper (z. B. ein Insasse) in der Nähe des Heizelements vorhanden ist oder nicht, kann der Belegungszustand des das Heizelement enthaltenden belegbaren Gegenstands (z. B. ein Krankenhausbett, Fahrzeugsitz, Bürostuhl usw.) aus der Ausgangsspannung des hochohmigen Verstärkers hergeleitet werden. Der hierin verwendete Begriff „Impedanz” bezeichnet den Betrag (Absolutwert) der komplexen Impedanz, die selbst als das Verhältnis zwischen der (komplexen) Spannung und dem (komplexen) Strom definiert ist. Wenn auf die zu messende (komplexe) Impedanz oder die zu messende Kapazität Bezug genommen wird, bezeichnen diese Begriffe die (komplexe) Impedanz oder die Kapazität zwischen dem Heizelement und der an Masse gelegten Gegenelektrode (z. B. dem Fahrzeugrahmen). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „hochohmiger Verstärker” einen Verstärker, dessen komplexe Impedanz einen nacheilenden Teil, der wesentlich größer (z. B. mindestens fünfmal größer) als der nacheilende Teil der zu messenden komplexen Impedanz ist, und einen Widerstandsteil, der wesentlich größer (z. B. mindestens fünfmal größer) als der Widerstandsteil der zu messenden komplexen Impedanz ist.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass der Heizstrom ein Gleichstrom (DC; direct current) ist und dass das oszillierende Signal, das aufrechterhalten oder in das Heizelement gespeist wird, ein Wechselstromsignal in einem Frequenzbereich ist, der weit über dem Gleichstrompegel liegt. Dies ist insofern eine Vereinfachung, als Einschwingzustände (z. B. Ein- oder Ausschalten des Heizstroms), Rauschen und Fremdströme nicht berücksichtigt werden. Es ist anzumerken, dass der Heizstrom kein Gleichstrom im strengsten Sinne sein muss: er kann veränderlich sein, darf jedoch in einem langen Zeitrahmen nicht das für die kapazitive Messung verwendete oszillierende Signal stören. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Gleichstrom” benutzt, um langsam veränderliche oder konstante Signale zu bezeichnen. Das oszillierende Signal hat vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von ungefähr 100 kHz bis ungefähr 10 GHz und bevorzugter im Bereich von ungefähr 500 KHz bis ungefähr 30 MHz.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst vorzugsweise ein Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz (beispielsweise einen Referenzkondensator, einen Referenzinduktor und/oder einen Referenzwiderstand) und einen Schalter, um das Referenzbauteil zwischen dem Heizelement und Masse in Wirkverbindung zu bringen. Das Referenzbauteil kann demnach in Parallelschaltung zu der zu messenden komplexen Impedanz angeschlossen werden, indem der Schalter geschlossen wird, der in Reihe mit dem Referenzbauteil angeschlossen ist. Durch eine Untersuchung des an das Heizelement angelegten oszillierenden Signals bei geöffnetem und geschlossenem Schalter lassen sich Messfehler, die durch Produktionstoleranzen bedingt sind, und Driften, die durch Alterung und/oder Temperaturschwankungen der Schaltungsbauteile bedingt sind, reduzieren. Das Referenzbauteil wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass seine komplexe Impedanz durch Temperaturänderungen und Alterung im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Heizungsnetz eine weitere Gleichtaktdrossel, die den dritten und den vierten Knoten mit einem fünften bzw. einem sechsten Knoten verbindet, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind. Das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen eines oszillierenden Stroms in das Heizelement kann dann eine Wechselspannungsquelle umfassen, die mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist. Die Gleichtaktdrossel, die den ersten und zweiten Knoten mit dem dritten bzw. vierten Knoten verbindet, bildet somit einen komplexen Spannungsteiler mit der zu messenden komplexen Impedanz. Der hochohmige Verstärker untersucht die geteilte Spannung. Die komplexe Impedanz kann daher aus dem Ausgangssignal des hochohmigen Verstärkers hergeleitet werden, da die durch die Wechselspannungsquelle angelegte Spannung und die Induktivität der Gleichtaktdrossel bekannt sind. Gegebenenfalls (wenn z. B. die durch die Wechselspannungsquelle angelegte Spannung nicht von vornherein bekannt ist) kann die Spannung an dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten, an den die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, mit einem weiteren hochohmigen Verstärker untersucht werden. Falls die Induktivität unbekannt ist oder mit der Zeit und/oder Temperatur einer Drift ausgesetzt ist, kann man einen wie oben erwähnten Referenzkondensator benutzen, um die zu messende komplexe Impedanz ohne Kenntnis der Induktivität derjenigen Gleichtaktdrossel, die dem Heizelement am nächsten ist, zu berechnen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung hat das Heizelement derart eine Kapazität gegen Masse (die zu messende Kapazität), dass die Gleichtaktdrossel, die den ersten und zweiten Knoten mit dem dritten bzw. vierten Knoten verbindet, ein Parallelresonanznetz mit der zu messenden Kapazität bildet. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen einen oszillierenden Stroms in das Heizelement eine Vorrichtung mit negativem Widerstand (beispielsweise der „aktive” bzw. Energie zuführende Teil einer Oszillatorschaltung), um den oszillierenden Strom (bei der Resonanzfrequenz) in dem Resonanznetz aufrechtzuerhalten und um ohmsche Verluste und die aus dem Resonanznetz entzogene Energie zu kompensieren. Die Vorrichtung mit negativem Widerstand und das Resonanznetz bilden zusammen einen Oszillator, dessen Resonanzfrequenz von der Induktivität der Gleichtaktdrossel, die den ersten und zweiten Knoten mit dem dritten bzw. vierten Knoten verbindet, und der zu messenden Kapazität abhängt. Falls die Induktivität unbekannt ist oder mit der Zeit und/oder Temperatur einer Drift ausgesetzt ist, kann man einen wie oben erwähnten Referenzkondensator verwenden und die Resonanzfrequenz, die gemessen wird, wenn der Referenzkondensator parallel zu der zu messenden Kapazität geschaltet ist, mit der Resonanzfrequenz, die gemessen wird, wenn der Referenzkondensator ausgeschaltet ist, vergleichen.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst vorzugsweise einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Vorrichtung mit negativem Widerstand, um die Amplitude des oszillierenden Stroms an eine Referenzamplitude anzupassen.
Gemäß noch einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen einen oszillierenden Stroms in das Heizelement eine Wechselstromquelle, die mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um einen Wechselstrom in das Resonanznetz zu speisen, und eine Frequenzsteuereinheit zur Steuerung der Frequenz des Wechselstroms. Die Schwingung des Resonanznetzes wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung zu einer Schwingung bei der Frequenz gezwungen, die durch die Frequenzsteuereinheit bestimmt wurde. Die letztere Frequenz ist vorzugsweise gleich oder nahe bei der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes (vorzugsweise innerhalb des Bereichs von einem Zehntel bis zum Zehnfachen der Resonanzfrequenz).
Die zu messende komplexe Impedanz könnte aus der komplexen Impedanz des Resonanznetzes erhalten werden, die durch das Verhältnis zwischen der durch den hochohmigen Verstärker untersuchten komplexen Spannung und dem durch die Wechselstromquelle in das Resonanznetz gespeisten komplexen Strom gegeben ist.
Die Frequenzsteuereinheit ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass sie die Frequenz des Wechselstroms innerhalb eines Frequenzfensters verändert. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst bevorzugter einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Frequenzsteuereinheit, um eine Phasendifferenz des Ausgangssignals und des Wechselstroms an einen Referenzphasendifferenzwert anzupassen. Der Referenzphasendifferenzwert ist vorzugsweise auf 0° eingestellt, damit der Rückkopplungszweig die Frequenzsteuereinheit tatsächlich an die Resonanzfrequenz des Resonanznetzes anpasst.
Vorzugsweise sind der erste und zweite Knoten miteinander wechselstromgekoppelt und/oder wobei der dritte und vierte Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind. Eine solche Wechselstromkopplung wird vorzugsweise mit einem Kopplungskondensator erzielt. Etwaige solche Kopplungskondensatoren werden derart ausgewählt, dass sie eine Impedanz aufweisen, die wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Kapazität ist. Die Kopplungskondensatoren bedeuten daher Kurzschlüsse für die Wechselstromkomponente des Stroms, isolieren aber dessen Gleichstromkomponente. Ein Kopplungskondensator zwischen dem ersten und zweiten Knoten gewährleistet, dass der kapazitive Belegungssensor sogar dann betriebsbereit bleibt, wenn das Heizelement zerbrechen sollte.
Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Fahrzeugsitz, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist.
Vorzugsweise umfassen die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination eine angesteuerte Schirmelektrode. Der hierin verwendete Begriff „angesteuerte Schirmelektrode” bezeichnet eine Antennenelektrode, die im Wesentlichen auf dem gleichen Wechselstrompotential. wie das Heizelement gehalten wird. Infolgedessen entfällt im Wesentlichen das oszillierende elektrische Feld zwischen der angesteuerten Schirmelektrode und dem Heizelement. Daraus folgt, dass eine angesteuerte Schirmelektrode im Wesentlichen verhindert, dass das Heizelement kapazitiv mit Objekten gekoppelt wird, die vom Heizelement aus gesehen hinter der angesteuerten Schirmelektrode liegen. Es können somit eine oder mehrere angesteuerte Schirmelektroden verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Heizelements auf einen interessierenden Bereich zu konzentrieren, also beispielsweise den räumlichen Teil über einem Fahrzeugsitz, der von einem normal sitzenden Insassen eingenommen wird. Damit die angesteuerte Schirmelektrode auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement gehalten wird, kann ein Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz und einem hohem Verstärkungsfaktor im Wesentlichen gleich 1, der üblicherweise als „Spannungsfolger” oder „Pufferverstärker” bekannt ist, zwischen dem Heizelement, beispielsweise am ersten oder zweiten Knoten, und der angesteuerten Schirmelektrode angeschlossen werden, um die angesteuerte Schirmelektrode auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement zu halten.
Die Kopplung der zwei Wicklungen jeder Gleichtaktdrossel ist von Bedeutung. Bei einem Gleichstrom-Heizstrom von 10 A und einem typischen Kopplungsfaktor einer Gleichtaktdrossel mit getrennt gewickelten Wicklungen (d. h. nicht doppeladrig gewickelt) kann der Kopplungsfaktor beispielsweise ungefähr 99% betragen. In diesem Fall entspricht der Gleichstrom, der ein Gleichstrom-Magnetfeld in der Gleichtaktdrossel erzeugt, 100 mA. Bei typischen Magnetkernmaterialien und einer Induktivität der Gleichtaktdrossel von 1 mH führt beispielsweise die Verschiebung des Betriebspunktes auf der Hysteresekurve der Gleichtaktdrossel bereits zu einer signifikanten Induktivitätsänderung, wenn die Sitzheizung eingeschaltet wird. Demnach ist die Induktivität zwischen den Zuständen „Heizung an” und „Heizung aus” unterschiedlich, was zu einem Fehler bei der kapazitiven Messung führen kann, wenn die Sitzheizung geschaltet wird.
Um dieses Problem so weit wie möglich zu reduzieren, ist die Kopplung der Gleichtaktdrossel vorzugsweise besser als 99%. Damit dieses Ziel erreicht wird, sind die Drähte, die die Wicklungen bilden, bei der Gleichtaktdrossel vorzugsweise doppeladrig gewickelt. Noch bevorzugter sind die Drähte, die die Wicklungen der Gleichtaktdrossel bilden, aufeinander verdreht (d. h. die verdrehten Drähte sind rings um den Kern gewickelt).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung mehrerer nicht einschränkender Ausgestaltungen anhand der begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
3: ein schematisches Schaltbild einer ersten Variante der Ausgestaltung von 2; 4: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Variante der Ausgestaltung von 2; 5: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
6: ein schematisches Schaltbild einer Variante der Ausgestaltung von 5;
7: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsitzes, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination im Wesentlichen wie in 1 versehen ist;
8: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsitzes, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination im Wesentlichen wie in 2 versehen ist.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Sitzheizung umfasst ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode benutzt wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die Stärke der kapazitiven Kopplung zwischen dem Heizelement 10 und Masse hängt davon ab, ob sich ein Insasse in der Zone zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Gegenelektrode befindet. Bei einem im Lademodus befindlichen kapazitiven Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz entspricht die an Masse gelegte Gegenelektrode normalerweise dem Fahrzeugchassis.
Zuerst Bezug nehmend auf die Sitzheizung, umfasst das Heizungsnetz eine Stromquelle 12, die das Heizelement 10 mit dem notwendigen Gleichstrom-Heizstrom zur Durchführung der Heizfunktion versorgt. Das Heizungsnetz umfasst einen Schalter 14, der den Gleichstrom-Heizstrom je nach der Ist- oder Solltemperatur der Sitzheizung ein- und ausschaltet. Der Schalter 14 kann beispielsweise durch einen vom Benutzer bedienbaren Hauptschalter (der die Sitzheizung als ganze ein- oder ausschaltet) und eine Steuerelektronik (die z. B. einen Thermostat umfasst) gesteuert werden, welche die Temperatur derart regeln, dass bequemes Sitzen gewährleistet wird.
Das Heizelement 10 ist zwischen einem ersten 21 und einem zweiten 22 Knoten angeschlossen. Wenn die Energieversorgung eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22 anlegt, fließt der Heizstrom durch das Heizelement 10, welches dadurch veranlasst wird, Wärme abzuführen. Das Heizelement 10 ist mittels einer ersten Gleichtaktdrossel 16, die den ersten 21 und zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. vierten 24 Knoten verbindet, und einer zweiten Gleichtaktdrossel 18, die den dritten 23 und vierten 24 Knoten mit einem fünften 25 bzw. sechsten 26 Knoten verbindet, mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. In 1 entspricht der fünfte Knoten 25 Masse, wohingegen der sechste Knoten 26 über den Schalter 14 mit der Hochspannungs-Anschlussklemme der Energiequelle 12 wirkverbunden ist.
Die Gleichtaktdrosseln 16, 18 zeigen eine niedrige Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Wenn die Sitzheizung mit Gleichstrom-Heizstrom versorgt wird (d. h. wenn der Schalter 14 geschlossen ist), fließt Strom von der Energiequelle 12 durch den Schalter 14, den hierin als „sechster Knoten” bezeichneten Knoten 26, die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 18, den hierin als „vierter Knoten” bezeichneten Knoten 24, die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „zweiter Knoten” bezeichneten Knoten 22, das Heizelement 10, den hierin als „erster Knoten” bezeichneten Knoten 21, die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „dritter Knoten” bezeichneten Knoten 23, die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 18 und den hierin als „fünfter Knoten” bezeichneten Knoten 25, der auf Massepotential liegt. Die Heizungsschaltung ist über den Masseanschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und der Energiequelle 12 geschlossen.
Der Schalter 14 kann dazu verwendet werden, die Temperatur des Sitzes durch Ein- und Ausschalten der Sitzheizung zu regeln. Ein in den Sitz integrierter Temperatursensor (in den Zeichnungen nicht dargestellt) kann die Sitztemperatur ermitteln. Ein an den Schalter 14 und den Temperatursensor angeschlossener Heizungsregler (beispielsweise ein Mikrocontroller) liest die Isttemperatur des Sitzes vom Temperatursensor ab und schaltet den Schalter 14 je nach der Solltemperatur und der gemessenen Isttemperatur ein oder aus. Eine derartige Temperaturregelung kann desgleichen bei allen hierin beschriebenen Ausgestaltungen angewendet werden.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst eine Wechselspannungsquelle 28, die durch einen Kopplungskondensator 30 mit dem dritten Knoten 23 des Heizungsnetzes wechselstromgekoppelt ist, einen hochohmigen Verstärker 32, dessen Eingangsknoten 34 an das Heizelement 10 am ersten Knoten 21 angeschlossen ist, und einen Referenzkondensator 36, der zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse in Reihe mit einem Schalter 38 angeschlossen ist.
Die Kondensatoren 40 und 42 repräsentieren symbolisch die kapazitive Kopplung des Heizelements 10 an eine an Masse gelegte Elektrode (normalerweise der Fahrzeugrahmen). Die Kapazität (und somit die Impedanz) dieser Kondensatoren 40, 42 hängt davon ab, ob der Raum zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Elektrode von einem leitenden Körper (beispielsweise einem Insassen) belegt ist oder nicht.
Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den dritten Knoten 23 an. Als Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise 1 MHz ausgewählt werden. Die an den dritten Knoten 23 angelegte Wechselspannung bewirkt, dass ein Wechselstrom durch die Gleichtaktdrossel 16 und die Kondensatoren 40, 42 zu Masse fließt. Die Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 (hauptsächlich deren Induktivität) bildet demnach zusammen mit der zu messenden Kapazität (die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren 40, 42) einen komplexen Spannungsteiler, der die Wechselspannung am ersten Knoten 21 teilt. Die geteilte Wechselspannung wird mit dem eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Verstärker 32 untersucht. Der hochohmige Verstärker 32 stellt an seinem Ausgangsknoten 44 ein Ausgangssignal bereit, das die Wechselspannung am ersten Knoten angibt. Das Ausgangssignal kann weiterverarbeitet werden, um die zu messende Kapazität herzuleiten. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem die Amplitude und die Phase des Ausgangssignals mit der Amplitude und Phase der an den dritten Knoten angelegten Wechselspannung verglichen werden.
Ein solcher Vergleich wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, dass die Amplitude und Phase der Wechselspannung am dritten Knoten 23 gemessen werden. Die zu messende Kapazität kann anschließend basierend auf der ausgegebenen Wechselspannung des hochohmigen Verstärkers 32, der gemessenen Wechselspannung am dritten Knoten und der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 bei der Frequenz der angelegten Wechselspannung ermittelt werden.
Statt die Spannung am dritten Knoten zu messen, kann das Netz derart konstruiert werden, dass die Amplitude der Wechselspannung am dritten Knoten 23 einen bekannten Wert annimmt. Gemäß dieser Option werden die Kapazität des Kopplungskondensators 30 und die Ausgangsimpedanz der Wechselspannungsquelle 28 vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie wesentlich kleiner (vorzugsweise mindestens zehnmal kleiner) als die Impedanz der Gleichtaktdrossel 18 und die zu messende Impedanz sind, so dass die Wechselspannung am dritten Knoten im Wesentlichen der von der Wechselspannungsquelle 28 ausgegebenen Wechselspannung gleicht. Die zu messende Kapazität kann dann auf der Grundlage der ausgegebenen Wechselspannung des hochohmigen Verstärkers 32, der bekannten Wechselspannung am dritten Knoten und der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 bei der Frequenz der angelegten Wechselspannung ermittelt werden.
Eine Weiterentwicklung des kapazitiven Erfassungsnetzes eliminiert die Notwendigkeit, dass die komplexe Induktivität der Gleichtaktdrossel 16 vorher bekannt sein muss. Eine solche Weiterentwicklung ist insbesondere von Nutzen, weil Alterung, Temperaturabhängigkeit und/oder Teiletoleranz dazu führen könnten, dass die tatsächliche komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 von dem für die Berechnung verwendeten theoretischen Wert abweicht und einen Messfehler bei der unbekannten Kapazität zur Folge hat. Die Berechnung der zu messenden Kapazität kann bei Verwendung des Referenzkondensators 36 von der komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 unabhängig sein.
Der Referenzkondensator 36 (der die bekannte Kapazität 43 Cref hat) ist in Reihe mit dem elektronischen Schalter 38 angeschlossen. Der Referenzkondensator 36 und der Schalter 38 sind beide zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse angeschlossen.
Das folgende Verfahren kann z. B. unter der Steuerung eines Mikrocontrollers durchgeführt werden. Eine erste Messung der komplexen Spannung am Ausgangsknoten 44 erfolgt mit ausgeschaltetem Referenzkondensator (Schalter 38 offen). Diese komplexe Spannung wird gespeichert (hier als „U_2A”). Eine zweite Messung der komplexen Ausgangsspannung erfolgt mit eingeschaltetem Referenzkondensator 36 (Schalter 38 geschlossen). Während der zweiten Messung ist der Referenzkondensator in Parallelschaltung an die zu ermittelnde Kapazität angeschlossen. Die komplexe Spannung, die gemessen wird, während der Referenzkondensator angeschlossen ist, wird gespeichert (hier als „U_2B”). Die komplexe Spannung des dritten Knotens (bekannt oder gemessen) wird als „U₁” bezeichnet. Die komplexe Impedanz Zx der zu messenden Kapazität kann mit Folgendem berechnet werden:
wobei Zref die komplexe Impedanz des Referenzkondensators 36 ist.
Es ist offensichtlich, dass Zref nicht zwangsläufig die komplexe Impedanz eines Kondensators sein muss. Demgemäß könnte man ein beliebiges Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz an Stelle des Referenzkondensators 36 verwenden. Das Referenzbauteil könnte mehrere Elemente wie beispielsweise Widerstände, Induktoren und/oder Kondensatoren umfassen.
Das in 1 dargestellte kapazitive Erfassungsnetz umfasst ferner einen Kopplungskondensator 46, der einen Wechselstromnebenschluss des Heizelements 10 repräsentiert. Die Impedanz des Kondensators 46 wird derart ausgewählt, dass sie wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Gesamtkapazität ist. In Abwesenheit des Kondensators 46 würde eine Unterbrechung (Bruch) des Heizelements 10 eine wesentlich kleinere Antennenelektrode ergeben: dies wiederum würde die messbare Kapazität reduzieren. Wenn das in 1 dargestellte Heizelement 10 beispielsweise in der Mitte durchbricht, würde nur die Kapazität 40 durch die Messschaltung gemessen. Der Kopplungskondensator 46 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22, d. h. den Anschlussklemmen des Heizelements 10. Wenn im Heizelement 10 ein (einziger) Bruch eintritt, dann bleibt das kapazitive Erfassungsnetz im Wesentlichen unbeeinträchtigt und misst dennoch die Gesamtkapazität zwischen dem Heizelement 10 und Masse wegen des durch den Kondensator 46 bereitgestellten Wechselstromnebenschlusses. Der Kopplungskondensator 48 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem dritten Knoten 23 und dem vierten Knoten 24; er kann alternativ oder zusätzlich zu dem Kopplungskondensator 46 verwendet werden. Der Kopplungskondensator 50 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und dem sechsten Knoten 26. Der Kondensator 50 verhindert, dass ein etwaiger Wechselstrom, der von der Wechselstrom-Signalquelle 28 kommt, in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
Ferner kann eine Unterbrechung des Heizelements 10 erfasst werden, indem der Gleichstrom-Heizstrom bei eingeschalteter Sitzheizung gemessen wird. Alternativ dazu kann ein Testgleichstrom, der wesentlich kleiner als der Heizstrom ist, eingebracht werden, um eine Unterbrechung zu erfassen, wenn beispielsweise nicht geheizt werden soll. Dem Fahrzeugbenutzer kann eine Warnung mitgeteilt werden, wenn der Heizstrom nicht fließt oder wenn der fließende Strom unter einem bestimmten Schwellwert liegt.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Elemente, die den Ausgestaltungen von 1 und 2 gemeinsam sind und die die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 2 die gleichen Bezugszeichen. Wie bei der vorher beschriebenen Ausgestaltung umfasst die Sitzheizung ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode verwendet wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die durch das kapazitive Erfassungsnetz zu messende Kapazität ist wieder symbolisch als Kondensatoren 40 und 42 verkörpert.
Das Heizelement 10 ist bei dem Heizungsnetz der Ausgestaltung von 2 zwischen einem ersten 21 und einem zweiten 22 Knoten angeschlossen. Das Heizelement 10 ist mittels einer Gleichtaktdrossel 16, die den ersten 21 und zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. einem vierten 24 Knoten verbindet, mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. In 2 entspricht der dritte Knoten 23 Masse, wohingegen der vierte Knoten 24 über den Schalter 14 mit der Hochspannungs-Anschlussklemme der Energiequelle 12 wirkverbunden ist. Die Gleichtaktdrossel 16 zeigt eine niedrige Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst einen hochohmigen Verstärker 32, dessen Eingangsknoten 34 an das Heizelement 10 am ersten Knoten 21 angeschlossen ist, einen Referenzkondensator 36, der zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse in Reihe mit einem Schalter 38 angeschlossen ist, und eine Vorrichtung mit negativem Widerstand 52, die mit dem Heizelement 10 am ersten Knoten 21 wirkverbunden ist.
Die Kondensatoren 40 und 42 sind in Parallelschaltung zu der Gleichtaktdrossel 16 zwischen dem Heizelement 10 und Masse angeschlossen. Entsprechend bilden die Gleichtaktdrossel 16 und die zu messende Kapazität zusammen ein Parallelresonanznetz, dessen Resonanzfrequenz von der zu messenden Kapazität abhängt.
Die Vorrichtung mit negativem Widerstand 52 ist vorzugsweise der aktive, die Schwingung aufrechterhaltende Teil eines Oszillators. Sie erhält einen oszillierenden Strom im Resonanznetz aufrecht, indem sie ohmsche Verluste derart kompensiert, dass das Resonanznetz bei oder nahe seiner Resonanzfrequenz arbeitet.
Der eine hohe Eingangsimpedanz aufweisende Verstärker 32 untersucht die Wechselspannung am ersten Knoten 21 und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal am Ausgangsknoten 44 aus, das anschließend weiterverarbeitet werden kann, um die zu messende Kapazität herzuleiten.
Die zu messende komplexe Impedanz (und somit die zu messende Kapazität) kann auf der Grundlage der Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals zusammen mit der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 ermittelt werden.
Die Impedanz des Kondensators 46 wird derart ausgewählt, dass sie wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Gesamtkapazität ist, so dass der Kopplungskondensator das Heizelement 10 nebenschließt. Die Funktion und der Zweck des Kopplungskondensators 46 sind die gleichen wie die unter Bezugnahme auf 1 dargelegten. Der Kopplungskondensator 50 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und dem sechsten Knoten 26. Der Kondensator 50 verhindert, dass ein im Resonanznetz aufrechterhaltener Wechselstrom in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
Ein Problem, das eventuell entsteht, wenn die Induktivität einer Gleichtaktdrossel als Induktivität des Parallelresonanz-LC-Tankkreises zusammen mit der zu messenden Kapazität verwendet wird, besteht darin, dass die Drift, Temperaturabhängigkeit oder Teiletoleranz der Induktivität zu einem Messfehler bei der unbekannten Kapazität führt. Die Berechnung der zu messenden Kapazität kann bei Verwendung des Referenzkondensators 36 von der komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 unabhängig sein.
Der Referenzkondensator 36 hat eine bekannte Kapazität (Cref) und ist in Reihe mit einem elektronischen Schalter 38 zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse angeschlossen.
Das folgende Verfahren kann z. B. unter der Steuerung eines Mikrocontrollers durchgeführt werden. Eine erste Messung der Resonanzfrequenz des Parallelresonanz-LC-Tankkreises erfolgt mit ausgeschaltetem Referenzkondensator (Schalter 38 offen). Dieser Frequenzwert wird gespeichert (hier als „fa”). Eine zweite Messung der Resonanzfrequenz erfolgt, wenn der Referenzkondensator eingeschaltet ist, d. h. in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität angeschlossen ist (Schalter 38 geschlossen). Der so erhaltene Frequenzwert wird gespeichert (hier als „fb”). Die Beziehungen zwischen den Resonanzfrequenzen und den induktiven und kapazitiven Komponenten der Schaltung können ausgedrückt werden durch:

wobei L die Induktivität der Gleichtaktdrossel, Cx die zu messende Kapazität und Cref die bekannte Kapazität sind.
Die zwei Gleichungen können derart kombiniert werden, dass sie Cx als Funktion der gemessenen Frequenzen fa und fb ergeben:
Die Induktivität L wurde in der letzteren Gleichung eliminiert und beeinflusst demzufolge nicht die Kapazitätsmessung.
Dieses Messverfahren kann auch auf die nachstehend beschriebenen Implementierungen angewendet werden.
3 zeigt eine zweckmäßige Implementierung der Schaltung von 2. 3 veranschaulicht insbesondere ein mögliche Methode zur Implemenierung der Vorrichtung mit negativem Widerstand 52 von 2. In 3 werden daher gegebenenfalls die gleichen Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Elemente, die bereits anhand von 2 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder besprochen. In 3 sind der Referenzkondensator 36 und der Schalter 38 nicht dargestellt. In jeder anderen Hinsicht ist die in 3 dargestellte Implementierung so konfiguriert und wird so betrieben, wie es anhand der Ausgestaltung von 2 beschrieben wurde.
Die Vorrichtung mit negativem Widerstand 52 ist der aktive, die Schwingung aufrechterhaltene Teil eines Oszillators. Sie ist der aktive Teil eines emittergekoppelten LC-Oszillators und umfasst Transistoren 54 und 56 sowie eine Stromsenke 58. Die Schaltung ist entnommen aus Tietze/Schenk, „Halbleiterschaltungstechnik", 12. Auflage, S. 878, Abb. 14.10. Die gleiche Schaltung ist auch als Oszillatorkern in der integrierten Motorola-Schaltung MC1684 („Voltage controlled oscillator”; spannungsgesteuerter Oszillator) implementiert. Der Transistor 54 tastet die Spannung durch den Parallelresonanz-LC-Tankkreis hindurch ab und steuert den Strom über die Emitterschaltung durch den Transistor 56. Der Strom durch den Transistor 56 wird selbst über dessen Kollektor in den Parallelresonanz-LC-Tankkreis zurückgespeist, wodurch die Schwingung des Oszillators aufrechterhalten wird. Die Stromsenke 58 führt den Betriebsstrom der Schaltung zu. Es wird manchmal zwischen einer Stromquelle und einer Stromsenke unterschieden. Der erstere Begriff bezeichnet dann eine Vorrichtung mit einem aus ihr herausfließenden positiven Strom, wohingegen die „Stromsenke” eine Vorrichtung mit einem in sie hineinfließenden positiven Strom (oder desgleichen einen aus ihr herausfließenden negativen Strom) bezeichnet. Berücksichtigt man, dass der Strom allgemein als algebraische Größe betrachtet wird, die positiv und negativ sein kann, kann der Begriff „Stromsenke” im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine „Stromquelle” sein.
Der hochohmige Verstärker untersucht die Wechselspannung am ersten Knoten 21 und gibt ein entsprechendes Ausgangsssignal an seinem Ausgangsknoten 44 aus. Wenn der durch die Stromsenke 58 erzeugte Versorgungsstrom auf einen passenden Wert eingestellt ist, hängt die Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21 im Wesentlichen nur von der ohmschen Komponente des Resonanznetzes ab. Die zu messende Kapazität kann dann auf der Grundlage der Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals des hochohmigen Verstärkers 32 und der bekannten Induktivität der Gleichtaktdrossel 16 berechnet werden. Ferner kann der Widerstandsteil der zu messenden komplexen Impedanz ermittelt werden, indem die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 und/oder die Gleichstromenergie, die die Stromsenke 58 ihrer Energieversorgung entzieht, gemessen werden.
Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung der Implementierung von 3 wird dem Oszillator eine „automatische Abgleichschleife” (im Engl.: „automatic levelling loop”, die beispielsweise in der oben angeführten integrierten Motorola-Schaltung MC1684 „Voltage controlled oscillator” implementiert ist) hinzugefügt. Eine Implementierung einer solchen Schleife ist in 4 dargestellt. Ein Gleichrichter 60 wandelt die Spitzenamplitude des Ausgangssignals des hochohmigen Verstärkers, die proportional zu der Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21 ist, in eine proportionale Gleichspannung um. Ein Fehlerverstärker 62 vergleicht diese Gleichspannung mit einem durch eine Spannungsquelle 64 definierten Referenzwert und gibt eine Steuerspannung an seinem Ausgangsknoten 66 aus. Diese Steuerspannung steuert eine Stromsenke, die einen Transistor 68, einen Widerstand 70 und eine Vorspannungsquelle 72 derart umfasst, dass die Amplitude des LC-Tankkreises (die Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21) im Wesentlichen konstant bleibt. Die Größe des Stroms durch die Stromsenke um den Transistor 68 herum zeigt dann ein umgekehrtes Ansprechen auf die parallele ohmsche Komponente des Parallelresonanz-LC-Tankkreises. Da die Steuerspannung des Knotens 66 im Wesentlichen proportional zu dem durch die Stromsenke fließenden Strom ist, kann sie zur Berechnung des Widerstandswerts der zu bestimmenden Impedanz verwendet werden.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung. Elemente, die den Ausgestaltungen von 2 und 5 gemeinsam sind und die die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 5 die gleichen Bezugszeichen. Wie bei den vorher beschriebenen Ausgestaltungen umfasst die Sitzheizung ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode verwendet wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die durch das kapazitive Erfassungsnetz zu messende Kapazität ist wieder symbolisch als Kondensatoren 40 und 42 verkörpert. In den im Folgenden beschriebenen Figuren sind der Referenzkondensator und dessen Schalter nicht dargestellt. Es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass ein solcher Referenzkondensator oder ein anderes Referenzbauteil in der gleichen Weise verwendet werden könnte, wie es im Hinblick auf 2 besprochen wurde.
Bei der Ausgestaltung von 5 ist eine Wechselstromquelle 74, die einen Wechselstrom in das Resonanznetz speist, das bei oder nahe seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, an den erstern Knoten 21 angeschlossen. Die Wechselstromquelle 74 umfasst einen Mikrocontroller 76, einen gesteuerten Oszillator 78 (beispielsweise einen direkten digitalen Synthesizer, der normalerweise als „DDS” bezeichnet wird) und eine spannungsgesteuerte Stromquelle 80. Der Mikrocontroller 76 stellt die Frequenz des DDS 78 ein, indem er die passenden Frequenzeinstellregister des DDS 78 einstellt. Der DDS 78 gibt eine Sinusspannung aus, welche die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 in einen proportionalen Strom umwandelt. Die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 kann beispielsweise mit einem Operationstranskonduktanzverstärker wie z. B. der von Texas Instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung OPA861 implementiert werden. Der Mikrocontroller 76 wobbelt die Frequenz des DDS-Generators durch einen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz des Resonanznetzes herum. Die Resonanzfrequenz wird festgestellt, indem die Frequenz gemessen wird, bei welcher die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 am höchsten ist, oder indem die Frequenz gemessen wird, bei welcher die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und der Ausgangsspannung des DDS 78 oder des durch die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 ausgegebenen Stroms im Wesentlichen gleich Null ist. Die zu messende Kapazität kann dann basierend auf der bekannten Induktivität der Gleichtaktdrossel und der festgestellten Resonanzfrequenz berechnet werden. Bei der Resonanzfrequenz gibt die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 die Wirkkomponente (d. h. den Widerstandsteil) der zu messenden Impedanz an. Falls die komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel unbekannt oder zu ungewiss ist, kann man einen Referenzkondensator in einer Weise verwenden, die der vorstehend beschriebenen analog ist, um die komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel zu eliminieren.
6 zeigt eine Variante der Ausgestaltung von 5. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten 44 des hochohmigen Verstärkers 32 zu der Wechselstromquelle. Der Zweck der Rückkopplungsschleife besteht darin, die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und dem durch die Wechselstromquelle erzeugten Wechselstrom an einen Referenzphasendifferenzwert 0° anzupassen. Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und dem von der Wechselstromquelle erzeugten Signal wird durch einen flankensensitiven Phasendetektor 82 gemessen, der an seinen Eingängen das Ausgangssignal des Knotens 44 und die Wechselstrom-Steuerspannung, die die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 steuert, empfängt. Der flankensensitive Phasendetektor 82 integriert die Phasendifferenz zwischen seinen Eingangssignalen und erzeugt ein Fehlersignal, das einem spannungsgesteuerten Oszillator 84 zugeführt wird. Der Pegel des Fehlersignals variiert, solange eine Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen des flankensensitiven Phasendetektors 82 vorliegt, und bewirkt, dass der spannungsgesteuerte Oszillator eine Wechselstrom-Steuerspannung ausgibt, deren Frequenz sich schrittweise derjenigen Frequenz annähert, bei der die Phasendifferenz letztlich wegfällt. Diese Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes. Der flankensensitive Phasendetektor 82 und der spannungsgesteuerte Oszillator können beispielsweise in der Art der Teile Phasenvergleicher II bzw. VCO (voltage-controlled oscillator; spannungsgesteuerter Oszillator) der von Texas Instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung CD4046 mit „CMOS micropower phase locked loop” (CMOS-Mikroenergie-Phasenregelkreis) implementiert werden. Die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 kann beispielsweise mit einem Operationstranskonduktanzverstärker wie z. B. der von Texas Instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung OPA861 implementiert werden. Das kapazitive Erfassungsnetz von 6 arbeitet demnach bei der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes. Außer bei Einschwingvorgängen ist die Frequenz des Ausgangssignals somit gleich der Resonanzfrequenz, die von der zu messenden Kapazität abhängt. Demgemäß kann die zu messende Kapazität auf die gleiche Weise ermittelt werden, wie es in Bezug auf 2 beschrieben wurde.
Es versteht sich, dass das kapazitive Erfassungsnetz bei allen der oben beschriebenen Ausgestaltungen zur gleichen Zeit wie oder zu einer anderen Zeit als die Sitzheizung betrieben werden kann.
7 zeigt schematisch einen Fahrzeugsitz 86, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist, welche – mit Ausnahme der angesteuerten Schirmelektrode (oder Schutzelektrode) 88, die über einen Spannungsfolger 90 an den ersten Knoten 21 angeschlossen ist – im Wesentlichen der in 1 dargestellten Kombination entsprechen.
Das Heizelement 10 ist in dem Sitz 86 und insbesondere unter der Sitzoberfläche angeordnet. Zusätzlich zu der zu messenden Kapazität bzw. Impedanz (wieder durch die Kondensatoren 40 und 42 dargestellt) gibt es eine zusätzliche Kapazität zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92. Die zusätzliche Kapazität ist in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität und kann beträchtliche Messfehler mit einbringen, da sie kaum bekannt ist und sich während der Lebensdauer der Anwendung ändern kann. Zur Unterdrückung des Einflusses der zusätzlichen Kapazität ist zwischen der Sitzheizung 10 und dem Sitzrahmen 92 eine Schutzelektrode 88 angeordnet. Die Schutzelektrode 88 kann beispielsweise eine leitende Folie oder ein leitendes Textilgewebe sein, die bzw. das zumindest den Bereich überdeckt, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Die Schutzelektrode 88 ist zur besseren Abschirmung vorzugsweise größer als der Bereich, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Wie oben angeführt wurde, ist die Schutzelektrode 88 elektrisch an einen Spannungsfolger 90 angeschlossen. Der Spannungsfolger 90 hat eine hohe Eingangsimpedanz, damit die Messung nicht gestört wird. Der Spannungsfolger 90 hält die Spannung an der Schutzelektrode 88 im Wesentlichen gleich wie die Spannung am Heizelement. Deshalb gibt es bei der Durchführung der kapazitiven Messung keine oder lediglich eine sehr geringe Wechselspannungsdifferenz zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 88. Infolgedessen fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 88. Da die Schutzelektrode 88 zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92 angeordnet ist, fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92.
8 zeigt schematisch einen Fahrzeugsitz 86, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist, welche – mit Ausnahme der angesteuerten Schirmelektrode (oder Schutzelektrode) 88, die über einen Spannungsfolger 90 an den ersten Knoten 21 angeschlossen ist – im Wesentlichen der in 2 dargestellten Kombination entsprechen. Das System arbeitet in der gleichen Weise wie das System von 2. Die Funktion und die Betriebsweise der Schutzelektrode 88 sind die gleichen wie die anhand von 7 beschriebenen.
In 1 bis 8 ist der Schalter 14 zwischen der positiven Anschlussklemme der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen. Es ist offensichtlich, dass das Heizungsnetz auch arbeiten würde, wenn der Schalter 14 zwischen der negativen Anschlussklemme der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen wäre. In diesem Fall müssen aber einige der vorstehend beschriebenen kapazitiven Erfassungsnetze an die Arbeit mit einer geschalteten negativen Energieversorgung angepasst werden.
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich für den durchschnittlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen von und Alternativen zu diesen Details in Anbetracht der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen lediglich als Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und beliebiger und aller Äquivalente davon enthalten soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6161070 [0004]
US 6392542 [0004]
WO 92/17344 A1 [0005]
WO 95/13204 [0006]
US 7521940 [0007]
US 2009/0295199 [0008]
US 6703845 [0009, 0010, 0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60 [0003]
Tietze/Schenk, „Halbleiterschaltungstechnik”, 12. Auflage, S. 878, Abb. 14.10 [0066]

Claims

Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassend ein Heizungsnetz einschließlich eines Heizelements, das zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, um Wärme abzuführen, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom zwischen dem ersten und zweiten Knoten fließt, ein kapazitives Erfassungsnetz, das an das Heizelement angeschlossen ist, um daran einen oszillierenden Strom anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einer an dem Heizelement resultierenden Spannung als Reaktion auf das Anlegen des oszillierenden Stroms herzuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsnetz eine Gleichtaktdrossel umfasst, die den ersten und den zweiten Knoten mit einem dritten bzw. einem vierten Knoten verbindet, und dass das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: ein Mittel zur Aufrechterhaltung des oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen des oszillierenden Stroms in das Heizelement; sowie einen hochohmigen Verstärker, der Folgendes aufweist: einen Eingangsknoten, der, beispielsweise über den ersten oder zweiten Knoten, mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um die Spannung zu untersuchen, und einen Ausgangsknoten, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das die Spannung angibt.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Erfassungsnetz ein Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz, beispielsweise einen Referenzkondensator, und einen Schalter umfasst, um das Referenzbauteil zwischen dem Heizelement und Masse in Wirkverbindung zu bringen.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizungsnetz eine weitere Gleichtaktdrossel umfasst, die den dritten und den vierten Knoten mit einem fünften bzw. einem sechsten Knoten verbindet, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 3, wobei das Mittel zur Aufrechterhaltung des oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen des oszillierenden Stroms in das Heizelement eine Wechselspannungsquelle umfasst, die mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizelement eine Kapazität gegen Masse aufweist, wobei die Gleichtaktdrossel mit der Kapazität ein Parallelresonanznetz bildet.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 5, wobei das Mittel zur Aufrechterhaltung des oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen des oszillierenden Stroms in das Heizelement eine Vorrichtung mit negativem Widerstand umfasst, um einen oszillierenden Strom in dem Resonanznetz aufrechtzuerhalten und um ohmsche Verluste und die aus dem Resonanznetz entzogene Energie zu kompensieren.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 6, wobei das kapazitive Erfassungsnetz einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Vorrichtung mit negativem Widerstand umfasst, um eine Amplitude des oszillierenden Stroms an eine Referenzamplitude anzupassen.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 5, wobei das Mittel zur Aufrechterhaltung des oszillierenden Stroms in dem Heizelement oder zum Speisen des oszillierenden Stroms in das Heizelement eine Wechselstromquelle, die mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um einen Wechselstrom in das Resonanznetz zu speisen, und eine Frequenzsteuereinheit zur Steuerung der Frequenz des Wechselstroms umfasst.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 8, wobei die Frequenzsteuereinheit derart konfiguriert ist, dass sie die Frequenz des Wechselstroms innerhalb eines Frequenzfensters verändert.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 8 oder 9, wobei das kapazitive Erfassungsnetz einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Frequenzsteuereinheit umfasst, um eine Phasendifferenz des Ausgangssignals und des Wechselstroms an einen Referenzphasendifferenzwert anzupassen.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 10, wobei der Referenzphasendifferenzwert 0° beträgt.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste und zweite Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind und/oder wobei der dritte und vierte Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das kapazitive Erfassungsnetz derart konfiguriert ist, dass es nicht nur die kapazitive Last herleitet, sondern auch einen Widerstandsteil einer komplexen Impedanz zwischen dem Heizelement und Masse.
Fahrzeugsitz, umfassend eine Sitzheizung und einen kapazitiven Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13.
Fahrzeugsitz nach Anspruch 14, wobei die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination eine angesteuerte Schirmelektrode umfassen.
Fahrzeugsitz nach Anspruch 14, umfassend einen Spannungsfolger, der zwischen dem Heizelement, beispielsweise an dem ersten oder zweiten Knoten, und der angesteuerten Schirmelektrode angeschlossen ist, um die angesteuerte Schirmelektrode auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement zu halten.