WO2017072242A1 - Bedienelement, insbesondere in kraftfahrzeugen - Google Patents

Bedienelement, insbesondere in kraftfahrzeugen Download PDF

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Christoph Boese
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Definitions

  • the invention relates to an operating element, in particular in motor vehicles, on the surface of which pressure-sensitive piezoresistive sensors for switching and controlling vehicle-internal sequences and applications are applied.
  • motor vehicle has to be interpreted broadly, and may include four- and two-wheeled land vehicles as well as water or air vehicles.
  • each manually operable control, switching or control element is meant, such as a steering wheel, a handlebar, a joystick, etc.
  • a steering wheel such as a steering wheel, a handlebar, a joystick, etc.
  • the invention will be described below but using the example of a steering wheel in a car.
  • a steering wheel with feeler elements is known, wherein the feeler elements are piezoresistive sensors which are arranged at defined locations on the circumference of the steering wheel rim or the steering wheel spokes.
  • WO 2014/0852778 discloses an optical system with infrared sensors. Infrared sensors are arranged uniformly distributed around the steering wheel, but they have the disadvantage that there must always be an optical connection to the measurement object. In the case of a steering wheel, this means that the sensor surface must not be damaged. In addition, such a solution is very expensive.
  • the invention is therefore the object of an operating element in such a way that with the help of cost-effective piezoresistive sensors in addition to the gripping and touching detection and gesture recognition is possible.
  • the invention solves this problem according to the characterizing part of patent claim 1, characterized in that a plurality of piezoresistive sensors is arranged in a matrix in rows and columns close together on a substrate layer, wherein the substrate surrounds the entire control area and the individual sensors via conductor tracks are connected to an evaluation unit which processes the individual sensor signals.
  • the piezoresistive sensors are combined in subregions to form an application-specific group.
  • a sensor group on the left side of the steering wheel for the audio system and another group on the right side of the steering wheel for a navigation system may be responsible.
  • the substrate layer carrying the piezoresistive sensors is arranged between a first foam layer arranged on the operating element and an optional second foam layer, which is covered by a protective cover.
  • the protective cover can be made of leather or plastic.
  • the piezoresistive sensors are arranged on a flexible substrate (for example a foil or a fabric).
  • a flexible substrate for example a foil or a fabric.
  • each sensor consists of a piezoresistive layer, which is fastened above the substrate by means of spacers, wherein the contacts for the conductor tracks are arranged either on the substrate or on the piezoresistive layer. Sensors constructed in this way are, as stated above, arranged close to each other in a matrix.
  • the individual sensors can be arranged in mutually parallel columns and rows. But it is also possible that adjacent rows / columns consists of mutually offset sensors.
  • control element to an element for controlling the direction of travel, so for example, a steering wheel, in which at least the turntable is completely surrounded with the piezoresistive sensor film.
  • Claim 8 proposes that the evaluation unit is integrated in the control itself.
  • the sensors are designed and interconnected in such a way that the evaluation unit differs with appropriate contact between gripping and gesture recognition.
  • the embodiment of the invention combines all known from the prior art possibilities with a simple and inexpensive construction and high spatial resolution.
  • Fig. 1 a equipped with a sensor matrix
  • Fig. 2 is a cross-section A-A of the turntable according to Fig. 1;
  • Fig. 3 is a sensor mat according to the invention with
  • the steering wheel of a motor vehicle is shown schematically and generally provided with the reference numeral 1.
  • the steering rim 2 has a first foam layer 4 arranged around the skeleton 3 of the steering rim 2.
  • a film is arranged with piezoresistive sensors arranged close to each other, and provided with the reference numeral 5.
  • the sensor layer 5 is covered with a second foam layer 6 and this in turn covered with a leather covering 7.
  • a plurality of piezoresistive sensors 8 on the Circumference of the steering wheel 2 arranged.
  • the individual sensors 8 are connected via printed conductors, not shown, to an evaluation unit 9.
  • This evaluation unit 9 is integrated in, for example, a steering wheel spoke 10.
  • FIG. 3 shows schematically how the regularly arranged sensors 8 are arranged on a substrate 11. Schematically illustrated is the electrical connection 12 with the evaluation unit. 9 On a substrate 1 1, which may be a flexible film, spacers 13 are applied, which carry a piezoelectric layer 14, wherein the contacts 15 for the electrical connections 12 either at the piezoelectric layer 14 or the substrate layer 1 1 can be arranged. Between the piezoelectric layer 14 and the substrate layer 1 1 thus remains a gap into which the piezoelectric layer 14 can be pressed in contact, whereby a signal is generated, which is transmitted via the electrical connections 12 to the evaluation unit 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere in Kraftfahrzeugen, auf dessen Oberfläche druckempfindliche piezoresistive Sensoren zur Schaltung und Steuerung von kraftfahrzeuginternen Abläufen und Anwendungen aufgebracht sind, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl der piezoresistiven Sensoren (8) in einer Matrix in Zeilen und Spalten dicht an dicht auf einer Substratschicht (11) angeordnet sind, wobei die Substratschicht das gesamte Bedienelement (1) flächendeckend umgibt und die einzelnen Sensoren (8) über Leiterbahnen (12) mit einer Auswerteeinheit (9) verbunden sind, die die einzelnen Sensorsignale verarbeitet.

Description

Bedienelement. insbesondere in Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere in Kraftfahrzeugen, auf dessen Oberfläche druckempfindliche piezoresistive Sensoren zur Schaltung und Steuerung von kraftfahrzeuginternen Abläufen und Anwendungen aufgebracht sind.
Dabei ist der Begriff „Kraftfahrzeug" weit auszulegen. Es kann sich neben vier- und zweirädigen Landfahrzeugen auch um Wasser- oder Luftfahrzeuge handeln.
Als Bedienelement ist jedes mit der Hand betätigbare Steuer-, Schalt- oder Regelelement gemeint, wie zum Beispiel ein Lenkrad, ein Lenker, ein Joystick etc.. Die Erfindung wird aber im Folgenden am Beispiel eines Lenkrades in einem PKW beschrieben.
Die Zeiten, in denen das Lenkrad lediglich der Fahrtrichtungsänderung diente und allenfalls die Hupe im Lenkrad integriert war, sind lange vorbei. Mittlerweile ist das Lenkrad zum Schalt- und Regelelement für viele im Auto vorhandene Anwendungen geworden, wie zum Beispiel das Zuschalten von Fahrerassistenzsystemen, zum Regeln der Lautstärke von Audiosystemen, zur Betätigung einer Freisprecheinrichtung usw.. Diese Schalter und Regler können als klassische Tast- oder Kippschalter ausgebildet sein. Mehr und mehr halten jedoch berührungsempfindliche oder Näherungs-Sensoren Einzug in die Fahrzeugtechnik.
So ist aus der DE 199 27 464 D4 ein Lenkrad mit Tastelementen bekannt, wobei die Tastelemente piezoresistive Sensoren sind, die an definierten Orten am Umfang des Lenkkranzes oder der Lenkradspeichen angeordnet sind.
Durch Berührung der Sensorflächen können bestimmte Systeme ein- oder ausgeschaltet werden. Durch Verstärken oder Verringern der auf die Sensoren ausgeübten Kraft können Steuerfunktionen wie„lauter",„leiser",„links",„rechts" etc. aktiviert werden. Aus der DE 10 2010 035 940 B4 ist ein Handerkennungssystem für Lenkräder bekannt. Um den Umfang des Lenkkranzes herum ist eine piezoresistive Schicht angeordnet, die auf die vom Fahrzeugführer ausgeübte Kraft beim Umgreifen des Lenkrades reagiert. Wird von diesem System beispielsweise eine Anomalität wie zum Beispiel eine verkrampfte Handhaltung detektiert, können die Sensorsignale zum Abschalten des Motors führen oder zur Einleitung eines Bremsvorganges.
All diesen angeführten System gemeinsam ist die Tatsache, dass lediglich örtliche begrenzte Tast- und Greiffunktionen möglich sind. Sie bieten zur Erkennung der Greif- und Berührungsposition nur eine sehr geringe Auflösung und sind darüber hinaus kompliziert und kostenintensiv aufgebaut.
Die bekannten Lösungen für die Grifferkennung sind vor allem störanfällig und/oder bilden nur sehr große zusammenhängende Flächen ab. Aus diesem Grund müssen sehr viele Ausnahmefälle berücksichtigt werden wie zum Beispiel metallisierte Oberflächen oder Anbauteile. Durch die örtliche Begrenztheit und die geringe Ortsauflösung ist mit diesen vorbekannten Systemen nur eine recht statische Greif- und Berührerkennung möglich, nicht aber eine Gestenerkennung. Zu diesem Zweck ist aus der WO 2014/0852778 ein optisches System mit Infrarotsensorik bekannt. Um das Lenkrad herum sind gleichmäßig verteilt Infrarotsensoren angeordnet, die jedoch den Nachteil haben, dass immer eine optische Verbindung zum Messobjekt bestehen muss. Im Fall eines Lenkrades bedeutet das, dass die Sensorfläche nicht geledert werden darf. Darüber hinaus ist eine derartige Lösung sehr kostenintensiv.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bedienelement so auszugestalten, dass mit Hilfe von kostengünstigen piezoresistiven Sensoren neben der Greif- und Berührerkennung auch eine Gestenerkennung möglich ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch, dass eine Vielzahl von piezoresistiven Sensoren in einer Matrix in Zeilen und Spalten dicht an dicht auf einer Substratschicht angeordnet ist, wobei das Substrat das gesamte Bedienelement flächendeckend umgibt und die einzelnen Sensoren über Leiterbahnen mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, die die einzelnen Sensorsignale verarbeitet. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, zum einen wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch Antippen oder Umfassen des Bedienelementes einen Schaltvorgang auszulösen. Durch Gleitbewegungen der Finger oder Hände über eine Sensorfläche in der einen oder anderen Richtung können auch Steuer- oder Regelvorgänge bewirkt werden, wie zum Beispiel die Fahrtrichtungsanzeige links oder rechts oder auch die Lautstärkesteuerung.
Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die piezoresistiven Sensoren in Teilbereichen zu jeweils einer anwendungsspezifischen Gruppe zusammengefasst sind.
So kann eine auf der linken Seite des Lenkrads vorhandene Sensorgruppe für das Audiosystem und eine andere Gruppe auf der rechten Seite des Lenkrads für ein Navigationssystem verantwortlich sein.
Gemäß Anspruch 3 ist die die piezoresistiven Sensoren tragende Substratschicht zwischen einer auf dem Bedienelement angeordneten ersten Schaumschicht und einer optionalen zweiten Schaumschicht angeordnet, welche von einer Schutzhülle abgedeckt ist. Die Schutzhülle kann hierbei aus Leder oder Kunststoff bestehen. Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die piezoresistiven Sensoren auf einem flexiblen Substrat (beispielsweise einer Folie oder einem Stoff) angeordnet sind. Für den Aufbau der Sensoren sind verschiedene Versionen denkbar. Eine Möglichkeit ist, dass jeder Sensor aus einer piezoresistiven Schicht besteht, die oberhalb des Substrats mittels Abstandshaltern befestigt ist, wobei die Kontaktierungen für die Leiterbahnen entweder am Substrat oder an der piezoresistiven Schicht angeordnet sind. Auf diese Weise aufgebaute Sensoren sind wie bereits oben ausgeführt eng bei einander liegend in einer Matrix angeordnet. Dabei können gemäß Anspruch 5 die einzelnen Sensoren in parallel zueinander angeordneten Spalten und Zeilen angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass benachbarte Zeilen/Spalten aus versetzt zueinander angeordneten Sensoren besteht.
Gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, dass es sich bei dem Bedienelement um ein Element zur Steuerung der Fahrtrichtung, also beispielsweise ein Lenkrad handelt, bei dem zumindest der Lenkkranz vollständig mit der piezoresistiven Sensorfolie umgeben ist.
Anspruch 8 schlägt vor, dass die Auswerteinheit im Bedienelement selbst integriert ist. Beim erfindungsgemäßen Bedienelement ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass die Sensoren derart ausgebildet und verschaltet sind, dass die Auswerteeinheit bei entsprechender Berührung zwischen Greif- und Gestenerkennung unterscheidet.
Somit vereint die erfindungsgemäße Ausgestaltung alle aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten bei einfachem und kostengünstigem Aufbau und hoher Ortsauflösung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein mit einer Sensormatrix ausgestattetes
Lenkrad;
Fig. 2 ein Querschnitt A-A des Lenkkranzes gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Sensormatte mit
Verbindungsleitungen zu einer Auswerte- Elektronik;
Fig. 4 Querschnitt durch eine Sensormatte in vergrößerter Darstellung
In der Figur 1 ist das Lenkrad eines Kraftfahrzeuges schematisch dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Im Lenkkranz 2 ist wie aus Figur 2 hervorgeht, die einen Schnitt A-A aus Figur 1 darstellt, um das Skelett 3 des Lenkkranzes 2 eine erste Schaumstoffschicht 4 herum angeordnet. Auf dieser ersten Schaumstoffschicht 4 ist eine Folie mit dicht aneinander angeordneten piezoresistiven Sensoren angeordnet, und mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Die Sensorschicht 5 ist mit einer zweiten Schaumstoffschicht 6 abgedeckt und diese wiederum mit einem Lederüberzug 7. Wie aus Figur 1 hervorgeht, in der im Bereich B sowohl der Lederüberzug als auch die zweite Schaumstoffschicht weggelassen worden ist, ist eine Vielzahl von piezoresistiven Sensoren 8 auf dem Umfang des Lenkkranzes 2 angeordnet. Die einzelnen Sensoren 8 sind über nicht dargestellte Leiterbahnen mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden. Dieses Auswerteeinheit 9 ist in beispielsweise einer Lenkradspeiche 10 integriert.
In der Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie die regelmäßig angeordneten Sensoren 8 auf einem Substrat 1 1 angeordnet sind. Schematisch dargestellt ist auch die elektrische Verbindung 12 mit der Auswerteeinheit 9. Die Figur 4 zeigt im Schnitt den Aufbau eines piezoresistiven Sensors 8. Auf einem Substrat 1 1 , das eine flexible Folie sein kann, sind Abstandhalter 13 aufgebracht, die eine piezoelektrische Schicht 14 tragen, wobei die Kontaktierungen 15 für die elektrischen Verbindungen 12 entweder an der piezoelektrischen Schicht 14 oder der Substratschicht 1 1 angeordnet sein können. Zwischen der piezoelektrischen Schicht 14 und der Subtratschicht 1 1 verbleibt somit ein Zwischenraum , in den bei Berührung die piezoelektrische Schicht 14 hineingedrückt werden kann, wodurch ein Signal erzeugt wird, das über die elektrischen Verbindungen 12 zur Auswerteeinheit 9 übertragen wird.
Infolge der hohen Dichte der Sensoren 8 auf dem Substrat 1 1 ist eine hohe Ortsauflösung möglich, durch die bei einer streifenden Berührung nebeneinander liegender Sensoren 8 eine Gestenerkennung realisierbar ist.
-Patentansprüche-

Claims

Patentansprüche
1 . Bedienelement, insbesondere in Kraftfahrzeugen, auf dessen Oberfläche druckempfindliche piezoresistive Sensoren zur Schaltung und Steuerung von kraftfahrzeuginternen Abläufen und Anwendungen aufgebracht sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Vielzahl von piezoresistiven Sensoren (8) in einer Matrix in Zeilen und Spalten dicht an dicht auf einer Substratschicht (1 1 ) angeordnet ist, wobei die Substratschicht das gesamte Bedienelement (1 ) flächendeckend umgibt und die einzelnen Sensoren (8) über Leiterbahnen (12) mit einer Auswerteeinheit (9) verbunden sind, die die einzelnen Sensorsignale verarbeitet.
2. Bedienelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Sensoren (8) in Teilbereichen zu jeweils einer anwendungsspezifischen Gruppe zusammengefasst sind.
3. Bedienelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die die piezoresistiven Sensoren (8) tragende Substratschicht (1 1 ) zwischen einer auf dem Bedienelement (1 ) angeordneten ersten Schaumschicht (4) und einer zweiten Schaumschicht (6) angeordnet ist, welche von einer Schutzhülle (7) abgedeckt ist.
4. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Sensoren (8) auf einem als flexible Folie ausgebildeten Substrat (1 1 ) angeordnet sind, derart, dass jeder Sensor (8) aus einer piezoresistiven Schicht (14) besteht, die oberhalb des Substrats (1 1 ) mittels Abstandhaltern (13) befestigt ist, wobei die Kontaktierungen (15) für die Leiterbahnen (12) entweder am Substrat (1 1 ) oder an der piezoresistiven Schicht (14) angeordnet sind.
5. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Sensoren (8) in parallel zueinander angeordneten Spalten und Zeilen angeordnet sind.
6. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zeilen/Spalten aus versetzt zu einander angeordneten Sensoren (8) besteht.
7. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Lenkrad (1 ) handelt, bei dem zumindest der Lenkkranz (2) vollständig mit der piezoresistiven Sensorfolie umgeben ist.
8. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) im Bedienelement (1 ) selbst integriert ist.
9. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (8) derart ausgebildet und verschaltet sind, dass die Auswerteeinheit (9) bei entsprechender Berührung zwischen Greif- und Gestenerkennung unterscheidet.
-Zusammenfassung-
PCT/EP2016/075951 2015-10-29 2016-10-27 Bedienelement, insbesondere in kraftfahrzeugen WO2017072242A1 (de)

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