DE102014223128A1

DE102014223128A1 - Lenkrad mit einem Sensoraufbau zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche, Lenkradsystem und Verfahren zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche

Info

Publication number: DE102014223128A1
Application number: DE102014223128.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heller; Michael Streifinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12
Also published as: CN106573637B; CN106573637A; US20170210409A1; US10259484B2; WO2016074953A1

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Lenkrad 10 mit einem Sensoraufbau 100 zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche 110, ein Lenkradsystem und ein Verfahren zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche. Das Lenkrad umfasst: 1) eine Kontaktfläche 110, die zumindest einen Teil der Außenschicht des Lenkrades 10 ausbildet; 2) ein Lenkradskelett 120; 3) eine Sensor-Heizschicht 140, in der mindestens eine Sensorelektrode 142 zur Belegterkennung und mindestens ein Heizdraht 144 angeordnet sind; und 4) eine Potentialschicht 150, die zwischen der Sensor-Heizschicht 140 und dem Lenkradskelett 120 angeordnet ist, wobei an der Potentialschicht 150 ein definiertes Potential anlegbar ist. Ferner offenbart ist ein Lenkradsystem und ein Verfahren zur Belegterkennung.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Lenkrad mit einem Sensoraufbau zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche, ein Lenkradsystem sowie ein Verfahren zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche. Aus dem Stand der Technik sind Lenkräder mit einem kapazitiven Sensorelement zur Belegterkennung bzw. zur Hands-off-Detection (HOD) bekannt. Auch ist bekannt, Lenkräder mit HOD-Erkennung zusätzlich mit elektrischen Heizelementen zu versehen. Dabei kann es vorkommen, dass parasitäre Kapazitäten zwischen einem kapazitiven Sensorelement und einem Heizdraht eines Heizelementes sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizdrahtes verändern und dadurch nicht zu kontrollieren sind.
Die DE 10 2011 084 903 A1 offenbart ein Sensorsystem für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeuges mit einem flächig ausgebildeten Schirmungselement, das mit einem elektrischen Potential beaufschlagbar ist. Das Schirmungselement ist zwischen einer Schicht mit dem Heizelement und dem weiter außen angebrachten Sensorleiter angeordnet. Der in dieser Schrift offenbarte Aufbau umfasst mehrere Schichten. Es ist ein vergleichsweise komplexer und kostenintensiver Fertigungsprozess nötig, um die mehreren Schichten an den gewünschten Stellen am Lenkrad zu befestigen. Die vielen einzelnen Schichten weisen jeweils Toleranzen auf, sowohl hinsichtlich ihrer Schichtdicke als auch ihrer Längen- und Breitenabmaße. Diese Toleranzen der Einzellagen addieren sich zu einer vergleichsweise großen Gesamttoleranz, wodurch die verfügbare Sensorfläche und beheizbare Fläche unverhältnismäßig schrumpft. Die Heizschicht ist ferner vergleichsweise weit innen angeordnet. Die erzielbare Heizleistung ist daher vergleichsweise gering. Ferner dauert es vergleichsweise lange, bis die äußeren Schichten des Lenkrads sich erwärmen.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den/die Nachteil(e) der vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen der hier offenbarten Technologie dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Lenkrad mit einem Sensoraufbau zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche. Das Lenkrad kann bspw. ein Lederlenkrad sein. Der Sensoraufbau kann insbesondere ein Aufbau eines kapazitiven Sensors sein, mit dem erkannt werden kann, ob ein Kraftfahrzeugführer seine Hände am Lenkrad hat. Solche Sensoren werden auch als HOD-Sensoren bzw. als Sensoren zur Hands-off-Detection bezeichnet.
Das Lenkrad umfasst mindestens eine Kontaktfläche bzw. Kontaktschicht (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Kontaktfläche” verwendet), die zumindest einen Teil der Außenschicht des Lenkrades ausbildet. Mit anderen Worten ist die Außenschicht bzw. die Kontaktfläche diejenige Fläche, mit der die Hand des Fahrers in Kontakt kommt.
Das Lenkrad umfasst ferner ein Lenkradskelett, welches bevorzugt zumindest bereichsweise von einem Schaumstoffmaterial umgeben ist. Das Lenkradskelett stellt den strukturellen Kern des Lenkrades dar. Das Lenkradskelett ist in der Regel aus einem metallischen Material hergestellt. An dem Lenkradskelett liegt meistens ein Potential an, welches unklar ist und welches sich aufgrund eines undefinierten Widerstandes auch ändern kann.
Das Lenkrad umfasst ferner eine Sensor-Heizschicht, in der mindestens eine Sensorelektrode zur Belegterkennung und mindestens ein Heizdraht angeordnet sind. Bevorzugt ist die Sensor-Heizschicht unmittelbar benachbart zur Kontaktfläche angeordnet. Mit anderen Worten liegt in einer bevorzugten Ausgestaltung die Kontaktfläche direkt auf der Sensor-Heizschicht auf. Die mindestens eine Sensorelektrode ist die Elektrode eines kapazitiven Sensors zur Belegterkennung. Solche Sensoren an sich sind bekannt. Wenn der Fahrzeugführer die Oberfläche des Lenkrades berührt, so verändert sich die Kapazität und die Sensorelektrode ist in der Lage, diese Kapazitätsänderung zu erfassen. Der mindestens eine Heizdraht kann bspw. Teil einer Widerstandsheizung sein. Die Sensor-Heizschicht ist insbesondere derart ausgestaltet, dass die mindestens eine Sensorelektrode und der mindestens eine Heizdraht im Wesentlichen in einer Ebene bzw. Schicht verlaufen. Bevorzugt sind die mindestens eine Sensorelektrode und der mindestens eine Heizdraht in der Sensor-Heizschicht zumindest bereichsweise nebeneinanderliegend angeordnet. Bevorzugt verlaufen die mindestens eine Sensorelektrode und der mindestens eine Heizdraht derart, dass sie sich nicht berühren.
Das Lenkrad umfasst ferner eine Potentialschicht bzw. Abschirmschicht (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Potentialschicht” verwendet), die zwischen der Sensor-Heizschicht und dem Lenkradskelett angeordnet ist. An der Potentialschicht kann ein definiertes Potential angelegt werden. Die Potentialschicht kann bspw. an dem Schaumstoffmaterial des Lenkradskeletts anliegen. Bevorzugt umgibt die Potentialschicht das Lenkradskelett. Ein definiertes Potential bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Potential festgelegt bzw. bekannt bzw. von einer Steuerung vorgegeben ist. Das definierte Potential ist also kein sich undefiniert änderndes Potential, wie es bspw. am Lenkradskelett vorzufinden ist. Das definierte Potential ist bevorzugt ein sich änderndes Signal, das dem veränderlichen Signal der Sensorelektrode folgt. Dadurch baut sich im Inneren des Lenkrades von der Sensormatte zum Lenkradskelett hin kein bzw. ein nur sehr geringes elektrisches Feld auf. Damit wird das elektrische Feld „gezwungen”, sich von der Sensorelektrode zur umgebenden Fahrzeugmasse, Karosserie etc. aufzubauen.
Bevorzugt ist das definierte Potential ein Potential, welches unterschiedlich von der Bezugsmasse des Kraftfahrzeuges ist. Die Bezugsmasse des Kraftfahrzeuges ist aufgrund des unbekannten Widerstandes nicht geeignet, für den Sensor als Bezugspotential herangezogen zu werden. Die Bezugsmasse selbst ist dafür zu undefiniert. Das Bezugspotential des Kraftfahrzeuges wirkt von außen, vorzugsweise nur über den Fahrer, auf das Messsystem ein und verändert die Kapazität. Das Potential der Abschirmung dagegen schirmt das Messsystem gegen das Bezugspotential/der Bezugsmasse ab und ist in der Regel unterschiedlich von der Fahrzeugmasse. Bevorzugt liegt das Potential der Potentialschicht zwischen ca. 0 V bis 14 V, ferner bevorzugt zwischen ca. 0 V und ca. 12 V, und besonders bevorzugt zwischen ca. 0 V und ca. 5 V. Bevorzugt liegt an der Potentialschicht ein Potential mit einem sinusförmigen Verlauf an.
Durch das Einsparen von mehreren Funktionsschichten können sich die Kosten der Entwicklung wie auch der Fertigung für ein Lenkrad mit Heizung und Belegterkennung deutlich verringern. Die Heizdrähte können nun näher an der Oberfläche untergebracht werden. Dadurch kann die Aufwärmegeschwindigkeit und die Leistung der Lenkradheizung gesteigert werden. Gleichzeitig kann die subjektive Heizleistung vergrößert werden, da die beheizte Fläche näher an die Lenkradoberfläche gebracht wird. Die Genauigkeit der Messwerte kann ferner dadurch gesteigert werden, dass an der Potentialschicht zwischen Sensor-Heizschicht und dem Lenkradskelett ein definiertes und bekanntes Potential anlegbar ist, welches sich nicht durch etwaige Störgrößen signifikant ändert, wie es bspw. beim Lenkradskelett der Fall ist.
Besonders bevorzugt verlaufen die mindestens eine Sensorelektrode und der mindestens eine Heizdraht mäanderförmig oder schleifenförmig in der Sensor-Heizschicht. In einer weiteren Ausgestaltung können die mindestens eine Sensorelektrode und der mindestens eine Heizdraht helixförmig auf die Potentialschicht gewickelt sein, die sich zumindest bereichsweise entlang des Lenkradskeletts dieses umschließend erstreckt. Zwischen der Potentialschicht und der Sensor-Heizschicht ist noch eine Isolierschicht vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird also in die Fläche für den Heizdraht und die Fläche für den Sensordraht in eine Ebene gelegt. Dafür werden bspw. parallel zu den Schleifen der Sensorfläche versetzt weitere Schleifen für den Heizdraht gelegt. Dabei liegt die Heiz- und Sensorfläche außen bevorzugt direkt an der Lenkrad-Hülle an und wird ferner bevorzugt innen durch einen Kunststoffschaum gestützt. Gegenüber dem Lenkradskelett ist diese Ebene durch die Potentialschicht abgeschirmt.
Die Sensor-Heizschicht kann mindestens eine weitere Potentialelektrode bzw. Abschirmdraht umfassen. An der zumindest einen weiteren Potentialelektrode kann zumindest während der Belegterkennungphase ein Potential angelegt sein. Es können also weitere Drahtschleifen vorgesehen sein, die durch eine Beschaltung mit definierten elektrischen Potentialen die Ausbreitung eines elektrischen Feldes steuern können. Insbesondere können die Potentialelektroden ebenfalls das elektrische Feld schirmen. Das Potential der Potentialelektroden folgt bevorzugt dem Spannungsverlauf des Sensors besitzt damit das gleiche Potential wie die Abschirmschicht. Die Funktion der weiteren Potentialelektrode ist vergleichbar mit der Funktion der Abschirmschicht. Die weitere Potentialelektrode schirmt hier gegen das Potential des Heizdrahtes.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Lenkradsystem mit dem hier offenbarten Lenkrad und einer Steuerung. Als Steuerung ist in diesem Zusammenhang jedes geeignete Steuerungs- bzw. Regelungsmittel zu verstehen. Es kann eine oder mehrere Steuermittel umfassen.
Die Steuerung kann den mindestens einen Heizdraht derart ansteuern, dass der mindestens eine Heizdraht nur in der Heizphase (also nicht während der Belegterkennungsphase) das Lenkrad erwärmt. Ferner bevorzugt kann die Steuerung die mindestens eine Sensorelektrode derart ansteuern, dass die mindestens eine Sensorelektrode nur in der Belegterkennungsphase (also nicht während der Heizphase) das Potential ermittelt. Bevorzugt werden also Heizdraht und Sensorelektrode sequentiell geschaltet. Durch das selektive Schalten von Heizdraht und Sensorelektrode während der Heizphase und der Belegterkennungsphase lässt sich die Genauigkeit der gewonnenen Messwerte weiter erhöhen. Die Heizphase ist dabei die Phase, während der der mindestens eine Heizdraht das Lenkrad erwärmt. Die Belegterkennungsphase ist dagegen die Phase, in der die mindestens eine Sensorelektrode etwaige Potentialänderungen erfasst, die durch das Umgreifen des Lenkrads durch den Fahrzeugführer ausgelöst werden.
Ferner kann die Steuerung derart eingerichtet sein, dass die während einer Heizphase mit der mindestens einen Sensorelektrode erfassten Signale bei der Ermittlung der Belegterkennung unberücksichtigt bleiben. Es ist also gemäß der hier offenbarten Technologie zum einen möglich, die mindestens eine Sensorelektrode derart anzusteuern, dass die mindestens eine Sensorelektrode während der Heizphase kein Potential ermittelt. Zum anderen ist es auch möglich, dass die Steuerungseinrichtung etwaige (evtl. ungewollt) während der Heizphase ermittelte Potentiale bei der Auswertung der Belegterkennung nicht berücksichtigt. Somit ist also auch ein kontinuierliches Betreiben des Sensors möglich. Die Messwerte während einer Heizphase würden dann jedoch durch die Steuerung verworfen.
Besonders bevorzugt kann die Steuerung den mindestens einen Heizdraht und die mindestens eine Sensorelektrode derart ansteuern, dass in einer Belegterkennungsphase an dem mindestens ein Heizdraht ein Potential anliegt, welches im Wesentlichen dem Potential der Sensorelektrode entspricht. Hierdurch lässt sich der Einfluss der Heizelektrode auf die Sensorelektrode während der Belegterkennungsphase weiter reduzieren und ggf. sogar eliminieren. Bevorzugt weicht das Potential des Heizdrahtes in der Belegterkennungsphase max. 10%, und besonders bevorzugt max. 5% vom Potential der Sensorelektrode ab. Besonders bevorzugt entspricht das Potential des mindestens einen Heizdrahtes in der Belegterkennungsphase dem Potential der Sensorelektrode.
Innerhalb der Belegterkennungsphase ist es dem Sensor also möglich, im Falle einer kapazitiven Sensierung die Kapazität ohne Störeinflüsse bzw. mit lediglich geringen Störeinflüssen zu bestimmen.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche, umfassend die Schritte:

– Bereitstellen eines Lenkrades gemäß der hier offenbarten Technologie; und
– Ausschließen von während einer Heizphase mit der mindestens einen Sensorelektrode erfassten Signale bei der Ermittlung der Belegterkennung und/oder zeitlich hintereinander Betreiben der mindestens einen Sensorelektrode und des mindestens einen Heizdrahts.

Der Begriff „zeitlich hintereinander Betreiben der mindestens einen Sensorelektrode und des mindestens einen Heizdrahts” umfasst dabei, dass die Steuerung den mindestens einen Heizdraht derart ansteuert, dass der mindestens eine Heizdraht nur in der Heizphase das Lenkrad erwärmt, und dass die Steuerung die mindestens eine Sensorelektrode derart ansteuern kann, dass die mindestens eine Sensorelektrode nur in der Belegterkennungsphase das Potential ermittelt.
Ferner kann das Verfahren dergestalt sein, dass der mindestens eine Heizdraht und die mindestens eine Sensorelektrode derart angesteuert werden, dass in einer Belegterkennungsphase an dem mindestens einen Heizdraht ein Potential anliegt, welches im Wesentlichen dem Potential der Sensorelektrode entspricht.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 ein Aufbau gemäß der hier offenbarten Technologie in der Querschnittsansicht, und
2 einen Querschnitt durch einen Lenkradkranz.
1 zeigt einen Teilausschnitt des Lenkrades entlang der Linie A-A der 2, wobei lediglich ein oberer Abschnitt bis zu einer Symmetrielinie B-B gezeigt ist. In Kontakt mit einem Fahrzeugführer kommt die Kontaktfläche 110, die die Außenschicht des Lenkradkranzes bildet. Darunter angeordnet befindet sich die Sensor-Heizschicht 140, in der die mindestens eine Sensorelektrode 142 zur Belegterkennung und der mindestens ein Heizdraht 144 angeordnet sind. Die Sensorelektrode 142 und der Heizdraht 144 sind in der 1 nicht gezeigt. Unterhalb der Sensor-Heizschicht 140 befindet sich eine Isolationsschicht 160, die die Potentialschicht 150 von der Sensor-Heizschicht 140 isoliert. Die Potentialschicht 150 ist zwischen der Sensor-Heizschicht 140 und dem Lenkradskelett 120 angeordnet. An der Potentialschicht 150 ist mittels geeigneter Anschlüsse und Vorrichtungen ein definiertes Potential anlegbar. Die Isolierschicht 130 ist ein Schaumstoffmaterial, dass die Potentialschicht 150 vom Lenkradskelett 130 isoliert. Es wird darauf hingewiesen, dass die 1 lediglich schematisch den Sensoraufbau zeigt. Die einzelnen Schichtdicken sind hier lediglich zu illustrativen Zwecken vergrößert dargestellt. Die tatsächlich bevorzugten Schichtdicken können hiervon erheblich abweichen. Die einzelnen Schichten sowie das Lenkradskelett 120 sind im Querschnitt der 1 als im Wesentlichen gerade verlaufende Schichten dargestellt. Wie insbesondere in Zusammenschau mit 2 ersichtlich ist, verlaufen die einzelnen Schichten in der Regel auf gekrümmten Bahnen in Abhängigkeit vom Durchmesser des Lenkrades.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Lenkradkranz. In der hier dargestellten Querschnittsansicht sind in der Sensor-Heizschicht 140 abwechseln nebeneinander der mindestens eine Heizdraht 144 und das mindestens eine Sensorelement 142 angeordnet. Ansonsten entspricht der Schichtaufbau dem Schichtaufbau gemäß 1.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011084903 A1 [0002]

Claims

Lenkrad (10) mit einem Sensoraufbau (100) zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche (110), umfassend: – eine Kontaktfläche (110), die zumindest einen Teil der Außenschicht des Lenkrades (10) ausbildet; – ein Lenkradskelett (120); – eine Sensor-Heizschicht (140), in der mindestens eine Sensorelektrode (142) zur Belegterkennung und mindestens ein Heizdraht (144) angeordnet sind; und – eine Potentialschicht (150), die zwischen der Sensor-Heizschicht (140) und dem Lenkradskelett (120) angeordnet ist, wobei an der Potentialschicht (150) ein definiertes Potential anlegbar ist.
Lenkrad (10) nach Anspruch 1, wobei das definierte Potential ein Potential ist, welches unterschiedlich von der Bezugsmasse des Kraftfahrzeuges ist.
Lenkrad (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Sensorelektrode (142) und der mindestens eine Heizdraht (144) in der Sensor-Heizschicht (140) zumindest bereichsweise nebeneinander liegend und mäanderförmig verlaufend angeordnet sind.
Lenkrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Sensor-Heizschicht (140) mindestens eine weitere Potentialelektrode vorgesehen ist, und wobei an der weiteren Potentialelektrode zumindest während einer Belegterkennungsphase ein Potential angelegt wird.
Lenkradsystem mit einem Lenkrad (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und einer Steuerung, wobei die Steuerung den mindestens einen Heizdraht (144) derart ansteuert, dass der mindestens eine Heizdraht (144) nur in der Heizphase das Lenkrad (10) erwärmt, und wobei bevorzugt die Steuerung die mindestens eine Sensorelektrode (142) derart ansteuert, dass die mindestens eine Sensorelektrode (142) nur in der Belegterkennungsphase das Potential ermittelt.
Lenkradsystem mit einem Lenkrad (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 und einer Steuerung, wobei die Steuerung geeignet ist, die während einer Heizphase mit der mindestens einen Sensorelektrode (142) erfassten Signale bei der Ermittlung der Belegterkennung unberücksichtigt zu lassen.
Lenkradsystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerung den mindestens einen Heizdraht (144) und die mindestens eine Sensorelektrode (142) derart ansteuert, dass in der Belegterkennungsphase an dem mindestens einen Heizdraht (144) ein Potential anliegt, welches im Wesentlichen dem Potential der Sensorelektrode (142) entspricht.
Verfahren zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche (110), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Lenkrades (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und – Ausschließen von während einer Heizphase mit der mindestens einen Sensorelektrode (142) erfassten Signale bei der Ermittlung der Belegterkennung und/oder zeitlich hintereinander Ansteuern der mindestens einen Sensorelektrode (142) und des mindestens einen Heizdrahts (144).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Heizdraht (144) und die mindestens eine Sensorelektrode (142) derart angesteuert werden, dass in einer Belegterkennungsphase an dem mindestens einen Heizdraht (144) ein Potential anliegt, welches im Wesentlichen dem Potential der Sensorelektrode (142) entspricht.