SE505279C2

SE505279C2 - Presence detector for sensing electrically conductive object, such as person in vehicle seat

Info

Publication number: SE505279C2
Application number: SE9402673A
Authority: SE
Inventors: Bengt Allan Bergvall; Tommy Fristedt
Original assignee: Scandmec Ab
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1997-07-28
Also published as: SE9402673L; SE9402673D0

Abstract

Two capacitive sensor components (5, 6) are incorporated, of which the second is arranged in connection with the first. The detector (22) detects potential alteration in the first sensor component and the second capacitive component comprises a drive located on one side of the first component. The detecting area is limited to that located on the other side of the first sensor component. The drive component is directly driven by the drive signal and the first sensor component receives a voltage feed through capacitive coupling with the drive unit and forms a capacitive voltage divider for the drive signal, whose voltage division is altered dependent upon whether the drive signal, whose voltage division is altered dependent upon whether the object is present or not. A second sensor component is driven by a second drive signal, which is in counter phase in relation to the first drive signal.

Description

15 20 25 30 35 505 279 2 från sensorelementet till ramverket är ungefär lika stort som kapacitansen till personen blir följden en stor spridning i avkänningsavståndet. From the sensor element to the framework is approximately equal to the capacitance of the person, the result is a large spread in the sensing distance.

En bakomsittande passagerares extremiteter kan under färd tryckas in i stolsryggen bakifrån eller i sitsen under- ifrån. Dessa extremiteter är elektriskt ledande och ger på samma sätt som beskrivits ovan om ramverket en stor sprid- ning i avkänningsavståndet till den framförvarande perso- Den .A passenger sitting in the back seat can be pushed into the back of the seat from behind or in the seat from below during travel. These extremities are electrically conductive and, in the same way as described above, give the framework a large spread in the sensing distance to the person in front.

TEKNISK LösN1NG= Ändamålet med föreliggande uppfinning är att reducera inverkan av större kapacitanser och därigenom öka till- förlitligheten hos kapacitiva avkänningsanordningar.TECHNICAL SOLUTION The object of the present invention is to reduce the effect of larger capacitances and thereby increase the reliability of capacitive sensing devices.

Nämnda ändamål uppnås medelst en avkänningsanordning enligt föreliggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efter- följande patentkrav l.Said object is achieved by means of a sensing device according to the present invention, the features of which appear from the following claim 1.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen skall i det följande närmare förklaras med några utföringsexempel under 'hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig. l schematiskt visar ett första utföringsexempel av en avkänningsanordning enligt uppfinningen, Fig. 2 visar schematiskt ett andra 'utföringsexempel av avkänningsanordningen, Fig. 3 visar schematiskt ett tredje utföringsexempel, och Fig. 4 visar med en perspektivvy ett exempel på den fysiska inböres placeringen av kapacitiva element ingående i exemplet enligt fig. 3. 10 15 20 25 30 35 505 279 FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORLER: Samtliga utföringsexempel visar en mycket väsentlig till- lämpning för avkänningsanordningen enligt uppfinningen, nämligen avkänning av en persons närvaro eller frånvaro med avseende på ett definierat avkänningsområde i ett fordons- säte. Avkänningen har exempelvis till syfte att avaktivera en luftkudde vid frånvaro med avseende på avkänningsområdet så att luftkudden ej onödigtvis utlöses eller åsamka skada på grund av att en barnstol är monterad eller att personen sitter olämpligt i fordonssätet. Avkänningsområdet är för detta ändamål lämpligen valt att omfatta en begränsad del av området vid fordonssätet så att närvaro ej innebär att en person befinner sig i sätet, utan för närvaro erfordras att personen sitter huvudsakligen tillbakalutad i sätet eller med ett visst maximalt avstånd från ryggstödet. Detta innebär således att när en barnstol är monterad i sätet med ett barn sittande i stolen detekteras frånvaro. I figurerna visas med punktstreckade linjer en person 1 med en korrekt placering i ett likaledes med punktstreckade linjer antytt fordonssäte 2, dvs sittande på sitsen 3 och huvudsakligen tillbakalutad.mot ryggstödet 4'. Personen befinner sig där- med i avkänningsanordningens avkänningsområde, som kan exempelvis ha en höjdutsträckning som börjar ett stycke från ryggstödets nedre ände och sträcka sig några decimeter uppåt samt sträcka sig i riktning mot personens rygg med ett avstånd av någon eller några enstaka decimeter framför ryggstödet.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS: The invention will be explained in more detail below with a few exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a first exemplary embodiment of a sensing device according to the invention, Fig. 2 schematically shows a second exemplary embodiment of the sensing device, Fig. 3 schematically shows a third embodiment, and Fig. 4 shows with a perspective view an example of the physical mutual placement of capacitive elements included in the example according to Fig. 3. 15 15 25 25 30 35 505 279 PREFERRED EMBODIMENTS: All embodiments show a very essential to suitability for the sensing device according to the invention, namely sensing a person's presence or absence with respect to a defined sensing area in a vehicle seat. The purpose of the sensing is, for example, to deactivate an airbag in the absence of the sensing area so that the airbag does not unnecessarily deploy or cause damage due to a child seat being fitted or the person sitting inappropriately in the vehicle seat. For this purpose, the sensing area is suitably chosen to comprise a limited part of the area at the vehicle seat so that presence does not mean that a person is in the seat, but for presence it is required that the person sits mainly reclined in the seat or with a certain maximum distance from the backrest. This means that when a child seat is mounted in the seat with a child sitting in the chair, absence is detected. In the figures, a dashed line shows a person 1 with a correct placement in a vehicle seat 2, also indicated by dotted lines, sitting on the seat 3 and leaning back substantially against the backrest 4 '. The person is thus in the sensing area of the sensing device, which may, for example, have a height extension starting from the lower end of the backrest and extending a few decimeters upwards and extending towards the person's back with a distance of one or a few decimetres in front of the backrest.

Avkänningsanordningen 4 enligt uppfinningen uppvisar centrala komponenter, nämligen kapacitiva element som kan uppvisa samma nækaniska uppbyggnad och har var och en huvudsakligen en tvådimensionell utsträckning, dvs är huvudsakligen ut-formade såsom plattor, som kan vara utförda i ett styvt alternativt ett mjukt material och kallas för enkelhetens skull i fortsättningen sensorplatta och drivplatta. Plattorna kan vara utförda i plåt, folie 10 15 20 25 30 35 505 279 4 eller med nätstruktur alternativt i form av trådslingor.The sensing device 4 according to the invention has central components, namely capacitive elements which can have the same mechanical structure and each has a substantially two-dimensional extent, i.e. are substantially designed as plates, which can be made of a rigid or a soft material and are called for the sake of simplicity in the future sensor plate and drive plate. The plates can be made of sheet metal, foil or with a net structure or in the form of wire loops.

Plattorna har företrädesvis samma form och huvudsakligen samma dimensioner. De båda plattorna sträcker sig huvud- sakligen parallellt med varandra med ett noggrant avpassat inbördes avstånd, som bör hållas relativt konstant och kan uppgå till storleksordningen någon millimeter till några centimeter. De båda plattorna sträcker sig huvudsakligen parallellt med ryggstödets huvudsakliga utsträckning dvs huvudsakligen parallellt med personens rygg. Denna paral- lellitet är ej på något sätt kritisk, men den huvudsakliga sträckningen skall vara så, att sensorplattan är vänd mot personens rygg.The plates preferably have the same shape and substantially the same dimensions. The two plates extend mainly parallel to each other with a carefully matched mutual distance, which should be kept relatively constant and can amount to the order of a few millimeters to a few centimeters. The two plates extend mainly parallel to the main extent of the backrest, ie mainly parallel to the person's back. This parallelism is by no means critical, but the main stretch should be such that the sensor plate faces the person's back.

'Fig. 1 visar ett första utföringsexempel med ett s.k. dubbelt system som ej kräver någon referenspunkt, såsom bilchassiet eller någon annan elektriskt ledande yta med förhållandevis stor kapacitans mot personen eller chassiet.FIG. 1 shows a first embodiment with a so-called dual system that does not require a reference point, such as the car chassis or any other electrically conductive surface with a relatively large capacitance towards the person or chassis.

Anordningen enligt fig. 1 är härvid försedd med en anord- ning 23 för att avge två skilda, relativt varandra mot- fasiga drivsignaler 24, 25 till var sin av två drivplattor 6, 27. Dessa är inrättade att driva var sin sensorplatta 5, 29, varvid såväl drivplattor som sensorplattor är anordnade i ryggstödet i det visade exemplet. Ett motsvarande system kan alternativt eller som ett komplement vara anordnat i fordonssätets sits 3. Genom det dubbla systemet erhålles en symmetri i systemet utan behov av referenspunkt. De båda sensorplattorna 5, 29 är kopplade till spänningsdetektor- anordningen 30, som är inrättad att avge en utsignal 31, i beroende av om personen är närvarande eller frånvarande relativt avkänningsområdet. Den detekterade spänningen i detektorn 30 varierar i likhet med det första utföringsex- emplet i. beroende av den variabla kapacitansen 14, 33 mellan resp. sensorplatta 5 och 29 å ena sidan och per- sonen 1 å den andra sidan. Det dubbla systemet kan även utföras med endast en sensorplatta 5/29, varvid detektorn 30 erhåller endast en insignal. Genom motfassignalen 10 15 20 25 30 35 505 279 5 erhåller personen ej någon växelspänningssignal, varför dennes kontakt med chassiet ej inverkar på systemet.The device according to Fig. 1 is in this case provided with a device 23 for emitting two different, relatively opposite phase drive signals 24, 25 to each of two drive plates 6, 27. These are arranged to drive their respective sensor plate 5, 29. , wherein both drive plates and sensor plates are arranged in the backrest in the example shown. A corresponding system can alternatively or as a complement be arranged in the seat 3 of the vehicle seat. Through the double system, a symmetry is obtained in the system without the need for a reference point. The two sensor plates 5, 29 are connected to the voltage detector device 30, which is arranged to emit an output signal 31, depending on whether the person is present or absent relative to the sensing area. The detected voltage in the detector 30 varies, similar to the first embodiment, depending on the variable capacitance 14, 33 between resp. sensor plate 5 and 29 on the one hand and the person 1 on the other hand. The dual system can also be made with only one sensor plate 5/29, the detector 30 receiving only one input signal. Through the opposite phase signal 10 15 20 25 30 35 505 279 5 the person does not receive any alternating voltage signal, so that his contact with the chassis does not affect the system.

Fig. 2 visar ett modifierat utförande av exemplet enligt Pig. 1, varvid principen med dubbelt system utnyttjas, men där drivplattorna är ersatta med skärmplattor 34, 35 som är arrangerade på huvudsakligen samma sätt som drivplattorna, men där de båda drivsignalerna från anordningen 23 för att avge drivsignaler 24, 25 direktdriver sensorplattorna 28, 29. Skärmplattorna 34, 35 drives huvudsakligen med samma växelspänning som sensorplattorna via en s.k. buffer 36, 37 som belastningsmässigt isolerar skärmplattorna från sensorplattorna men tillser att de upprätthåller i huvudsak samma växelspänning så, att endast en ringa växelström går mellan sensorplattorna och en tillhörande skärmplatta.Fig. 2 shows a modified embodiment of the example according to Fig. 1, using the dual system principle, but where the drive plates are replaced with shield plates 34, 35 which are arranged in substantially the same way as the drive plates, but where the two drive signals from the device 23 for emitting drive signals 24, 25 directly drive the sensor plates 28, 29. The shield plates 34, 35 are driven substantially with the same alternating voltage as the sensor plates via a so-called buffer 36, 37 which insulates the shield plates from the sensor plates in terms of load but ensures that they maintain substantially the same alternating voltage so that only a small alternating current flows between the sensor plates and an associated shield plate.

Detta medför att kapacitansen mellan sensorplatta 28, 29 tillhörande skärmplatta 34, 35 endast till ringa del påverkar sensorplattorna. Dessa kommer därvid huvudsakligen att känna av kapacitanser åt motsatt håll, dvs mot fordons- sätets framsida, där personen befinner sig och represente- rar den variabla kapacitansen, symboliserad med 38, 39. Den elektroniska buffern 36, 37 måste dessutom ha förmågan att ge skärmplattorna 34, 35 samma växelspänning som sensor- plattan eller i det närmaste samma spänning, även då kapacitansen mellan skärmplattan och omgivande föremål varierar. Detektoranordningen 30 innefattar exempelvis delar av en bryggkoppling, medan kapacitansen mellan sensorplattorna 28, 29 och personen 1 ingår som element i bryggkopplingen. Med 40 betecknas en synkroniseringssignal för synkronisering av detektorn, varigenom störande signaler av' annan frekvens än systemets egen frekvens undertrycks. , /,/ Fig. 3 visar ett tredje utföringsexempel av avkänningsa- nordningen enligt uppfinningen, där en ytterligare typ av kapacitivt element 41 ingår, nämligen en s.k. förspännings- 10 15 20 25 30 35 505 279 6 platta, som drives av en drivsignal 42 som är inverterad, dvs i motfas relativt den drivsignal som driver sensorplat- tan 28. Denna förspänningsplatta 41 kan kombineras med varje annat kapacitivt mätsystem, dvs enkelt system med skärmplatta alternativt drivplatta eller dubbelt systemxmed skärmplattor och drivplattor alternativt kombination med tidigare kända system. Utföringsexemplet enligt fig. 3 visar en kombination av direktdriven sensorplatta 28, med buffer 36 driven skärmplatta 34 och förspänningsplattan 41.This means that the capacitance between sensor plate 28, 29 associated with shield plate 34, 35 only to a small extent affects the sensor plates. These will then mainly sense capacitances in the opposite direction, ie towards the front of the vehicle seat, where the person is located and represents the variable capacitance, symbolized by 38, 39. The electronic buffer 36, 37 must also have the ability to provide the shield plates 34, 35 the same alternating voltage as the sensor plate or almost the same voltage, even when the capacitance between the shield plate and surrounding objects varies. The detector device 30 comprises, for example, parts of a bridge coupling, while the capacitance between the sensor plates 28, 29 and the person 1 is included as an element in the bridge coupling. Denoted by 40 is a synchronizing signal for synchronizing the detector, whereby interfering signals of a frequency other than the system's own frequency are suppressed. Fig. 3 shows a third embodiment of the sensing device according to the invention, in which a further type of capacitive element 41 is included, namely a so-called bias plate, which is driven by a drive signal 42 which is inverted, i.e. in opposite phase relative to the drive signal which drives the sensor plate 28. This bias plate 41 can be combined with any other capacitive measuring system, i.e. simple system with screen plate or drive plate or double systemx with screen plates and drive plates or combination with previously known systems. The exemplary embodiment according to Fig. 3 shows a combination of directly driven sensor plate 28, with buffer 36 driven screen plate 34 and the bias plate 41.

I likhet med det dubbla systemet enligt fig. 2 nmtas sensorplattan 28 av en drivsignal 24, som utgöres av en växelström, från en växelspänningsmatningsanordning 43 medan drivplattan 6 nmtas av en växelström med huvud- sakligen samma drivspänning men via buffern 36. Förspän- ningsplattan 41 är ansluten till spänningsmatningsanord- ningen 43 via en inverterare 44, som till förspännings- plattan avger en inverterad, drivsignal, dvs i motfas.Similar to the dual system of Fig. 2, the sensor plate 28 is received by a drive signal 24, which is an alternating current, from an alternating voltage supply device 43 while the drive plate 6 is received by an alternating current with substantially the same driving voltage but via the buffer 36. The bias plate 41 is connected to the voltage supply device 43 via an inverter 44, which emits an inverted drive signal to the bias plate, ie in opposite phase.

Förspänningsplattan 41 är företrädesvis så fysiskt anord- nad, att den uppvisar minsta möjliga kapacitans gentemot sensorplattan 28 och uppvisar därför minsta möjliga yta mot sensorplattan. Plattorna är i fig. 4 visade i perspektivvy för att indikera ett exempel på plattornas fysiska arrange- mang. I det visade exemplet ligger sensorplattan 28 och förspänningsplattan 41 i huvudsakligen samma plan, varvid förspänningsplattan åtminstone delvis omsluter sensorplat- tan i detta plan. I det visade exemplet är förspännings- plattan 41 därför huvudsakligen U-formad och delvis omsluter ett utrymme i vilket sensorplattan är belägen.The bias plate 41 is preferably so physically arranged that it exhibits the least possible capacitance to the sensor plate 28 and therefore has the smallest possible surface area to the sensor plate. The plates are shown in Fig. 4 in perspective view to indicate an example of the physical arrangement of the plates. In the example shown, the sensor plate 28 and the bias plate 41 lie in substantially the same plane, the bias plate at least partially enclosing the sensor plate in this plane. In the example shown, the bias plate 41 is therefore substantially U-shaped and partially encloses a space in which the sensor plate is located.

Alternativt kan förspänningsplattan vara ringformig och omsluta ett utrymme i vilket sensorplattan är belägen.Alternatively, the bias plate may be annular and enclose a space in which the sensor plate is located.

Skärmplattan 34 ligger i båda fallen mitt för sensorplattan och har huvudsakligen samma utsträckning som denna. Medelst en detektor 30 detekteras spänningen över sensorplattan 28 och skärmplattan 34, varvid jämföres med ett referensvärde och avges en utsignal 45 i beroende av om en person 1 10 15 20 25 30 35 505 279 7 befinner sig inom avkänningsområdet framför fordonssitsens rygg eller ej.The screen plate 34 is in both cases located in the middle of the sensor plate and has substantially the same extent as this. By means of a detector 30, the voltage across the sensor plate 28 and the shield plate 34 is detected, comparing with a reference value and emitting an output signal 45 depending on whether a person is in the sensing area in front of the back of the vehicle seat or not.

Medelst anordnandet av en förspänningsplatta 41 som således tjänstgör som en drivplatta erhålles i förhållande till ett systenn utan förspänningsplatta i princip en fördubblad spänning till spänningsdetektorn 44 och därmed en mindre störkänslighet och ökad driftstillförlitlighet.By means of the arrangement of a bias plate 41 which thus serves as a drive plate, in relation to a system without a bias plate, in principle a doubled voltage is obtained for the voltage detector 44 and thus a less disturbance sensitivity and increased operational reliability.

Det fysiska arrangemanget av elektronik förutom de kapaci- tiva plattorna, beskrivs ej närmare. Av praktiska skäl placeras med fördel elektroniken exempelvis på undersidan av fordonets sits. För att minimera störande kapacitans i matningsledningarna till de kapacitiva elementen anordnas lämpligen skärmad matningskabel. Med fördel kan härvid kabelns skärm kopplas till det kapacitiva element som tjänstgör såsom skärm eller drivyta.The physical arrangement of electronics other than the capacitive plates is not described in more detail. For practical reasons, the electronics are advantageously placed, for example, on the underside of the vehicle's seat. To minimize interfering capacitance in the supply lines to the capacitive elements, a shielded supply cable is suitably arranged. Advantageously, the shield of the cable can be connected to the capacitive element which serves as a shield or drive surface.

Uppfinningen är ej begränsad till ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsexempel, utan kan varieras på flera sätt inom ramen för efterföljande patentkrav.The invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, but can be varied in several ways within the scope of the appended claims.

Exempelvis kan de kapacitiva elementen placeras på olika ställen och i olika antal i fordonssitsen. De kapacitiva elementen kan även placeras i anslutning till en luftkudde för att från luftkuddens position avkänna närvaro eller frånvaro med avseende på ett avkänningsområde. Avkänningen kan avse andra elektriskt ledande objekt än personer, exempelvis kan barnstolar förses med ett elektriskt ledande element, exempelvis folie i ryggstödet för att därigenom avaktivera en avkänningsanordning enligt uppfinningen placerad i. anslutning till luftkudden. Avkänningsanord- ningen kan användas på helt andra områden än i fordon.For example, the capacitive elements can be placed in different places and in different numbers in the vehicle seat. The capacitive elements can also be placed adjacent to an air cushion to sense presence or absence from a position of the air cushion with respect to a sensing area. The sensing can refer to electrically conductive objects other than persons, for example child seats can be provided with an electrically conductive element, for example foil in the backrest, thereby deactivating a sensing device according to the invention placed in connection with the air cushion. The sensing device can be used in completely different areas than in vehicles.

Exempelvis kan avkänningen användas inom tillverkningsin- dustrin för att avkänna närvaro eller frånvaro med avseende på ett avkänningsområde.For example, the sensing can be used in the manufacturing industry to sense presence or absence with respect to a sensing area.

Claims

10 15 20 25 30 35 505 279 8 Eategtkrav

A device for sensing the presence of an electrically conductive object (1) in a predetermined area and comprising a device (23/43) for emitting a drive signal in the form of an alternating voltage, at least one capacitive sensor element (5/28, 29) and a device (30) for detecting the difference in capacitance between said sensor element and the object and the surrounding object, respectively, which is present at partly present object and partly absent object, wherein at least one second capacitive element (6/26, 27/34, 35/41) is arranged in connection with said sensor element and the device for emitting said drive signal is connected to said second capacitive element, said detection device (30) being arranged to detect potential change of the sensor element (5/28, 29), said second capacitive element being constituted by a drive element (6), which is located on one side of said sensor element (5, 28, 29), whereby the detection area is delimited to an area which is located on the other side of the sensor element, the drive element being directly driven by said drive signal and the sensor element (5/28, 29) obtains its voltage supply by capacitive coupling with said drive element and forms a capacitive voltage divider for the drive signal, the voltage division of which changes depending on whether the object is present or not, characterized in that a second sensor element (29) is arranged to be driven by a second drive signal (25), which is in opposite phase relative to the first-mentioned drive signal (24).

2. The device according to the patent claim 14, characterized in that said capacitive elements (5, 6/26, 27, 28, 29/34, 35/41) are arranged in a vehicle for sensing the presence of said object in an area at a vehicle seat.

Device according to claim 2, characterized in that said device is arranged to deactivate a release mechanism to an inflatable airbag in the presence of said object.

Device according to claim 2 or 3, characterized in that said capacitive elements (5, 6/26, 27, 28, 29/34, 35/41) are arranged in said vehicle seat.