DE-112017000507-B4 - Kapazitive Sensorvorrichtung mit EMI-robuster kapazitiver Messschaltung

Abstract

Kapazitive Sensorvorrichtung (31), die dafür ausgelegt ist, zwischen einem elektrischen Heizelement (52) und einer Heizstromversorgung (46) angeschlossen zu werden und das elektrische Heizelement (52) als eine Antennenelektrode zu verwenden, umfassend - eine Gleichtaktdrossel (43) mit einer ersten und einer zweiten induktiv gekoppelten Wicklung (44, 45), wobei die erste Wicklung (44) dafür ausgelegt ist, zwischen einem ersten Anschluss (47) der Heizstromversorgung (46) und einem ersten Anschluss des elektrischen Heizelements (52) angeschlossen zu werden, und wobei die zweite Wicklung (45) dafür ausgelegt ist, zwischen einem zweiten Anschluss des elektrischen Heizelements und einem zweiten Anschluss (48) der Heizstromversorgung (46) angeschlossen zu werden; und - eine Steuer- und Auswerteschaltung (32), die dafür ausgelegt ist, über einen Messknoten (40) ein periodisches Wechsel-Messsignal in das elektrische Heizelement (52) einzuspeisen, eine elektrische Größe durch den Messknoten (40) zu messen und basierend auf der gemessenen elektrischen Größe eine elektrische Impedanz (53) zwischen dem elektrischen Heizelement (52) und einer Gegenelektrode herzuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteschaltung (32) Folgendes umfasst: - eine dritte Gleichtaktdrosselwicklung (33), die induktiv an die erste Wicklung (44) und die zweite Wicklung (45) der Gleichtaktdrossel (43) gekoppelt ist; - eine periodische Signalspannungsquelle (36), die dafür ausgelegt ist, an einen Ausgangsanschluss eine Wechsel-Messspannung anzulegen, wobei der Ausgangsanschluss elektrisch direkt an eine erste Anschlussverbindung (34) der dritten Gleichtaktdrosselwicklung (33) angeschlossen ist; - eine elektrische Größenmessschaltung (37) mit einem Signaleingangsanschluss (38) und einem Referenzeingangsanschluss (39), die dafür ausgelegt ist, anhand einer elektrischen Referenzgröße, die dem Referenzeingangsanschluss (39) bereitgestellt wird, die elektrische Größe durch den Messknoten (40) zu bestimmen, wobei der Signaleingangsanschluss (38) elektrisch an eine zweite Anschlussverbindung (35) der dritten Gleichtaktdrosselwicklung (33) angeschlossen ist und der Referenzeingangsanschluss (39) elektrisch an einen Erdleiter angeschlossen ist, der ein Wechselstrom-Erdpotential bereitstellt; und - ein EMI-Filternetz (41), das elektrisch über den Signaleingangsanschluss (38) und den Referenzeingangsanschluss (39) der elektrischen Größenmessschaltung (37) angeschlossen ist.

Inventors

• Laurent Lamesch

Assignees

• IEE INTERNATIONAL ELECTRONICS & ENGINEERING S.A.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20170125

Priority Date

20160126

Claims (13)

1. Kapazitive Sensorvorrichtung (31), die dafür ausgelegt ist, zwischen einem elektrischen Heizelement (52) und einer Heizstromversorgung (46) angeschlossen zu werden und das elektrische Heizelement (52) als eine Antennenelektrode zu verwenden, umfassend - eine Gleichtaktdrossel (43) mit einer ersten und einer zweiten induktiv gekoppelten Wicklung (44, 45), wobei die erste Wicklung (44) dafür ausgelegt ist, zwischen einem ersten Anschluss (47) der Heizstromversorgung (46) und einem ersten Anschluss des elektrischen Heizelements (52) angeschlossen zu werden, und wobei die zweite Wicklung (45) dafür ausgelegt ist, zwischen einem zweiten Anschluss des elektrischen Heizelements und einem zweiten Anschluss (48) der Heizstromversorgung (46) angeschlossen zu werden; und - eine Steuer- und Auswerteschaltung (32), die dafür ausgelegt ist, über einen Messknoten (40) ein periodisches Wechsel-Messsignal in das elektrische Heizelement (52) einzuspeisen, eine elektrische Größe durch den Messknoten (40) zu messen und basierend auf der gemessenen elektrischen Größe eine elektrische Impedanz (53) zwischen dem elektrischen Heizelement (52) und einer Gegenelektrode herzuleiten; dadurch gekennzeichnet , dass die Steuer- und Auswerteschaltung (32) Folgendes umfasst: - eine dritte Gleichtaktdrosselwicklung (33), die induktiv an die erste Wicklung (44) und die zweite Wicklung (45) der Gleichtaktdrossel (43) gekoppelt ist; - eine periodische Signalspannungsquelle (36), die dafür ausgelegt ist, an einen Ausgangsanschluss eine Wechsel-Messspannung anzulegen, wobei der Ausgangsanschluss elektrisch direkt an eine erste Anschlussverbindung (34) der dritten Gleichtaktdrosselwicklung (33) angeschlossen ist; - eine elektrische Größenmessschaltung (37) mit einem Signaleingangsanschluss (38) und einem Referenzeingangsanschluss (39), die dafür ausgelegt ist, anhand einer elektrischen Referenzgröße, die dem Referenzeingangsanschluss (39) bereitgestellt wird, die elektrische Größe durch den Messknoten (40) zu bestimmen, wobei der Signaleingangsanschluss (38) elektrisch an eine zweite Anschlussverbindung (35) der dritten Gleichtaktdrosselwicklung (33) angeschlossen ist und der Referenzeingangsanschluss (39) elektrisch an einen Erdleiter angeschlossen ist, der ein Wechselstrom-Erdpotential bereitstellt; und - ein EMI-Filternetz (41), das elektrisch über den Signaleingangsanschluss (38) und den Referenzeingangsanschluss (39) der elektrischen Größenmessschaltung (37) angeschlossen ist.
2. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach Anspruch 1 , wobei die dritte Gleichtaktdrosselwicklung (33) in der gleichen Wicklungsrichtung wie die erste Wicklung (44) und die zweite Wicklung (45) induktiv gekoppelt ist.
3. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die erste Wicklung (44) und die zweite Wicklung (45) der Gleichtaktdrossel (43) und die dritte Gleichtaktdrosselwicklung (33) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (55) angeordnet sind.
4. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Wicklung (33) eine Anzahl von Windungen aufweist, die gleich einer Anzahl von Windungen der ersten Wicklung (44) und der zweiten Wicklung (45) ist.
5. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 , wobei die dritte Wicklung (33) eine Anzahl von Windungen aufweist, die von einer Anzahl von Windungen der ersten Wicklung (44) und der zweiten Wicklung (45) verschieden ist.
6. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Größenmessschaltung (37) als eine Strommessschaltung ausgebildet ist, die dafür ausgelegt ist, anhand einer Bezugsspannung einen Fühlstrom zu bestimmen, der durch die dritte Gleichtaktdrosselwicklung (33) fließt und eine Position eines Objekts relativ zu dem elektrischen Heizelement (52) anzeigt.
7. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach Anspruch 6 , wobei die Fühlstrom-Messschaltung (37) einen Transimpedanzverstärker umfasst und der Signaleingangsanschluss (38) und der Referenzeingangsanschluss (39) Teil des Transimpedanzverstärkers bilden.
8. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Größenmessschaltung (37) dafür ausgelegt ist, eine Spannung an dem Messknoten (40) zu messen und auf Basis der gemessenen Spannung die Impedanz (53) zwischen dem elektrischen Heizelement (52) und der Gegenelektrode herzuleiten.
9. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Anschluss (47) der Heizstromversorgung (46) und der zweite Anschluss (48) der Heizstromversorgung (46) an den Erdleiter elektrisch wechselstromgekoppelt sind.
10. Kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das EMI-Filternetz (41) wenigstens einen Kondensator (42) umfasst.
11. Sitzbelegungserkennungssystem (30) zum Erkennen einer Belegung eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes, wobei das Sitzbelegungserkennungssystem (30) Folgendes umfasst: - eine kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , - ein elektrisches Heizelement (52), das an einem Polster oder einer Rückenlehne angeordnet ist, das Teil des Sitzes bildet und als Antennenelektrode einsetzbar ist, und - eine Heizstromversorgung (46) zum Bereitstellen von elektrischem Strom für das elektrische Heizelement (52).
12. Sitzbelegungserkennungssystem (30) nach Anspruch 11 , wobei die Heizstromversorgung (46) dafür ausgelegt ist, einen Gleichstrom für das elektrische Heizelement (52) bereitzustellen, wobei die erste Wicklung (44) galvanisch zwischen dem ersten Anschluss (47) der Heizstromversorgung (46) und dem ersten Anschluss des elektrischen Heizelements (52) angeschlossen ist und die zweite Wicklung (45) galvanisch zwischen dem zweiten Anschluss des elektrischen Heizelements (52) und dem zweiten Anschluss (48) der Heizstromversorgung (46) angeschlossen ist.
13. Vorrichtung zur Erkennung einer Handberührung für ein Lenkrad (56), umfassend - eine kapazitive Sensorvorrichtung (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , - ein elektrisches Heizelement (52), das an dem Lenkrad (56) angeordnet und als eine Antennenelektrode einsetzbar ist, und - eine Heizstromversorgung (46) zum Bereitstellen von elektrischem Strom für das elektrische Heizelement (52).

Description

Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein kapazitives Abtasten, z. B. zum Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person auf einem Sitz (Sitzbelegungserkennung) oder der Anwesenheit oder Abwesenheit der Hand einer Person auf dem Lenkrad eines Autos (Erkennung einer Handberührung). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine kapazitive Sensorvorrichtung, die ein Heizelement als Antennenelektrode verwendet, und ein Sitzbelegungserkennungssystem zum Erkennen einer Belegung des Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes, das eine solche kapazitive Sensorvorrichtung umfasst. Hintergrund der Erfindung Kapazitive Sensoren und kapazitive Mess- und/oder Erkennungssysteme, bei denen kapazitive Sensoren eingesetzt werden, haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Position eines leitfähigen Körpers in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „kapazitiver Sensor“ einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Erfassten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands, usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen wenigstens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor weist wenigstens eine Fühlerelektrode auf, die zu Emissionsantennenelektroden identisch oder dazu verschieden sein kann, an der der Einfluss eines Objekts oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird. Verschiedene kapazitive Abtastmechanismen werden zum Beispiel in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 erläutert. Das Dokument beschreibt das Konzept des Abtastens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer abzutasten. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Abtastens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Der zu fühlende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Parallelmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfängerelektrode aufgebaut wird, und der an der Empfängerelektrode gemessene Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem gefühlten Körper ab. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung. Die kapazitive Kopplungsstärke kann z. B. bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt wird und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Masse (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker gemessen werden, der an die Messelektrode angeschlossen ist und den in die Fühlerelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zum Strom umwandelt. Kapazitive Sensoren, die ein Heizelement als Antennenelektrode verwenden, sind in der Patentliteratur bekannt. Zum Beispiel offenbart die US 2011/0148648 A1 ein kapazitives Insassenabtastsystem für einen Fahrzeugsitz unter Verwendung eines Sitzheizungselements 12 als Antennenelektrode. 1 zeigt schematisch eine Veranschaulichung dieses Stands der Technik. Die Spannungsquelle 2 stellt die Stromversorgung für die Heizung, zum Beispiel als Sitzheizung-Steuereinheit, dar. Das elektronische Steuermodul (Electronic Control Module, ECM) 1 ist als kapazitive Messschaltung ausgelegt. Sie umfasst eine Gleichtaktdrossel 5, eine Wechselspannungsquelle 9 und Kondensatoren 6, 7 und 8. Der Kondensator 8 koppelt die von der Wechselspannungsquelle 9 erzeugte Wechselspannung in den Knoten 11. Das Heizelement 12 wird durch eine komplexe Impedanz 13 gegen Masse dargestellt. Die komplexe Impedanz 13 umfasst eine kapazitive Komponente sowie eine widerstandsfähige Komponente, die vom Belegungszustand des Fahrzeugsitzes abhängen. Die komplexe Impedanz 13 wird somit nachstehend auch als „u