Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zum Erkennen der Position und der Gewichtskraft einer Person (10), insbesondere der Person (10) auf einem Kraftfahrzeugsitz (2). Dabei werden Reflektoren (6) zum Reflektieren von elektromagnetischer Strahlung einer Sende- und Empfangseinheit (9) verwendet, wobei die Dämpfung der Sensor-Reflektorstrahlung eine Aussage über die Sitzposition einer Person im Strahlengang ermöglicht. Erfindungsgemäß ist die Antenne (A) jedes Sensor-Reflektors (6) mit einer jeweils zugehörigen elektrischen Last (Z) verbunden, die abhängig von einem auf sie einwirkenden Gewicht der Person (10) ist. Abhängig von diesem Gewicht wird dem reflektierten Sensor-Reflektorsignal (R) durch die Last (Z) eine Gewichtsinformation über die Person (10) aufgeprägt. Das reflektierte Sensor-Reflektorsignal (R) wird von der Sende- und Empfangseinheit (9) empfangen und, ggf. nach einer Signalvorverarbeitung, der Auswerteeinheit (12) zugeführt, die eine Auswertung der Gewichtsinformation über die Person (10) ermöglicht.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zum Erkennen
der Position und der Gewichtskraft einer Person, insbesondere der Person auf einem
Kraftfahrzeugsitz. Dabei werden Reflektoren zum Reflektieren von elektromagnetischer
Strahlung einer Sende- und Empfangseinheit verwendet, wobei eine charakteristische
Abschwächung der von der Sende- und Empfangseinheit empfangenen Strahlung Rückschlüsse
auf eine im Strahlengang zwischen Sende- und Empfangseinheit und Reflektor befindliche
Person zulässt.
Im Bereich des Insassenschutzes für Kraftfahrzeuge wird es in den
letzten Jahren immer wichtiger, die Auslösung von Insassenrückhaltemitteln, beispielsweise
Frontairbags, Seitenairbags, Knieairbags, Vorhangairbags, etc. an die Fahrzeuginsassen
im Entfaltungsbereich der genannten Insassenrückhaltemittel anzupassen, um einerseits
Reparaturkosten zu sparen und bei einem nicht belegten Sitz ein Insassenrückhaltemittel
von vornherein nicht auszulösen und andererseits um bestimmte Personengruppen nicht
durch ein ungeeignetes Auslöseverhalten des Insassenrückhaltemittels zusätzlich
zu gefährden, beispielsweise Kinder oder sehr kleine Erwachsene. Es ist also nicht
nur wichtig, die Anwesenheit einer Person auf dem Kraftfahrzeugsitz festzustellen,
sondern darüber hinaus noch die exakte Position und sogar klassifizierende Eigenschaften
der Person, beispielsweise das Körpergewicht. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang
die Crash-Norm FMVSS 208, deren Einhaltung immer mehr von Fahrzeugherstellern gefordert
wird und die eine Klassifizierung einer Person nach Ihrem Gewicht festschreibt,
um im Falle einer Kollision die Ansteuerung eines Insassenrückhaltemittels gegebenenfalls
in geeigneter Weise an die erkannte Person anzupassen.
In der bislang unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 102 541 97.3 der Anmelderin wird bereits
eine Verwendung von gattungsgemäßen Mikrowellenreflektoren (12) zur Feststellung
der Anwesenheit und der Position einer Person auf einem Sitz eines Kraftfahrzeugs
beschrieben. Dazu sind ein oder mehrere Reflektoren (12) auf einem Fahrzeugsitz
verteilt angeordnet. Die Reflektoren reflektieren die empfangenen Signale der Sende-
und Empfangseinheit (10). Eine an die Sende- und Empfangseinheit (10)
angeschlossene Steuereinheit (22) wertet die empfangenen reflektierten
Signale anhand der Signalamplitude und/oder der Signallaufzeit und/oder der Kodierung
des Signale, beispielsweise durch Modulation des vom Reflektor reflektierten Signals,
aus, und gewinnt daraus die Information, ob ein Sitz durch eine Person oder einen
anderen Gegenstand besetzt ist. Darüber hinaus kann auch die genaue Position einer
auf dem Sitz befindlichen Person 'erkannt werden.
Zur Messung des Gewichts oder der Gewichtsverteilung einer Person
auf einem Kraftfahrzeugsitz, wie beispielsweise von der Crashnorm FMVSS 209 gefordert,
sind jedoch bislang andere Vorrichtungen notwendig: Beispielsweise beschreibt die
Deutsche Offenlegungsschrift DE 101 60 121
A1 eine Sensorsitzmatte zur Sitzbelegungserkennung in einem Kraftfahrzeug,
bei der mehrere druckempfindliche Sensorelemente (A, S) flächig auf einem Kraftfahrzeugsitz
verteilt angeordnet sind und jeweils ihren Widerstandswert ändern, abhängig davon,
wie groß die auf sie einwirkende Gewichtskraft ist. Aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 25 877 A1 ist es weiterhin
bekannt, das Gewicht eines Fahrzeuginsassen durch Lastsensoren zwischen dem Fahrzeugsitz
und dem Fahrzeugboden zu erfassen. Die dabei verwendeten Sensoren können beispielsweise
kapazitive Messprinzipien verwenden (Spalte 7, Zeile 30).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zu schaffen, bei denen zum einen ein bekannter Reflektor zur Sitzpositionserkennung
eines Fahrzeuginsassen so beschaffen ist, dass er eine Gewichtsinformation über
die auf ihn aufgebrachte Gewichtskraft erfassen und zusammen mit dem von ihm zu
einer Sende- und Empfangseinheit reflektierten Signal übertragen kann, und zum anderen
diese Gewichtsinformation auf der Empfängerseite ausgewertet werden kann.
Diese Aufgabe wird jeweils gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch einen
Sensor-Reflektor gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Auch wenn in der vorliegenden Patentanmeldung zumeist von einem Einsatz
der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen
der Position und der Gewichtskraft einer Person auf einem Kraftfahrzeugsitz innerhalb
eines Kraftfahrzeugs die Rede ist, so kann die beschriebene Vorrichtung und das
Verfahren natürlich auch in anderen Bereichen sinnvoll eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen der Position und des
Gewichts mindestens einer Person gemäß Anspruch 1 weist mindestens eine Sende- und
Empfangseinheit für elektromagnetische Signale auf, mindestens einen erfindungsgemäßen
Sensor-Reflektor mit einer Antenne zum Reflektieren eines Sendesignals der Sende-
und Empfangseinheit als Sensor-Reflektorsignal und außerdem eine Auswerteeinheit,
die mit der Sende- und Empfangseinheit verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Antenne
jedes Sensor-Reflektors mit einer jeweils zugehörigen elektrischen Last verbunden,
die abhängig von einem auf sie einwirkenden Gewicht der Person ist. Abhängig von
diesem Gewicht wird dem reflektieren Sensor-Reflektorsignal durch die Last eine
Gewichtsinformation über die Person aufgeprägt. Das reflektierte Sensor-Reflektorsignal
wird von der Sende- und Empfangseinheit empfangen und, ggf. nach einer Signalvorverarbeitung,
der Auswerteeinheit zugeführt, die eine Auswertung der Gewichtsinformation über
die Person ermöglicht, vorzugsweise zusätzlich zu den Auswertungen, die in der bereits
eingangs erwähnten, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE
102 541 97.3 beschrieben werden.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die Last gewichtsabhängig
durch einen Oszillator verändert. Der Oszillator schwingt mit einer Schwingungsfrequenz,
die von der auf den Oszillator aufgebrachten Gewichtskraft veränderlich ist.
Eine gewichtsabhängige Veränderung der Last des Sensor-Reflektors
durch den Oszillator wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch
erreicht, dass die Last einen Schalter aufweist, dessen erster Anschluss mit der
Antenne des Sensor-Reflektors verbunden ist und dessen Steueranschluss mit einem
Signalausgang des Oszillators verbunden ist. Der zweite Anschluss des Schalters
ist mit einem Bezugspotential verbunden, vorzugsweise ist er über einen elektrischen
Widerstand mit dem Masseanschluss des Sensor-Reflektors verbunden.
Besonders einfach und deshalb besonders vorteilhaft ist dabei ein
Oszillator, der mindestens ein seine Schwingungsfrequenz beeinflussendes Bauelement
aufweist mit einem charakteristischen Wert, der von dem auf das Bauelement aufgebrachten
Gewichtskraft durch die Person abhängt. Dies kann beispielsweise ein Kondensator
sein, dessen Kondensatorplattenabstand sich unter Einwirken einer Gewichtskraft
verändert, wodurch auch sein charakteristischer Kapazitätswert sich verändert. Ist
der Kondensator an einer geeigneten Stelle innerhalb einer Oszillatorschaltung,
beispielsweise einer Colpitts-Schaltung oder auch einer Hartley-Schaltung oder ähnlichem,
angeordnet, so verändert sich die Oszillatorfrequenz am Signalausgang des Oszillators.
Da der Signalausgang des Oszillators mit dem Steueranschluss des Schalters verbunden
ist, wird so die Last, beispielsweise bestehend aus dem Schalter selbst und dem
nach Masse hin damit verbundenen Widerstand, durch die gewichtsabhängige Frequenz
des Oszillators periodisch verändert. Auf diese Weise ändert sich die Amplitude
der durch den Sensor-Reflektor zurückreflektierten Sensor-Reflektorstrahlung je
nach der auf den Kondensator einwirkenden Gewichtskraft, was durch die Auswerteeinheit
als Gewichtsinformation auswertbar ist.
Es ist auch möglich, anstatt eines gewichtsabhängigen Kondensators
ein anderes Schaltelement in einem geeigneten Oszillator zu verwenden, das einen
charakteristischen gewichtsabhängigen Wert aufweist, beispielsweise einen Quarzoszillator,
der unter Einwirken einer Kraft komprimiert wird und dadurch sein Schwingungsverhalten
verändert, oder auch eine Spule, die ihre Induktivität in Abhängigkeit von der aufgebrachten
Gewichtskraft ändert, beispielsweise dadurch, dass ein Spulenkern gewichtsabhängig
in die Spulenwicklung geschoben oder aus ihr entfernt wird, oder auch dadurch, dass
die Spulenwicklung beispielsweise als Feder ausgebildet ist und beim Zusammendrücken
über einen Spulenkern ihre Induktivität vergrößert, oder ähnliches.
Selbstverständlich ist auch ein Sensor-Reflektor denkbar, bei dem
mehrere Bauelemente innerhalb des Oszillators einen für sie charakteristischen Wert
gewichtsabhängig ändern.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Vorrichtung
weist als Last einen Schwingkreis auf, dessen Resonanzfrequenz gewichtsabhängig
ist. Dadurch wird eine maximale Amplitude des reflektierten Sensor-Reflektorsignals
nur bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises erreicht. Diese zweite Ausführungsform
für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Sendesignale
der Sende- und Empfangseinheit breitbandig sind. Dies bedeutet, dass die Frequenz
des Sendesignals innerhalb eines relativ großen Frequenzbandes beim Senden variiert.
Die Sendeträgerfrequenzen liegen üblicherweise über 100 MHz. Typischerweise werden
433 MHz, 868 MHz oder 2,45 GHz verwendet.
Analog zur ersten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist der verwendete Schwingkreis ein die Resonanzfrequenz beeinflussendes
Bauelement auf mit einem charakteristischen, gewichtsabhängigen
Wert, beispielsweise in der Form des bereits beschriebenen gewichtsabhängigen Kondensators,
der gewichtsabhängigen Spule oder auch eines gewichtsabhängigen Schwingquarzes.
Ein besonders einfacher Schwingkreis ist ein Serien- oder Parallelschwingkreis
mit zumindest einem Kondensator und einer Spule, wobei vorzugsweise mindestens eines
dieser beiden Bauelemente einen gewichtsabhängigen Wert aufweist.
Innerhalb einer Vorrichtung zum Erkennen der Position und der Gewichtskraft
einer Person, insbesondere der Person auf einem Kraftfahrzeugsitz in einem Kraftfahrzeug,
sind zumeist nicht nur einer, sondern mehrerer Sensor-Reflektoren auf der Sitzfläche
des Fahrzeugsitzes angeordnet. Auf diese Weise kann nicht nur die Sitzposition einer
Person anhand der Signalamplituden des reflektierten Sensor-Reflektorsignals ortsgenauer
bestimmt werden, sondern auch das Gewicht: stehen sehr viele gewichtsempfindliche
Sensor-Reflektoren auf der Oberfläche des Fahrzeugsitzes zur Verfügung, so kann
sogar eine Klassifizierung der auf dem Fahrzeugsitz befindlichen Person aufgrund
der Verteilung des einwirkenden Gewichts auf den Fahrzeugsitz vorgenommen werden.
Bei der Verwendung von mehreren Sensor-Reflektoren nach der ersten
vorteilhaften Ausführungsform mit einem gewichtsabhängig schwingenden Oszillator
ist es dabei von Vorteil, eine Zuordnung der einzelnen Sensor-Reflektoren zu den
empfangenen Signalen zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine individuelle Codierung
jedes einzelnen Sensor-Reflektors dadurch erreicht werden, dass parallel zur Antenne
jedes Sensor-Reflektors je ein Anpassnetzwerk und ggf. zusätzlich je ein Oberflächenwellenelement
angeschlossen wird, über das bzw. die jeweils ein individueller Code auf jedes Sensor-Reflektorsignal
durch Modulation aufgeprägt werden kann, wie beispielsweise bei Codegebern von Fahrzeugzugangssystemen,
beispielsweise gemäß der Deutschen Offenlegungsschrift DE
199 57 557 A1.
Bei der Verwendung von mehreren Sensor-Reflektoren nach der zweiten
vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die gewichtsabhängig
veränderliche Last durch einen Schwingkreis gebildet wird, können für die Sensor-Reflektorsignale
verschiedener Sensor-Reflektoren jeweils verschiedene Frequenzbänder reserviert
werden. Innerhalb dieser individuellen Frequenzbänder variiert die maximale Amplitude
des jeweiligen Sensor-Reflektorsignals gewichtsabhängig.
Vorzugsweise sind die Sensor-Reflektoren bei beiden Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur auf der Sitzfläche des Fahrzeugsitzes
angeordnet, sondern beispielsweise auch auf der Oberfläche der Fahrzeugsitzlehne
und/oder im Kopfteil des Fahrzeugsitzes. Diese Anordnung ist analog zu der bekannten
Anordnung von Reflektoren zur Sitzpositionserkennung in der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung DE 102 541 97.3, jedoch
ist es nun zusätzlich auch möglich Informationen über die auf das Kopfteil einwirkende
Kraft zu erhalten. Beispielsweise kann daraus eine Information gewonnen werden,
ob eine Person ihren Kopf an das Kopfteil des Fahrzeugsitzes anlehnt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der
schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Sensor-Reflektor
6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten vorteilhaften
Ausführungsform schematisch als Schaltskizze,
2 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen der Position und der Gewichtskraft (F⇀)
einer Person (10) auf einem Kraftfahrzeugsitz (2) innerhalb eines
Kraftfahrzeugs (1),
3 einen erfindungsgemäßen Sensor-Reflektor
6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten vorteilhaften
Ausführungsform schematisch als Schaltskizze,
4 eine schematische Darstellung des Sensor-Reflektorsignals
(R) eines Sensor-Reflektors (6) gemäß 3, aufgetragen
über die Trägerfrequenz (f), für a) einen unbelasteten Sensor-Reflektor (6)
und für b) einen gewichtsbelasteten Sensor-Reflektor (6),
5 einen Fahrzeugsitz (2) mit
verschiedenen möglichen Anbringungsorten eines erfindungsgemäßen Sensor-Reflektors
(6) und
6 einen Querschnitt durch a) einen schematisch
dargestellten Kondensator (C10) eines Sensor-Reflektors (6) einmal mit
Gewichtskraftbelastung (durchgezogene Linie) und einmal ohne Gewichtskraftbelastung
(strichliert) und b) einen schematisch dargestellten Fingerkondensator (C10), ebenfalls
einmal belastet (durchgezogene Linie) und einmal unbelastet (strichliert).
1 zeigt einen Sensor-Reflektor
6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
Der dargestellte Sensor-Reflektor 6 weist eine Antenne A, eine Last Z und
einen Oszillator OSC auf. Die Antenne A ist beispielsweise eine Kupferplatte mit
Kantenlängen von 3 und 4 cm. Ein Anschluss A1 der Antenne A ist mit dem Drainanschluss
S11 eines MOSFET-Transistors S10 verbunden, dessen Source S12 über einen Lastwiderstand
R1 mit dem Masseanschluss GRD verbunden ist. Der MOSFET-Transistor S10 und der Lastwiderstand
R1 bilden zusammen die gewichtsabhängig veränderliche Last Z, sobald der Gateanschluss
S13 des Transistors 510 gewichtsabhängig veränderlich angesteuert wird.
Dies erfolgt durch den Signalausgang eines Colpitts-Oszillators OSC, dessen Signalausgang
F_OUT mit dem Gateanschluss S13 des Transistors 510 verbunden ist. Der
dargestellte Colpitts-Oszillator OSC besteht aus einem npn-Bipolartransistor
520, dessen Kollektoranschluss S21 über einen Widerstand R2 mit einer Versorgungsspannung
Vcc verbunden ist und außerdem über einen Entstörkondensator C1 mit dem Signalausgang
F_OUT des Oszillators. Der Emitter S22 ist sowohl über einen Widerstand R3 als auch
über einen Kondensator C3 mit dem Masseanschluss GRD verbunden. Außerdem ist der
Emitter über einen weiteren Kondensator C2 mit seinem Basisanschluss S23 verbunden.
Die Basis S23 des Transistors S20 ist außerdem über einen Lastwiderstand R4 und
außerdem über einen Parallelschwingkreis, bestehend aus einem gewichtssensitiven
Kondensator C10 und einer Spule L, mit dem Masseanschluss GRD verbunden.
Ebenso dargestellt ist eine Gewichtskraft F⇀
in Pfeilrichtung, die auf die erste Elektrode C11 des Kondensators C10 einwirkt.
Von dieser einwirkenden Kraft F⇀ abhängig ändert sich
der Elektrodenabstand d des Kondensators C10. Dadurch verändert sich auch der Kapazitätswert
C des Kondensators C10, da dieser indirekt proportional zum Abstand der Kondensatorelektroden
C11 und C12 ist, gemäß der Formel:
Der Kondensator C10 ist ein frequenzbestimmendes Bauteil für die Schwingungsfrequenz
f des Colpitts-Oszillators OSC mit der das Ausgabesignal an dessen Signalausgang
F_OUT schwingt. Verändert sich folglich gemäß der Formel [1] der Wert der Kapazität
C des Kondensators C10 durch Einwirken einer Gewichtskraft F⇀,
so verändert sich dadurch gewichtsabhängig die Schwingungsfrequenz der Ansteuerspannung
am Gateanschluss S13 des MOSFET-Transistors S10. Ein von der Antenne A reflektiertes
Sensor-Reflektorsignal T wird aufgrund einer gewichtsabhängig oszillierenden Last
Z gedämpft. Die Sende- und Empfangseinheit 9 empfängt dieses gewichtsabhängig
oszillierend gedämpfte Sensor-Reflektorsignal R, bereitet es beispielsweise durch
geeignete Demodulationsverfahren auf und leitet es an die Auswerteeinheit
12 weiter, die die im empfangenen Sensor-Reflektorsignal R enthaltene Gewichtsinformation
auswerten und ggf. das Auslöseverhalten einer Insassenschutzvorrichtung an das ermittelte
Gewicht oder die ermittelte Gewichtsverteilung einer Person 10 auf dem
Fahrzeugsitz 2 anpassen kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug 1. Mehrere Sensor-Reflektoren
6 sind auf der Sitzfläche 3, auf der Oberfläche der Sitzlehne
4 und in der Kopfstütze 5 eines Kraftfahrzeugsitzes
2 angeordnet. In der Fahrzeugarmatur 11 des Fahrzeugs
1 ist eine Sende- und Empfangseinheit 9 angebracht. Der Anbringungsort
für eine geeignete Sende- und Empfangseinheit 9 kann aber auch an anderer
Stelle im Kraftfahrzeug sein, beispielsweise im Bereich des Innenspiegels, was durch
eine zusätzlich eingezeichnete Sende- und Empfangseinheit 9' in der
2 angedeutet ist, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aber nicht benötigt wird.
Außerdem dargestellt ist eine Person 10, die sich auf dem
Fahrzeugsitz 2 angelehnt an die Sitzlehne 4 befindet. Mit der
Sende- und Empfangseinheit 9 verbunden ist eine Auswerteeinheit
12 verbunden.
Die Sende- und Empfangseinheit 9 empfängt das Sensor-Reflektorsignal
R und demoduliert es beispielsweise mit Hilfe des bekannten FM-CW-Radarverfahrens
(frequency modulated continues wave) oder eines anderen geeigneten Verfahrens. Somit
erhält man in der Sende- und Empfangseinheit 9 ein meist niederfrequentes
Messsignal, das hinsichtlich der Anwesenheit, der Position und der Gewichtskraft
der Person (10) ausgewertet werden kann. Die Auswertung erfolgt dabei in
einer Auswerteeinheit 12. Sie ist beispielsweise Bestandteil des Insassenschutzsystems,
vorzugsweise wird sie durch einen Kontroller der Steuereinheit des Insassenschutzsystems
gebildet oder sie ist als Recheneinheit innerhalb der Sende- und Empfangseinheit
9 angeordnet oder aber zumindest damit verbunden und kann die ermittelten
Informationen über den Fahrgast 10zumindest an das Insassenschutzsystem
senden, woraufhin dieses die Auslösung eines Insassenrückhaltemittels nötigenfalls
anpasst.
Eine entsprechende Zuordnung der Sensor-Reflektorsignale R zu den
zugehörigen Sensor-Reflektoren kann beispielsweise durch eine individuelle Codierung
der Sensor-Reflektorsignale R jedes Sensor-Reflektors erreicht werden, wie eingangs
bereits erwähnt.
3 zeigt eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispiels für einen Sensor-Reflektor 6 gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Er weist eine Antenne
A auf, die an ihrem einen Ende mit einer ersten Elektrode C11 eines Kondensators
C10 und einem ersten Anschluss L1 einer Spule L verbunden ist, die zusammen einen
Parallelschwingkreis bilden. Die zweite Elektrode C12 des Kondensators C10 und ein
zweiter Anschluss L2 der Spule L sind mit dem gemeinsamen Masseanschluss GRD verbunden.
Abhängig von der Resonanzgüte des Parallelschwingkreises LC werden
alle Schwingungen um so stärker bedämpft je weiter ihre Schwingungsfrequenz f von
der Resonanzfrequenz fres des Parallelschwingkreises LC abweicht. Eine
maximale Amplitude des von der Antenne A empfangenen Signals T und des von der Antenne
A reflektierten Sensor-Reflektorsignals R liegt bei der Resonanzfrequenz fres
des Parallelschwingkreises LC vor.
Die Resonanzfrequenz fres des dargestellten Parallelschwingkreises
LC kann durch die Formel
beschrieben werden, wobei L die Induktivität der Spule L ist und C die Kapazität
des Kondensators C10.
Wie die typischerweise verwendeten Trägerfrequenzen f im Bereich der
bekannten Reflektoren für die Insassenerkennung beispielsweise in einem Frequenzband
von ca. 80 Megahertz um 2,45 Gigahertz liegen, kann auch die gewichtsabhängige Resonanzfrequenz
fres des Parallelschwingkreises LC vorzugsweise innerhalb dieses Trägerfrequenzbandes
gewichtsabhängig variieren. Werden mehrere Sensor-Reflektoren 6 verwendet,
so ist es zur Zuordnung der von der Sende- und Empfangseinheit 9 empfangenen
Sensor-Reflektorsignale R zu den einzelnen Sensor-Reflektoren 6 von Vorteil,
wenn die zu jedem Sensor-Reflektor 6 gehörige Resonanzfrequenz fres
gewichtsabhängig nur in einem jeweils unterschiedlichen, schmalbandigeren Resonanzfrequenzband
variieren kann, wobei alle Resonanzfrequenzbänder der Sensor-Reflektoren
6 innerhalb des von der Sende- und Empfangseinheit 9 ausgesendeten
Trägerfrequenzbandes liegen.
Die Sende- und Empfangseinheit 9 sendet Sendesignale T breitbandig
aus, beispielsweise von einer untersten Frequenz f = 2,45 Gigahertz – 40 Megahertz
bis zu einer obersten Frequenz f = 2,45 Gigahertz + 40 Megahertz. Jeder der Sensor-Reflektoren
6 reflektiert die empfangene Strahlung mit einer maximalen Amplitude in
einem für den jeweiligen Sensor-Reflektor 6 spezifischen Frequenzband um
seine aktuelle Resonanzfrequenz fres: Ist ein Sensor-Reflektor (6)
mit einer Gewichtskraft F⇀ beaufschlagt, so verringert
sich seine Resonanzfrequenz fres nach den oben genannten Formeln [1]
und [2].
Die Sensor-Reflektorsignale R aller Sensor-Reflektoren können aber
auch alle innerhalb des gleichen Frequenzbandes gewichtsabhängig variierend reflektieren.
Eine entsprechende Zuordnung der Sensor-Reflektorsignale R kann dann beispielsweise
wiederum durch eine individuelle Codierung der Sensor-Reflektorsignale R jedes Sensor-Reflektors
erreicht werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung
von typischen Sensor-Reflektorsignalen R der bevorzugten zweite Ausführungsform
der Erfindung der 3, aufgetragen über die Trägerfrequenz
f für a) einen unbelasteten Sensor-Reflektor 6 und für b) einen gewichtsbelasteten
Sensor-Reflektor 6. Die 6a) zeigt einen Resonanz-Peak
des Sensor-Reflektorsignals R mit einem Maximum bei der Resonanzfrequenz fres,d1
und einem Kondensatorelektrodenabstand d1. 6b) zeigt
den Resonanz-Peak um eine Resonanzfrequenz fres,d2. Diese Resonanzfrequenz
fres stellt sich ein, wenn eine Kraft F⇀ die erste
Kondensatorelektrode C11 bis auf einen Abstand d2 an die zweite Kondensatorelektrode
C12 genähert. Durch die Verringerung des Elektrodenabstands d verschiebt sich die
Resonanzfrequenz fres des Parallelschwingkreises LC um einen Frequenzunterschied
&Dgr;fres. Dieser Wert stellt ein Maß für die auf den jeweiligen Sensor-Reflektor
6 einwirkende Gewichtskraft F⇀ dar und gibt
somit eine Gewichtsinformation über die auf dem Fahrzeugsitz befindliche Person
10 wieder. Über den gesamten Gewichtsmessbereich ergibt sich beispielsweise
eine maximale Frequenzverschiebung &Dgr;fres von mehreren 10 KHz.
Die Auswerteeinheit 12 kann die Frequenzlage der maximalen
Amplitude des Sensor-Reflektorsignals R bei der Resonanzfrequenz fres
feststellen und auf die durch ein Gewicht hervorgerufene Frequenzverschiebung &Dgr;fres
als Gewichtsinformation auswerten.
5 zeigt einen Fahrzeugsitz
2 mit einer Fahrzeugsitzlehne 4, einer Kopfstütze 5 und
einer Fahrzeugsitzoberfläche 2. Eingezeichnet sind bevorzugte Anbringungsorte
von erfindungsgemäßen Sensor-Reflektoren 6 auf dem Fahrzeugsitz
2. Um das Gewicht eines Fahrzeuginsassen 10 und darüber hinausgehend
sogar seine Gewichtsverteilung auf dem Kraftfahrzeugsitz möglichst genau erfassen
zu können, ist es von Vorteil, möglichst viele Sensorreflektoren 6 auf
der Fahrzeugsitzoberfläche 3 anzuordnen. Um außerdem noch mehr über seine
genaue Sitzposition zu erfahren, ist es von Vorteil, Sensor-Reflektoren
6 auch in der Fahrzeugsitzlehne 4 und in der Kopfstütze
5 anzubringen. So kann man beispielsweise herausfinden, ob ein Fahrzeuginsasse
10 an die Fahrzeugsitzlehne 4 angelehnt ist oder ob sein Kopf
auf die Kopfstütze drückt.
Ein sowohl für die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1 als auch für die zweite Ausführungsform gemäß
3 geeigneter gewichtssensitiver Kondensator C10 ist
beispielsweise ein freigeätzter Hohlraum in einem mikromechanischen Halbleiterchip,
bei dem die Kondensatorplatten durch das Halbleitermaterial des Chips voneinander
auf Abstand gehalten werden. Es ist aber auch möglich, einen geeigneten Kondensator
C10 aus parallel angeordneten Elastomerfolien aufzubauen oder ähnliches. Die beiden
Kondensatorplatten C11 und C12 sind insbesondere parallel zur größten Flächenausdehnung
des Sensor-Reflektors 6 und parallel zu einer Kraftaufnahmefläche des Fahrzeugsitzes
2 auf diesem angeordnet, beispielsweise parallel zur Sitzoberfläche
3. Bei einer mikromechanischen Realisierung des Kondensators C10 auf einem
Halbleiterchip kann vorteilhafterweise auch weitere Elektronik auf dem Chip angeordnet
sein.
6a zeigt einen schematischen Querschnitt
durch einen geeigneten Kondensator C10 mit einem ersten Anschluss C11, dessen Bezugszeichen
zugleich die erste Kondensatorplatte C11 bezeichnet, und einem zweiten Anschluss
C12, dessen Bezugszeichen zugleich die zweite Kondensatorplatte C12 bezeichnet.
Wirkt eine Kraft F⇀ ≤ 0 auf die erste Kondensatorplatte
C11 so wird diese strichliert eingezeichnete Kondensatorplatte C11 nicht ausgelenkt.
Ihr Abstand zu der zweiten Kondensatorplatte C12 ist d1. Wirkt jedoch
eine F⇀ > 0 auf die erste Kondensatorplatte C11, so
wird diese bis auf einen Abstand d2 an die zweite Kondensatorplatte C12
angenähert. 5a zeigt beispielsweise einen Halbleiterkondensator
C oder auch einen Folienkondensator C, bei denen jeweils die erste Kondensatorplatte
C11 mittig durchgebogen wird.
6b zeigt einen geeigneten sog. Fingerkondensator
C10, wobei die erste Kondensatorelektrode C11 eine fingerartige Struktur aufweist,
die auf Abstand gehalten wird zu einer zweiten Kondensatorelektrode C12 mit einer
entsprechend komplementären Fingerstruktur, die in die Fingerstruktur der ersten
Kondensatorelektrode C11 bei Annäherung eingreifen kann, ohne die erste Kondensatorelektrode
C11 elektrisch zu kontaktieren. Wie in 5a ist die Position
der ersten Kondensatorelektrode C12 ohne Krafteinwirkung oder bei negativer Krafteinwirkung
strichliert eingezeichnet und mit Krafteinwirkung in durchgezogener Linie. Dementsprechend
sind die Abstände zur unteren Kondensatorplatte C12 wieder als größeres d1 und als
kleineres d2 eingezeichnet. Auch ein solcher Fingerkondensator C10 kann ebenfalls
in Halbleiterstruktur gefertigt werden, wobei die gezeigte 5b
beispielsweise als Ausschnitt der mittig durchgebogenen Kondensatorstruktur der
5a zu verstehen ist.
Anspruch[de]
Vorrichtung zum Erkennen der Position und des Gewichts mindestens einer
Person (10) mit
– einer mindestens einer Sende- und Empfangseinheit (9) für elektromagnetische
Signale,
– mindestens einem Sensor-Reflektor (6) mit einer Antenne (A) zum
Reflektieren eines Sendesignals (T) der Sende- und Empfangseinheit (9)
als Sensor-Reflektorsignal (R),
– einer Auswerteeinheit (12), die mit der Sende- und Empfangseinheit
(9) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Antenne (A) jedes Sensor-Reflektors (6) mit einer jeweils zugehörigen,
gewichtsabhängig veränderlichen elektrischen Last (Z) verbunden ist,
– das Sensor-Reflektorsignal (R) eine von der Last (Z) aufgeprägte Gewichtsinformation
über die Person (10) enthält und
– die Auswerteeinheit (12) Mittel zur Auswertung der Gewichtsinformation
über die Person (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung
einen Oszillator (OSC) aufweist, der bei einer gewichtsabhängigen Schwingungsfrequenz
(f) schwingt und dadurch die Last (Z) gewichtsabhängig verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Last (Z) einen Schalter (S10) aufweist,
– dessen erster Anschluss (S11) mit der Antenne (A) verbunden ist,
– dessen Steueranschluss (S13) mit eine Signalausgang (f out) des Oszillators
(OSC) verbunden ist und
– dessen zweiter Anschluss (S12) mit einem Bezugspotential (GRD) verbunden
ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Oszillator (OSC) ein schwingungsfrequenzbeeinflussendes Bauelement (C10) aufweist
mit einem für das Bauelement (C10) charakteristischen, gewichtsabhängigen Wert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsfrequenzbeeinflussende
Bauelement (C10) ein Kondensator (C10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Last (Z) durch einen Schwingkreis (LC) gebildet wird,
– dessen Resonanzfrequenz (fres) gewichtsabhängig ist und dadurch
– die Amplitude des Sensor-Reflektorsignals (R) einen maximalen Wert bei der
Resonanzfrequenz (fres) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis
(OSC) ein resonanzfrequenzbeeinflussendes Bauelement (C10) aufweist mit einem für
das Bauelement (C10) charakteristischen, gewichtsabhängigen Wert.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Last durch einen Serien- oder Parallelschwingkreis mit je einem Kondensator (C10)
und einer Spule (L) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
resonanzfrequenzbeeinflussende Bauelement (C10) ein Kondensator (C10) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung mehrere Sensor-Reflektoren (6) aufweist, die an der
Sitzfläche und/oder an der Sitzlehne (4) und/oder an der Kopfstütze (5)
eines Fahrzeugsitzes (2) angebracht sind.
Sensor-Reflektor (6) zum Erkennen der Position und des Gewichts
mindestens einer Person (10), mit einer Antenne (A) zum Reflektieren eines
Sendesignals (T) einer Sende- und Empfangseinheit (9) als Sensor-Reflektorsignal
(R) und mit einer elektrischen Last, die mit der Antenne (A) verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, dass
– die Last (Z) einen gewichtsabhängig veränderlichen Wert aufweist und
– das Sensor-Reflektorsignal (R) eine von der Last (Z) aufgeprägte Gewichtsinformation
über die Person (10) enthält.
Verfahren zum Erkennen der Position und der Gewichtskraft mindestens
einer Person (10) bei der mindestens eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche verwendet wird und folgende Verfahrenschritte ablaufen:
– Aussenden eines Sendesignals (T) durch die Sende- und Empfangseinheit (9),
– Empfangen des Sendesignals (T) durch den Sensor-Reflektor (6),
– Aufprägen einer Gewichtsinformation über die Person (10) auf das
Empfangssignal durch den Sensor-Reflektor (6),
– Reflektieren des mit der Gewichtinformation versehenen Empfangssignals als
Sensor-Reflektorsignal (R),
– Empfangen des Sensor-Reflektorsignals (R) durch die Sende- und Empfangseinheit
(9) und
– Bestimmen der Gewichtsinformation über die Person (10) aus dem
von der Sende- und Empfangseinheit (9) empfangenen Sensor-Reflektorsignal
(R).
