Flexibles Flächenmaterial sowie Polster mit einem solchen Bezugsmaterial

Die Erfindung betrifft ein flexibles Flächenmaterial mit in dem Flächenmaterial integrierten Sensor- oder Signalelementen, welches an seinen Umgebungszustand angepasst werden kann oder entsprechend veränderbar ist. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Polster bzw. eine Polsterauflage mit einem solchen flexiblen Flächenmaterial als Bezugsmaterial sowie eine Kraftfahrzeugsitz mit einem solchen Polster.

Flexible Flächenmaterialien mit Sensor- oder Signalelementen sind insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Ausgangspunkt sind hier Überlegungen zur „Funktionalisierung" von Oberflächen bzw. der Beschichtungsfolien im Innenraum von Kraftfahrzeugen da gerade im Kfz-Innenraum eine Vielzahl von Funktionen durch die Fahrzeuginsassen geregelt und gesteuert werden müssen, z.B. die Klimaanlage,

Heizfunktionen, Betätigung der Fensterheber, Einstellung von Spiegeln und Lampen, Musikanlageneinstellungen, Navigationsgeräteinsellungen, Bedienung von

Kommunikationsgeräten etc.

Zur Bedienung dieser Funktionen waren und sind bisher in der Regel eine Vielzahl von separaten und in die Oberflächen von z.B. Armaturenbrett und Türverkleidung

eingelassene Regler, Schalter und Einstelltaster etc. als„Human to Machine Interface (HMI) " notwendig, die bei der Innenraumgestaltung von den Designern berücksichtigt werden müssen und häufig die Designlinie im Innenraum stören. Zudem wirkt die Vielzahl von sichtbaren Einstellmöglichkeiten in modernen Fahrzeugen häufig unübersichtlich und erschwert dadurch eine intuitive Bedienung. Es ist daher, wie gesagt, bereits bekannt, zur Bereitstellung von Bedienfunktionen in die Bedienoberfiäche von Gegenständen eine Sensorik zu integrieren. Bei flexiblen Folien mit genarbten oder geprägten Oberflächen, wie z.B. bei Kunst lederfolien für den

Automobilinnenraum, die nicht nur extremen Dehnungen bei der Herstellung und beim Aufbringen auf die festen Trägen unterworfen sind, sondern auch höchsten

Temperaturschwankungen im Betrieb, ist die Integration von Sensorik jedoch schwierig und deshalb bisher nicht umfassend durchgesetzt.

Auf der anderen Seite sind Berührungssensoren als HMI in vielen anderen Fachgebieten schon etabliert, z.B. als touch-screen-Einrichtungen bei Smartphones oder Tablet-

Computern. Solche Bedienungselemente oder -funktionen ermöglichen eine intuitive Bedienung bei gleichzeitiger Vermeidung mechanischer Knöpfe, Schalter, Drehregler oder Einstellräder. Ähnliche Entwicklungen wie bei den genannten Bedienelementen auf anderen Gebieten sind auch erfolgt bei den auf die Insassen eines Fahrzeugs erforderlichen Anpassungen zur Einstellungen von Fahrzeugeinrichtungen, wie etwa Sitze, Spiegeleinstellungen,

Lenkradhöhen etc. Hier sind jedoch eher Systeme erwünscht, die automatisch erkennen können, welcher Insasse vorhanden ist und die dessen bevorzugte Grundeinstellung bei den Fahrzeugeinrichtungen einstellen.

Bekannt sind diesbezüglich beispielsweise Sensoriksysteme zur Anwendung bei

Sitzelementen insbesondere zur Passagiererkennung und -Überwachung. So offenbart z.B. die DE 10 2011 085 263 B4 ein Sensorelement zur Erkennung der Sitzbelegung, welches eine Messspule sowie eine die Messspule umgebendes und eine weitere Federspule bildendes Doppelfederelement aufweist. Die Messspule wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Durch die induktive Kopplung zwischen Messspule und Federspule wird dann in der Messspule eine Spannung induziert, die einer Krafteinwirkung auf die

Federspule und damit auf ein Sitzelement proportional ist. Ein solches

elektromechanisches Sensorelement ist als Einzellösung in Sitzen sicher möglich, jedoch nicht zur Integration in Flächenelemente geeignet. Die DE 602 06 786 T2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Gewichtsparametern eines Sitzpassagiers, bei dem mindestens zwei Parameter eines Belegungssensors ermittelt werden und über eine Korrelation ein Wahrscheinlichkeitsvektor bestimmt wird, der es erlaubt, einen bestimmten Sitzpassagier zu erkennen.

Die DE 10 2012 002 037 AI offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung von

Fahrerzustandsanalysen, bei der am Rücken des Fahrers bzw. in der Rückenlehne eines Fahrersitzes angeordnete flach ausgebildete Elektromyografie-Sensoren (EMG Sensoren) anhand von mathematischen Vitalanalysen den Fahrerzustand bestimmen sollen.

Allgemein sind dekorative Flächenmaterialien im KFZ-Innenraum bei einer Vielzahl von Gegenständen bekannt. So weisen z. B. Armaturenbretter, Sitzbezüge und

Türverkleidungen für Kraftfahrzeuge Leder- oder Textilbezüge auf, oder auch kunstlederne Innenverkleidungen / Kunststoffinnenverkleidungenmit dreidimensional geprägter Oberflächen bzw. Narbung.

Folien für die Innenverkleidung von Kraftfahrzeugen, für Möbel, Taschen oder ähnliches, landläufig auch als Kunstleder bezeichnet, besitzen oft einen mehrschichtigen Aufbau, sind oft unterschäumt und zeigen auf ihrer Oberseite dreidimensional strukturierte Oberflächen in verschiedensten Formen und Ausführungen. Der mehrschichtige Aufbau besteht in aller Regel aus einer oberen Deck- oder Dekorschicht, die mit der geprägten oder eingeformten Oberfläche versehen ist, und aus einer oder mehreren Unterschichten. Die Deckschicht ist in der Regel mit einer Lackschicht versehen und kann auch eingefärbt werden. Durch entsprechendes Einstellen der Schichten, auch durch angepasste Weichheit oder durch die bereits genannten geschäumten Schichten entsteht eine ansprechende Haptik, d.h. eine angenehm„weiche" Griffigkeit der Kunststofffolie sowie auch ein bestimmter Glanz, d.h. bestimmte Reflexionseigenschaften. Weiterhin sind flächige Sensoren bekannt, beispielsweise ausgebildet als

Berührungssensoren, als resistive und kapazitive Systeme. Resistive Systeme beruhen in der Regel auf zwei Lagen mit elektrisch leitendem oder halbleitendem Material (häufig ITO = Indium-Zinnoxid), wobei beide Lagen durch eine dünne Luftschicht oder

Mikropunkte beabstandet sind. Durch Druck auf eine bestimmte Stelle werden beide Lagen kontaktiert und ein elektrisches Messsignal, welches durch die untere Lage gesendet wird, wird dadurch verändert. Dadurch lässt sich der Berührungspunkt lokalisieren. Solche Systeme sind Standard für starre Anwendungen wie Displays von Telefonen und und ähnlichen Bediengeräten. Flexible und gleichzeitig dehnfähige Anwendungen lassen sich jedoch so nicht realisieren. Kapazitive Berührungssensoren beruhen auf einem kapazitiven Kupplungseffekt. Durch eine geeignete Beschichtung eines Substrats können auch eine Vielzahl voneinander unabhängige Berührungssensoren realisiert werden, die auch die gleichzeitige Detektion einer Vielzahl von Berührungspunkten erlauben. Typischerweise ist die zu berührende Fläche mit einem Sensor- Array, d.h. mit einer Anordnung einer Vielzahl von horizontalen und vertikalen Sensoren versehen, die als Sender oder Empfänger elektrischer Signale dienen. Ein solches System offenbart die US 2006097991 AI, wobei dort ein so genanntes „Touch-Panel" gezeigt ist, welches eine transparente kapazitive Sensor anordnung aufweist, die unterschiedliche Positionen von Berührungen auf der Bedienfläche oder Funktionsfläche erkennen und in Signale umformen kann.

Bekannt sind auch Sensoren auf Basis von leitfähigen Textilien. Solche Sensoren sind flexibel und dehnfähig. Allerdings müssen die leitfähigen textilen Fäden in üblichen textilen Verarbeitungsverfahren (Stricken, Weben etc.) verarbeitet werden, so dass nur flächige einzelne/separate elektrische Gebilde erzeugt werden können, ohne eine benutzerdefinierte Geometrie. Die Alternative wäre, die leitfähigen Fäden

benutzerdefiniert auf einen textilen Untergrund aufzusticken, so dass ein aufwändiger Arbeitsgang notwendig ist und die gleichmäßige Dicke des Materials, die textile Ebenheit, schlechter wird. Die US 7,145,432 B2 offenbart ein druckempfindliches flexibles Schaltelement in

Folienform als Bedienungselement (user interface), welches textilartige Elektroden aufweist, die über und unter einem textilen Element angeordnet sind, welches seinen elektrischen Widerstand druckabhängig ändert. Die Elektroden detektieren die

Widerstandsänderung und erzeugen somit ein in vielen Anwendungen verwertbares Signal. Wird ein solches Bedienelement jedoch unter starker Dehnung auf einen Träger gespannt und dort fixiert, ist in den gedehnten Bereichen die Schaltfunktion verändert oder behindert.

In keinem Fall ist bisher aber ein Flächengebilde vorgestellt worden, insbesondere ein dekoratives Flächenmaterial, das auf Zustandsänderungen„reagieren" und sich verändern oder anpassen kann.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, ein Flächenmaterial bereitzustellen, insbesondere für Sitzpolster im Fahrzeug, wobei das Flächenmaterial flexibel und dehnfähig als Oberflächen- bzw. Dekorfiächenmaterial eingesetzt werden kann, also etwa als dekorative Folie im Kfz-Innenraum, wobei das Flächenmaterial abhängig von

Sensorsignalen an seine Belastung bzw. an den Umgebungszustand angepasst werden kann oder veränderbar ist und insbesondere eine individuelle Einstellung auf den jeweiligen Fahrzeuginsassen ermöglicht, und das dazu auch noch ohne zu große Schwierigkeiten herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart, besondere Anwendungen in den Nebenansprüchen.

Dabei weist das Flächenmaterial integrierte Sensor- oder Signalelementen auf, sowie in Wirkverbindung mit dem Flächenmaterial stehende Aktoren oder Stellelemente. Darüber hinaus sind

sowohl die Sensor- oder Signalelemente als auch die Aktoren oder Stellelemente jeweils begrenzten Bereichen des Flächenmaterials zugeordnet,

wobei die Signalelemente mit Eingangskanälen eines elektronischen Steuergeräts und die Aktoren oder Stellelemente mit Ausgangskanälen des elektronischen Steuergeräts so verbunden sind, dass Sensorsignale von den Signalelementen an das Steuergerät und Stellsignale vom Steuergerät an die Aktoren übermittelbar sind,

wobei die Sensor- oder Signalelemente so ausgebildet und angeordnet sind, dass durch äußere Einwirkungen veränderbare Zustandsgrößen der begrenzten

Bereiche des Flächenmaterials detektierbar und als entsprechende Sensorsignale an das Steuergerät übermittelbar sind,

wobei die Aktoren oder Stellelemente so angeordnet sind, dass das

Flächenmaterial bzw. dessen Zustandsgrößen in den begrenzten Bereichen durch die anhand der Stellsignale aktivierten Aktoren oder Stellelemente veränderbar ist, wobei die Stellsignale abhängig von den Sensorsignalen im Steuergerät nach vorgegebenen

Algorithmen erzeugbar sind.

Damit erhält man ein Flächenmaterial oder Flächengebilde, das auf Zustandsänderungen „reagieren" und sich verändern oder anpassen kann, also beispielsweise seine Oberfläche an eine einwirkende Belastung oder an eine benachbarte, anliegende Gegenstandoberfläche anpassen kann. Das erfindungsgemäße Flächenmaterial weist somit eine„natürliche" Reaktion auf gegenüberliegende Gegenstände, Belastungen oder Umgebungseinflüsse auf.

Als Aktor oder Aktuator bezeichnet man dabei ein Stell- oder Funktionselement, das auf ein Signal, oft ein elektrisches oder pneumatisches Signal reagiert und das Signal in eine i.d.R. mechanische Größe umformt bzw. umsetzt. Unter dem Begriff„Aktorik", oft auch als Aktuatorik bezeichnet, versteht man allgemein ein aus mehreren Komponenten bestehendes System bzw. eine Einrichtung zur aktiven Erzeugen einer mechanischen Veränderung, einer Zustandsänderung, einer Bewegung oder einer Verformung durch entsprechende Stellelemente.

Das Flächenmaterial als solches kann dabei in Wirkverbindung mit dem Flächenmaterial stehende Aktoren oder Stellelemente aufweisen oder aber lediglich eine Wirkverbindung mit Aktoren oder Stellelementen aufweisen, die nicht notwendigerweise in oder an dem Flächenmaterial als solchem angeordnet sind, die aber auf das Flächenmaterial einwirken. Die Erfindung betrifft damit sozusagen ein dem Flächenelement/dem Flächenmaterial zuzuordnendes Gesamtsystem aus Sensor-und Signalelementen, Steuerungseinrichtung oder Steuergerät, Aktoren und einer sie verbindenden Schaltung und geometrischen Anordnung bzw. Wirkverbindung.

Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Flächenmaterial aus polymerem Material besteht und eine mit einer mit einer Narbung oder Prägung versehenen Oberfläche aufweist, besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass wobei die in dem

Flächenmaterial integrierten Sensor- oder Signalelemente als eine oder mehrere Schichten leitfähigen Materials ausgebildet sind, vorzugsweise als induktiv, kapazitiv oder triboelektrisch auf Zustandsänderungen der begrenzten Bereiche reagierende Schichten, vorzugsweise mehrere miteinander reagierende Schichten. Auf diese Weise lässt sich die Sensor-und Signalfunktion einfach innerhalb des Flächenelementes integrieren, indem nämlich -möglichst bereichsweise - einzelne miteinander reagierende leitfähige Schichten vorgesehen sind, die dann die für das Steuergerät und für den Betrieb der Stellelemente benötigten Signale erzeugen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung solcher schichtförmigen Sensor- oder Signalelemente besteht darin, dass die Schichten leitfähigen Materials in Form einer leitfähigen Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht sind. Das wiederum erleichtert das Aufbringen solcher Schichten und erlaubt ein kostengünstiges Herstellungsverfahren.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass ein erfindungsgemäßes

Flächengebilde eine textile Struktur aufweist, vorzugsweise textiles Gewirke oder Gewebe, wobei die in dem Flächenmaterial integrierten Sensor- oder Signalelemente als leitfähige Fäden innerhalb der texilen Struktur ausgebildet sind, die induktiv, kapazitiv oder triboelektrisch auf Zustandsänderungen der begrenzten Bereiche reagieren, vorzugsweise im Zusammenwirken miteinander reagieren. Eine solche textile Struktur dient einerseits der Verstärkung des Flächengebildes und andererseits auch der Bereitstellung einer besonderen Haptik. Dadurch, dass das Gewirke oder Gewebe gleichzeitig auch noch als Signalelement dienen kann, vereinigt man mehrere Funktionen in einem einzigen Bauteil.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass im Steuergerät ein

Speichermedium vorgesehen ist, in welchem sowohl die Sensorsignale der durch äußere Einwirkungen veränderten Zustandsgrößen als auch die entsprechenden im Steuergerät hierzu erzeugten Stellsignale speicherbar und einem spezifischen Belastungsfall zuzuordnen sind, wobei ein Algorithmus zur Erstellung einer Katalogdatei mit abrufbaren und den Sensorsignalen zuzuordnenden Belastungsfällen und den zugehörigen jeweils zur Veränderung der Zustandsgrößen der begrenzten Bereiche des Flächenmaterials erforderlichen Stellsignalen für die Stellelemente vorgesehen ist. Durch eine solche

Ausbildung des Flächengebildes, des Speichers und des gesamten Systems ist es möglich, bereits bekannte Belastungsfälle und die entsprechende Reaktion des Flächengebildes darauf in einer Art Datenbank in Form einer Katalogdatei abzuspeichern und wieder aufzurufen, denn von den Signalelementen/ dem Algorithmus erkannt wird, dass der gleiche Belastungsfall wieder auftritt. Insoweit lässt sich eine Individualisierung der Reaktion des Flächengebildes erreichen, beispielsweise das Wiedererkennen einzelner Personen, die ein solches Flächenelement benutzen oder unter Krafteinwirkung

beeinflussen, und die entsprechende Einstellung der Aktoren bzw. das Abrufen

gespeicherter Stellsignale.

In besonderer Weise ist ein solches flexibles Flächenmaterial für eine Polsterung bzw. für ein Polster geeignet. Dementsprechend ist unter Berücksichtigung einer einzigen zugrundeliegenden erfinderischen Idee die Erfindung auch auf ein Polster für ein Ruheoder Sitzmöbel gerichtet, welches ein erfindungsgemäßes flexibles Flächenmaterial aufweist. Dabei ist das flexible Flächenmaterial vorzugsweise als flächiges Bezugsmaterial für das Polster ausgebildet, wobei das Polster weiterhin mehrere einzelne Polsterelemente oder Polsterkörper aufweist, die durch ein oder mehrere Befülleinrichtungen mit einem Medium befüllbar sind. Die in dem flexiblen Flächenmaterial integrierten Sensor- oder Signalelemente sind so angeordnet, dass der Zustand bzw. Befüllzustand einer oder mehrerer Polsterelemente in begrenzten Bereichen des Polsters detektierbar ist und entsprechende Sensorsignale an das Steuergerät übermittelbar sind. Dabei sind die Signalelemente mit Eingangskanälen eines elektronischen Steuergeräts und die Befülleinrichtungen mit Ausgangskanälen des elektronischen Steuergeräts so verbunden, dass Sensorsignale von den Signalelementen an das Steuergerät und Stellsignale vom Steuergerät an die Befülleinrichtungen übermittelbar sind, wobei die Befülleinrichtungen so angeordnet sind, dass die Polsterelemente anhand von Stellsignalen befüllbar oder zu entlüften sind, die abhängig von den Sensorsignalen im Steuergerät nach vorgegebenen Algorithmen erzeugbar sind. Die Sensor-und Signalelemente sind hierbei beispielsweise innerhalb des Flächenmaterials als einfache Drucksensoren ausgebildet und können so punktuelle Eindrückvorgänge detektieren und dann über das Steuergerät nach einem vorgegebenen Algorithmus hinter dem Flächenmaterial liegende Polsterkörper über entsprechende Stellsignale an eine Befülleinrichtung mehr oder weniger aufpumpen oder entlasten. Ein solches Polster, beispielsweise als Polster für einen Sitz oder eine Liege, weist einen erhöhten Komfort auf und ermöglicht die Einstellung einer individuellen Sitzpassform. Die Drucksensoren sind dabei im einfachsten Fall so ausgebildet, dass mindestens ein Drucksensor einem

Bezugsmaterial/Flächenmaterial eines Polsterelements zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft lässt sich ein solches Polster für einen Kraftfahrzeugsitz verwenden, wobei die Polsterelemente oder Polsterkörper als Sitz-, Seiten- oder

Rückenpolsterelemente in Form von Luftpolsterelemente ausgebildet sind.

Dadurch ergibt sich nicht nur ein erhöhte Sicherheit durch beispielsweise eine Optimierung des Seitenhalts für den Fahrer, sondern es lässt sich im Zusammenwirken mit der oben bereits beschriebenen Erstellung einer Katalogdatei mit abrufbaren und den Sensorsignalen zuzuordnenden Belastungsfällen auch eine umfassende Individualisierung der Port Einstellung auf den jeweiligen Fahrer bzw. auf die Insassen durchführen. Außerdem ist durch die Ausbildung der Aktoren als Befülleinrichtungen für

Luftpolsterelemente ein in vielen Kraftfahrzeugen schon verfügbares Medium, nämlich Druckluft, nutzbar, beispielsweise bereitgestellt über einen im Fahrzeug befindlichen Kompressor und/oder Druckspeicher.

Die Passform bzw. die Polsterung eines solchen Kraftfahrzeugsitzes kann intuitiv durch den Nutzer optimiert und auf seine beste Sitzhaltung angepasst werden. Das hierzu erforderliche Verfahren zur Anpassung besteht einfach darin, dass die Luftpolsterelemente bzw. das Flächenmaterial/Bezugsmaterial der jeweiligen Luftpolsterelemente mit den integrierten Sensoren beispielsweise durch Körperbewegungen, durch Drücken oder Pumpgesten einzeln oder auch gemeinsam/ symmetrisch angesprochen und zur

Signalabgabe veranlasst werden können. Über das Steuergerät werden dann die

entsprechenden Aktoren/Befülleinrichtungen angesprochen. Es findet dann solange ein Befüllen oder Entlüften der Polsterelemente statt, bis die optimale Sitzposition erreicht ist. Eine solche Anpassung kann auch fortlaufend erfolgen, so dass über die Zeit immer wieder eine andere, temporär entlastende Sitzposition eingestellt wird.