DE10058986A1

DE10058986A1 - Körperschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE10058986A1
Application number: DE2000158986
Authority: DE
Inventors: Stefan Hermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: DE10058986B4

Abstract

Eine Körperschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug weist zumindest eine Schwingmasse (2) auf, die mit zumindest einem Piezoelement (4) zusammenwirkt. Ferner ist eine Leiterplatte (8) vorgesehen, wobei das Piezoelement (4) in einem Bereich zwischen der Schwingmasse (2) und der Leiterplatte (8) angeordnet ist und unmittelbar oder mittelbar die Leiterplatte (8) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Körperschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, ist es be kannt piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer als Aufprall sensoren zu verwenden, z. B. zum Auslösen von Gurtstraffer systemen oder zum Auslösen einer Airbagfüllautomatik, wobei sich bei einem Aufprall die Gurte straffen bzw. vor dem Fah rer ein Airbag aufbläst. Hierbei erfassen die Sensoren bei spielsweise die Fahrzeugverzögerungen und/oder den im Fahr zeug infolge eines Aufpralls auftretenden Körperschall und lösen die Insassenschutzeinrichtungen, wie z. B. Airbags oder Gurtstraffersysteme aus.

Bekannte derartige Sensoren weisen üblicherweise ein Piezo element auf, das mit einer Schwingmasse beladen ist. Die Schwingmasse und das Piezoelement sind über eine Schraubver bindung in einem Gehäuse des Sensors unter Vorspannung einer Feder befestigt. Hierbei ist das Gehäuse an der Karosserie des Fahrzeugs montiert. Bei einem Aufprall werden die von der Schwingmasse proportional zu den Schwingungen der Karosserie des Fahrzeugs ausgeübten Impulse auf das Piezoelement über tragen. Das Piezoelement erzeugt daraufhin ein entsprechendes elektrisches Signal, das in einer außerhalb des Sensors ange ordneten Steuereinrichtung gemessen und ausgewertet wird. Die Befestigung des Piezoelementes und der Schwingmasse in dem Gehäuse über die Schraub- und Federverbindung ist jedoch ver gleichsweise kompliziert. Ferner ist für die Übertragung der elektrischen Ströme von dem Piezoelement zu der außerhalb des Sensors angeordneten Steuereinrichtung eine Verkabelung er forderlich. Deshalb ist der Sensor einerseits nur mit ver gleichsweise hohem Aufwand herstellbar und andererseits nur in aufwendiger Weise zu handhaben. Darüber hinaus ist die gesamte Anordnung aufwendig zu montieren und benötigt verhält nismäßig viel Einbauraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Körperschall sensorvorrichtung für ein Fahrzeug zu schaffen, die einfach und kompakt aufgebaut sowie leicht herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 be schriebene Körperschallsensorvorrichtung.

Demzufolge weist die erfindungsgemäße Körperschallsensorvor richtung für ein Fahrzeug zumindest eine Schwingmasse auf, die mit zumindest einem Piezoelement zusammenwirkt. Hierbei ist das Piezoelement derart an der Schwingmasse angebracht, dass von der Schwingmasse ausgehende Schwingungen unmittelbar auf das Piezoelement übertragen werden. Ferner umfasst die Körperschallsensorvorrichtung eine integrierte Leiterplatte. Auf der Leiterplatte ist das Piezoelement unmittelbar oder mittelbar angebracht. Darüber hinaus ist die Steuerelektronik einer Steuereinrichtung auf der Leiterplatte vorgesehen. Da bei werden die im Piezoelement erzeugten elektrischen Signale auf die Leiterplatte übertragen und in der Steuereinrichtung ausgewertet. Erfindungsgemäß ist das Piezoelement in der Kör perschallsensorvorrichtung in einem Bereich angeordnet, der sich zwischen der Schwingmasse und der Leiterplatte er streckt. Hierbei ist das Piezoelement derart platziert, dass es die Leiterplatte entweder unmittelbar oder mittelbar kon taktiert. Durch diese Anordnung des Piezoelement an oder in der Nähe der Leiterplatte ist der Abstand zwischen Piezoele ment und Leiterplatte gegenüber den bekannten Sensoren erheb lich verringert. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Ausbildung der Körperschallsensorvorrichtung sichergestellt. Eine aufwendige Verkabelung zwischen dem Piezoelement und der Leiterplatte ist nicht notwendig, so dass der erforderliche Einbauraum für die Körperschallsensorvorrichtung gering ist. Durch die erfindungsgemäße Befestigung des Piezoelementes mit der Schwingmasse im Bereich der Leiterplatte ist ein einfacher Aufbau sowie eine leichte Fertigung und Montage der Kör perschallsensorvorrichtung gewährleistet.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weite ren Ansprüchen beschrieben.

Es wird bevorzugt, dass das Piezoelement unmittelbar auf der Leiterplatte angebracht ist. Hierbei ist das Piezoelement vorzugsweise zumindest abschnittsweise mittels eines elekt risch leitenden Klebstoffs an der Leiterplatte angeklebt. Hierdurch ergibt sich eine sichere Kontaktierung zwischen Piezoelement und Leiterplatte, wobei eine aufwendige Verkabe lung zum Übertragung der elektrischen Ströme von dem Piezo element auf die Leiterplatte nicht erforderlich ist. Die e lektrischen Signale oder Ströme werden direkt von dem Piezo element auf die Leiterplatte übertragen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verbindungselement zwischen dem Piezoelement und der Lei terplatte vorgesehen, wobei das Verbindungselement unmittel bar auf der Leiterplatte angebracht ist. Bei dieser mittelba ren Montage des Piezoelementes ist das Piezoelement über das Verbindungselement an der Leiterplatte befestigt. Das Verbin dungselement dient zum einen einer Versteifung der Leiter platte, so dass das Piezoelement sicher an der Leiterplatte befestigt ist. Zum anderen ist es möglich, die Schwingmasse, das Piezoelement und das Verbindungselement vor der Montage zu einem Bauteil zusammenzusetzen und somit vorzufertigen. Anschließend kann das zusammengesetzte Bauteil in einem ab schließenden Fertigungsschritt als kompaktes Bauteil auf der Leiterplatte befestigt werden. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der Körperschallsensorvorrichtung erheblich.

Für den Aufbau der Körperschallsensorvorrichtung wird im we sentlichen eine sandwichartige Struktur bevorzugt. Hierbei sind die Schwingmasse, das Piezoelement, das Verbindungsele ment und/oder die Leiterplatte übereinandergeschichtet angeordnet und sandwichartig miteinander verbunden. Hierdurch ist sowohl eine einfache als auch kompakte Bauweise der Körper schallsensorvorrichtung gewährleistet.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Schwingmasse, das Piezoelement, das Verbindungselement und/ oder die Leiterplatte zumindest abschnittsweise miteinander verklebt sind. Durch die Klebung, beispielsweise mit einem e lektrische leitenden Klebstoff, wird die Herstellung erleich tert. Darüber hinaus wird bei einer Klebung zwischen der Schwingmasse und dem Piezoelement eine besonders steife Ver bindung zwischen der Schwingmasse und dem Piezoelement er zielt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Federkonstante des Piezoelementes zu höheren Werten hin verschoben. Somit kann das Piezoelement auch schnellen Signalverläufen mög lichst verzögerungsfrei folgen, so dass sich Messergebnisse mit hoher Genauigkeit erzielen lassen.

Für eine einfache und schnelle Befestigung hat es sich als günstig gezeigt, die Schwingmasse mit dem Piezoelement und wahlweise das Verbindungselement an der Leiterplatte mit ei nem Halter festzuklemmen. Hierbei fixiert und positioniert der vorzugsweise an der Leiterplatte und der Schwingmasse an gelötete Halter die Schwingmasse mit dem Piezoelement an der Leiterplatte, so dass diese Elemente sicher und in kompakter Art und Weise an der Leiterplatte befestigt sind.

Vorteilhafterweise sind das Verbindungselement, die Schwing masse und/oder der Halter aus den gleichen oder unterschied lichen, elektrisch leitfähigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, gefertigt. Hierdurch werden die elekt rischen Ströme von dem Piezoelement, und optional über das Verbindungselement, auf die Leiterplatte auf einfache Art und Weise übertragen, ohne dass eine aufwendige Verkabelung not wendig ist. Ferner dient bei dieser Ausbildung der Halter als Elektrode und bildet einen der beiden elektrischen Pole der Körperschallsensorvorrichtung aus. Der Halter übernimmt in vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion als Befestigungsmit tel und als Elektrode, wodurch sich der Aufbau der Körper schallsensorvorrichtung infolge der Reduzierung an Komponen ten vereinfacht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Körperschallsensorvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Körperschallsensorvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Körperschallsensorvorrichtung be steht aus einer Schwingmasse 2, einem Piezoelement 4, einem Verbindungselement 6, einer Leiterplatte 8 und einem Halter 10. Hierbei sind die Leiterplatte 8, das als Sockel ausgebil dete Verbindungselement 6, das Piezoelement 4 und die Schwingmasse 2 sandwichartig übereinandergeschichtet angeord net. Das Verbindungselement 6, das Piezoelement 4 sowie die Schwingmasse 2 weisen jeweils eine im wesentlichen kreisrunde und scheibenförmige Kontur mit jeweils gleichem Außenumfang auf. Die Unterseite der Schwingmasse 2 ist an der Oberseite des Piezoelementes 4 sowie die Unterseite des Piezoelementes 4 an der Oberseite des Verbindungselementes 6 angefügt, wobei die aneinandergefügten Seiten jeweils miteinander verklebt ist. Hierzu ist ein elektrisch leitender Klebstoff 11 zwi schen den aneinandergrenzanden Flächen der Schwingmasse 2 und des Piezoelementes 4 sowie des Piezoelementes 4 und des Ver bindungselementes 6 vorgesehen. Der gesamte Stapel der Kompo nenten Schwingmasse 2, Piezoelement 4 und Verbindungselement 6 bildet ein Aufnahmeteil 12, das an der Leiterplatte 8 be festigt ist. Zur Befestigung ist die Unterseite des Verbin dungselementes 6 an der Oberfläche der Leiterplatte 8 angelö tet.

Ferner ist ein Halter 10 vorgesehen, der das Aufnahmeteil 12 umklammert und an der Leiterplatte 8 fixiert und positio niert. Der Halter 10 ist im Querschnitt U-förmig ausgebildet und an einem Abschnitt der Oberseite der Schwingmasse 2 ange lötet. An seinen Endabschnitten 14 ist der Halter 10 an die Leiterplatte 8 gelötet. Für eine sichere Befestigung des Hal ters 10 an dem Aufnahmeteil 12 weist die Schwingmasse 2 an ihrer Oberseite zusätzlichen einen Befestigungsvorsprung 16 auf, der in eine Ausnehmung 18 des Halters 10 eingreift. Hierbei ist die Ausnehmung 18, die in Fig. 1 nicht zu erkennen ist, in einem Bereich des Halters 10 angeordnet, der sich zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Halters 10 er streckt. Somit ist es möglich, das Aufnahmeteil 12 sicher zwischen den beiden Schenkeln des Halters 10 auf der Leiter platte 8 zu positionieren. Der Halter 10 ist derart geformt, dass er das Aufnahmeteil 12 unter Vorspannung auf der Leiter platte 8 festhält.

Außerdem weist das Verbindungselement 6 an seiner Unterseite einen Vorsprung 20 auf, der nach unten zu der Leiterplatte 8 gerichtet ist und in eine Öffnung 22 in der Leiterplatte 8 eingreift. Durch ein Einfügen des Vorsprungs 20 des Verbin dungselementes 6 in die korrespondierende Öffnung 22 der Lei terplatte 8 ist das Aufnahmeteil 12 an einer vorbestimmten Stelle der Leiterplatte 8 positionierbar.

Das Verbindungselement 6 erhöht einerseits die Steifigkeit der flexiblen Leiterplatte 8, so dass das Piezoelement 4 mit der Schwingmasse 2 sicher an der Leiterplatte 8 angebracht ist. Andererseits wird durch das Vorsehen des Verbindungsele mentes 6, das aus einem leitfähigen Werkstoff hergestellt ist, die Fertigung und Montage des Aufnahmeteils 12 erheblich vereinfacht, da das Verbindungselement 6 direkt auf der Lei terplatte 8 angelötet werden kann. Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann jedoch das Piezoelement 4 auch direkt die Leiterplatte 8 kontaktieren. Hierbei ist das Piezoelement 4 an der Oberfläche der Leiterplatte 8, vor zugsweise mittels eines leitenden Klebstoffs, mit seiner Un terseite angeklebt.

Aufgrund der Befestigung des Aufnahmeteils 12 auf der Leiter platte 8 ist der erfindungsgemäße Körperschallsensor in einer Steuerelektronik des Fahrzeugs integriert. Aufwendige Verka belungen zwischen dem Aufnahmeteil 12 und der Steuerelektro nik entfallen. Dadurch ist eine raumsparende Anordnung des Körperschallsensors in einem Fahrzeug gewährleistet. Die bei einem Aufprall des Fahrzeugs entstehenden Körperschallsignale werden über die Schwingmasse 2 aufgenommen und auf das Piezo element 4 übertragen. Die vom Piezoelement 4 detektierten Druckschwankungen erzeugen aufgrund des piezoelektrischen Ef fekts Schwankungen der elektrischen Spannungen zwischen E lektroden 24 des Piezoelementes. Die im Piezoelement erzeug ten elektrischen Spannungen werden einerseits über den Halter 10 sowie andererseits über das Verbindungselement 6 auf die Leiterplatte 8 übertragen und in der mit der Leiterplatte 8 verbundenen, in der Fig. 1 nicht dargestellten Steuereinrich tung ausgewertet. Dabei übernimmt der Halter 10 zum einen die Funktion eines elektrischen Pols des Körperschallsensors. Zum anderen dient der Halter 10 als Befestigungsmittel für das Aufnahmeteil 12 auf der Leiterplatte 8.

Durch das Vorsehen der Klebeverbindung mit dem Klebstoff 11 zwischen der Schwingmasse 2 und dem Piezoelement 4 wird die Federkonstante des Piezoelementes 4 erhöht. Dadurch wird die Resonanzfrequenz des Piezoelementes 4 zu hohen Werten in ei nen Bereich um ungefähr 200 kHz verschoben. Somit kann die Resonanzfrequenz aus einer Bandbreite der üblichen Nutzfre quenz von 2 kHz bis 60 kHz heraus verschoben werden, wobei die mechanische Resonanzfrequenz weit außerhalb der Nutzfre quenz liegt. Eine Störung der Spannungsmessung durch die Re sonanzfrequenz wird auf einfache Weise effektiv vermieden.

Ferner ist die Körperschallsensorvorrichtung aufgrund der Verklebung der einzelnen Komponenten einfach aufgebaut und in wenigen Fertigungsschritten herstellbar. Das Aufnahmeteil 12 ist wie ein übliches verdrahtetes Bauteil auf der Leiterplat te befestigt, ohne dass eine aufwendige mechanische Befesti gung mit Schrauben erforderlich ist. Darüber hinaus ist durch die Anordnung des Aufnahmeteils 12 direkt auf der Leiterplat te der Steuereinrichtung ein einfacher Aufbau der Körper schallsensorvorrichtung sichergestellt.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Körperschallsensorvorrich tung gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Quer schnittsansicht gezeigt. Wie in Fig. 2 zu erkennen, umfasst die Körperschallsensorvorrichtung zwei Verbindungselemente 6, zwei Piezoelemente 4 und eine Schwingmasse 2, die das Aufnah meteil 12 ausbilden, sowie eine Leiterplatte 8, auf der das Aufnahmeteil 12 montiert ist. Das Aufnahmeteil 12 besteht aus einem ersten 26 und einem zweiten Stapel 28, die jeweils ein Piezoelement 4 und ein Verbindungselement 6 umfassen, wobei die beiden Stapel 26, 28 an ihrer Oberseite über die Schwing masse 2 miteinander verbunden sind. Die Schwingmasse 2 er streckt sich über die Oberseiten des ersten 26 und des zwei ten Stapels 28 und bildet dadurch eine Brücke zwischen den Piezoelementen 4 der beiden Stapel 26, 28 aus. Die beiden scheibenförmigen Piezoelemente 4 des ersten 26 und des zwei ten Stapels 28 sind jeweils an ihrer Oberseite mit der Schwingmasse 2 und an ihrer Unterseite mit der Oberseite des zugehörigen Verbindungselementes 6 verklebt. Die Verbindungs elemente 6 sind jeweils an der Leiterplatte 8 angelötet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Körperschallsensorvorrichtung kann der in Fig. 1 gezeigte Halter 10 entfallen, da durch das Vorsehen der Schwingmasse 2, die die beiden Stapel 28, 30 miteinander ver bindet, bereits eine hinreichend genaue Positionierung des Aufnahmeteils 12 auf der Leiterplatte 8 sichergestellt ist.

Claims

1. Körperschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug mit zumin dest einer Schwingmasse (2), die mit zumindest einem Piezo element (4) zusammenwirkt, und zumindest einer Leiterplatte (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (4) in ei nem Bereich zwischen der Schwingmasse (2) und der Leiterplat te (8) angeordnet ist, wobei das Piezoelement (4) unmittelbar oder mittelbar die Leiterplatte (8) kontaktiert.

2. Körperschallsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Piezoelement (4) unmittelbar auf der Leiterplatte (8) angebracht ist.

3. Körperschallsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Verbindungselement (6) zwischen dem Piezoelement (4) und der Leiterplatte (8) vorgesehen ist.

4. Körperschallsensorvorrichtung nach zumindest einem der vo rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ei ne im Wesentlichen sandwichartige Struktur aufweist.

5. Körperschallsensorvorrichtung nach zumindest einem der vo rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (2), das Piezoelement (4), das Verbindungsele ment (6) und/oder die Leiterplatte (8) zumindest abschnitts weise miteinander verklebt sind.

6. Körperschallsensorvorrichtung nach zumindest einem der vo rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Halter (10) vorgesehen ist, mit dem die Schwingmasse (2), das Piezoelement (4) und/oder das Verbindungselement (6) an der Leiterplatte (8) befestigt sind.

7. Körperschallsensorvorrichtung nach zumindest einem der vo rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver bindungselement (6), die Schwingmasse (2) und/oder der Halter (10) aus den gleichen oder unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen Werkstoffen hergestellt sind.

8. Körperschallsensorvorrichtung nach zumindest einem der vo rangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (2) mit zwei Piezoelementen (4) zusammenwirkt, wobei die Piezoelemente (4) jeweils mittels eines Verbin dungselementes (6) auf der Leiterplatte (8) angebracht sind.