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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, mit dem eine auf eine nachgebende
Oberfläche
einwirkende Kraft, beispielsweise eine Gewichtskraft bestimmt werden
kann. Eine solche Bestimmung kann beispielsweise in einer Waage
erfolgen. Es sind jedoch auch technische Anwendungen bekannt, bei
denen ein Messsignal geringerer Genauigkeit erforderlich ist, welches
mit technisch einfachen Mitteln beziehungsweise mit einem einfachen
Sensor zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Aus
DE 35 15 125 A1 ist
ein Sensor zur Bestimmung einer einwirkenden Kraft bekannt. Eine
Federung weist eine der einwirkenden Kraft entgegen gesetzte Rückstellkraft
auf und bewegt sich dabei in Richtung der einwirkenden Kraft, wobei
die Bewegung von einem Sensorelement detektiert wird.
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Aus
DE 203 19 029 U1 ist
ein Kraftsensor bekannt, bei dem das freie Ende einer Betätigungsstange
bei einer auf das gefederte Betätigungselement wirkenden
Kraft in Richtung der Kraft bewegt wird und einen induktiven Wegaufnehmer
beeinflusst.
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Aus
DE 102 16 723 A1 ist
ein Kraftmesser, insbesondere zur Sitzgewichtsbestimmung in einem Kraftfahrzeug
bekannt, bei dem sich bei Einwirkung einer Kraft der Abstand eines
Magneten relativ zu einem ferromagnetischen Material parallel zur
einwirkenden Kraft ändert.
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Aus
DE 698 18 692 T2 ist
ein Gewichtssensor für
Fahrzeuginsassen bekannt, bei dem eine einwirkende Kraft in einem
fer romagnetischen Element eine Spannung induziert, die von dem Magnetfeld
eines Sensors erfasst wird.
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Ein
bekannter Anwendungsfall für
einen solchen Gewichtssensor sind zum Beispiel Anwesenheitssensoren
in den Sitzen von Kraftfahrzeugen, die ab dem Jahr 2006 in den Vereinigten
Staaten von Amerika für
neu zugelassene Fahrzeuge verpflichtend vorgeschrieben sind. Mit
Hilfe dieser Sensoren wird die Auslösung des Airbags unterdrückt, wenn Säuglinge,
Kleinkinder oder generell zu kleine Personen sich auf den Vordersitzen
befinden. Solche allgemein als „passenger occupant detection
(POD)"-Systeme bezeichneten
Vorrichtungen können
auch solche Gewichts- oder Belastungsdetektoren in den Fahrzeugsitzen
umfassen.
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Bekannte
Sensoren, welche als POD-Systeme bereits Anwendung finden, sind
druckempfindliche Matten, die mit resistiv oder kapazitiv wirkenden Sensoren
ausgestattet sind. Bekannt sind auch Druck- oder Zugsensoren, die
in die Aufhängung
der Sitze eingebaut sind. Für
solche Sensoren wurden beispielweise schon Dehnstreifen und magnetostriktive
beziehungsweise piezoelektrische Materialien eingesetzt. Nachteilig
an den be kannten Lösungen ist,
dass sie entweder nur aufwendig zu realisieren sind oder unzuverlässig oder
zu ungenau arbeiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur Bestimmung
einer auf eine Oberfläche
einwirkenden Kraft anzugeben, der einfach aufgebaut ist und dabei
zuverlässig
ein ausreichend genaues Messsignal liefert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sowie ein Messverfahren, das mit dem erfindungsgemäßen Sensor
durchgeführt
werden kann, sind weiteren Ansprüchen
zu entnehmen.
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Grundlegende
Idee der Erfindung ist es, der auf die Oberfläche einwirkenden Kraft eine
Federung als Rückstellkraft
entgegenzusetzen und die Auslenkung der Oberfläche infolge der Einwirkung
der Kraft zu bestimmen. Ein weiterer prinzipieller Aspekt der Erfindung
ist es, die Auslenkung in der vertikal zur Oberfläche ausgerichteten
Z-Richtung in eine Auslenkung in eine quer dazu verlaufende Richtung,
beispielsweise in X-Richtung
zu überführen. Dies
gelingt mit Hilfe eines an einem Ende fixierten Federstabs, der
mit der Oberfläche
oder der Federung mechanisch verbunden ist. Eine Auslenkung der
nachgebenden Oberfläche
führt dann
zu einer Auslenkung des Federstabs, die am freien Ende des Federstabs maximal
ist. Das freie Ende des Federstabs ist Teil eines Sensorsystems,
welches ein Sensorelement umfasst. Bei Auslenkung des Federstabs ändert sich
die Position seines freien Endes relativ zum Sensorelement.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
hat den Vorteil, dass er im wesentlichen parallel zur Oberfläche ausgerichtet
ist und so mit geringer Bauhöhe
verwirklicht werden kann. Durch den an einem Ende befestigten Federstab
wird eine verstärkte
Auslegung des Endes des Federstabs erhalten. Weiterhin ist vorteilhaft,
dass der Sensor eine relativ einfache „Mechanik" aufweist, die die einwirkende Kraft
in eine für
das Sensorelement detektierbare Auslenkung oder Bewegung umsetzt,
wobei die Umsetzung mit oder ohne Übersetzung in ein kleineres
oder größeres Signal
(Auslenkung) erfolgen kann. Das Sensorelement ist so ausgebildet,
dass es einen Messwert ausgibt, der abhängig von der Relativposition
des freien Endes des Federstabs relativ zum Sensorelement ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement
als induktives Sensorelement ausgebildet. Es umfasst z.B. eine Spule,
in der das Ende des Federstab entlang der Hauptachse der Spule beweglich
angeordnet ist. In diesem Fall umfasst zumindest das freie Ende
des Federstabs ein magnetisches Material. Möglich ist es auch, den gesamten
Federstab aus magnetischem Material auszubilden, beispielsweise
aus Volleisen. Das Ende des Federstabs stellt dann beispielsweise
den magnetischen Kern der Spule dar. Möglich ist es dabei, die Spule
zusätzlich
mit einem das Sensorelement umschließenden Schalenkern zu versehen.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn das Sensorelement ebenso wie das fixierte Ende
des Federstabs relativ zueinander fixiert sind, nach Möglichkeit
so, dass die Auslenkung der Oberfläche ohne Einfluss auf die Position
des Sensorelements ist.
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Indem
sich das freie Ende des Federstabs entlang der Hauptachse der Spule
als magnetischer Kern zumindest teilweise in die Spule hinein- und
herausbewegt, wird die Induktivität der Spule beeinflusst. Einem
an die Spulenwicklung angelegten Strom, beispielsweise einem Wechselstrom
setzt die Spule dann einen von der Position des Federstab-Endes
abhängigen
Widerstand entgegen.
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Die
Ansteuerung des Sensorelements beziehungsweise die Beaufschlagung
der magnetischen Spule mit einem Messstrom erfolgt mit einer elektrischen
Schaltung, die mit dem Sensorelement elektrisch verbunden ist. Diese
Schaltung ist beispielsweise als Signalprozessor ausgebildet und
liefert ein Messsignal, das vom Wert der Induktivität des Sensorelements
abhängig
ist. Dabei ist es möglich,
die elektrische Schaltung so auszuführen, dass das erhaltene Messsignal
in einer linearen Abhängigkeit von
der Auslenkung der Oberfläche
steht, die elektrische Schaltung also eine Linearisierung des insgesamt
nicht-linearen Sensorsystems bewerkstelligt.
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Zur
weiteren Auswertung des Messsignals kann die elektrische Schaltung
mit einem Mikroprozessor verbunden sein. Dieser kann das Messsignal alleine
oder gegebenenfalls in mathematischer Verknüpfung mit anderen Messwerten
bearbeiten. Dieser kann beispielsweise in einen Istwert überführt werden
und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Dieser Sollwert
kann beispielsweise einen Schwellwert darstellen, bei dessen Überschreiten
ein Schaltvorgang in einer elektrischen Einrichtung ausgelöst wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor mit einer Diagnoseeinrichtung verbunden.
Eine solche ist beispielsweise in all den Fällen erforderlich, in denen
der Sensor sicherheitsrelevante Daten erfasst, bei denen ein Fehler
in der Erfassung der Daten zu gefährlichen Situationen führen könnte.
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Eine
einfache Diagnoseeinrichtung für
einen induktiven Sensor kann erfindungsgemäß einen magnetischen Diagnosekern
umfassen, der mit einem elektromechanischen Aktor bewegt wird und
auf die Induktivität
des Sensorelements in Abhängigkeit
von der relativen Position zwischen Sensorelement und Diagnosekern
einwirkt. Vorzugsweise wird für
den Diagnosekern eine lineare Führung
mit zwei Anschlägen
vorgesehen, die zwei definierte Relativpositionen des Diagnosekerns
relativ zum Sensorelement darstellen. In der linearen Führung ist
der Diagnosekern zumindest teilweise in die Spule des Sensorelements
hinein und hinaus bewegbar. Die beiden definierten Relativpositionen
sind dann definierten Induktionswerten des Sensorelements beziehungsweise definierten
Induktivitätsänderungen
zugeordnet. In einem z.B. regelmäßig durchgeführten Diagnosezyklus
kann daher die Induktivität
des Sensorelements für
die beiden definierten Relativpositionen des Diagnosekerns bestimmt
werden. Vorzugsweise wird der Diagnosezyklus bei definierter Relativposition
zwischen dem Ende des Federstabs und dem Sensorelement durchgeführt. Es
kann dann z.B. von einem definierten Induktivitätswert ausgegangen werden, bei
dem keine Kraft auf die Oberfläche
einwirkt und dementsprechend keine Auslenkung des Federstabs stattfindet.
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Möglich ist
es aber auch, den Diagnosezyklus bei einer beliebigen Auslenkung
und daher bei einem beliebigen durch das Ende des Federstabs bestimmten
Induktivitätswert
der Spule den Diagnosezyklus zu starten. Da sich die Induktivität nicht
linear mit der Relativposition ändert,
ist die durch den Diagnosezyklus erreichte Diagnoseänderung
in einer nicht-linearen Funktion vom Ausgangswert abhängig. Diese
nicht-lineare Funktion kann in einer Zuordnungstabelle festgelegt
sein, die Abhängig
vom induktiven Ausgangswert den Endwert vorgibt, der der Induktivitätsänderung
durch den bewegten Diagnosekern entspricht. Die Diagnoseeinrichtung
prüft dann,
ob die mit dem Diagnosekern erreichte Induktivitätsänderung im Rahmen einer gewünschten
bzw. tolerierbaren Wertebereichs liegt. Ergibt der Diagnosezyklus,
dass die Induktivitätsänderung
außerhalb des
Toleranzbereiches liegt, können
sicherheitsrelevante Schaltfunktionen gestoppt werden beziehungsweise
ein Schaltzustand eingestellt werden, der auch bei Nicht-Funktion
des Sensors eine maximale Sicherheit gewährleistet. Wird der Sensor
beispielsweise dazu benutzt, eine auf einem Kfz-Sitz sitzende Person
zu detektieren, um die Auslösung
des Airbags bei einem Unfall freizugeben, so kann die eine Fehlfunktion
des Sensors detektierende Diagnoseeinrichtung die Auslösung des
Airbags unterdrücken, um
eine Gefährdung
von Kindern zu vermeiden, die möglicherweise
als solche unerkannt auf dem entsprechenden Fahrzeugsitz Platz genommen
haben.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors
in einem Kfz-Fahrzeugsitz
hat den Vorteil, dass er besonders einfach mit der dort vorhandenen
Federung des Fahrzeugsitzes mechanisch verbunden werden kann. Die
Verbindung mit der Federung kann für einen einzigen Federstab
an mehreren unterschiedlichen Orten erfolgen. Dazu kann ein mehrarmiges
Verbindungselement verwendet werden. Auf diese Weise gelingt es,
mit einem einzigen Federstab und damit mit einem einzigen Sensorelement
die Auslenkung der Oberfläche
an unterschiedlichen Punkten zu erfassen. Ist das Verbindungselement geeignet
starr, so kann über
unterschiedliche Auslenkungen gemittelt werden und so auf eine mittlere
Belastung beziehungsweise eine mittlere auf die Oberfläche einwirkende
Kraft geschlossen werden. Dies hat auch den Vorteil, dass zu starke
Auslenkungen des Endes des Federstabs vermieden werden, da stets
eine Mittelung über
die Auslenkungen der Oberfläche
beziehungsweise der Federung an allen mit dem Federstab verbundenen
Punkten gemittelt wird.
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Die
Verbindungspunkte des Verbindungselements mit der Federung können so über die
Oberfläche
verteilt sein, dass ausschließlich
an den Punkten detektiert wird, die einer normalen Belastung durch eine
auf dem Sitz sitzende Person entspricht. Auf diese Weise wird vermieden,
dass ein personenuntypisches Gewichtsprofil, wie es beispielsweise
einer schweren flachen Last entspricht, die den Sitz beispielsweise
nur in Randbereichen belastet, zu einer fälschlichen Detektion einer
Person führt.
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Möglich ist
es jedoch auch, im Fahrzeugsitz mehrere mit je einem Federstab verbundene
Sensorelemente vorzusehen, die an unterschiedlichen Stellen mit
der Federung oder der Oberfläche
des Sitzes verbunden sind, wobei die Summe aller Sensorelemente
ein von der zweidimensionalen Kraftverteilung und damit vom Ort
der Belastung abhängiges
Messsignal liefern.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind
daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche
oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
im Querschnitt die Wechselwirkung einer ausgelenkten Oberfläche mit
einem erfindungsgemäßen Sensor,
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2 zeigt
eine Variante des Sensors mit Kraftumlenkung,
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3 zeigt
ein erstes Anwendungsbeispiel des Sensors in einem Fahrzeugsitz,
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4 zeigt
eine Anwendung im Fahrzeugsitz mit Kraftmittelung,
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5 zeigt
die Verbindung des Federstabs mit der Federung über ein mehrarmiges Verbindungselement
in der Draufsicht,
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6 zeigt
die Kraftmittelung mit Hilfe eines Verbindungselements,
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7 zeigt
ein Sensorelement samt Diagnoseeinrichtung im Querschnitt,
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8 zeigt
schematisch einen Funktionsblock zum Betreiben und Auswerten des
Sensors.
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1 zeigt
anhand einer schematischen Skizze die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors.
Auf die Oberfläche
OF, die starr oder verformbar sein kann, wirkt eine Kraft EK ein,
die mit dem erfindungsgemäßen Sensor
bestimmt werden soll. Der einwirkenden Kraft EK wirkt eine Federung
F mit einer Rückstellkraft
RK entgegen. Ein Federstab FS ist an einem Ende relativ zu einem äußeren Bezugssystem
BS fixiert. Das freie Ende des Federstabs ist beweglich. In einer
von beiden Enden des Federstabs FS entfernten Position ist der Federstab
mit der Oberfläche
OF oder alternativ mit der Federung F so verbunden, dass eine Auslenkung
der Oberfläche
OF zu einer Auslenkung AL des Federstabs führt. Die Verbindung kann direkt
oder mit Hilfe eines Verbindungselements VE erfolgen.
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Die
einseitige Befestigung des Federstabs führt bei einwirkender Kraft
EK zu einer Auslenkung des freien Ende des Federstabs, der eine
Relativbewegung RB entlang des dargestellten Doppelpfeils durchführt. Ebenfalls
mit dem Bezugssystem BS fest verbunden ist ein Sensorelement SE,
welches durch die Relativbewegung RB des Federstab-Endes seine Relativposition
zu diesem ändert.
Die Verbindung des Federstabs FS mit der Oberfläche OF oder der Federung F
kann mit Hilfe eines Verbindungselements VE erfolgen.
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Während in 1 eine
Relativbewegung RB des Federstab-Endes
parallel zur Auslenkung AL des Federstabs FS erfolgt, ist in 2 eine
weitere Ausführungsmöglichkeit
für den
Sensor angegeben. Hier wird die Auslenkung AL des Federstabs an
einer mittleren Position in eine quer dazu verlaufende Relativbewegung
RB des freien Endes des Federstabs umgewandelt. Dies wird dadurch
ermöglicht,
dass das freie Ende des Federstabs FS in einer Führung, vorzugsweise innerhalb
des Sensorelements SE beweglich ist, die nur eine Relativbewegung
RB quer zur Auslenkung ermöglicht.
Diese Variante hat den Vorteil, dass auch Auslenkungen AL mit ihrer
vertikalen Komponente erfasst werden, die nicht ausschließlich vertikal
gegen die Ausrichtung des Federstabs FS wirken.
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3 zeigt
eine vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemäßen Sensors im gepolsterten Sitz
eines Kraftfahrzeugs. Unterhalb der Oberfläche OF des Sitzes findet sich
eine Federung F, die beispielsweise in Form flacher Zick-Zack-Federn
ausgebildet ist, die parallel zur Oberfläche OF verlaufen und mit einem
starren äußeren Bezugssystem
BS, beispielsweise mit dem Gestänge
des Sitzes verbunden sind. Mit diesem Bezugssystem BS ist auch ein Federstab
FS einseitig verbunden. Das andere „freie" Ende des Federstabs steckt in der Führung eines Sensorelements
SE, die ebenfalls mit dem Bezugssystem BS beziehungsweise dem Gestänge des
Sitzes verbunden ist. In einem mittleren Bereich ist der Federstab
FS über
ein Verbindungselement VE mit der Federung F verbunden. Eine einwirkende Kraft EK
führt zu
einer Auslenkung der Federung F und damit zu einer Auslenkung des
Federstabs FS. Das in der Führung
des Sensorelements SE befindliche freie Ende des Federstabs macht
dabei gemäß des in 2 dargestellten
Prinzips eine Relativbewegung RB quer zur einwirkenden Kraft mit
und verändert
dabei seine Relativposition zum Sensorelement SE.
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4 zeigt
eine Variante der Ausführung von 3,
wobei der Federstab FS mit Hilfe eines mehrarmigen Verbindungselementes
VE an mehreren über
die Oberfläche
OF des Sitzes verteilten Punkten mit dieser oder hier vorzugsweise
mit der Federung F verbunden ist. Das Verbindungselement ist starr
ausgebildet und liefert eine Auslenkung des Federstabs, die eine
Mittelung der Auslenkung der beiden Befestigungspunkte BP1 und BP2
darstellt.
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In 6 ist
die Mittelung dieser Auslenkungen anhand eines einfachen Diagramms
verdeutlicht. Dargestellt ist eine erste Auslenkung AL1 und eine
zweite Auslenkung AL2, die wesentlich geringer ist. Eine Mittelung
zwischen diesen beiden Auslenkungen führt zu einer mittleren Auslenkung
ALm, die ungefähr
der Auslenkung des Mittelpunktes zwischen den beiden durch Pfeile
dargestellten Auslenkungen AL1 und AL2 entspricht. Die Mittelung
erfolgt, indem die Endpunkte der beiden Auslenkungen über das
starre Verbindungselement VE verbunden sind, wobei die Verbindung
mit dem Federstab am Punkt M erfolgt.
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5 zeigt
eine mögliche
Ausführung
einer solchen Befestigung anhand einer schematischen Draufsicht.
Das starre Bezugssystem BS ist durch den Rahmen des Sitzes dargestellt,
an dem auch die hier in Form von flachen Zick-Zack-Federn ausgebildete
Federung F befestigt ist. Auch der Federstab FS ist einseitig (links)
mit dem Bezugssystem beziehungsweise dem Gestänge des Sitzes verbunden. Am
anderen Ende des Federstabs ist das Sensorelement SE ebenfalls mit
dem Bezugssystem BS verbunden.
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Das
Verbindungselement VE ist hier als vierarmige Spinne ausgebildet,
die in der Mitte mit dem Federstab verbunden ist. An den Enden der
Arme des Verbindungselementes VE ist dieses an vier Punkten mit
der Federung F verbunden. Das Verbindungselement VE kann beispielsweise
aus Kunststoff gefertigt sein. Es weist eine möglichst hohe Steifigkeit gegen
ein Verbiegen aus der Ebene der Federn bzw. Arme heraus auf sowie
eine geringe Steifigkeit innerhalb dieser Ebene auf. Vorzugsweise
ist das Verbindungselement VE so ausgeführt, dass es sowohl am Ende
der Arme in einfacher Weise mit der Federung verbunden werden kann
als auch in der Mitte mit dem Federstab, beispielsweise durch Clip-Elemente,
die den Federstab umschließen
und gegenseitig ineinander einrasten können.
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7 zeigt
ein Sensorelement SE mit angeschlossener Diagnoseeinrichtung DE
im schematischen Querschnitt. Das Sensorelement SE ist als elektromagnetische
Spule ausgebildet. Sie umfasst eine Wicklung W, die auf einem Wickelkörper WK aufgewickelt
ist. Im Inneren des Wickelkörpers
WK beziehungsweise der Wicklung ist das Ende des Federstabs FS frei
beweglich und kann dort eine erste Relativbewegung RB1 parallel
zur magnetischen Hauptachse der Spule durchführen. Vorzugsweise ist die
Spule in einen magnetischen Schalenkern SK eingebettet, beispielsweise
in einen zweiteiligen Ferrit-Schalenkern, um die magnetischen Eigenschaften der
Spule zu verbessern und zu stabilisieren.
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Die
Diagnoseeinrichtung DE ist an das Sensorelement SE angeschlossen.
Sie umfasst einen Aktor AK, der einen Diagnosekern DK relativ zum Sensorelement
SE bewegen kann, wobei dieser eine Relativbewegung RB2 relativ zum
Aktor AK entlang des eingezeichneten Doppelpfeils durchführen kann. Der
Diagnosekern DK ist ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material
ausgebildet.
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Im
Inneren der Spule des Sensorelements SE ist ein erster Anschlag
vorgesehen, der die Bewegung des Diagnosekerns DK in die Spule hinein
begrenzt. Ein zweiter Anschlag kann für den Diagnosekern DK im Inneren
des Aktors vorgesehen sein, um eine zweite Relativposition zu definieren.
Es ist aber auch möglich,
dass sich der Diagnosekern im Inneren des Aktors bzw. im Magnetfeld
der Diagnosespule selbst zentrieren und so eine definierte Position
außerhalb
der Messspule einnehmen kann bzw. so einen definierten Beitrag zur
Induktivität
des Sensorelements liefert, vorzugsweise einen Beitrag 0.
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Vorzugsweise
ist der Aktor ein elektromechanischer Aktor, beispielsweise eine
weitere Spule, die bei Beaufschlagung mit einem Gleichstrom den magnetischen
Diagnosekern DK in das Innere der Spule zu ziehen vermag. Dabei
kann vorgesehen sein, dass eine der beiden Relativpositionen, in
denen sich der Diagnosekern an den beiden Anschlägen befindet, die Ausgangsposition
darstellt, in der der Kern mit Hilfe einer nicht magnetischen Spiralfeder
SF gehalten werden kann. Vorzugsweise wird der Diagnosekern durch
die Spiralfeder, die im Inneren des hohl ausgebildeten Diagnosekerns
verläuft,
am linken Anschlag gehalten und so in dieser Relativposition fixiert.
Ist der elektromechanische Aktor AK als magnetische Spule ausgebildet,
so ist er vorzugsweise ebenfalls in einem magnetischen Schalenkern eingebettet.
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In
der 7 nicht dargestellt ist ein nicht magnetisches
Gehäuse,
in dem Sensorelement und Aktor gemeinsam angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Federstab insgesamt aus einem ferromagnetischen Material
ausgebildet, beispielsweise aus einer Volleisenblattfeder. Vorzugsweise
ist der Federstab FS mit einer Kunststoffumhüllung versehen, die im Querschnitt
eine Profilierung, beispielsweise ein I-förmiges
Profil aufweisen kann. Dieses Profil kann die Beweglichkeit beziehungsweise
Flexibilität
des Federstabs FS definieren und außerdem das Verbinden mit dem
Verbindungselement erleichtern. Am Verbindungspunkt mit dem Verbindungselement
VE kann der Federstab dazu eine entsprechende für die Verbindung geeignete
Ausformung aufweisen, beispielsweise eine Ausnehmung innerhalb der
Kunststoffummantelung.
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8 zeigt
einen Funktionsblock, in dem die Ansteuerungen des Sensorelements
SE und die Auswertung der Sensorsignale und die Verbindung mit elektrischen
Einrichtungen schematisch dargestellt sind. Das beispielsweise als
Spule ausgebildete Sensorelement SE wird über eine elektrische Schaltung
ES, die in einem Signalprozessor realisiert ist, mit einem Strom
beaufschlagt, um ein Magnetfeld innerhalb der Spule zu erzeugen.
Die Induktivität
der Spule wird innerhalb der elektrischen Schaltung ES bestimmt
und in ein elektrisches Messsignal überführt, welches einen Mikro-Controller
MC zugeführt wird.
Vorzugsweise ist die elektrische Schaltung ES beziehungsweise der
Signalprozessor thermisch mit dem Sensorelement SE gekoppelt, so
dass eine thermische Kompensation der temperaturabhängigen Induktivitätsveränderung
des Sensorelements SE vorgenommen werden kann. Dies ermöglicht die
Integration eines Thermosensors, der thermisch an das Sensorele ment
gekoppelt ist. Mit Hilfe der Signale des Thermosensors kann dann
die Auswirkung der Temperatur auf das Messsignal in der elektrischen Schaltung
ES oder im Micro-Controller MC kompensiert werden.
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Das
erhaltene Messsignal kann außerdem innerhalb
der elektrischen Schaltung ES linearisiert werden, sodass das Messsignal
linear von der zu bestimmenden einwirkenden Kraft EK beziehungsweise
von der durch sie bewirkten Auslenkung AL abhängig ist.
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Der
Mikro-Controller MC kann das Messsignal mit von anderen Quellen
herrührenden
Messwerten verknüpfen,
einen Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert durchführen und
als Ergebnis des Vergleichs einen logischen Parameter „wahr" oder „falsch" liefern. In Abhängigkeit
vom Wert dieses logischen Parameters kann in einer elektrischen
Einrichtung EE eine Schaltung durchgeführt werden oder nicht. Die
elektrische Einrichtung kann beispielsweise einen Airbag steuern.
Mit dem Schaltvorgang kann das Auslösen des Airbags verhindert
werden für den
Fall, dass der Fahrzeugsitz entweder überhaupt nicht belastet ist,
sodass der Airbag nicht auslösen muss.
Im Fall einer geringen Belastung, beispielsweise durch ein Kind,
ist das Auslösen
des Airbags aus Sicherheitsgründen
zu unterbinden. Im Falle einer nicht personentypischen Belastung
der Oberfläche und
damit einer nicht typischen Auslenkung der Oberfläche, kann
ebenfalls auf das Auslösen
des Airbags im Falle eines Crashs verzichtet werden.
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Der
Mikro-Controller MC kann außerdem
die Diagnoseeinrichtung DE steuern. Die Steuerung gibt den Diagnosezyklus
vor, in dem eine Diagnose des Sensorelements SE durchgeführt wird.
Die Diagnosezyklen können
innerhalb festgelegter Zeitintervalle erfolgen. Möglich ist
es jedoch auch, die Diagnosezyklen an weitere Betriebsparameter
des Fahrzeuges anzupassen, da eine einmal detektierte Person auf
dem Kfz-Sitz zu einer über
die ganze Fahrdauer beziehungsweise -Strecke gültigen Einstellung der Airbag-Einstellungen
führt.
Der Mikro-Controller betätigt
die Diagnoseeinrichtung beziehungsweise die Bewegung des Diagnosekerns,
ermittelt die dadurch ausgelöste
Induktivitätsveränderung,
vergleicht diese mit dem Sollwert und erzeugt Informationen über den
gewünschten
Schaltvorgang der elektrischen Einrichtung EE. Der Mikro-Controller
MC kann zusätzlich
auch einen Look-up-Table beinhalten, indem jedem möglichen,
vom Sensorelement SE gelieferten Induktivitätswert eine davon abhängige Induktivitätsänderung
aufgrund des Diagnosezyklus zugeordnet wird. Damit ist es möglich, die
Diagnose auch bei Auslenkung des Federstabs und damit bei einem vom
Ausgangspunkt unterschiedlichen Induktivitätswert zu ermitteln.
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8 verdeutlicht
nur die Verknüpfungen zwischen
den Elementen. In einem Fahrzeug sind die Elemente vorzugsweise
an ein Bus-System angeschlossen, über den der gesamte Informationsaustausch
und der Datenfluss erfolgt.
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Obwohl
die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt
werden konnte, ist sie nicht auf diese beschränkt. Im Rahmen der Erfindung
liegen beliebige andere Anwendungen, die zur Ermittlung einer einwirkenden
Kraft auf eine gegebenenfalls auch starre Oberfläche eingesetzt werden können. Daher
kann die Erfindung auch in Waagen angewendet werden. Im Rahmen der
Erfindung liegt es auch, die Höhe
der auf die Oberfläche
einwirkenden Kraft ohne Umlenkung der Auslenkung von einer vertikalen
Auslenkung in eine horizontale Auslenkung direkt mit einem induktiven
Sensorelement zuzuführen.
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Die
Umlenkung der Auslenkung von einer vertikalen in eine horizontale
Relativbewegung kann dagegen mit einem beliebigen Sensorelement
SE detektiert werden und hat den Vorteil, dass die Höhe des Gesamtsystems
durch das Sensorelement nicht vergrößert wird und die horizontale
Relativbewegung entlang der Achse durchgeführt werden kann, entlang der
ausreichend Platz zur Verfügung
steht. Über die
Umlenkung kann außerdem
der effektive Betrag der Auslenkung verändert und typischerweise verkleinert
werden. Gleichzeitig kann über
die Umlenkung eine zumindest teilweise Linearisierung erfolgen.
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Eine
Veränderung
der Messgenauigkeit bzw. des Bereichs der erhaltenen Messwerte gelingt
auch über
eine Bemessung der Anzahl von Wicklungen, wenn ein induktives Sensorelement
verwendet wird. Wird der erfindungsgemäße Sensor für Anwendungen eingesetzt, in
denen stark unterschiedlich einwirkende Kräfte zu bestimmen sind, so kann
ein Umschalten des Messbereichs durch Beaufschlagung zusätzlicher
Wicklungen der Spule erfolgen. Es ist daher vorteilhaft, die Spule
mit mehreren Wicklungen zu versehen, die einzeln oder in beliebigen
Kombination parallel geschaltet mit Strom beaufschlagt werden können und
so die Induktivität
der Spule beeinflussen. Ein induktiver erfindungsgemäßer Sensor kann
ein temperaturkompensiertes und damit temperaturunabhängiges Messsignal
liefern, ist räumlich klein
ausführbar,
liefert ein zur bestimmenden Kraft lineares Messsignal mit einstellbaren
Messbereich.