DE19547608A1

DE19547608A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE19547608A1
Application number: DE19547608A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Mattes; Siegfried Malicki; Lothar Haas; Hans-Dieter Dipl Ing Dr Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: DE19547608B4; JPH08248057A; US6131456A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für die Erfas sung der Lage und/oder der Beschleunigung eines beweglichen Körpers und eine bevorzugte Anwendung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Sensoranordnungen der gattungsgemäßen Art werden vorzugs weise in Fahrzeugen als bewegliche Körper angeordnet, bei denen beispielsweise unfallbedingte Lageänderungen oder sonstige die Lagestabilität beeinflussende Situationen er faßt und entweder zur Erzeugung eines Warnsignals oder zu entsprechenden Steuersignalen für Sicherheitseinrichtungen herangezogen werden. Insbesondere soll hiermit ein Über rollvorgang erkannt und in seinen Auswirkungen vermindert werden.

Es ist bereits aus der DE-OS 41 01 060 eine Sensoranordnung bekannt, bei der ein, den sogenannten Halleffekt ausnutzen des Bauteil im Gehäuse der Sensoranordnung angebracht ist, das in Wirkverbindung mit einem Magnetelement im Trägheits körper steht. Eine Kippbewegung des Trägheitskörpers führt zu einer Relativbewegung zwischen dem Magnetelement und dem Hall-Element, wodurch ein entsprechendes Ausgangssignal er zeugbar ist. Die Auswertung vertikaler Bewegungen ist hier nicht vorgesehen.

Weiterhin lassen sich auch Quecksilberschalter als be schleunigungsempfindliche Sensoren in Fahrzeugen einsetzen, die bei Lageänderungen des fließenden Quecksilbers elektri sche Schaltvorgänge auslösen und damit Sicherheitseinrich tungen aktivieren können. Solche Sensoren sind aus "1141, Ingenieurs de l′Automobile (1982) No. 6, S. 76" bekannt. Nachteilig ist hierbei, daß die Verwendung von Quecksilber aus Umweltschutzgründen bei unfallgefährdeten Fahrzeugen nur bedingt möglich und der Funktionsbereich auf Temperatu ren bis hinunter auf -35°C begrenzt ist. Üblicherweise ist jedoch die untere Betriebstemperatur in der Kraftfahrzeuge lektronik auf -40°C spezifiziert.

Aus der E-01 79 120 B1 ist darüber hinaus eine Sensoran ordnung bekannt, die eine fest im Gehäuse installierte Lichtstrahlerzeugung und -detektion vorsieht, wobei der Trägheitskörper bei einer Lageänderung den Lichtstrahl un terbrechen und damit ein Steuersignal initiieren kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung der eingangs beschrie benen Art ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 insbesondere dadurch vorteilhaft, daß mit relativ einfachen Mitteln eine umfassende Detektion aller Lageände rungen des Trägheitskörpers, insbesondere auch in der ver tikalen Achse, durchgeführt werden kann. Besonders wenn die Gefahr eines Überrollens des beweglichen Körpers besteht, ist es notwendig, auch vertikale Bewegungs- bzw. Beschleu nigungsvorgänge rechtzeitig zu erfassen um entsprechende Sicherheitsvorrichtungen zu aktivieren. Dies kann mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Weise vorteilhaft durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist in hervorragender Weise geeignet, drei Zustandsgrößen oder -änderungen mit einem Detektor zu erfassen und bei Überschreiten der jewei ligen Auslösekriterien Schalt-, Steuer- oder Warnsignale zu erzeugen. Es kann mit der gleichen Anordnung erstens der Kippwinkel, zweitens die Horizontalbeschleunigung und drit tens die Vertikalbeschleunigung des bewegten Körpers erfaßt werden. Bei vielen Unfallsituationen im Straßenverkehr ist es vorteilhaft alle diese drei Zustände gleichzeitig auszu werten um Sicherheitseinrichtungen zu aktivieren. Hinsicht lich der Vertikalbeschleunigung kann hierbei über eine Zeitfunktion sichergestellt werden, daß beispielsweise Ver tikalauslenkungen in einer Zeitspanne von kleiner 300 ms nicht berücksichtigt werden, da es sich hier um ungefähr liche Schwankungen (bspw. durch Bodenwellen) handelt. Bei dem Neigungsverhalten des bewegten Körpers, bzw. des Fahr zeugs kann beispielsweise eine Neigung um die Längsachse von größer 55° und um die Querachse von größer 80° als kri tisch angesehen werden, wobei hier auch entsprechende Hori zontalbeschleunigungen detektiert werden.

Nach Unteranspruch 2 und weiteren Ausführungsformen gemäß Unteransprüchen 7 oder 8 ist die Detektion der Lageände rungen besonders vorteilhaft mit einem elektrischen Schwingkreis, bevorzugt im hochfrequenten Bereich, vorzu nehmen. Der ferromagnetische Trägheitskörper verursacht hierbei durch eine Lageänderung eine unterschiedliche Be dämpfung des Schwingkreises, was in ein leicht auswertbares elektrisches Signal analoger oder digitaler Art umgewandelt und in einer Auswerteeinheit weiterverarbeitet werden kann.

Außerdem sind noch vorteilhafte Ausführungsformen in den weiteren Unteransprüchen angegeben, wobei insbesondere ein thermoplastischer Schutzring am Trägheitskörper einen Ver schleiß des Trägheitskörpers vermindert und so zur Be triebssicherheit der Anordnung beiträgt.

Die in den Ansprüchen 10 bis 13 angegebene vorteilhafte Verwendungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung er möglicht eine einfache Kombination einer ohnehin in den meisten Fahrzeugen moderner Bauart vorhandenen elektroni schen Auswerteeinheit mit der Sensoranordnung. Hierbei kann auch in bestimmten Testsequenzen die einwandfreie Funktion der Sensoranordnung überprüft werden.

Insbesondere können nach jeder Initialisierung der Sen soranordnung, beispielsweise beim Start des Fahrzeugs, die elektrischen und mechanischen Funktionen der Anordnung ge testet werden. Da Überrollvorgänge relativ langsam vor sich gehen (maximale Winkelgeschwindigkeit ca. 360°/sek) können diese Testsequenzen während des Betriebs wiederholt werden. Hierbei erfolgt, nach einer geeigneten Fehlerfilterung zwecks Erhöhung der Fehlertoleranz, eine Überwachung der Warn- und Steuersignale und eine eventuelle Fehlermeldung. Es ist hierbei auch möglich entsprechende Fehlercodes aus zugeben bzw. in der Auswerteeinheit elektronisch zu spei chern. Weiterhin ist es auf einfache Weise möglich geeigne te Grenzwerte, die als Auslösekriterien heranzuziehen sind, vorzugeben, wobei diese Beschleunigungs- oder Lageände rungswerte vornehmlich durch Versuchsreihen ermittelt wer den.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung mit einem Trägheitskörper in der Ruhelage;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung mit einer Lageänderung des Trägheitskörpers, beispielswei se in einem Testzustand;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung in der Draufsicht;

Fig. 4 einen schematisch dargestellten elektrischen Schwingkreis;

Fig. 5 einen weiteren Längsschnitt durch eine Sen soranordnung mit einer Auslenkung des Trägheitskörpers in vertikaler Richtung;

Fig. 6 eine Abwandlung der Fig. 5 mit einer zusätz lichen Magnetspule im Gehäusedeckel und

Fig. 7 eine Darstellung der Sensoranordnung während eines Überrollvorgangs.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Sensoranordnung mit einem zylindrischem Gehäusemantel 1, vorzugsweise aus einem Kunststoff PBT (Polybutylenterephtalat), gezeigt, das im Inneren ein eben falls aus Kunststoff hergestelltes Aufnahmeelement 2 für einen weitestgehend ferromagnetischen Trägheitskörper 3 aufweist. Der Trägheitskörper 3 besitzt am unteren, äußeren Rand einen thermoplastischen Schutzring 4, der zur Ver schleißverminderung aus einem Kunststoff POM (Polyactal) hergestellt ist. Das Aufnahmeelement 2 ist über eine Feder 5, aus nichtmagnetischem Material, auf einer ebenfalls nichtmagnetischen Grundplatte 6 gelagert.

Ein Elektromagnet 7 für eine Auslösung einer seitlichen La geänderungen (kippen), des Trägheitskörpers 3 in einer Testsequenz ist im oberen Bereich des Gehäusemantels 1 an gebracht, wobei das magnetische Feld einer Spule 8 den Trägheitskörper 3 beeinflußt. Der Elektromagnet 7 weist au ßerdem einen E-Kern 9 auf. Alternativ hierzu ist auch die Anbringung einer Spule 8 ohne E-Kern möglich, die an die Gehäusemantelform angepaßt ist und ca. 1/3 der Mantelfläche überdecken kann.

An der Grundplatte 6 ist eine Spule aus einer mehradrigen Hochfrequenzlitze für einen Detektor 10 zur Erfassung der vertikalen Lageveränderung des Trägheitskörpers 3 in der positiven z-Richtung vorhanden. Elektrische Anschlüsse 11 dieses Detektors 10 sowie elektrische Anschlüsse 12 der Ma gnetspule 7 sind auf eine Leiterplatte 13 geführt, an der auch die gesamte Sensoranordnung mechanisch gehalten ist.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Verkippung des Trägheitskör pers 3 mit einer Anlage an die Wand des Aufnahmeelements 2. Beim hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Ma gnetspule 7 in einer Testsequenz aktiviert, um die Funkti onsfähigkeit der Sensoranordnung zu testen. Dadurch, daß sich der ferromagnetische Trägheitskörper 3 weiter von der Spule des Detektors 10 wegbewegt hat, ergibt sich eine Än derung der Bedämpfung des elektrischen Schwingkreises (vgl. Fig. 4) des Detektors 10, so daß diese Änderung zur Erzeu gung eines Signals ausgewertet werden kann.

Mit einer zusätzlichen Auswertung der Änderungsgeschwindig keiten der Schwingkreisbedämpfung, lassen sich auch die Be schleunigungswerte für die Querbeschleunigung aq sowie für die Vertikalbeschleunigung av ermitteln und zur Auswertung heranziehen. Eine hier nicht dargestellte Auswerteeinrich tung kann aus diesen Detektionssignalen Steuersignale für entsprechende Warn- oder Sicherheitseinrichtungen ableiten, die beispielsweise für eine Auslösung der Überrollschut zeinrichtungen bei einem Fahrzeug mit offenem Verdeck oder der Gurtstraffeinrichtung bei Fahrzeugen aller Art herange zogen werden.

Die Form und die Masse des Trägheitskörpers 3 ist so dimen sioniert, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Schräg lage des Fahrzeugs bzw. ab einer vorgegebenen Horizontalbe schleunigung der Trägheitskörper 3 aus seiner Ruhelage her ausgerissen wird und seitlich kippt sowie gegebenenfalls bei einer Vertikalbeschleunigung von der Grundplatte 6 ab hebt. Hierzu weist der Trägheitskörper 3 eine kegel stumpfartige Verjüngung und der Aufnahmekörper 2 eine ent sprechende Erweiterung nach oben auf. Geeignete Auslösekri terien für das Kippen sind hier etwa ein Neigungswinkel des Fahrzeugs zur vertikalen Fahrzeugachse von größer/gleich 55° oder eine entsprechende omnidirektionale Beschleuni gung des Fahrzeugs in der Horizontalen von größer/gleich 1,4 g (g = Erdbeschleunigung). Ein Auslösekriterium für das Abheben des Trägheitskörpers 3 von der Grundplatte 6 stellt eine vertikale Beschleunigung av der Sensoranordnung in ne gativer z-Richtung von größer/gleich 0,4 g, bzw. ein Boden kontaktverlust des Fahrzeugs dar.

Alternativ hierzu können als Auslösekriterien auch unter schiedliche Empfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Bean spruchungsrichtung des Fahrzeug herangezogen werden. Bei spielsweise ein Überschreiten des Neigungswinkels um die Längsachse in Fahrtrichtung, um die das Fahrzeug aufgrund der Längsausdehnung leichter kippt, bei ca. 55°, bzw. eine entsprechende Querbeschleunigung aq von ca. 1,4 g, oder ein Überschreiten des Neigungswinkels um die Querachse bei ca. 80°, bzw. einer Längsbeschleunigung al von ca. 5,7 g. Die Empfindlichkeit in Vertikalrichtung wird davon im Prinzip nicht beeinflußt. Diese unterschiedlichen Empfindlichkeiten können z. B. durch eine ovale Gestaltung des Trägheitskör pers 3 und des Aufnahmeelements 2 erreicht werden. Die Sen sorempfindlichkeit ist dann bestimmt durch den Abstand vom Grundflächenmittelpunkt zum Grundflächenrand in der Bean spruchungsrichtung. Ein großer Abstand bedeutet hier eine kleine Empfindlichkeit, d. h. in Fahrzeuglängsrichtung müßte die Distanz größer sein als in Querrichtung.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Sensoranordnung in der Ebene des Elektromagneten 7 gezeigt, bei dem der E-Kern 9 und die Spule 8 mit ihrem magnetischen Feldlinien 14 er sichtlich sind. Weiterhin ist der Detektor 10 an der Grund platte 6 gestrichelt dargestellt. Hieraus ist die Kraftwir kung des Feldes der Spule 8 auf den Trägheitskörper 3 zur Erzeugung des Kippens im Testfall deutlich erkennbar. Im rechten schematischen Schaubild gemäß Fig. 4 ist die Spule des Detektors 10 als Bestandteil eines Schwingkreises mit einem Kondensator 15 und ein integrierter hochfrequenter Schaltkreises 16 gezeigt, wobei die Ausgangssignale dieses Schwingkreises über Anschlüsse 17 der Auswerteeinheit even tuell über ein Fahrzeugbussystem zugeführt werden können.

Aus Fig. 5 ist die Lageveränderung des Trägheitskörpers 3 bei einer vertikalen Beschleunigung av der Sensoranordnung in negativer z-Richtung ersichtlich, wobei sich hier das Aufnahmeelement 2 innerhalb des Gehäuses 1 aufgrund der Fe derwirkung der Feder 5 in einem Federweg a mitbewegt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 weist eine oben am Gehäusedeckel angebrachte zusätzliche Magnetspule 18 mit einem Topfkern auf, die auslösend für die Realisierung ver tikaler, von der Feder 5 unterstützter Bewegungen des Träg heitskörpers 3 herangezogen werden kann. Somit kann auch die Spule 18 zur Durchführung der Testsequenzen herangezo gen werden, indem der gesamte Trägheitskörper 3 angehoben wird.

In Fig. 7 ist ein Zustand der Sensoranordnung nach einem Überrollvorgang gezeigt. Der Aufnahmekörper 2 und der Träg heitskörper 3 sind von der Schwerkraft an den Gehäusedeckel gedrückt, wobei aufgrund des Überrollvorgangs der Träg heitskörper 3 durch die horizontale Beschleunigung gekippt ist und auf einer kegelförmig abgeflachten Oberseite 19 zu liegen kommt. Die sich hier ergebende extreme Beeinflussung des Schwingkreises im Detektor 10 führt zu einem entspre chenden Ausgangssignal, das in der Auswerteeinheit weiter verarbeitet werden kann.

Claims

1. Sensoranordnung für die Erfassung der Lage und/oder der Beschleunigung eines beweglichen Körpers, mit

- einem Trägheitskörper (3), der sich in einem geschlossenen, mit dem beweglichen Körper fest verbundenem Gehäuse befindet und
- einem am Gehäuse angeordneten Detektor zur Erfassung einer horizontalen Verlagerung des Trägheitskörpers (3), dadurch gekennzeichnet, daß
- der Detektor (10) derart an einer Grundplatte (6) des Ge häuses angeordnet ist, daß auch die Erfassung einer verti kalen Verlagerung des Trägheitskörpers (3) durchführbar ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) weitestgehend aus ferromagnetischem Material besteht, daß
- das Gehäuse einschließlich der weiteren am oder im Gehäuse angeordneten mechanischen Bauelemente (2, 5, 6) weitestgehend aus nichtmagnetischem Material besteht und daß
- der Detektor (10) einen elektrischen Schwingkreis enthält, dessen elektromagnetische Feldlinien zumindest teilweise von der Lage des ferromagnetischen Trägheitskörpers (3) beein flußbar sind.

3. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Gehäuse einen zylinderförmigen Gehäusemantel (1) mit der festen Grundplatte (6) aufweist, wobei ein inneres Auf nahmeelement (2) für den Trägheitskörper (3) vorhanden ist, das über eine Feder (5) mit vertikalem Federweg auf der Grundplatte (6) aufliegt.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) nach oben kegelstumpfförmig ver jüngt ist und der Aufnahmekörper (2) in gleicher Richtung ke gelhohlstumpfförmig erweitert ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) am oberen Ende eine kegelförmige Abflachung (19) aufweist.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- sich für die Auslenkung des Trägheitssensors (3) zu Test zwecken, seitlich am Gehäusemantel (1) ein Elektromagnet (7) mit zum Trägheitskörper (3) offenem E-Kern für die horizonta le Bewegung des Trägheitssensors (3) befindet.

7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- sich für die Auslenkung des Trägheitssensors (3) zu Test zwecken, am oberen Gehäusedeckel ein Elektromagnet (18) mit einem Topfkern zur Erzeugung von vertikalen Bewegungen des Trägheitskörpers (3) befindet.

8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schwingfrequenz des Schwingkreises des Detektors (10) im hochfrequenten Bereich liegt.

9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) im unten liegenden Randbereich ei nen thermoplastischen Schutzring (4) aufweist, auf dem der Trägheitskörper (3) insbesondere bei einer Kipplage zu liegen kommt.

10. Anwendung der Sensoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche für die Erfassung der Lage- und/oder Beschleuni gungswerte eines Kraftfahrzeuges, insbesondere als Überroll sensor, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Detektor (10) mit einer zentralen Auswerteeinheit ver bunden ist, in der die Beeinflussungen des Schwingverhaltens des Schwingkreises aufgrund der unterschiedlichen Bedämpfung durch den Trägheitskörper (3) ausgewertet wird und erforder liche Warn- oder Steuersignale erzeugbar sind.

11. Anwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

- in vorgegebenen Zeitpunkten eine Kontrolle der Lage des Trägheitskörpers (3) und der im Detektor (10) generierten Si gnale durch von der Auswerteeinheit generierte Testsequenzen durchführbar ist.

12. Anwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) hinsichtlich Form und Masse so auf gebaut ist, daß als Auslösekriterien für eine seitliche Kip pung oder ein vertikales Abheben des Trägheitskörpers (3) folgende Werte vorgegeben sind:
a) der Neigungswinkel des beweglichen Körpers (Fahrzeug) ist größer/gleich 55° oder die omnidirektionale Be schleunigung (aq) in der Horizontalen ist größer/gleich 1,4 g bzw.,
b) die vertikale Beschleunigung (-az) ist größer/gleich 0,4 g,

wobei g die Erdbeschleunigung darstellt.

13. Anwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Trägheitskörper (3) hinsichtlich Form und Masse so auf gebaut ist, daß als Auslösekriterien für eine seitliche Kip pung oder ein vertikales Abheben des Trägheitskörpers (3) folgende Werte vorgegeben sind:
a) der Neigungswinkel des beweglichen Körpers (Fahrzeug) um seine Längsachse in Fahrtrichtung ist größer/gleich 55° oder die entsprechende Beschleunigung (aq) ist grö ßer/gleich 1,4 g bzw.,
b) der Neigungswinkel des beweglichen Körpers (Fahrzeug) um seine Querachse ist größer/gleich 80° oder die ent sprechende Beschleunigung (al) ist größer/gleich 5,7 g bzw.,
c) die vertikale Beschleunigung (-az) ist größer/gleich 0,4 g,

wobei g die Erdbeschleunigung darstellt.