DE19547608A1 - Sensoranordnung - Google Patents
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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.
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.
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.
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 (15)
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.
Priority Applications (1)
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DE29508086U DE29508086U1 (de) | 1995-02-22 | 1995-05-17 | Sensoranordnung |
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