DE19702392C1

DE19702392C1 - Beschleunigungssensor zur Erfassung von Trägheitskräften

Info

Publication number: DE19702392C1
Application number: DE1997102392
Authority: DE
Inventors: Gerd Reime
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2017-01-25

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor zur Erfassung von Trägheitskräften nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

Ein Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der US-A 39 92 951 bekannt. In einem Gehäuse sind dort zwei Medien, ein flüssiges Medium und ein gasförmiges Medium vorgesehen, die zwischen sich eine Phasengrenze ausbilden. Als Erfassungsmittel sind Elektroden vorgesehen, die bei Auftreten einer Beschleunigung die Lageänderung der Phasengrenze zur graduellen Bestimmung der Beschleunigung erfassen. Wird ein derartiger Sensor aus der Nullage herausgedreht, ergibt sich jedoch ein Beschleunigungssignal, obwohl eine Beschleunigung tatsächlich nicht stattgefunden hat. Eine vergleichbare Vorrichtung ist aus der US-A 34 42 023 bekannt.

Als Erfassungselement ist aus der WO-A 95/01561 ein Sensor bekannt, der insbesondere dafür geeignet ist, auf optischem aber auch auf kapazitivem Wege die Benetzung einer Oberfläche zu erfassen. Die Erfassung erfolgt dabei in wenigstens zwei Meßstrecken, die getaktet beaufschlagt werden, wobei die Meßwerte mit dem gleichen Takt z. B. von lichtempfindlichen Elementen detektiert werden. Die erfaßten Meßwerte werden einem Vergleicher zur Differenzwertbildung zugeführt und daraus wird ein Detektionssignal ermittelt. Dieses Detektions signal wird unter Einsatz einer an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßten Zeitkonstante gegen Null ausgeregelt, so daß Fremdein flüsse weitestgehend unterdrückt werden können. Die Ausregelung ermöglicht dabei zudem z. B. auf optischem Wege eine verhältnismäßig schnelle zeitabhängige Erfassung von Veränderungen.

Ferner sind Beschleunigungssensoren bekannt, die über große Massen trägheiten verfügen, so daß insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug die regelmäßigen Bewegungen des Fahrzeugs beim Befah ren von Straßen oder im unebenen Gelände nicht zu einem Beschleuni gungssignal führen. Ein entsprechendes Beschleunigungssignal ergibt sich daher erst dann, wenn es zu einer starken Beschleunigung, genauer gesagt Verzögerung z. B. bei einem Unfall kommt. Ein derar tiger Sensor wird z. B. zur Auslösung des Airbag eingesetzt.

Andererseits sind Beschleunigungssensoren bekannt, die so empfind lich sind, daß jede auch noch so geringe Lageänderung zu einem Be schleunigungssignal führt. Wird ein derartiger Beschleunigungssensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, so ergeben sich beim Befahren von Steigungen und Gefällen unterschiedliche Signale, obwohl das Fahr zeug mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin dung die Aufgabe zugrunde, einen auf Beschleunigung und Verzögerung empfindlich reagierenden Beschleunigungssensor zu schaffen, der bei Drehung des Sensors aus der Null-Lage heraus jedoch kein Signal gibt.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.

Bei diesem Beschleunigungssensor werden verschiedene Medien so übereinander angeordnet, daß sie bei einer Lageänderung des Beschleunigungssensors unter gleichbleibender Geschwindigkeit kein Signal abgeben, da die Phasengrenzen zwischen den verschiedenen Medien dieser Bewegung gleichmäßig folgen. Kommt es hingegen zu einer Beschleunigung oder Verzögerung, so verhalten sich die Phasen grenzen unterschiedlich, so daß sich ein eindeutiges graduelles Beschleunigungssignal ergibt, da sich bei Beschleunigung oder Verzögerung der Abstand der Phasengrenzen zueinander ändert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beschleuni gungssensors in Ruhelage mit zugehöriger Beschaltung in Seitenansicht,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 eines infolge einer Beschleunigung in der Ruhelage ausgelenkten Sensors,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen kugelförmigen Beschleuni gungssensor,

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 1 eines Beschleuni gungssensors in einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 ein Beschleunigungssensor in einer Darstellung gemäß Fig. 4, bei dem die Lichtdurchlässigkeit der Medien gemessen wird,

Fig. 6 ein Beschleunigungssensor in einer Darstellung gemäß Fig. 4, bei dem die Lichtleitereigenschaften des mittleren Mediums erfaßt werden,

Fig. 7 ein Beschleunigungssensor in einer Darstellung gemäß Fig. 1 mit sichelförmigen Erfassungselementen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Beschleunigungssensor zur Bremskraftregelung eingesetzt wird.

Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es versteht sich von selbst, daß diese Ausführungsbeispiele keine abschließende Aufzählung darstellen und das physikalische Konzept nicht auf das in den Zeichnungen dargestellte Prinzip beschränken sollen.

In den Figuren ist ein Beschleunigungssensor 10 (Fig. 8) zur Erfas sung von Trägheitskräften dargestellt. In den Fig. 1-7 weist dieser Beschleunigungssensor wenigstens drei trennbare Medien A, B, C auf, von denen wenigstens zwei flüssige Medien B, C sind und von denen höchstens ein Medium ein gasförmiges Medium A ist. Grundsätzlich können somit also auch drei oder mehr flüssige Medien, ggf. auch ohne ein gasförmiges Medium eingesetzt werden. Wesentlich ist, daß diese Medien voneinander trennbar und nicht miteinander vermischbar sind. Dies führt dazu, daß die Medien zwischen sich wenigstens zwei voneinander unabhängige Phasengrenzen 11, 12 ausbilden. Erfassungs mittel 13 erfassen nun bei Auftreten einer Beschleunigung die Lage änderung der Phasengrenzen zueinander zur graduellen Bestimmung der Beschleunigung. Während sich also bei gleichbleibender Geschwindig keit, gleichgültig in welcher Lage sich der Sensor befindet, ledig lich eine parallele Lage der beiden Phasengrenzen 11, 12 einstellt, ergibt sich beim Auftreten einer Beschleunigung oder Verzögerung ein Bild gemäß Fig. 2. Dadurch ist es möglich, daß die Erfassungsmittel 13, selbst wenn sie nur auf einer Seite in Fig. 2 angeordnet sind, einen größenmäßigen Unterschied der Lage der beiden Phasengrenzen zueinander, im Ausführungsbeispiel also entlang der Wandung des Gefäßes 14 erfassen können.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind jedoch an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen Erfassungsmittel 13 vorgesehen, die die Lageänderung der beiden Phasengrenzen kontinuierlich erfas sen. Von beiden Stellen werden unterschiedliche Werte einem Ver gleicher 23 zugeführt, der aus dem Differenzwert der beiden erfaßten Werte ein lineares Beschleunigungssignal ermittelt. Durch diese Differenzwertbildung läßt sich ein genaueres Ergebnis ermitteln, da äußere Einflüsse, die auf beiden Seiten des Sensors Einfluß haben, durch die Differenzwertbildung ausgeblendet werden.

Vorzugsweise besitzen die beiden flüssigen Medien B, C eine unter schiedliche Dichte, so daß sich das flüssige Medium B infolge der höheren Dichte unter die Flüssigkeit C schichtet. Ergänzend ist es insbesondere zur Erzielung des in Fig. 2 dargestellten Effekts wünschenswert, wenn die beiden flüssigen Medien B, C auch über verschiedene Viskositäten verfügen. Insbesondere, wenn das flüssige Medium C eine geringere Viskosität aufweist, läuft dieses flüssige Medium C schneller beim Auftreten einer Beschleunigung an der Gefäßwandung auf, als dies von dem flüssigen und trägeren Medium B zu erwarten ist. Durch eine entsprechende Abstimmung der Viskosi täten aufeinander läßt sich die Empfindlichkeit des Beschleuni gungssensors in die eine oder andere Richtung beeinflussen.

Als besonders geeignete Medien haben sich bei Versuchen das gasför mige Medium A Luft, das flüssige Medium B Silikonöl und das flüssige Medium C Äthanol herausgestellt. Die beiden flüssigen Medien B, C sind voneinander trennbar und besitzen unterschiedliche Dielektrika. Beide Medien besitzen nahezu keine Oberflächenspannung zu Glas, so daß sich exakte Werte ergeben, wenn die Medien in einem Glaskörper eingefüllt sind. Darüber hinaus sind die beiden flüssigen Medien auch in optischer Hinsicht unterschiedlich lichtleitend und licht durchlässig, da das Äthanol sich z. B. einfärben läßt, so daß sich eine deutliche Phasengrenze auch für das Licht gegenüber dem Silikonöl ergibt, da sich die Einfärbung dem Silikonöl nicht mitteilt. Auf eine entsprechende Ausführungsform wird weiter unten noch näher eingegangen.

Fig. 1 und 2 zeigen den Beschleunigungssensor in einer Seitenan sicht, wobei es sich bei diesem Beschleunigungssensor vorzugsweise um einen eindimensional wirkenden Beschleunigungssensor handelt. Hierbei sind die Medien übereinander in einem zumindest in vertika ler Richtung runden oder abgerundeten Gefäß 14 angeordnet. Um einen optimalen Arbeitspunkt bei der Lageänderung der Phasengrenzen zu erzielen, befinden sich die Phasengrenzen 11, 12 im Ruhezustand etwa im Mittelbereich 14a des Gefäßes, also in dem Bereich, in dem das Gefäß seine größte horizontale Erstreckung aufweist. Es versteht sich von selbst, daß das Gefäß hier beliebige Formen annehmen kann, sofern lediglich sichergestellt ist, daß die Phasengrenzen dort er faßt werden können. Bei Verwendung von drei Medien befindet sich eines dieser Medien, nämlich das flüssige Medium C etwa im. Mittel bereich 14a des Gefäßes. Ebenso in diesem Mittelbereich, sind die Erfassungsmittel beidseits des Gefäßes 14 im Ausführungsbeispiel der Fign. 1 und 2 wenigstens in einem Winkelbereich um den Mittelbereich 14a angeordnet, da sich beim bevorzugten Einsatzzweck in einem Fahrzeug, das sich im wesentlichen in horizontaler Richtung bewegt, vertikal stehende Phasengrenzen üblicherweise nicht einstellen. Es versteht sich jedoch von selbst, daß die Erfassungsmittel bedarfsweise auch für andere Zwecke entsprechend angeordnet werden können.

Wird der Sensor zum Beispiel gemäß Fig. 8 in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, um z. B. bei einer Kurvenfahrt zu erfassen, welche Beschleunigungen auftreten und die Bremskraftanlage entsprechend zu steuern, so kann der Beschleunigungssensor auch gemäß Fig. 3 so aufgebaut werden, daß die Medien A, B, C in einem kugelförmigen Gefäß 14 angeordnet werden. Um hier nun die Beschleunigung in der Bewe gungsebene des Fahrzeuges zu erfassen, müssen an wenigstens drei gleichmäßig voneinander beabstandeten Stellen am Umfang des Gehäuses Erfassungsmittel 13 angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Erfassungsmittel an vier Stellen angeordnet, wobei jede einzelne Stelle z. B. einem Rad 21 des Fahrzeugs 22 zugeordnet werden kann. Die von den Erfassungsmitteln 13 ermittelten Werte werden dann einer Auswerteeinheit 20 zugeleitet, die entsprechende Signale an die Räder 21 des Fahrzeugs 22 abgibt.

In Fig. 4 handelt es sich bei den Erfassungsmitteln 13 um Elektro den, deren Benetzung durch das flüssige Medium C erfaßt wird. Infolge der Benetzung kann sich entweder der Widerstand ändern, so daß eine resistive Erfassung möglich wird, oder bei unterschiedli chen Dielektrika der Medien kann sich auch die Ladung so ändern, daß eine kapazitive Erfassung möglich wird. Fig. 4 verdeutlicht ergänzend, daß Signale auch moduliert an die beiden Elektroden abgegeben werden können, die dann von einer Mittelelektrode abgefragt werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine weitere physikalische Eigenschaft der Medien B und C ausgenutzt wird. Grundsätzlich beruht das Prinzip der Erfindung stets auf dem Aus nutzen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften der aufein andertreffenden Medien A, B, C. In Fig. 5 wird eine Beleuchtungsquelle 18 vorgesehen. Die Erfassung der Lageänderung der Phasengrenzen erfolgt hier optisch. Das Medium C hat eine andere Licht durchlässigkeit als das Medium B, z. B. kann das Medium B eine schwarze Flüssigkeit sein. Erfolgt nun eine Einstrahlung von Licht, so ergeben sich an dem wenigstens einen lichtempfindlichen Element 16 in Abhängigkeit der Lageänderung der Phasengrenzen 11,12 ergebende verschiedene Werte an Lichtmenge oder -stärke, die als Maßstab für die Beschleunigung ausgewertet werden können.

Eine ähnliche Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die flüssigen Medien B, C dort verschiedene diffuse Lichtleitverhalten haben, wie die eingangs bereits hinsichtlich der bevorzugten Flüssigkeiten Äthanol und Silconöl erläutert wurde. Eine Änderung der Phasengrenzen führt hier zur Zu- oder Abnahme des diffusen Lichtleiters - im Ausführungsbeispiel das Medium C -, so daß das auf der einen Seite oder seitlich eingestrahlte Licht zu unter schiedlichen Werten an den Erfassungsmitteln 13 führt, sobald sich die Lage der Phasengrenzen zueinander ändert.

In Fig. 6 können die Lichtquellen 18 mehrere Licht emittierende Elemente wie z. B. Leuchtdioden sein, wobei es nicht auf die voll ständige Abdeckung der Gefäßwandung mit Licht emittierenden Elemen ten ankommt, sondern allenfalls auf eine gleichmäßige Anordnung der Leuchtdioden zueinander. Sind diese Leuchtdioden nämlich gleichmäßig zueinander angeordnet, ergibt sich zwar eine Schwankung in der Lichtstärke, da mehr oder weniger Leuchtdioden in den Lichtleiter einstrahlen. Da jedoch eine Differenzwertbildung vorgenommen wird, führt diese Schwankung - da auf beiden Seiten gleich - stets zu keinem Beschleunigungssignal. Als Erfassungselement kann ein lichtempfindliches Element z. B. in der Mitte eingesetzt werden oder es können in zeichnerisch nicht dargestellter Form gesonderte lichtempfindliche Elemente vorgesehen werden. Die Beschaltung der Meßstrecken und der Erfassungselemente kann analog zur Anmeldung WO 95/01561 des Anmelders erfolgen.

Gemäß Fig. 7 kann z. B. zur kapazitiven oder resistiven Erfassung der Beschleunigungssensor auch als paarweise Erfassungsmittel 13 ausgebildeten Elektroden aufweisen, die derart sichelartig ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordenet sind, daß bei einer Drehung des Sensors aus der Ruhelage der insgesamt durch die Elektroden im Mittelbereich gemessene Wert unverändert bleibt. Bewegen sich hier die Phasengrenzen 11, 12, gleichmäßig im Uhrzeigersinn, so nimmt der Wert an der im wirksamen dielektrischen Bereich, also im Medium C liegenden, rechten Elektrode in dem Umfang zu, in dem der Wert der linken Elektrode abnimmt. Erfolgt hingegen eine ungleichmäßige Bewegung ergibt sich eine messbare Wertänderung. Dadurch lassen sich Fehlmessungen vermeiden, die sich z. B. dadurch ergeben können, daß das Medium B ein geringeres dielektrisches Verhalten aufweist als das Medium C oder die Dielektrizitätskonstan ten zu dicht beieinander liegen. Alternativ ist auch eine induktive Lösung möglich, indem die Medien so behandelt werden, daß sie z. B. durch Zusetzung von Eisenspänen unterschiedliche Induktivität aufweisen, so daß ein Hallsensor die verschiedenen Eigenschaften erfassen kann.

Außer der in Fig. 8 dargestellten Bremskraftregelung läßt sich der Beschleunigungssensor z. B. auch dazu nutzen, ein aktives Bremslicht zu schaffen, das dem nachfolgenden Fahrzeug Informationen darüber gibt, ob das Fahrzeug tatsächlich gebremst oder beschleunigt wird, unabhängig von den jeweiligen Geländegegebenheiten, wie z. B. bei Befahren von Steigungen oder Gefällen.

Als optisches Erfassungselement wird bevorzugterweise ein Sensor gemäß WO 95/01561 eingesetzt, der ggf. hinsichtlich der zu verwendenden Zeitkonstante für die Ausregelung der Signale an diesen Einsatzzweck angepaßt ist. Die dort vorgeschlagene Ermittlung der Meßwerte an mehreren Meßstrecken sowie die Differenzwertbildung zwischen verschiedenen Meßstrecken unter Ausregelung der ermittelten Werte kann jedoch auch bei anders gearteter Meßwerterfassung, also nicht nur bei Erfassung auf optischen Wege, sondern auch bei Meßwerterfassung auf resistivem, kapazitivem, induktivem oder anderem Wege eingesetzt werden.

Claims

1. Beschleunigungssensor zur Erfassung von Trägheitskräften mit mehreren trennbaren und nicht vermischbaren Medien (A, B, C), von denen höchstens ein Medium (A) gasförmig ist und die übrigen Medien (B, C) flüssig sind und welche Medien (A, B, C) zwischen sich wenigstens eine Phasengrenze (11, 12) ausbilden, wobei Erfassungs mittel (13) bei Auftreten einer Beschleunigung die Lageänderung der Phasengrenze zur graduellen Bestimmung der Beschleunigung erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei trennbare und nicht vermischbare Medien (A, B, C) vorgesehen sind, von denen wenigstens zwei flüssige Medien (B, C) sind und daß die Medien zwischen sich wenigstens zwei voneinander unabhängige Phasengrenzen (11, 12) ausbilden, wobei die Erfassungsmittel die Lageänderung der Phasengrenzen (11, 12) zueinander erfassen.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (13) an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen die Lageänderung kontinuierlich erfassen und daß ein Vergleicher (23) den Differenzwert der erfaßten Werte als lineares Beschleunigungssignal auswertet.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden flüssigen Medien (B, C) eine unterschiedliche Dichte aufweisen.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden flüssigen Medien (B, C) eine unterschiedliche Viskosität aufweisen.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium (A) Luft und daß die flüssigen Medien (B, C) Siliconöl und Äthanol sind.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien (A, B, C) in einem zumindest in vertikaler Richtung rundem oder abgerundetem Gefäß (14) übereinander angeordnet sind, wobei die Phasengrenzen (11, 12) im Ruhezustand etwa im Mittelbe reich (14a) des Gefäßes liegen, in dem das Gefäß seine größte horizontale Erstreckung aufweist.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eines der flüssigen Medien (C) etwa im Mittelbereich (14a) des Gefäßes (14) liegt.

8. Beschleunigungssenor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei flächiger Ausgestaltung die Erfassungsmittel (13) beidseits des Gefäßes (14) wenigstens in einem Winkelbereich um den Mittelbereich (14a) angeordnet sind.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (14) kugelförmig ist und daß die Erfassungsmittel (13) an wenigstens drei, vorzugsweise vier voneinander vorzugs weise gleichmäßig beabstandeten Stellen am Umfang des Gehäuses angeordnet sind.

10. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (13) Elektroden sind, deren Benetzung durch die flüssigen Medien (B, C) erfaßt wird.

11. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (13) die Verschiebung der Phasengrenzen (11, 12) kapazitiv, resistiv oder induktiv erfassen.

12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die als paarweise Erfassungsmittel (13) ausgebildeten Elek troden derart sichelartig ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind, daß bei einer Drehung des Sensors aus der Ruhelage der insgesamt gemessene Differenzwert der resistiven oder kapazitiven Erfassung unverändert bleibt aufgrund der unterschiedlichen Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstanten der beiden Medien.

13. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel die Verschiebung der Phasengrenzen optisch erfassen, wobei wenigstens ein Licht aussendendes und wenigstens ein lichtempfindliches Element (16) vorgesehen ist.

14. Beschleunigungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Medien (B, C) verschiedene Lichtdurchlässig keiten aufweisen und daß als Erfassungsmittel lichtempfindliche Elemente (16) vorgesehen sind, die die jeweilige Lichtmenge erfassen.

15. Beschleunigungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Medien (B, C) verschiedene diffuse Lichtleit verhalten haben und daß die Änderung der Phasengrenzen zur Zu- oder Abnahme des diffusen Lichtleiters führt.