DE4101060C2 - Neigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Neigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Neigungssensoren dieser Art werden vorzugsweise eingesetzt um eine außerhalb zulässiger Grenzen liegende Neigung von Fahrzeugen festzustellen, die insbesondere auch bei unfall­ bedingten Krafteinwirkungen auf das Fahrzeug hervorgerufen werden und die im Extremfall zu einem Überrollvorgang des Fahrzeugs Anlaß geben. Als Neigungssensoren lassen sich auch beschleunigungsempfind­ liche Sensoren einsetzen, die beispielsweise in der Kraftfahrzeug­ technik in Gestalt von Quecksilberschaltern auch für die Auslösung von Sicherheitseinrichtungen für Fahrzeuginsassen Verwendung finden. Solche Quecksilberschalter sind beispielsweise aus 1141 Ing´nieurs de l′Automobile (1982) No. 6, S. 76 bekannt. Diese Quecksilber­ schalter haben in der Regel ihre Funktion zuverlässig erfüllt. Ins besondere aus Gründen des Umweltschutzes strebt man jedoch eine Abkehr von Quecksilber enthaltenden Schaltern an. Es kann nämlich nicht völlig ausgeschlossen werden, daß bei einem Unfall das das Quecksilber enthaltende Behältnis in dem Quecksilberschalter zer­ stört wird und auf diese Weise Quecksilber in die Umwelt gelangt. Quecksilber gilt jedoch als starkes Gift. Aus EP-B1-01 79 120 ist weiterhin eine Trägheitsvorrichtung zur Verwendung in einem Fahr­ zeug-Sicherheitssystem bekannt, die einen beweglichen Trägheits­ körper aufweist, der zwischen einer neutralen Ausgangsstellung und wenigstens einer Arbeitsstellung beweglich ist. Der Trägheitskörper enthält eine Durchgangsöffnung, welche sich längs einer Vertikal­ achse des in der neutralen Stellung befindlichen Trägheitskörpers erstreckt. Durch diese Durchgangsöffnung kann sich Strahlung von einem eine Strahlung aussendenden Mittel zu einem eine Strahlung feststellenden Mittel ausbreiten. Bei einer Neigung des Trägheits­ körpers wird der Strahlengang unterbrochen. Dieser Vorgang kann für die Gewinnung eines neigungsabhängigen Schaltkriteriums ausgewertet werden.

Aus DE-GM 72 15 700 ist weiter ein Klinometer zur Bestimmung der Richtung eines in die Erde getriebenen oder zu treibenden Körpers bekannt, mit einem in einem Gehäuse gelagerten Trägheitskörper, einen in dem Deckel des Gehäuses angeordneten Hall-Element und einem in dem Trägheitskörper angeordneten, mit dem Hall-Element in Wirkverbindung stehenden Magnetelement.

Auch aus DE-GM 66 04 381 ist ein Pendelneigungsmesser, vorzugsweise zum Nachweis geologischer Bodenneigungen unter Gezeiteneinfluß, bekannt, der einen als astasiertes Stehpendel ausgebildeten Pendelkörper als Neigungsindikator umfaßt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs beschreibt einen Neigungssensor, der ohne Quecksilber auskommt. Im Vergleich zu dem aus EP-B1-01 79 120 bekannten Träg­ heitskörper bietet der vorgeschlagene Neigungssensor insbesondere den Vorteil, daß die bei einer stärkeren Neigung einen Schaltimpuls auslösenden Mittel lediglich auf einer Seite des Neigungssensors angeordnet sind. Dadurch werden insbesondere Montage und Justierung erleichtert und damit die Herstellung vereinfacht und verbilligt. Da zudem der vorgeschlagene Neigungssensor nicht auf die Mitwirkung einer verschmutzungsempfindlichen Übertragungsstrecke zwischen einem Strahlungssender und einem Strahlungsempfänger angewiesen ist, ergibt sich eine besonders robuste und verschmutzungsunempfindliche Bauweise, die selbst starken Beanspruchungen in Kraftfahrzeugen standhält. Dies erleichtert insbesondere auch die Montagemöglich­ keiten, da bei dem Einbau des Neigungssensors im Kraftfahrzeug nicht auf einen besonders geschützten Einbauort Rücksicht genommen werden muß.

Die bei Überschreitung eines vorgebbaren Neigungswinkels einen Schaltimpuls auslösenden Komponenten umfassen vorzugsweise einer­ seits ein im Deckel des Gehäuses des Neigungssensors angeordnetes Hall-Element und ein mit diesem Hall-Element in Wirkverbindung stehendes Magnetelement. Zweckmäßig ist dieses Magnetelement kreis­ zylindrisch ausgebildet und zentrisch in der der Standfläche gegen­ überliegenden Kopffläche des Trägheitskörpers angeordnet. Dabei ragt das Magnetelement zumindest abschnittsweise aus der Kopffläche des Trägheitskörpers hervor, wobei gegebenenfalls die Länge des aus der Kopffläche des Trägheitskörpers frei hervorragenden Abschnitts des Magnetelements durch Justiermittel noch beeinflußbar ist. Dadurch ergibt sich einerseits eine leichte Justierbarkeit zwischen dem in dem Deckel des Gehäuses angeordneten Hall-Element und dem Magnet­ element. Andererseits wird im Zusammenwirken mit einer auf dem Hall-Element angeordneten und dem Inneren des Gehäuses zugewandten Erhebung sichergestellt, daß insbesondere in Überkopflage des Neigungssensors der Trägheitskörper in dem Gehäuse des Neigungs­ sensors derart gesperrt ist, daß kein weiterer Schaltimpuls aus­ lösbar ist.

Die Innenwand des Gehäuses des Neigungssensors ist im wesentlichen hohlzylindrisch, zumindest teilweise auch als Kegelmantelfläche, ausgebildet. Im Zusammenwirken mit dem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Trägheitskörper ergibt sich damit eine relativ große Richtungsunabhängigkeit des Neigungssensors. Wichtig dabei ist auch eine sehr präzise Fertigung der Kippkanten an dem Trägheitskörper und an dem Gehäuse des Neigungssensors, da diese Kanten das Schalt­ verhalten (insbesondere die Hysterese) stark beeinflussen können. Insbesondere sind die Kippkanten so ausgestaltet, daß sich eine im wesentlichen punktförmige Auflage des Trägheitskörpers an der Wandung des Gehäuses ergibt.

Bevorzugt wird der Neigungssensor derart ausgebildet, daß ein Schaltimpuls dann ausgelöst wird, wenn der Trägheitskörper in einem Winkelbereich zwischen etwa 15° und 30°, insbesondere zwischen 18° und 24° in bezug auf die Gehäuselängsachse aus der Ruhelage ausge­ lenkt ist.

Weitere Vorteile des Neigungssensors ergeben sich aus den Zeichnun­ gen und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Neigungssensors im Längsschnitt mit dem in Ruhelage befindlichen Trägheitskörper,

Fig. 2 den Neigungssensor gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in einer Neigungslage,

Fig. 3 den Neigungssensor in Überkopflage,

Fig. 4 eine Darstellung des Winkelbereichs, in dem der Neigungsschalter Schaltimpulse veranlaßt und

Fig. 5 ein Beschleunigungszeitdiagramm zur Veranschaulichung des Schaltverhaltens des Neigungssensors.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Neigungs­ sensors ist in Fig. 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Der Neigungssensor 1 umfaßt ein im wesentlichen hohlzylindrisch ausge­ bildetes Gehäuse 2, das von einem Deckel 3 verschließbar ist. Der Deckel 3 trägt eine ringförmig umlaufende in Radialrichtung nach außen vorspringende Wulst 3a, die sich in Einbaulage des Deckels 3 eng an die Innenwandung des Gehäuses 2 anlegt und durch den dadurch hervorgerufenen Preßsitz eine besonders große Sicherheit gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere auch von Spritzwasser oder dergleichen ermöglicht. In Einbaulage wird der Deckel 3 des Gehäuses 2 zweckmäßig noch durch mindestens zwei Sicherungsstifte 14 ge­ sichert, die in miteinander fluchtenden Bohrungen innerhalb der Gehäusewandung und innerhalb des Deckels 3 angeordnet sind. Dabei bestehen die Sicherungsstifte 14 auf einem antimagnetischen Werk­ stoff, wie beispielsweise Messing, Kupfer, nichtmagnetischer Edel­ stahl, um die Wechselwirkung zwischen den schaltwirksamen Elementen des Neigungssensors nicht zu beeinträchtigen. In der Innenfläche des Deckels 3 ist eine zentrisch angeordnete Ausnehmung eingebracht zur Aufnahme eines Hall-Elementes 4. Dieses Hall-Element 4 steht in Wirkverbindung mit einem nachfolgenden noch näher beschriebenen Magnetelement.

Das Gehäuse 2 des Neigungssensors 1 ist im wesentlichen hohl­ zylindrisch ausgebildet, wobei die Innenwandung 10 des Gehäuses 2 jedoch, zumindest teilweise, Kegelmantelflächen 10a, 10b umfaßt, die sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beidseits an einen zylindermantelförmig ausgebildeten Abschnitt 10c der Innen­ wandung 10 des Gehäuses 2 anschließen. Der Bodenbereich des Gehäuses 2 ist vorzugsweise wieder hohlzylindrisch ausgebildet und dient zur Aufnahme eines im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Träg­ heitskörpers 6. Dieser Trägheitskörper 6 liegt mit seiner Grund­ fläche 8 in der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage auf dem Boden des Gehäuses 2 auf. Dabei ist der Trägheitskörper 6 jedoch um senkrecht zur Längsachse 12 des Gehäuses, die mit der Längsachse des in Ruhe­ lage befindlichen Trägheitskörpers 6 übereinstimmt, liegende Achsen kippbar gelagert. Die Kippbarkeit des Trägheitskörpers wird zweck­ mäßig dadurch erleichtert und seine Empfindlichkeit, auf Neigungen zur reagieren, dadurch vergrößert, daß der Schwerpunkt des Träg­ heitskörpers möglichst hoch oberhalb seiner Grundfläche 8 angeordnet ist. Zweckmäßig liegt der Massenschwerpunkt M des Trägheitskörpers 6 oberhalb seiner geometrischen Mitte. Auf einfache Weise läßt sich die Lage des Massenschwerpunktes M dadurch beeinflussen, daß in dem im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Trägheitskörpers 6, vorzugsweise im Bodenbereich, Hohlräume angeordnet sind, so daß die Massendichte entsprechend verringert ist. Besonders einfach und fertigungstechnisch günstig läßt sich ein solcher Hohlraum als Aus­ nehmung 7 ausgestalten, die von der Grundfläche 8 des Trägheits­ körpers 6 her und diese dabei durchdringend in den Trägheitskörper 6 eingebracht ist. Die Ausnehmung 7 hat zur Folge, daß der Trägheits­ körper 6 lediglich noch vermittels einer kreisringförmigen Grund­ fläche 8 auf dem Boden des Gehäuses 2 aufliegt. Der Durchmesser der Ausnehmung 7 wird dabei zweckmäßig derart bemessen; daß die Breite des die kreisringförmige Grundfläche 8 bildenden Kreisringes nur noch einen Bruchteil des Gesamtdurchmessers des Trägheitskörpers 6 bildet. Vorzugsweise beträgt die Breite dieses Kreisrings nur noch etwa 1/5 bis 1/10 des Gesamtdurchmessers des Trägheitskörpers 6. Im Kopfbereich des Trägheitskörpers 6 ist zentrisch ein Magnetelement 5 angeordnet, das in Wirkverbindung mit dem Hall-Element im Deckel 3 des Gehäuses 2 steht. Das Magnetelement 5 ist zweckmäßig kreis­ zylindrisch ausgestaltet und kann in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auch derart justierbar im Kopfbereich des Trägheitskörpers 6 gelagert sein, so daß der Abstand zwischen der offenliegenden Stirnfläche des Magnetelements 5 und dem Hall-Element 4 einstellbar ist. Dies erleichtert die Festlegung eines optimalen Schaltpunktes des Neigungssensors.

Zweckmäßig wird das Magnetelement 5 aus einem Samarium-Kobalt-Werk­ stoff, nämlich SmCo₅ oder aber auch aus einem Neodym-Eisen-Bor- Werkstoff, nämlich NdFeB hergestellt. Diese Werkstoffe haben besonders günstige magnetische Eigenschaften, die eine zuverlässige Funktionsweise des Neigungssensors fördern.

Zweckmäßig werden Gehäuse 2, Gehäusedeckel 3 und Trägheitskörper 6 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das sich fertigungs­ technisch günstig bearbeiten läßt. Besonders günstig lassen sich damit die vergleichsweise komplexen Konturen der Innenwandung des Gehäuses 2 herstellen. Darüber hinaus ergeben sich jedoch besonders günstige Reibbeiwerte zwischen dem Trägheitskörper und der Gehäuse­ innenwandung, die für eine Reproduzierbarkeit des Schaltverhaltens besonders wichtig sind. Schließlich ergibt sich durch die Verwendung von Kunststoff auch ein vergleichsweise geringer Geräuschpegel bei Kippbewegungen des Trägheitskörpers 6 innerhalb des Gehäuses 2. Besonders vorteilhaft wird der Trägheitskörper aus Polyacetal her­ gestellt, das mit PTFE verstärkt ist. Der PTFE-Anteil liegt zwischen 10% bis 30% und vorzugsweise bei 20% Masseprozent. Das Gehäuse 2 und Gehäusedeckel 3 werden zweckmäßig aus Polyamid 6.6 gefertigt.

Auf der dem Trägheitskörper 6 zugewandten Außenfläche 11 des Hall-Elementes 4, koaxial zur Längsachse 12 des Gehäuses 2 liegend, ist eine Erhebung 13 angeordnet. Die Erhebung 13 hat zweckmäßig die Gestalt eines Kreiszylinders, der mit einer seiner Grundflächen auf der Außenfläche 11 des Hall-Elementes 4 aufliegt. Das mit dem Hall-Element 4 in Wirkverbindung stehende Magnetelement 5 ragt zweckmäßig mit einem Teil seiner Länge aus der Kopffläche 9 des Trägheitskörpers 6 hervor. Durch diese konstruktive Ausgestaltung läßt sich erreichen, daß in Überkopflage des Neigungs­ sensors, die in Fig. 3 dargestellt ist, weitere, unerwünschte Schaltimpulse unterdrückt werden. In dieser Überkopflage des Neigungssensors kommt nämlich das aus der Kopffläche 9 des Träg­ heitskörpers 6 hervorragende Endstück des Magnetelements 5 an der nach innen ragenden Erhebung 13 zur Anlage, wodurch weitere Bewegun­ gen des Trägheitskörpers 6 gesperrt sind. Insbesondere wird dadurch auch ein einen Schaltimpuls auslösendes Vorbeibewegen des Magnet­ elements 5 an dem Hall-Element 4 zuverlässig verhindert. Eine der­ artige Überkopflage des Neigungssensors 1 kann beispielsweise bei einem Überrollvorgang eines Fahrzeugs auftreten. Ein weiterer Schaltimpuls wird erst wieder ermöglicht, wenn der Neigungssensor 1, etwa durch Wiederaufrichten des Fahrzeugs, in seine in Fig. 1 dar­ gestellte Normal- oder Ruhelage zurückgekehrt ist. Fig. 2 zeigt eine Betriebslage des Neigungssensors 1, bei der dieser in Folge der Auslenkung des Trägheitskörpers 6 um einen Winkel α aus seiner in Fig. 1 dargestellten Ruhelage durch Vorbeibewegen des Magnet­ elements 5 an dem Hall-Element 4 einen Schaltimpuls erzeugt hat. Die maximal mögliche Auslenkung des Trägheitskörpers 6 ist dadurch begrenzt, daß er, wie in Fig. 2 dargestellt, mit seiner Mantel­ fläche an der Innenwandung des Gehäuses 2 zur Anlage kommt. Sobald das drehfest mit dem Fahrzeugkörper verbundene Gehäuse 2 in die Ruhelage zurückkehrt, kippt der in dem Gehäuse 2 kippbar gelagerte Trägheitskörper 6 ebenfalls in seine in Fig. 1 dargestellte Ruhe­ lage zurück.

Die Wirkungsweise des zuvor erläuterten Neigungssensors 1 wird im folgenden beschrieben. Zunächst werde angenommen, daß sich der Neigungssensor 1, wie in Fig. 1 dargestellt, in einer Ruhelage befindet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein mit einem derartigen Neigungssensor 1 ausgestattetes Fahrzeug keinen oder nur geringen Querkräften ausgesetzt ist. In dieser Ruhelage des Nei­ gungssensors 1 ist der in dem Gehäuse 2 des Neigungssensors 1 kipp­ bar gelagerte Trägheitskörper 6 koaxial zu der Längsachse 12 des Gehäuses 2 derart ausgerichtet, daß sich das Magnetelement 5 und das Hall-Element 4 in Ruhelage gegenüberstehen. Wenn nun das Fahrzeug eine Kippbewegung ausführt, wird das drehfest mit dem Fahrzeug verbundene Gehäuse 2 des Neigungssensors ebenfalls ausgelenkt, mit der Folge, daß eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper 6 und dem Gehäuse stattfindet, wobei sich auch Magnetelement 5 und Hall-Element 4 relativ zueinander bewegen. Dadurch wird ein Schalt­ impuls ausgelöst, der mit elektronischen Mitteln, die hier nicht näher dargestellt sind, weiter verarbeitet werden kann. Andererseits kann bei ansonsten unveränderter Lage des drehfest am Fahrzeug ange­ ordnete Gehäuses 2 des Neigungssensors 1 der Trägheitskörper 6 auch durch eine Beschleunigung aus seiner Ruhelage gekippt werden und dadurch ein Schaltsignal erzeugen. Demzufolge ist der Neigungssensor nicht nur zur Feststellung von Fahrzeugneigungen und/oder Kippbe­ wegungen sondern auch zur Erfassung von Beschleunigungsvorgängen, die nicht mit einer Verlagerung des Gehäuses 2 verbunden sind, geeignet. Zweckmäßig wird der Schaltbereich des Neigungssensors derart festgelegt, daß ein Schaltimpuls nur dann ausgelöst wird, wenn der Trägheitskörper 6 bestimmte, begrenzte Winkellagen ein­ nimmt. Bei senkrechter Ruhelage des Trägheitskörpers 6 findet zweck­ mäßig ein Schaltvorgang im Winkelbereich zwischen etwa 10° und 30°, vorzugsweise zwischen 18° und 24° statt, wobei als Winkelbereich die Auslenkung der Längsachse des Trägheitskörpers 6 in bezug auf die vertikal liegende Achse 12 des Gehäuses 2 definiert ist. Dies ergibt sich auch aus der Darstellung in Fig. 4. Im Winkelbereich zwischen 0° und 18° darf kein Schaltimpuls auftreten. Im Winkelbereich zwischen 18° und 24° muß ein Schaltimpuls auftreten. Im Winkel­ bereich größer als 24° darf kein Zurückschalten erfolgen; der Neigungssensor muß reine Schaltlage, die beispielsweise durch ein Ausgangssignal von 5 Volt repräsentiert wird, beibehalten.

Das Diagramm in Fig. 5 erläutert das Schaltverhalten des Neigungs­ sensors 1 in Abhängigkeit von Beschleunigungswerten.

Bei einer Beschleunigungsänderung von 14 g/s wird unterhalb eines ersten Beschleunigungsgrenzwertes von 0,32 g (g = Erdbeschleunigung) noch kein Schaltimpuls ausgelöst. Die Auslösung eines Schaltimpulses erfolgt erst nach Überschreiten eines zweiten Beschleunigungsgrenz­ wertes, der zweckmäßig bei 0,43 g liegt. Der Umschaltvorgang findet dabei innerhalb eines Zeitintervalls T von ca. 100 Millisekunden statt.

Claims (10)

1. Neigungssensor (1) umfassend ein mit einem Deckel (3) verschließbares, topfförmiges Gehäuse (2), einen in dem Gehäuse (2) kippbar gelagerten Trägheitskörper (6), ein in dem Deckel (3) des Gehäuses (2) angeordnetes Hall-Element (4), ein in dem Trägheitskörper (6) angeordnetes, mit dem Hall-Element (4) in Wirkverbindung stehendes Magnetelement (5), wobei durch eine Relativbewegung zwischen dem Hall-Element (4) und dem Magnetelement (5) infolge einer Kippbewegung des kippbar gelagerten Trägheitskörpers (6) ein Schaltimpuls auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Sperrmittel vorgesehen sind, die in Überkopflage des Neigungssensors (1) eine Relativbewegung zwischen dem Hall-Element (4) und dem Magnetelement (5) verhindern.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel eine auf der dem Trägheitskörper (6) zugewandten Außenfläche (11) des Hall-Elements (4) koaxial zur Längsachse (12) des Gehäuses (3) ausgerichtete Erhebung (13) umfassen.

3. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (13) die Gestalt eines Kreiszylinders hat, der mit einer seiner Grundflächen auf der Außenfläche (11) des Hall-Elements (4) aufliegt.

4. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) in dem Kopfteil des Trägheitskörpers (6) zentrisch angeordnet ist.

5. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) kreiszylindrisch ausgestaltet ist.

6. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) aus der Kopffläche (9) des Trägheitskörpers (6) hervorragend ausgebildet ist.

7. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenfläche des Deckels (3) eine zentrisch angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme des Hall-Elements (4) vorgesehen ist.

8. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zusammenwirken zwischen Magnetelement (5) und Hall-Element (4) ein Schaltimpuls dann auslösbar ist, wenn der Trägheitskörper (6) des Neigungssensors (1) zwischen etwa 10° und 30°, insbesondere zwischen 18° und 24° in bezug auf die Gehäuselängsachse (12) des Gehäuses (2) aus der Ruhelage ausgelenkt ist.

9. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltimpuls dann auslösbar ist, wenn die auf den Trägheitskörper (6) einwirkende Beschleunigung (a) zwischen etwa 0,2 und 0,5 g, insbesondere zwischen 0,32 und 0,43 g liegt.

10. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien der Außenkonturen des Trägheits­ körpers (6) und der Innenwandung des Gehäuses (2) derart gewählt sind, daß sich in Kipplage des Trägheitskörpers (6) ein im wesentlicher punktförmiger Kontakt zwischen Trägheitskörper (6) und Gehäuse (2) ergibt.