DE4215744A1 - Vorrichtung zur Begrenzung oder Steuerung bzw. Regelung der Bewegung von fremdkraftbetätigten Teilen, insbesondere von Teilen einer Fahrzeugkarosserie sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur Begrenzung oder Steuerung bzw. Regelung der Bewegung von fremdkraftbetätigten Teilen, insbesondere von Teilen einer Fahrzeugkarosserie sowie Verfahren zum Betreiben der VorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung oder Steuerung bzw.
Regelung der Bewegung von fremdkraftbetätigten Teilen einer Fahrzeugkarosserie
gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Besonders vorteilhaft
ist ihre Verwendung als Kollisionsschutz für Fensterheber, Schiebedächer,
Türen oder Klappen.
Vorrichtungen zur Steuerung und insbesondere zur Überwachung des Schließvorgangs
motorisch betätigter Teile, wie Türen, Klappen oder Fensterscheiben
von Kraftfahrzeugen, sind bekannt und benutzen hierfür unterschiedlichste
technische Prinzipien. Man unterscheidet dabei solche, die an einen
direkten körperlichen Kontakt gebunden sind, und berührungsfrei arbeitende
Systeme.
In der DE-OS 22 46 337 ist eine Sicherheitseinrichtung für motorisch verschließbare
Öffnungen offenbart, die eine Bestimmungsgröße einer
akustischen Quelle, z. B. die Schallintensität, mißt, wobei der akustische
Empfänger über eine den Luftschall leitende Übertragungsstrecke mit der
akustischen Quelle verbunden ist. Die Übertragungsstrecke kann ein elastischer
im Bereich einer Schließkante angeordneter Schlauch sein. Bei seiner
Deformation durch ein Hindernis verringert sich die den Empfänger
erreichende Schallintensität. Eine Auswerteeinrichtung reagiert darauf mit
einem Stellbefehl an den Motor.
Der Nachteil dieser Sicherheitseinrichtung besteht in der Gefahr einer Beschädigung
oder Zerstörung der Übertragungsstrecke bei ihrer Verwendung als
Einklemmschutz für Fensterheber eines Kraftfahrzeugs. Außerdem führt die
Befestigung des Schlauches auf der umlaufenden Kante der Scheibe zu Befestigungsproblemen,
im Bereich rechtwinklig abknickender Scheibenkanten
zu Übertragungsproblemen. Innerhalb des Führungsrahmens besteht zudem die
Gefahr der unbeabsichtigten Auslösung der Sicherheitseinrichtung.
Die DE-AS 24 32 063 beschreibt eine Einrichtung zur Überwachung des Türschließvorgangs
in Nahverkehrsfahrzeugen unter Anwendung des Prinzips einer
Lichtschranke. Strahlungsquelle und Sensor sind im wesentlichen in einer
Ebene im Bereich der Schließkante angeordnet. Der Übertragungsweg innerhalb
des relativ großvolumigen elastischen Abdeckelements wird durch einen Reflektor
am gegenüberliegenden Ende der Schließkante vervollständigt. Bei
Deformation des Abdeckelements erfolgt eine Dämpfung der Lichttransmission,
was über den Sensor zur vorgesehenen Reaktion der Einrichtung führt.
Nachteilig ist, daß die beschriebene Einrichtung nicht bzw. nur nach aufwendiger
Innenverspiegelung für die Überwachung gekrümmter Schließkanten
eingesetzt werden kann, wie das aber für die Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs
notwendig wäre.
Durch die DE-PS 27 19 955 ist ein berührungsfreier Feldsensor zum Erkennen
von Personen oder Gegenständen vor sich geradlinig bewegenden Kanten bekannt,
dessen Antennenkondensatoren durch sich nähernde Objekte eine asymmetrische
Kapazitätsänderung erfahren und über eine Auswerteeinrichtung zu
Steuerbefehlen führen.
Leider weisen Feldsensoren oft keinen ausreichend beschränkten (schmalen)
Wirkungsbereich auf, so daß auch Reaktionen von Objekten ausgelöst werden
können, die nicht direkt in Bewegungsrichtung der Schließkante liegen. Beispielsweise
könnte beim Einsatz dieses Sicherheitssystems als Einklemmschutz
für elektrische Fensterheber in Kraftfahrzeugen die Annäherung des
Kopfes oder der Schulter eines Passagiers an die Scheibe zu einer Reversierbewegung
derselben führen.
Die DE-PS 30 34 118 und die DE-PS 31 36 746 beschreiben ein Verfahren zur
elektronischen Überwachung des Öffnungs- und Schließvorgangs von elektrisch
betriebenen Aggregaten, wobei aus den zeitlichen Veränderungen der charakteristischen
Kenngrößen des Aggregats und deren Auswertung in einem Microcomputer
ein elektrisches Stellorgan beeinflußbar ist. In einem der in
mehrere Abschnitte unterteilten Schließbereiche wird beim Schließvorgang
die Drehzahl bzw. die Geschwindigkeit des Aggregats laufend ermittelt und
mit einem Grenzwert verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, so erfolgt
eine kurzfristige Bewegungsumkehr und dann die Abschaltung.
Dieses Verfahren erkennt ein Einklemmen sehr sicher, jedoch infolge der
während der Bewegung bzw. Abbremsung der Verstellobjekte wirkenden zum Teil
erheblichen Massenträgheitskräfte reagiert das System relativ träge. Auf
die eingeklemmten Objekte können deshalb ziemlich große Kräfte einwirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln,
- - die sich unter anderem auch für die Verwendung als separater oder zusätzlicher Kollisionsschutz eignet, wobei die Auslösekraft deutlich verringert werden soll und ein Ansprechen des Kollisionsschutzes nur im unmittelbaren Gefahrenbereich erfolgen soll und
- - deren Funktionssicherheit von äußeren Einflüssen, wie Schmutz, Wasser, Eis, Verschleiß und Alterung der Teile, nicht beeinträchtigt wird,
- - die ohne Verwendung separater, örtlich vom fremdkraftbetätigten Teil getrennt angeordneter Schalter auskommt,
- - die den Bedienkomfort erhöht, insbesondere durch Verknüpfung von ergonomischen und logischen Bedienabläufen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit mindestens
einem elektrisch-mechanischen Wandler als Aktuator und mindestens einem
mechanisch-elektrischen Wandler als Sensor sowie einer elektronischen Auswerte-
und Steuereinrichtung gelöst, wobei der Aktuator und der Sensor auf
einer gemeinsamen, d. h. zusammenhängend verlaufenden akustischen Übertragungsstrecke
angeordnet sind, die Bestandteil eines fremdkraftbetätigten
Teils, z. B. einer Fensterscheibe oder einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs,
ist und die für den Menschen, seine Hände oder auch leblose Gegenstände
besonders gut zugänglich bzw. mit diesen in Kontakt bringbar ist.
Der Aktuator erzeugt in der Übertragungsstrecke akustische Oberflächenwellen
(Rayleigh-Wellen), von denen der Sensor mindestens eine charakteristische
Kenngröße, z. B. die Amplitude oder Frequenz erfaßt und an die Auswerte-
und Steuereinrichtung weiterleitet.
Durch Veränderung der Eigenschaften der Übertragungsstrecke kann sich eine
Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich machen. Die veränderten
äußeren Bedingungen können in Abhängigkeit von der Scheibenführung
und Scheibenposition zu Dämpfungen des Signals in Folge von Beschädigungen,
Verschmutzungen bzw. Vereisungen auch zu Reflexionen des Signals führen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Anpassung durch Vergrößerung und Verringerung
der Abgabeleistung und/oder der Frequenz des Aktuators. Zur Minimierung des
technischen Aufwands sind Aktuator und Sensor vorteilhafterweise in Funktionseinheit
einstückig ausgeführt, wobei ihre Funktionen zeitlich nacheinander
ausgeführt werden. Hierzu geeignet sind Piezokristalle.
Aber auch die Verwendung mehrerer Aktuatoren und Sensoren kann sinnvoll
sein. Sie ermöglicht nämlich die Diagnostizierung der Alterung der Übertragungsstrecke
bzw. der mit ihr in Verbindung stehenden Teile (z. B.
der Führungs- oder Dichtungsbereiche einer Fensterscheibe oder einer Klappe
eines Kraftfahrzeugs) oder auch eines kurzfristig veränderten Zustandes, z. B.
durch Eis. In einfacher Weise kann die Empfindlichkeit des Systems an
die neuen äußeren Bedingungen angepaßt werden. Sinnvollerweise geschieht
dies über eine Elektronikeinheit selbsttätig.
Auf dem an sich von unerwünschten Unstetigkeitsstellen freien Übertragungsweg
kann die Anbringung einer (oder gegebenenfalls mehrerer) definierter
Unstetigkeitsstellen zur Erhöhung der Systemempfindlichkeit von Vorteil
sein. Die Unstetigkeitsstelle verändert die Ausbreitungscharakteristik der
Oberflächenwellen in einem vorbestimmten Maße und dient so als Referenzpunkt
auf der Übertragungsstrecke.
Unterschiedlichste Arten von Unstetigkeitsstellen sind anwendbar. Als
sprunghafte Verbreiterung oder Verengung des Übertragungswegs orthogonal
zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle verändern sie plötzlich den
Absorptionsgrad oder das Reflexionsverhalten. Weitere Varianten sind Ein-
oder Ausknickungen, Wellen oder Kanten im Übertragungsweg. Der Radius der
Unstetigkeitsstellen liegt in der Größenordnung der Wellenlänge der ersten
harmonischen Oberflächenwelle und ist in der Regel viel kleiner als diese
selbst.
Wenn der Übertragungsweg von einer Glasfläche gebildet wird, z. B. der umlaufenden
Stirnfläche einer Fensterscheibe, eignen sich zur Beeinflussung
der Oberflächenwellen Kerben besonders gut. Ihre Gestalt ist an die gewünschten
Effekte sehr gut anpaßbar. So kann durch ihre Form und Tiefe auf
das Verhältnis vom Reflexionsanteil zum Absorptionsanteil Einfluß genommen
werden. Auch die Erzeugung eines Diodeneffekts, bei dem die Oberflächenwelle
die Kerbe bei nur geringer Dämpfung in die eine Richtung passieren
kann, während die Oberflächenwelle in der anderen Laufrichtung infolge
einer (quasi) Totalreflexion gehindert ist, sich jenseits der Kerbe fortzupflanzen.
Für ein richtungsindifferentes Verhalten verwendet man symmetrische Kerbgeometrien,
die annähernd die Form eines gleichschenkligen Dreiecks
besitzen. Asymmetrische Kerbgeometrien hingegen führen zu einem richtungsabhängig
umgekehrten Verhältnis von Reflexion zu Absorption. Läuft eine
Oberflächenwelle beispielsweise auf eine nur gering (im flachen spitzen
Winkel zur Ebene des Übertragungsweges) geneigte Keilfläche, so erfolgt in
jedem Falle eine weitere Transmission der Oberflächenwelle in
ursprünglicher Richtung. Ihre Amplitude ist natürlich entsprechend des
Dämpfungs- und Reflexionsverhaltens der Kante vermindert.
Trifft die Oberflächenwelle jedoch auf eine Keilfläche, die steil angestellt
ist und mit der Übertragungsrichtung einen Winkel von ca. 90° oder mehr
einschließt, so kommt es bei gleichzeitig ausreichender Kerbtiefe zur
Totalreflexion. Hingegen kann eine Oberflächenwelle der anderen Ausbreitungsrichtung
die Kerbe passieren (Diodeneffekt).
Der Einsatz solcher Kerben erlaubt eine Erhöhung der Empfindlichkeit des
Meßsystems, wenn ein Teil des Übertragungsweges nicht zum Überwachungsbereich
gehört, jedoch äußere Verhältnisse seine Übertragungseigenschaften
merklich beeinflussen können. Als Beispiel hierfür sei der vertikal verlaufende
Dichtungs- bzw. Führungsbereich einer Kfz-Fensterscheibe genannt,
dessen Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit von der Stellung der
Scheibe, der Scheibenverspannung und vielen Umwelteinflüssen stark
variieren können. Die Möglichkeit des Ausblendens bzw. der separaten Auswertung
dieser Bereiche ist für eine sichere Überwachung der frei zugänglichen
Oberkante der Scheibe oft von entscheidender Bedeutung. Durch
Differenzbildung der Signale verschiedener, durch Kerben begrenzter Bereiche
wird eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht. Zu ihrer
weiteren Erhöhung und Anpassung des Meß- und Auswertesystems kann zwischen
der oberen und unteren Anschlagsposition unter Anwendung eines Lernprogramms
ein Eichungslauf vorgesehen sein.
Eine Auswertung der Dichtungs- und Führungsbereiche kann auch zur Steuerung
der Antriebsleistung verwendet werden, um eine stets gleichbleibende Kinematik
zu gewährleisten. Der Einsatz von zwei Sender/Empfänger-Einheiten,
die vorzugsweise jeweils als einstückige piezokeramische Schwinger ausgebildet
sind, führt zu einer redundant arbeitenden Vorrichtung. Durch Vergleich
der unabhängig voneinander ausgewerteten Meßergebnisse erhöht sich
die Aussagesicherheit. Insbesondere bei insgesamt symmetrisch aufgebauter
Vorrichtung können die beiden Meßsysteme auch in kalter Betriebsredundanz
arbeiten.
Eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in
ihrer Verwendung als Kollisionsschutz für elektrisch betätigte Fensterheber,
Schiebedächer, Türen oder Klappen. Durch Kontakt eines kollidierenden
Objekts mit dem Übertragungsweg verändern sich die Übertragungseigenschaften.
Dies registriert der Sensor und die Steuereinrichtung und veranlaßt
entsprechende Stellbefehle. Es kann ein vollständiges oder teilweises Reversieren
der Verstellbewegung (bei Fensterhebern), aber auch das Verharren in
der erreichten Position bestimmt sein.
Weitere Anwendungen können in der Ansteuerung von End- und Zwischenlagen
eines Verstellteils bestehen. Es ist so z. B. möglich, die obere und untere
Endlage "soft" anzufahren oder auch Kurzhubabsenkungen der Seitenscheibe zu
steuern, die das Schließen von Türen erleichtern. Darüber hinaus kann das
Funktionsprinzip der Erfindung den Einsatz von Schaltern erübrigen, weil
die bloße Berührung eines oder mehrerer vorgesehener Bereiche im Übertragungsweg
die gewünschten Schalteffekte auslöst.
Als Übertragungsweg eignen sich bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für einen Kollisionsschutz solche von außen beeinflußbaren Flächen,
die im wesentlichen die Schließflächen repräsentieren. Ihre Ebene verläuft
meist winklig zur Bewegungsrichtung des fremdkraftbetätigten Bauteils. Ist
dieses Bauteil beispielsweise eine Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs, so
wird man die umlaufende Stirnfläche, die die äußere und innere Scheibenebene
verbindet, als Übertragungsfläche nutzen. Vorteilhaft können der
Aktuator und der Sensor bzw. eine entsprechende Funktionseinheit an einem
nicht direkt einsehbaren, nicht direkt zugänglichen und den Fensterbewegungsablauf
nicht störenden Bauteil des Übertragungsweges angeordnet werden.
Es bietet sich hierzu die Scheibenunterkante an. Sollen jedoch
Aktuator und/oder Sensor auf dem Übertragungsweg im Bereich der Schließflächen
(z. B. Oberkante der Scheibe) eingesetzt werden, so werden die
Energie- und Signalleitungen am Rand der Scheibe in Form von aufgedruckten
Leiterbahnen vorgesehen.
Die Ein- und Auskopplung der Energie erfolgt entweder über Leiterbahnen
bzw. Kabel oder drahtlos (z. B. induktiv), wenn die geforderte Energiedichte
und Zuverlässigkeit der Bauelemente dies zulassen.
Zur Signalauswertung kommen ein oder mehrere der nachfolgend aufgeführten
Prinzipien zur Anwendung: Laufzeitmessung, Amplitudenmodulation, Phasen-
und Frequenzmodulation. Entscheidend hierfür sind Bedürfnisse der
Sicherheit (auch Redundanz) und der Empfindlichkeit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1a schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für
eine verschließbare Öffnung mit einem Sender und einem Empfänger
an den Enden des Übertragungsweges (in geöffneter Position),
Fig. 1b wie Fig. 1a (in geschlossener Position),
Fig. 2 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für
eine verschließbare Öffnung mit einem im beweglichen Teil angeordneten
Übertragungsweg,
Fig. 3a schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für
eine verschließbare Öffnung mit ausschließlich an einem Ende
des Übertragungsweges angeordnetem Sensor und Empfänger (in geöffneter
Position),
Fig. 3b schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für
eine verschließbare Öffnung mit eingeklemmtem Gegenstand (in
fast geschlossener Position),
Fig. 4a schematische Darstellung einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs
mit an der Scheiben-Unterkante angeordnetem separatem Sender
und Empfänger und einem auf die Oberkante einwirkenden Gegenstand,
Fig. 4b qualitative Darstellung des Verlaufs der Amplitude über den Weg
(Übertragungsweg) (gemäß Fig. 4a),
Fig. 4c qualitative Darstellung des Verlaufs der Amplitude über die
Zeit (gemäß Fig. 4a),
Fig. 5a schematische Darstellung einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs
mit an der Scheiben-Unterkante angeordneten Sender-
/Empfängereinheiten, die jeweils Oberflächenwellen mit entgegengesetzter
Ausbreitungsrichtung erzeugen, wobei die Scheibenoberkante
von einem Hindernis kontaktiert ist,
Fig. 5b qualitative Darstellung der Amplitude einer reflektierten und
einer gedämpften Oberflächenwelle gemäß Fig. 5a,
Fig. 5c schematische Aufteilung des Übertragungsweges gemäß Fig. 5a
ausgehend von der ersten Sender-/Empfängereinheit,
Fig. 5d schematische Aufteilung des Übertragungsweges gemäß Fig. 5a
ausgehend von der zweiten Sender-/Empfängereinheit,
Fig. 6 schematische Darstellung einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs
mit einer am Rand der Scheibenunterkante angeordneten
Sender-/Empfängereinheit und zwei unterschiedlich ausgebildeten
Kerbgeometrien im Übertragungsweg der Oberflächenwelle,
Fig. 7 schematische Darstellung einer Fensterscheibe in einem
Führungsrahmen mit Hilfsmitteln zur Endlagenerkennung durch
Einkopplung in den Übertragungsweg der Oberflächenwelle.
Die Erfindung nutzt die Fähigkeit eines festen Körpers, induzierte mechanische
Wellen auf seiner Oberfläche als sogenannte Oberflächenwellen entlang
eines konstruktionsbedingten oder extra dafür geschaffenen Ausbreitungsweges
fortzuleiten und bei Einwirkung äußerer Einflüsse mit Dämpfung und/oder
Reflexion der Oberflächenwellen zu reagieren. Sensoren leiten die
Meßimpulse an eine Auswerteeinheit weiter, wo anhand eines Algorithmus der
Systemzustand beurteilt wird, der wiederum die Grundlage für Reaktionen,
Stellbefehle oder ähnliches ist.
Obwohl sich die Ausführungsbeispiele weitestgehend auf die Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung als Einklemmschutz für einen elektrischen
Fensterheber eines Kraftfahrzeugs beziehen, erstreckt sich ihr Gegenstand
auch auf andere steuer- oder regelbare Systeme, für die in analoger Weise
Oberflächenwellen eingesetzt und ausgewertet werden und die entsprechend
geeignete Übertragungswege im Bereich von Schließkanten bzw. Schließflächen
von zueinander bewegten Objekten verwenden.
Fig. 1 stellt in vereinfachter Weise schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung
für eine verschließbare Öffnung dar, die an den Enden eines ortsfesten
Übertragungswegs 3 einen Sender 4 und einen Empfänger 5 trägt. Im
Abstand dazu ist ein bewegliches Teil 1 dargestellt. Die Vorrichtung befindet
sich in geöffneter Position. Ein elektrisch-mechanischer Wandler koppelt
an einem Ende des Übertragungsweges 3 Energie ein, die zu einem Teil
in Oberflächenwellen umgewandelt und zum anderen Ende des Übertragungsweges
3 transportiert wird, wo der Empfänger 5 die Signale empfängt. In Abhängigkeit
von Material und Geometrie des Übertragungsweges 3 tritt eine gewisse
Signaldämpfung auf. Im geschlossenen Zustand (siehe Fig. 1b), also bei
Erreichen der Endlage des beweglichen Teils 1, berühren sich die Schließflächen
großflächig und koppeln einen großen Teil der Schwingungsenergie
aus. Die dadurch ganz erheblich vergrößerte Signaldämpfung wird vom Empfänger
5 registriert und in der Auswerteeinheit zur Erkennung der Endlage
führen.
Eine ganz ähnlich aufgebaute Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, jedoch
mit dem Unterschied, daß der Übertragungsweg 3 im unteren Bereich des beweglichen
Teils 1 angeordnet ist. An dessen Enden befinden sich der Sensor
4 und der Aktuator 5. Obwohl das bewegliche Teil seine Endlage noch nicht
erreicht hat, registriert der Sensor 4 ein stark gedämpftes Signal aufgrund
der Energieauskopplung durch eine in den Übertragungsweg 3 eingreifende
Hand 8.
Gemäß den Fig. 3a und 3b sind Sender und Empfänger in Form einer Funktionseinheit
6 an ein und demselben Ende des Übertragungsweges 3 angeordnet.
Die Funktionseinheit ist einstückig ausgeführt, wobei sie dann
abwechselnd als Aktuator und als Sensor fungiert. Piezokeramische Bauelemente
können hierfür erfolgreich eingesetzt werden. Das Ende des Übertragungsweges
3 ist so ausgebildet, daß möglichst die gesamte Energie absorbiert
wird und somit der Sensor keine Signale mehr empfangen kann. Beim
Einkoppeln eines Gegenstandes 9 in den Übertragungsweg 3, beispielsweise
durch Einklemmen, verändert sich die Wellenausbreitung durch Reflexion an
der Einklemmstelle. Das reflektierte Signal gelangt zum Empfänger und
stellt die Basis für die Erkennung des Einklemmzustandes dar.
Eine Applikation der Erfindung für einen elektrischen Scheibenheber eines
Kraftfahrzeugs zeigt die schematische Darstellung von Fig. 4a. An den
seitlichen Rändern der Scheibenunterkante der Fensterscheibe 2 sind separat
jeweils ein Sender 4 und ein Empfänger 5 angeordnet. Sie sind in den für
die Fortleitung der Oberflächenwellen vorgesehenen Übertragungsweg der
Fensterscheibe, der von der umlaufenden Scheibenkante 21 gebildet ist, über
einen Keil 7 eingekoppelt. Dadurch wird eine Vorzugsrichtung der Wellenausbreitung
bzw. des Wellenempfangs erreicht. Vorzugsweise ist die gesamte
Breite des Übertragungsweges vom Sender 4 bzw. vom Empfänger 5 abgedeckt.
Die in der Nähe der Scheibenkante 21 liegenden Pfeile 22 geben die Ausbreitungsrichtung
der Oberflächenwellen an. Im Bereich der Scheibenoberkante
ist in Form eines Dreiecks symbolisch ein Gegenstand 10 oder ein Körperteil
gekennzeichnet, das mit dieser in Berührung steht und damit akustisch gekoppelt
ist. Die durch dieses Objekt ausgekoppelte Schwingungsenergie bedeutet
eine zusätzliche Dämpfung und vermindert die Amplitude der Oberflächenwelle
sowie die Intensität des am Empfänger 5 aufgenommenen Signals
50. Fig. 4b stellt den Verlauf der Amplitude über den Übertragungsweg
(Scheibenkante 21) qualitativ dar. Die dazu analoge qualitative Darstellung
des Verlaufs der Amplitude über der Zeit zeigt Fig. 4c. Danach ist bei
Einkopplung eines Fremdobjekts in den Übertragungsweg am Empfänger 5 ein
Signal 51 mit gegenüber dem Signal 52 merklich verringerter Amplitude zu
erwarten.
Die schematische Darstellung einer Fensterscheibe 2 eines Kraftfahrzeugs
gemäß Fig. 5a zeigt gegenüber der in Fig. 4a dargestellten Variante folgende
Unterschiede:
Die an den Rändern der Scheibenunterkante angekoppelten mechanisch-elektrischen
Wandler 6 fungieren jeweils als Sender und Empfänger. Außerdem
trägt der von der umlaufenden Scheibenkante 21 gebildete akustische Übertragungsweg
zwei symmetrische und gleichartige Kerben 11, deren Radien
kleiner als die Wellenlänge der ersten harmonischen Oberflächenwelle sind,
um auf die Wellenausbreitung Einfluß nehmen zu können. Die Anordnung der
Kerben 11 im Übertragungsweg wurde so gewählt, daß sie die frei zugängliche
Scheibenoberkante, in deren Bereich ein Einklemmen erfolgen kann, genau
einschließen und von den sich beidseitig anschließenden parallelen
Führungsbereichen 23, 24 trennen. Die gewählte Kerbengeometrie verursacht
sowohl Reflexions- als auch Dämpfungseffekte. Mit ihrer Hilfe lassen sich
die Führungsbereiche 23, 24 der Fensterscheibe 2 nicht nur ausblenden, sondern
auch separat deren Dämpfungseigenschaften auswerten. Diese wiederum
sind einsetzbar zur Steuerung der Sendeleistung der OFW-Sender, um ein
gleichbleibendes SIN-Verhältnis zu haben.
Die nachfolgenden Fig. 5b, 5c und 5d stellen in vereinfachter Weise die
Amplitude einer Oberflächenwelle über den Weg bzw. über der Zeit dar, ohne
jedoch Reflexionseffekte an den Kerben 11 zu berücksichtigen. Im Vordergrund
stehen die hier durch ein Objekt verursachten Effekte infolge des
Einklemmens zwischen der Scheibenoberkante und dem Türrahmen.
Das genannte Objekt 10 wird in jedem Falle eine Dämpfung der Amplitude des
von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit 61 ausgesandten Signals 53 (Fig. 5b)
verursachen, was von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit 62
registriert wird. Dies wird insbesondere der Fall sein, wenn z. B. die Hand
einer Person eingeklemmt ist, die wegen ihrer relativen Weichheit und damit
guten akustischen Ankopplung kaum einen nennenswerten Reflexionsanteil der
Oberflächenwelle verursachen kann. Für den Fall aber, daß ein relativ harter
Fremdkörper in die Übertragungsstrecke 21 der frei zugänglichen Oberkante
des Fensterscheibe 2 eingekoppelt wird, kann ein zusätzliches
Reflexionssignal 54 von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit 61
registriert werden und somit durch Redundanz die Aussagefähigkeit der Vorrichtung
verbessern.
Die Fig. 5c und 5d teilen den Übertragungsweg schematisch auf, wobei zum
einen von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit 61 und zum anderen von der
zweiten Sender-/Empfänger-Einheit 62 ausgegangen wird. Während ein Ausblenden
des von der Oberflächenwelle zuerst durchlaufenen Führungsbereichs
23, 24 allein auf der Basis der Laufzeitmessung möglich ist, kann der
nächste durchlaufende Führungsbereich 23 bzw. 24 dieser Oberflächenwelle
nur ausgeblendet werden, wenn das an der zweiten Kerbe 11 reflektierte
Signal zur Auswertung kommt. Analoges gilt für die von der anderen Sender-
/Empfänger-Einheit ausgesandten Signale. Obwohl die Kerben 11 zu einer
erheblichen Dämpfung der Signale führen, kann ihr Einsatz sehr vorteilhaft
sein. Schließlich erlaubt die Ausblendung der Führungsbereiche 23, 24 rechts
und links der Fensterscheibe 2 eine gezielte und weitgehend störungsfreie
Verstärkung der Signale des Kontrollbereichs K, das zu einer wesentlichen
Verbesserung der Aussagesicherheit beiträgt.
In den Fig. 5c und 5d bedeuten:
S₁-S₂/E₂-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit 61 zur zweiten Sender-/Empfänger-Einheit 62 und zurück.
S₂-E₁ wie oben, nur in umgekehrter Richtung.
S₁-B-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit zur Kerbe 11 am Ort B und zurück.
S₂-A-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit zur Kerbe 11 am Ort A und zurück.
S₁-∇-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit bis zum Gegenstand 10, der in die Übertragungsstrecke 21 eingekoppelt ist, und zurück.
S₂-∇-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit bis zum Gegensttand 10 und zurück.
S₂-A-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit bis zur Kerbe am Ort A und zurück. (Dieser Führungsbereich wird bei der Bewertung eines Einklemm- bzw. Kollisionszustandes ausgeklammert.)
S₂-B-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit bis zur Kerbe am Ort B und zurück. (Auch dieser Führungsbereich wird bei der Bewertung eines Kollisionszustandes ausgeklammert.)
S₁-S₂/E₂-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit 61 zur zweiten Sender-/Empfänger-Einheit 62 und zurück.
S₂-E₁ wie oben, nur in umgekehrter Richtung.
S₁-B-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit zur Kerbe 11 am Ort B und zurück.
S₂-A-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit zur Kerbe 11 am Ort A und zurück.
S₁-∇-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit bis zum Gegenstand 10, der in die Übertragungsstrecke 21 eingekoppelt ist, und zurück.
S₂-∇-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit bis zum Gegensttand 10 und zurück.
S₂-A-E₁ Laufzeit des Signals von der ersten Sender-/Empfänger-Einheit bis zur Kerbe am Ort A und zurück. (Dieser Führungsbereich wird bei der Bewertung eines Einklemm- bzw. Kollisionszustandes ausgeklammert.)
S₂-B-E₂ Laufzeit des Signals von der zweiten Sender-/Empfänger-Einheit bis zur Kerbe am Ort B und zurück. (Auch dieser Führungsbereich wird bei der Bewertung eines Kollisionszustandes ausgeklammert.)
Von den Führungsbereichen 23, 24 eingeschlossen ist der Kontrollbereich K.
Er repräsentiert den Teil der Übertragungsstrecke 21, die frei zugänglich
ist. Es bedarf also zur Erkennung eines Kollisionszustandes ausschließlich
der Auswertung solcher Signalveränderungen, die ihre Ursache innerhalb der
Laufzeit des Kontrollbereichs K haben.
Eine Variante der Erfindung stellt schematisch Fig. 6 dar. Nur noch an
einem der Ränder der Scheibenunterkante ist eine Sender-/Empfänger-Einheit
6 angeordnet und über ein keilförmiges Element 7 in die Übertragungsstrecke
21 der Oberflächenwellen eingekoppelt.
Auch hier schließen zwei Kerben 12, 13 die Übertragungsstrecke 21 im oberen
Bereich der Scheibenkante ein. Ihre Geometrien unterscheiden sich jedoch
und sind Ursache für ein unterschiedliches Reflexions- und Dämpfungsverhalten.
Während die der Sender-/Empfänger-Einheit 6 am nächsten liegende Kerbe
12 symmetrisch aufgebaut ist und sich außer mit einem Dämpfungs- und einem
Reflexionsanteil mit dem hauptsächlichen Transmissionsanteil auf die Oberflächenwelle
auswirkt, verursacht die zweite asymmetrisch gestaltete Kerbe
13 eine Totalreflexion der Oberfächenwelle. Dazu besitzt diese Kerbe 13
eine steil stehende Kerbenflanke, die mit der oberen Scheibenkante einen
Winkel α von vorzugsweise 90° einschließt und der Ausbreitungsrichtung
der Oberflächenwelle zugewandt ist. Für die Beurteilung des Systemzustandes
werden nur Signale ausgewertet, die im Zeitintervall zwischen der ersten
Kerbe 12 und der zweiten Kerbe 13 liegen, die also den Bereich des frei zugänglichen
Übertragungsweges der Scheibenoberkante repräsentieren. Die
Auswerteeinheit wird ein plötzlich verändertes Dämpfungsverhalten auf einen
Einklemmzustand zurückführen und geeignete Steuerbefehle an den Stellmotor
weitergeben, was vorzugsweise zum Reversieren der Fensterscheibe 2 führt.
Allgemeine Schlußfolgerungen zu den Eigenschaften innerhalb des Führungsrahmens
14, 15 lassen sich durch Auswertung des Bereichs zwischen der Sender-
/Empfänger-Einheit 6 und der ersten Kerbe 12 erzielen. Ein Eichungslauf
zwischen den Anschlagpositionen ermöglicht Rückschlüsse auf den allgemeinen
Zustand im Dichtungsbereich zu ziehen und eine optimale Anpassung der
Empfindlichkeit des Überwachungssystems vorzunehmen. Eine solche Anpassung
erlaubt vor allem die Ausschaltung veränderter äußerer Bedingungen in der
Übertragungsstrecke, die zum Beispiel verursacht sein können durch Alterung
des Dichtungsmaterials durch Verschmutzungen oder Vereisung der Führungsbereiche
der Scheibe oder auch durch Materialermüdungen.
Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung einer Fensterscheibe 2 in einem
Führungsrahmen 14, 15 mit Hilfsmitteln 17, 18 zur Endlagenerkennung. Diese
Hilfsmittel 17, 18 werden in Abhängigkeit von der Scheibenposition und unter
Anwendung federelastischer Elemente in den Übertragungsweg der Oberflächenwellen
mechanisch eingekoppelt und führen zu meßbaren Veränderungen der am
Empfänger 6 eingehenden Signale. Der Einkoppelung der Hilfsmittel 17, 18 für
die Erkennung des unteren Anschlags bzw. des oberen Anschlags erfolgen an
unterschiedlichen Orten und sind deshalb meßtechnisch sehr leicht zu unterscheiden.
Der Vorteil der Endlagenerkennung besteht zum einen darin, daß
der untere Anschlag "soft" angefahren werden kann, wodurch eine leichtere,
weniger robuste Bauweise ermöglicht wird. Andererseits wird der oberste
Verstell- bzw. Verschlußbereich (Dichtungsbereich 16) vom übrigen Verstellbereich
selektiert, in dem kein Einklemmen mehr möglich ist, und eine
zwangsweise Beibehaltung der Verstellkraft zum vollständigen Verschließen
der Fensteröffnung notwendig ist.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 bewegliches Teil
2 Fensterscheibe
3 Übertragungsweg
4 Sender
5 Empfänger
6 Sender-/Empfänger-Einheit
61 Sender-/Empfänger-Einheit
62 Sender-/Empfänger-Einheit
7 Keil
8 Hand
9 Gegenstand
10 Gegenstand (belebt oder unbelebt)
11 Kerbe (symmetrisch)
12 Kerbe (symmetrisch)
13 Kerbe (asymmetrisch)
14 Führungsrahmen
15 Führungsrahmen
16 Dichtungsbereich
17 Hilfsmittel
18 Hilfsmittel
21 Scheibenkante bzw. Übertragungsstrecke
22 Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen
23 Führungsbereich
24 Führungsbereich
50 Signal
51 Signal
52 Signal
53 Signal
54 Reflexionssignal
A↑ Amplitude
α Winkel
K Kontrollbereich
A Ort einer Kerbe
B Ort einer Kerbe
2 Fensterscheibe
3 Übertragungsweg
4 Sender
5 Empfänger
6 Sender-/Empfänger-Einheit
61 Sender-/Empfänger-Einheit
62 Sender-/Empfänger-Einheit
7 Keil
8 Hand
9 Gegenstand
10 Gegenstand (belebt oder unbelebt)
11 Kerbe (symmetrisch)
12 Kerbe (symmetrisch)
13 Kerbe (asymmetrisch)
14 Führungsrahmen
15 Führungsrahmen
16 Dichtungsbereich
17 Hilfsmittel
18 Hilfsmittel
21 Scheibenkante bzw. Übertragungsstrecke
22 Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen
23 Führungsbereich
24 Führungsbereich
50 Signal
51 Signal
52 Signal
53 Signal
54 Reflexionssignal
A↑ Amplitude
α Winkel
K Kontrollbereich
A Ort einer Kerbe
B Ort einer Kerbe
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Begrenzung oder Steuerung bzw. Regelung der Bewegung
von fremdkraftbetätigten Teilen, insbesondere von Teilen einer Fahrzeugkarosserie,
wie beispielsweise einer Fensterscheibe oder einer Heckklappe
eines Kraftfahrzeuges, unter Verwendung von mindestens einem elektrisch-
mechanischen Wandler als Aktuator und mindestens einem mechanisch-
elektrischen Wandler als Sensor, sowie einer elektronischen Einrichtung zur
Steuerung oder Regelung des Aktuators, zur Auswertung der Sensorsignale und
darauf basierend zur Ansteuerung der Antriebseinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktuator und der Sensor auf einer zusammenhängend verlaufenden,
nicht unterbrochenen Übertragungsstrecke, die Bestandteil des Schließflächenbereichs
des fremdkraftbetätigten Teils und/oder des mit diesem zusammenwirkenden
feststehenden Teils ist, derart angeordnet sind, daß ein
Teil der vom Aktuator abgegebenen Energie in akustische Oberflächenwellen
(Rayleigh-Wellen) umgewandelt wird, die sich auf der Übertragungsstrecke
ausbreiten und vom Sensor empfangen werden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Anpassung an gegebene oder veränderte äußere Bedingungen in der Übertragungsstrecke,
verursacht z. B. durch Alterung, Verschmutzung, Scheibenführung
oder anderes, ein bezüglich der Amplitude geregelter Aktuator verwendet
wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Aktuator und Sensor in Funktionseinheit einstückig ausgeführt sind, wobei
die vorzugsweise als Piezokristall gestaltete Funktionseinheit abwechselnd
als Aktuator uns als Sensor fungiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf
der Übertragungsstrecke mehrere Aktuatoren und/oder Sensoren angeordnet
sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übertragungsweg für die Oberflächenwellen mindestens eine Unstetigkeitsstelle
enthält, die die Ausbreitungscharakteristik der Oberflächenwellen
sprunghaft ändert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Unstetigkeitsstelle als eine sprunghafte Verbreiterung oder Verengung
orthogonal zur Ausbreitungsrichtung, oder als eine Ein- oder Ausknickung,
oder als Rille, Kerbe, Kante oder dergleichen in Ausbreitungsrichtung im
Übertragungsweg ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Radius der im Übertragungsweg der Oberflächenwellen befindlichen
Unstetigkeitsstelle viel kleiner als die Wellenlänge der ersten harmonischen
Oberflächenwelle ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, durch ihre
Verwendung für eine Endlagenabschaltung, z. B. für den oberen und/oder
unteren Anschlag eines Fensterhebers bzw. zur Steuerung von z. B. Kurzhubabsenkungen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, durch ihre
Verwendung als Kollisionsschutz für Fensterheber, Schiebedächer, Türen oder
Klappen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Aktuator und der Sensor auf der nicht direkt einsehbaren und zugänglichen
Übertragungsfläche der Fensterscheibe angeordnet und Bestandteil
eines Einklemmschutzes für elektrische Fensterheber sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Aktuator und der Sensor an der Schließfläche der Fensterscheibe angeordnet
sind und daß deren Versorgung über auf der Fensterscheibe aufgedruckte
Leiterbahnen erfolgt.
12. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Begrenzung oder
Steuerung der Bewegung von fremdkraftbetätigten Teilen einer Fahrzeugkarosserie,
dadurch gekennzeichnet, daß die Informationsgewinnung unter Anwendung
der Prinzipien der Laufzeitmessung, der Amplitudenmodulation, der
Phasenmodulation und/oder der Frequenzmodulation erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswertung von Reflexion und Transmission der Oberflächenwellen parallel
erfolgt.
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