DE19606043A1 - Neigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Beschleunigungssensoren insbesondere in der Funktion als Überrollsenso­ ren, sollen in Cabrio-Fahrzeugen und in zunehmendem Maße auch in gelän­ degängigen Fahrzeugen mit höherem Masseschwerpunkt einen Überschlag um die Fahrzeuglängsachse erkennen, um rechtzeitig Insassenschutzsyste­ me zu aktivieren.

Ein derartiger Neigungssensor nach dem Stand der Technik ist beispiels­ weise aus der Offenlegungsschrift DE 38 15 938 A1 bekannt. Der darin be­ schriebene, sog. "Libellensensor" weist jedoch den Nachteil auf, daß er ver­ gleichsweise viel Platz erfordert und deshalb nicht mit einer Aufprallsenso­ rik in einem einzigen Gehäuse als erweitertes Insassenschutzsystem unterge­ bracht werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Neigungssensor anzugeben, der die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Neigungssensor zur Detektion eines Kippwinkels angegeben, insbesondere als Überschlagsensor in einem Pkw zur Auslösung einer Insassenschutzvorrichtung, der aus einem Massekörper und einer zugehörigen Aufnahme besteht und der die folgenden Merkmale aufweist:

• - die Aufnahme weist eine v-förmige Gestalt auf,
• - in die Innenseite jedes der beiden Schenkel der v-förmigen Aufnah­ me ist jeweils ein Biegebalken eingebracht,
• - der Massekörper ist derart ausgebildet, daß er flächenbündig auf den Innenseite der v-förmigen Aufnahme an den Biegebalken anliegt und
• - zur Erzeugung eines kippwinkelabhängigen Meßsignals sind Deh­ nungsmeßelemente vorgesehen, die die durch den Massekörper bei einer Drehung oder Auslenkung des Neigungssensors um den Kipp­ winkel bewirkte Verformung messen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß durch weniger und verkleiner­ te Bauteile Materialkosten eingespart werden können und der Neigungssen­ sor zusammen mit einer Aufprallsensorik in einem Gehäuse angeordnet wer­ den kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend ausführlich erläu­ tert und anhand der Figuren dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssen­ sors,

Fig. 2 eine Skizze des Beschleunigungssensors bei waagerechter Ru­ hestellung,

Fig. 3a eine Skizze des Beschleunigungssensors im ausgelenkten Zu­ stand,

Fig. 3b die zur Fig. 3a gehörenden Kräfte und Winkel,

Fig. 4a eine Skizze des Beschleunigungssensors im ausgelenkten Zu­ stand unter Einwirkung einer Beschleunigungskraft quer zur Fahrtrichtung und

Fig. 4b die zur Fig. 4a gehörenden Kräfte und Winkel.

Die Fig. 1 zeigt einen Neigungssensor 1 mit einer Mittelparallelen M zur Mes­ sung von Beschleunigungskräften in v- und z-Richtung, bei dem ein Masse­ körper 2 vorzugsweise in Würfelform mit einem Massemittelpunkt MP und mit möglichst hohem spezifischen Gewicht, beispielsweise Blei, auf einer der Würfelkanten stehend derart angeordnet ist, daß der Vektor der Ge­ wichtskraft G bei waagerechter Anordnung des Beschleunigungssensors 1 vom Massenmittelpunkt MP durch diese Kante verläuft. Der Massekörper 2 ist in einer v-förmigen Aufnahme 3 gelagert und derart mit ihr verbunden, daß der Würfel 2 bei einer Erschütterung in der Aufnahme 3 festgehalten wird. Dies kann mittels einer punktuellen Klebestelle oder einer Halterung erreicht werden, die dort angeordnet ist, wo die seitlich verlaufenden Kan­ ten des Würfels 2 die Aufnahme 3 berühren.

Die Aufnahme 3 weist an jeder Innenseite ihrer Schenkel jeweils einen mi­ kromechanisch hergestellten, freitragenden Biegebalken 4a bzw. 4b auf, dessen freitragende Länge größer ist als die Kantenlänge des Massekörpers 2. Jeder Biegebalken 4a bzw. 4b ist an einem Ende mit der vorzugsweise aus Silizium bestehenden Aufnahme 3 verbunden und weist in der Nähe dieser Stelle ein Dehnungsmeßelement 5a bzw. 5b, beispielsweise einen Dehnungs­ meßstreifen oder ein piezoresistives Element, auf. Unter den Biegebalken 4a bzw. 4b ist ein freigeätzter Raum 6 angeordnet.

Bei einer Auslenkung des Beschleunigungssensors 1 aus der waagerechten Position im bzw. gegen den Uhrzeigersinn übt der Massekörper 2 aufgrund ihrer Trägheit eine Druckkraft auf den linken bzw. rechten Biegebalken 4a bzw. 4b aus, worauf sich der betreffende Biegebalken 4a bzw. 4b elastisch verformt und in den freigeätzten Raum 6 ausweicht. Die mechanische Ver­ formung des Biegebalkens 4a bzw. 4b wird auf das zugehörige Dehnungs­ meßelement 5a bzw. 5b übertragen und in diesem eine elektrische Größe erzeugt, beispielsweise ein Widerstand oder eine Spannung, die proportio­ nal zur ursächlichen Druckkraft ist. Diese elektrische Größe wird einer Aus­ werteeinheit zugeführt.

Die Aufnahme 3 steht verschiebbar auf einer vorzugsweise metallenen Bo­ denplatte 7, die an zwei gegenüberliegenden Rändern jeweils eine nach oben gebogene Umrandung 8 aufweist. Zwischen diesen beiden Umrandun­ gen 8 und der Aufnahme 3 ist jeweils ein Dämpfungselement 9 angeordnet, das kurz andauernde Querbeschleunigungen aperiodisch dämpft. Vorzugs­ weise handelt es sich bei diesen Dämpfungselementen 9 um eine Feder oder um eine elastisch verformbare Masse wie Gummi oder ähnliches.

In Fig. 2 ist der Neigungssensor 1 skizzenhaft in einer waagerechten Ruhe­ stellung dargestellt, auf den lediglich die im Massemittelpunkt MP einge­ zeichnete Gewichtkraft FG des Würfels 2 wirkt. Eine Zerlegung des Vektors FG in zwei Komponenten FGa und FGb, wobei FGa senkrecht auf den Biege­ balken 4a und FGb senkrecht auf den Biegebalken 4b einwirkt, ergibt für beide Biegebalken 4a bzw. 4b eine betragsmäßig gleich große Verformungs­ kraft FGa bzw. FGb. Dadurch weisen auch beide Biegebalken 4a und 4b eine gleich große Verformung auf, und beide Dehnungsmeßelemente 5a und 5b geben eine gleich große elektrische Größe ab. Daran erkennt die nach­ geschaltete Auswerteeinheit, daß auf den Neigungssensor 1 keine Beschleu­ nigungskraft in y- oder z-Richtung einwirkt.

In Fig. 3a ist der Neigungssensor 1 skizzenhaft in einer um einen Kippwinkel zur Mittelparallelen M ausgelenkten Stellung dargestellt, wobei Fig. 3b die zugehörigen Winkel und einwirkenden Kräfte zeigt. Zwar wirkt auch hier nur die im Massemittelpunkt MP eingezeichnete Gewichtskraft FG dem Wür­ fels 2 auf den Neigungssensor 1, aber durch die Auslenkung um den Kipp­ winkel werden die Biegebalken 4a bzw. 4b unterschiedlich stark belastet. Zerlegt man den Vektor der Gewichtskraft FG wiederum in zwei Komponen­ ten FGa und FGb, wobei FGa senkrecht auf den Biegebalken 4a und FGb senkrecht auf den Biegebalken 4b wirkt, so erkennt man die unterschiedlich große Belastung der Biegebalken 4a bzw. 4b an der unterschiedlichen Länge der Vektoren FGa bzw. FGb, die den Betrag der jeweils zugehörigen Kraft darstellen.

Aufgrund der auf den Biegebalken 4a bzw. 4b einwirkenden, unterschied­ lich großen Kräfte FGa bzw. FGb geben die Dehnungsmeßelemente 5a bzw. 5b bei einer Auslenkung des Beschleunigungssensors 1 um den Kippwinkel eine unterschiedlich große elektrische Größe an die nachgeschaltete Aus­ werteeinheit ab. Mit dem Betrag der Gewichtkraft FG, der der Auswerteein­ heit vorgegeben ist, kann mittels bekannter und deshalb nicht weiter erläu­ terten geometrischen Beziehungen der Kippwinkel α ermittelt werden.

In Fig. 4a ist der Neigungssensor 1 skizzenhaft in einer um den Kippwinkel α ausgelenkten Stellung und unter dem Einfluß einer Querbeschleunigungs­ kraft FQ in y-Richtung dargestellt, wobei Fig. 4b die zugehörigen Winkel und einwirkenden Kräfte zeigt. Im Massemittelpunkt MP greifen die Ge­ wichtskraft FG des Würfels 2 und die Querbeschleunigungskraft FQ an. Wer­ den beide Kräfte, die Gewichtskraft FG bzw. die Querbeschleunigungskraft FQ, jeweils in eine Komponente FGa bzw. FQa senkrecht zum Biegebalken 4a und in eine Komponente FGb bzw. FGb senkrecht zum Biegebalken 4b zer­ legt, so zeigt sich, daß der Biegebalken 4a um den Betrag der Komponente FQa entlastet und der Biegebalken 4b um den Betrag der Komponente FGb zusätzlich belastet wird. Die nachgeschaltete Auswerteeinheit erkennt dar­ an, daß der Würfel 2 nicht nur um den Winkel α gekippt ist, sondern daß zu­ sätzlich eine Querbeschleunigungskraft FQ auf ihn einwirkt.

Den Zusammenhang zwischen Kippwinkel und der jeweils abgegebenen elektrischen Größe der Dehnungsmeßelemente 5a bzw. 5b stellt eine in der Auswerteeinheit abgelegte Wertetabelle her. Ein kritischer Kippwinkel ist dann erreicht, wenn beispielsweise ein Fahrzeug, in das der Neigungssensor 1 eingebaut ist, auf eine Seite zu kippen droht.

Modellversuche haben ergeben, daß für die Beurteilung dieser kritischen Si­ tuation, in der eine Insassenschutzvorrichtung, z. B. ein Überrollbügel, akti­ viert werden muß, allein der Betrag einer resultierenden Kraft ER maßgeb­ lich ist, die sich aus den beiden auf den jeweiligen Biegebalken 4a bzw. 4b einwirkenden Kräfte FQa und FQa bzw. FGb und FGb zusammensetzt und folglich senkrecht auf den jeweiligen Biegebalken 4a bzw. 4b einwirkt. Es ist unerheblich, wie groß jeweils die Anteile der Komponenten FGa und FQa bzw. FGb und FQb an der resultierenden Kraft FR sind. Die aufwendige Be­ rechnung des tatsächlichen Kippwinkels und der tatsächlich auftretenden Querbeschleunigungskraft FQ zur Berechnung des kritischen Kippwinkels braucht nicht vorgenommen zu werden. Kurzzeitig auftretende Querbe­ schleunigungen, die beispielsweise aus einer Kurvenfahrt herrühren, wür­ den die Messung stören und werden deshalb mittels der Dämpfungselemen­ te 9 (Fig. 1) aperiodisch gedämpft.

Der erfindungsgemäße Neigungssensor eignet sich insbesondere zum Ein­ satz in Pkws, bei denen im Fall eines drohenden Überschlags quer zur Fahrt­ richtung eine Insassenschutzvorrichtung, z. B. ein Überrollbügel, aktiviert werden muß.

Claims (9)

1. Neigungssensor (1) zur Detektion eines Kippwinkels (α), insbesondere als Überschlagsensor in einem Pkw zur Auslösung einer Insassenschutzvorrich­ tung, bestehend aus einem Massekörper (2) und einer zugehörigen Aufnah­ me (3), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Aufnahme (3) weist eine v-förmige Gestalt auf,
• b) in die Innenseite jedes der beiden Schenkel der v-förmigen Aufnah­ me (3) ist jeweils ein Biegebalken (4a, 4b) eingebracht,
• c) der Massekörper (2) ist derart ausgebildet, daß er flächenbündig auf den Innenseite der v-förmigen Aufnahme (3) an den Biegebalken (4a, 4b) anliegt und
• d) zur Erzeugung eines kippwinkelabhängigen Meßsignals sind Deh­ nungsmeßelemente (5a, 5b) vorgesehen, die die durch den Massekör­ per (2) bei einer Drehung oder Auslenkung des Neigungssensors (1) um den Kippwinkel (α) bewirkte Verformung messen.

2. Neigungssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel der v-förmigen Aufnahme (3) in einem Winkel von 90° zu­ einander angeordnet sind.

3. Neigungssensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massekörper (2) eine Würfelform aufweist.

4. Neigungssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Massekörper (2) ein hohes spezifisches Gewicht aufweist.

5. Neigungssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (3) beweglich auf einer Bodenplatte (7) angeordnet ist.

6. Neigungssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (7) auf zwei gegenüberliegenden Seiten eine Umrandung (8) aufweist.

7. Neigungssensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Umrandung (8) und der Aufnahme (3) wenigstens ein Dämpfungs­ element (9) angeordnet ist.

8. Neigungssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (3) aus Silizium besteht.

9. Neigungssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalken (4a, 4b) der Aufnahme (3) mikrome­ chanisch hergestellt sind.