DE10011312B4 - Drucksensor - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Detektieren der Anwesenheit einer Person auf einem Fahrzeugsitz, mit einem Drucksensor mit einem ersten Kondensator-Polelement (1), mit mindestens einem zweiten Kondensator-Polelement (3) und mit mindestens einer elektrisch nicht leitenden Isolationseinrichtung (2), welche zumindest teilweise zwischen den beiden Kondensator-Polelementen (1, 3) angeordnet ist, wobei die Isolationseinrichtung (2) durch eine Folie gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator-Polelement (1, 3) zumindest in einem Teilbereich (4) seiner zum jeweils anderen Kondensator-Polelement (1, 3) gewandten Oberfläche von der Isolationseinrichtung ( 2) beabstandet ist, und daß der Teilbereich (4) durch Druckbeaufschlagung des Drucksensors (100) durch flexible Verformung des Kondensator-Poles (1, 3) zur Isolationseinrichtung (2) hin bewegbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Es ist z.B. aus DE 198 26 391 bekannt, Drucksensoren z.B. in Fahrzeugsitze zu integrieren, um zu erkennen, ob der jeweilige Sitz besetzt ist. Dies ist beispielsweise für das Auslösen von Airbags relevant.
  • 1 zeigt den Sockel 11 eines Sitzes. Auf diesen Sockel 11 ist ein Drucksensor 100 mit elektrischen Anschlußleitungen 4 und 5 aufgelegt. Auf den Sockel 11 und den Drucksensor 100 wird ein Sitzpolster 10 aufgebracht.
  • In Betrieb erzeugt ein Benutzer durch sein Körpergewicht eine Kraft F auf das Sitzpolster 10. Der Sockel 11 des Sitzes wirkt dieser Kraft entgegen, so daß der Sensor 12 zusammengedrückt wird und eine Belastung des Sitzes registriert.
  • Bekannte Sensoren besitzen gemäß 2 ein erstes Kondensator-Polelement 1 und ein zweites Kondensator-Polelement 3, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Hierfür wird beispielsweise eine Metallfolie benutzt. Das erste Kondensator-Polelement 1 und das zweite Kondensator-Polelement 3 sind durch eine Isolationseinrichtung 2 gegeneinander beabstandet. Die Isolationseinrichtung 2 besteht aus einem kompressiblen, elektrisch nicht leitfähigen Material und isoliert die beiden Kondensator-Polelemente 1, 3 voneinander. Das Kondensator-Polelement 3 ist über die Anschlußleitung 5 von 1 mit einer nicht gezeigten Auswerteelektronik verbunden. Das Kondensator-Polelement 1 ist hierfür mit der Anschlußleitung 4 von 1 verbunden.
  • Wird ein solcher Sensor durch das Gewicht einer Person belastet, so führt dies zu einer Kompression der Isolationseinrichtung 2 und somit zu einer Annäherung der Kondensator-Polelemente 1, 3 zueinander. Der aus den Kondensator-Polelementen 1, 3 gebildete Kondensator ändert dadurch seine Kapazität. Überschreitet diese Änderung einen vorgegebenen Schaltwert, so wird dies von der Auswerteelektronik als Wechsel vom unbesetzten in den besetzten Zustand erkannt.
  • Eine Entlastung des Sitzes bewirkt eine umgekehrte Bewegung der Kondensatorplatten und führt zu einer ebenfalls registrierbaren Kapazitätsänderung. Ist diese groß genug, so wird der Sitz wieder als "frei" erkannt.
  • Nachteilig bei dieser Technik ist, daß die Funktionssicherheit nur in bestimmten Grenzen gewährleistet ist. Setzt man den Schaltwert für die erforderliche Kapazitätsänderung zu hoch an, so kann das Gewicht von leichten Personen, wie z.B. Kindern, unter Umständen nicht ausreichen, um den Sitz als besetzt zu erkennen. Wird der erforderliche Schaltwert zu niedrig angesetzt, so können Material-Spannungen im Sitz z.B. durch Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen zu einem falschen "Besetzt"-Signal führen.
  • DE 37 34 023 und DE 36 34 855 zeigen eine Meßmatte mit einer Matrix aus Einzel-Kondensatoren. Bei einer Druckbelastung der Matte läßt sich über die unterschiedliche Kompression der Einzel-Kondensatoren die Verteilung der Druckbelastung ermitteln. Diese Anordnung ermöglicht jedoch in Bezug auf die Einzel-Kondensatoren keine Erhöhung der Genauigkeit.
  • US 4 016 761 zeigt einen Drucksensor, der einen Stapel übereinander angeordneter, gewellter Kondensator-Platten aufweist. Bei einer Druckbelastung werden die Kondensatorplatten aneinander angenähert. Die veränderte Kapazität des Kondensators wird als Maß für den Druck registriert. Nachteilig ist die Dicke und Steife des Sensors. Er ist für eine Benutzung in Sitz-Oberflächen nicht geeignet.
  • US 3 328 653 betrifft einen Dünnfilm-Drucksensor zur Messung hochfrequenter Druckschwankungen in Flüssigkeitsströmungen. Dabei wird eine Metall-Membran durch Fluiddruck gegen eine kammartige Elektrode gepreßt. Die Anschmiegung der Membran an die Kamm-Struktur der Elektrode führt zu einer Kapazitätsänderung zwischen den beiden. Die Bildung entsprechender Mulden in der Metall-Membran ist jedoch bei einem Einbau eines solchen Sensors in ein Sitzpolster durch die Steife des Polsters und der straften Bespannung stark eingeschränkt.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens ein Kondensator-Polelement (1, 3) zumindest in einem Teilbereich (4) seiner zum jeweils anderen Kondensator-Polelement (1, 3) gewandten Oberfläche von der Isolationseinrichtung ( 2) beabstandet ist, und daß der Teilbereich (4) durch Druckbeaufschlagung des Drucksensors (100) durch flexible Verformung des Kondensator-Poles (1, 3) zur Isolationseinrichtung (2) hin bewegbar ist.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente in Richtung auf die Isolationseinrichtung kompressibel ist.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens ein Kondensator-Polelement nur in einem der Isolationseinrichtung zugewandten Oberflächenbereich kompressibel ist. Dies ermöglicht eine Sicherstellung der Sensorfunktionalität und gestattet gleichzeitig, das Kondensator-Polelement möglichst stabil auszuführen.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens ein Kondensator-Polelement zumindest teilweise steif und/oder zumindest teilweise flexibel ist.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente ein metallisiertes Textil aus synthetischen Fasern aufweist. Dies gestattet eine preisgünstige Herstellung und ausreichende Flexibilität des Kondensator-Polelementes.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente elektrisch leitfähige Fasern aufweist, welche in ein elektrisch nicht leitfähiges, elastisch verformbares Material eingebettet sind. Dies gestattet eine preisgünstige Herstellung und ausreichende Flexibilität des Kondensator-Polelementes.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens zwei verschiedene, elektrisch nicht leitfähige Medien zwischen den Kondensator-Polelementen angeordnet sind, und daß mindestens eines der Medien ein Fluid ist, welches bei Druckbeaufschlagung des Drucksensors aus dem Bereich zwischen den beiden Kondensator-Polelementen verdrängbar ist. Dies gestattet, auch andere Medien als Luft, wie beispielsweise Kohlendioxid oder Öl zu benutzen, um Korrosionsprobleme zu vermeiden.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß die Isolationseinrichtung zumindest teilweise steif und/oder zumindest teilweise flexibel und/oder in Richtung der Druckbeaufschlagung im wesentlichen inkompressibel ist.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß die Normalhöhe der Unebenheit zwischen der Isolationseinrichtung und dem Kondensator-Polelement zumindest in einem Teilbereich zwischen einem und zehn Millimetern, insbesondere zwischen zehn Mikrometern und einem Millimeter liegt.
  • Es kann zweckmäßig sein, daß eines der Kondensator-Polelemente durch den Sockel des Fahrzeugsitzes gebildet wird.
  • Figuren
  • Die nachfolgende Beschreibung behandelt Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausführungen sind nur beispielhaft zu verstehen und erfolgen unter Bezug auf:
  • 1 Bodenteil eines Sitzes mit Drucksensor von vorn in Explosionsansicht
  • 2 ein gattungsgemäßer Sensor in perspektivischer Ansicht
  • 3a ein 1. Ausführungsbeispiel von vorn in perspektivischer Ansicht
  • 3b das Ausführungsbeispiel von 3a bei Belastung in perspektivischer Ansicht von vorn
  • 4a ein 2. Ausführungsbeispiel von vorn in perspektivischer Ansicht
  • 4b das Ausführungsbeispiel von 4a bei Belastung in perspektivischer Ansicht von vorn
  • 5a ein 3. Ausführungsbeispiel von vorn in perspektivischer Ansicht
  • 5b ein 4. Ausführungsbeispiel von vorn in perspektivischer Ansicht
  • 5c ein 5. Ausführungsbeispiel von vorn in perspektivischer Ansicht
  • 6a ein 6. Ausfühurungsbeispiel von vorn Querschnitt
  • 6b das Ausfühurungsbeispiel von 6a bei Belastung im Querschnitt vorn
    •
  • 3a zeigt ein erstes Kondensator-Polelement 1. Dieses ist als flache, rechteckige Schicht aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet. Das Kondensator-Polelement 1 wird von einer Isolationseinrichtung 2 in Form einer ebenfalls rechteckigen, flachen Schicht aus elektrisch nicht leitfähigem Material bedeckt. Die beiden Schichten können wie im Ausführungsbeispiel beispielsweise durch eine mit Kupfer beschichtete Polyethylenfolie gebildet sein.
  • An der dem ersten Kondensator-Polelement 1 abgewandten Seite der Isolationseinrichtung 2 ist eine zweites Kondensator-Polelement 3 angeordnet. Es ist ebenfalls im wesentlichen als eine flache, rechteckige Schicht aus leitfähigem Material ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist das zweite Kondensator-Polelement 3 durch eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Schaummaterial gebildet. Das Kondensator-Polelement 3 weist an seiner der Isolationseinrichtung 2 zugewandten Oberfläche Unebenheiten in Form von Vorsprüngen 31 und Vertiefungen 32 auf. Die Vorsprünge 31 liegen an der Isolationseinrichtung 2 an. Die Vertiefungen 32 sind von der Oberfläche der Isolationseinrichtung 2 beabstandet. Die Vertiefungen 32 besitzen eine Normaltiefe H.
  • 3b zeigt die Ausführungsform von 3a bei flächiger Belastung mit einer Kraft F. Das Kondensator-Polelement 1 und die Isolationseinrichtung 2 bleiben dabei im Wesentlichen unverändert. Die der Isolationseinrichtung 2 zugewandten Vorsprünge 31 des Kondensator-Polelementes 1 werden an ihren Spitzen komprimiert und abgeflacht. Dadurch vergrössert sich die Anlagefläche des Kondensator-Polelements 3 an der Isolationseinrichtung 2. Ausserdem wird die Normaltiefe H der Vertiefungen 32 auf eine Messtiefe h reduziert. Beide Effekte bewirken, dass sich die Menge leitfähigen Materials, das sich in der Nähe der Isolationseinrichtung 2 befindet, vergrössert. Dadurch steigt die Kapazität des Kondensators. Eine Belastung des Drucksensors lässt sich somit als Änderung der Kapazität des Kondensators erkennen.
  • 4a zeigt eine weitere Variante eines Drucksensors. Er besitzt wie die Ausführungsform von 3 ein erstes, schichtartiges Kondensator-Polelement 1 und eine dieses überdeckende Isolationseinrichtung 2.
  • Das zweite Kondensator-Polelement 3 ist jedoch als wellenförmig gebogener, langgestreckter elektrischer Leiter gestaltet. Vorzugsweise ist er eine Faser oder ein Faden in einem elektrisch leitfähigen Textil. Im Bereich seiner Wellentäler 31' liegt das Kondensator-Polelement 3 an der dem Kondensator-Polelement 1 abgewandten Oberfläche der Isolationseinrichtung 2 an. Seine Wellengipfel 32' sind gegenüber der Oberfläche der Isolationseinrichtung 2 beabstandet. Sie besitzen eine Normaltiefe H.
  • 4b zeigt den Sensor von 4a bei Belastung mit einer flächig wirkenden Kraft F. Während das Kondensator-Polelement 1 und die Isolationseinrichtung 2 im Wesentlichen unverändert bleiben, werden die Wellengipfel 32' auf die Isolationseinrichtung 2 zubewegt. Dadurch verringert sich deren Normaltiefe H auf eine Messtiefe h. Die Wellenstruktur verflacht insgesamt. Dadurch erhöht sich im Bereich der Wellentäler 31' die Menge des elektrisch leitfähigen Materials, welche wirksam zur Kapazität des Kondensators beiträgt. Dadurch ergibt auch diese Anordnung eine Kapazitätserhöhung bei Belastung des Drucksensors.
  • 5 zeigt verschiedene Kombinationsmöglichkeiten der Sensoren von 3 und 4.
  • 5a zeigt einen Drucksensor, bei dem beide Kondensatorplatten, die in 3 dargestellte Struktur des Kondensator-Polelementes besitzen. Eine solche Anordnung lässt sich beispielsweise durch Übereinanderordnen zweier elektrisch leitfähiger Schaumschichten mit einer dazwischenliegenden Polyethylenfolie erzielen.
  • 5b zeigt einen Drucksensor, bei dem beide Kondensator-Polelemente, die in 4 dargestelllte Struktur des Kondensator-Polelementes aufweisen. Eine solche Anordnung ergibt sich beispielsweise durch Übereinanderlegen zweier elektrisch leitfähiger Textilien mit einer dazwischen liegenden Kunststoff-Folie.
  • 5c zeigt eine Kombination eines gewellten Kondensator-Polelementes gemäß 4 mit einem oberflächenstrukturierten Kondensator-Polelement 1 nach 3. Diese Anordnung lässt sich durch Übereinanderlegen eines leitfähigen Schaumes, einer isolierenden Kunststoff-Folie und eines elektrisch leitfähigen Textils erzielen.
  • Eine weitere – nicht dargestellte – Ausführungsform besitzt ein im wesentlichen steifes Kondensator-Polelement mit Vorsprüngen und Vertiefungen an mindestens einer seiner Oberflächen. Auf dieser ist eine Isolationseinrichtung mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke aufgetragen. Dadurch besitzt die Isolationseinrichtung an ihrer dem ersten Kondensator-Polelement abgewandten Seite wie das Kondensator-Polelement Vorsprünge und Vertiefungen. Der Verbund aus Kondensator-Polelement und Isolationseinrichtung lässt sich beispielsweise durch Beschichtung eines elektrisch leitfähigen Textils herstellen.
  • Auf der dem ersten Kondensator-Polelement abgewandten Seite der Isolationseinrichtung ist ein zweites Kondensator-Polelement auf der Isolationseinrichtung angeordnet. Es liegt an den Vorsprüngen der Isolationseinrichtung an. Im Ruhezustand besitzt das zweite Kondensator-Polelement insbesondere an seiner der Isolationseinrichtung zugewandten Oberfläche einen ebenen Verlauf. Es ist deshalb gegenüber den Vertiefungen der Isolationseinrichtung beabstandet. Der Abstand entspricht im unbelasteten Zustand einer gewissen Normaltiefe.
  • Im belasteten Zustand führt eine Kraft F zu einer Anpressung des zweiten, flexiblen Kondensator-Polelementes an die Isolationseinrichtung. Das normalerweise ebene Kondensator-Polelement nimmt dabei eine gewellte Kontur an. Das erste Kondensator-Polelement und die Isolationseinrichtung bleiben dabei in ihrer räumlichen Gestalt im wesentlichen unbeeinflusst. Auch bei dieser Ausführungsform führt der im Bereich der Vertiefungen geringere Abstand zwischen dem zweiten Kondensator-Polelement und der Isolationseinrichtung zu einer Erhöhung der Sensorkapazität.
  • Eine weitere – nicht dargestellte – Ausführungsform besitzt ein erstes flaches, elektrisch leitfähiges Kondensator-Polelement. Auf diesem ist ein aus elektrisch leitfähigen Partikeln gebildetes zweites Kondensator-Polelement angeordnet. Das zweite Kondensator-Polelement ist in ein elektrisch nicht leitfähiges Material eingebettet. Dieses Material bildet zum ersten Kondensator-Polelement hin gleichzeitig eine Isolationseinrichtung.
  • Bei dieser Ausführungsform ist das zweite Kondensator-Polelement durch ein Vlies aus metallisierten Fasern gebildet. Die Isolationseinrichtung wird durch einen das Vlies vollständig durchdringenden und umgebenden Polyethylenschaum gebildet.
  • Bei einer Beaufschlagung der Anordnung mit Druck wird das die Isolationseinrichtung bildende Schaummaterial elastisch verformt. Dabei nähern sich die in das Schaummaterial eingebetteten Partikel des zweiten Kondensator-Polelementes dem ersten Kondensator-Polelement. Dadurch vergrössert sich die Kapazität des Sensors.
  • Eine Druckentlastung führt zu einer Rückstellbewegung des flexibel verformten Schaummaterials.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Detektieren der Anwesenheit einer Person auf einem Fahrzeugsitz, mit einem Drucksensor mit einem ersten Kondensator-Polelement (1), mit mindestens einem zweiten Kondensator-Polelement (3) und mit mindestens einer elektrisch nicht leitenden Isolationseinrichtung (2), welche zumindest teilweise zwischen den beiden Kondensator-Polelementen (1, 3) angeordnet ist, wobei die Isolationseinrichtung (2) durch eine Folie gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator-Polelement (1, 3) zumindest in einem Teilbereich (4) seiner zum jeweils anderen Kondensator-Polelement (1, 3) gewandten Oberfläche von der Isolationseinrichtung ( 2) beabstandet ist, und daß der Teilbereich (4) durch Druckbeaufschlagung des Drucksensors (100) durch flexible Verformung des Kondensator-Poles (1, 3) zur Isolationseinrichtung (2) hin bewegbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente (1, 3) in Richtung auf die Isolationseinrichtung (2) kompressibel ist.
  3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator-Polelement (1, 3) nur in einem der Isolationseinrichtung (2) zugewandten Oberflächenbereich kompressibel ist.
  4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator-Polelement (1, 3) zumindest teilweise steif und/oder zumindest teilweise flexibel ist.
  5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente (1, 3) ein metallisiertes Textil aus synthetischen Fasern aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kondensator-Polelemente (1, 3) elektrisch leitfähige Fasern aufweist, welche in ein elektrisch nicht leitfähiges, elastisch verformbares Material eingebettet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei verschiedene, elektrisch nicht leitfähige Medien zwischen den Kondensator-Polelementen (1, 3) angeordnet sind, und daß mindestens eines der Medien ein Fluid ist, welches bei Druckbeaufschlagung des Drucksensors (100) aus dem Bereich zwischen den beiden Kondensator-Polelementen (1, 3) verdrängbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationseinrichtung (2) zumindest teilweise steif und /oder zumindest teilweise flexibel und /oder in Richtung der Druckbeaufschlagung im wesentlichen inkompressibel ist.
  9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalhöhe (H) der Unebenheit (31, 31', 32, 32') zwischen der Isolationseinrichtung (2) und dem Kondensator-Polelement (1, 3) zumindest in einem Teilbereich (4) zwischen einem und zehn Millimetern, insbesondere zwischen zehn Mikrometern und einem Millimeter liegt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorausstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Kondensator-Polelemente (1, 3) durch den Sockel des Fahrzeugsitzes gebildet wird.
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