DE10027641A1 - Überrollsensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen gehäusten Überrollsensor, in dessen Gehäuse ein Lagegeber, ein Dauermagnet und ein digitaler Hallsensor angeordnet sind. Der Lagegeber enthält in einem ringförmigen Tubus eine magnetisch wirksame schüttfähige Füllung, die sich bei einem Überschlag des Überrollsensors entlang der konstruktiven Drehachse in einem ringförmigen Tubus stets an dessen tiefstem Punkt sammelt. Am Umfang des ringförmigen Tubus sind ein Dauermagnet und ein digitaler Hallsensor angeordnet. Durch die bei einer Überrollbewegung hervorgerufene Schüttung der magnetisch wirksamen Füllung wird das Magnetfeld des Dauermagneten verändert und die Veränderung des Magnetfeldes mit dem digitalen Hallsensor detektiert.
Description
Die Erfindung betrifft einen Überrollsensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit den Merk
malen des unabhängigen Anspruchs.
Überrollsensoren werden im Kraftfahrzeug eingesetzt, um im Falle eines drohenden Über
schlages des Kraftfahrzeuges rechtzeitig Sicherheitsvorrichtungen, wie z. B. Überschlagbügel,
Gurtstraffer oder auch Kopfairbags aktivieren zu können. Hierzu wird mittels eines Überroll
sensors ein vorzugsweise digitales Signal gewonnen, das den drohenden Überschlag anzeigt.
Dieses Signal ist vorzugsweise digital, damit das Sensorsignal möglichst direkt den Steuerge
räten für die o. a. Sicherheitsvorrichtungen zugeleitet werden kann und von den Steuergeräten
entsprechend ihrer jeweiligen Schutzfunktion ausgewertet und in eine Aktion umgesetzt wer
den kann.
Ein Beispiel eines Überrollsensors ist aus der EP 0847 901 A1 bekannt. Bei diesem Überroll
sensor dient eine drehbar gelagerte Scheibe, die mit einem Ballastgewicht versehen ist, als
Geber für ein optisches Transmitter/Empfänger Paar. Die Geberscheibe ist mit optisch wirk
samen Markierungen versehen, die je nach Neigungswinkel des Fahrzeuges einen Empfang
des vom Transmitter ausgestrahlten Lichtsignals durch den Empfänger ermöglichen oder
nicht. Das Balastgewicht an der Geberscheibe bewirkt, das die drehbar gelagerte Scheibe Ihre
Vorzugorientierung im Schwerefeld der Erde auch im Falle eines Überschlages des Kraft
fahrzeuges beibehält. Transmitter und Empfänger des optischen Systems sind fest mit dem
Fahrzeug verbunden. Bei einem Überschlag des Fahrzeuges um die Drehachse der Geber
scheibe macht deshalb das Transmitter/Empfänger Paar die Überschlagsbewegung mit, wäh
rend die Geberscheibe durch das Balastgewicht ihre Vorzugsorientierung im Gravitationsfeld
der Erde beibehält. Je nach Überschlagswinkel wird durch die Geberscheibe der Lichtweg
zwischen Transmitter und Empfänger unterbrochen. Die Unterbrechung des Lichtweges er
zeugt im Empfänger ein verwertbares elektronisches Signal, das ein Maß für die Überrollbe
wegung des Kraftfahrzeuges ist.
Der optische Überrollsensor aus der EP 0847 901 A1 hat den Nachteil, daß die Geberscheibe,
der Transmitter und der Empfänger sorgfältig justiert werden müssen. Insbesondere muß
auch die Geberscheibe sorgfältig drehbar gelagert werden. Dies macht den Überrollsensor in
der Handhabung und in der mechanischen Ausführung relativ aufwendig und teuer.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher einen besonders kostengünstigen Überrollsensor
anzugeben, dessen Anzahl an mechanischen Bauteilen möglichst gering ist und der ohne
aufwendige Drehlager auskommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An
spruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Lösung gelingt mit einem gehäusten Überrollsensor, in dessen Gehäuse ein Lagegeber,
ein Dauermagnet und ein digitaler Hallsensor angeordnet sind. Der Lagegeber enthält in ei
nem ringförmigen Tubus eine magnetisch wirksame, schüttfähige Füllung, die sich bei einem
Überschlag des Überrollsensors entlang der konstruktiven Drehachse im ringförmigen Tubus
stets an dessen tiefstem Punkt sammelt. Am Umfang des ringförmigen Tubus sind ein Dau
ermagnet und ein digitaler Hallsensor angeordnet. Durch die bei einer Überrollbewegung
hervorgerufene Schüttung der magnetisch wirksamen Füllung wird das Magnetfeld des Dau
ermagneten verändert und die Veränderung des Magnetfeldes mit dem digitalen Hallsensor
detektiert.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Digitale Hallsensoren werden in Millionen-Stückzahlen in integrierter Bauweise von ver
schiedenen Herstellern wie z. B. von der Firma Intermetall, der Firma Honeywell, der Firma
Siemens oder der Firma Bosch angeboten. Im Kraftfahrzeug werden diese digitalen Hallsen
soren meist zur Drehzahlmessung oder Drehwinkelmessung eingesetzt. Diese gängigen Hall
sensoren sind äußerst robust und zuverlässig und aufgrund ihrer großen Stückzahlen preis
wert. Ihre Verwendung in einem auch sonst konstruktiv einfach gehaltenen Überrollsensor
ermöglicht einen einfachen, robusten, zuverlässigen Überrolsensor, der äußerst kostentgün
stig hergestellt werden kann.
Durch eine integrierte Bauweise des Überrollsensors, die alle notwendigen Bauelement wie
digitaler Hallsensor, Dauermagnet und Lagegeber in einem geschlossenen Gehäuse vereint,
wird der Überrollsensor in seiner Handhabung, insbesondere was den Einbau in einem Kraft
fahrzeug betrifft, problemlos.
Durch die Verwendung von in Großserien hergestellten Hallsensoren mit standardisierten
elektrischen Anschlüssen, die vorzugsweise als Hall-IC's ausgebildet sind, ist die Kompati
bilität mit gängigen Steuergeräten für Überrollbügel, Gurtstraffer oder Airbags gegeben.
Das magnetische Meßfeld eines Dauermagneten, dessen Stärke das Erdmagnetfeld oder son
stige Streumagnetfelder bei weitem übertrifft, und die Verwendung eines digitalen Hallsen
sors mit einem eine schwellgesteuerte Schalthysteresis aufweisenden Signalbildner macht
den Überrollsensor weitgehend unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse und Montagetole
ranzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge
stellt und näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen, bevorzugten Überrollsensor mit aufgeschnittenem Gehäuse
in dreidimensionaler Darstellung,
Fig. 2 eine Teilansicht A:-A: des erfindungsgemäßen Überrollsesnors der Fig. 1, bei dem der
Lagegeber in einem ringförmigen Tubus eine magnetische Flüssigkeit enthält,
Fig. 3 eine Teilansicht A:-A: eines erfindungsgemäßen Überrollsensors der Fig. 1, bei dem
der Lagegeber in einem ringförmigen Tubus magnetisch wirksame Kugeln enthält,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überrollsensors, bei dem der La
gegeber zwischen Dauermagnet und digitalem Hallsensor angeordnet ist,
Fig. 5 zur weiteren Erläuterung der Erfindung eine schematische Darstellung eines an sich
bekannten digitalen Hallsensors.
Fig. 1 zeigt einen erfindunggemäßen Überrollsensor 1. In einem geschlossenen Gehäuse 2
sind ein Lagegeber 3, ein digitaler Hallsensor 4 und ein Dauermagnet 5 angeordnet. Der La
gegeber besteht aus einem ringförmigen Tubus 3a, in dem sich eine schüttfähige Füllung 6
befindet, die im hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer magnetischen Flüssigkeit ge
bildet ist. Ringförmiger Tubus 3a, Hallsensor 4 und Dauermagnet 5 sind starr und fest mit
dem Gehäuse 1 verbunden. Der Hallsensor 4 und der Dauermagnet 5 sind jeweils auf der
selben Seite des Lagegebers einem kreisbogenförmigen Abschnitt des ringförmigen Tubus
am Boden des Gehäuses 2 fest zugeordnet, so daß innerhalb des Gehäuses keine beweglich
gelagerten Bauteile angeordnet sind und alle Bauteile fest und starr mit dem Gehäuse ver
bunden sind. Der ringförmige Tubus ist lediglich teilweise befüllt, so daß die Füllung 6 bei
einer Drehbewegung des Überrollsensors um die konstruktive Drehachse im ringförmigen
Tubus entgegen der Drehung entsprechend ausweichen kann. Die konstruktive Drehachse 7
des Überrollsensors 1 wird gebildet durch die Flächennormale der Ebene, die durch den ring
förmigen Tubus 3a aufgespannt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die x-Achse
des eingezeichneten Koordinatensystems oder eine zur x-Achse parallele Achse die kon
struktive Drehachse. Vorzugsweise fällt die konstruktive Drehachse 7 mit dem geometrischen
Mittelpunkt des kreisförmigen Tubus 3a zusammen. Jede andere zur Mittennormalen paral
lele Drehachse ist jedoch auch möglich. Durch eine Drehung des Überrollsensors 1 um eine
seiner möglichen Drehachsen wird sich die Lage des Hallsensors 4 gegenüber der Füllung,
die unter Einfluß der Schwerkraft im tiefsten Punkt des ringförmigen Tubus 3a weitgehend
verharrt, entsprechend des Drehwinkels verändern. Mit der Lage des Hallsensors verändert
sich auch die Lage des dem Hallsensor 4 fest zugeordneten Dauermagneten. Sobald in Folge
der Auslenkung der dem Hallsensor gegenüberliegende Abschnitt des ringförmigen Tubus 3a
nicht mehr mit der magnetisch wirksamen Füllung gefüllt ist, wird sich das den Hallsensor 4
durchsetzende Magnetfeld des Dauermagneten 5 relativ stark ändern. Die entsprechend des
Drehwinkels abfließende magnetisch wirksame Füllung wirkt auf das magnetische Meßfeld
und den Hallsensor vergleichbar wie ein Steuermagnet eines Drehwinkelsensors. Durch ent
sprechende Einstellung der Schaltschwellen und der Hysteresis des Signalbildners in dem
digitalen Hallsensors der Fig. 5 kann ein sicheres und eindeutiges Schaltverhalten des Hall
sensors 4 eingestellt werden. Die Flanke des Schaltsignals ist dann das Meßsignal zur Akti
vierung der Sicherheitsvorrichtung im Kraftfahrzeug.
Bekannte digitale Hall-IC's verfügen in der Regel über drei Anschlußleitungen 8, 8a, 8b,
nämlich zwei Leitungen für die Versorgung des Hall-IC's mit einer Versorgungsspannung
und einer Signalleitung für die Übertragung des Meßsignals. In dem gezeigten Ausführungs
beispiel werden die drei Anschlußleitungen zu einer in eine Gehäusewand eingelassene An
schlußbuchse 9 geführt, in der die drei Anschlußleitungen 8, 8a, 8b an drei Pins 10, 10a, 10b
kontaktiert sind. Die Anschlußbuchse ist vorteilhafterweise als eine im Kraftfahrzeug ver
wendete Steckverbindung ausgebildet. Um den Einbau des Überrollsensors zu erleichtern
sind an einer Gehäuseaußenwand Markierungen 11 zweckmäßig, die angeben mit welcher
Orientierung der Überrolsensor 1 im Kraftfahrzeug eingebaut werden muß.
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht des Überrollsensors. Gezeigt ist die Gehäuserückwand 12 mit
vorgelagertem ringförmigem Tubus 3a und dessen Füllung 6. Die schüttfähige Füllung 6, die
in diesem Ausführungsbeispiel eine bevorzugte magnetische Flüssigkeit ist, sammelt sich in
Richtung der Erdbeschleunigung g an der tiefsten Stelle des Tubus 3a an. Der Füllwinkel α
gibt den Füllgrad des ringförmigen Tubus an. Die Hälfte des Füllwinkels α ist ein Maß für
den konstruktiven Ansprechwinkel des Überrollsensors 1. Bei einer Auslenkung bzw. Dre
hung des Überrollsensors um die Hälfte des Füllwinkels α wandert nämlich eine der beiden
Füllgrenzen 14 infolge der Auslenkung an dem in Fig. 1 oder Fig. 4 dargestellten Hallsensor
4 vorbei, so daß eine relativ starke, unstetige Änderung des magnetischen Meßfeldes des
Dauermagneten 5 am Ort des Hallsensors 4 hervorgerufen wird. Die Änderung des magnetischen
Meßfeldes wird wie in Fig. 1 und Fig. 5 näher erläutert in ein Meßsignal für die Steu
ergeräte der Sicherheitsvorrichtungen im Kraftfahrzeug umgewandelt.
Fig. 3 zeigt eine Teilansicht wie die Fig. 2, jedoch mit einer alternativen Füllung des ring
förmigen Tubus 3a. In diesem Ausführungsbeispiel ist der rinförmige Tubus mit magnetisch
wirksamen Kugel 13 gefüllt, die im Innern des Tubus frei rollen können und sich so gegen
über einer Drehung des Überrollsensors ähnlich verhalten wie eine Flüssigkeit. Die Kugeln
rollen nämlich stets in Richtung der Erdbeschleunigung g zum tiefsten Punkt des Tubus 3.
Wieder bestimmt der Füllwinkel α den Füllgrad und die Füllgrenzen 14 des Tubus 3.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überrollsensors. In
einem aufgeschnittenen Gehäuse 2 sind ein Hallsensor 4, ein Lagegeber 3 aus einem ringför
migen Tubus 3a, in dem sich elektromagnetisch wirksame Kugeln 13 befinden, und ein Dau
ermagnet 5 angeordnet. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1, sind in die
sem Ausführungsbeispiel der Dauermagnet 5 und der Hallsensor 4 auf unterschiedlichen
Seiten des ringförmigen Tubus 3a angeordnet. Hallsensor 4 und Dauermagnet 5 sind vonein
ander beabstandet und in der Lücke zwischen diesen beiden Bauelementen ist ein Abschnitt
des ringförmigen Tubus 3a angeordnet, so daß die in dem Tubus enthaltenen Kugeln 13 bei
einer Drehung des Überrollsensors 1 im Tubus zwischen Hallsensor 4 und Dauermagnet 5
hindurchrollen können. Ein Schaltsignal des digitalen Hallsensors wird analog zu dem in Fig.
1 gezeigten Ausführungsbeispiels erzeugt, wenn eine der Füllgrenzen 14 in Folge einer Dreh
bewegung des Überrollsensors am Hallsensor 4 vorbeiwandert.
In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Überrollsensor in der Anord
nung nach Fig. 1 ausgestattet mit einem Lagegeber 3 aus einem ringförmigen Tubus 3a, in
den statt einer magnetischen Flüssigkeit 6 elektromagnetisch wirksame Kugeln 13 eingefüllt
sind.
Ebenso ist in einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform der Überrollsensor mit der
Anordnung aus der Fig. 4 ausgestattet mit einem Lagegeber 3 aus einem ringförmigen Tubus
3a, der mit einer elektromagnetischen Flüssigkeit an Stelle der elektromagnetisch wirksamen
Kugeln 13 gefüllt ist.
In Fig. 5 ist zur Erläuterung der Erfindung ein Beispiel eines an sich bekannten schaltenden
digitalen Hallsensors 4 in integrierter mikroelektronischer Bauweise gezeigt. Ein ähnlicher
digitaler Hall-IC ist z. B. in der EP 0 505 372 B1 näher beschrieben. Die Beschreibung des
Hallsensors kann deshalb für die Zwecke dieser Erfindung, nämlich die Verwendung eines di
gitalen Hallsensors in einem Überrollsensor, auf die wichtigsten Elemente des Hallsensors
beschränkt werden. Auf einem Substrat oder einer Platine 15 sind ein Hallelement 16, ein
Operationsverstärker 17 und ein schwellwertgeschalteter Signalbildner 18 angeordnet. Über
Versorgungsklemmen 8, 8a werden alle 3 zuvor genannten Bauteile mit einer Versorgungs
pannung versehen. Die Hallspannungabgriffe des Hallelements 16 werden mit dem Operati
onsverstärker 17 verstärkt und dem Signalbildner 18 zugeführt. Der Signalbildner 18 ist vor
zugsweise ein sogenannter Schnitt-Trigger mit zwei einstellbaren ausgebildeten Schwellwert
stufen. Eine niedere Schwellwertstufe zum Durchschalten des Schmitt-Triggers und eine hö
here Schwellwerstufe zum Sperren des Schnitt-Triggers. Hierdurch ensteht am Ausgang des
Schmitt-Triggers ein digitales Signal, das letztlich an der Signalklemme 8b des Hallsensors 4
abgegriffen werden kann. Über die einstellbaren Schwellwertstufen des Signalbildners 18
kann die Empfindlichkeit des Hallsensors eingestellt werden. Das Ausgangssignal des
Schmitt-Triggers kann noch durch eine nachgeordnete Signalverarbeitung weiter verfeinert
sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal des Signalbildners 18 noch
durch einen Schalttransistor 19 verstärkt.
Claims (8)
1. Überrollsensor (1) in dessen Gehäuse (2) ein Lagegeber (3), ein Dauermagnet (5) zur
Erzeugung eines magnetischen Meßfeldes und ein Hallsensor (4) zur Detektion von
durch Überrollbewegungen hervorgerufenen Änderungen des magnetischen Meßfeldes
angeordnet und fest mit dem Gehäuse (2) verbunden sind, wobei
der Lagegeber (3) aus einem ringförmigen Tubus (3a) besteht, der teilweise mit einer
schüttfähigen, magnetisch wirksamen Füllung (6, 13) gefüllt ist.
2. Überrollsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch wirksame
Füllung (6) eine magnetische Flüssigkeit ist.
3. Überrollsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch wirksame
Füllung (6) aus magnetisch wirksamen Kugeln (13) besteht.
4. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall
sensor (4) und der Dauermagnet (5) voneinander beabstandet sind und der Lagegeber (3)
zwischen Dauermagnet (5) und Hallsensor (4) angeordnet ist.
5. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall
sensor (4) ein digitaler Hall-IC mit einem Schwellwert gesteuerten Signalbildner (18) ist.
6. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die An
schlußleitungen (8, 8a, 8b) des Hallsensors (4) mit PINs (10, 10a, 10b) einer in eine Gehäu
sewand eingelassenen Anschlußbuchse (9) verbunden sind.
7. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ge
häuse (2) Markierung (11) angebracht sind, die angeben, mit welcher Orientierung der
Überrollsensor (1) einzubauen ist.
8. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fül
lung (6) im ringförmigen Tubus (3a) des Lagegebers mindestens eine Füllgrenze (14)
hat, die bei einer Überrollbewegung des Überrollsensors (1) am Hallsensor (4) vorbei
wandert und an der Signalleitung (8b) des Hallsensors ein Meßsignal auslöst.
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