DE10027641C2 - Überrollsensor - Google Patents

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.

Aus der JP 62163972 A ist ein Beschleunigungssensor bekannt. In dem Beschleunigungssensor ist das Merkmal einer magnetisch wirksamen Flüssigkeit verwirklicht. In einer ersten äußeren Sphäre ist eine zweite innere Sphäre in der magnetisch wirksamen Flüssigkeit schwimmend gelagert, so daß bei Auftreten von Beschleunigungen sich die innere Sphäre gegenüber der äußeren Sphäre unter Verdrängung der magnetischen Flüssigkeit verlagern kann. Dadurch wird das Magnetfeld geändert. Aus der Änderung des Magnetfeldes wird ein Meßsignal gewonnen, das zur Beschleunigung in ein Verhältnis gesetzt werden kann.

Aus der JP 08334529 A ist ein weiterer Beschleunigungssensor bekannt. In dem Beschleuni­ gungssensor ist das Merkmal eines ringförmigen Tubus, der mit einer magnetisch wirksamen Flüssigkeit gefüllt ist, verwirklicht. Weiterhin sind die Merkmale der feststehenden Hallsenso­ ren verwirklicht. In dem ringförmigen Tubus schwimmt ein magnetisierter Rotor, dessen Lageänderungen in den Hallsensoren ein Meßsignal bewirken, aus dem sich auf die zu messen­ de Beschleunigung schließen läßt.

Aus der DE 197 23 069 C1 ist ein Neigungswinkelsensor bekannt. In Fig. 2 aus der DE 197 23 069 C1 ist das Merkmal aus Anspruch 3 dieser Erfindung verwirklicht, nämlich ein Lagegeber mittels zumindest einer magnetisch wirksamen Kugel.

Aus Components 32 (1994), Heft 3, S. 76-79 ist das Merkmal nach Anspruch 5 dieser Erfin­ dung, nämlich ein Schwellwert gesteuerter Signalbildner bekannt.

Aus der JP 601 3370 A ist die Verwendung einer magnetischen Flüssigkeit als Signalgeber für einen Beschleunigungssensor bekannt.

Aus der DE 35 10 987 C2 ist ein Beschleunigungssensor mit einer magnetischen Flüssigkeit als Signalgeber in einem Tubus bekannt.

Aus der DE 39 32 457 C2 ist ein Beschleunigungssensor bekannt mit einem Permanentmagne­ ten als Signalgeber, der in einer magnetischen Flüssigkeit schwimmend gelagert ist. Merkmale der hier beanspruchten Erfindung sind aus der DE 39 32 457 C2 nicht bekannt.

Zusammenfassend läßt sich sagen: Beschleunigungssensoren sind an sich gegenüber Über­ schlagssensoren gattungsfremd. Sie messen proportional auftretende Beschleunigungen.

Winkelmessungen sind mit den bekannten Beschleunigungssensoren nicht möglich. Die Mes­ sung eines ausgezeichneten, kritischen Überschlagswinkel, der einen drohenden Überschlag eines Kraftfahrzeuges anzeigen könnte, ist mit den Beschleunigungssensoren nicht möglich.

Gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik unterscheidet sich die Erfindung durch die Detektion einer Füllgrenze, die unmittelbar Aufschluss über die Winkellage des Fahrzeuges gegenüber der Horizontalen gibt.

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 1 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 (7)

1. Überrollsensor (1) in dessen Gehäuse (2) ein Lagegeber (3) aus einem ringförmigen Tubus (3a), 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 ringförmige Tubus (3a) teilweise mit einer schüttfähigen, magnetisch wirksamen Füllung (6, 13) gefüllt ist
und die Füllung (6, 13) im ringförmigen Tubus (3a) des Lagegebers mindestens eine Füllgrenze (14) hat, die bei einer Überrollbewegung des Überrollsensors (1) am Hallsensor (4) vorbeiwandert und an der Signalleitung (8b) des Hallsensors ein Meßsignal auslöst.

2. Überrollsensor nach Anspruch 1, bei dem die magnetisch wirksame Füllung (6) eine magnetische Flüssigkeit ist.

3. Überrollsensor nach Anspruch 1, bei dem die magnetisch wirksame Füllung (6) aus magnetisch wirksamen Kugeln (13) besteht.

4. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Hallsensor (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, bei dem der Hallsensor (4) ein digitaler Hall-IC mit einem Schwellwert gesteuerten Signalbildner (18) ist.

6. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Anschlußleitungen (8, 8a, 8b) des Hallsensors (4) mit PINs (10, 10a, 10b) einer in eine Gehäusewand eingelassenen Anschlußbuchse (9) verbunden sind.

7. Überrollsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem am Gehäuse (2) Markierung (11) angebracht sind, die angeben, mit welcher Orientierung der Überrollsensor (1) einzubauen ist.