DE10132922A1

DE10132922A1 - Verformungssensor

Info

Publication number: DE10132922A1
Application number: DE2001132922
Authority: DE
Inventors: Klaus Voigtlaender
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: DE10132922B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verformungssensor, insbesondere einen Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass er zumindest einen ersten geometrischen Aufbau (20, 30, 41, 42) aufweist, dessen Verformung eine Resonanzverstimmung verursacht, die zur Erfassung der Verformung herangezogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verformungssensor, insbesondere einen Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür.

Stand der Technik

Verformungssensoren werden beispielsweise eingesetzt, um bei der durch einen Unfall bedingten Verformung einer Fahrzeugtür einen Airbag zu zünden. Beispielsweise wurde auf der Mikrowellenkonferenz in Boston (IMS 2000, 10.-16.6.2000) ein Türverformungssensor vorgestellt, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Dieser Verformungssensor weist einen Radarreflektor 18 auf, der im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist und eine abgerundete Spitze aufweist. Der Radarreflektor 18 ist über zwei Federbeine 14, 16 mit Gummitülle gelagert, die auf einer Al203-Keramik 10 angeordnet sind. Diese Al2013-Keramik 10 trägt weiterhin eine SiGe-Schaltung 12. Die Arbeitsfrequenz der SiGe-Schaltung 12 beträgt 24 GHz. Alternativ kann auch eine nicht dargestellte diskrete Schaltung zum Einsatz kommen, die eine Arbeitsfrequenz von 61 GHz aufweist. Der in Fig. 1 dargestellte Verformungssensor ist ungefähr 4 cm tief und wird während eines Unfalls zusammengedrückt. Dabei liefert er auf dem Weg von 4 auf 3 cm ein elektrisches Signal, das zur Erkennung des Unfalls und zum Zünden des Airbags dient. Basierend auf einer Dopplermessung eines Radarsensors wird die Geschwindigkeit der Verformung gemessen und die Nulldurchgänge werden ausgewertet. Bei einer Frequenz von 24 GHz ergeben sich zwei Nulldurchgänge, während sich bei einer Frequenz von 62 GHz fünf auswertbare Nulldurchgänge ergeben. Dies stellt eine für eine Signalverarbeitung kleine und unsichere Datenbasis dar. Weiterhin ist es mit dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Sensor schwierig, einen Schlag von einem tatsächlichen Unfall unterscheiden zu können. Ein Unfall mit 10 m/s ergibt eine Auswertezeit von 1 Millisekunde, während ein Unfall mit 50 m/s lediglich eine Auswertezeit von 0,2 Millisekunden ergibt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Verformungssensor baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass er zumindest einen ersten geometrischen Aufbau aufweist, dessen Verformung eine Resonanzverstimmung verursacht, die zur Erfassung der Verformung herangezogen wird. Durch diese Lösung wird ein Verformungssensor vorgesehen, der eine höhere Auswertesicherheit bietet und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann vorgesehen sein, dass der erste geometrische Aufbau einen Resonator mit einer Geometrie umfasst, deren Verformung die Resonanzverstimmung hervorruft. Im Falle eines Türverformungssensors ist zumindest der Resonator in der Tür angeordnet.

Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator durch ein dosenförmiges Element gebildet ist. In diesem Fall kann der Resonator über die Geometrie des dosenförmigen Elementes abgestimmt werden.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das dosenförmige Element zumindest einen Wandabschnitt aufweist, der bei der Verformung der Geometrie des Resonators gefaltet wird. Im Falle eines zylinderförmigen Resonators kann der Wandabschnitt durch den gesamten Zylindermantel oder bestimmte Abschnitte des Zylindermantels gebildet sein.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor weiterhin vorgesehen, dass der zumindest eine Wandabschnitt Sollfaltlinien aufweist. Diese Sollfaltlinien können im Falle eines zylinderförmigen Resonators beispielsweise dadurch vorgesehen werden, dass der Zylindermantel zickzackartig vorgefaltet wird.

Dabei ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass der zumindest eine Wandabschnitt aus einem metallischen Material gebildet ist.

Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verformungssensors kann vorgesehen sein, dass der Resonator zumindest abschnittsweise eine konische Geometrie aufweist. Eine konische Geometrie kann bei der Verformung des Resonators den Messeffekt verstärken.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Resonator eine erste Grundfläche aufweist, auf der Schaltungseinrichtungen angeordnet sind. Die Schaltungseinrichtungen können dabei beispielsweise Oszillator- und Auswerteschaltungen umfassen.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Resonator eine einer ersten Grundfläche gegenüberliegende zweite Grundfläche aufweist, an der ein Metallstempel vorgesehen ist. Dabei ist der Metallstempel vorzugsweise gegenüber einer Oszillator- und Auswerteschaltung vorgesehen.

Dabei ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Grundfläche des Resonators aus einem metallischen Material gebildet sind. Zumindest eine der ersten und/oder zweiten Grundfläche kann im Falle eines Türverformungssensors in vorteilhafter Weise durch das Türblech gebildet sein.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann vorgesehen sein, dass eine Arbeitsfrequenz f wie folgt bestimmt wird:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante und 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators ist (ρ'₁₁ ≍ 1,841).

Bei einem dosenförmigen Resonator mit einem Dosendurchmesser von 60 mm und einer Dosenhöhe von 60 mm ergibt sich somit beispielsweise eine Arbeitsfrequenz von 5,8 GHz. Selbstverständlich lassen sich auch Dosen für 2,45 GHz, 10 oder 24 GHz konstruieren.

Weiterhin sehen bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verformungssensors vor, dass der erste geometrische Aufbau eine erste metallische Fläche und eine zweite metallische Fläche aufweist, die eine Kapazität bilden, wobei eine Verformung eine Kapazitätsänderung hervorruft.

In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste metallische Fläche zumindest durch Abschnitte einer Tür gebildet ist. In diesem Zusammenhang kann es zur Erhöhung der Kapazität vorteilhaft sein, den entsprechenden Abschnitt der Tür in Richtung auf die zweite metallische Fläche vorzuverlegen.

In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zweite metallische Fläche Bestandteil einer Schaltung ist, die auf FR4-Material aufgebracht ist. FR4 ist ein Kompositmaterial, das im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise angewendet werden kann. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung der SMD-Technologie.

Bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Kapazitätsänderung direkt und/oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst wird. In jedem Fall kann es vorteilhaft sein, zumindest Teile einer entsprechenden Auswerteschaltung gemeinsam mit der zweiten metallischen Fläche auf dem bereits erwähnten FR4-Material vorzusehen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verformungssensors ist vorgesehen, dass er einen zweiten geometrischen Aufbau aufweist, wobei der erste geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f1 und der zweite geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f2 aufweist. Das Vorsehen eines zweiten geometrischen Aufbaus ist zur Kompensation von Temperatureffekten und zur Vereinfachung der Auswertung vorteilhaft. Beispielsweise kann ein geometrischer Aufbau dem Türblech derart zugewandt eingebaut werden, dass er bei einem Unfall eingedrückt wird. Der zweite geometrische Aufbau kann beispielsweise Rücken zu Rücken mit dem ersten geometrischen Aufbau angeordnet werden, wobei die Auswerteschaltungen vorzugsweise innen liegen. Bei einem Unfall wird der erste geometrische Aufbau bei dieser Einbaulage eingedrückt, während der zweite geometrische Aufbau als Referenz bis zur Airbagauslösung vorzugsweise nicht beschädigt wird.

Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass dem ersten geometrischen Aufbau ein erster Oszillator und/oder dem zweiten geometrischen Aufbau ein zweiter Oszillator zugeordnet ist.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Verformungssensor Mittel zum Mischen der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 aufweist. Im Regelbetrieb sind die ersten Arbeitsfrequenz f1 und die zweite Arbeitsfrequenz f2 aufeinander abgeglichen. Durch die Mischung der beiden Arbeitsfrequenzen ergibt sich eine Spannung. Sofern die Arbeitsfrequenzen abgeglichen sind, ist diese Spannung eine Gleichspannung, während sich eine Wechselspannung ergibt, wenn ein Frequenzversatz vorliegt.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor weiterhin vorgesehen sein, dass er ein Tiefpassfilter zum Entkoppeln einer durch Mischung der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 erhaltenen Spannung aufweist.

Diese tiefpassgefilterte Spannung wird vorzugsweise einer Auswerteschaltung zugeführt. Die Resonatoren können beispielsweise auf eine Frequenzverstimmung von 1 bis 100 MHz bei einem Weg von 10 mm ausgelegt werden. Im Falle eines Türverformungssensors kann der zeitliche Verlauf der Frequenzveränderung bei einem Unfall durch die Auswerteschaltung erkannt und weitergeleitet werden. Aus dem Verlauf kann auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Verformungseintritt und die Art der Verformung berechnet werden. Bei einem Schlag kehrt die ersten Arbeitsfrequenz f1 in ihre Ruhelage zurück und kann als solche erkannt werden. Damit kann ein Unfall mit relativ großer Sicherheit von einem Schlag unterschieden werden, was bei dem eingangs erläuterten bekannten Verformungssensor problematisch ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen zum Stand der Technik zählenden Verformungssensor;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verformungssensors;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verformungssensors; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verformungssensors veranschaulicht, bei dem zwei geometrische Aufbauten vorgesehen sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 2 dargestellte Verformungssensor weist einen Resonator 20 auf, der in Form eines dosenförmigen Elements gebildet ist. Das dosenförmige Element weist Wandabschnitte 22, 23 auf, die bei einer Verformung der Geometrie des Resonators 20 gefaltet werden. Zu diesem Zweck sind Sollfaltlinien 24 vorgesehen, durch die sich ein zickzackartig gefalteter Zylindermantel ergibt. Die Wandabschnitte 22, 23 sind aus einem metallischen Material gebildet. Der Resonator 20 weist eine erste Grundfläche 21 auf, die aus einem metallischen Trägermaterial gebildet ist. Weiterhin weist der Resonator 20 eine zweite Grundfläche 25 auf, die durch einen Abschnitt eines Türblechs gebildet ist. An der zweiten Grundfläche 25 ist ein Metallstempel 26 vorgesehen. Gegenüberliegend vom Metallstempel 26 ist eine Oszillator- und Auswerteschaltung 27 vorgesehen. Die Arbeitsfrequenz f des in Fig. 2 dargestellten Resonators wird wie folgt bestimmt:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante und 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators ist. Dadurch ergibt sich bei einer Resonatorhöhe von ungefähr 30 mm und einem Resonatordurchmesser von ungefähr 60 mm eine Arbeitsfrequenz f von ungefähr 5,8 GHz.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verformungssensors. Der in Fig. 3 dargestellte Resonator 30 weist eine erste metallische Fläche 36 und eine zweite metallische Fläche 37 auf, die eine Kapazität bilden. Diese Kapazität wird durch eine Verformung des Resonators 30 verändert und dient somit zur Erfassung einer Verformung. Die erste metallische Fläche 36 ist durch einen Abschnitt einer Tür 35 gebildet und in Richtung auf die zweite metallische Fläche 37 zu vorverlegt, um die Kapazität zu erhöhen. Der Abstand zwischen der ersten metallischen Fläche 36 und der zweiten metallischen Fläche 37 kann beispielsweise 10 bis 50 mm betragen. Die zweite metallische Fläche 37 ist Bestandteil einer SMD-Schaltung, die auf FR4-Material aufgebracht ist. Eine Kapazitätsänderung kann direkt oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst werden.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verformungssensors veranschaulicht, bei dem zwei geometrische Aufbauten vorgesehen sind. Dabei sind zur Kompensation von Temperatureffekten und zur Vereinfachung der Auswertung zwei Resonatoren 41, 42 vorgesehen, die beispielsweise den in den Fig. 2 und/oder 3 gezeigten Ausführungsformen entsprechen können. Dem ersten geometrischen Aufbau 41 ist ein erster Oszillator 43 zugeordnet, während dem zweiten geometrischen Aufbau 42 ein zweiter Oszillator 44 zugeordnet ist. Der erste geometrische Aufbau 41 beziehungsweise der erste Resonator 41 weist eine erste Arbeitsfrequenz f1 auf. Der zweite geometrische Aufbau 42 beziehungsweise der zweite Resonator 42 weist eine zweite Arbeitsfrequenz f2 auf. Im Regelbetrieb sind die erste Arbeitsfrequenz f1 und die zweite Arbeitsfrequenz f2 aufeinander abgeglichen. Mittel 45 mischen die beiden Frequenzen, wodurch sich bei einem Abgleich der Frequenzen eine Gleichspannung ergibt, während sich bei einem Frequenzversatz eine niedrige Wechselspannung ergibt. Die Spannung wird durch ein Tiefpassfilter 46 entkoppelt. Die tiefpassgefilterte Spannung wird einer Auswerteschaltung 47 zugeführt. Die Resonatoren 41, 42 können beispielsweise auf eine Frequenzverstimmung von 1 bis 100 MHz bei einem Weg von 10 mm ausgelegt werden. Mit der in Fig. 4 dargestellten Anordnung kann der zeitliche Verlauf der Frequenzveränderung bei einem Unfall durch die Auswerteschaltung erkannt und weitergeleitet werden. Aus dem Verlauf kann auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Verformungseintritt und die Art der Verformung berechnet werden. Bei einem Schlag kehrt die erste Arbeitsfrequenz f1 in ihre Ruhelage zurück und kann als solche erkannt werden.
Die Erfindung ergibt einen Verformungssensor, der sich preiswert aufbauen lässt, insbesondere bei der Verwendung von FR4-Material, und eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Auswertesicherheit bietet. Der erfindungsgemäße Verformungssensor ist insbesondere als Türverformungssensor geeignet.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Verformungssensor, insbesondere Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest einen ersten geometrischen Aufbau (20, 30, 41, 42) aufweist, dessen Verformung eine Resonanzverstimmung verursacht, die zur Erfassung der Verformung herangezogen wird.

2. Verformungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste geometrische Aufbau (20, 30, 41, 42) einen Resonator (20, 30) mit einer Geometrie umfasst, deren Verformung die Resonanzverstimmung hervorruft.

3. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) durch ein dosenförmiges Element gebildet ist.

4. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dosenförmige Element zumindest einen Wandabschnitt (22, 23) aufweist, der bei der Verformung der Geometrie des Resonators (20) gefaltet wird.

5. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wandabschnitt (22, 23) Sollfaltlinien (24) aufweist.

6. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wandabschnitt (22, 23) aus einem metallischem Material gebildet ist.

7. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) zumindest abschnittsweise eine konische Geometrie aufweist.

8. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) eine erste Grundfläche (21) aufweist, auf der Schaltungseinrichtungen (27) angeordnet ist.

9. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) eine einer ersten Grundfläche (21) gegenüberliegende zweite Grundfläche (25) aufweist, an der ein Metallstempel (26) angeordnet ist.

10. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Grundfläche (21, 25) des Resonators (20) aus einem metallischen Material gebildet sind.

11. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsfrequenz f wie folgt bestimmt wird:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante, 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators (20) und ρ'₁₁ beispielsweise 1,841 ist.

12. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste geometrische Aufbau (30) eine erste metallische Fläche (36) und eine zweite metallische Fläche (37) aufweist, die eine Kapazität bilden, wobei eine Verformung eine Kapazitätsänderung hervorruft.

13. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste metallische Fläche (36) zumindest durch Abschnitte einer Tür (35) gebildet ist.

14. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite metallische Fläche (37) Bestandteil einer Schaltung ist, die auf FR4-Material (31) aufgebracht ist.

15. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazitätsänderung direkt und/oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst wird.

16. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zweiten geometrischen Aufbau (20, 30, 41, 42) aufweist, wobei der erste geometrische Aufbau (41) eine Arbeitsfrequenz f1 und der zweite geometrische Aufbau (42) eine Arbeitsfrequenz f2 aufweist.

17. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten geometrischen Aufbau (41) ein erster Oszillator (43) und/oder dem zweiten geometrischen Aufbau (42) ein zweiter Oszillator (44) zugeordnet ist.

18. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel (45) zum Mischen der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 aufweist.

19. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Tiefpassfilter (46) zum Entkoppeln einer durch Mischung der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 erhaltenen Spannung aufweist.

20. Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichneter, dass er eine Auswerteschaltung (47) aufweist, der die tiefpassgefilterte Spannung zugeführt wird.