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Die
Erfindung betrifft einen Kraftsensor, der zum Erfassen einer Kraft
geeignet ist, die verteilt über einen
größeren geometrischen
Bereich auf ihn einwirken kann. Derartige Kraftsensoren können beispielsweise
eingesetzt in einer Einklemm-Schutz-Vorrichtung von Fenstern von
Fahrzeugen oder Drehtüren
sein, in Vorrichtungen zur Fahrzeug-Insassenerkennung oder auch in Form
von Trittmatten zum Objekt-Schutz. Zukünftig werden derartige Kraftsensoren
auch vermehr als Anprallsensoren in Fußgänger-Schutz-Systemen vor Fahrzeugen
eingesetzt werden.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass ein hoher Anteil an Todesfällen im Straßenverkehr
Fußgänger betrifft.
Aus diesem Grund sind Gesetzgebungsinitiativen im Gange, die zum
Ziel haben, dass Vorrichtungen zum Schutz von Fußgängern im Falle einer Kollision
mit einem Fahrzeug in modernen Kraftfahrzeugen verpflichtend vorgesehen
sind.
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Ein
besonders hohes Verletzungsrisiko für einen Fußgänger stellt im Falle einer
Kollision mit einem Fahrzeug ein sehr geringer Abstand zwischen einer
typischerweise leicht verformbaren Motorhaube und einem starren
Motorblock dar. Die Anordnung von immer mehr elektronischen Komponenten
im Bereich des Motorraums und sehr kompakt ausgebildete Fahrzeuge
haben zur Folge, dass der Motorraum dicht bepackt ist mit sehr starren
Körpern.
Im Falle einer Kollision mit einem Fußgänger besteht somit die hohe
Gefahr von starken Kopfverletzungen, falls dieser mit seinem Kopf
auf die Motorhaube auf prallt und somit auch in Kontakt kommt mit
den unter der Motorhaube befindlichen Komponenten.
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Ein
ausreichend großer
Abstand zwischen der Motorhaube und den darunter angeordneten Motorkomponenten
von beispielsweise über
10 cm kann hingegen das Verletzungsrisiko stark verringern, da die
Motorhaube durch die Verformung ausreichend viel Energie aufnehmen
kann und den Fußgänger so vergleichsweise
sanft abbremsen kann.
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Um
die Sicherheit für
Fußgänger im
Straßenverkehr
zu erhöhen,
hat sich beispielsweise die Vereinigung der Europäischen Automobilhersteller (ACEA)
gegenüber
den Behörden
der Europäischen Union
verpflichtet, durch Maßnahmen
im Fahrzeugbereich die Anzahl der Verkehrstoten im Bereich der Fußgänger bis
zum Jahr 2010 zu halbieren. Eine Maßnahme hierfür ist die
Konstruktion von Fahrzeugen mit entsprechend beabstandeten Motorhauben. Aufgrund
der geforderten Kompaktheit von Fahrzeugen ist dies jedoch häufig nicht
möglich.
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Zum
Sicherstellen einer ausreichenden Dämpfung im Falle einer Kollision
mit einem Fußgänger ist
vorgeschlagen worden, im Falle eines erkannten Anpralls einer Person
an das Fahrzeug die Motorhaube um mehr als 10 cm von ihrer Schließposition anzuheben,
um so einen ausreichenden Verformungsbereich zu schaffen. Eine große Herausforderung
für derartige
Sicherheitssysteme ist die Notwendigkeit, dass sie einerseits zuverlässig sind,
aber auch sehr kostengünstig
sind.
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Als
Aktuator zum Anheben der Motorhaube ist beispielsweise aus einem
Artikel der Fachzeitschrift "Automototive
Engineer", April
2004, Seite 48 ff., bekannt, einen federbasierten Aktuator vorzusehen,
dessen Feder vorgespannt ist und im Falle einer erkannten Kollision
freigegeben wird, mit der Folge, dass die Motorhaube entsprechend
angehoben wird. Darüber
hinaus sind jedoch auch aus dem oben genannten Artikel auch pyrotechnische
Aktuatoren bekannt.
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Aus
der
DE 100 23 588
A1 ist ein Intrusionssensor zum Erfassen einer Unfallschwere
bei einem Fahrzeug bekannt. Der Intrusionssensor umfasst eine erste
und eine zweite Lichtleiteranordnung. Die Lichtleiteranordnungen
bestehen aus jeweils einem Glasfaserkabel, welches eine Ummantelung
aus einem harten Kunststoff aufweist, einem lichtemittierenden Element
und einem lichtaufnehmenden Element. Die Lichtleiteranordnungen
sind axial beabstandet parallel zueinander angeordnet, wobei der Zwischenraum
zwischen den Lichtleiteranordnungen mit einem Schaumstoff gefüllt ist.
Die Ummantelungen der Lichtleiteranordnungen sind mit einem gezackten
Innenprofil versehen, das sicherstellen soll, dass das Glasfaserkabel
bei einem Zusammendrücken
der Umhüllung
sofort wellig wird und das Licht in der lichtführenden Glasfaser in die Umgebung
ausgestreut wird.
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Ferner
ist in der
DE 100
23 588 A1 eine alternative Ausgestaltung des Intrusionssensors
offenbart, bei der die lichtführende
Glasfaser mit einer zusätzlichen
Glasfaser umwickelt ist, welche einen deutlich geringeren Durchmesser
als die lichtführende
Glasfaser aufweist. Diese zusätzliche
Glasfaser soll die Wirkung haben, dass bei einem Zusammendrücken der
Umhüllung
die lichtführende
Glasfaser sofort wellig wird und das Licht der lichtführenden Glasfaser
in die Umgebung ausgestreut wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftsensor zu schaffen, der
einfach ist und vielseitig einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch einen Kraftsensor, der einen elastisch
verformbaren Trägerkörper und
einen Lichtwellenleiter hat, der spiralförmig angeordnet ist und entlang
eines Bereichs der spiralförmigen
Anordnung mit dem Trägerkörper gekoppelt
ist. Er ist insbesondere fest mit dem Trägerkörper gekoppelt. Der Erfindung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Einwirken einer bilateralen Kraft
auf sowohl dem Trägerkörper als
auch dann dem Lichtwellenleiter sich die Krümmung des Lichtwellenleiters ändert, was
wiederum zu einer Änderung
der optischen Dämpfung
des Lichtwellenleiters führt
und somit messtechnisch erfasst werden kann. Durch die Ganghöhe der spiralförmigen Anordnung des
Lichtwellenleiters, also dem axialen Abstand zweier benachbarter
Windungen der Spirale, kann eine minimale und eine maximale Biegung
des Lichtwellenleiters so bemessen werden, dass in dem zu erfassenden
Kraftbereich sich der Lichtwellenleiter in einem dynamischen Dämpfungsbereich
befindet und zum anderen der minimal zulässige Biegungsradius des Lichtwellenleiters
nicht unterschritten wird. Durch den Trägerkörper kann einfach erreicht
werden, dass der Lichtwellenleiter nur senkrecht zu der Längsachse
der spiralförmigen
Wicklung zusammengedrückt werden
kann. So können
preisgünstige
Standard-Lichtwellenleiter
eingesetzt werden und es ist keine spezielle Nachbehandlung, wie
zum Beispiel eine Aufrauung der Oberfläche der Lichtwellenleiter, notwendig.
Ferner weist der Kraftsensor eine axial symmetrische Empfindlichkeit
auf, und zwar zu der Längsachse
der Spirale des Lichtwellenleiters, mit der Folge, dass der Sensor
sehr einfach eingebaut werden kann.
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Darüber hinaus
kann die Empfindlichkeit und Dynamik des Kraftsensors einfach durch
die geeignete Anpassung der Spiral-Geometrie des Lichtwellenleiters
oder der Eigenschaften des Trägerkörpers eingestellt
werden. Ferner ist der Kraftsensor auch für gekrümmte Sensierungs-Linien geeignet.
Zusätlich
kann seine Empfindlichkeit räumlich
unterschiedlich ausgebildet werden durch zum Beispiel geeignete
Anpassung der Ganghöhe
oder auch des Materials des Trägerkörpers. Darüber hinaus
ist der Kraftsensor unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftsensors ist der Trägerkörper zylinderförmig und der
Lichtwellenleiter ist spiralförmig
um den Trägerkörper gewickelt
oder in den Trägerkörper eingebettet.
So kann der Kraftsensor besonders einfach hergestellt werden und
der Trägerkörper kann
zusätzlich als
Wickelmedium eingesetzt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftsensors hat
der Trägerkörper eine
zylinderförmige
Ausnehmung, an deren Wandung der Lichtwellenleiter spiralförmig anliegt
oder in dem an die Wandung angrenzenden Bereich des Trägerkörpers der
Lichtwellenleiter spiralförmig
eingebettet ist. Der Trägerkörper kann
so zusätzlich
eine Schutzfunktion für
den Lichtwellenleiter gegenüber
mechanischen Beschädigungen übernehmen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Trägerkörper ein Schlauch.
So ist der Trägerkörper besonders
kostengünstig
und es ergibt sich ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen
der auf den Lichtwellenleiter ausgeübten Kraft und einem Messsignal
des Lichtwellenleiters.
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Wenn
der Trägerkörper hingegen
keine Ausnehmung hat, die mit Gas, so insbesondere Luft, befüllt ist
hat dies demgegenüber
den Vorteil, dass das Messsignal unabhängig ist von dem Gasdruck und die Übertragungscharakteristik
der Kraft auf das Messsignal des Lichtwellenleiters einen größeren Dynamikbereich
abdeckt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
der Trägerkörper Schaumstoff.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der
Trägerkörper ein
Kernmaterial mit hoher Steifigkeit. So kann einfach zusätzlich die Dynamik
des Messsignals und des maximalen Biegungsradius in dem relevanten
Kraftmessbereich eingestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftsensors ist der Lichtwellenleiter
bifilar spiralförmig
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Lichteinkopplung einfach
benachbart zu der Lichtauskopplung erfolgen kann und somit keine
externe Lichtrückführung notwendig
ist und eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger kompakt zueinander angeordnet
sein können.
Darüber
hinaus kann so auch die Empfindlichkeit des Kraftsensors erhöht werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn der Kraftsensor als Anprallsensor
zum Erfassen einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem Hindernis
eingesetzt ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Fahrzeug mit einem Kraftsensor,
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2a und 2b einen
Querschnitt und einen Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform des
Kraftsensors in einem entspannten Zustand,
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3a und 3b die
erste Ausführungsform
des Kraftsensors in einem mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagten
Zustand,
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4 eine
zweite Ausführungsform
des Kraftsensors,
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5 eine
dritte Ausführungsform
des Kraftsensors,
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6a und 6b einen
Querschnitt und einen Längsschnitt
durch eine vierte Ausführungsform des
Kraftsensors und
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7 einen
Längsschnitt
durch eine fünfte Ausführungsform
des Kraftsensors.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Fahrzeug 1 (1) hat einen Stoßfänger 3.
Das Fahrzeug bewegt sich in einer mit einem Pfeil V gekennzeichneten
Richtung auf ein Hindernis 5 zu, das insbesondere ein Fußgänger ist.
Das Fahrzeug umfasst einen Anprallsensor 9, der in dem Stoßfänger 3 angeordnet
ist. Der Anprallsensor 9 ist bevorzugt in einer Nut des
Stoßfängers angeordnet
und zwar so, dass er deformiert wird, wenn das Hindernis 5 auf
den Stoßfänger 3 trifft.
Der Anprallsensor erstreckt sich so bevorzugt entlang der gesamten
Breite des Fahrzeugs in dem Stoßfänger 3.
Ferner ist dem Anprallsensor 9 eine Auswerteeinheit zugeordnet,
die zum einen ausgebildet ist zum Erzeugen entsprechender Stellsignale
für den
Anprallsensor 9 und zum anderen ausgebildet ist zum Auswerten
der Messsignale des Anprallsensors 9.
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Eine
erste Ausführungsform
des Anprallsensors 9 ist anhand der 2a und 2b dargestellt. 2a zeigt
einen Querschnitt durch den Anprallsensor 9. 2b zeigt
einen Längsschnitt
durch den Anprallsensor 9. Der Anprallsensor 9 umfasst
einen Schlauch 11, um den spiralförmig ein Lichtwellenleiter 13 gewickelt
ist. Eine Ganghöhe
GS der Spirale des Lichtwellenleiters 13 kann einfach an
eine gewünschte
Dynamik des Messsignals des Lichtwellenleiters oder auch an einen
minimal zulässigen
Krümmungsradius
des Lichtwellenleiters angepasst werden. Der Lichtwellenleiter kann
beispielsweise ein Glasfaserkabel sein. Der Schlauch 11 besteht
bevorzugt aus Gummi oder einem anderen geeigneten elastischen Material.
Durch die Geometrie des Schlauches 11, also beispielsweise
seine Wanddicke und durch die Materialeigenschaften des Schlauchs 11 kann
die Empfindlichkeit und Dynamik des Kraftsensors auf Änderungen
der auf ihn einwirkenden Kraft sehr einfach eingestellt werden.
Bevorzugt ist der Schlauch 11 aus Gummi hergestellt.
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Dem
Anprallsensor ist ferner ein lichtemittierendes Element zugeordnet, über das
Licht an einer Einkoppelstelle 15 eingekoppelt wird. Ferner
ist ein lichtaufnehmendes Element vorge sehen, das das Licht aufnimmt,
das an einer Auskoppelstelle 17 des Lichtwellenleiters 13 austritt,
und ein entsprechendes Messsignal erzeugt. Das lichtemittierende
Element kann beispielsweise eine Leuchtdiode sein. Das lichtaufnehmende
Element kann beispielsweise eine Photodiode sein.
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In
den 3a und 3b sind
entsprechende Schnitte zu den 2a und 2b unter
Einwirken einer Kraft dargestellt, die charakteristisch ist für die Kollision
mit dem Hindernis 5. Durch diese Kraft verformt sich der
Sensor wie in den 3a und 3b dargestellt.
Durch die Verformung ändert
sich die Krümmung
des Lichtwellenleiters. Dies führt
zu einem geänderten
Dämpfungsverhalten,
da in den Bereichen mit einem sehr kleinen Krümmungsradius der Brechungswinkel
größer ist
als der maximale Winkel für
totale Reflektion des eingekoppelten Lichts und somit Licht aus
dem Lichtwellenleiter 13 entweicht. Dies hat eine Dämpfung des
eingekoppelten Lichts zur Folge.
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In
der Auswerteeinheit 7 wird abhängig von dem eingekoppelten
und dem ausgekoppelten Licht die Lichtdämpfung ermittelt. Wenn die
Lichtdämpfung einen
vorgebbaren Schwellenwert überschreitet,
wird in der Auswerteeinheit auf eine Kollision mit dem Hindernis 5 erkannt.
Abhängig
von der Dämpfung
können
auch weitere Größen abgeleitet
werden, wie die Kraft, die auf dem Kraftsensor einwirkt.
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Eine
zweite Ausführungsform
des Kraftsensors (4) umfasst einen als Vollzylinder 19 ausgebildeten
Trägerkörper. Der
Vollzylinder 19 ist bevorzugt aus Vollgummi oder einem
Schaumstoff hergestellt.
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In
einer dritten Ausführungsform
des Kraftsensors (5) umfasst der als Schlauch 11 ausgebildete
Trägerkörper ein
Kernmaterial 21 hoher Steifigkeit. Die Steifigkeit des
Kernmaterials ist dabei bevorzugt so gewählt, dass es sich in dem gewünschten
Kraftmessbereich des Kraftsensors im wesentlichen nicht deformiert.
Es kann so zur weiteren Einstellung der gewünschten Messsignaldynamik und des
minimal zulässigen
Biegungsradius des Lichtwellenleiters 13 eingesetzt werden.
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In
einer vierten Ausführungsform
des Kraftsensors (6a und 6b) hat
der als Schlauch 11 ausgebildete Trägerkörper eine zylinderförmige Ausnehmung 23,
an deren Wandung, der Lichtwellenleiter 13 spiralförmig anliegt.
Er kann auch in dem an die Wandung angrenzenden Bereich des Trägerkörpers spiralförmig eingebettet
sein. Der Schlauch 11 übernimmt
so auch eine Schutzfunktion für
den Lichtwellenleiter 13.
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Bei
einer fünften
Ausführungsform
des Kraftsensors ist der Lichtwellenleiter 13 in Form einer
bifilaren Wicklung um den Schlauch 11 gewickelt. Dabei kann
der Lichtwellenleiter 13 auch mehrfach hin- und hergewickelt
sein.
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Auch
alle anderen Ausführungsformen
können
einen bifilar gewickelten Lichtwellenleiter 13 aufweisen.
Ferner ist auch eine Kombination der zweiten oder dritten Ausführungsform
mit der vierten Ausführungsform
möglich.
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Der
Kraftsensor ist beispielhaft für
eine Anwendung als Anprallsensor 9 beschrieben. Er kann jedoch
auch eingesetzt werden beispielsweise zum Erfassen eines Hindernisses
bei Fenstern eines Kraftfahrzeugs oder bei Drehtüren für ein Einklemm-Schutzsystem.
Er kann ferner beispielsweise eingesetzt werden für eine Fahrzeug-Insassenerkennung,
also bei spielsweise als Drucksensor in einer Sitzfläche eines
Autositzes. Ferner kann er auch eingesetzt werden für einen
Objektschutz, so zum Beispiel in Form einer Trittmatte. Darüber hinaus
kann er beispielsweise auch als Deformations-Sensor in einem deformierbaren
Körper
eingesetzt werden. In diesem Fall ist bevorzugt der Trägerkörper aus
dem gleichen Material wie das, in welchem der Deformations-Sensor
platziert werden soll. Dadurch erhält man bei Vernachlässigung
der Lichtwellenleiter-Elastizität eine
optimale Anpassung an das Material, dessen Deformation erfasst werden
soll, und es ist so beispielsweise eine temperaturunabhängige Deformationsmessung
in Schaumstoffen einfach möglich.
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Ferner
ist der Kraftsensor bevorzugt noch mit einer Außenhülle versehen, die beispielsweise
aus Gummi oder Silikon ausgebildet ist und einen Schutz vor Schmutz,
Nässe,
Fremdlicht und vor Zerstörung des
Sensors bietet.