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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose Detektoreinheit
für einen
Lastaufnehmer und auf einen entsprechenden Lastaufnehmer. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf derartige Lastaufnehmer,
die im Bereich der Insassenerkennung in einem Kraftfahrzeug anwendbar
sind.
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Im
Zusammenhang mit der Ausstattung von Kraftfahrzeugen mit Airbag
und der Steuerung dieser Airbagrückhaltevorrichtungen
in Abhängigkeit
von der Belegung des Beifahrersitzes werden häufig Insassenerkennungsvorrichtungen
eingesetzt, die einen Insassen, der einen Sitz belegt, auf der Grundlage
seines Gewichts erkennt. In Abhängigkeit
von dem erkannten Gewicht kann beispielsweise eine Airbagsteuerung
die Zündung
des Airbags inaktivieren oder es kann überwacht werden, ob ein Insasse vorschriftsmäßig angegurtet
ist.
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Derartige
Insassenerkennungsvorrichtungen benötigen Lastaufnehmer, die in
Abhängigkeit
von dem auf den Sitz wirkenden Gewicht entsprechende elektrische
Ausgangssignale liefern. Dabei können sowohl
Dehnmessstreifen, wie auch verschiedene Drucksensoren zum Einsatz
kommen.
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Eine
berührungslose
Detektoreinheit für
einen derartigen Lastaufnehmer umfasst ein Sensorelement zum Erzeugen
eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines
Indikatorelements mit Bezug auf das Sensorelement, wobei das Sensorsignal
ohne mechanischen Kontakt zwischen Sensorelement und Indikatorelement
zustande kommt. Dabei kommen nach verschiedenen Prinzipien arbeitende
Sensortypen, wie beispielsweise Hallsensoren, aber auch induktive
oder kapazitive Näherungsschalter
in Frage.
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Insbesondere
in Zusammenhang mit einem Einsatz solcher Lastaufnehmer für ein sicherheitsrelevantes
Merkmal wie die Airbagsteuerung eines Kraftfahrzeugs stellt sich
das Problem, dass bekannte Detektoreinheiten für einen Lastaufnehmer entwe der
nicht die ausreichende Präzision
bieten oder aber in ihrer Herstellung zu teuer sind.
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Die
Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht
daher darin, eine Detektoreinheit für einen Lastaufnehmer zu schaffen,
die einerseits optimal kalibrierbar ist und somit eine verbesserte
Genauigkeit liefert, und andererseits auf besonders kostengünstige Weise
herstellbar ist. Darüber hinaus
soll der Gesamtaufbau besonders stabil und robust unter den rauen
Umgebungsbedingungen beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs sein.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand mehrere Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass bei einer berührungslosen
Detektoreinheit für
einen Lastaufnehmer, die ein Sensorelement zum Erzeugen eines Sensorsignals
in Antwort auf eine geometrische Lage eines Indikatorelements mit
Bezug auf das Sensorelement aufweist, das Sensorelement und das
Indikatorelement auf ein und derselben Montageeinheit angeordnet
sind und die Montageeinheit einen flexiblen Bereich aufweist, der
zum Verändern
der geometrischen Lage des Indikatorelements mit Bezug auf das Sensorelement
beweglich oder verformbar ist.
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Auf
diese Weise kann die Montage von Sensorelement und Indikatorelement
auf besonders einfache Weise und mit Zuführung einer minimalen Anzahl
von Einzelteilen durchgeführt
werden. Die erfindungsgemäße Lösung hat
außerdem
den Vorteil, dass Indikatorelement und Sensorelement rüttelfest und
sicher auch bei starken mechanischen und thermischen Beanspruchungen
gehalten sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Indikatorelement
so in einem Indikatorbereich der Montageeinheit gehalten, dass seine
geometrische Lage mit Bezug auf das Sensorelement in einem unbelasteten
Zustand einstellbar ist. Auf diese Weise kann die erforderliche Kalibrierung
in einer Nulllage durchgeführt
werden.
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Eine
besonders elegante Weise, diese Kalibrierung durchzuführen, besteht
darin, dass die Lage des Indikatorelements durch eine Betätigungseinheit veränderbar
ist und die Betätigungseinheit
einen Kontaktbereich zum Bewegen des Indikatorelements aufweist,
dessen Position zum Justieren des Indikatorelements mit Bezug auf
das Sensorelement im unbelasteten Zustand einstellbar ist. Der Kontaktbereich
kann hier beispielsweise durch eine Einstellschraube, z. B. eine
Madenschraube, gebildet sein, die soweit eingeschraubt wird, dass
im unbelasteten Zustand das Indikatorelement eine definierte Nulllage
bezüglich
des Sensorelements einnimmt. Eine solche Schraube erfordert keine
aufwendigen Werkzeuge und stellt ein billiges Standardmontageelement
dar. Um zu verhindern, dass sich im Betrieb die Position der Schraube
ungewollt verändert,
kann sie außerdem
mit Hilfe eines Klebers gesichert werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der flexible Bereich der Montageeinheit
durch ein Folienscharnier gebildet, so dass das Indikatorelement
schwenkbar auf einem nur einseitig fixierten Teil der Montageeinheit montiert
ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass einer Auslenkung durch
die Betätigungseinheit
nur geringfügige
Kräfte
entgegengesetzt werden und der Sensor daher leichter auf eine einwirkende
Last anspricht. Weiterhin sind vergleichsweise große Auslenkungen
möglich.
Für die
Montage des Indikatorelements bietet diese Ausführungsform außerdem den Vorteil,
dass der Indikatorbereich, in welchem das Indikatorelement zu montieren
ist, während
der Montage soweit geschwenkt werden kann, dass eine optimale Zugänglichkeit
für eine
automatisierte Bestückung
mit dem Indikatorelement gewährleistet
ist.
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Um
in diesem Fall den Bereich, in dem das Indikatorelement montiert
ist, mit Bezug auf das Sensorelement zumindest in einer Raumrichtung
zu sichern, kann gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung eine Verrastung vorgesehen sein.
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Alternativ
kann der flexible Bereich durch mindestens einen freigeschnittenen
zweiseitig fixierten federnden Steg gebildet sein. Diese Ausführungsform
hat zum einen Vorteile bezüglich
der Genauigkeit, da bei einem zweiseitig fixierten Steg die Auslenkung
des Indikatorelements exakt parallel zur einwirkenden Kraft durch
die Last erfolgt. Weiterhin ist diese Variante herstellungstechnisch
leichter zu realisieren und bietet eine verbesserte Stabilität gegenüber mechanischen
Beanspruchungen während des
Kraftfahrzeugbetriebs. Aufgrund der federnden Eigenschaften des
Stegs ist außerdem
gewährleistet,
dass das Indikatorelement im unbelasteten Zustand immer wieder in
seine Nulllage zurückkehrt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Sensorelement um
eine Hallsonde, und das Indikatorelement weist einen Permanentmagneten
auf. Die Verwendung eines Hallsensors mit mindestens einem Permanentmagneten
bietet neben den üblichen Vorteilen
berührungsloser
Messeinrichtungen, wie die Verschleißfreiheit, außerdem den
Vorteil einer hohen Messgenauigkeit und einer zuverlässigen,
von Korrosion und anderen Störeinflüssen weitgehend unabhängigen Erfassung
der Position des Indikatorelements. Ein Hallsensor spricht sehr
empfindlich auf Änderungen
des magnetischen Flusses an, so dass bereits kleine Bewegungen des
Indikatorelements erfasst werden können. Die Kennlinie eines Hallsensors,
d. h. die Abhängigkeit
des Sensorsignals von der Lage des Indikatorelements und damit von
der Lage der Betätigungseinheit,
lässt sich
auf einfache Weise durch Anpassung der elektrischen Hallsensorbeschaltung
oder auch durch Programmierung der Auswerteelektronik auf vorgegebene
Wünsche
und Anforderungen anpassen. Der sich mit der Betätigungseinheit mit bewegende
Permanentmagnet dient dabei als Indikatorelement, und ein ortsfest montierter
Hallsensor wird durch die Änderung
des magnetischen Flusses in seinem Umfeld beeinflusst und ändert daher
sein Ausgangssignal.
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Alternativ
zu dieser Anordnung kann selbstverständlich auch als Sensorelement
ein induktiver Näherungssensor
(Wirbelstromsensor) verwendet werden, der durch eine verschiebliche
metallische Platte beeinflusst wird. Schließlich sind auch Systeme denkbar,
die auf kapazitiver oder optischer Basis arbeiten.
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Setzt
man zum elektrischen Kontaktieren des Sensorelements einen flexiblen
Schaltungsträger
mit elektrisch leitenden Leiterbahnen ein, so bietet dies den Vorteil,
dass bei geringstmöglichstem Platzbedarf
eine zuverlässige
und robuste elektrische Kontaktierung sichergestellt werden kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit,
auf diesem Schaltungsträger
auch Teile der Ansteuerelektronik für die Detektoreinheit auszulagern,
um die zentralen Prozessoreinheiten von sensorspezifischen Aufgaben zu
entlasten.
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Sieht
man zum Anschluss der Detektoreinheit an äußere Anschlüsse einen Steckverbinder vor, so
kann eine möglichst
weitgehende Flexibilität
und Austauschbarkeit der einzelnen Komponenten erreicht werden.
Im Reparaturfall kann der Lastaufnehmer ausgetauscht werden, ohne
Eingriffe an der Verkabelung vornehmen zu müssen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lastaufnehmers ist die
Betätigungseinheit
Teil eines Gehäuses,
in welchem die Montageeinheit wenigstens teilweise aufgenommen ist.
Beispielsweise kann die Betätigungseinheit
durch eine deformierbare Platte gebildet sein, deren Mitte durch
Einwirkung einer Last ausgelenkt wird und über einen Kontaktbereich diese
Auslenkung auf das Indikatorelement überträgt.
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Die
vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Detektoreinheit und des
Lastaufnehmers kommen besonders dann zum Tragen, wenn die Betätigungseinheit
mit einem Kraftfahrzeugsitz verbindbar ist und das Sensorsignal
so ausgelegt ist, dass es ein Airbagsystem in Abhängigkeit
von einer Belastung des Kraftfahrzeugsitzes schaltet. Selbstverständlich können aber
auch andere Fahrzeugfunktionen in Abhängigkeit von der Sitzbelegung
geschaltet werden. Weiterhin ist für den Fachmann klar, dass die
erfindungsgemäße Detektoreinheit
und der Lastaufnehmer auch in anderen Bereichen, beispielsweise
der Wägetechnik,
eingesetzt werden können.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen
wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende
Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische, explodierte Darstellung eines Lastaufnehmers gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 einen
Schnitt durch den Lastaufnehmer der 1;
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3 eine
Detektoreinheit gemäß der ersten Ausführungsform
im endgültig
montierten Zustand;
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4 die
Detektoreinheit aus 3 bei der Vormontage;
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5 eine
perspektivische Darstellung eines Lastaufnehmers gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführungsform
während
der Montage der elektrischen Anschlüsse;
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6 die
Anordnung aus 4 im zusammengebauten Zustand;
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7 eine
perspektivische Darstellung einer Detektoreinheit gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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8 eine
gedrehte perspektivische Darstellung der Detektoreinheit aus 7;
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9 einen
Schnitt durch die Detektoreinheit der 8 entlang
der Schnittlinie A-A aus 10;
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10 eine
Seitenansicht der Detektoreinheit aus 8;
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11 eine
Ansicht von oben auf die Detektoreinheit der 8.
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1 zeigt
in einer perspektivischen, explodierten Darstellung eine erste vorteilhafte
Ausführungsform
eines Lastaufnehmers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Lastaufnehmer arbeitet nach dem Prinzip, dass auf die Betätigungseinheit 102 eine
Kraft in Richtung 104 durch eine Last einwirkt. Dadurch
deformiert sich die Betätigungseinheit 102,
wie dies in der Zusammenschau mit 2 deutlich
wird, und ein Indikatorelement 106 wird mit Bezug auf ein
Sensorelement 108 in seiner geometrischen Lage in Richtung 110 verschoben.
Bei der gezeigten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Indikatorelement 106 um einen Permanentmagneten, dessen
Magnetfeld von einem Hallelement, das als Sensorelement 108 fungiert,
erfasst wird.
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Erfindungsgemäß sind das
Sensorelement 108 und das Indikatorelement 106 an
einer Montageeinheit 112 montiert. Diese Montageeinheit 112 weist einen
flexiblen Bereich 114 auf, der es ermöglicht, dass das Sensorelement 108 und
das Indikatorelement 106 auf einem einteilig gearbeiteten
Montageteil aufgebaut sind und dennoch das Indikatorelement mit
Bezug auf das Sensorelement beweglich ist. In der hier gezeigten
Ausführungsform
ist das Indikatorelement am Ende eines einseitig eingespannten Kragbalkens,
beispielsweise mittels eines flexiblen Filmscharniers angebracht.
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Wie
noch aus der 2 deutlich wird, wird eine Madenschraube 116,
die als Einstellschraube an der Betätigungseinheit 102 vorgesehen
ist, dazu verwendet, die Position des Indikatorelements 106 mit
Bezug auf das Sensorelement 108 im unbelasteten Zustand
der Anordnung zu kalibrieren. Gibt man einen Klebertropfen 118 in
das Gewinde der Madenschraube 116, so kann nach Aushärten des
Klebers die kalibrierte Stellung sicher gehalten werden.
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Die
Detektoreinheit 120 umfasst neben der bestückten Montageeinheit
außerdem
eine flexible Folie 122 zum elektrischen Kontaktieren des
Sensorelements 108.
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In
der gezeigten Ausführungsform
bildet die Betätigungseinheit 102 zusammen
mit einer Halterung 124 ein im Wesentlichen geschlossenes
Gehäuse
für den
Lastaufnehmer 100. Die elektrischen Anschlüsse der
flexiblen Folie 122 werden mit einem entsprechenden Steckkragen
als Steckverbinder 126 verbunden und über Öffnungen 128 abgedichtet durch
die Halterung 124 nach außen geführt. Der Steckverbin der 126 kann
dabei an die jeweiligen Erfordernisse für den elektrischen Anschluss
des Sensorelements 108 angepasst werden.
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Wie
noch mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren deutlich wird, wird
in die Betätigungseinheit 102 die
Madenschraube 116 so eingeschraubt, dass sie in direkten
mechanischen Kontakt mit einer Betätigungsfläche 130 an der Montageeinheit 112 kommt. Die
Madenschraube 116 bildet damit die Kontaktfläche 132 und
kann dazu verwendet werden, die Position des Indikatorelements 106 im
unbelasteten Zustand in die Nulllage zu justieren.
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Ein
Schnitt durch den in 1 gezeigten Lastaufnehmer ist
in 2 dargestellt. Die Montageeinheit 112 wird
in Richtung 110 in die Halterung 124 eingelegt.
Die beispielsweise aus Metall gefertigte Halterung 124 und
das ebenfalls aus Metall herstellbare Betätigungselement 102 bilden
ein robustes und abschirmendes Gehäuse für den Lastaufnehmer 100.
Dabei ist an der Betätigungseinheit 102 umlaufend
ein deformierbarer Bereich 134 mit verringerter Dicke angebracht,
der es erlaubt, dass bei Krafteinwirkung in Richtung 104 die
Kontaktfläche 132 der Madenschraube 116 mit
der Betätigungsfläche 130 der
Montageeinheit 112 in Berührung kommt.
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Das
Sensorelement 108 und das Indikatorelement 106 sind
beide in der Montageeinheit 112 gehalten, wobei der flexible
Bereich 114 die Auslenkung des Indikatorelements 106 mit
Bezug auf das Sensorelement 108 erlaubt, wenn Krafteinwirkung
in Richtung 104 auf den Lastaufnehmer 100 auftritt.
Erfindungsgemäß kann für einen
Ausgleich von Montageluft und Toleranzen eine Kalibrierung der Nulllage
des Indikatorelements 106 mit Bezug auf das Sensorelement 108 über die
Einstellschraube 116 erfolgen. Dies geschieht, nachdem
das Sensorelement 108 mit Hilfe der flexiblen Folie 122 an
den Steckverbinder 126 angeschlossen wurde, damit das Ausgangssignal
des Sensorelements 108, hier eines Hallsensors, für den Kalibriervorgang
ausgewertet werden kann.
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3 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung die Montageeinheit 112 gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform.
Erfindungsgemäß befinden
sich das Sensorelement 108 und das Indikatorelement 106 beide
auf der einteilig hergestellten Montageeinheit 112. Das
Indikatorelement ist mittels des flexiblen Bereichs 114 mit
Bezug auf das Sensorelement 108 beweglich gelagert. Bei
Einwirkung einer Druckkraft in Richtung 104 auf die Betätigungsfläche 130 bewegt
sich auch das Indikatorelement in Richtung 104 und ein
entsprechendes Sensorsignal wird von dem Sensorelement 108 erzeugt. Lässt die
Druckkraft in Richtung 104 wieder nach, so bewirken die
Federkräfte
des flexiblen Bereichs 114 eine Rückkehr des Indikatorelements 116 in
die Nulllage mit Bezug auf das Sensorelement 108. Für die Führung des
Indikatorelements sind an der Montageeinheit 112 Rasthaken 136 vorgesehen.
Eine Kodierung 138 stellt die ordnungsgemäße Positionierung der
Montageeinheit 112 in der Halterung 124 bei der Montage
sicher. Die Aussparung 140 erlaubt die Montage des hier
nicht dargestellten Steckverbinders 126.
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4 zeigt
die Anordnung der 3 während der Montage des Indikatorelements 106,
hier eines Permanentmagneten, und des Sensorelements 118.
Für die
Montage dieser beiden Elemente kann gemäß der hier gezeigten Aufführungsform
der Indikatorbereich 142 der Montageeinheit 112,
in dem der Magnet 106 montiert werden soll, um im Wesentlichen
90° zurückgebogen
werden, so dass der Magnet 106 in Richtung 104 eingelegt
werden kann und beispielsweise über
eine Verklebung an der Montageeinheit 112 gesichert werden
kann. Der flexible Bereich 114 weist hierfür genügend Elastizität auf, indem
er beispielsweise als flexibles Filmscharnier ausgebildet ist.
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Das
Sensorelement 108 wird von hinten durch ein Fenster 143 eingelegt.
Alternativ kann das Sensorelement 108 auch mit seiner Rückseite
an dem Sensorbereich 146 der Montageeinheit 112 angeklebt
sein.
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Nach
der Montage des Magneten kann der Indikatorbereich 142 der
Montageeinheit 112 wieder in die Ruhelage, die in 3 gezeigt
ist, geklappt werden und über
die Rasthaken 136 in dieser Stellung gesichert werden.
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Der
Einbau und die elektrische Kontaktierung des Lastaufnehmers 100 gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird im folgenden mit Bezug auf die 5 und 6 näher erläutert.
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Zunächst werden
das Sensorelement 108 und der Permanentmagnet 106 wie
oben beschrieben auf der Montageeinheit 112 montiert. Das
Sensorelement 108 wird mittels einer flexiblen Leiterplatte und
der darin eingebetteten Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Eine
Zugentlastung 144 verhindert, dass die flexible Leiterplatte 122 unbeabsichtigt
von dem Sensorelement 108 losgelöst wird. In der gezeigten Ausführungsform
wird die flexible Leiterplatte 122 durch eine Öffnung 128 an
der Halterung 124 nach außen geführt und erst außen mit
dem Steckverbinder 126 kontaktiert.
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Bei
allen bisher gezeigten Ausführungsformen
ist der Indikatorbereich 142, an dem das Indikatorelement 106 fixiert
ist, nur einseitig über
den flexiblen Bereich 114 mit der übrigen Montageeinheit 112 mechanisch
verbunden. Das bedeutet, dass sich das Indikatorelement 106 bei
Auslenkung durch Krafteinwirkung im Wesentlichen auf einer Kreisbahn
bewegt, deren Mittelpunkt durch das flexible Filmscharnier 114 definiert
ist. Bei starken Auslenkungen durch Druckkraft in Richtung 104 kann
es also zu Nichtlinearitäten
kommen, die sich möglicherweise
störend auf
die Kennlinie des Lastaufnehmers 100 auswirken. Darüber hinaus
ist die Herstellung einer Montageeinheit 112 gemäß der in
den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsformen
vergleichsweise aufwendig.
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Diese
Nachteile kann die nachfolgend mit Bezug auf die 7 bis 11 beschriebene
alternative Ausführungsform überwinden.
Dabei ist der Indikatorbereich 142, in dem das Indikatorelement 106 montiert
wird, über
zwei flexible Stege 114, 115 mit der übrigen Montageeinheit 112 verbunden.
Bei Krafteinwirkung in Richtung 104 werden die flexiblen Bereiche 114, 115 auf
Dehnung beansprucht und es ergibt sich eine Auslenkung des Indikatorelements exakt
parallel zu der Richtung der Krafteinwirkung. Die hier gezeigte
Konstruktion lässt
sich darüber
hinaus einfacher herstellen.
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Die
Montage sowohl des Sensorelementes 108 wie auch des Permanentmagneten 106 erfolgt, wie
aus der 9 ersichtlich, jeweils von hinten durch
entsprechende Öffnungen
in dem Indikatorbereich 142 und dem entsprechenden Sensorbereich 146.
Wie aus 9 weiterhin ersichtlich, ist
der Sensorbereich über
einen entsprechenden Vorsprung 148 in direktem mechanischem
Kontakt zu der Halterung 124 und ermöglicht so eine maximale Stabilität der geometrischen
Position des Sensorelements 108.
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Der
erfindungsgemäße Lastaufnehmer 100 ermöglicht somit
eine herstellungstechnisch einfache Realisierung beispielsweise
eines Sitzlastsensors, der exakt justierbar und auch bei mechanischen
und thermischen Belastungen robust und sicher betreibbar ist. Selbstverständlich können die
erfindungsgemäßen Prinzipien
aber auch für
die verschiedensten anderen Anwendungsbereiche, in denen Lastaufnehmer
benötigt
werden, eingesetzt werden.