DE102006004876A1

DE102006004876A1 - Körperschallsensorik

Info

Publication number: DE102006004876A1
Application number: DE200610004876
Authority: DE
Inventors: Ralf Henn; Oliver Schatz; Holger Wolfmayr; Andreas Wienss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Es wird eine Körperschallsensorik mit wenigstens einem Dehnungsmessstreifen (1) zur Erfassung des Körperschalls vorgeschlagen. Die Körperschallsensorik wird zur Aufprallsensierung verwendet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Körperschallsensorik nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus DE 101 41 886 A1 ist es bereits bekannt, zur Aufprallerkennung einen Körperschallsensor zu verwenden. Auch die DE 40 34 975 A1 nennt die Auswertung des Körperschallsignals mittels eines Beschleunigungssensors. Dabei ist eine Filterschaltung vorgesehen, die spezielle Frequenzkomponenten des Beschleunigungssignals ausgibt. Aus US-5,431,441 A ist eine Steuersystem für ein Sicherheitssystem eines Fahrzeugs bekannt, bei dem aus einem Beschleunigungssignal aus einem ersten bandpassgefilterten Signal ein Ansteuersignal für das Sicherheitssystem gewonnen wird, wobei dieses Ansteuersignal zusätzlich in Abhängigkeit von einem zweiten bandpassgefilterten Signal aus dem Beschleunigungssignal gebildet wird. Das erste Signal wird bei niedrigeren Frequenzen gewonnen als das zweite Signal.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Körperschallsensorik mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr wenigstens ein Dehnmessstreifen zur Erfassung des Körperschalls verwendet wird, um einen Aufprall in einem Fahrzeug zu sensieren. Ein Dehnmessstreifen ermöglicht eine günstige Realisierung, wobei sowohl Größe als auch Herstellung des Dehnmessstreifen äußerst vorteilhaft sind. Beim Einsatz von Dehnmessstreifen kann auf einen breiten Erfahrungsschatz zurückgegriffen werden, und die Montage der Dehnmessstreifen ist sehr einfach. Im Übrigen ist der Dehnmessstreifen bezüglich seiner Materialien für den Einsatz in der Fahrzeugtechnik unproblematisch.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Körperschallsensorik möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Dehnmessstreifen mit einer Auswerteschaltung in einem Gehäuse eingebaut ist und der Gehäuseboden dabei zumindest teilweise elastisch ausgeführt ist, so dass über dem Gehäuseboden eine Längenänderung, die über mindestens eine Befestigung des Gehäuses eingekoppelt wird, an den wenigstens einen Dehnmessstreifen übertragen wird. Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine zuverlässige Auswertung von Körperschallsignalen.

Weiterhin ist es möglich, dass der Dehnmessstreifen zumindest teilweise aus Silizium besteht. Damit ist es möglich, die für die Massenfertigung geeigneten Verfahren der Halbleitertechnologie einzusetzen. Insbesondere ist es dabei möglich, dass der Dehnmessstreifen aufgeglast ist, d.h. dass der Dehnmessstreifen auf eine Trägerstruktur übertragen und beispielsweise mit einem Glaskleber fixiert wird. Außerdem kann der Dehnmessstreifen in dieser Ausführungsform aus Silizium freitragend sein. Die geometriebedingte Elastizität einer freitragenden Struktur kann vorteilhaft sein, um beispielsweise die Bruchgefahr, die von thermischen Ausdehnungen ausgeht, zu minimieren. Durch den Einsatz von Silizium ist es dann vorteilhafter Weise möglich, eine kompakte Ausführung des Dehnmessstreifens und der Auswerteschaltung auf einem Chip vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Körperschallsensorik kann mit einem Prozessor eines Personenschutzsystems gekoppelt werden, so dass der Prozessor in Abhängigkeit von einem Signal der Körperschallsensorik das Personenschutzsystem ansteuert. Das Körperschallsignal wird entweder allein oder neben anderen Sensorsignalen in einem Auslösealgorithmus zur Ansteuerung des Personenschutzsystems, wie Airbags, Gurtstraffer oder andere Schutzmittel, verwendet.

Die erfindungsgemäße Körperschallsensorik kann vorteilhafter Weise in der Fahrzeugfront oder an Seitenteilen eines Fahrzeugs eingebaut sein, insbesondere an Querträgern, die dort zu finden sind. Insbesondere ist auch ein Einbau im Stoßfänger und/oder in den Seitenteilen möglich.

Vorteilhafter Weise kann die Körperschallsensorik jedoch auch zentral in einem Steuergerät, beispielsweise in dem Steuergerät zur Ansteuerung der Personenschutzmittel selbst angeordnet sein und dort die Körperschallsignale empfangen. Die Körperschallsensorik muss aber nicht notwendigerweise im Steuergerät angeordnet sein. Es ist auch möglich, die Körperschallsensorik zentral ausgelagert vom Steuergerät anzuordnen.

Es ist auch von Vorteil, dass die Auswerteschaltung das Signal der Körperschallsensorik einer Bandpassfilterung eine Absolutwertbildung und eine Tiefpassfilterung unterzieht.

Es kann auch der frequenzaufgelöste zeitliche Verlauf der Schallgröße, beispielsweise die Schallintensität ausgewertet werden.

Die Körperschallsensorik kann zur Erfassung von Körperschall in einem Frequenzbereich von 500Hz–20kHz konfiguriert sein.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen 1 eine erste Ausführungsform der Körperschallsensorik, 2 eine zweite Ausführungsform der Körperschallsensorik, 3 die Körperschallsensorik als Teil eines Personenschutzsystems, 4 verschiedene Einbauorte der Körperschallsensorik und 5 ein Blockdiagramm.

Beschreibung

Körperschall kann bei einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem anderem Objekt zur Auslösung geeigneter Schutzmaßnahmen verwendet werden. Dazu zählen sowohl die Auslösungen verschiedener Airbagstufen zum Zweck des Insassenschutzes, als auch Maßnahmen, die dem Schutz des aufprallenden Körpers, beispielsweise eines Fußgängers dienen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Crash- bzw. Körperschallsensorik mit wenigstens einem Dehnmessstreifen auszustatten, um damit die Körperschallsignale aufzunehmen. Damit ist ein kostengünstiges Wandlerprinzip zur Detektion von kollisionsinduzierten Körperschallsignalen zur Verfügung gestellt. Körperschallsignale sind hochfrequente kollisionsspezifische mechanische Schwingungen, die eine Crashanalyse ermöglichen. Mittels des Dehnmessstreifens werden die mit der Ausbreitung des Körperschalls verbundenen Verformungen im Material des Fahrzeugs direkt erfasst und in ein elektrisches Signal gewandelt und dann schließlich mit einer Auswerteschaltung aufbereitet. Beim Dehnungsmessstreifen wird ausgenutzt, dass sich bei einem elektrischen Leiter, der gestreckt oder gestaucht wird, die Länge, der Querschnitt und der spezifische Widerstand ändern. Aus diesen Parameteränderungen resultiert eine Änderung des Widerstands, so dass über den Widerstand die Formänderung und die die Formänderung verursachenden Größen erfasst werden können. Es gibt verschiedene Arten von Dehnungsmessstreifen. Beispielsweise gibt es Metalldehnungsmessstreifen, die als Draht oder Folienmessstreifen gefertigt werden können. Bei den Drahtmessstreifen ist ein mäanderförmig gelegter oder um einen dünnen Träger gewickelter Draht zwischen zwei elektrisch isolierenden Trägerfolien geklebt. Folienmessstreifen enthalten anstelle des Drahtes ein auf einem Träger sitzendes Messgitter, das aus einer dünn ausgewalzten Metallfolie herausgeätzt ist. Um den Anschluss zu erleichtern, ist in den Streifen schon von den dünnen Drähten oder Gittern auf dickere mechanisch widerstandsfähigere Anschlussdrähte übergegangen. Zur Messung werden dann diese Dehnmessstreifen beispielsweise auf das zu untersuchende Werkstück geklebt.

Es gibt jedoch auch Dünnfilmdehnungsmesstreifen. Hier werden für häufig auftretende spezielle Anwendungen die Biegefedern und die Widerstände als komplette Einheiten gefertigt. Auf den metallischen Federkörper aus Bronze oder Stahl wird im Vakuum zunächst eine anorganische Isolierschicht, dann eine dehnungsempfindliche Widerstandsschicht und schließlich eine niederohmige Leiterschicht zur Kontaktierung und zur Darstellung temperaturabhänigiger Kompensationswiderstände aufgebracht.

Nach der vollständigen Beschichtung erfolgt die Kontaktierung der diskreten Widerstände durch Fotoätzen der beiden oben liegenden Metallfilme.

Es gibt jedoch auch Halbleiterdehnungsmessstreifen. Diese werden meist aus Silizium gefertigt. Bei Halbleiterdehnungsmesstreifen wird die Änderung des spezifischen Widerstands zum bestimmenden Faktor. Dies wird als piezoresistiever Effekt bezeichnet. Bei der Dehnung ändern sich die Bandabstände und die Dichte der Ladungsträger. Ein Halbleiterdehnungsmesstreifen besteht beispielsweise aus Folien, zwischen denen ein dünnes Plättchen aus p-Silizium und ein anderes aus n-Silizium geklebt ist. Wird diese Anordnung auf Zug beansprucht, so nimmt der Widerstand des p-leitenden Siliziums zu, während der des n-leitenden Siliziums abnimmt. Werden die beiden Plättchen in den sich gegenüberliegenden Diagonalen einer Brücke verschaltet, so addieren sich die Beträge entsprechend und die relative Widerstandsänderung ist beispielsweise 220 mal so groß wie die Dehnung. Es können auch Halbleiterwiderstände zusammen mit den Membranen, deren Dehnung sie messen, monolithisch integriert als komplette Messzellen gefertigt werden.

Bei den Messstreifen ist insbesondere der Einfluss der Temperatur zu berücksichtigen. Dieser kann durch eine entsprechende Wahl des Materials für den Dehnungsmesstreifen minimiert werden, oder es müssen Dehnungsmessungen mit mehreren Streifen durchgeführt werden. Die Struktur der Signalverarbeitung ist dann so zu wählen, dass die zu messenden Dehnungen nicht aber die unerwünschten Temperatureffekte in das Messergebnis eingehen, beispielsweise über die Verschaltung in einer Messbrücke. Dies ist insbesondere bei den Halbleiterdehnungsmessreifen notwendig. Eine weitere Möglichkeit ist, die Temperatur getrennt zu erfassen und das Ergebnis der Dehnungsmessung entsprechend zu korrigieren.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Körperschallsensorik. Der mindestens eine Dehnmessstreifen 1 und eine Auswerteschaltung 2 werden in einem Gehäuse integriert und miteinander über eine Leitung 6 verbunden. Eine Trägerstruktur 4 besteht aus einem elastischen Material, das die Längenänderung, die über die Befestigungen 3 eingekoppelt werden, an den mindestens einen Dehnungsmesstreifen 1 überträgt. Der mindestens eine Dehnungsmesstreifen 3 ist starr mit der Trägerstruktur, die gleichzeitig der Gehäuseboden sein kann, verbinden bzw. geklebt. Die Längenänderung ist durch den Pfeil 7 angedeutet. Über einen Stecker 5 wird der Sensor angeschlossen. Alternativ ist es möglich, einen Interfacebaustein vorzusehen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform er erfindungsgemäßen Körperschallsensorik. Nunmehr wird der mindestens eine Dehnungsmesstreifen aus Silizium gefertigt. Auf einem Siliziumchip 20 ist der Dehnungsmesstreifen 21 angeordnet und mit einer Auswerteschaltung 22 verbunden. Über ein ebenfalls auf dem Chip 20 angeordneten Interfacebaustein 23 kann er über den Ausgang 24 das ausgewertete Körperschallsignal beispielsweise zu einem Prozessor eines Steuergeräts für den Personenschutz übertragen werden. Es ist möglich, den Dehnungsmesstreifen 21 direkt auf den Gehäuseboden aufzuglasen.
3 zeigt beispielhaft wie die Körperschallsensorik Teil eines solchen Personenschutzsystems ist. Die erfindungsgemäße Körperschallsensorik 30 ist mit einem Steuergerät zur Ansteuerung des Personenschutzsystems ABSG verbunden. Das Airbagsteuergerät ABSG erhält jedoch nicht nur von der Körperschallsensorik 30 Sensordaten, sondern auch von einer Sensorik 31, die hier repräsentierend für weitere Aufprallsensoren Umfeldsensoren und/oder Innenraumsensoren steht. In Abhängigkeit von diesen Sensordaten steuert das Steuergerät ABSG Personenschutzmittel RHS an. Unter Personenschutzmitteln sind Airbags, Gurtstraffer, eine anhebbare Fronthaube und Aussenairbags zu verstehen. Diese Schutzmittel können pyrotechnisch und/oder reversibel, d. h. insbesondere elektromotorisch ausgeführt sein.
4 zeigt mehrere Einbauorte der erfindungsgemäßen Körperschallsensorik. In einem Fahrzeug 40 kann die Körperschallsensorik 42 im Bereich der Fahrzeugfront angeordnet sein, insbesondere an einem Querträger hinter der Stoßstange. Es ist jedoch möglich, die Körperschallsensorik zusätzlich oder alternativ an den Seiten des Fahrzeugs, beispielsweise an der B-Säule anzuordnen, wie es hier durch die Körperschallsensoriken 41 und 43 gegeben ist. Es ist jedoch möglich, die Körperschallsensorik darüber hinaus oder alternativ zentral im Fahrzeug am Fahrzeugtunnel anzuordnen, entweder in einem Steuergerät zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln oder in einer Sensorbox. Dies ist durch die Sensorik 44 dargestellt. Es ist möglich, die Körperschallsensorik auch noch an weiteren geeigneten Orten, wie einem Sitzquerträger einzubauen.
5 zeigt in einem Blockdiagramm die Signalverarbeitung des Körperschallsignals. Im Block 50 wird mittels des Dehnungsmesstreifens das Körperschallsignal aufgenommen. Dies wird dann in Block 51 einer Signalverarbeitung unterzogen. Das entsprechend vorverarbeitete Signal 52 steht dann zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Als Signalverarbeitungsschritte können beispielsweise eine Bandpassfilterung, eine Tiefpassfilterung, eine Betragsbildung und/oder weitere Signalformungen vorgenommen werden. Die Bandpassfilterung kann im Bereich von 1 bis 20 khz durchgeführt werden, während die Tiefpassfilterung mit einer oberen Grenzfrequenz von 300 hz stattfindet. Abweichungen von diesen Werten sind möglich.

Claims

Körperschallsensorik zur Aufprallsensierung in einem Fahrzeug mit wenigstens einem Dehnungsmesstreifen (1, 21) zur Erfassung des Körperschalls.
Körperschallsensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmesstreifen (1, 21) mit einer Auswerteschaltung (2, 22) in einem Gehäuse einbaubar ist.
Körperschallsensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmesstreifen (21) zumindest teilweise aus Silizium besteht.
Körperschallsensorik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmesstreifen (21) aufgeglast ist.
Körperschallsensorik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmesstreifen (21) freitragend ist.
Körperschallsensorik nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmesstreifen (21) mit der Auswerteschaltung (22) auf einem Chip (20) angeordnet ist.
Körperschallsensorik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsensorik (30) derart mit einem Prozessor eines Personenschutzsystems koppelbar ist, dass der Prozessor in Abhängigkeit von einem Signal er Körperschallsensorik (30) das Personenschutzsystem (RHS) ansteuert.
Körperschallsensorik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsensorik (41, 42, 43, 44) im Bereich der Fahrzeugfront und/oder eines Seitenteils und/oder im Bereich des Fahrzeugtunnels eingebaut ist.
Körperschallsensorik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsensorik in einem Steuergerät eingebaut ist.
Körperschallsensorik nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2, 22) derart konfiguriert ist, dass die Auswerteschaltung das Signal einer Bandpassfilterung (51) einer Absolutwertbildung (52) und einer Tiefpassfilterung (53) unterzieht.
Körperschallsensorik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (1, 21) in einem Karossierieteil, vorzugsweise im Stoßfänger und/oder in einem Seitenteil, angeordnet ist.
Körperschallsensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (1, 21) zur Erfassung des Körperschalls in einem Frequenzbereich zwischen 500Hz–20kHz konfiguriert ist.