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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse aus Kunststoff,
in dem eine Sensoranordnung mit zumindest einem Sensor angeordnet
ist, wobei das Gehäuse eine Metallbuchse umgibt, die einen Durchbruch
für den Durchtritt eines Schraubenbolzens zur Befestigung
des Geräts an einer Anbaufläche aufweist.
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Zum
Ansteuern und Auslösen eines Personenschutzsystems in einem
Kraftfahrzeug, wie einem Airbag oder einem anderen Personenschutzsystem,
werden zur Detektion eines Aufpralls bislang überwiegend
auf Druck oder Beschleunigung reagierende Sensoren verwendet. In
Zukunft sollen verstärkt auf Basis von Körperschallsignalen
arbeitende Sensoren zum Ansteuern und Auslösen eines Personenschutzsystems
eingesetzt werden. Der Vorteil eines auf Körperschall reagierenden
Sensors gegenüber einem eine Beschleunigung oder einen
Druck erfassenden Sensor besteht in der Möglichkeit, genauere
Informationen über den Aufprall erlangen zu können,
z. B. über die Auswertung des erfassten Körperschallspektrums.
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Zur
sicheren Übertragung eines Körperschallsignals
bei einem Fahrzeug-Crash in einem Karosseriebauteil auf einen Körperschallsensor muss
dieser möglichst steif an die Karosserie des Kraftfahrzeugs
angebunden sein. Der z. B. als SMT (Surface-mounted Technology)-Bauteil
realisierte Körperschallsensor ist in einem Gehäuse
angeordnet, welches vorzugsweise an einem Karosseriebauteil im Motorraum
angebracht ist.
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Aus
der
DE 10 2004
03 290 A1 ist ein elektrisches Gerät bekannt,
bei dem ein als Körperschallsensor ausgebildetes elektronisches
Bauelement steif an eine Anbaufläche angebunden wird, indem der
Körperschallsensor in unmittelbarer Nähe zu einem
Verbindungsmittel angeordnet ist, wobei über das Verbindungsmittel
eine Trägerplatte des elektrischen Geräts mit einem
Gehäuse des Geräts verbunden ist. Hierdurch werden
die in der Anbaufläche übertragenen Körperschallwellen über
das Gehäuse und das Verbindungsmittel an den Körperschallsensor
weitergeleitet. Das Gehäuse wird über zwei Schraubgewinde
mit der Anbaufläche fest verbunden. Hierzu weist das Gehäuse
eine entsprechende Anzahl an Durchbrüchen auf, in die jeweils
eine Buchse eingelassen ist, wobei die auf die Trägerplatte
wirkende Klemmkraft durch die Buchse und den Gehäusemantel
ausgeübt wird. Um eine unmittelbare Übertragung
von Schallwellen sicherzustellen, besteht die Buchse aus einem steifen
Material, bevorzugt einem Metall oder einer Keramik. Demgegenüber
ist das Gehäuse aus einem Kunststoff gefertigt, wobei die
Buchsen mit dem Material des Gehäusedeckels umspritzt sind.
Konstruktionsbedingt ist es bei dem in der
DE 10 2004 034 290 A1 beschriebenen Gerät
nicht möglich, mit dem Körperschallsensor Frequenzen über
10 kHz zu detektieren. Darüber hinaus kann die in dem Gehäuse
vorgesehene Sensoranordnung zu Schwingungen in einem Resonanzbereich
angeregt werden, wodurch die Genauigkeit einer Signaldetektion reduziert
ist.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Gerät
anzugeben, mit welchem eine möglichst störungsfreie
und resonanzfreie Übertragung von Körperschallsignalen
in einem Frequenzbereich von 0 bis ca. 30 kHz möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem elektrischen Gerät mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse
aus Kunststoff, in dem eine Sensoranordnung mit zumindest einem
Sensor angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Metallbuchse
umgibt, die einen Durchbruch für den Durchtritt eines Schraubenbolzens
zur Befestigung des Geräts an einer Anbaufläche
aufweist, ist die Sensoranordnung direkt mit der Metallbuchse verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass für die
hochfrequente Übertragung von Signalen aufgrund der Steifigkeit
an sich ein metallisches Gehäuse notwendig wäre,
da nur dieses aufgrund seiner Eigenschaften die hochfrequenten Signale überträgt.
Da sich andererseits jedoch das Gewicht eines solchen Gehäuses
negativ auf Resonanzfrequenzen auswirkt, ist zur Minimierung der Problematik
der Resonanzfrequenzen das Gewicht des Gehäuses klein zu
halten. Dies wiederum lässt sich am Besten durch ein Gehäuse
aus einem Kunststoff realisieren. Um beiden Anforderungen gerecht zu
werden, wird die Sensoranordnung direkt mit der Metallbuchse verbunden,
wobei das elektrische Gerät mit der Metallbuchse an der
Anbaufläche, z. B. durch eine Verschraubung, befestigt
wird. Ein geringes Gewicht des elektrischen Geräts zur
Minimierung der Resonanzfrequenzen wird durch die Ausgestaltung
des Gehäuses aus dem Kunststoff sichergestellt.
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Eine
besonders gute Übertragung der Körperschallsignale
an die Sensoranordnung ist dann gewährleistet, wenn eine
Sensierungsachse oder eine Sensierungsebene des zumindest einen
Sensors parallel zu einer Achse des Schraubbolzens verläuft.
Dabei kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein,
dass die Achse des Schraubbolzens parallel zu einer Sensorträgerebene
der Sensoranordnung verläuft. In diesem Fall ist die Sensierungsachse
oder die Sensierungsebene des zumindest einen Sensors parallel zu
der Sensorträgerebene angeordnet.
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Um
den Einfluss von Schwingungen auf die Sensoranordnung möglichst
gering zu halten, welche zu einer Verfälschung des Messergebnisses
führen könnten, ist weiter vorgesehen, dass ein
Sensor der Sensoranordnung in kürzest möglicher
Distanz zu der Achse des Schraubbolzens angeordnet ist.
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Eine
weitere Optimierung kann dadurch erfolgen, dass die Metallbuchse
eine Ausnehmung aufweist und die Sensoranordnung derart ausgestaltet und
mit der Metallbuchse verbunden ist, dass der Sensor der Sensoranordnung
in der Ausnehmung der Metallbuchse zum Liegen kommt. Hierdurch wird der
Sensor noch näher an die Achse des Schraubbolzens und damit
an die Wirkstelle gebracht, so dass eine noch bessere Positionierung über
den Schraubbolzen zu der Anbaufläche gewährleistet
ist.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Sensoranordnung
einen Träger, wobei der Träger über ein
Befestigungselement mit der Metallbuchse verbunden ist und der zumindest
eine Sensor in kürzest möglicher Distanz zu dem
Befestigungselement auf dem Träger angeordnet ist. Auch
hierdurch ist eine Reduzierung von Störsignalen möglich.
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Zweckmäßigerweise
sind auf dem Träger weitere elektronische Bauelemente angeordnet,
die auf der Seite des zumindest einen Sensors und/oder auf der dem
zumindest einen Sensor gegenüberliegenden Seite des Trägers
vorgesehen sind. Die beidseitige Anordnung von elektronischen Bauelementen auf
dem Träger bringt den Vorteil mit sich, dass die Fläche
des Trägers insgesamt eingehalten werden kann, wodurch
ungünstiges Schwingungsverhalten des Trägers verringert
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung ist an dem Gehäuse ein Stecker ausgebildet,
wobei der Stecker und die Sensoranordnung auf gegenüberliegenden Seiten
der Metallbuchse angeordnet sind. Hierdurch können die
Einflüsse des Stecksystems und der Kabel hinsichtlich eines
Schwingungseintrags und damit einer Störung des Sensorsignals
minimiert werden. Im Ergebnis lässt sich eine Entkopplung
des Steckers und der Sensoranordnung erzielen, wodurch Störsignale
reduziert sind.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Durchbruch exzentrisch an der Metallbuchse
ausgebildet. Hierdurch kann der Durchmesser bzw. Querschnitt der
Metallbuchse klein gehalten werden und gleichzeitig eine sichere
Fixierung der Sensoranordnung an der Metallbuchse bewerkstelligt
werden. Zweckmäßigerweise ist die Metallbuchse
zylindrisch ausgebildet. Hierdurch lässt sie sich als kostengünstiges Drehteil
herstellen. Es ist ferner vorgesehen, dass der Durchbruch mit einem
Innengewinde versehen ist, welcher durch Fräsen eingebracht
werden kann. Hier durch ist eine einfache und schnelle Befestigung des
elektrischen Geräts über den Schraubbolzen an der
Anbaufläche möglich.
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Um
das Schwingungsverhalten weiter zu optimieren, ist vorgesehen, dass
die Sensoranordnung nicht an dem Gehäuse fixiert ist.
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Die
Sensoranordnung ist zweckmäßigerweise in einer
Wanne des Gehäuses angeordnet, wobei der Stecker und die
Wanne auf gegenüberliegenden Seiten der Metallbuchse angeordnet
sind.
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Die
Wanne kann zur Dämpfung von Vibrationen der Sensoranordnung
mit einer Vergussmasse gefüllt sein. Werden in dem elektrischen
Gerät Sensoren verwendet, welche den Belastungen der Vergussmasse
widerstehen können, so kann der Sensor auf einer der Metallbuchse
gegenüberliegenden Seite des Trägers angeordnet
sein. Werden hingegen solche Sensoren verwendet, welche empfindlich
gegenüber der Vergussmasse sind, so sind diese bevorzugt
in der Ausnehmung der Metallbuchse angeordnet und damit vor dem
Verguss geschützt. Grundsätzlich sorgt die Vergussmasse
zur Stabilisierung von Signalen zu dem Sensor hin.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, die Wanne mit einem Deckel zu verschließen
oder derart auszugestalten, dass diese mit einem Deckel verschließbar ist.
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Der
zumindest eine Sensor umfasst zweckmäßigerweise
einen Körperschallsensor.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen
Geräts,
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2 eine
weitere Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen
elektrischen Geräts,
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3 eine
Draufsicht auf das erfindungsgemäße elektrische
Gerät, und
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4 eine
Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen
elektrischen Geräts von der Seite her.
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Körperschallsignale
in einem Frequenzbereich von 0 bis ca. 30 kHz, insbesondere in einem
Bereich von 6 bis 18 kHz, können zur Erkennung und Unterscheidung
verschiedener Crash-Signale in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
Die Crash-Signale können hierbei durch unterschiedlichste
Unfallszenarien entstehen. Körperschall wird genutzt, weil
die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu Beschleunigungssignalen
wesentlich höher ist und dadurch die zur Auswertung der
Signale zur Verfügung stehende Zeit verlängert
ist. Zusätzlich können mehr Informationen zur
Crash-Auswertung zur Verfügung gestellt werden, wodurch
eine zuverlässigere Ansteuerung von Personenschutzsystemen
möglich ist. Signale, die mit einem Körperschallsensor
gemessen werden, müssen einem durch die Crash-Situation
hervorgerufenen Körperschallsignal möglichst gut
entsprechen und dürfen nicht durch eine Dämpfung
oder Verstärkung, z. B. hervorgerufen durch Resonanzen,
verfälscht werden.
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Um
die Übertragung hochfrequenter Körperschallsignale
zu ermöglichen, muss eine Sensoranordnung über
ein steifes Material an die Anbaufläche des Kraftfahrzeugs
angebunden werden. Um die Auswirkungen von störenden Resonanzfrequenzen zu
minimieren, sollte das Gewicht des Geräts klein gehalten
werden. Diese Anforderungen werden durch das nachfolgend beschriebene
elektrische Gerät erfüllt. Die 1 und 2 zeigen
jeweils in einer Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßes
elektrisches Gerät 1. Dieses umfasst eine Metallbuchse 20,
welche einen zylindrischen Querschnitt aufweist und mit einem exzentrischen
Durchbruch 21 versehen ist. Der Durchbruch 21 ist mit
einem Innengewinde versehen und dient für den Durchtritt
eines Schraubenbolzens zur Befestigung der Metallbuchse und damit
des elektrischen Geräts an einer Anbaufläche (nicht
dargestellt). Die Metallbuchse 20 kann durch Drehen und
Fräsen einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Die
Metallbuchse 20 ist in einem Gehäuse 10 aus
einem Kunststoff angeordnet. Die Metallbuchse 20 kann entweder
in einen durch Spritzguss hergestellten Gehäusekörper 10 eingepresst
werden oder mit dem Kunststoffmaterial des Gehäuses 10 umspritzt
werden.
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Das
Gehäuse 10 weist eine Wanne 13 zur Aufnahme
einer Sensoranordnung 30 sowie einen gegenüberliegend
der Buchse angeordneten Stecker 11 zur Herstellung eines
elektrischen Kontaktes zu der Sensoranordnung 30 auf.
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Die
Sensoranordnung 30 umfasst einen Träger 33,
z. B. eine Leiterplatte. Der Träger 33 ist im Ausführungsbeispiel
in seiner Mitte mit einer Bohrung 35 versehen, durch welche
das Gewinde einer Schraube 32 führbar ist. Über
die Schraube 32 wird der Träger an der Metallbuchse 20 befestigt,
wobei die Metallbuchse 20 zu diesem Zweck mit einem Gewinde 23 versehen
ist (vgl. 2 und 4).
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Auf
dem Träger 33 sind im Ausführungsbeispiel
auf beiden Seiten elektronische Bauelemente angeordnet und elektrisch
mit Leiterbahnen und gegebenenfalls Durchkontaktierungen (Vias)
miteinander verbunden. Ein Körperschallsensor 31 ist
auf einer der Metallbuchse 20 zugewandten Seite des Trägers 33 vorgesehen,
wobei dieser, wenn die Sensoranordnung 30 an die Metallbuchse 20 geschraubt ist,
in einer Ausnehmung 22 der Metallbuchse zum Liegen kommt.
Hierdurch ist der Sensor 31 zum einen geschützt
angeordnet und zum anderen in unmittelbarer räumlicher
Nähe zu einer Verschraubungsachse 24 angeordnet
(vgl. 4). Die Verschraubungsachse 24 stellt
dabei eine Achse des Schraubbolzens dar, welcher in den mit dem
Innengewinde versehenen Durchbruch 21 geschraubt wird.
Für eine bestmögliche Signalübertragung
zu dem Sensor 30 ist der Sensor 31 derart auf
dem Träger 30 angeordnet, dass er in unmittelbarer
räumlicher Nähe zu der Schraube 32 gelegen
ist.
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Wie
insbesondere aus der Querschnittsdarstellung der 4 gut
hervorgeht, ist eine Sensierungsebene des Sensors 31 bzw.
die Ebene des Trägers 33 parallel zu der Verschraubungsachse 24 gelegen.
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Wie
aus den 2 und 4 gut ersichtlich ist,
ist der Träger 33 in der Wanne 13 des
Gehäuses 10 angeordnet, wenn der Träger
an die Metallbuchse 20 geschraubt ist. Um störende
Vibrationen zu dämpfen, kann in der Wanne eine Vergussmasse 44 vorgesehen
werden. Aufgrund der geschützten Anordnung des Sensors 31 in
der Ausnehmung 22 bleibt der Sensor 31 von Vergussmasse
frei. Die Wanne 13 kann schließlich mit einem
Deckel 12 verschlossen werden. Der Träger 33 weist
lediglich eine Schraubverbindung zu der Metallbuchse 20,
nicht jedoch zu dem Gehäuse 10 bzw. der Wanne 13 auf.
Hierdurch kann ebenfalls die Genauigkeit der Signalübertragung
gesteigert werden.
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Aus
den Figuren ist gut ersichtlich, dass der Stecker 11 auf
einer gegenüberliegenden Seite der Metallbuchse 20 zu
der Sensoranordnung 30 gelegen ist. Hierdurch können
Einflüsse des Stecksystems und der Kabel hinsichtlich eines
Schwingungseintrags und damit der Störungen des Sensorsignals minimiert
werden. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der
Sensoranordnung 30 und in der Figur nicht näher
dargestellten Kontaktstiften, kann beispielsweise durch in das Gehäuse
integrierte Pins realisiert sein. Bei der Endmontage kann die Sensoranordnung
dann mittels Einpresstechnik mit den Kontaktstiften des Steckers
elektrisch verbunden werden. Es sind auch alternative Anschlussarten,
z. B. Löten, möglich.
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In
einer alternativen Ausgestaltung könnte der Sensor auch
unmittelbar an der Metallbuchse 20, z. B. in der speziell
dafür vorgesehenen Ausnehmung 22, angeordnet sein.
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Das
erfindungsgemäße elektrische Gerät stellt
eine mechanische Frequenzübertragung in Form von Körperschall
mit geringen Resonanzstörungen sicher. Hierbei ist aufgrund
des konstruktiven Aufbaus eine geringe Nutzsignaldämpfung
bzw. -verstärkung gegeben. Im Ergebnis ist eine verbesserte Definierbarkeit
des Einspeisesignals realisiert, wodurch eine bessere Crash-Unterscheidung
sowie eine verbesserte Crash-Performance möglich sind. Im
Gegensatz zum Stand der Technik benötigt das erfindungsgemäße
Gerät dazu lediglich eine einzige Metallbuchse, welche
auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist,
wobei das Gerät eine gute Signalübertragung bis
zu 30 kHz mit vergleichsweise geringen Resonanzüberhöhungen
aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10200403290
A1 [0004]
- - DE 102004034290 A1 [0004]