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Die Erfindung betrifft einen triboelektrischen Aufprallsensor für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein solcher Aufprallsensor ist aus der nicht vorveröffentlichten
DE 102013100624 bekannt. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der an sich bekannte triboelektrische Effekt (vgl. Wikipedia zu Reibungselektrizität), also bspw. die Reibungselektrizität zwischen Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität ausgenutzt werden kann, um Relativbewegungen, also auch einen Aufprall zu erkennen. Der triboelektrische Effekt tritt nach neueren Erkenntnissen jedoch nicht ausschließlich allein aufgrund der Reibung auf, sondern basiert auch auf einem Kontakt und nachfolgenden wieder voneinander Trennen von Materialien und könnte daher auch ein durch eine Druckbelastung ohne signifikante Querverschiebung der Materialien zueinander erreicht werden.
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Während bei der Einbruchsüberwachung eine sehr hohe Sensibilität für kleinste Erschütterungen erforderlich ist, kann für die Verwendung als Aufprallsensor ein deutlich einfacherer Aufbau gewählt werden.
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So reicht es, wenn der elektrische Leiter aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material ist und in Berührung, also beispielsweise innerhalb eines zweiten Materials angeordnet ist, wobei bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter und/oder das zweite Material relativ zueinander unter Erzeugung von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind und die durch diese Reibung zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter entstehende, elektrische Ladungsverschiebung bspw. in Form der elektrischen Spannung erfasst wird.
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Generell sind eine Vielzahl unterschiedlicher Aufprallsensoren für Kraftfahrzeuge beispielsweise aus der
EP 0937612 A2 bekannt, wobei dort insbesondere die Unterbrechung eines elektrischen Leiters oder dieser Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen 2 metallischen Platten bei einem Aufprall ausgewertet wird. Dazu muss der elektrische Leiter permanent stromführend sein.
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Aus der
DE 11 2004 001 382 T5 ist ein triboelektrisches Sensorkabel zur Einbruchsüberwachung bekannt, bei welchem ein Lufttrennelement und ein elektrisch isolierendes Kunststoffelement vorgesehen sind, um auf das Sensorkabel einwirkende Erschütterungen aufgrund von Einbruchsversuchen zu erkennen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen triboelektrischen Aufprallsensor für ein Kraftfahrzeug mit einer geeigneten Möglichkeit zur Funktionsprüfung vorzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Der triboelektrische Aufprallsensor ist also beispielsweise in der Fahrzeugfront oder auch Seitentür eines Kraftfahrzeugs beispielsweise unter einem Außenblech und evtl. Dämpfungsschaum angeordnet. Er besteht aus zumindest einem elektrischen Leiter (3.1) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, welcher in Berührung mit einem zweiten Material (3.2), beispielsweise einem Kunststoff angeordnet ist. Zwischen den Materialien besteht zumindest ein vorgegebener Abstand in der triboelektrischen Reihe bzw. ein vorgegebener Abstand in der Elektronenaffinität, wobei als Maßstab für geeignete Materialien bei gegebener Kabelform ein hinreichendes Signal-Rauschverhältnis als Reaktion auf eine vorgegebene Stärke des Aufpralls hinreichend ist und zudem durch die Form des Kabels, insbesondere die Größe der Berührungsfläche zwischen 1. und 2. Material maßgeblich ebenfalls beeinflusst werden kann.
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Bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung ist der Leiter (3.1) und/oder das zweite Material (3.2) relativ zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts, also beispielsweise von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich und wird die durch diese Reibung zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter (3.1) entstehende, elektrische Ladungsverschiebung mittels einer an einem Ende des Leiters (3.1) angeordneten Auswerteschaltung erfasst. Die Ladungsverschiebung kann dabei beispielsweise mittels eines Ladungsverstärkers oder einer direkten Spannungsmessung erfasst werden.
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An dem zur Auswerteschaltung entgegengesetzten Ende des Leiters (3.1) ist ein Leiterabschlusselement (6) sowie zwischen Leiter (3.1) und Auswerteschaltung ein Schalter (4) oder Abgriff für eine Prüfschaltung (5) vorgesehen, welche die Intaktheit des Leiters (3.1) anhand des Leiterabschlusselements prüft.
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In einer besonderen Ausgestaltung weist der Aufprallsensor eine äußere, elektrisch leitende Abschirmhülle (3.3) und das Leiterabschlusselement eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter (3.1) und der Abschirmhülle (3.3) mit einer definierten und durch die Prüfschaltung (5) erfassbaren elektrischen Eigenschaft auf.
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Es ist dabei durchaus auch denkbar, gerade entgegengesetzt zur üblichen Beschaltung von Koaxialkabeln den inneren Leiter auf ein Bezugspotential oder freischwebend zu beschalten und die Ladungsträger an einer gegenüber dem Kunststoffmaterial (3.2) äußeren elektrisch leitenden Hülle (3.3) abzugreifen, wobei auch dann eine zusätzliche EMV-Abschirmung um das Kabel denkbar ist.
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In einer besonderen Weiterbildung ist das Leiterabschlusselement (6) eine Diode und ist dabei vorzugsweise die Durchlassspannung der Diode größer als die durch den triboelektrischen Effekt bei einem Aufprall entstehende Spannung, beeinflusst also die Diode die triboelektrische Ladungsträgererzeugung und Messung an der Auswerteschaltung nicht nennenswert. Zur Prüfung führt die Prüfschaltung zumindest eine Spannung oberhalb der Durchlassspannung zu, können natürlich auch im Wechsel Spannungen unterhalb oder ein Durchlaufen genau dieser Durchlassspannung genutzt und dabei beispielsweise der Verlauf des Stroms ausgewertet werden.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im Folgenden können funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein.
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1: triboelektrischer Aufprallsensor mit Auswerte- und Prüfschaltung
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2: Beispiel eines Aufbaus eines Kabels
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Die 1 zeigt zunächst den bekannten Grundaufbau eines triboelektrischen Aufprallsensors mit dem triboelektrischen Kabel 3, welches an einer Auswerteschaltung 2 angeschlossen ist und welche das Signal an ein Steuergerät 1 zuführt. Selbst verständlich könnte die Auswerteschaltung 2 auch innerhalb des Steuergeräts integriert werden. Das Steuergerät 1 ist dabei beispielsweise ein so genannter Safety Domain Controller, also ein Steuergerät für die diversen Schutzeinrichtungen von Fahrzeuginsassen als auch insbesondere Fußgänger- Schutzeinrichtungen und berücksichtigt in der Regel neben dem Signal des triboelektrischen Aufprallsensors auch die Signale weiterer ausgelagerter oder im Steuergerät 1 selbst angeordneter Sensoren zur Erkennung der verschiedenen Unfallsituationen.
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Erfindungsgemäß ist an dem zur Auswerteschaltung 2 entgegengesetzten Ende des Kabels 3, hier beispielsweise des Leiters 3.1 ein Leiterabschlusselement 6 sowie zwischen Leiter 3.1 und Auswerteschaltung ein Schalter 4 oder Abgriff für eine Prüfschaltung 5 vorgesehen ist, welche die Intaktheit des Leiters 3.1 anhand des Leiterabschlusselements 6 prüft.
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2 zeigt einen exemplarischen Aufbau eines geeigneten Koaxialkabels 3 bestehend aus einem metallischen Innenleiter 3.1 umgeben von einer Kunststoffummantelung 3.2 und einer äußeren elektrisch leitfähigen Abschirmung 3.3, auf welche bei einem Aufprall eine Kraft F vorzugsweise näherungsweise senkrecht zur Längsrichtung des Kabels einwirkt. Durch die Krafteinwirkung wird sowohl der metallischen Innenleiter 3.1 und die Kunststoffummantelung 3.2 zueinander verschoben als auch die äußere, elektrische Abschirmung 3.3 so Kunststoffummantelung 3.2 und können daher grundsätzlich beide elektrischen Leiter, also 3.1 oder auch 3.3 zum ab greifen der durch den triboelektrischen Effekt entstehenden Ladungsträger genutzt werden. In der 1 ist hier daher nur beispielhaft der Innenleiter 3.1 als der Ladungsträger führende Leiter ausgewählt und wird die äußere Abschirmung 3.3 auf ein Bezugspotential, hier das Massepotential geschaltet. Es ist aber auch denkbar, dass andere alternative Kabelformen und unterschiedliche Leiteranordnungen verwendet werden oder aber auch eine gerade nicht mit dem Massepotential verbundene Rückleitung gewählt wird.
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Die durch den triboelektrischen Effekt entstehenden Ladungsträger werden von der Auswerteschaltung 2 erfasst. Während die Ladungsverschiebung grundsätzlich auch als Spannung direkt am Leiter messbar ist, erweist sich eine Erfassung mittels einer Ladungsverstärkerschaltung als besonders vorteilhaft. Ladungsverstärkerschaltungen sind allgemein bekannt. So ist bspw. eine entsprechende Schaltung von Jan Burgemeister als Quelle und Urheber am 22.10.2009 in Wikipedia unter:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Ladungsverstaerker.gif&filetimestamp=200 91024202255&
zu entnehmen und unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker
näher erläutert. Dabei wäre der dort als Masseanschluss gezeigte Pfad entweder tatsächlich auf Massepotential der Schaltung, also bspw. auch die Schirmung des Kabels geschaltet oder denkbar auch auf eine separate Rückleitung wie bspw. bei einer Ringleiteranordnung. Eine Messung der Ladungsverschiebung bspw. mittels einer solchen Ladungsverstärkerschaltung hat gegenüber der direkten Spannungsmessung Vorteile, ist bspw. weniger EMV-anfällig und ermöglicht einer Verstärkung der ja an sich relativ geringen Ladungsverschiebung durch den triboelektrischen Effekt.
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In der bevorzugten Ausgestaltung gemäß 1 ist zwischengeschaltet ein Schalter 4, welcher wechselweise anstelle der Auswerteschaltung 2 die Prüfschaltung 5 mit dem Kabel 3 und dem Leitungsabschlusselement 6 verbindet.
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Die Prüfschaltung 5 prüft bei entsprechender Stellung desschalters 4 die Intaktheit des Leiters (3.1) anhand des Leiterabschlusselements 6. Als Leiterabschlusselement 6 kann dabei grundsätzlich ein jedes elektrisches Element verwendet werden, welches die Auswertung der doch selektiv geringen Ladungsträgerverschiebungen aufgrund des triboelektrischen Effekt nicht stört und dennoch durch die Prüfschaltung 5 eine oder mehrere erfassbare elektrische Eigenschaften ausgewertet werden kann. So könnte beispielsweise auch ein entsprechender elektrischer Widerstand, induktiv oder Kapazität oder eine Kombination derer verwendet werden.
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Besonders bevorzugt und hier in 1 entsprechend auch dargestellt ist dass das Leiterabschlusselement (6) eine Diode (Ds). Die Durchlassspannung der Diode größer ist als die durch den triboelektrischen Effekt bei einem Aufprall entstehende Spannung, so dass die Diode trotz Pol im Durchlassrichtung für diese Spannungen noch hochohmig ist und damit im Normalbetrieb bei mit der Auswerteschaltung 2 verbundenem Kabel 3 keinen Einfluss hat. Verbindet der Schalter 4 jedoch das Kabel 3 mit der Prüfschaltung 5 und erzeugt die Prüfschaltung 5 zur Prüfung eine Spannung oberhalb der Durchlassspannung, so kommt es zu dem typischen Stromanstieg durch die Diode. Vorzugsweise werden auch eine Mehrzahl oder ein Verlauf der Spannung um diese Durchlassspannung hinweg erzeugt und der jeweilige Stromfluss und so das Vorhandensein der Diode als Leiterabschlusselement 6 anhand deren typischer elektrische Eigenschaften erfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013100624 [0002]
- EP 0937612 A2 [0005]
- DE 112004001382 T5 [0006]
