DE102014204867A1

DE102014204867A1 - Triboelektrischer Aufprallsensor für ein Kraftfahrzeug mit beidseitiger Ladungsverstärkerschaltung

Info

Publication number: DE102014204867A1
Application number: DE102014204867.2A
Authority: DE
Inventors: Heinz Bader; Tobias Tyroller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Es wird ein triboelektrischer Aufprallsensor für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Leiter (3.1, 3.3) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material beschrieben, welcher in Berührung mit einem zweiten Material (3.2) angeordnet ist und bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter (3.1, 3.3) 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 sind und die durch den triboelektrischen Effekt zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter (3.1, 3.3) entstehende, elektrische Ladungsverschiebung mittels zweier an beiden Enden des Aufprallsensors angeordneten Ladungsverstärkerschaltungen erfasst wird. Mittels einer Auswerteeinheit werden vorzugsweise die Signale beider Ladungsverstärkerschaltungen (S1, S2), beispielsweise die Amplitude der Signale beider Ladungsverstärkerschaltungen miteinander verglichen und daraus auf die Position des Aufpralls abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen triboelektrischen Aufprallsensor für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solcher Aufprallsensor ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 100 624 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.
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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders geeignete Weiterbildung eines triboelektrischen Aufprallsensors sowie ein geeignetes Sicherheitssystem für ein Kraftfahrzeug vorzustellen.
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.
Grundgedanke ist dabei, dass an beiden Enden des triboelektrischen Aufprallsensors (3) jeweils eine Ladungsverstärkerschaltung (1 und 2) angeordnet ist. Dadurch wird möglich, dass beispielsweise mittels einer zentralen Auswerteeinheit die Signale beider Ladungsverstärkerschaltungen (S1, S2) miteinander verglichen und daraus auf die Position des Aufpralls abgeleitet wird.
Der triboelektrische Aufprallsensor ist dabei 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, 3.3) 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.
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 Effekt, also beispielsweise von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich und wird die durch diesen triboelektrischen Effekt 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.
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.
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.
1: triboelektrischer Aufprallsensor mit beidseitig angeordneten Ladungsverstärkerschaltungen
2: Beispiel eines Aufbaus eines Kabels
2 zeigt zunächst 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 zur Kunststoffummantelung 3.2 und können daher grundsätzlich beide elektrischen Leiter, also 3.1 oder auch 3.3 zum Abgreifen der durch den triboelektrischen Effekt entstehenden Ladungsträger genutzt werden.
Die 1 zeigt zunächst den bekannten Grundaufbau eines triboelektrischen Aufprallsensors mit dem triboelektrischen Kabel 3, welches am 1. Ende an eine Ladungsverstärkerschaltung 1 angeschlossen ist. Am entgegengesetzten 2. Ende des Aufprallsensors 3 ist eine 2. Ladungsverstärkerschaltung 2 angeordnet. Beide Ladungsverstärkerschaltungen 1 und 2 erzeugen Ausgangssignale S1 und S2, welche in eine nicht näher gezeigten Auswerteeinheit, beispielsweise zentralen Steuergeräts verarbeitet werden. Selbstverständlich könnten die Ladungsverstärkerschaltungen 1 und 2 auch innerhalb des Steuergeräts integriert werden.
Das Steuergerät 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 selbst angeordneter Sensoren zur Erkennung der verschiedenen Unfallsituationen.
Skizzenhaft ist in 1 mit Q die Erzeugung von Ladungsträgern aufgrund des triboelektrischen Effekts an der durch den Aufprall betroffenen Position und die sich bezüglich dieser Position ergebenden Leitungswiderstände Ra und Rb zu den beiden Ladungsverstärkerschaltungen 1 und 2 skizziert, sind jedoch nur virtuelle Symbole für die Verdeutlichung der Wirkungsweise und natürlich nicht als separate Bauelemente in der realen Schaltung zu verstehen, sondern in den Eigenschaften des triboelektrischen Aufprallsensors 3 integriert.
Kommt es also nun zu einem Aufprall an einer bestimmten Position, so wird durch den triboelektrischen Effekt an dieser Position eine definierte Menge an Ladungsträgern freigesetzt. Ausgehend von einer möglichst konstanten Leitfähigkeit der elektrischen Leiter 3.1 bzw. 3.3 ergibt sich für die freigesetzten Ladungsträger in Richtung der beiden Ladungsverstärkerschaltungen 1 und 2 jeweils ein entsprechend positionsabhängiger Leitungswiderstand Ra bzw. Rb und werden sich die freigesetzten Ladungsträger entsprechend dieser positionsabhängigen Leitungswiderstände Ra bzw. Rb anteilig zu den Ladungsverstärkerschaltungen 1 und 2 gelangen, so dass beispielsweise die Amplitude der Signale S1, S2 beider Ladungsverstärkerschaltungen miteinander verglichen werden und daraus die Position des Aufpralls abgeleitet werden kann. Stimmen die Signale S1 und S2 miteinander überein, ist von einem Aufprall in der Mitte des Aufprallsensors 3 und damit identischen Leitungswiderständen Ra = Rb auszugehen. Je weiter der Aufprall sich in Richtung des einen Endes des Aufprallsensors 3 verschiebt, so wird der Leitungswiderstand zu derjenigen Ladungsverstärkerschaltung nahe dem Aufprallort immer geringer und entsprechend das Signal entsprechend größer, der Leitungswiderstand zur entfernt liegenden Ladungsverstärkerschaltung entsprechend größer und damit das Signal entsprechend kleiner und kann aus diesem umgekehrt proportionalen Zusammenhang die Position abgeleitet werden.
Die durch den triboelektrischen Effekt entstehenden Ladungsträger werden von Ladungsverstärkerschaltungen 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013100624 [0002]
EP 0937612 A2 [0005]
DE 112004001382 T5 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Ladungsverstaerker.gif&filetimestamp=200 91024202255& [0021]
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker [0021]

Claims

Triboelektrischer Aufprallsensor (3) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Leiter (3.1, 3.3) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, welcher in Berührung mit einem zweiten Material (3.2) angeordnet ist und bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter (3.1, 3.3) und/oder das zweite Material (3.2) relativ zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind und die durch den triboelektrischen Effekt zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter (3.1, 3.3) entstehende, elektrische Ladungsverschiebung mittels einer an einem Ende des Leiters (3.1, 3.3) angeordneten ersten Ladungsverstärkerschaltung (1) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zur ersten entgegengesetzten zweiten Ende des Aufprallsensors (3) eine weitere Ladungsverstärkerschaltung (2) angeordnet ist.
Sicherheitssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem triboelektrischen Aufprallsensor nach Anspruch 1 und einer Auswerteeinheit, welche hergerichtet ist, um die Signale beider Ladungsverstärkerschaltungen (S1, S2) miteinander zu vergleichen und daraus auf die Position des Aufpralls abzuleiten.
Sicherheitssystem nach Anspruch 2, wobei die Amplitude der Signale beider Ladungsverstärkerschaltungen miteinander verglichen wird.