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Die Erfindung betrifft ein System
zur Messung der Belastung eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes,
mit elastischen Befestigungsmitteln zur elastischen Befestigung
eines Sitzes an einem Chassis derart, daß zwischen Sitz und Chassis
eine federnde, im wesentlichen vertikale Bewegung möglich ist.
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Die Notwendigkeit, die Belastung
eines Sitzes zu messen, besteht z. B. im Kraftfahrzeugbau. Eine
Anwendung liegt darin, festzustellen, ob ein Fahrzeugsitz mit einer
Person besetzt ist oder nicht. In Abhängigkeit dessen wird entschieden,
ob ein Airbag im Falle eines Zusammenstoßes auslösen soll oder nicht. So können z.
B. die Kosten zur Wiederherstellung des Ursprungszustandes vermieden
werden, die auftreten würden,
wenn ein Airbag auslöst, obwohl
der entsprechende Fahrzeugsitz gar nicht besetzt ist. Eine genauere
Bestimmung kann notwendig sein, um z. B. festzustellen, ob eine
erwachsene Person auf dem Beifahrersitz sitzt, da ein auslösender Airbag
bei zu kleinen Personen Verletzungen hervorrufen kann. Die Notwendigkeit,
die Belastung eines Sitzes festzustellen, kann auch bei anderen
Anwendungen auftreten.
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Bekannte Maßnahmen zur Bestimmung der Belastung
eines Sitzes, speziell der Anwesenheit eines Fahrzeuginsassen auf
einem Sitz, bestimmen die Änderungen
der Kraft, die zwischen Sitz und Chassis wirkt. Dazu werden bei
den bekannten Maßnahmen
der Sitz und das Chassis mit Hilfe von Blattfedern verbunden, die
mit zug-, spannungs- bzw. formveränderungsempfindlichen Sensoren
ausgerüstet
sind, deren Widerstand sich durch die Formveränderung der Blattfedern ändert. Alternative
Möglichkeiten
sehen piezoelektrische Elemente vor, die die Druckkraft nachweisen
und in dem Kraftweg zwischen Sitz und Chassis angeordnet sind.
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Die bei bekannten Systemen eingesetzten Meßsysteme
sind temperaturabhängig
und zeigen einen mit der Zeit variierenden Offset. Dadurch wird die
Messung ungenau und schlechter reproduzierbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein System zur Messung der Belastung eines Sitzes anzugeben,
das möglichst
temperaturunabhängig
und mit hoher Genauigkeit arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes System
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 und
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Anspruch 11 betrifft eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Systems.
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Das erfindungsgemäße System weist zumindest einen
magnetoresistiven Sensor auf, der entweder am Chassis oder am Sitz
befestigt ist. Korrespondierend dazu weist das erfindungsgemäße System ein
Magnetelement auf, das am Sitz befestigt ist, wenn der magnetoresistive
Sensor am Chassis befestigt ist, oder am Chassis befestigt ist,
wenn der magnetoresistive Sensor am Sitz befestigt ist. Die jeweilige
Befestigung muß nicht
direkt sein, läßt jedoch keine
Relativbewegung zu. Die gegenseitige Lage des mindestens einen magnetoresistiven
Sensors und des mindestens einen Magnetelementes ist so gewählt, daß sich bei
einer Relativbewegung des Sitzes mit Bezug zum Chassis die Richtung
des von dem mindestens einen Magnetelement am Ort des mindestens
einen magnetoresistiven Sensors erzeugten Magnetfeldes ändert. Dabei
ist die Lage so gewählt,
daß dies
bei einer Relativbewegung zwischen Sitz und Chassis passiert, die
von den elastischen Befestigungsmitteln erlaubt wird, also im wesentlichen
vertikal ist. Das Ausgangssignal des mindestens einen magnetoresistiven
Sensors wird einer Auswerteeinrichtung zugeführt, die aus dem Meßwert eine
Belastung des Sitzes bzw. die Größe der Belastung
auf den Sitz bestimmt.
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Mit Hilfe dieses Ergebnisses kann
dann z. B. eine Prozessoreinheit entscheiden, ob im Falle eines Unfalles
ein Airbag ausgelöst
werden soll oder nicht.
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Der Widerstand von magnetoresistiven
Sensoren ist abhängig
von der Richtung und/oder der Stärke
eines äußeren Magnetfeldes,
wenn sie nicht gesättigt
sind. Bei gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ausreichend groß gewähltem Magnetfeld ist ein magnetoresistiven
Sensor im Sättigungsbereich und
sein Widerstand nur abhängig
von der Magnetfeldrichtung. Bewegt sich das Magnetelement durch die
Belastung des Sitzes relativ zu dem magnetoresistiven Element, so ändert sich
am Ort des magnetoresistiven Elementes die Richtung des Magnetfeldes
und damit der Widerstand des magnetoresistiven Elementes.
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Als magnetoresistive Elemente sind
z. B. Sensoren geeignet, die den AMR-Effekt (anisotropen magnetoresistiven
Effekt) oder den GMR-Effekt (giant magnetoresistive effect) ausnutzen.
Besonders geeignete Sensoren verwenden vier Elemente, die in der
Geometrie einer Wheatstone-Brücke
angeordnet sind.
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Das Ausgangssignal eines solchen
Sensorsystems ist abhängig
von der Richtung des externen Magnetfeldes. Zudem sind derartige
magnetoresistive Elemente weitgehend temperatur- und zeitunabhängig.
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Besonders vorteilhafterweise weist
die Auswerteeinheit eine Mikroprozessoreinheit auf, die aus dem
Meßsignal
direkt bestimmt, ob z. B. eine Airbageinheit auslösen soll
oder nicht, wenn ein Unfall auftritt. Eine explizite Bestimmung
der Belastung ist dazu nicht notwendig, wenn das Ausgangssignal
entsprechend geeicht ist.
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Eine besondere Weiterbildung des
Systems umfaßt
elastische Befestigungsmittel, die derart ausgestaltet sind, daß in der
von den elastischen Bewegungsmitteln gestatteten Relativbewegung
zwischen Sitz und Chassis keine Verkippung auftritt. Die Relativbewegung
zwischen magnetoresistivem Sensor und Magnetelement ist dann über den
gesamten Bewegungsspielraum hinweg parallel, so daß eine hohe Sensitivität erreicht
werden kann, die keine Rücksicht auf
verkippungsabhängige
Signaländerungen
nehmen muß.
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Eine solche Anordnung läßt sich
z. B. durch entsprechende Führungen
erreichen. Eine einfache Gestaltung sieht jedoch vor, daß die elastischen
Bewegungsmittel zwei nebeneinander angeordnete parallele Blattfedern
umfassen. Die parallelen Blattfedern liegen in Richtung der möglichen
Relativbewegung nebeneinander. Wird der Sitz bei einer solchen Anordnung
belastet, so ist eine Verkippung durch die parallele Anordnung der
Blattfedern verhindert.
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Eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
umfaßt
einen Permanentmagneten, dessen Verbindungslinie zwischen Nord-
und Südpol
im wesentlichen vertikal, also in Richtung der möglichen Relativbewegung zwischen
Sitz und Chassis ausgerichtet ist.
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Wünschenswert
ist es, wenn das Signal des magnetoresistiven Sensors linear von
der Relativbewegung abhängt.
Einen möglichst
linearen Verlauf erhält
man, wenn der örtliche
Meßbereich
nicht zu nah an den Magnetfeld bildenden Polen des Magnetfeldes
angeordnet ist, sondern im Bereich dazwischen. Als gut realisierbare
Grenze mit ausreichender Linearität des Sensorsignales hat es
sich erwiesen, wenn der Bewegungsspielraum der Relativbewegung zwischen
magnetoresistivem Element und Magnetelement so eingeschränkt ist,
daß sich
am Ort des magnetoresistiven Elementes auch bei maximaler von den
elastischen Befestigungsmitteln gestatteter Auslenkung die Richtung
des von dem Magnetelement erzeugten Magnetfeldes um maximal 90° ändert.
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Die höchste Sensitivität kann erreicht
werden, wenn sich die Richtung des von dem Magnetelement am Ort
des magnetoresistiven Sensors erzeugten Magnetfeldes bei der von
den elastischen Befestigungsmitteln zugelassenen Relativbewegung um
eine horizontale Achse dreht. Diese Achse ist vorteilhafterweise
senkrecht zu einer vertikalen Ebene ausgerichtet, die sowohl das
Magnetelement als auch den magnetoresistiven Sensor enthält. In dieser Ausgestaltung
ist die Abhängigkeit
von der Richtungsänderung
des Magnetfeldes am Ort des magnetoresistiven Sensors möglichst
groß.
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Um die Empfindlichkeit des Systems
in dem linearen Bereich der Abhängigkeit
des Sensorsignales von der Relativbewegung zu erhöhen, kann
das Magnetelement vorteilhafterweise einen Doppelmagneten umfassen,
der z. B. aus zwei Stabmagneten besteht, die gegenpolig parallel
zueinander angeordnet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Messung der Belastung eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes,
wird die Richtung eines von einem Magnetelement erzeugten Magnetfeldes
am Ort eines magnetoresistiven Sensors mit Hilfe dessen Ausgangssignales
ausgewertet, um die relative Lage des magnetoresistiven Sensors
und des Magnetelementes zu bestimmen. Dazu werden das magnetoresistive
Sensorelement und das Magnetelement derart angeordnet, daß sich ihre
relative Lage zueinander bei Belastung des Sitzes ändert.
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Besonders vorteilhaft läßt sich
das erfindungsgemäße System
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Steuerung einer Airbagauslöseeinheit einsetzen, um z.
B. zu unterscheiden, ob ein Fahrzeugsitz besetzt ist oder nicht.
So kann je nach Ausgestaltung und Empfindlichkeit verhindert werden,
daß der
Airbag ausgelöst
wird, wenn z. B. keine Person bzw. keine erwachsene Person auf dem Fahrzeugsitz
sitzt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
im Detail erläutert.
Dabei zeigen in schematischer Darstellung:
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1:
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
in unbelastetem Zustand,
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2:
die Ausführungsform
der 1 in belastetem
Zustand,
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3a:
schematisch die Funktionsweise eines bei der Erfindung einsetzbaren
magnetoresistiven Sensors,
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3b:
den magnetfeldrichtungsabhängigen
Signalverlauf eines magnetoresistiven Sensors,
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4a:
eine erläuternde
Darstellung des Einsatzes in einem erfindungsgemäßen System,
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4b:
den wegabhängigen
Signalverlauf bei einem System der 4a,
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5a:
eine zu 4a alternative
Ausführung,
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5b:
den entsprechenden ortsabhängigen
Signalverlauf, und
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6:
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform.
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In 1 ist
schematisch ein erfindungsgemäßes System
bei der Verwendung für
einen Fahrzeugsitz 1 gezeigt. Bei diesem Beispiel ist der
Sitz 1 auf einem Träger 5 befestigt,
der über
Blattfedern 3 mit dem Chassis 7 des Kraftfahrzeuges
verbunden ist. An dem Träger 5 befinden
sich Magnetelemente 9, die sich also mit dem Sitz 1 bewegen.
Bei dem gezeigten Beispiel bestehen die Magnetelemente 9 aus Permanentmagneten
mit oben liegendem Nordpol und unten liegendem Südpol. An dem Chassis 7 sind über Halterungen 11 magnetoresistive
Sensoren 13 befestigt, wobei sich die magnetoresistiven
Elemente 13 in unmittelbarer Nachbarschaft der jeweiligen
Magnetelemente 9 und somit in dem von diesen erzeugten
Magnetfeld befinden.
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An der Befestigung eines Fahrzeugsitzes 1 können mehrere
derartige erfindungsgemäße Sensorelemente
vorgesehen sein, z . B. an vier Aufhängepunkten zur Verbindung mit
dem Chassis 7. Bei entsprechender Ausgestaltung können aber
auch weniger Sensorelemente ausreichen, um ein repräsentatives
Signal zu erhalten.
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In 2 ist
dieselbe Ausführungsform
unter Belastung gezeigt. Auf dem Sitz 1 sitzt eine Person 15.
Die Blattfedern 3 biegen sich dementsprechend nach unten
und die relative Lage zwischen magnetoresistiven Sensoren 13 und
Magnetelementen 9 ändert
sich. Die magnetoresistiven Sensoren erzeugen in noch zu beschreibender
Weise ein Signal, das an eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) 17 gesendet wird,
wie es durch die Pfeillinien zwischen den magnetoresistiven Sensoren 13 und
der CPU 17 schematisch angedeutet sein soll. In die CPU 17 wird
weiterhin ein Signal eines Zusammenstoßsensors 19 des Kraftfahrzeuges
eingespeist. Die CPU verwendet diese Signale, um ein Ausgangssignal
an eine Airbagauslöseeinheit 21 bzw.
an ein Kraftelement 23 zu geben, mit dessen Hilfe eine
Kraftbegrenzung in Abhängigkeit
des Insassengewichtes eingestellt werden kann.
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Die nur schematisch angedeuteten
Verbindungen zur ebenfalls nur schematisch angedeuteten CPU 17 und
die Elemente 19, 21 und 23 sind in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht
gesondert dargestellt.
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3a zeigt
in schematischer Darstellung die Funktionsweise eines für das erfindungsgemäße System
einsetzbaren magnetoresistiven Sensors 13. Der an sich
bekannte magnetoresistive Sensor 13 hat elektrische Anschlüsse 25 zur
Vermessung eines Widerstandssignales. Schematisch angedeutet ist durch
den Pfeil 27 ein Magnetfeld H, dessen Richtung durch den
Winkel a angegeben sein soll. Das externe Magnetfeld H wirkt auf
den magnetoresistiven Sensor 13. Bei Änderung des Winkels a, d.h.
der Richtung des Magnetfeldes H, ändert sich in an sich bekannter
Weise der Widerstand des magnetoresistiven Sensors 13.
Der Zusammenhang zwischen Magnetfeldrichtung a und dem Widerstand
des magnetoresistiven Sensors ist in 3b schematisch
dargestellt. Angegeben ist das Spannungssignal, das bei konstanter
Stromeinspeisung proportional zum Widerstand ist.
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In 4 ist
gezeigt, wie ein solcher magnetoresistiven Sensor wirkt, wenn er
sich entsprechend dem Pfeil 29 in Richtung x an einem Magnetelement 9 vorbei
bewegt, wobei seine Bewegung parallel zu der Verbindungslinie zwischen
Nord- und Südpol
ist. Das Permanentmagnetelement 9 erzeugt ein Magnetfeld,
das durch die Magnetfeldlinien 31 darstellbar ist. Als
fette Pfeile 33 sind einige lokale Magnetfeldrichtungen
entlang des Weges des Magnetfeldsensors 13 angegeben. Erkennbar
ist, daß sich
die Richtung des Magnetfeldes im Bezugssystem des magnetoresistiven
Sensors 13 bei dessen Weg an dem Magnetelement 9 vorbei
verändert.
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In 4b ist
wiederum das bei konstanter Stromeinspeisung dem Widerstand des
magnetoresistiven Elementes proportionale Spannungssignal entlang
des Weges x angegeben. Wie bereits aus der Anordnung der Magnetfeldlinien 31 in 4a erkennbar ist, ändert sich
in einem Bereich zwischen Nord- und Südpol des Magnetelementes 9 das
Signal im wesentlichen linear. Dieser Bereich ist mit 35 bezeichnet
und eignet sich daher besonders gut für eine genaue Messung.
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In 5a ist
eine alternative Ausgestaltung gezeigt, die eine höhere Empfindlichkeit
in dem linearen Bereich ermöglicht.
Zwei parallele Stabmagnete 91, 93 bilden das Magnetelement 90,
an dem sich in in der 5 in nicht dargestellter
Weise das magnetoresistive Sensorelement 13 in Richtung
x vorbei bewegt. Es entstehen stärker
gekrümmte
Magnetfeldlinien 95. In 5a sind
einige der entlang des Weges x auftretenden Magnetfelder wiederum
mit den Pfeilen 33 bezeichnet.
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5b zeigt
ein entsprechendes dem Widerstand des magnetoresistiven Sensors 13 bei
konstanter Stromeinspeisung proportionales Spannungsausgangssignal,
wobei die Steigung im im wesentlichen linearen Bereich steiler und
für eine
höhere
Empfindlichkeit geeigneter ist als in 4b.
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In den 4a und 5a ist die Bewegung des magnetoresistiven
Sensors 13 entlang des Magnetelementes 9, 90 in
waagerechter Richtung x gezeigt. Im Einsatz in einem erfindungsgemäßen System
findet die Relativbewegung zwischen magnetoresistivem Sensor 13 und
Magnetelement 9, 90 jedoch im wesentlichen vertikal
statt, wenn der Fahrzeugsitz besetzt wird.
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In 6 ist
ein Detail einer besonderen Ausführungsform
gezeigt. An dem Winkelträger 5,
der in nicht gezeigter Weise mit einem Fahrzeugsitz verbunden ist,
ist über
Befestigungen 74 ein Sensorträger 75 befestigt.
Dieser Sensorträger 75 besteht
z. B. aus Metall und hat eine Öffnung,
die von den gegenüberliegenden
und parallel angeordneten Blattfedern 71 und 73 eingeschlossen
wird. Die Verbindungslinien zwischen den Blattfedern 71 und 73 sind
mit 77 und 79 bezeichnet. Auf der der Befestigung 74 abgewandten
Seite des Sensorträgers 75 ist
dieser mit einer Schiene 87 verbunden, die am Chassis 7 des Kraftfahrzeuges
fest verbunden ist. Die Befestigung ist mit 89 bezeichnet. Dabei
ist die Befestigung 89 beweglich durch die Öffnung 88 in
dem Träger
hindurchgeführt.
Innerhalb der Ausnehmung in dem Sensorträger 75 ist über eine
Halterung bzw. eine Schaltplatine 83 (Printed Circuit Board)
das Sensorelement 13 z. B. über seine elektrischen Zuleitungen 25 befestigt.
Nur schematisch angedeutet sind Auswerte- und elektrische Verbindungselemente 85,
die hier nicht näher
beschrieben werden. Das Trägerelement 83 befindet
sich an der senkrechten Verbindungslinie 77 zwischen den
Blattfedern 71 und 73. Auf der gegenüberliegenden
senkrechten Seite 79 der Ausnehmung ist über ein weiteres Trägerelement 71 das
Magnetelement 90 befestigt, das z. B. entsprechend dem
in 5a gezeigten aufgebaut
sein kann.
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Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Systemes,
wie es z. B. in den 1 und 2 gezeigt ist, ist wie folgt.
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Eine Person 15 nimmt auf
dem Fahrzeugsitz 1 Platz. Daraufhin senkt sich der Sitz 1 mit
dem Träger 5 gegen
die Federkraft der Blattfeder 3 ab und die relative Lage
der Magnetelemente 9 und der magnetoresistiven Sensoren 13 verändert sich.
In der schematischen Darstellung der 4 entspricht
dies der Bewegung des magnetoresistiven Sensors 13 entlang
des Magnetelementes 9. Der Bewegungsspielraum, den die
Blattfedern 3 erlauben, ist so gewählt, daß sich der magnetoresistive
Sensor 13 und das Magnetelement 9 relativ zueinander
nur im linearen Bereich 35 zueinander bewegen. Die Richtung
des Magnetfeldes ändert
sich am Ort der magnetoresistiven Sensoren 13, so daß sich bei
konstanter Stromeinspeisung in das magnetoresistive Sensorelement 13 das
Spannungssignal linear verändert.
Das Ausgangssignal der magnetoresistiven Sensoren 13 wird an
die CPU 17 weitergeleitet. Diese kann aus der Signaländerung
feststellen, ob der Fahrzeugsitz 1 besetzt ist bzw. welcher
Belastung das Gewicht entspricht. Entspricht die Belastung z. B.
einer erwachsenen Person, so gibt die CPU 17 ein Signal
an die Airbagauslö seeinheit 21,
das diese im Falle eines Unfalles auslöst. Dies ist nur schematisch
dadurch angedeutet, daß der
Unfallsensor 19 ebenfalls mit der CPU 17 verbunden
ist. Im Falle eines durch den Unfallsensor 19 registrierten
Unfalles kann die CPU 17 das entsprechende Signal an die
Airbagauslöseeinheit 21 geben,
so daß der
Airbag auslöst,
falls die magnetoresistiven Sensoren 13 das Vorhandensein einer
ausreichenden Sitzbelastung gemeldet haben. Mit 23 ist
ein Kraftbegrenzer bezeichnet, der ebenfalls mit der CPU 17 in
Verbindung steht.
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Bei der besonders vorteilhaften Ausgestaltung,
wie sie schematisch in 6 gezeigt
ist, ist sichergestellt, daß sich
bei der Relativbewegung zwischen Sitz 1 und Chassis 7 das
Magnetelement 9 und der magnetoresistive Sensor 13 immer
parallel zueinander bewegen. Der mit dem Sitz 1 in nicht
gezeigter Weise verbundene Träger 5 bewegt
sich bei Belastung des Sitzes 1, ähnlich wie der Träger 5 in 1 gezeigt, nach unten. Über die
Verbindungen 74 überträgt sich
diese vertikale Bewegung auf den Sensorträger 75. Dieser ist
jedoch auf seinem gegenüberliegenden
Ende über
die Verbindung 89 mit der Schiene 87 verbunden, die wiederum
in nicht gezeigter Weise mit dem Chassis 7 des Kraftfahrzeuges verbunden
ist. Bei einer Vertikalbewegung des Trägers 5 gegen das raumfeste
Chassis 7 mit der Schiene 87 kommt es zu einer
Scherbewegung der zwei gegenüberliegenden
Teile des Sensorträgers 75.
Die Blattfedern 71 und 73 geben nach, wobei jedoch
die Seiten 77 und 79 der Öffnung
in dem Sensorträger zueinander
parallel bleiben. So ist gewährleistet,
daß auch
das Magnetelement 90 und der magnetoresistive Sensor 13 sich
in exakter Parallelität
zueinander bewegen, so daß das
Signal des magnetoresistiven Sensors durch die Änderung des Magnetfeldes an seinem
Ort sehr präzise
ist.