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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Abfrage des Verriegelungszustandes eines Gurtschlosses
für Fahrzeuge.
Die Abfragevorrichtung arbeitet mit einem Sensor, der eine Induktivitäts- oder
Koppelfaktoränderung
direkt misst.
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Aus dem Stand der Technik sind zur
Erkennung des Verriegelungszustandes von Gurtschlössern zwei
Prinzipien bekannt. Zum einem wurden elektromechanische Schaltkontakte
verwendet, die in ihrem Aufbau einen mechanischen Gurtschlossschalter
darstellen. Hierbei wird der Verriegelungszustand mit einem integrierten
Mikroschalter, einem Tastschalter oder einer Taste realisiert. Solche
Vorrichtungen sind z.B. aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 58 978 A1 bekannt.
Zum anderen werden in neuer Zeit hauptsächlich Hallsensor mit bewegten
Magneten eingesetzt. Solche Vorrichtungen sind z.B. aus dem europäischen Patent
EP 0 842 832 B1 ,
der Europäischen
Patentanmeldung
EP 0
861 763 A2 , der PCT Anmeldung WO 99/55561, sowie der Deutschen
Offenlegungsschrift
DE
100 58 978 A1 bekannt. Der Verriegelungszustand wird hierbei
entweder direkt oder indirekt über
den Auswerfer abgefragt. Der Aufbau ist durch die Kombination von Magnet
und der Bewegungseinrichtung für
den Magneten, z.B. einer Druckfeder, mehrteilig.
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Bei dem vorgenannten Lösungsansätzen treten
prinzipbedingte Probleme auf. Die herkömmlichen Systeme sind auf Grund
des Wirkprinzips empfindlich gegenüber störenden magnetischen Fremdfeldern.
Befindet sich beispielsweise ein elektrisches Gerät in der
Nachbarschaft des Gurtschlosses, so kann nicht ausgeschlossen werden,
dass ein störendes
magnetisches Fremdfeld das Magnetfeld des Hall-Sensors überlagert
oder ablenkt, der Gestalt, dass der Hall-Sensor den Zustand nicht
mehr richtig erkennt.
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Überdies
erlauben indirekte Abfragesysteme keine eindeutige Abfrage des Zustandes
des Verriegelungselementes, da sie indirekt angewendet werden. Falls
aus irgendeinem Grund, z.B. Verschleiß, Ermüdung oder Verschmutzung, das
Betätigungselement
für den
Sensor nicht funktioniert, kann der Sensor nicht den tatsächlichen
Zustand erkennen. Bricht beispielsweise die Betätigung des Auswerfers für den beweglichen
Magneten ab, so erkennt der Hall-Sensor einen dauerhaft geöffnetes
Gurtschloss. Ermüdet
die Druckfeder, so wird der bewegliche Magnet beim Entriegeln aus
seiner Position befördert und
der Hall-Sensor erkennt ein dauerhaft geschlossenes Gurtschloss.
Ebenso wird durch das Wirkprinzip kein eindeutiger und genauer Schaltpunkt
zu Verfügung
gestellt.
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Die Folgen einer fehlerhaften Erkennung
des Verriegelungszustandes könnte
z.B. die Nichtauslösung
eines Airbags im Fall eines Unfalls sein.
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Aufgabe der nachfolgend beschriebenen
Erfindung ist es, ein Abfragesystem zur Erkennung des Zustandes
des Verriegelungselements eines Gurtschlosses zur Verfügung zu
stellen, dass unempfindlich gegen starke statische magnetische Fremdfelder ist,
das Verriegelungselement direkt abfragt, und sich in ein Gurtschloss
integrieren lässt.
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Die Aufgabe wird durch ein Abfragevorrichtung
des Verriegelungselements eines Sicherheitsgurtschlosses gelöst, dass
einen einteiligen Sensor verwendet, der den Verriegelungszustand
eines Gurtschlosses direkt am Verriegelungselement detektiert. Hierzu
stehen zwei Wirkprinzipien zur Verfügung, zum einen kann eine Induktivitäts – zum anderen
eine Koppelfaktoränderung
verwendet werden
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Erfindungsgemäß wird eine Induktivitätsänderung
durch Wechselwirkung eines der nachfolgend genannten Materialien
mit einem Sensor bewirkt, aus der eine Aussage über den Verriegelungszustand
gemacht werden kann, da die Induktivitätsänderung durch Verriegelung
der Gurtzunge im Gurtschloss direkt abgefragt wird.
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Zur Änderung der Induktivität können prinzipiell
diamagnetische, paramagnetische als auch ferromagnetische Stoffe
verwendet werden. Je nach Wahl des Materials ergeben sich unterschiedlich starke
und unterschiedliche Effekte. Wird ein diamagnetisches Material
verwendet, so sinkt die Induktivität. Wird ein paramagnetisches
Material verwendet, so steigt die Induktivität. Bei Verwendung von ferromagneitschen
Materialien steigt die Induktivität sogar stark an.
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Alternativ kann auch statt der Änderung
der Induktivität
die Änderung
des magnetischen Kopplungsfaktors k zweier verkoppelter Spulen verwendet werden.
Der Kopplungsfaktor k beschreibt dabei das Verhältnis der magnetischen Kopplungen
zwischen zwei elektrischen Schaltkreisen 1 und 2.
Für den Kopplungsfaktor
zwischen zwei elektrischen Schaltkreisen mit den Induktivitäten L1 und L2 und der
Gegeninduktivität
M12 gilt die folgende Formel.
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Zur Änderung des Kopplungsfaktors
k können
prinzipiell diamagnetische, paramagnetische als auch ferromagnetische
Stoffe verwendet werden. Je nach Wahl des Materials ergeben sich
unterschiedlich starke und unterschiedliche Effekte. Wird ein diamagnetisches
Material verwendet, so steigt der Kopplungsfaktor k. Wird ein paramagnetisches
Material verwendet, so sinkt der Kopplungsfaktor k. Bei Verwendung
von ferromagneitschen Materialien sinkt der Kopplungsfaktor k sogar
stark ab.
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Die vorbeschriebenen Wirkungen sind
dabei statischer Natur und ermöglichen
daher eine präzise Zustandserkennung.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
eingehend erläutert.
Im folgenden zeigt:
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1 ein
verriegeltes Sicherheitsgurtschloss aus dem Stand der Technik;
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2 ein
entriegeltes Sicherheitsgurtschloss aus dem Stand der Technik;
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3 eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßes verriegeltes
Sicherheitsgurtschloss, wobei
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3a einen
Seitenansicht,
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3b eine
Aufsicht mit der Schnittlinie B-B und
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3c eine
Seitenansicht entlang der Schnittlinie B-B ist;
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4 eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßes entriegeltes
Sicherheitsgurtschloss, wobei
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4a einen
Seitenansicht,
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4b eine
Aufsicht mit der Schnittlinie A-A und
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4c eine
Seitenansicht entlang der Schnittlinie A-A ist;
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5 eine
Sensorschaltung nach dem Oszillatorprinzip;
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6 eine
Ausführungsform
einer Sensorschaltung;
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Aus der Darstellung gemäß 1 und 2 ist die Wirkweise eines Sicherheitsgurtschloss
aus dem Stand der Technik ersichtlich. Im folgenden wird zuerst
der verriegelte Zustand in 1 beschrieben.
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Das Gurtschloss besteht aus einem
Gurtschlossträger
(1) und einer Gurtschlosszunge (2). Der Gurtschlossträger (1)
weist einen integrierten Auswerfer (3) und ein Verriegelungselement
(7) auf. Zwischen dem Auswerfer (3) und einer
Druckfeder (4) befindet sich ein beweglicher Magnet (5).
Der Magnet (5) ist so angeordnet, das seine Position gegenüber einem
geeignet angebrachten Hall-Sensor (6) mittels des Auswerfer
(3) und der Druckfeder (4) verändert werden kann.
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Zum Verriegeln wird die Gurtschlosszunge (2)
in den Gurtschlossträger
(1) gemäß 1 eingeführt. Gleichzeitig wird damit
die Position des Auswerfers (3) verändert. Das Verriegelungselement
(7) verriegelt sich. Der Auswerfer (3) wiederum
verändert
die Position des beweglichen Magneten (5), der nun gegen
die Federkraft der Druckfeder (4) bewegt wird. Diese Positionsänderung
des beweglichen Magnets (5) erkennt ein geeignet angeordneter Hall-Sensor
(6) als Felddichtenänderung
und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches den Verriegelungszustand
signalisiert.
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Wird das Verriegelungselement (7)
entriegelt, so kann die Gurtschlosszunge (2) aus dem Gurtschlossträger (1)
gemäß 2 herausgezogen werden.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Druckfeder verändert die
Position des Auswerfers (3). Weiterhin verändert die
gespannte Druckfeder (4) die Position des beweglichen Magneten
(5). Ein geeignet angeordneter Hall-Sensor (6)
erkennt diese Positionsänderung
des beweglichen Magnets (5) als Felddichtenänderung
und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches den Entriegelungszustand
signalisiert.
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Dieses Ausgangssignal kann in einem
geeigneten Steuergerät
weiter verarbeitet werden.
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Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erkennung des Zustandes eines Gurtschloss entsprechend den 3a–3c und 4a–4c beschrieben.
Die vorliegende Erfindung löst
die vorgenannten Probleme durch Verwendung eines Sensors zur direkten
Abfrage des Zustandes eines Gurtschloss. Insbesondere lassen sind
mit der Vorrichtung genaue Schaltpunkte zu realisieren und lassen
sich die Kosten minimieren.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des
Gurtschlosses besteht aus einem Gurtschlossträger (1) und einer
Gurtschlosszunge (2). Der Gurtschlossträger (1) weist einen
integrierten Auswerfer (3), ein Verriegelungselement (7),
eine Blattfeder (8), sowie einen Sensor (9) auf.
Der Sensor (9) ist z.B. auf eine gedruckte Schaltungrealisiert.
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Weiterhin besteht entweder die Verriegelungselement
(7) oder die Blattfeder (8) oder beide aus einem
entsprechenden, die Induktivität
oder den Kopplungsfaktor verändernden,
Material.
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Im folgenden wird die Vorrichtung
an Hand einer Induktivitätsänderung
beschreiben.
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Zum Verriegeln wird die Gurtschlosszunge (2)
in den Gurtschlossträger
(1) einer erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Gurtschloss gemäß 3a–3c eingeführt. Das
Verriegelungselement (7) verriegelt sich und die Blattfeder
(8) wird vom Sensor (9) weg bewegt wie in 3c gezeigt. Diese Positionsänderung
der Blattfeder (8) wird vom Sensor (9) erkannt
und eine geeignete Auswerteschaltung erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal,
welches den Verriegelungszustand signalisiert.
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Wird das Verriegelungselement (7)
entriegelt, so kann die Gurtschlosszunge (2) aus dem Gurtschlossträger (1)
gemäß 4a–4c herausgezogen werden.
Die gespannte Blattfeder (8) bewegt sich auf den Sensor
(9) zu, wie in 4c gezeigt.
Diese Positionsänderung
der Blattfeder (8) wird vom Sensor (9) erkannt
und eine geeignete Auswerteschaltung erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal,
welches den Verriegelungszustand signalisiert.
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Das elektrische Ausgangssignal kann
in einem geeigneten Steuergerät
weiter verarbeitet werden.
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Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer Sensoraufbau
erläutert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird, wie in (5) dargestellt,
ein planarer induktiven Sensor L(x) auf einer Leiterplatte aufgebracht.
Die Induktivität
ist als mehrwindigen Leiterschleife planar auf einer gedruckten
Schaltung aufgebracht. Solche Sensoren sind z.B. in der Deutschen
Patentanmeldung 102 423 85 der Anmelderin beschrieben. Hierbei ändert sich
die Induktivität
L in Abhängigkeit
des Abstandes x eines geeigneten Betätigungselementes zur Induktivität L. In
der vorliegenden Erfindung wird über
das Verriegelungselement (7) die Blattfeder (8)
betätigt.
Je nach Position x der Blattfeder (8) relativ zur Sensor
(9) ändert
sich nun die Induktivität
L der Sensor 9.
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Der Sensor (9) wird dabei
zwischen dem Gurtschlossträger
(1) und der Blattfeder (8) angeordnet und mit
dem Träger
verbunden. Der Gurtschlossträger
(1) selbst weist an der Position des Sensors sowie in geringem
Abstand von z.B. 2 mm relativ zur Fläche des Sensors (9)
eine Aussparung auf, wodurch induktiven Kreisströme unterdrückt werden können.
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Das Signal des Sensors (9)
kann nun in einer im folgenden beschriebenen Auswerteschaltung verarbeitet
werden.
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Die Änderung der Induktivität L(x) kann
z.B. durch eine einfache LC-Oszillatorschaltungen
ausgewertet werden. Eine solche Schaltung ist schematisch in (5) dargestellt und weist
einen invertierenden Verstärker
V, einen Widerstand R, zwei Keramikkondensatoren C1 und
C2, sowie die Induktivität L(x) auf. Die Induktivität ist z.B.
als gedruckte Schaltung mit einer unbedämpften Induktivität von 1 μH realisiert.
Hierbei bilden die Kondensatoren C1 und
C2 sowie die Induktivität L(x) ein p-Glied, und der
Ausgang des p-Gliedes wird auf den invertierenden Verstärker V zurückgekoppelt.
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Solche LC-Oszillatorschaltungen müssen eine
Amplituden- und eine Phasen – Bedingungen
erfüllen
(Vgl. Tietze/Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik; Springer Verlag,
Berlin, 10. Auflage Kapitel 15.1 ff) damit die Oszillatorschaltung
zum einen anschwingt und zum anderen stabil weiterschwingt:
- 1. Die Schleifenverstärkung der gesamten Schaltung
muss größer als
eins sein.
- 2. Die Spannung U4 muss selbst bei unterbrochenem
Rückkoppelzweig
gleichphasig mit der Spannung U1 sein.
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Man nennt die erste Bedingung die
Amplitudenbedingung und die zweite Bedingung die Phasenbedingung
der Oszillatorschaltung.
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Im Resonanzfall des π-Gliedes
sind die Spannungen U3 und U4 gegenphasig.
Der invertierende Verstärker
V verschiebt die Spannung bei geschossenem Rückkoppelzweig nochmals um 180°, und damit
sind bei geringem Widerstand R die Spannungen U2 und
U3 in Phase. Somit ist die Phasenbedingung
ist erfüllt.
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Bei geringem Widerstand R, einer
Verstärkung
V, die größer als
2 ist, und bei einem ausreichend großem Eingangswiderstand des
invertierenden Verstärkers
ist auch die Amplitudenbedingung erfüllt.
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Die Amplitude der Spannung U2 wir durch den invertierenden Verstärker V um
den Faktor „–V" gegenüber der
Amplitude der Spannung U1 verstärkt. Ist
die Kreisgüte
des π-Gliedes
hoch, so sind die Amplituden der Spannungen U3 und
U4 annähernd gleich.
Wenn der Widerstand R gering ist, so ist auch der Spannungsabfall über den
Widerstand R klein und damit ist die Amplitude der Spannung U2 größer als
die Amplitude der Spannung U3.
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Durch Erhöhung des Widerstandwertes R können die
Schwingungsbedingungen des Oszillatorschaltung verletzt werden.
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Der Widerstand R und der Kondensator
C1 bilden ein RC-Glied. Durch Erhöhung des
Widerstandwertes R entsteht hierdurch zwischen den Spannungen U2 und U3 ein zusätzlicher
Phasenverschiebung. Erreicht die Phasenverschiebung eine gewisse
Größe, so wird
die Phasenbedingung verletzt und die Oszillation bricht ab. Dieser
Punkt wird spätestens
dann erreicht, wenn die Spannungen U1 und
U4 bei unterbrochener Rückkoppelung in die Gegenkopplung
laufen.
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Ebenso wird durch ein höheren wert
des Widerstandes R ein höherer
Spannungsabfall am Widerstand R hervorgerufen. Die Amplitude der
Spannung U3 sinkt. Sinkt das Verhältnis der
Spannungsamplituden U2 zu U3 unter
den Verstärkungsgrad
V, so sinkt die Schleifenverstärkung
unter 1 und damit wird die Amplitudenbedingung verletzt.
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In einer Ausführungsform der Oszillatorschaltung
wird der Widerstand R bei geschlossenem Gurtschloss (1)
so eingestellt, dass der Oszillator stabil schwingt. Wird das Gurtschloss
(1) geöffnet,
nähert
sich die Blattfeder dem Sensor an und die Induktivität L(x) wird
dabei verringert. Die Resonanzfrequenz des π-Gliedes steigt. Der Oszillator
schwingt auf einer höheren
Frequenz.
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Die Änderung der Frequenz des Oszillators kann
zur Auswertung des Verriegelungszustandes eines Gurtschlosses verwendet
werden. Wird beispielsweise ein Mikrocontroller (μC) an den
Ausgang des π-Gliedes
angeschlossen, so kann die Frequenz der Spannung U4 gemessen
werden. Hierbei wird eine Schwelle festgelegt die zwischen den Zuständen „geschlossen" und „geöffnet" des Gurtschlosses liegt. Ändert sich
die Frequenz über
diese Schwelle, signalisiert der Mikrocontroller dies über einen
Datenbus oder über
ein anderes geeignetes analoges Signal.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform
der Oszillatorschaltung wird der Zustand des Gurtschlosses über den
Zustand der Oszillation ausgewertet.
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Durch eine Frequenzerhöhung erhöht sich auch
die Phasenverschiebung des RC-Gliedes. Hierdurch wird bei geeigneter
Dimensionierung die Phasenbedingung der Oszillatorschaltung nicht
mehr erfüllt
und die Schwingung bricht ab.
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Weiterhin kann durch geeignete Dimensionierung
der Bauteile kann das Abreißen
der Schwingung durch die Nichterfüllung der Amplitudenbedingung
hervorgerufen werden.
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Werden Invertern mit einer frequenzabhängige Verstärkung verwendet,
wie z.B Inverter der Baureihe 74HCU04, so fällt die Verstärkung bei
Frequenzen oberhalb von 12 MHz stark ab.
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Nähert
sich die Blattfeder (8) dem Sensor (9) an, so
erhöht
sich beispielsweise die Frequenz stark. Da die Frequenz stark steigt
fällt die
Verstärkung stark
ab. Bei einem geeignet groß dimensionierten Widerstand
R wird die Schleifenverstärkung
kleiner als 1, und die Schwingung reißt ab.
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Durch eine einfache nachgeschaltete
Differenziererschaltung kann erkannt werden, ob der Oszillator noch
schwingt. Der Zustand der Oszillation und damit des Gurtschlosses
(1) kann dann z.B. über eine
LED angezeigt, einen Warntongemeldet oder aber durch ein digitales
Signal an eine Steuerung weitergegeben werden.
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Die vorgenannten Schaltungen stellen
bezüglich
der Änderung
der Induktivität
ein Eintor dar.
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In einer weitem alternativen Ausführungsform
des Sensors (
9) kann auch, wie in
(6) schematisch dargestellt und in der
Deutschen Patentanmeldung
DE
101 25 278 der Anmelderin beschrieben, statt der Änderung
der Induktivität
auch die Änderung
des magnetischen Kopplungsfaktors zweier verkoppelter planar aufgebrachter
Spulen durch die Annäherung
der Blattfeder (
8) realisiert werden. Diese Schaltung stellt
bezüglich
der Änderung
der Induktivität
ein Zweitor dar.
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Eine entsprechende Sensorschaltung
weist folgende in (6) dargestellten
Komponenten auf: eine Hochfrequenzstromquelle Q∼, eine Erregerspule E, eine
Sensorspule S, einen Verstärker
V, einen Amplitudendetektor D und einen Regler A.
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Die Stromquelle Q∼ erzeugt einen hochfrequenten
Wechselstrom, der durch die Erregerspule E geleitet wird. Dieser
Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld H1,
das in der Sensorspule S eine Induktionsspannung induziert. Die
Amplitude der Spannung ist unter anderem vom Kopplungsfaktor abhängig. Diese
Induktionsspannung wird von einem Verstärker V verstärkt und
an den Amplitudendetektor D weitergeleitet. Der Amplitudendetektor
D erzeugt ein Gleichspannungssignal, das bis auf einen Offset der
Amplitude der Induktionsspannung entspricht. Dieses Gleichspannungssignal
wird vom Regler A weiter ausgewertet. Sinkt das Gleichspannungssignal
unter einen bestimmten Wert, so ist das Gurtschloss geöffnet.
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Beispielsweise kann die Hochfrequenzstromquelle
Q∼ einen
Strom von ca. 2 mA bei einer Frequenz von 12 MHz liefern. In der
Sensorspule S werden dann z.B. 100 mVpp induziert.
Der Regler A kann z.B. durch ein Schaltregler realisiert werden, der
das Absinken des Gleichspannungssignals unter einen bestimmten Schwellwert über einen
Bus oder über
ein analoges Signal anzeigt. Der Sensor kann aus zwei mehrwindige
Leiterschleifen E und S aufgebaut sein, wobei die Leiterschleifen
konzentrisch, bifilar und planar auf einer gedruckten Schaltung
aufgebracht sind.
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Wird das Gurtschloss (1)
geöffnet,
befindet sich die Blattfeder (8) in geringem Abstand zur
Leiterplatte mit dem Sensor (9) und dämpft die induktive Kopplung
von Erreger und Sensorspule. Dadurch sinkt die Induktionsspannung.
Dies führt
zu einer geringeren Gleichspannung am Ausgang des Amplitudendetektors
D und zu einem Umschalten des Reglers A.
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Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des
Sensors als auch geeigneter Auswerteschaltungen dienen der Illustration.
Weiter Ausführungsformen
zur Verwendung des induktiven Prinzips, Variationen der Materialien,
als auch geeigneter Auswerteschaltungen erschließen sich dem Fachmann sofort.
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- 1
- Gurtschlossträger
- 2
- Gurtschlosszunge
- 3
- Auswerfer
- 4
- Druckfeder
- 5
- Beweglicher
Magnet
- 6
- Hall-Sensor
- 7
- Verriegelungselement
- 8
- Blattfeder
- 9
- Sensor
- V
- Verstärker
- R
- Widerstand
- C
- Kondensator
(C1, C2)
- L(x)
- Induktivität
- Q∼
- Hochfrequenzstromquelle
- E
- Erregerspule
- S
- Sensorspule
- D
- Amplitudendetektor
- A
- Regler