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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Sitzlasterkennung
für einen
Fahrzeugsitz.
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Kraftfahrzeuge
sind zur Erhöhung
der Sicherheit der Fahrzeuginsassen u.a. mit Sicherheitsgurten und
Airbags ausgerüstet.
Zuletzt wurden zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Sicherheitsgurtes
oder des Airbags Vorkehrungen getroffen, die Funktionsweise des
Sicherheitsgurtes und/oder des Airbags in Abhängigkeit von dem Gewicht, der
Größe und der
Sitzposition des Fahrzeuginsassen zu steuern. Zum Beispiel kann
die Gasentwicklungsmenge oder -geschwindigkeit des Airbags oder
die Vorspannung des Sicherheitsgurtes entsprechend Gewicht, Größe und/oder
Sitzposition des Fahrzeuginsassen eingestellt werden. Auch kann
das Auslösen
des Airbags vollständig
unterbunden werden, falls festgestellt wird, dass sich zum Beispiel
auf dem Beifahrersitz ein Kindersitz befindet. Zu diesem Zweck ist
es erforderlich, mittels geeigneter Vorrichtungen das Gewicht und
die Position eines auf dem Fahrzeugsitz sitzenden Fahrzeuginsassen
zu ermitteln. Je nach Bauart des Fahrzeugsitzes sind hierzu aus
dem Stand der Technik bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt.
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Zum
Beispiel ist es aus der
DE
100 35 483 A1 bekannt, an jedem von insgesamt vier Halterungsstegen
in den vier Ecken eines Fahrzeugsitzes einen Kraftaufnehmer vorzusehen.
Die Gewichtskraft eines auf dem Fahrzugsitz sitzenden Fahrzeuginsassen
wird jeweils über
ein Krafteinleitungselement auf den Kraftaufnehmer übertragen,
welcher jeweils einen Dehnungskörper
aufweist, dessen durch die Gewichtskraft des Fahrzeuginsassen verursachte
Scherung mittels Dehnungsmessstreifen ausgewertet wird. Der Dehnungskörper ist
dabei derart in dem Kraftaufnehmer integriert, dass die auf den
Dehnungskörper
wirkenden Schwerkräfte
ausschließlich durch
die Gewichtskraft des Fahrzeuginsassen bewirkt und zusätzliche
Querkräfte
vermieden werden. Weitere Sensoren, die ebenfalls eine elastische
Verformung eines entsprechenden Elements bei einer Gewichtsbelastung
des Fahrzeugsitzes mittels geeigneter Messaufnehmer erfassen, sind
zum Beispiel aus den Druckschriften
DE 199 25 877 A1 ,
DE 100 11 371 A1 ,
DE 100 36 479 A1 ,
WO 00/16054 und
US 6,069,325 bekannt.
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Ferner
sind aus den US-Patenten Nr. 5,905,210 und Nr. 6,134,947 Sensoren
zur Sitzlasterkennung bekannt, die auf der Ausnutzung eines gelegentlich
als Villari-Effekt bezeichneten Phänomens, d.h. der Veränderung
der magnetischen Permeabilität
einiger Materialien bei Aufprägung
einer mechanischen Belastung, beruhen. Die Sensoren nutzen eine
derartige Veränderung
aus, indem ein Wechselstrom in einer Erregerspule in einer zugeordneten Messspule
ein Spannungssignal induziert, das von einem ferromagnetischen Element
beeinflusst wird. Eine mechanische Belastung dieses ferromagnetischen
Elements zum Beispiel bei einer Gewichtsbelastung eines Fahrzeugsitzes
verändert
die magnetische Permeabilität
dieses Elements und damit auch das in der Messspule induzierte Spannungssignal. Die
Veränderung
des induzierten Spannungssignals ist ein Maß für die Belastung des ferromagnetischen Elements
und damit auch für
die Gewichtsbelastung des Fahrzeugsitzes.
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Die
DE 100 04 484 A1 offenbart
einen Sensor zur Sitzlasterkennung, der zwischen dem Fahrzeugsitz
und dem Fahrzeugunterteil montiert ist. Die Sensoranordnung enthält zwei
voneinander beabstandete Montierglieder am Fahrzeugsitz bzw. Fahrzeugunterteil,
die sich bei einer Gewichtsbelastung des Fahrzeugsitzes relativ
zueinander so bewegen, dass sich ihr gegenseitiger Abstand verändert. Zwischen
den beiden Montiergliedern ist ein Sensorelement angeordnet, das
den Abstand bzw. die Relativposition zwischen den beiden Montiergliedern
mittels Reluktanzmessung erfasst. Das Sensorelement umfasst hierzu
zwei ferromagnetische Kernglieder mit Spulenwicklungen an jeweils
einem der Montierglieder, wobei die eine Spulenwicklung mit einem
Oszillatorkreis für
die Zuführung
von Wechselstrom und die andere Spulenwicklung mit einem Demodulatorkreis
zur Demodulation der in der Spulenwicklung induzierten Signale verbunden
ist. Aus dem demodulierten Spannungssignal kann auf den aktuellen
Abstand der beiden Montierglieder und damit auf die Gewichtsbelastung
des Fahrzeugsitzes geschlossen werden.
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Weiter
beschreibt die
DE
100 46 606 A1 einen Fahrzeugsitz mit einer Sitzlasterkennung,
bei dem der Fahrzeugsitz einen Dreipunkt-Stützaufbau mit einer vorderen
mittigen Stützstelle
und zwei hinteren seitlichen Stützstellen
aufweist. An jeder der drei Stützstellen
ist eine Lastaufnahmevorrichtung vorgesehen, die über einen
gemeinsamen, mit allen drei Lastaufnahmevorrichtungen verbundenen
Lastübertragungsmechanismus
mit einer einzelnen Messdose verbunden sind. Während dieser Fahrzeugsitz mit
einer geringeren Anzahl an Sensoren (eine einzige Messdose) auskommt,
erfordert diese Sitzlasterkennung jedoch einen relativ aufwändigen Lastübertragungsmechanismus.
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Eine
weitere Einrichtung zur Sitzlasterkennung ist in der
DE 199 47 733 A1 beschrieben.
Diese Einrichtung weist mehrere Kraft-Momenten-Sensoren auf, die
in die Sitzpolsterung eines Fahrzeugsitzes integriert sind und die
translatorischen und/oder rotatorischen Auslenkungen bei Belastung
des Fahrzeugsitzes aufnehmen und auswerten. Während dieses System für beliebige
Fahrzeugsitze unabhängig von
deren Bauart und Sitzverstellvorrichtung verwendbar ist, ist in
diesem Fall eine große
Anzahl von Sensoren erforderlich und die Integration der Sensoren
in den Fahrzeugsitz ist relativ aufwändig.
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Ausgehend
von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Sensor zur Sitzlasterkennung für einen Fahrzeugsitz vorzusehen,
der besonders einfach aufgebaut und mit minimalen Änderungen
in bestehende Konstruktionen von Fahrzeugsitzen integrierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Sensor zur Sitzlasterkennung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Der
Sensor weist ein Statorelement aus einem Material mit magnetischen
Eigenschaften, das an einem Fahrzeugsitz oder dessen Befestigungskonstruktion
angebracht ist, ein Spulenelement, das an dem Fahrzeugsitz oder
dessen Befestigungskonstruktion angebracht und das relativ zu dem
Statorelement beweglich angeordnet ist, auf. Um eine Gewichtsbelastung
des Fahrzeugsitzes zu erfassen, ist eines der beiden Elemente von
Statorelement und Spulenelement ortsfest angebracht, während das
andere Element von Statorelement und Spulenelement bei einer Gewichtsbelastung
des Fahrzeugsitzes relativ zu dem einen Element verschoben wird.
Es ist möglich,
dass im oder ortsnah zum Sensor eine Messeinrichtung zur Erfassung
und/oder Auswertung eines in dem Spulenelement bei einer Relativbewegung
zwischen Stator- und Spulenelement induzierten Spannung angeordnet
ist. Die Messeinrichtung kann auch den aufgrund der Spannung fließenden Strom
erfassen.
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Mit
dem Sensor der vorliegenden Erfindung wird die Gewichtsbelastung
des Fahrzeugsitzes mittels des physikalischen Prinzips der elektromagnetischen
Induktion erfasst, indem durch eine Relativbewegung eines magnetischen
Elements (Statorelement) und eines elektrischen Leiters (Spulenelement)
zueinander, die durch die Gewichtsbelastung des Fahrzeugsitzes verursacht
wird, in dem elektrischen Leiter eine Spannung induziert wird, die
durch eine entsprechende Messeinrichtung erfasst und dann ausgewertet
werden kann. Der Sensor benötigt einerseits
im Gegensatz zu vielen Sensoren des Standes der Technik keine Energiezufuhr
(z. B. in Form eines Wechselstroms). Zur Auswertung des Sensorsignals
ist andererseits nur eine einfache Messeinrichtung zur Erfassung
einer Spannung notwendig. Daher ist der Sensor der Erfindung bei
einem relativ einfachen Aufbau zur Erfassung der Gewichtsbelastung
eines Fahrzeugsitzes geeignet. Aufgrund der geringen Anzahl von
Komponenten, die für
den Aufbau dieses Sensors benötigt
werden, ist er außerdem
sehr einfach in bestehende Konstruktionen von Fahrzeugsitzen integrierbar,
ohne dass wesentliche Änderungen
daran vorgenommen werden müssen.
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Als
weiterhin wesentlich wird angesehen, das die erfindungsgemäße Anordnung
des Sensors zu keiner oder nur zu geringfügigen Änderungen der Sitzhöhe führt. Der
Einbau und die Einfügung
in die Sitzkonstruktion ist derart gewählt, dass ein Federelement
ein üblicherweise
verwendetes Distanzstück (Teppichabweiser)
ersetzt. Dabei sind die Höhenverhältnisse
so gewählt,
dass der in einem Fahrzeug verwendete Bodenbelag in etwa mit dem
vorher verwendeten Distanzstück
abschließt.
Ein Bodenbelag lässt
sich somit auf einfache Weise um bzw. unter den Fahrzeugsitz ohne
Verdeckung mechanisch funktioneller Elemente einlegen bzw. einbauen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der sogenannte
Hüftpunkt
einer Testperson bei Fahrzeugen mit und ohne Sitzsensor nicht oder
nur unwesentlich verändert
wird, d. h. die Testperson sitzt auf gleicher Höhe mit und ohne Sensor. Aus
dem Stand der Technik (z. B.
EP 1 028 867 B1 ) sind Gewichtssensoren bekannt,
deren Einbau zwischen Sitz und Fahrzeugkarosserie zu einer Anhebung
des Sitzes und damit auch des Hüftpunktes
der Testperson führt.
Dieses hat Nachteile, da hiermit sämtliche Konstruktionsmerkmale,
wie z. B: durchschnittliche Sitzhöhe, Pedalabstand, Abstand zum
Lenkrad etc. verändert
werden. In manchen Fahrzeugen ist der Einbau eines Gewichtssensors
aus dem Stand der Technik auch nicht möglich, da beispielsweise der
Abstand Sitz-Fahrzeugdachhimmel
zu gering würde und
erhebliche Komforteinbußen
der Fahrzeuginsassen mit sich brächte.
Die vorgestellte Erfindung ist auch vorteilhaft bei der Fertigung
und Auslieferung von Fahrzeugen, da die Einbauhöhe der Sitze mit und ohne Sitzsensor
beider Fahrzeuge gleich (tief) ist.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, dass der ganze oder zumindest ein Teil des Sensors
in einem Sitzbereich angeordnet ist, in dem der Sensor nicht zur
Veränderung
der Sitzhöhe
beisteuert. Dieses ist in 3 und 4 erkennbar, wobei Teile
des Sensors in der Bodenschiene angeordnet sind, wo sie ein vorher
noch nicht genutztes Volumen ausnutzen. Es ist denkbar, den Sensor
komplett in diesen Bauraum zu verlagern, z. B. mit weiteren Distanzstücken oder
-ringen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Statorelement in Form
eines kurzen Rohres bzw. einer Hülse
ausgebildet, und das Spulenelement ist eine kreisförmige Spulenanordnung,
welche das Statorelement umgibt oder welche zumindest teilweise innerhalb
des Statorelements beweglich angeordnet ist. Wenn das Spulenelement
zumindest teilweise innerhalb des Statorelements (z. B. über schlitzförmige Aussparungen)
angeordnet ist, dann besitzt der Sensor durch die Statorhülse quasi
eine äußere, nicht
bewegte Schutzhülle.
Dies kann z. B. vorteilhaft Verschmutzungen abhalten. Es ist auch
denkbar, das die Statorhülse
zinnen- oder rasterförmige
Aussparungen aufweist, um die die Spulenelemente laufen und somit
teilweise innerhalb des Statorelements angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist der Sensor zwischen dem Fahrzeugsitz und einer Bodenschiene
des Fahrzeugsitzes vorgesehen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist das Spulenelement fest mit der Bodenschiene des
Fahrzeugsitzes verbunden, die Bodenschiene ist auf einem Federelement
derart gelagert, dass die Bodenschiene bei einer Gewichtsbelastung des
Fahrzeugsitzes gegen die Kraft des Federelements abgesenkt wird,
und das Statorelement ist unabhängig
von einer Gewichtsbelastung des Fahrzeugsitzes ortsfest mit einem
Teil der Fahrzeugkarosserie verbunden.
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Der
Sensor der Erfindung wird vorzugsweise an den vier Anbindungspunkten
zur Karosserie eines Fahrzeugsitzes angeordnet.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Darin zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung
des Unterbaus eines typischen Fahrzeugsitzes, der mit Sensoren zur
Sitzlasterkennung gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet werden kann;
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung
eines Sensors gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine perspektivische Darstellung
des an der Befestigungskonstruktion des Fahrzeugsitzes montierten
Sensors von 2; und
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4 eine schematische Schnittdarstellung des
an der Befestigungskonstruktion des Fahrzeugsitzes montierten Sensors
zur Erläuterung
der Funktionsweise des Sensors zur Sitzlasterkennung.
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In 1 ist zunächst der
Unterbau eines typischen Fahrzeugsitzes dargestellt. Der Fahrzeugsitz
weist üblicherweise
ein Sitzteil, eine Rückenlehne
und eine an der Rückenlehne
angebrachte Kopfstütze
auf. Der Sitzteil besteht aus einer auf einem Sitzteilrahmen 1 befestigten
Sitzschale 2, die nach oben durch ein Sitzpolster (nicht
dargestellt) abgedeckt wird. Der Sitzteilrahmen 1 ist über ein
vorderes Schwingenpaar 3 und ein hinteres Schwingenpaar 4 auf
einem Schienenpaar 5 befestigt. Die vorderen Schwingen 3 und
die hinteren Schwingen 4 sind dabei jeweils über eine
Querwelle 6 miteinander verbunden. Obwohl nicht näher dargestellt,
kann der Fahrzeugsitz darüber
hinaus auch mit verschiedenen Einstellvorrichtungen zum Beispiel
zur Einstellung der Sitzhöhe
oder Sitzneigung versehen sein.
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Das
Schienenpaar 5 des Fahrzeugsitzes ist verschiebbar in Bodenschienen 7 geführt, die
an einem Karosserieteil (s. 4)
des Fahrzeugs in dessen Bodenbereich befestigt sind. Der Fahrzeugsitz ist
an seinen vier Anbindungspunkten zur Karosserie jeweils mit einem
Sensor 9 zur Sitzlasterkennung versehen (siehe Pfeile in 1). In der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensoren ersetzen
diese Sensoren die bisher bei der Montage des Fahrzeugsitzes eingesetzten
Distanzstücke
(sogenannte Teppichabweiser), so dass die Sensoren ohne Veränderungen
des bisherigen Aufbaus des Fahrzeugsitzes bzw. dessen Befestigungskonstruktion
eingesetzt werden können.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise der Sensoren 9 werden nachfolgend
anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Die
Hauptbestandteile des Sensors 9 der Erfindung, der in 2 in Explosionsdarstellung
erkennbar ist, sind ein Statorelement 10, das aus einem
Material mit magnetischen Eigenschaften und in der Form eines kurzen
Rohres bzw. einer Hülse
ausgebildet ist, und ein Spulenelement 11, das in der Form
einer ringförmigen
Spulenanondnung ausgebildet ist, welche das Statorelement 10 umgibt.
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Der
Sensor 9 ist im Bereich der Befestigungskonstruktion des
Fahrzeugsitzes, genauer im Bereich der Befestigung der Bodenschienen 7 an
der Fahrzeugkarosserie 8, auch oft als Konsole oder Sitzquerträger bezeichnet,
angeordnet. Die Bodenschienen 7 sind u.a. in den vier Anbindungspunkten zur
Karosserie des Fahrzeugsitzes mit Befestigungsschrauben 12 an
der Fahrzeugkarosserie 8 befestigt. Das Karosserieteil 8 ist üblicherweise
durch einen Bodenbelag 17 wie zum Beispiel einem Teppich überdeckt.
Wie insbesondere in den 2 und 4 zu erkennen, ist die Befestigungsschraube 12 hierbei durch
eine entsprechende Bohrung 13 in der Bodenschiene 7 geführt. Die
Bohrung 13 in der Bodenschiene 7 ist dabei derart
bemessen, dass sich auch das hülsenförmige Statorelement 10,
das über
die Befestigungsschraube 12 geschoben ist, durch die Bohrung 13 erstreckt.
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Das
Spulenelement 11 ist im eingeschraubten Zustand der Befestigungsschrauben 12 fest
mit der Bodenschiene 7 verbunden und um die Bohrung 13 in
der Bodenschiene 7 herum angeordnet, so dass das Spulenelement 11 das
hülsenförmige Statorelement 10 umgibt.
Die elektrischen Anschlüsse
des Spulenelements 11 zur Aufnahme von in dem Spulenelement
induzierten Spannungssignalen sind der Einfachheit halber in den
Zeichnungen weggelassen.
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Mit
der Bodenschiene 7 ist außerdem ein Federelement 14 (s. 2 bis 4) mittels geeigneter Befestigungselemente 15,
wie beispielsweise Nieten oder Schrauben, fest verbunden. Das Federelement 14 ist
im wesentlichen in der Form einer beidseitig fixierten Blattfeder
mit einer Funktionalität ähnlich einer
Tellerfeder ausgebildet und dient der Abstützung der Bodenschiene 7 auf
dem Karosserieteil 8, wie dies in 4 dargestellt ist. Das Federelement 14 weist
außerdem
eine Bohrung 16 auf (s. 2),
die unterhalb und konzentrisch zu der Bohrung 13 in der Bodenschiene 7 vorgesehen
ist, so dass sich die Befestigungsschraube 12 auch durch
die Bohrung 16 in dem Federelement 14 erstreckt.
Der Durchmesser der Bohrung 16 in dem Federelement 14 ist
aber kleiner bemessen als der Durchmesser der Bohrung 13 in
der Bodenschiene 7, und insbesondere kleiner als der Außendurchmesser
des hülsenförmigen Statorelements 10,
so dass sich das Statorelement 10 mit seiner Unterkante
auf dem Federelement 14 abstützt.
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Die
Funktionsweise des wie oben beschrieben aufgebauten Sensors 9 zur
Sitzlasterkennung ist wie folgt. Bei einer Gewichtsbelastung des
Fahrzeugsitzes wirkt ein Druck auf die Sitzschale 2, der über den
Sitzteilrahmen 1 und das vordere und das hintere Schwingenpaar 3, 4 auf
die Schienen 5 des Fahrzeugsitzes übertragen wird. Die Schienen 5 übertragen
den Druck weiter auf die Bodenschienen 7, so dass sich
die Bodenschienen 7 gegen die Kraft des Federelements 14 absenken.
Durch das Absenken der Bodenschiene 7 wird auch das fest
mit der Bodenschiene 7 verbundene Spulenelement 11 abgesenkt.
Das Absenken des Spulenelements 11 bewirkt eine Relativbewegung
zwischen dem Spulenelement 11 und dem ortsfesten Statorelement 10,
wodurch in dem Spulenelement 11 ein Spannungssignal induziert
wird. Dieses induzierte Spannungssignal ist ein Maß für die Relativbewegung
zwischen Statorelement 10 und Spulenelement 11 und
damit auch für das
Absenken der Bodenschiene 7 bzw. des gesamten Fahrzeugsitzes
aufgrund der Gewichtsbelastung des Fahrzeugsitzes. Somit lässt sich
aus dem induzierten Spannungssignal auf die Gewichtsbelastung des
Fahrzeugsitzes schließen.
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Der
Sensor 9 der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch
seinen einfachen Aufbau mit nur wenig Bauteilen aus. Hierdurch lässt sich
der Sensor 9 auf einfache Weise in bestehende Konstruktionen von
Fahrzeugsitzen bzw. deren Befestigungskonstruktionen integrieren.
Außerdem
benötigt
der Sensor 9 keine Energiezufuhr zur Anregung eines Messsignals,
wie dies bei einigen eingangs erwähnten herkömmlichen Sensoren erforderlich
ist, welche auf dem Villari-Effekt basieren. Ferner ist die Messwertaufnahme
einfach zu realisieren, da nur ein Spannungssignal erfasst werden
muss.
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- 1
- Sitzteilrahmen
- 2
- Sitzschale
- 3
- vorderes
Schwingenpaar
- 4
- hinteres
Schwingenpaar
- 5
- Schienenpaar
- 6
- Querwelle
- 7
- Bodenschienen
- 8
- Karosserieteil
- 9
- Sensor
- 10
- Statorelement
- 11
- Spulenelement
- 12
- Befestigungsschraube
- 13
- Bohrung
in Bodenschiene
- 14
- Federelement
- 15
- Befestigungselemente
- 16
- Bohrung
in Federelement
- 17
- Bodenbelag