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Die
Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus
S. Bauer-Gogonea und Siegfried Bauer: Mikrogewitter im Polymerschaum,
Physik Journal 2 (2003) Nr. 4, Seiten 41 bis 46 ist ein Polymerschaum bekannt,
der piezoelektrisch ist. Dieser Polymerschaum der auch als zellulare
Polymere bekannt ist, wird mittels eines Gases, in das die Polymermatrix eingebracht
wird, hergestellt. Dabei wird insbesondere eine Koextrusion aus
drei Schlitzdüsen
vorgesehen, wobei in einer mittleren Schicht mineralische Partikel
eingebracht sind, die als Nukleationszentren für Mikrorisse in diesem Material
wirken. Dies ist aber nur dann möglich,
wenn das Material schnell auf ein mehrfaches der ursprünglichen
Länge verstreckt wird.
Durch biaxiales Verstrecken ist es möglich, flache, linsenartige
Hohlräume
in dem Polymer zu erzeugen. Damit erzielt man eine Schaumstruktur,
die wenn sie mit Polymeren umgeben ist, die ohne Hohlräume sind,
mit geschlossenen Poren und gleichmäßiger Oberfläche. Die
Größe der Hohlräume ist
variierbar. Es wird vorgeschlagen, den Polymerschaum in Sensoren
und Aktuatoren als aktive Elemente einzusetzen. Insbesondere wird
vorgeschlagen, sie als intelligente Fußböden einzusetzen und zur Schallerzeugung.
Dabei kann insbesondere die aktive Lärmunterdrückung vorgesehen sein. Auch
zur Erzeugung von Ultraschall kann der Polymerschaum verwendet werden.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Sensor
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass nunmehr der Polymerschaum derart eingesetzt wird,
dass er als Fahrzeugsensor wirkt. Damit wird die beliebige Formbarkeit,
günstige
Herstellung, eine weiche Struktur und schnelle Reaktionszeit des
Polymerschaums vorteilhafter Weise im Fahrzeug genutzt. Auch kann
ein Fahrzeugsensor mit Polymerschaum für seinen speziellen Einsatzzweck
hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften und auch Sensoreigenschaften also
der piezoelektrischen Eigenschaften konfiguriert werden. Damit liegt
also ein besonders flexibler Fahrzeugsensor vor.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Sensors möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass der Sensor als Unfallsensor eingesetzt wird.
Dabei kann der Unfallsensor als Aufprallsensor im allgemeinen eingesetzt werden,
insbesondere in der Außenhaut
des Fahrzeugs. Da der Polymerschaum derart günstig ist, wird quasi ein mit
einer Haut fühlendes
Auto realisiert. Insbesondere können
mit dem Polymerschaum bereits etablierte Sensoren wie Beschleunigungssensoren und
Drucksensoren sowie Umfeldsensoren sinnvoll ergänzt werden. Dabei kann der
Sensor mit Polymerschaum als Plausibilitätssensor wirken. Auch für den Fußgängerschutz
hat der Sensor mit Polymerschaum erhebliche Vorteile. Nicht nur,
dass er im Außenbereich
des Fahrzeugs angeordnet werden kann, wo es zum Fußgängeraufprall
kommen kann, auch dass er großflächig und
auch zur Aufprallminderung aufgrund seiner Weichheit eingesetzt
werden kann. Dabei ist der Polymerschaum in den einzelnen Fahrzeugkomponenten
eingeschäumt,
was einfach möglich,
da der Polymerschaum sich jeder Form anpasst.
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Weiterhin
ist es möglich,
dass der erfindungsgemäße Sensor
auch als Sitzbelegungssensor konfiguriert ist. Dabei ist er als
Fahrzeugkissen eingesetzt, um das Sitzprofil des jeweiligen Fahrzeuginsassen
aufzunehmen, so dass damit eine Gewichts- und Positionsschätzung des Fahrzeuginsassen
möglich
ist.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, dass der erfindungsgemäße Sensor in Abschnitte aufgeteilt
ist. Das bedeutet beispielsweise, dass an der Fahrzeugfront sich
Polymerschaum über
die gesamte Breite erstreckt aber in einzelne Elemente aufgeteilt
ist, die separat kontaktiert werden. Damit ist eine Ortsauflösung möglich. Dies
ist auch an den Fahrzeugseiten und dem Heckbereich von Nutzen. Auch
für den
Sitzbelegungssensor ist diese Technik sinnvoll, um eine zweidimensionale
Auflösung
des Sitzprofils zu erzeugen. Dabei werden die Abschnitte dann getrennt
voneinander kontaktiert, es liegt also eine galvanische Trennung
zwischen den Abschnitten des Polymerschaums vor.
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Der
Sensor kann vorteilhafter Weise zu weiteren Verwendungen eingesetzt
werden. Dazu zählt beispielsweise
die Wärmedämmung und
auch der Einsatz als Aktuator beispielsweise zur Schallerzeugung,
um einen Gegenschall gegen Lärm
zu erzeugen oder auch um als Ultraschallsensor zu wirken.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
kann in der Stoßstange
insbesondere als Fußgängeraufprallsensor
eingesetzt werden aber auch als Aufprallsensor mit anderen Objekten
oder allgemein im Frontbereich des Fahrzeugs und/oder im Heckbereich
und/oder am Türschweller
und/oder an einem Versteifungselement und/oder am Dach zur Überrollerkennung und/oder
an der Fahrzeugseite zu Seitenaufpralldetektion oder am Sitzquerträger, an
dem auch oft alternative Crashsensoren wie Beschleunigungssensoren
angeordnet sind.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine schematische Anordnung
von Polymerschaum am Fahrzeug zu Sensorzwecken,
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2 ein Einsatz des Polymerschaums
an der Stoßstange,
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3 der Polymerschaum als
Seitenaufpralldetektor,
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4 ein erstes Schaltbild,
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5 ein zweites Blockschaltbild
und
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6 eine Anwendung des Polymerschaum als
Sitzbelegungssensor.
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Beschreibung
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Fahrzeuge
besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Crashsensoren, um Sicherheitsanforderungen
und Verbrauchercrashtests zu bestehen. Üblicherweise werden in der
vorderen Crashzone sogenannte Up-Front-Sensoren eingesetzt, um eine
frühe Crasherkennung
und Crashdiskriminierung im Frontbereich zu erreichen. Insbesondere
soll dabei der Grad der Überdeckung
bestimmt werden.
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Es
sind weiterhin periphere Druck- und Beschleunigungssensoren mit
einem Airbagsteuergerät verbunden,
wobei diese Sensoren Informationen über die Crashart und den Crashverlauf übermitteln. Diese
Sensoren sind in den Seiten des Fahrzeugs im Front- und Heckbereich
angeordnet also in der Peripherie. Es ist möglich sie auch an Sitzquerträgern zu befestigen.
Diese Sensoren sind von der Technik aufwendig und benötigen einen
hohen Entwicklungsaufwand. Außerdem
ist noch die Umfeldsensierung mit Video, Radar, Ultraschall bekannt.
Auch eine Innenraumsensierung mittels einer Gewichtssensierung ist bekannt.
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Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, Polymerschäume,
also zellulare Polymere als Fahrzeugsensoren einzusetzen. Die Polymerschäume erzeugen
bei Druck ein elektrisches Signal, sie sind also piezoelektrisch.
Mittels Elektroden werden sie kontaktiert, um dieses Signal aufzunehmen.
Durch die Beschaffenheit der Polymerschäume können sie beliebige Formen annehmen.
Außerdem
sind sie zeitstabil, weich und in ihren Eigenschaften variabel. Ein
weiterer Vorteil ist, dass mit Polymerschäumen ein großflächiger Sensor
möglich
ist. Um beispielsweise als Fahrzeugsensoren eine Unfallsensorik
mit den Polymerschäumen
zu realisieren, können
verschiedene Fahrzeugkomponenten teilweise oder komplett mit dem
Polymerschaum ausgeschäumt werden.
Eine aufwendige Sensormontage entfällt somit, das Rohmaterial
wird einfach eingespritzt und kontaktiert. Schäumt man beispielsweise im Frontbereich
die weiche Verkleidung der Stoßstange
oder den Frontbereich des Fahrzeugs mit Polymerschaum aus, so bietet
dies eine sehr weiche Struktur im Frontbereich, was dem Fußgängerschutz
zu gute kommt. Zusätzlich
erhält
man die Information, an welcher Position der Aufprall geschieht,
d. h. man kann flächige
Crashs nicht nur sehr gut von lokalen Crashs, also den sogenannten
Pfahlcrashes, unterscheiden, man erkennt auch noch die exakte Einschlagstelle.
Dies erfordert allerdings das Aufteilen des Polymerschaums in Segmente
und eine getrennte Kontaktierung mit Elektroden der einzelnen Segmente.
Gegebenenfalls sind hier auch noch Absolutmessungen von Nutzen.
Der Überdeckungsgrad kann
mit einem großflächigen Polymerschaumsensor
ebenfalls sensiert werden, um damit die sogenannten Up-Front-Sensoren
zu ersetzen.
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Für den Seitenschutz
können
Teile der Türen ausgeschäumt werden,
aber auch Karosserieteile wie die A-, B-, und C-Säulen sowie
Türschweller
oder Sitzquerträger.
Zusätzlich
können
die Polymerschäume
dann auch noch Isolationsfunktionen erfüllen.
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In
der Türe
kann auch ein Versteifungselement mit Polymerschaum ausgekleidet
sein. Damit kann auch im Seitenbereich eine sehr gute Crashdiskriminierung
und Crasherkennung durchgeführt
werden, weil man einfach Pfahlcrashes von Banierencrashes unterscheiden
kann. Bisher brauchte man Drucksensoren in die Türen, um Crashes in die weichen
Seitenstrukturen schnell zu detektieren, aber auch Beschleunigungssensoren
in der harten Struktur, um beispielsweise einen Crash auf die harte Struktur,
z. B. einen Pfahl auf die B-Säule,
zu erkennen. Den Polymerschaum kann man über die ganze Fahrzeugbreite,
in den Türen
und der Karosserie, anbringen und hat somit einen Seitenschutz mit 100%iger Überdeckung.
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Im
Heckbereich kann auch die Stoßstangenverkleidung
ausgeschäumt
sein oder aber auch weitere Fahrzeugkomponenten, um auch bei einem Heckcrash
die Crashdiskriminierung und Lokalisierung zu realisieren.
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Denkbar
ist somit ein kompletter Rundumschutz, bei dem das gesamte Fahrzeug
von jeder Seite sensieren kann, in dem man es mit mindestens mit
einem Polymerschaumring ausstattet, um einen 360°-Schutz zu bieten. Mit den drucksensitiven
Polymerschaum lassen sich auch Winkelcrashs sehr gut erkennen und
von anderen Crashes trennen.
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Dadurch,
dass der Schaum keine Form und Größe vorgibt, ist er problemlos
in jedes Fahrzeug zu integrieren, hohle Karosserieteile werden einfach
bei der Produktion mit dem Polymerschaum ausgeschäumt. Auch
nachträglich
kann der Polymerschaum noch angebracht werden, beispielsweise in Hohlräumen oder
Zwischenräumen
im Motorraum.
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Der
Schaum kann großflächig verwendet werden
aber auch sehr lokal. Bei einer großflächigen Anwendung beispielsweise über die
gesamte Fahrzeugbreite entfällt
eine Einbauortuntersuchung, was zusätzlich erheblich Kosten und
Aufwand in der Entwicklung spart.
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Zur Überrollsensierung
kann der Schaum zusätzlich
im Dach angebracht werden, um die aktuelle Lage beim Überschlag
mitzuverfolgen. Ein Überschlag
wird beispielsweise anhand eines von unten nach oben verlaufenden
Druckanstieg in den Säulen erkannt,
der sich dann im Dach fortsetzt und auf der gegenüberliegenden
Seite weiterläuft.
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Wird
der Polymerschaum als Frontaufprallsensor in der Stoßstange
verwendet, kann dieser Unfallsensor den zeitlichen Verlauf der Kraft
messen und somit Abschätzungen über die
Masse und die Steifigkeit des aufprallenden Objekts treffen. Die
Eigenschaften des Polymerschaums lassen sich genau auf den Einsatzzweck
des Fußgängerschutzes
und der Fußgängererkennung
abstimmen. Die Steifigkeit wird so gewählt, dass diese optimal für die Erkennung
und den Schutz ist.
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Der
Polymerschaum, der in Fahrzeugteilen eingeschäumt wird, kann auch zur Plausibilisierung verwendet
werden, beispielsweise um das Signal eines Drucksensors zu plausibilisieren.
Neben der Wärmedämmung kann
der Polymerschaum neben seiner Funktion als Fahrzeugsensor auch
zur aktiven Geräuschunterdrückung verwendet
werden, in dem er ein Gegenschall zum Fahrzeuggeräusch an
der betreffenden Stelle erzeugt. Dadurch könnten aufwendige und teuere
Dämmmaßnahmen
entfallen. Das Fahrgeräusch
kann dabei auch von diesem Polymerschaum aufgezeichnet werden, um
dann mittels eines Prozessors den Gegenschall zu erzeugen. Beim
Einsatz im Frontbereich könnte
der Schaumsensor auch als Aktuator derart dienen, dass er Ultraschall
abstrahlt. Damit ist beispielsweise auch eine Schaltquelle für die Wildschadensverhütung möglich. Durch
die Aufteilung in mehrere Segmente, kann der Schall dann auch gerichtet
abgestrahlt werden. Durch eine phasenrichtige Abstrahlung der einzelnen Segmente
erzielt man eine Richtwirkung.
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Eine
weitere Anwendung als Fahrzeugsensor des Polymerschaums ist der
Einsatz als Sitzbelegungssensor. Das Sitzkissen wird dabei ganz
oder teilweise durch den Polymerschaum ersetzt und dadurch kann
die Masse des Insassen gemessen werden bzw. klassifiziert werden.
Der Polymerschaumsensor kann dabei insbesondere auch für die hinteren
Sitze eingesetzt werden. Die Sensorherstellung ist sehr einfach
und kostengünstig
und der Sensor beansprucht keinerlei Platz, da er selbst Teil des
Sitzkissens ist, so dass sich auch die Sitzhöhe nicht verändert. Dadurch
kann dieses System auch sehr gut zur einfachen Umrüstung vorhandener
Baureihen eingesetzt werden. Durch die Aufteilung in Segmente des
Polymerschaumsensor im Sitz ist auch eine Gewichtsverteilungsmessung
mit den Polymerschaumsensor möglich.
Damit ist ein Profil ermittelbar, aus dem die Sitzposition des Fahrzeuginsassen
bzw. seine Klassifizierung ermöglicht
wird. Insbesondere kann dabei ein Gegenstand von einer Person unterschieden werden,
und dabei insbesondere ein Kindersitz. Durch die Messung beispielsweise
des Sitzbeinhöckerabstands
und der Bedeckung kann eine Abschätzung des Gewichts gemacht
werden.
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1 zeigt eine beispielhafte
Verteilung des Polymerschaumsensors an einem Fahrzeug. Hier wird
eine Rundumbedeckung des Fahrzeugs mit Polymerschaumsensoren gezeigt,
um quasi eine fühlende
Haut des Fahrzeugs zu realisieren. Insbesondere ist ein Polymerschaumsegment 100 in
der Fahrzeugfront und dabei in der Stoßstange angebracht, an der
A-Säule
ist ein Segment 103 angeordnet, in den Türen ein
Segment 101, an der B-Säule
ein Segment 104, an der hinteren Tür ein Segment 102,
an der C-Säule ein
Segment 105 und an der Heckstoßstange ein Segment 106.
Auch das Fahrzeugdach ist mit Polymerschaumsensoren 107 und 108 bedeckt. Es
ist mehr oder weniger als die hier dargestellten Polymerschaumsensoren
eingesetzt werden. Insbesondere kann eine Segmentierung der einzelnen
Polymerschaumsensoren vorgesehen sein, um eine Lokalisierung eines
Aufpralls zu ermöglichen.
Der Polymerschaumsensor kann insbesondere in Kombination mit anderen
Sensoren eingesetzt werden, um beispielsweise die Signale dieser
Sensoren wie Beschleunigungssensoren zu plausibilisieren.
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2 zeigt eine Anordnung des
Polymerschaumsensors in der Stoßstange.
Die Stoßstange 22 weist
den Polymerschaumsensor auf und ist über Stoßstangenhalter 23 mit
Prallboxen 20 verbunden. Die Prallboxen 20 sind
an Längs-
bzw. Querträger des
Fahrzeugs angeschlossen. Für
den Polymerschaumsensor kann eine eigene Auswerteelektronik bzw.
Signalaufbereitung vorgesehen sein oder er kann auch direkt mit
dem Airbagsteuergerät
verbunden sein.
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3 zeigt eine Konfiguration
des Polymerschaumsensors in Verbindung mit anderen Sensoren, die
als Unfallsensoren eingesetzt werden. Ein Fahrzeug wird hier gegen
einen Pfahl 30 mit seiner Seite prallen. In einem Hohlraum
eines Seitenteils des Fahrzeugs ist ein Drucksensor P angeordnet,
der bei einer Volumenänderung
des Seitenteils sehr schnell einen Seitenaufprall sensiert. Problematisch ist
bei dieser Sensierung die Plausibilisierung. Die Plausibilisierung
sollte nicht den Geschwindigkeitsvorteil des Drucksensors P zunichte
machen, so dass hier der Polymerschaumsensor 31 am Außenteil
der Tür
innen angebracht ist, um als Plausibilitätssensor zu wirken. Damit ist
der Polymerschaumsensor 31 günstiger als ein Beschleunigungssensor
der beispielsweise in der B-Säule
angeordnet ist oder ein Beschleunigungssensor, der innerhalb des Fahrzeugs,
beispielsweise auf dem Sitzquerträger, wie hier dargestellt,
angebracht ist. Dieser Beschleunigungssensor ist mit A bezeichnet.
Da das Außenteil des
Fahrzeugs hier nach außen
gewölbt
ist, wird der Pfahl 30 die Karosserie erst nach dem Abstand
D treffen, so dass dann der Beschleunigungssensor A das Signal erhält. Beim
Aufprall mit 50 Stundenkilometer und einem Abstand von D 8 cm bedeutet
das eine Verzögerung
der Plausibilität
von 5,8 Millisekunden. Da der Polymerschaumsensor sofort den Aufprall
detektiert, ist er weit schneller als der Beschleunigungssensor
A.
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4 zeigt ein erstes Blockschaltbild
des erfindungsgemäßen Sensors.
Beispielhaft sind hier zwei Segmente des Polymerschaumsensors dargestellt.
Ein erstes Segment 40 wird durch zwei Elektroden 41 und 42 kontaktiert,
die mit einer Signalaufbereitung 46 verbinden sind. Auch
das zweite Polymerschaumsegment 43 ist mit zwei Elektroden 44 und 45 verbunden,
die ebenfalls an die Signalaufbereitung 46 angeschlossen
sind. Die Signalaufbereitung 46 verstärkt, filtert und digitalisiert
das Signal und überträgt es zu
einem Steuergerät 47 für Rückhaltemittel. Das
Steuergerät 47 erhält von einer
Sensorik 49 weiterhin Signale von anderen Unfallsensoren,
wie Beschleunigungs- und Drucksensoren und auch von Innenraumsensoren,
wie Sitzbelegungssensoren und Videosensoren. In Abhängigkeit
von all diesen Sensorsignalen steuert das Steuergerät 47 dann
Rückhaltemittel 48,
wie Airbags oder Gurtstraffer an.
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Der
Polymerschaum kann mittels der Elektroden 41, 42, 44 und 45 beispielsweise über eine dünne Metallfolie
kontaktiert werden.
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5 zeigt ein weiteres Blockschaltbild
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Polymerschaum 50, der hier durch einen einzigen Block
repräsentiert
ist, gibt seine elektrische Signale in Abhängigkeit von einer Druckbelastung
an eine Signalaufbereitung 51 ab. Die Signalaufbereitung 51 verstärkt, filtert
und digitalisiert das Signal, gegebenenfalls wird bereits eine Vorauswertung
durchgeführt, beispielsweise
eine Ortsbestimmung. Dann wird über eine
Schnittstelle 52 das Signal an ein Steuergerät für Rückhaltemittel 53 übertragen.
Die Schnittstelle 52 ist hier derart ausgebildet, dass
sie lediglich unidirektional das Sensorsignal bzw. ausgewertete
Sensorsignale an das Steuergerät 53 überträgt. Insbesondere
kann diese Leitung, die für
die unidirektionale Datenübertragung
verwendet wird, auch zur Energieversorgung der Bausteine 50, 51 und 52 verwendet
werden. Das Steuergerät 53 verwendet
wie auch in 4 von einer
Sensorik 54 weitere Signale, die von anderen Unfallsensoren
wie Beschleunigungssensoren und Drucksensoren stammen oder auch von Innenraumsensoren
wie einen Sitzbelegungssensor. Der Sitzbelegungssensor kann auch
mit Polymerschaum hergestellt sein. In Abhängigkeit von diesem Signal
steuert das Steuergerät 53 dann
die Rückhaltemittel 55 an.
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6 zeigt in einer schematischen
Darstellung die Verwendung des Polymerschaums als Sitzbelegungssensor.
Ein Sitz 60 weist eine Rückenlehne 61 und einen
Sitzpolster 62 auf. Im Sitzpolster 62 ist Polymerschaum 63 angeordnet.
Dieser Polymerschaum wird elektrisch kontaktiert, um, da er piezoelektrisch
ist, bei einer Druckbelastung auf das Sitzkissen 62 ein
Signal abzugeben, das in einem Steuergerät 64 ausgewertet wird.
Da das piezoelektrische Signal proportional zur Druckbelastung ist,
kann damit auf das Gewicht geschlossen werden, das auf das Sitzkissen 62 aufgebracht
wird. Durch eine Segmentierung des Polymerschaums 63 im
Sitzkissen 62 ist eine Sitzprofilbestimmung möglich, um
genauerer Aussagen über
das Objekt auf dem Sitzkissen 62 machen zu können. Auch
in der Rückenlehne 61 kann
Polymerschaum angebracht sein, um auch die Belastung der Rückenlehne 61 mit
einem Gewichtsdruck auszuwerten. Auch dies kann zur Klassifizierung
eines Objekts auf dem Sitz 60 dienen. Die Auswertung 64 kann
sich außerhalb
des Sitzes 60 befinden oder auch innerhalb. Der Polymerschaum 63 kann
alleine als Sitzbelegungssensor dienen oder auch in Verbindung mit
anderen Sensoriken wie Gewichtsmessbolzen und bildgebenden Sensoriken, wie
Videosensoren, Ultraschallsensoren oder Radarsensoren.