DE112015005049T5

DE112015005049T5 - Aufprallsensor

Info

Publication number: DE112015005049T5
Application number: DE112015005049.3T
Authority: DE
Inventors: Thomas Pelt; Christian Bour
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-07-27
Also published as: LU92593B1; CN107076777A; US10436656B2; US20170322096A1; WO2016071408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) für ein Fahrzeug. Um Mittel zum schnellen und zuverlässigen Erkennen eines Aufpralls bereitzustellen, die eine einfache Integration in verschiedene Fahrzeuge gestatten, weist der Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) wenigstens ein belastungsempfindliches Sensorelement (4), welches ein Sensormaterial (5) umfasst, und wenigstens zwei Anschlüsse (6.1, 6.2), zwischen welchen das Sensormaterial (5) elektrisch angeschlossen ist, auf, wobei das Sensormaterial (5) ein metallhaltiges Kohlenstoffmaterial ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Aufprallsensor, ein Aufprallerkennungssystem und ein Verfahren zur Aufprallerkennung.
Stand der Technik
Auf Grund strengerer Anforderungen der Sicherheitsbestimmungen und allgemeiner Marktentwicklungstendenzen muss die Kraftfahrzeugindustrie effizientere Passagier- und Fußgänger-Schutzsysteme durch verbesserte aktive Sicherheitsvorrichtungen (z. B. Mehrfach-Airbag-Lösungen, raffiniertere Rückhaltesysteme, angepasste Systemeinsatzstrategien usw.) einrichten. Im Allgemeinen benötigen solche Techniken eine längere Anlaufzeit für deren Aktivierung, um die volle Schutzmöglichkeit zu bieten, und/oder es müssen entsprechend der Unfallsituation zusätzliche Daten gezielter eingesetzt werden. Bei einem Kollisionsereignis ist es daher wesentlich, starke Aufprälle möglichst früh zu identifizieren, d. h. bestenfalls zum Zeitpunkt des ersten Kontakts mit dem Stoßfänger des Autos.
Bisher erfolgt die Aufprallcharakterisierung durch sogenannte Frontsensoren (auch als "G-Sensoren" bekannt), die sich im Stoßfängerbereich des Autos befinden und durch Deformation und Vibration verursachte Beschleunigungswirkungen im Zusammenhang mit einem Unfall erkennen. Obwohl sich solche Sensorelemente in verschiedenen Kraftfahrzeuganwendungen bewährt haben, wird ihre Erkennungseffizienz beeinträchtigt, und zwar durch mechanisch weichere Materialien und Ausführungseinschränkungen von modernen Autofronten zur Erfüllung von Anforderungen im Zusammenhang mit Fußgängerschutz oder Energieeinsparungen.
Es ist ferner bekannt, Folienschaltersensoren einzusetzen, die normalerweise in den vorderen oder hinteren Stoßfänger des Autos integriert werden. Diese Sensoren sind bei einer schnellen Erkennung eines Aufpralls wirksam und verfügen über eine hohe Empfindlichkeit, sind jedoch durch eine Aktivierungsschwelle gekennzeichnet. Wenn eine Kraft oder ein Druck, die/der auf den Sensor wirkt, den Schwellenwert übersteigt, wird der Sensor aktiviert. Das heißt, obwohl der erste Aufprall zuverlässig erkannt werden kann, können von diesen Sensoren keinerlei Informationen über die Zeitentwicklung der Aufprallkraft gewonnen werden. Auch können diese Sensoren durch Feuchtigkeit und Temperatur beeinflusst werden. Schließlich sind diese Sensoren normalerweise groß (z. B. 1500 × 20 mm), und wenn sie in einem Stoßfänger eingebaut sind, erfordern sie eine gerade Integration bezüglich der Z-Richtung (d. h. der vertikalen Richtung). Ein großer Sensor, der nicht gebogen sein darf, bringt jedoch Integrationsprobleme mit sich.
Aufgabenstellung
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zum schnellen und zuverlässigen Erkennen eines Aufpralls zur Verfügung zu stellen, die einen leichten Einbau in verschiedene Fahrzeuge gestatten. Diese Aufgabe wird durch einen Aufprallsensor nach Anspruch 1, ein Aufprallerkennungssystem nach Anspruch 8 und das Verfahren zur Aufprallerkennung nach Anspruch 15 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Aufprallsensor für ein Fahrzeug zur Verfügung. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug sein, wie ein Auto, z. B. ein Personenwagen oder ein LKW. Andere Arten von Fahrzeugen liegen jedoch auch im Rahmen der Erfindung, wenn für diese eine Aufprallerkennung von Bedeutung ist. Der Begriff "Aufprallsensor" betrifft einen Sensor, der verwendet werden kann, um zumindest zu erkennen, ob ein Aufprall, d. h. eine Kollision, mit einem anderen Objekt, wie einem Fußgänger, einem anderen Fahrzeug, einem Pfosten usw., aufgetreten ist. Der Sensor kann auch zusätzliche Informationen über die Intensität des Aufpralls oder dergleichen geben.
Der Aufprallsensor weist wenigstens ein belastungsempfindliches Sensorelement, welches ein Sensormaterial aufweist, und wenigstens zwei Anschlüsse auf, zwischen welchen das Sensormaterial elektrisch angeschlossen ist. Die Anschlüsse werden zum elektrischen Anschluss des Sensormaterials verwendet und bestehen normalerweise aus einem gut leitenden Material. Gegebenenfalls können sie so geformt sein, dass sie einen mechanischen Anschluss an externe Drähte oder dergleichen erleichtern. Ansonsten kann ein solcher Anschluss durch Löten, Ultraschallschweißen oder andere, auf dem Fachgebiet bekannte Techniken erreicht werden.
Wenn eine Spannung zwischen den Anschlüssen angelegt wird, fließt ein Strom durch das Sensormaterial, der von seinem Widerstand abhängt. Gemäß der Erfindung ist das Sensormaterial ein metallhaltiges Kohlenstoffmaterial. Diese Materialien sind dafür bekannt, dass sie einen Widerstand haben, der sich ändert, wenn sie einer Belastung unterworfen werden, d. h. sie sind piezoresistiv. Insbesondere wenn der Aufprallsensor gebogen wird, führt dies zu einer Änderung des Widerstands des Sensormaterials. Da die Änderung unter normalen Aufprallbedingungen leicht bis zu mehreren hundert Ohm betragen kann, kann ein Aufprall sicher erkannt werden. Die Reaktion eines solchen Sensors ist schnell und der Widerstand ist leicht zu messen. Auch können Sensoren dieser Art nahezu jede Form annehmen, d. h. es gibt kaum Integrationsprobleme.
Ein wichtiger Vorteil von metallhaltigen Kohlenstoffmaterialien besteht darin, dass sie praktisch nicht von Temperaturänderungen betroffen sind. Der Widerstand hängt nur vernachlässigbar von der Temperatur ab, zumindest unter den erwarteten Arbeitsbedingungen eines Fahrzeugs, wie eines Autos. Auch benötigen diese Sensoren keine Lüftungskanäle, wie bei Folienschaltersensoren, daher sind sie nicht wesentlich von Feuchtigkeit betroffen.
Die Größe und die Form des Aufprallsensors können stark schwanken. Vorzugsweise ist der Sensor flach und/oder länglich. Wenn er in einer Fahrzeugkomponente, wie einem Stoßfänger, eingebaut ist, kann der Sensor mehr oder weniger entlang der Oberfläche der Komponente ausgerichtet werden, wobei es eine längliche Form ermöglicht, einen wesentlichen Abstand entlang der Oberfläche abzudecken. Die Form des Sensors kann gerade, abgewinkelt und/oder gekrümmt sein.
Das Sensormaterial kann als eine längliche oder linienförmige Struktur angeordnet sein. Gegebenenfalls kann die Struktur mäandernd sein, um die effektive Länge, die einer Krümmungswirkung unterliegt, zu erhöhen, wodurch sich auch die Änderung des Widerstands erhöht.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensormaterial um nickelhaltigen, hydrierten amorphen Kohlenstoff. Nickelhaltige Kohlenstofffolien (oft als Ni-haltiger, hydrierter amorpher Kohlenstoff, kurz Ni:a-C:H bezeichnet) ergeben eine Belastungsempfindlichkeit (Dehnungsfaktor) von etwa 20, zusammen mit einem Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR) unterhalb von ±50 ppm/K im weiten Temperaturbereich von 100 K bis 400 K.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aufprallsensor ein Trägerelement auf. Vorzugsweise ist das Sensormaterial auf diesem Trägerelement als eine Schicht mit einer Dicke von 10 bis 100 nm aufgebracht. Eine Schicht von dieser Dicke reicht aus, um zuverlässige Sensorkennzeichen bereitzustellen. Insbesondere kann die Schicht eine aufgestäubte Schicht sein, d. h. das Sensormaterial wurde auf das Trägerelement durch Aufstäuben aufgetragen.
Es wird bevorzugt, dass das Trägerelement ein Polymerfilm, insbesondere ein Polyimidfilm ist. Ein solcher Polymerfilm kann sehr flexibel sein und an verschiedene Strukturen angepasst werden. Wenn der Sensor z. B. neben einer leicht gekrümmten Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet werden soll, kann der Film leicht gebogen werden, um der Krümmung der Oberfläche zu folgen. Die Dicke des Films kann aus Flexibilitätsgründen innerhalb eines relativ weiten Bereichs geändert werden, zum Beispiel von 50 µm bis zu weniger als 200 µm. Es muss wohl nicht erwähnt werden, dass ein Polymerfilm von dieser Dicke ein vernachlässigbares Gewicht im Vergleich zum Fahrzeug hat. Es ist auch denkbar, dass andere Materialien als Polymere für einen Film verwendet werden, der das Trägerelement bildet.
Es wird bevorzugt, dass die Anschlüsse durch Siebdruck aufgebracht werden. Beim Siebdruckverfahren wird eine leitfähige Tinte, normalerweise eine metallhaltige Tinte, auf dem Substrat aufgebracht. Dieses Aufbringungsverfahren ist besonders für einen Polymerfilm als Trägerelement geeignet, es kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Trägerelementen verwendet werden. Anschlüsse dieser Art können auch als sehr dünne Schichten, z. B. mit einer Dicke von 1 bis 50 µm, bereitgestellt werden. Es wird bevorzugt, dass die Tinte eine silberhaltige Tinte ist.
Der erfindungsgemäße Aufprallsensor kann relativ klein ausgeführt sein. Insbesondere kann eine maximale Abmessung des Aufprallsensors kleiner als 200 mm sein. Zum Beispiel kann der Sensor länglich sein, mit einer Breite, die größer als die Höhe ist. Hier kann die Breite weniger als 200 mm, vorzugsweise 100 mm oder weniger, betragen. Die kleine Ausführung gestattet das Integrieren eines einzelnen Sensors in relativ kleinen Bereichen des Fahrzeugs, wodurch Integrationsprobleme vermieden werden, die sich aus behindernden Objekten ergeben. Trotzdem kann ein großer Bereich einer Fahrzeugoberfläche durch Bereitstellen von mehreren Sensoren überwacht werden, wobei jeder der Sensoren kleiner als auf dem Fachgebiet übliche Sensoren ist. Sensoren des Stands der Technik sind zum Beispiel typischerweise breiter als 1000 mm, da sie aus Gründen der Kosteneinsparung in einem einzigen Stück hergestellt werden (Crimps, Kabel, Elektronik sind bei einem einzelnen Sensor weniger) und die gesamte Breite des Autostoßfängers abdecken müssen.
Es ist anzumerken, dass, falls dies gewünscht ist, ein einzelner Sensor dafür ausgelegt sein kann, die gesamte Breite des Fahrzeugstoßfängers abzudecken. In diesem Fall kann ein einzelner Sensor dafür ausgelegt sein, eine Länge von bis zu 1800 mm oder mehr zu haben.
Die Erfindung stellt ferner ein Aufprallerkennungssystem für ein Fahrzeug bereit. Ein solches Aufprallerkennungssystem weist wenigstens einen erfindungsgemäßen Aufprallsensor auf. Natürlich kann es zusätzliche Sensoren, Stützelemente, Verdrahtungen und andere Komponenten aufweisen, von denen einige nachstehend besprochen werden.
Es wird bevorzugt, dass der wenigstens eine Sensor relativ nahe an der Oberfläche positioniert wird, an der ein Aufprall als erstes auftritt. Dadurch kann eine frühe Unfallerkennung leichter erfolgen. Daher wird bevorzugt, dass das Unfallerkennungssystem auch eine äußere Komponente für das Fahrzeug aufweist, in der der wenigstens eine Aufprallsensor angeordnet ist. Der Begriff "äußere Komponente" bezieht sich primär auf den vorderen und hinteren Stoßfänger eines Autos oder dergleichen. Dies bezieht sich jedoch auch auf andere Teile, die bei einem Aufprall direkt getroffen werden können. Wenn man sich zum Beispiel einen Seitenaufprall betrachtet, wird die Tür oder der Kotflügel eines Autos als die entsprechende äußere Komponente angesehen.
Es wird besonders bevorzugt, dass wenigstens ein Sensor, vorzugsweise alle Sensoren, neben einer Außenfläche der äußeren Komponente angeordnet sind. Normalerweise weist eine Komponente wie ein Stoßfänger eine feste äußere Kunststoffhaut auf, unter der eine Schaumschicht oder ein Kunststoffstoßdämpfer angeordnet ist. Während viele auf dem Fachgebiet bekannte Aufprallsensoren in der Schaumschicht angeordnet sind, können die erfindungsgemäßen Sensoren neben – oder sogar innerhalb – der Kunststoffhaut angeordnet sein.
Normalerweise weist das Aufprallerkennungssystem mehrere Aufprallsensoren auf, die versetzt entlang der äußeren Komponente angeordnet sind. "Versetzt" bedeutet, dass die Sensoren unterschiedlich entlang einer möglichen Aufprallfläche positioniert sind; normalerweise sind sie nebeneinander oder voneinander beabstandet angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich zwei benachbarte Sensoren überlappen. Bei einer solchen versetzten Konfiguration können mehrere Sensoren (z. B. 3 bis 5) mit einer Komponente, wie einem Fahrzeugstoßfänger, verbunden sein. Statt der Verwendung eines großen Sensors können mehrere Sensoren entlang der Breite des Stoßfängers (oder einer anderen Komponente) angeordnet werden. Hier können die Sensoren nicht nur verschiedene seitliche Positionen haben, sondern auch verschiedene vertikale Positionen, zum Beispiel, um eine behindernde Komponente zu vermeiden, wie ein Licht, einen Nummernschildhalter usw. Ferner können verschieden geformte Sensoren kombiniert werden. Wie vorstehend erwähnt, kann der erfindungsgemäße Sensor praktisch jede Form haben. Daher ist es denkbar, einen gebogenen Sensor mit einem geraden Sensor zu kombinieren, oder dergleichen. Somit könnte ein modulares System verwendet werden, um fast jede Form zu schaffen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Unfallerkennungssystem eine Verarbeitungseinheit auf, die an den wenigstens einen Aufprallsensor angeschlossen und dafür ausgelegt ist, basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands des wenigstens einen Aufprallsensors eine Aufprallsituation zu identifizieren. Natürlich betrifft dies den elektrischen Widerstand des Sensorelements, oder eher des Sensormaterials, das zwischen den Anschlüssen angeschlossen ist. Die Verarbeitungseinheit kann eine dedizierte Vorrichtung sein, oder sie kann ein integrierter Computer des Fahrzeugs sein, der auch andere Operationen abwickelt, z. B. nicht sicherheitsbezogene Operationen. Solche Verarbeitungseinheiten sind auf dem Fachgebiet bekannt und werden hier nicht im Einzelnen beschrieben. Es versteht sich, dass die Verarbeitungseinheit ferner mit wenigstens einer Sicherheitsvorrichtung verbunden werden und dafür ausgelegt sein kann, diese Sicherheitsvorrichtung bei Erkennung und Identifizierung einer Unfallsituation einzusetzen. Dies kann die Aktivierung eines Gurtspanners, das Entfalten eines Airbags (Innen- oder Außen-Airbag), das Einstellen einer Sitzposition, das Einsetzen von Stellgliedern einer aktiven Haube (zum Anheben für den Fußgängerschutz) oder dergleichen sein.
Neben dem Erkennen, dass ein Aufprall aufgetreten ist, kann die Verarbeitungseinheit auch die Zeitentwicklung des elektrischen Widerstands und/oder dessen Änderung auswerten. Wenn die Änderung gering bleibt, kann das aufprallende Objekt von geringer Bedeutung sein, z. B. wie ein Ball, der das Fahrzeug trifft. In einem solchen Fall kann keine Sicherheitsvorrichtung eingesetzt werden. Wenn die Änderung jedoch über einen bestimmten Zeitraum zunimmt, zeigt dies ein massives Objekt an, was entsprechende Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Der lineare Anstieg und/oder der Gesamtbetrag des Anstiegs können auch Informationen über die Schwere des Aufpralls geben. Insbesondere können bestimmte Schwellenwerte in der Verarbeitungseinheit definiert werden, die anzeigen, dass der Aufprall mehr oder weniger schwer ist. Es können geeignete Sicherheitssysteme für jeden Schweregrad eingesetzt werden.
Um eine genauere Bestimmung der Schwere des Aufpralls zu gestatten, können die Sensoren in einer besonderen äußeren Komponente kalibriert werden. Für eine gegebene Komponente, wie einen Fahrzeugstoßfänger, werden die Sensoren so kalibriert, dass bei jedem von ihnen die Änderung ihres elektrischen Widerstands gegenüber der Aufprallenergie an ihrer speziellen Position bekannt ist. Mit anderen Worten wird ein Aufprall mit einer bekannten Aufprallenergie geschaffen, und die Änderung des Widerstands des speziellen Sensors wird gemessen. Dies ermöglicht auch die Berücksichtigung von Änderungen der lokalen Geometrie oder Dicke des Stoßfängers.
Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinheit so angeschlossen, dass der Widerstand eines jeden von mehreren Untersätzen von mehreren Aufprallsensoren einzeln gemessen werden kann. Hier weist das Erkennungssystem mehrere Aufprallsensoren auf, und "Untersatz" bezieht sich auf einen Teil dieser Vielzahl. Jeder Untersatz weist wenigstens einen Sensor auf. Insbesondere kann jeder Untersatz genau einen Sensor aufweisen, so dass die Verarbeitungseinheit so angeschlossen ist, dass sie den Widerstand eines jeden Sensors einzeln messen kann. Da die Verarbeitungseinheit den Widerstand der Untersätze/Sensoren einzeln messen kann, kann er durch die Position des jeweiligen Sensors (der jeweiligen Sensoren), an der ein Aufprall aufgetreten ist, unterschieden werden. Es ist anzumerken, dass ein Untersatz mehrere Sensoren aufweisen kann, die über ihre Anschlüsse in Reihe angeschlossen sind, so dass die Verarbeitungseinheit den kollektiven Widerstand – und die kollektive Änderung des Widerstands – dieser Sensoren misst.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, kann bei der vorstehend genannten Ausführungsform die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, eine Aufprallposition basierend auf der Position von wenigstens einem Aufprallsensor zu identifizieren, der eine Änderung seines elektrischen Widerstands anzeigt. Natürlich können mehrere Sensoren reagieren, was entweder mehrere Aufprälle oder ein breites, aufprallendes Objekt anzeigt. Die Verarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, eine (ungefähre) Aufprallbreite basierend auf der Zahl von (benachbarten) Aufprallsensoren, die reagieren, zu erkennen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, basierend auf einer Kombination der Änderungen der elektrischen Widerstände von mehreren Aufprallsensoren, insbesondere aller Aufprallsensoren, eine Aufprallenergie zu bestimmen. Natürlich kann durch diese Maßnahme die Aufprallenergie nur ungefähr bestimmt oder geschätzt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es eine gute Korrelation zwischen der kumulierten (oder gesamten) Änderung des Widerstands und der Aufprallenergie gibt. Daher kann die Schwere des Aufpralls bestimmt und geeignete Sicherheitsmaßnahmen können ausgelöst werden. Es ist anzumerken, dass, wie vorstehend erwähnt, einige Sensoren auf Grund einer anderen Steifheit der Komponente, in der sie integriert sind, weniger verformt werden können. In einem solchen Fall kann die Änderung des elektrischen Widerstands mit einem Faktor gewichtet werden, um solche Wirkungen zu kompensieren.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Aufprallerkennung für ein Fahrzeug mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Aufprallsensor zur Verfügung. Das Verfahren weist das Messen des elektrischen Widerstands des wenigstens einen Aufprallsensors und das Identifizieren einer Aufprallsituation basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands auf. Das Verfahren kann durch eine Verarbeitungseinheit wie vorstehend beschrieben ausgeführt werden. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen denjenigen des Aufprallerkennungssystems und werden nicht erneut im Einzelnen beschrieben.
In bevorzugten Ausführungsformen kann der wenigstens eine Aufprallsensor in einer äußeren Komponente für das Fahrzeug angeordnet werden. Mehrere Aufprallsensoren können entlang der äußeren Komponente versetzt angeordnet werden. Die Verarbeitungseinheit kann den Widerstand eines jeden von mehreren Untersätzen von mehreren Aufprallsensoren einzeln messen. Die Verarbeitungseinheit kann basierend auf der Position von wenigstens einem Aufprallsensor, der eine Änderung seines elektrischen Widerstands zeigt, eine Aufprallposition identifizieren. Auch kann die Verarbeitungseinheit basierend auf einer Kombination der Änderungen der elektrischen Widerstände von mehreren Aufprallsensoren eine Aufprallenergie bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufprallsensors ist;
2 eine schematische Ansicht einer Fahrzeugfront mit einem erfindungsgemäßen Aufprallerkennungssystem ist;
3 eine schematische Ansicht der Fahrzeugfront aus 2 mit einem aufprallenden Objekt in einer ersten Position ist;
4 ein Diagramm ist, dass die Zeitentwicklung der Änderung des Widerstands der Aufprallsensoren entsprechend 3 veranschaulicht;
5 eine schematische Ansicht der Fahrzeugfront aus 2 mit einem aufprallenden Objekt in einer zweiten Position ist; und
6 ein Diagramm ist, dass die Zeitentwicklung der Änderung des Widerstands der Aufprallsensoren entsprechend 5 veranschaulicht.
Genaue Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufprallsensors 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufprallsensor 2 ist im Allgemeinen von rechteckiger Form mit einer Länge von etwa 100 mm und einer Breite von 15 mm. Es versteht sich jedoch, dass die Größe und die Form des Aufprallsensors 2 verändert werden können. Die Form ist im Allgemeinen durch einen rechteckigen Polymerfilm 3 gegeben, der eine Dicke von 100 µm hat. In der gezeigten Ausführungsform ist der Polymerfilm 3 aus Polyimid gefertigt. Auf diesem Polymerfilm 3 ist eine Schicht von Sensormaterial 5 angeordnet. Das Sensormaterial 5 ist nickelhaltiger, hydrierter amorpher Kohlenstoff (Ni:a-C:H), der durch Aufstäuben auf dem Polymerfilm 3 aufgebracht wurde. Die Dicke der Schicht des Sensormaterials 5 beträgt etwa 60 nm. Das Sensormaterial 5, welches Teil eines belastungsempfindlichen Sensorelements 4 ist, ist elektrisch zwischen zwei Anschlüssen 6.1, 6.2 angeschlossen. Diese Anschlüsse 6.1, 6.2 sind aus Silbertinte gefertigt und wurden auf dem Polymerfilm 3 durch Siebdruck aufgebracht. Die Dicke der Anschlüsse 6.1, 6.2 beträgt etwa 20 µm.
Wie aus den vorstehend beschriebenen Abmessungen hervorgeht, ist der Aufprallsensor 2 äußerst flexibel und kann leicht gebogen werden. Wenn ein solches Verbiegen vorkommt, wird der elektrische Widerstand des Sensormaterials 5 einer Änderung unterworfen. Bei der vorliegenden Ausführungsform erhöht sich diese Änderung durch eine mäandernde Struktur des Sensorelements 4. Die Änderung ist leicht nachweisbar, wenn eine Spannung an die Anschlüsse 6.1, 6.2 angelegt und der Strom gemessen wird.
Um die dünnen Schichten des Sensorelements 4 und die Anschlüsse 6.1, 6.2 zu schützen, wird im Allgemeinen eine schützende Deckschicht hinzugefügt. Der Einfachheit halber ist eine solche Schicht in 1 nicht gezeigt.
2 veranschaulicht schematisch eine Fahrzeugfront mit einem Stoßfänger 100, einem Kühler 101, Scheinwerfern 102 und einem Nummernschildhalter 103. Fünf Aufprallsensoren 2.1–2.5 sind in den Stoßfänger 100 integriert. Der Stoßfänger kann eine übliche Struktur mit einer harten äußeren Kunststoffhaut und einem Schaum oder einem Stoßdämpferfüllstoff aus Kunststoff haben. In diesem Fall können die Aufprallsensoren 2.1–2.5 unmittelbar unterhalb der Kunststoffhaut integriert werden, so dass sie jeden Aufprall sofort erkennen können.
Die Aufprallsensoren 2.1–2.5 sind Teil eines erfindungsgemäßen Aufprallerkennungssystems 1. Sie sind zu dem in 1 gezeigten Aufprallsensor 2 identisch. Jeder von ihnen ist über Anschlüsse 6.1, 6.2 an eine Verarbeitungseinheit 10 angeschlossen. Der Einfachheit halber sind die Verbindungen in 2 nicht gezeigt. Die Verarbeitungseinheit 10 ist dafür ausgelegt, eine Spannung an jeden der Aufprallsensoren 2.1–2.5 anzulegen und den elektrischen Widerstand zu messen. Während des normalen Betriebs des Fahrzeugs ist der Widerstand nahezu konstant, da das Sensormaterial 5 praktisch nicht von Temperaturänderungen oder Feuchtigkeit beeinflusst wird.
Wie es in 2 zu sehen ist, sind die Sensoren 2.1–2.5 versetzt entlang des Stoßfängers 100 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Sensoren 2.1–2.5 seitlich beabstandet, aber sie könnten auch nebeneinander angeordnet sein. Der dritte Sensor 2.3 ist um einiges tiefer als die anderen Sensoren 2.1, 2.2, 2.4, 2.5 angeordnet, um den Kühler 101 zu umgehen.
3 zeigt eine Aufprallsituation, in der der Stoßfänger 100 im Bereich des zweiten Aufprallsensors 2.2 mit einem feststehenden Pfosten 110 kollidiert. Der Aufprall führt zu einer Verformung des Stoßfängers 100 und somit zu einer Verformung des Aufprallsensors 2.2, was wiederum zu einer Änderung des Widerstands des Aufprallsensors 2.2 führt.
4 veranschaulicht die Widerstandsänderung der Sensoren 2.1–2.5 im zeitlichen Verlauf. Was gezeigt ist, ist eigentlich die Änderung des elektrischen Widerstands des Sensors 2.2 gegenüber Zeit. Die Teildiagramme sind mit Zahlen in Kreisen bezeichnet, die den in 3 gezeigten Zahlen entsprechen. Da der erste Sensor 2.1 und der dritte bis fünfte Sensor 2.3–2.5 von dem Aufprall nicht betroffen sind, bleiben ihre Widerstände konstant, weshalb ihre Änderung bei null liegt.
Der Widerstand des zweiten Sensors 2.2 zeigt jedoch einen deutlichen Anstieg beim Treffen des Pfostens 110. Der Anstieg ist durch die Kurve in 4 gezeigt. Je nach der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, normalerweise innerhalb von wenigen Millisekunden, erreicht die Kurve einen Spitzenwert, der durch die gestrichelte Linie in 4 gekennzeichnet ist. Nach einiger Zeit hat die Verformung des Sensors 2.2 einen Höchstwert erreicht, weshalb die Änderung des Widerstands zurück auf null fällt.
5 zeigt eine ähnliche Aufprallsituation wie in 3. In diesem Fall kollidiert der Stoßfänger 100 jedoch mit dem feststehenden Pfosten 110 zwischen dem ersten Aufprallsensor 2.1 und dem zweiten Aufprallsensor 2.2. In diesem Fall führt die Verformung des Stoßfängers 100 zu einer Verformung beider Aufprallsensoren 2.1, 2.2, die jedoch nicht so schwer ist wie bei dem in 3 gezeigten Szenarium, da keiner der Aufprallsensoren direkt getroffen wird. Wieder führt die Verformung der Aufprallsensoren 2.1, 2.2 zu einer Änderung ihres Widerstands.
6 veranschaulicht, ähnlich wie 4, die Widerstandsänderung der Sensoren 2.1–2.5 im zeitlichen Verlauf. Wieder sind der dritte bis fünfte Sensor 2.3–2.5 nicht von dem Aufprall betroffen, weshalb ihr Widerstand konstant bleibt und ihre Änderung bei null liegt.
Der Widerstand des ersten und zweiten Sensors 2.2 nimmt jedoch jeweils im Verlauf des Aufpralls zu, was durch die Kurven in 6 gezeigt ist. Die gesamte Form der Kurven ist ähnlich der in 4 gezeigten Kurve. Da jedoch keiner von dem ersten und dem zweiten Aufprallsensor 2.1, 2.2 so stark verformt wird wie in dem vorigen Szenarium, erreicht jede der Kurven einen Spitzenwert, der in etwa die Hälfte des Spitzenwerts in 4 beträgt.
In jedem der in 3 bzw. 5 gezeigten Szenarien kann die Verarbeitungseinheit 10 die Aufprallposition basierend auf der Position der Aufprallsensoren, die reagieren, d. h. die eine Änderung ihres Widerstands zeigen, erkennen. Ferner wird die kumulierte Änderung des Widerstands aller Aufprallsensoren 2.1–2.5 berechnet und als ein Maß für die gesamte Energie des Aufpralls verwendet. Es ist anzumerken, dass, obwohl der Spitzenwert der individuellen Kurven in 6 kleiner als in 4 ist, die Gesamtheit beider Kurven, die die kumulierte Änderung des Widerstands darstellen, in etwa gleich wie in 4 ist. Daher kann eine realistische Schätzung der Schwere des Aufpralls abgeleitet werden.
Um die Aufprallenergie von der Änderung des Widerstands abzuleiten, kann ein Kalibrierungsverfahren mit einem Stoßfänger 100 mit der gleichen Konfiguration wie die Aufprallsensoren 2.1–2.5 ausgeführt werden. In einem solchen Kalibrierungsverfahren können mehrere Aufpralle mit einer bekannten Energie erzeugt und kann die Änderung des Widerstands der Aufprallsensoren gemessen werden. Die Messwerte können für die Datenbank der Verarbeitungseinheit 10 verwendet werden.
6 stellt eine Situation dar, in der beide Sensoren 2.1, 2.2 gleichermaßen betroffen sind, wenn sich die Aufprallposition in der Mitte zwischen beiden Sensoren 2.1, 2.2 befindet. Wenn jedoch der Stoßfänger im Bereich des ersten Sensors 2.1 eine größere Steifheit hat als im Bereich des zweiten Sensors 2.2, würde dies zu einer geringeren Verformung des ersten Sensors 2.1 führen. Jedenfalls können solche Wirkungen berücksichtigt werden, wenn ein Kalibrierungsverfahren wie vorstehend beschrieben ausgeführt wird. Beim Berechnen der kumulierten Änderung des Widerstands kann die Verarbeitungseinheit Gewichtungsfaktoren an den einzelnen Änderungen anlegen, anstatt sie einfach zu addieren.
In jedem Fall kann das Aufprallerkennungssystem 1 eine Aufprallsituation praktisch ohne Verzögerung erkennen und auswerten, da die Aufprallsensoren 2.1–2.5 unmittelbar an der Position des Aufpralls angeordnet sind. Da der Widerstand der individuellen Sensoren 2.1–2.5 leicht zu messen ist und nicht von einer Temperatur oder Feuchtigkeit abhängt, ist das System 1 auch sehr zuverlässig.
Bezugszeichenliste

1: Aufprallerkennungssystem
2, 2.1–2.5: Aufprallsensor
3: Polymerfilm
4: Sensorelement
5: Sensormaterial
6.1, 6.2: Anschluss
10: Verarbeitungseinheit
100: Stoßfänger
101: Kühler
102: Scheinwerfer
103: Nummernschildhalter
110: Pfosten

Claims

Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) für ein Fahrzeug, umfassend – wenigstens ein belastungsempfindliches Sensorelement (4), welches ein Sensormaterial (5) umfasst, und – wenigstens zwei Anschlüsse (6.1, 6.2), zwischen welchen das Sensormaterial (5) elektrisch angeschlossen ist, wobei das Sensormaterial (5) ein metallhaltiges Kohlenstoffmaterial ist.
Aufprallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (5) nickelhaltiger, hydrierter amorpher Kohlenstoff ist.
Aufprallsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Trägerelement (3), auf welchem das Sensormaterial (5) als eine Schicht mit einer Dicke von 10–100 nm aufgebracht ist.
Aufprallsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine aufgestäubte Schicht ist.
Aufprallsensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) ein Polymerfilm ist.
Aufprallsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (6.1, 6.2) mit Siebdruck aufgebracht sind.
Aufprallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Abmessung des Aufprallsensors (2, 2.1–2.5) weniger als 200 mm beträgt.
Aufprallerkennungssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend wenigstens einen Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Aufprallerkennungssystem nach Anspruch 8, ferner umfassend eine äußere Komponente (100) für das Fahrzeug, in welcher der wenigstens eine Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) angeordnet ist.
Aufprallerkennungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Aufprallsensoren (2, 2.1–2.5) umfasst, die versetzt entlang der äußeren Komponente (100) angeordnet sind.
Aufprallerkennungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit (10), die an den wenigstens einen Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) angeschlossen und dafür konfiguriert ist, basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands des wenigstens einen Aufprallsensors (2, 2.1–2.5) eine Aufprallsituation zu erkennen.
Aufprallerkennungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (10) so angeschlossen ist, dass der Widerstand eines jeden von mehreren Untersätzen von mehreren Aufprallsensoren (2, 2.1–2.5) einzeln gemessen werden kann.
Aufprallerkennungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (10) dafür ausgelegt ist, eine Aufprallstelle basierend auf der Stelle von wenigstens einem Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) zu erkennen, der eine Änderung seines elektrischen Widerstands zeigt.
Aufprallerkennungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (10) dafür ausgelegt ist, basierend auf einer Kombination der Änderungen der elektrischen Widerstände von mehreren Aufprallsensoren (2, 2.1–2.5) eine Aufprallenergie zu bestimmen.
Verfahren zur Aufprallerkennung für ein Fahrzeug mit wenigstens einem Aufprallsensor (2, 2.1–2.5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Messen des elektrischen Widerstands des wenigstens einen Aufprallsensors (2, 2.1–2.5); und – Erkennen einer Aufprallsituation basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands.