DE19754653A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Beschleunigungs­ sensor mit einem als Trägheitsmasse dienenden Massekörper, der in zwei entgegengesetzten Richtungen einwirkende Be­ schleunigungen erfassen kann und ab bestimmten Beschleuni­ gungswerten ein Schaltsignal erzeugt, das nicht nur das Über­ schreiten des vorgesehenen Beschleunigungswertes, sondern auch die Beschleunigungsrichtung signalisiert. Mit dem Aus­ druck "Beschleunigung" ist hier sowohl eine positive als auch eine negative Beschleunigung gemeint, d. h. nicht nur eine Geschwindigkeitserhöhung, sondern auch eine Verzögerung. Sol­ che Beschleunigungssensoren können insbesondere als Unfall­ sensoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die nicht nur einen Aufprall auf ein Hindernis, sondern auch einen durch ein nachfolgendes Fahrzeug verursachten Auffahrunfall signa­ lisieren und die Einleitung entsprechender Insassenschutzmaß­ nahmen auslösen können. Je nach Einbauposition können auch in Querrichtung einwirkende Beschleunigungen erfaßt werden.

Aus der DE 44 43 419 C1 ist ein solcher, für zwei Beschleuni­ gungsrichtungen empfindlicher Beschleunigungssensor bekannt, der einen entlang eines Trägers beweglichen, als seismische Masse dienenden, beweglich angeordneten Ringmagneten enthält, der einen aus magnetisierbarem Material bestehenden, statio­ när angeordneten Formkörper umgibt. Durch die Formgebung des Formkörpers werden die Ruhelage des Ringmagneten und die bei einer Auslenkung aus der Ruhelage auftretenden Rückstellkräf­ te definiert. In den Endlagen der Bewegungsstrecke des Ring­ magneten sind magnetisch betätigbare Endschalter angeordnet, die durch den Ringmagneten bei seiner maximalen Auslenkung betätigt werden und ein Ausgangssignal erzeugen, das das Er­ reichen des Beschleunigungsgrenzwerts signalisiert. Zur Her­ stellung des Ringmagneten, Formkörpers und der Magnetschalter sowie für deren Zusammenbau ist allerdings etwas höherer Auf­ wand und Präzision erforderlich.

Aus der US 3 493 701 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, der lediglich für eine Beschleunigungsrichtung empfindlich ist. Der Beschleunigungssensor ist mit einem stationären, zy­ lindrischen Permanentmagneten ausgestattet, der eine als Trägheitsmasse dienende Kugel anzieht. Wenn die Kugel einer vom Permanentmagnet weggerichteten, die Magnetfeldstärke überschreitenden Beschleunigung ausgesetzt wird, löst sie sich vom Permanentmagneten ab und betätigt einen mechanischen Schaltstift, so daß ein elektrischer Stromkreis unterbrochen wird. Die Grenzbeschleunigung, bei der sich die Kugel vom Permanentmagnet ablöst und den Schaltstift betätigt, ist hierbei allerdings direkt von der Stärke des vom Permanentma­ gneten erzeugten Magnetfelds abhängig und damit schwierig einstellbar und/oder veränderbar. Auch können externe Magnet­ felder oder metallische Massen den Magnetverlauf verändern und damit den Beschleunigungsgrenzwert, bei dem sich die Ku­ gel vom Permanentmagnet ablöst, unerwünscht ändern. Ferner ist der Beschleunigungssensor lediglich für eine einzige Be­ schleunigungsrichtung empfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektiona­ len Beschleunigungssensor zu schaffen, der sich durch einfa­ chen Aufbau und Langzeitstabilität auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist der Mas­ sekörper somit zwischen zwei vorgespannten Federn gehalten und bewirkt bei Einwirken einer Beschleunigung eine entspre­ chende Auslenkung der jeweiligen Feder. Bei Erreichen der vorgesehenen Grenzbeschleunigung, bei der ein Schaltsignal erzeugt werden soll, wird der in der zugehörigen Endlage an­ geordnete, mechanische Schalter (bzw. dort vorgesehene Schaltkontakte) betätigt, und zwar entweder durch die zwi­ schen dem Schalter (Schaltkontakt) und dem Massekörper vor­ handene Feder, oder durch den Massekörper selbst, sofern die­ ser durch eine entsprechende Ausnehmung der Feder hindurch­ ragt. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor läßt sich somit rein mechanisch, ohne Magnet oder magnetisierbare Kom­ ponente, aufbauen. Damit ist die Beeinflußbarkeit des Ar­ beitsverhaltens des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors durch externe Metallteile, externe Magnetfelder oder durch Alterung der magnetfeldgenerierenden Komponenten nicht vor­ handen oder allenfalls vernachlässigbar klein. Durch die Ein­ spannung des Massekörpers zwischen den beiden Federn können zudem auch vibrationsbedingte Bewegungen des Massekörpers zu­ verlässig gedämpft abgefangen werden, ohne daß sich störende Geräusche ergeben. Ferner läßt sich durch gleiche Wahl der Federn identisches Auslenkungsverhalten des Massekörpers bei beiden Beschleunigungsrichtungen erzielen.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Massekörper als Kugel, beispielsweise als metallische Kugel, ausgebildet. Hierdurch ist die Herstellbarkeit und Montage des erfindungsgemäßen Be­ schleunigungssensors noch weiter vereinfacht, da die Kugel in jeder beliebigen Lage und Ausrichtung zwischen die Federn eingebracht werden kann, ohne daß sich das Beschleunigungs­ verhalten in irgendeiner Weise ändert. Aufgrund der Kugelsym­ metrie ist auch die Anlage zwischen den Federn und dem Masse­ körpern bei beiden Federn identisch und von der jeweiligen Drehlage der Kugel unabhängig, so daß die von den Federn aus­ geübte Vorspannung in identischer, symmetrischer Weise auf die Kugel einwirkt und auch die Federn in der Ruhelage nicht unterschiedlich ausgelenkt werden. Die Kugel symmetriert sich somit selbstätig zwischen den Federn. Die Federn können grundsätzlich beliebige, z. B. spiralförmige oder schrauben­ förmige Gestalt aufweisen, sind vorzugsweise aber als Blatt­ federn ausgebildet. Die Kugel liegt hierbei vorzugsweise sym­ metrisch, mittig an den Blattfedern an, wobei diese aufgrund ihrer Vorspannung bauchförmig ausgewölbt sind und mit ihrer Innenseite jeweils die zwischen ihnen befindliche Kugel be­ rühren. Die Kugel wird somit stabil zwischen den Blattfedern gehalten. Die Blattfedern sind ferner vor und bei dem Zusam­ menbau einfach handhabbar und montierbar.

In bevorzugter Ausgestaltung ist ein Rohr vorgesehen, das den Massekörper, insbesondere die Kugel, umschließt, so daß sich der Massekörper entlang der Rohr-Längsachse, die die beiden detektierbaren Beschleunigungsrichtungen definiert, bewegen kann. Das Rohr dient nicht nur zur Führung des Massekörpers, sondern vorzugsweise auch zur Befestigung der Federn und übt somit eine Doppelfunktion aus.

Vorzugsweise ist der Rohrdurchmesser eng toleriert, d. h. nur geringfügig größer als die maximale Dickenabmessung des Mas­ sekörpers. Hierdurch wirkt das Rohr dämpfend auf eine Bewe­ gung der Kugel ein. Dies gilt insbesondere, wenn das Rohr an seinen beiden Stirnseiten zumindest teilweise abgedichtet ist, so daß der Ausgleich des Luftvolumens bei einer Kugelbe­ wegung nur gebremst abläuft. Die Kugelbewegung läßt sich so­ mit nicht nur durch die Federn, sondern auch durch die Rohr­ dämpfung vergleichmäßigen und beeinflussen. Damit ist auch die Minimaldauer, mit der eine Grenzbeschleunigung bis zur Schaltsignalerzeugung einwirken muß, durch die Rohrabmessung beeinflußbar. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Frei­ heitsgrad bei der Festlegung des gewünschten Beschleunigungs­ grenzwerts.

Vorzugsweise bestehen die Federn aus leitendem Material und werden bei Auslenkung des Massekörpers in seine jeweilige Endlage mit dem dieser Endlage zugeordneten Schalter bzw. den dort vorgesehenen Schaltkontakten in Berührung gebracht, so daß signalisiert wird, daß eine bei oder oberhalb des Be­ schleunigungsgrenzwerts liegende Beschleunigung vorhanden ist. Hierbei können die Federn selbst die Schaltzungen der Endlagenschalter bilden, so daß lediglich zwei Schaltkontakte pro Endschalter vorzusehen sind.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor zeichnet sich so­ mit durch sehr einfachen, robusten und zuverlässigen Aufbau aus und behält seine Sensoreigenschaften über einen langen Zeitraum hinweg im wesentlichen unverändert bei.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer einzigen Zeich­ nung erläutert, die einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, bidirektionalen Beschleunigungssensors zeigt.

Das Ausführungsbeispiel enthält als seismische Masse (Massekörper) eine massive Kugel 1. Die Kugel 1 besteht aus einem schweren Material, z. B. aus Metall. Das Metall kann ein magnetisierbares Material, wie z. B. Eisen oder Stahl sein, jedoch auch als im wesentlichen unmagnetisches Materi­ al. wie beispielsweise Kupfer, ausgebildet sein, um hierdurch eine Beeinflußbarkeit durch eventuelle externe Magnetfelder noch weiter zu verringern. Die Kugel 1 ist in einem schema­ tisch dargestellten Rohr 2 untergebracht, dessen Innendurch­ messer nur geringfügig größer (beispielsweise 1% bis 5%) als der Durchmesser der Kugel 1 ist. Die Kugel 1 kann sich somit im wesentlichen nur längs der Rohrmittelachse bewegen, die mit den beiden detektierbaren, entgegengesetzten Be­ schleunigungsrichtungen zusammenfällt. Das Rohr 2 besteht aus geeignetem Material, z. B. hartem Kunststoff oder Metall. Bei der Zeichnung verläuft die Rohrmittelachse in der nach links und rechts weisenden Richtung. Auf den beiden Seiten der Ku­ gel 1, die in der Zeichnung in ihrer Ruhelage dargestellt ist, sind Federn 3 und 4 angeordnet, die als Blattfedern aus­ gebildet sind und unter Vorspannung an der Oberfläche der Ku­ gel 1 anliegen, d. h. schon in der Ruhelage der Kugel 1 nach außen gewölbt sind. Die Ausgestaltung kann allerdings auch derart getroffen sein, daß die Federn 3 und 4 in der Kugel- Ruhelage ohne Vorspannung an dieser anliegen und erst bei Auftreten einer Beschleunigung durch die Kugel 1 unter Kraft­ beanspruchung gesetzt und nach außen gewölbt werden. Die Fe­ dern 3 und 4 sind gemäß der Zeichnung an den Stirnflächen des Rohrs 2 befestigt. Damit die Federn 3, 4 die bei einer Kugel­ bewegung notwendige Auswölbungsbewegung durchführen können, sind die Federenden beweglich an den Rohrstirnseiten gehal­ ten, beispielsweise in dort ausgebildete Haltelaschen einge­ schoben oder greifen mit ihren Enden hinter an den Stirnflä­ chen vorgesehene Haltenasen. Das Rohr 2 kann aber auch länger als dargestellt ausgebildet sein, wobei die Federn 3 und 4 dann vorzugsweise mit ihren Enden in der Rohrinnenseite so angeordnet sind, daß die Enden in gewissem Ausmaß quer zur Rohrmittelachse gleitverschieblich sind, ohne daß jedoch die Federenden aus ihren Aufnahmen heraustreten können.

In den Endlagen der durch Beschleunigungen hervorgerufenen Bewegung der Kugel 1 sind vorzugsweise symmetrisch zur Ruhe­ lage Schaltkontakte 5, 8 bzw., auf der gegenüberliegenden Seite, 9, 12 vorgesehen. Diese mechanischen Schaltkontakte 6, 8, 9, 12 sind jeweils mit Anschlußleitungen und Anschlußsteckern bzw. Steckbuchsen 5, 7, 10 bzw. 11 über Leitungen ver­ bunden, über die geeignete Potentiale, z. B. eine positive Spannung an ausgewählte Schaltkontakte, z. B. an die Schalt­ kontakte 5 und 9, anlegbar ist. Wenn eine entlang der Rohr­ längsachse wirkende Beschleunigung auf die Kugel 1 einwirkt, überträgt diese eine entsprechende Kraft auf die zugehörige Feder 3 bzw. 4, so daß diese Feder mit wachsender Beschleuni­ gung zunehmend ausgelenkt wird. Wenn die wirkende Beschleuni­ gung einen bestimmten Beschleunigungsgrenzwert erreicht, ist die Auswölbung der Feder 3 bzw. 4 derart groß, daß diese die beiden Schaltkontakte 9, 12 bzw. 5, 8 berührt und damit einen Kurzschluß zwischen diesen Schaltkontakten herstellt. Damit wird das z. B. an den Anschluß 10 (bzw. 6) angelegte positive Potential nun zu dem Anschluß 11 (bzw. 7) geleitet und von einem angeschlossenen Steuergerät erfaßt, so daß dieses das Ansprechen des Beschleunigungssensors detektiert und weiter­ hin anhand des Anschlusses 11 (bzw. 7), an dem das Schaltpo­ tential aufgetreten ist, auch die Beschleunigungsrichtung er­ kennen kann. Durch die Massekugel 1 bzw. die Federn 3, 4 wird somit der jeweils zugehörige Stromkreis bei Erreichen des Be­ schleunigungsgrenzwerts mechanisch geschlossen. Sobald die Beschleunigung aufhört, stellt sich die Kugel 1 aufgrund der durch die Federn 3 und 4 ausgeübten Kraft selbsttätig in die Ruhelage ein.

Wie in der Zeichnung schematisch gezeigt ist, kann das Rohr 2 an seinen beiden Stirnseiten mit Kappen 13 und 14 verschlos­ sen sein, die die Stirnseiten im wesentlichen staub- und luftdicht abschließen. Damit ist das Eindringen von uner­ wünschten Verunreinigungen in die Kugelbewegungsbahn zuver­ lässig verhindert. Die stirnseitigen Abschlußkappen bringen weiterhin den Effekt, daß das von ihnen umschlossene Luftvo­ lumen eine Bewegung der Kugel 1 im Rohr dämpft. Die von der Kugel 1 bei ihrer Bewegung auf der einen Seite verdrängte Luftmasse muß nämlich durch den engen Spalt zwischen der Ku­ gel 1 und dem Rohr 2 zur anderen Seite unter entsprechendem Widerstand strömen. Dadurch ergibt sich eine Dämpfung der Be­ wegung der Kugel.

Der bidirektionale Beschleunigungssensor ist ferner vorzugs­ weise von einem schematisch dargestellten Gehäuse 15 als Ver­ schmutzungs- und Beschädigungsschutz umschlossen. Die An­ schlüsse 6, 7, 10 und 11 sind an der Außenseite des Gehäuses 15 vorgesehen und damit für die Verdrahtung leicht zugäng­ lich.

Claims (6)

1. Beschleunigungssensor mit
einem Massekörper (1), der zwischen zwei Endlagen be­ weglich angeordnet ist,
mechanisch betätigbaren Schaltern oder Schaltkontak­ ten (5, 8, 9, 12), die an den Endlagen angeordnet sind und bei Auslenkung des Massekörpers (1) in die zugeordnete Endla­ ge betätigt werden, und
zwei Federn (3, 4), zwischen denen der Massekörper (1) angeordnet ist und die den Massekörper (1) bei fehlender Beschleunigung in seiner zwischen den Endlagen liegenden Ru­ helage halten sowie durch den Massekörper bei einer beschleu­ nigungsbedingten Bewegung in Richtung zu dem zugehörigen Schalter bzw. den Schaltkontakten ausgelenkt werden.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Massekörper (1) als Kugel ausgebildet ist.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Federn (3, 4) als Blattfedern ausgebil­ det sind.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch ein Rohr (2), das den Massekör­ per (1) umschließt und an dem die Federn (3, 4) befestigt sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (2) einen Durchmesser aufweist, der nur geringfügig größer ist als die maximale Dickenabmessung des Massekörpers (1).

6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn aus leitendem Material bestehen und bei Auslenkung des Massekörpers (1) in eine jeweilige Endlage mit dem dieser Endlage zugeordneten Schalter, bzw. den dieser Endlage zugeordneten Schaltkontak­ ten (5, 8, 9, 12), in Berührung gebracht werden.