DE19818650A1 - Kraftsensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor (1) mit einem durch Krafteinwirkung elastisch verformbaren Elastomerkörper (2). Vom Elastomerkörper sind wenigstens zwei Leiterpaare umschlossen. Die Leiterpaare sind so nahe beieinander angeordnet, daß bei Anliegen einer Wechselspannung an einem Leiterpaar dessen elektrisches oder magentisches Feld das andere Leiterpaar beeinflußt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor. Ein Kraftsensor dient ganz allgemein da
zu, die Krafteinwirkung auf einen Körper oder den Druck in einer Flüssigkeit zu
detektieren. Er wird beispielsweise eingesetzt, um einen Klemmschutz bei auto
matisch schließenden Türen, Klappen oder Fenstern, etwa Fahrzeugfenstern, zu
gewährleisten. Im Falle von automatisch schließenden Fahrzeugfenstern ist es
bekannt, im Fensterrandbereich als Kraftsensor eine um eine elastisch verformba
re Seele gelegte Wendel eines Lichtwellenleiter anzuordnen. Wenn ein Fahrzeu
ginsasse beim automatischen Schließen des Fensters seine Hand, seinen Arm
oder gar seinen Hals zwischen Fenster und den Kraftsensor bringt, wird die Wen
del deformiert bzw. deren Biegeradius verändert, was sich in einer meßbaren
Veränderung der Lichtleiteigenschaften des Lichtwellenleiters bemerkbar macht.
Der Lichtwellenleiter ist einerseits mit einer Lichtquelle und andererseits mit einem
Lichtsensor verbunden. Durch die Deformierung und die damit bewirkte Eigen
schaftsveränderung ergibt sich gegenüber dem nicht deformierten Sollzustand am
Lichtsensor eine meßbare Abweichung. Bei anderen Klemmschutzvorrichtungen
dieser Art wird ein Kraftsensor benutzt, dessen elektrischer Widerstand sich bei
Krafteinwirkung verändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen Kraftsensor vorzu
schlagen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftsensor mit den Merkmalen des Anspru
ches 1 gelöst. Dieser umfaßt einen durch Krafteinwirkung deformierbaren Elasto
merkörper und wenigstens zwei Leiterpaare. Die Leiterpaare sind vom Elastomer
körper umschlossen und räumlich so nahe beieinander angeordnet, daß sich bei
Anliegen einer Wechselspannung an einem Leiterpaar dessen elektrisches oder
magnetisches Feld das andere Leiterpaar beeinflußt. Das jeweils andere, im fol
genden mit Meßleiterpaar bezeichnete Leiterpaar ist also innerhalb des elektri
schen oder magnetischen Feldes des spannungsbeaufschlagten Leiterpaares an
geordnet und ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, mit der ein in ihm induzier
tes Wechselspannungssignal meßbar ist. Im Ausgangszustand, also bei Fehlen
einer Krafteinwirkung, sind die Leiter der Leiterpaare in einer vorgegebenen Rela
tivlage angeordnet. Dementsprechend ist die genannte Beeinflussung konstant.
Bei einer Krafteinwirkung auf den Kraftsensor verändert sich die Relativlage der
Leiter, was zu einer Veränderung der kapazitiven bzw. induktiven Kopplung zwi
schen den Leiterpaaren und dementsprechend zu einer Veränderung des im
Meßleiterpaar induzierten Wechselspannungssignals führt. Der Grad der Signal
veränderung im Vergleich zum Ausgangszustand ist zumindest in gewissem
Ausmaß proportional zur Größe der Krafteinwirkung. Durch eine geeignete Steu
ereinrichtung wird bei Erreichen eines vorbestimmten Schwellenwertes der
Signalabweichung der Antriebsmotor für beispielsweise eine Fensterscheibe ab
geschaltet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Kraftsensors ist in Anspruch 2 genannt. Hier
sind die Leiterpaare im wesentlichen nach Art einer Sternviererverseilung ange
ordnet. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Leiter parallel zueinander und
sind, im Querschnitt gesehen, auf den Ecken eines Quadrates angeordnet. Die
einem Leiterpaar zugehörigen Leiter liegen sich dabei diametral gegenüber. Bei
einer solchen Leiteranordnung ist die Beeinflussung des Meßleiterpaares durch
das spannungsbeaufschlagte Leiterpaar äußerst gering. Es liegt somit ein relativ
genau definierter Ausgangszustand vor, von dem ausgehend bereits kleine Si
gnaländerungen leicht detektierbar sind.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist der Elastomerkörper ein Schlauch,
wobei die Leiterpaare in der Schlauchwand eingebettet sind. Ein solcher Schlauch
ist relativ leicht deformierbar, selbst wenn er aus einem festeren Material besteht.
Außerdem kann ein solcher Elastomerkörper beispielsweise zur Detektierung ei
nes auf einen Umfangsabschnitt seiner Außenfläche einwirkenden Flüssigkeits
druckes verwendet werden. Das Schlauchinnere ist dabei mit Atmosphärendruck
beaufschlagt. Die Druckverhältnisse können aber auch umgekehrt sein, d. h.
Druckbeaufschlagung von innen, wobei der Atmosphärendruck auf der Umfangs
fläche des Schlauches ansteht.
Bei der in Anspruch 4 genannten Ausführungsform sind die in Richtung der Kraft
einwirkung verlaufenden Schlauchwände mit geringerer Wandstärke ausgebildet.
Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Elastomerkörper aus einem festeren Material
bestehen aber dennoch verformbar sein soll. Ein besonders einfach herstellbarer
Elastomerkörper ist in den Ansprüchen 5 und 6 genannt. Ein solcher schnur- oder
stabförmig ausgebildeter Elastomerkörper läßt sich besonders gut in Dichtungen,
beispielsweise für Fahrzeugfenster integrieren.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen beigefügten Ausfüh
rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen schlauchförmigen Elastomerkörper mit
quadratischer Umrißform,
Fig. 2 den Elastomerkörper nach Fig. 1 in deformiertem Zustand,
Fig. 3 einen als Vollkörper ausgebildeten Elastomerkörper in unbelastetem
Zustand,
Fig. 4 eine Fahrzeugtür, deren Fenster-Öffnungsrand oberseits mit einem
Kraftsensor ausgestattet ist,
Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend der Linie V-V in Fig. 4, wobei zwischen
dem Kraftsensor und dem oberen Fensterscheibenrand ein Gegen
stand eingeklemmt ist,
Fig. 6 ein Funktionsschaltbild einer Klemmvorrichtung mit einem Kraftsensor,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch die D-Säule eines PKW mit
seitlich ausstellbarem Fenster,
Fig. 8 eine Abbildung entsprechend Fig. 7, wobei jedoch zwischen Ausstell
fenster und Kraftsensor ein Gegenstand eingeklemmt ist, und
Fig. 9 die schematische Darstellung einer zweiteiligen Schiebetür mit einem
Klemmschutz unter Verwendung eines Kraftsensors.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftsensor 1, dessen Elastomerkörper 2 in
Form eines Schlauches ausgebildet ist. Der Elastomerkörper besteht aus einem
elastomeren Polymermaterial, beispielsweise aus einem thermoplastischen
Kautschuk. Der Elastomerkörper hat eine im wesentlichen quadratische Umriß
form. Im Elastomerkörper sind insgesamt vier Leiter 3a, 3b und 4a, 4b eingebettet.
Die Leiter sind in den Ecken des quadratischen Elastomerkörpers 2 angeordnet
und verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. Die diametral gegenüberlie
genden Leiter 3a, 3b bzw. 4a, 4b bilden zusammen jeweils ein Leiterpaar. Die ge
dachten Verbindungslinien zwischen den Leitern 4a und 4b bzw. 3a und 3b bzw.
die Diagonallinien 33 des quadratischen Elastomerkörpers verlaufen rechtwinklig
zueinander und schließen einen Winkel α von 90° ein. Bei einer Krafteinwirkung in
Kraftrichtung 5 weichen die parallel zur Kraftrichtung 5 verlaufenden Schlauch
wände 6 des Elastomerkörpers 1 seitlich auseinander und werden dabei etwa
V-förmig abgewinkelt. Um dieses Abwinkeln zu erleichtern, weisen die Schlauch
wände 6 eine geringere Stärke auf, als die quer zur Kraftrichtung 5 verlaufenden
Schlauchwände 7. Durch ihre stärkere Ausbildung können die Schlauchwände 7
in Kraftwirkung 5 einwirkende Kräfte aufnehmen, ohne sich dabei im wesentlichen
zu verformen. Dadurch bleibt der Abstand der Leiter - quer zur Kraftwirkung 5 be
trachtet - im wesentlichen gleich. Im deformierten Zustand nach Fig. 2 ändert sich
somit neben dem Winkel α, der kleiner wird, noch der Diagonalabstand der Lei
ter 3a, 3b bzw. 4a, 4b.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Elastomerkörper 2a
ein Vollkörper mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ist. Der Elastomer
körper 2a kann ebenfalls aus einem thermoplastischen Kautschuk bestehen.
Grundsätzlich sind aber für einen Elastomerkörper beliebige Werkstoffe denkbar,
sofern sie elastisch verformbar sind.
Ein erfindungsgemäßer Kraftsensor kann - wie oben erwähnt - beispielsweise
Bestandteil einer Klemmschutzvorrichtung für eine elektromotorisch bewegbare
Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges sein. In Fig. 4 ist eine Fahrzeugtür mit ei
ner motorisch bewegbaren Fensterscheibe 8 dargestellt. Bei Türen der in Rede
stehenden Art ist der Randbereich der Fensteröffnung üblicherweise mit einer
Dichtung 9 ausgekleidet. Im oberen Randbereich 10 der Fensteröffnung sind in
der Dichtung 9 zwei Kraftsensoren 1a und 1b integriert. Wie aus Fig. 5 ersichtlich
ist, ist die Dichtung 9 im Querschnitt im wesentlichen S-förmig ausgebildet. An
ders ausgedrückt handelt es sich um zwei U-Profile 11a, 11b, deren Öffnungen in
entgegengesetzte Richtung weisen und die seitlich aneinandergeformt sind, wobei
sie einen gemeinsamen Schenkel aufweisen. Das eine U-Profil liegt in dem im
Querschnitt ebenfalls U-förmig ausgebildeten Türrahmen 12 ein. Das andere
U-Profil 11b umschließt den einen Schenkel des U-profilförmigen Türrahmens 12.
Das Freiende des in Fig. 5 rechts angeordneten Schenkels 13 ist kopfförmig ver
dickt und umschließt einen Kraftsensor 1b. Die Basis des U-Profils 11b ist eben
falls verdickt und umschließt einen zweiten Kraftsensor 1a. Das U-Profil 11a
nimmt den oberen Randbereich 14 der Fensterscheibe 8 im geschlossenen Zu
stand auf. Befindet sich während des automatischen Schließvorganges zwischen
der Fensterscheibe 8 und der Dichtung 9 ein Gegenstand, in Fig. 5 durch ein
Trinkglas 15 symbolisiert, so wird die Antriebskraft des auf die Fensterscheibe 8
wirkenden Antriebsmotors (nicht dargestellt) über den Gegenstand 15 auf die
Dichtung 9 und folglich auf die Kraftsensoren 1a, 1b übertragen. Die Kraftsensoren
sind beispielsweise so ausgestaltet wie in Fig. 3 dargestellt. Bei Krafteinwirkung -
etwa in Richtung des Pfeiles 16 in Fig. 3 - werden die Kraftsensoren oval verformt.
Dementsprechend ändert sich die Relativlage der darin eingebetteten Lei
ter 3a, 3b, 4a, 4b. Die Leiterpaare des Kraftsensors 1a sind mit einem Leiterpaar
des anderen Kraftsensors 1b in Reihe oder parallel geschaltet oder elektrisch
voneinander getrennt. Im zuletzt genannten Fall ist jeder Kraftsensor separat an
ein Überwachungs- bzw. Auswertungssystem angeschlossen. In das eine Leiter
paar der Kraftsensoren 1a, 1b wird über einen Signalgenerator 17 jeweils ein
Wechselspannungssignal eingespeist. Die anderen Leiterpaare, nämlich die
Meßleiterpaare sind mit einer Signalauswerteeinheit 18 verbunden (siehe Fig. 6).
Im Ausgangszustand, also bei Fehlen einer Krafteinwirkung, nehmen die span
nungsbeaufschlagten Leiterpaare und die Meßleiterpaare ihre Soll-Relativlage,
wie in Fig. 3 dargestellt, ein. In diesem Ausgangszustand ist die Beeinflussung der
Meßleiterpaare durch das elektrische oder magnetische Feld der spannungsbe
aufschlagten Leiterpaare äußerst gering. Dies liegt daran, daß zum einen die
Richtung des Magnetfeldes eines spannungsbeaufschlagten Leiterpaares parallel
zur Schleifenfläche des ihm zugeordneten Meßleiterpaares verläuft und daß zum
anderen die Leiter des Meßleiterpaares auf der gleichen Äquipotentialfläche des
elektrischen Feldes des spannungsbeaufschlagten Leiterpaares liegen. Wird nun
als Folge einer Krafteinleitung entsprechend Pfeil 16 in Fig. 3 bzw. entsprechend
der Schließrichtung 19 der Fensterscheibe 8 der Kraftsensor 1a bzw. 1b defor
miert, so wird die Symmetrie der Leiter gestört. Die Verbindungslinien zwischen
den Leitern eines Leiterpaares bzw. die Diagonallinien 33 schließen einen Winkel
zwischen sich ein, der abweichend vom Ausgangszustand kleiner als 90° ist. Je
größer die Verformung, desto größer ist das "Übersprechen" zwischen den Leiter
paaren eines Kraftsensors, d. h. desto größer ist die Abweichung des im Meßlei
terpaar induzierten Wechselspannungssignals gegenüber dem Ausgangszustand.
Diese Abweichung wird von der Signalauswerteeinheit 18 detektiert. Bei Über
schreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes wird an die Antriebssteuerung 20
der Fensterhebeeinrichtung ein Stellsignal 21 weitergeleitet, das eine Abschaltung
des Antriebsmotors bewirkt.
Die Abbildungen gemäß Fig. 7 und Fig. 8 betreffen das Heckfenster eines PKW
mit einer seitlich ausstellbaren Fensterscheibe 22. An der im Querschnitt darge
stellten D-Säule des Fahrzeugs ist eine Dichtung 23 fixiert, die mit der Innensei
te 24 der Fensterscheibe 22 in geschlossenem Zustand im Sinne einer Dichtpaa
rung zusammenwirkt. Dazu weist die Dichtung 23 eine Anschlagfläche 25 auf, die
im geschlossenen Zustand an der Innenseite 24 der Fensterscheibe anliegt. Die
Dichtung 23 ist im Grunde genommen ein bandförmiges Teil, dessen Seitenränder
verdickt sind und jeweils einen Kraftsensor 1c, 1d umschließen. Der Kraftsensor 1c
weist einen größeren Abstand zum Fensterscheibenrand 26 auf als der Kraftsen
sor 1d. Die Kraftsensoren 1c und 1d sind unabhängig voneinander und überwa
chen unterschiedliche Einklemmsituationen. Wenn ein Insasse seine Hand oder
seinen Arm in die bei ausgestellter Fensterscheibe 22 vorhandene Fensteröff
nung 27 hineinsteckt, so wird - wenn sich die Fensterscheibe in Richtung des
Pfeiles 28 schließt - der Kraftsensor 1c deformiert und der Antriebsmotor für die
Fensterscheibe 28 abgeschaltet. Die andere Situation ist die, daß eine sich au
ßerhalb des Fahrzeugs befindliche Person ihre Hand oder ihren Arm in die Fen
steröffnung 27 hineinsteckt. In einem solchen Falle spricht der zweite Kraftsen
sor 1d an.
In Fig. 9 ist ein weiterer Anwendungsfall für einen erfindungsgemäßen Kraftsen
sor, nämlich eine Klemmschutzvorrichtung für eine sich automatisch schließende
und öffnende Schiebetür, wie sie etwa bei Aufzügen vorhanden ist, dargestellt.
Die beiden Türflügel 29, 30 bewegen sich ausgehend vom geöffneten Zustand in
Richtung der Pfeile 31 aufeinander zu und liegen im geschlossenen Zustand mit
ihren Vertikalkanten 32 aneinander an. Auf der Vertikalkante 32 der Flügeltür 30
ist ein etwa gemäß Fig. 1 ausgestalteter Kraftsensor 1e angeordnet. Wenn eine
Person oder ein Körperteil einer Person zwischen den Flügeltüren 29, 30 einge
klemmt wird, werden diese mit Hilfe einer geeigneten Steuervorrichtung, etwa
gem. Fig. 6 wieder geöffnet.
1
Kraftsensor
2
Elastomerkörper
3
Leiter
4
Leiter
5
Kraftrichtung
6
Schlauchwand
7
Schlauchwand
8
Fensterscheibe
9
Dichtung
10
oberer Randbereich
11
U-Profil
12
Türrahmen
13
Schenkel
14
Randbereich
15
Trinkglas
16
Pfeil
17
Signalgenerator
18
Signalauswerteeinheit
19
Schließrichtung
20
Antriebssteuerung
21
Stellsignal
22
Fensterscheibe
23
Dichtung
24
Innenseite
25
Anschlagfläche
26
Fensterscheibenrand
27
Fensteröffnung
28
Pfeil
29
Türflügel
30
Türflügel
31
Pfeil
32
Vertikalkante
33
Diagonallinie
Claims (8)
1. Kraftsensor (1) mit einem durch Krafteinwirkung elastisch verformbaren Ela
stomerkörper (2) und wenigstens zwei vom Elastomerkörper umschlossene
Leiterpaare, wobei die Leiterpaare so nahe beieinander angeordnet sind, daß
bei Anliegen einer Wechselspannung an einem Leiterpaar dessen elektrisches
oder magnetisches Feld das andere Leiterpaar beeinflußt.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterpaare im wesentlichen nach Art einer Sternviererverseilung an
geordnet sind.
3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elastomerkörper (2) ein Schlauch ist, in dessen Schlauchwand die
Leiterpaare eingebettet sind.
4. Kraftsensor nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
eine im Querschnitt gesehen quadratische oder rechteckige Umrißform des
Elastomerkörpers (2), wobei die parallel zur Richtung der Krafteinwirkung ver
laufenden Schlauchwände (6) eine geringere Stärke aufweisen als die übrigen
Schlauchwände.
5. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elastomerkörper (2) ein schnur- oder stabförmig ausgebildeter Voll
körper ist.
6. Kraftsensor nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
eine kreisrunde Querschnittsform des Elastomerkörpers (2).
7. Klemmschutzvorrichtung für mit automatisch schließenden Verschlußelemen
ten, wie Türen, Klappen oder Fenstern verschließbare Öffnungen, wobei in
dem mit dem Verschlußelement im geschlossenen Zustand zusammenwir
kenden Öffnungsrandbereich ein Kraftsensor nach einem der Ansprüche
1 bis 6 angeordnet ist.
8. Verwendung einer Klemmschutzvorrichtung nach Anspruch 7 für das Fenster
eines Kraftfahrzeuges.
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