DE19818650A1 - Kraftsensor - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.