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Die
Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für eine Einklemmschutzvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
solche Sensoreinrichtung wird verwendet, um einen Einklemmfall zu
bestimmen, einen Sensor zur Erfassung und/oder Steuerung der Verstellbewegung
eines Fahrzeugteils, das durch eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs
bewegt wird. Der Sensor wirkt hierbei mit der Antriebsvorrichtung
zusammen, indem der Sensor die Drehbewegung einer durch einen Motor
angetriebenen Antriebswelle der Antriebsvorrichtung erfasst und
aus der Drehbewegung der Antriebswelle Rückschlüsse über die Verstellbewegung des
Fahrzeugteils gezogen werden. Zu diesem Zweck werden insbesondere Hallsensoren
eingesetzt, die im Bereich der sich drehenden Antriebswelle angeordnet
sind und ein Signal in Abhängigkeit
von einem sich mit der Antriebswelle drehenden Magneten erzeugen.
Durch die Auswertung der Signale solcher Hallsensoren kann die Position
und/oder Bewegung der Antriebswelle ermittelt, darüber auf
die Position und/oder Bewegung eines Fahrzeugteils, beispielsweise
eines Schiebedachs, einer Schiebetür oder einer Fensterscheibe,
zurückgeschlossen
und somit ein Einklemmfall, bei dem ein Objekt durch die Verstellbewegung
des Fahrzeugteils eingeklemmt ist, erfasst werden.
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Nachteilig
hierbei ist, dass Sensoreinrichtungen, die Hallsensoren verwenden,
aufwendig in ihrer Herstellung, im Bauraum und in den Kosten sind.
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Als
Sensoren für
Sensoreinrichtungen zur Erfassung der Verstellbewegung eines Fahrzeugteils werden
auch Stromrippeldetektoren verwendet, die ein durch die Kommutierung
im Motor der Antriebsvorrichtung erzeugtes Stromrippelsignal erfassen. Durch
die Auswertung solcher Stromrippelsignale, die korreliert sind mit
der Drehbewegung des Motors, kann dann zurückgeschlossen werden auf die
Bewegung der Antriebswelle und somit die Bewegung des zu verstellenden
Fahrzeugteils. Nachteil solcher Stromrippeldetektoren ist, dass
das zu erfassende Stromrippelsignal nicht immer mit gleichmäßiger Stärke zur
Verfügung
steht, bedingt durch Produktions- und Betriebsbedingungstoleranzen,
und somit die Auswertung des Stromrippelsignals schwierig sein kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Sensoreinrichtung
zur Erfassung der Verstellbewegung eines durch eine Antriebsvorrichtung
angetriebenen Fahrzeugteils zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
bei einer Sensoreinrichtung für
eine Einklemmschutzvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einem Sensor
zur Erfassung und/oder Steuerung der Verstellbewegung eines Fahrzeugteils,
bei der der Sensor mit einer die Verstellbewegung des Fahrzeugteils antreibenden
Antriebsvorrichtung zusammenwirkt, die eine durch einen Motor angetriebene
Antriebswelle aufweist, der Sensor als piezoelektrischer Sensor
ausgebildet ist, der mit der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung
gekoppelt ist und über
eine durch die Antriebswelle auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft
die Position und/oder die Bewegung des Fahrzeugteils zur Detektion
eines Einklemmfalls erfasst.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung verwendet
somit einen piezoelektrischen Sensor, der direkt mit der Antriebswelle
einer Antriebsvorrichtung zusammenwirkt und eine durch die Antriebswelle
auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft erfasst. Durch
die Erfassung der Druckkraft kann dann auf die Position und/oder
die Bewegung des durch die Antriebsvorrichtung bewegten Fahrzeugteils
zurückgeschlossen
werden und auf diese Weise ein Einklemmfall, also das Einklemmen
eines Fahrzeugteils verursacht durch die Verstellbewegung des Fahrzeugteils,
erfasst werden.
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Der
der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist, die von einer Antriebswelle
einer Antriebsvorrichtung auf einen piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft
zu verwenden, um die Drehbewegung der Antriebswelle zu erfassen.
Die Antriebswelle treibt die Verstellbewegung eines Fahrzeugteils an,
wobei das Fahrzeugteil eine Rückstellkraft
auf die Antriebswelle ausübt,
die abhängig
ist von den auf das Fahrzeugteil einwirkenden Kräften, beispielsweise der auf
das Fahrzeugteil wirkenden Reibungskräfte oder externer Kräfte, wie
insbesondere eine Einklemmkraft, die ein durch das Fahrzeugteil
eingeklemmtes Objekt rückstellend
auf das Fahrzeugteil ausübt.
Bei Änderung
der auf das Fahrzeugteil wirkenden Kräfte ändert sich auch die Rückstellkraft
des Fahrzeugteils auf die Antriebswelle und dadurch die durch die
Antriebswelle auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft.
Durch die Erfassung der Druckkraft lassen sich daher Rückschlüsse über die
auf das Fahrzeugteil wirkenden Kräfte ziehen und somit insbesondere
Hinweise über
das Auftreten eines Einklemmfalls gewinnen.
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Der
piezoelektrische Sensor kann mit der Antriebswelle eines die Antriebsvorrichtung
ausbildenden Spindel- oder Schneckenantriebs für Verstelleinrichtungen in
Kraftfahrzeugen gekoppelt sein. In diesem Fall weist die Antriebswelle
des Spindel- oder Schneckenantriebs bevorzugt eine schneckenförmige Phase
auf, die in ein Schneckenrad eingreift, das wiederum die Verstellbewegung
des Fahrzeugteils antreibt.
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Vorteilhafterweise
ist der piezoelektrische Sensor mit seiner Erstreckungsebene senkrecht
zu der Längsachse
der Antriebswelle angeordnet und erfasst eine durch die Antriebswelle
auf dem piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft in Richtung der
Längsachse
der Antriebswelle. Da die Antriebswelle eine im Wesentlichen parallel
zur Längsachse gerichtete
Kraft auf das Schneckenrad der Antriebsvorrichtung überträgt, wirkt
auch die durch das Fahrzeugteil über
das Schneckenrad auf die Antriebswelle übertragene Rückstellkraft
längs zur
Längsachse der
Antriebswelle. Durch die Anordnung des piezoelektrischen Sensors
senkrecht zur Längsachse
der Antriebswelle zur Erfassung einer Druckkraft längs der
Längsachse
der Antriebswelle kann daher die Rückstellkraft und deren Änderung
mit maximaler Empfindlichkeit erfasst werden. Diese Anordnung des
piezoelektrischen Sensors gewährleistet
somit eine empfindliche Erfassung der Verstellbewegung und darüber hinaus
eine sichere Detektion eines Einklemmfalls durch Erfassung der auf
die Antriebswelle einwirkenden, durch das Fahrzeugteil bedingten Rückstellkräfte.
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Es
ist möglich,
mit der Sensoreinrichtung mittels der durch die Antriebswelle auf
den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft die Verstellbewegung
in jede mögliche
Verstellrichtungen, also beispielsweise beim Heben und/oder Absenken
des durch die Antriebsvorrichtung bewegten Fahrzeugteils, zu erfassen.
Insbesondere kann hierdurch ein Einklemmfall beim Schließen einer
Fensterscheibe detektiert werden. Es ist aber auch denkbar, das Öffnen oder
Schließen
anderer Fahrzeugteile, wie beispielsweise eines Schiebedachs oder
einer Schiebetür,
zu überwachen
und das Einklemmen eines Objektes beim Öffnen oder Schließen des
Fahrzeugteils zu erfassen.
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Insbesondere
das Erfassen einer auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübten Druckkraft
durch die Antriebswelle kann dadurch erleichtert sein, dass der
piezoelektrische Sensor gegenüber
der Antriebswelle durch eine in Richtung der Längsachse der Antriebswelle
wirkende Feder vorgespannt ist. Hierbei wirkt die Feder zwischen
dem piezoelektrischen Sensor und einem Gehäuse und drückt dabei den piezoelektrischen
Sensor gegen die Antriebswelle und spannt somit den Sensor gegenüber der
relativ zum Gehäuse
ortsfest angeordneten Antriebswelle vor. Das Vorsehen einer solchen
Feder ist insbesondere zweckmäßig zur
Erfassung von Verstellbewegungen des Fahrzeugteils in unterschiedliche
Verstellrichtungen, bei denen die Rückstellkraft, die durch das
Fahrzeugteil auf die Antriebswelle ausgeübt wird, vom piezoelektrischen
Sensor stark variieren kann. Wenn keine Feder zur Vorspannung vorgesehen
ist, wird im Extremfall wird bei einer Verstellbewegung in eine Verstellrichtung
(beispielsweise beim Heben einer Fensterscheibe), eine große Druckkraft
durch die Antriebswelle auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübt, bei
einer Verstellbewegung in die andere Richtung (beispielsweise beim
Absenken der Fensterscheibe) hingegen gar keine Druckkraft übertragen. Durch
die eine Vorspannung bewirkende Feder wird erreicht, dass der piezoelektrische
Sensor auch im Ruhezustand der Antriebsvorrichtung mit Druck an der
Antriebswelle anliegt und somit bei Rückstellkräften, die entgegen der Längsrichtung
der Antriebswelle wirken, eine Druckverminderung der durch die Antriebswelle
auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübten Druckkraft bewirken. Darüber hinaus
wird der piezoelektrische Sensor der Antriebwelle bei einer lateralen
Bewegung der Antriebswelle mittels der vorgespannten Feder nachgeführt. Dieses
ist insbesondere bei einer Lagerung der Antriebswelle mit Spiel vorteilhaft.
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Bevorzugt
ist der piezoelektrische Sensor segmentiert ausgebildet, weist somit
mehrere piezoelektrische Teilsegmente auf, die jeweils eine durch die
Antriebswelle auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Druckkraft
erfassen. Die Teilsegmente des piezoelektrischen Sensors können dabei,
bedingt durch unterschiedliche Druckkräfte, die durch die Antriebswelle
auf die jeweiligen Teilsegmente ausgeübt werden, unterschiedliche
Signale empfangen. Mittels dieser unterschiedlichen Signale lassen sich
dann wiederum Rückschlüsse auf
die Bewegung der Antriebswelle und des Fahrzeugteils ziehen und somit
ein Einklemmfall ermitteln.
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Das
durch den piezoelektrischen Sensor erfasste Messsignal kann zur
Ableitung unterschiedlicher Parameter verwendet werden. Insbesondere
ist es denkbar, dass aus dem Messsignal des piezoelektrischen Sensors
die Position und/oder die auf das Fahrzeugteil ausgeübte Verstellkraft
abgeleitet werden. Durch die Korrelation der Positions- und Verstellkraftinformation
kann dann ein Rückschluss
auf die Gefahr eines potentiellen Einklemmens eines Objekts durch
das bewegte Fahrzeugteil gezogen werden.
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Ebenso
ist es denkbar, dass aus dem Messsignal des piezoelektrischen Sensors
Informationen über
die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des durch
die Antriebsvorrichtung bewegten Fahrzeugteils ermittelt werden.
Aus den Änderungen
der Bewegungsgeschwindigkeit und/oder der Beschleunigung lassen
sich dann ebenfalls Rückschlüsse auf
einen potentiellen Einklemmfall ziehen.
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Bevorzugt
ist der piezoelektrische Sensor an einem dem Motor der Antriebsvorrichtung
abgewandten Ende der Antriebswelle angeordnet. In diesem Fall ist
die Antriebswelle an ihrem einen Ende mit dem Motor der Antriebsvorrichtung
gekoppelt und wirkt an ihrem anderen Ende in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle auf den piezoelektrischen Sensor ein. Eine solche
Anordnung des piezoelektrischen Sensors relativ zur Antriebswelle
gewährleistet,
dass die längs
der Längsachse
der Antriebswelle wirkende Druckkraft sicher durch den piezoelektrischen
Sensor erfasst wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist,
dass der piezoelektrische Sensor mit maximal möglichem Abstand zum Motor angeordnet ist,
so dass das Messsignal des piezoelektrischen Sensors nicht durch
Störsignale
vom Motor gestört werden
kann.
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Eine
Variante der Sensorvorrichtung sieht vor, dass der piezoelektrische
Sensor nicht am vom Motor abgewandten Ende der Antriebswelle angeordnet
ist, sondern über
einen Flansch mit der Antriebswelle gekoppelt ist, wobei der Flansch
zwischen dem dem Motor der Antriebsvorrichtung abgewandten Ende
und dem motorseitigen Ende der Antriebswelle angeordnet und mit
der Antriebswelle so verbunden ist, dass er mit der Antriebswelle
umläuft. Der
Flansch übt
eine Druckkraft längs
der Längsachse
der Antriebswelle auf den mit dem Flansch gekoppelten piezoelektrischen
Sensor aus. Der piezoelektrische Sensor kann auch mittels einer
Feder gegenüber
dem Flansch und somit gegenüber
der Antriebswelle vorgespannt sein. Bei dieser Anordnung ist zu beachten,
dass der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Sensor und dem Motor
ausreichend groß gewählt ist,
so dass das Messsignal des piezoelektrischen Sensors nicht durch
den Motor gestört
ist.
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Der
piezoelektrische Sensor ist mit einer Steuer- und Auswerteelektronik
verbunden, mittels derer das Messsignal des piezoelektrischen Sensors ausgewertet
wird und zur Steuerung der Antriebsvorrichtung verwendet werden
kann. Insbesondere ist es hierbei denkbar, dass die Steuer- und
Auswerteelektronik aus dem Messsignal des piezoelektrischen Sensors
einen potentiellen Einklemmfall ableitet und daraufhin Maßnahmen
einleitet, die dem Einklemmfall entgegenwirken, beispielsweise die
Beendigung oder die Umkehrung der Verstellbewegung.
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Die
vom piezoelektrischen Sensor erfasste, durch die Antriebswelle ausgeübte Druckkraft
weist vorteilhafterweise eine im Wesentlichen sinusförmige Form
auf, deren Periodendauer der Periodendauer einer Umdrehung der Antriebswelle
entspricht und die durch eine periodische Momentenänderung
der sich drehenden Antriebswelle verursacht ist. Durch Auswertung
des periodischen Messsignals können dann
Rückschlüsse über die
Position des verstellten Fahrzeugteils gezogen werden und, insbesondere bei
einer Abweichung von der regulären
Sinusform, ein Einklemmfall ermittelt werden. Eine Abweichung von
der sinusförmigen
Form des durch den piezoelektrischen Sensor erfassten Messsignals
deutet dabei auf während
des Verstellvorgangs wirkende, irreguläre Kräfte hin, die von einem Einklemmfall
herrühren
können.
Die Auswertung des Messsignals und die Erfassung von Irregularitäten im Verlauf
des Messsignals können
somit zur Bestimmung eines Einklemmfalls dienen.
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In
einer Variante der Sensorvorrichtung ist der piezoelektrische Sensor
mit einem Stromrippeldetektor und/oder einer Hallsensorvorrichtung
kombiniert, die zur Erfassung eines Einklemmfalls zusammenwirken.
Durch die Kombination der unterschiedlichen Sensorvorrichtungen,
die auf unterschiedlichen Prinzipien basieren und unterschiedliche Signale
empfangen, wird somit eine Redundanz geschaffen, die ein sicheres
Erfassen eines Einklemmfalls gewährleistet.
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Der
Grundgedanke der Erfindung soll nachstehend anhand der in den Figuren
gezeigten Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer mit einer Antriebsvorrichtung gekoppelten Sensoreinrichtung
zur Erfassung eines von einer Antriebswelle auf die Sensoreinrichtung
ausgeübten
Druckkraft;
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2 eine
Seitenansicht einer am Ende der Antriebswelle angeordneten und durch
eine Feder gegenüber
der Antriebswelle vorgespannten Sensoreinrichtung;
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3 eine
Seitenansicht einer über
einen Flansch mit einer Antriebswelle gekoppelten Sensoreinrichtung;
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4a einen
Querschnitt einer einteilig ausgeführten Sensoreinrichtung;
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4b einen
Querschnitt durch eine aus drei Teilsegmenten aufgebauten Sensoreinrichtung;
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5 eine
Prinzipskizze eines an einer Sensoreinrichtung abgegriffenen Messsignals;
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6 eine
Prinzipskizze eines Mikrocontrollers zur Steuerung und Regelung
eines Motors;
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7 eine
grafische Darstellung des Verlaufs eines durch die Sensoreinrichtung
erfassten Messsignals.
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In 1 ist
eine Sensoreinrichtung mit einem piezoelektrischen Sensor 1 dargestellt,
der mit der Antriebswelle 2 einer Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 gekoppelt
ist. Der piezoelektrische Sensor 1 ist dabei an einem Ende
der Antriebswelle 2 angeordnet und so zwischen dem Ende
der Antriebswelle 2 und einem Gehäuse 5 gelagert, dass
die Antriebswelle 2 eine Druckkraft in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen Sensor 1 ausüben kann.
An ihrem anderen Ende ist die Antriebswelle 2 mit einem
Motor 3 der Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 verbunden
und wird durch diesen in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehbewegung
der Antriebswelle 2 wird über eine Schnecke 20,
die die Antriebswelle 2 umgibt, auf ein Schneckenrad 4 übertragen,
das somit ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt wird und die Verstellbewegung
eines Fahrzeugteils, beispielsweise einer Fensterscheibe, einer Schiebtür oder eines
Scheibedachs (in 1 nicht dargestellt), antreibt.
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Es
ist der Grundgedanke der Erfindung, über den piezoelektrischen Sensor 1 auf
die Antriebswelle 2 wirkende Druckkräfte, die sich in Abhängigkeit
von der Verstellbewegung des Fahrzeugteils ändern, zu erfassen und aus
dem durch diese Druckkräfte
erzeugten Messsignal Informationen über die Position, Verstellkraft,
Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Beschleunigung des durch die Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 angetriebenen
Fahrzeugteils zu ermitteln. Grundlegend ist dabei, dass die in Längsrichtung
der Antriebswelle 2 wirkenden Kräfte durch eine durch das Fahrzeugteil
ausgeübte
und über
das Schneckenrad 4 auf die Antriebswelle 2 übertragene
Rückstellkraft
beeinflusst und sich in Abhängigkeit
von dieser Rückstellkraft
verändern.
Die durch das Fahrzeugteil bewirkte Rückstellkraft ist dabei abhängig von
den auf das Fahrzeugteil wirkenden Kräften, die beispielsweise durch
Reibung des Fahrzeugteils mit seiner Umgebung, beispielsweise einer
Führung
des Fahrzeugteils oder einer Dichtung, oder durch extern auf das
Fahrzeugteil einwirkende Kräfte
verursacht sein können.
Insbesondere lässt
sich durch ein übermäßiges Ansteigen
der Rückstellkraft
ein Hinweis auf einen Einklemmfall gewinnen, bei dem durch ein eingeklemmtes
Objekt eine Kraft auf das Fahrzeugteil ausgeübt und eine Rückstellkraft
auf die Antriebswelle 2 übertragen wird, die dann als
Druckkraft durch den piezoelektrischen Sensor 1 erfasst
wird.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische
Sensor 1 zwischen dem vom Motor 3 abgewandten
Ende der Antriebswelle 2 und dem Gehäuse 5 angeordnet und
nimmt die durch das Ende der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübte
Druckkraft auf.
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Eine
Variante der Sensoreinrichtung ist in 2 dargestellt.
In diesem Fall wirkt das vom Motor 3 abgewandte Ende der
Antriebswelle 2 wiederum so auf den piezoelektrischen Sensor 1 ein,
dass eine Druckkraft in Richtung der Längsachse der Antriebswelle 2 auf
den piezoelektrischen Sensor 1 übertragen wird. Der piezoelektrische
Sensor 1 ist in diesem Fall aber mittels einer Feder 51,
die zwischen dem piezoelektrischen Sensor 1 und dem Gehäuse 5 angeordnet
ist und eine Vorspannkraft auf den piezoelektrischen Sensor 1 ausübt, gegenüber der
Antriebswelle 2 vorgespannt. Durch die mittels der Feder 51 bewirkte
Vorspannung des piezoelektrischen Sensors 1 gegenüber der Antriebswelle 2 wird
erreicht, dass der piezoelektrische Sensor 1 zum einen
auch in der Ruhelage mit Druck an der Antriebswelle 2 anliegt
und zum anderen bei einer Längsverschiebung der
Antriebswelle 2 nachgeführt
wird.
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Dieses
kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn der piezoelektrische
Sensor 1 eine durch die Antriebswelle 2 auf den
piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft bei einer Verstellbewegung in
jede mögliche
Verstellrichtung, also beispielsweise beim Heben und/oder Absenken
einer Fensterscheibe, erfassen soll. Ist nämlich keine Feder 51 zur
Vorspannung vorgesehen, so kann der piezoelektrische Sensor 1 nur
Druckkräfte
aufnehmen, die längs
der Längsachse
der Antriebswelle 2 zum piezoelektrischen Sensor hin gerichtet
sind. Entgegengesetzt wirkende Kräfte, also vom piezoelektrischen
Sensor 1 weg gerichtete Kräfte, hingegen können nicht
erfasst werden. Dieses wird durch das Vorsehen der Feder 51,
die den piezoelektrischen Sensor 1 gegenüber der
Antriebswelle 2 vorspannt, vermieden, so dass der piezoelektrische
Sensor 1 unabhängig
von der Verstellrichtung der Verstellbewegung der Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 eine
durch die Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft
erfassen kann. Die durch die Feder 51 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübte Druckkraft
wirkt dabei als Bias zum Einstellen eines Arbeitspunktes, um den
herum von der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 übertragene Druckkraftänderungen
aufgenommen werden. Eine zum piezoelektrischen Sensor 1 hin
gerichtete Druckkraft wirkt dann als Erhöhung der durch den piezoelektrischen
Sensor 1 gemessenen Druckkraft, während eine entgegen gesetzte,
vom piezoelektrischen Sensor 1 weg gerichtete Druckkraft
als Verminderung der gemessenen Druckkraft erfasst wird.
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Darüber hinaus
kann es infolge der Umkehr der Verstellrichtung der Verstellbewegung
zu einer lateralen Verschiebung der Antriebswelle 2 infolge
eines Spiels in der Lagerung der Antriebswelle 2 kommen,
die ohne das Vorsehen einer Feder 51 zu einer Aufhebung
der Kopplung zwischen der Antriebswelle 2 und dem piezoelektrischen
Sensor 1 führen
kann. Durch das Vorsehen der Feder 51 hingegen wird der piezoelektrische
Sensor 1 der Antriebswelle 2 nachgeführt und
die Kopplung zwischen piezoelektrischem Sensor 1 und Antriebswelle 2 gewährleistet.
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Eine
Variante der Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Sensor 1 und
der Antriebswelle 2 ist in 3 dargestellt.
In diesem Fall ist der piezoelektrische Sensor 1 über einen
mit der Antriebswelle 2 verbundenen und umlaufenden Flansch 21 mit
der Antriebswelle 2 gekoppelt, wobei über den Flansch 21 eine
in Längsrichtung
der Antriebswelle 2 wirkende Druckkraft auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübt
wird.
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Auch
in diesem Fall kann der piezoelektrische Sensor 1 über eine
Feder 51, die zwischen dem piezoelektrischen Sensor 1 und
dem Gehäuse 5 angeordnet
ist, gegenüber
der Antriebswelle 2 bzw. dem mit der Antriebswelle 2 verbundenen
Flansch 21 vorgespannt sein.
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Denkbar
sind hier prinzipiell auch andere Federanordnungen, beispielsweise
Federanordnungen, bei denen eine Zugfeder zwischen der Antriebswelle 2 bzw.
einem mit der Antriebswelle 2 verbundenen Flansch 21 und
dem piezoelektrischen Sensor 1 wirkt und über eine
durch die Zugfeder ausgeübte Vorspannkraft
eine Vorspannung des piezoelektrischen Sensors 1 gegenüber der
Antriebswelle 2 bewirkt wird.
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In 4a und 4b sind
zwei Ausführungsvarianten
des piezoelektrischen Sensors 1 dargestellt. In den hier
gezeigten Querschnittszeichnungen weist der piezoelektrische Sensor 1 entweder
ein einzelnes Segment, das eine senkrecht auf die Oberfläche des
piezoelektrischen Sensors 1 wirkende Druckkraft erfasst
(4a), oder drei Teilsegmente 11, 12, 13 auf,
mittels derer eine durch die Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübte
Druckkraft in unterschiedlichen Bereichen empfangen wird (4b).
Die Ausbildung des piezoelektrischen Sensors 1 mit mehreren
Segmenten 11, 12, 13 hat den Vorteil,
dass die von einem Ende der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 übertragene
Druckkraft in unterschiedlichen Bereichen 11, 12, 13 des
piezoelektrischen Sensors 1 erfassen kann. Die auf den
piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft ist hierbei
in der Regel bereichsweise unterschiedlich, da die Übertragung
der Druckkraft abhängig
ist von der Ausbildung des mit dem piezoelektrischen Sensor 1 gekoppelten
Bereich der Antriebswelle 2. Die Kopplung kann insbesondere
so beschaffen sein, dass die Antriebswelle 2 die Druckkraft
nicht als rotationssymmetrische Flächenkraft auf den piezoelektrischen
Sensor 1 überträgt, sondern
die Kraftwirkung in einigen Bereichen erhöht, in anderen aber erniedrigt
ist. In diesem Fall erfassen die Teilsegmente 11, 12, 13 des
piezoelektrischen Sensors 1 in Abhängigkeit von der Drehbewegung
der Antriebswelle 2, die in der 4b gestrichelt
dargestellt ist, jeweils eine sich zeitlich ändernde Druckkraft, die der
zum jeweiligen Zeitpunkt von der Antriebswelle 2 auf das
jeweilige Teilsegment 11, 12, 13 ausgeübten Druckkraft
entspricht. Durch das so erfasste zeitlich veränderliche Messsignal, das periodisch
zur Drehbewegung der Antriebswelle 2 gegenüber dem
piezoelektrischen Sensor 1 ist, lassen sich dann Hinweise
auf die Drehbewegung der Antriebswelle 2 und über die
Drehbewegung der Antriebswelle 2 auf die Verstellbewegung
des Fahrzeugteils gewinnen.
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Wie
in 5 dargestellt, wird das durch die von der Antriebswelle 2 auf
den piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft erzeugte Messsignal in
Form eines Spannungssignals UP am piezoelektrischen Sensor 1 abgegriffen
und zur Auswertung an eine Steuer- und Auswerteelektronik geleitet.
Ein Beispiel für
eine solche Steuer- und Auswerteelektronik ist in 6 in
Form des Mikrocontrollers μP
dargestellt. Der Mikrocontroller μP
hat als Eingangsgrößen das
Spannungssignal UP des piezoelektrischen Sensors 1, ein
Spannungssignal UR, das von einem Stromrippeldetektor erfasst wird,
und das Spannungssignal UV der Versorgungsspannung des Motors 3.
Der Mikrocontroller μP
wertet die Spannungssignale UP, UR, UV aus, ermittelt Informationen über die
Position, die Verstellkraft, die Verstellgeschwindigkeit und die
Beschleunigung des durch die Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 angetriebenen
Fahrzeugteils und steuert mittels dieser Informationen die Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20.
Insbesondere ist es denkbar, dass der Mikrocontroller μP aus den
anliegenden Spannungssignalen UP, UR, UV einen Einklemmfall ermittelt
und daraufhin Maßnahmen
einleitet, die dem Einklemmfall entgegenwirken. Insbesondere kann
der Mikrocontroller μP
somit den Motor 3 der Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 stoppen
oder eine Umkehr der Verstellbewegung bewirken, sodass dem Einklemmfall
entgegengewirkt wird.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Stromrippeldetektoren erfassen dabei
ein Stromrippelsignal, das durch die in einem als Elektromotor ausgebildeten
Motor 3 vorhandene Kommutierung erzeugt wird. Aus dem Spannungssignal
UV, das der Versorgungsspannung des Motors 3 entspricht,
kann darüber
hinaus die Umlaufrichtung des Motors 3 und somit die Drehrichtung
der Antriebswelle 2 ermittelt werden. Insbesondere durch
die parallele Auswertung des Spannungssignals UP des piezoelektrischen
Sensors 1 und des Spannungssignals UR des Stromrippeldetektors
zur Ermittlung von Parametern der Verstellbewegung (insbesondere
Position, Verstellkraft, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugteils)
wird eine Redundanz geschaffen, die eine sichere Erfassung eines
Einklemmfalls gewährleistet.
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In 7 ist
der zeitliche Verlauf des Spannungssignals UP, das durch den piezoelektrischen Sensor 1 erfasst
wird und eine durch die Antriebswelle 2 in Abhängigkeit
von der Drehbewegung der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübten
Druckkraft anzeigt. Wie aus 7 ersichtlich
ist, ist die durch das Ende der Antriebswelle 2 in Längsrichtung
der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft
(siehe 1) im Wesentlichen sinusförmig ausgebildet. Die Periodendauer
des Spannungssignals UP entspricht dabei der Dauer einer Umdrehung
der Antriebswelle 2. Wie aus der 7 ebenfalls
ersichtlich ist, kann es zu nicht-periodischen Abweichungen von
dieser Sinusform kommen, wobei diese Abweichungen auf Irregularitäten bei
der Verstellbewegung des Fahrzeugteils, also beispielsweise auftretende
ungewöhnlich
große
Kräfte,
hinweisen. Durch die Auswertung der Abweichung des erfassten Messsignals
von der regulären
sinusähnlichen
Form kann somit auf auf das Fahrzeugteil wirkende Kräfte zurückgeschlossen
und somit ein Einklemmfall ermittelt werden.
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Die
im Wesentlichen sinusförmig
ausgeprägte
Form des Spannungssignals UP des piezoelektrischen Sensors 1 wird
durch eine sich zeitlich periodisch ändernde, durch die Antriebswelle 2 auf
den piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft bewirkt. Dieses
kann beispielsweise durch die Ausbildung der Antriebswelle 2 und
das Zusammenwirken der Antriebswelle 2 mit einem Getriebe,
beispielsweise dem in 1 dargestellten Schneckenrad 4,
bewirkt sein. Hierdurch wird eine von der Drehbewegung abhängige, periodische
Druckkraft auf den piezoelektrischen Sensor 1 übertragen,
die vom piezoelektrischen Sensor als periodisches Messsignal empfangen
wird. Prägend
und wesentlich für
die Drehbewegung der Antriebswelle 2 ist dabei, dass die
durch die Antriebswelle 2 in Längsrichtung der Antriebswelle 2 ausgeübte Druckkraft
einen periodischen Verlauf aufweist. Der sinusförmige Verlauf erlaubt eine
Positionsbestimmung eines Fahrzeugteils, indem beispielsweise die
Anzahl der Perioden der Drehbewegung der Antriebswelle 2 von
einer Auswerteelektronik erfasst werden, eine Bestimmung der Beschleunigung
und Geschwindigkeit der Verstellbewegung, indem die sich zeitlich ändernden
Periodendauer ermittelt wird, und darüber hinaus die Ermittlung eines Einklemmfalles,
indem Abweichungen von der regulären
periodischen, sinusförmigen
Signalform ermittelt werden.
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Die
oben beschriebene Periodizität
bezieht sich auf die von der Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen
Sensor 1 ausgeübte
Gesamtdruckkraft. Darüber
hinaus können
zusätzlich
periodische Signale erfasst werden, indem der piezoelektrische Sensor 1 Teilsegmente 11, 12, 13 aufweist
(siehe 4b), die in Abhängigkeit
von der Drehbewegung der Antriebswelle 2 eine Druckkraft
nur in einem Bereich des piezoelektrischen Sensors 1 erfassen.
Ist die Kopplung zwischen Antriebswelle 2 und piezoelektrischem
Sensor 1 nicht rotationssymmetrisch, d.h., ist die durch
die Antriebswelle 2 auf den piezoelektrischen Sensor 1 ausgeübte Druckkraft
pro Fläche
abhängig
vom Ort, also von Bereich zu Bereich unterschiedlich, so ist das
vom jeweiligen Teilsegment 11, 12, 13 erfasste
Signal zeitlich variabel und weist dieselbe Periodendauer wie die
Drehbewegung der Antriebswelle auf. Die bereichsweise unterschiedliche Kopplung
der Antriebswelle 2 mit dem piezoelektrischen Sensor 1 kann
dabei beispielsweise durch den Endpunkt der die Schnecke 20 der
Antriebswelle 2 ausbildenden Phase bewirkt sein, die am
mit dem piezoelektrischen Sensor 1 gekoppelten Ende der
Antriebswelle 2 mit jeweils nur einem Bereich des piezoelektrischen
Sensors 1 in Berührung kommt.
Durch die Auswertung der einzelnen Messsignale der Teilsegmente 11, 12, 13 kann
dann ähnlich wie
oben beschrieben die Position, die Verstellkraft, die Geschwindigkeit
und/oder die Beschleunigung eines durch die Antriebsvorrichtung 2, 3, 4, 20 bewegten
Fahrzeugteils ermittelt werden.
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- 1
- Piezoelektrischer
Sensor
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Motor
- 4
- Schneckenrad
- 5
- Gehäuse
- 11-13
- Teilsegmente
des piezoelektrischen Sensors
- 20
- Schnecke
- 21
- Flansch
- 51
- Feder
- M
- Motor
- UP
- Spannungssignal
des piezoelektrischen Sensors
- UR
- Spannungssignal
des Stromrippeldetektors
- UV
- Spannungssignals
des Motors
- μP
- Mikrocontroller