DE3545630A1 - Beschleunigungs- oder neigungssensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Ermittlung einer
Beschleunigung oder Neigung eines sich bewegenden Körpers, insbesondere eines
Kraftfahrzeuges.
Ein Sensor der in Rede stehenden Art ist bekannt (JA-P-OS 57 72 067 (1982)),
bei dem ein weichmagnetisches Material aus nicht-kristallinem Metall mit
einem elastischen (Träger-)Material verbunden ist. An einem Ende des
elastischen (Träger-)Materials ist ein Gewicht befestigt, so daß eine Art
Kernstück gebildet wird. Am anderen Ende ist das elastische (Träger-)Ma
terial im Inneren eines hohlen Gehäuses fest verankert. Tritt eine Be
schleunigung auf, so wird das weichmagnetische Material zusammen mit dem
elastischen (Träger-)Material deformiert. Zur Messung der Beschleunigung
in Form eines elektrischen Signals wird das Ausmaß der Deformation mittels
einer elektrischen Spule ermittelt.
Das zuvor erwähnte, dem Stand der Technik entsprechende System, bei dem die
Beschleunigung durch Einwirkung des elastischen (Träger-)Materials im
Kernstück bestimmt wird, wirft gewisse Probleme auf. Eine Verringerung der
Länge des elastischen (Träger-)Materials führt zwar zu einer Verringerung
der Gesamtgröße des Systems, jedoch gleichzeitig zu einem Abfall seiner An
sprechempfindlichkeit. Eine Vergrößerung der Länge des elastischen (Träger-)
Materials führt zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit des Systems, aber
auch zur Erhöhung seiner Gesamtgröße.
Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen klei
nen, leichtgewichtigen und hoch empfindlichen Beschleunigungs- oder Nei
gungssensor zu schaffen.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungs- oder Neigungssensor, bei dem die zu
vor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist gekennzeichnet durch mindestens zwei
Kondensatoren bestehend aus einer in mindestens zwei Bereiche geteilten Meß
elektrode und einer der Meßelektrode gegenüberliegend angeordneten Bezugs
elektrode, eine beweglich zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektrode
der Kondensatoren angeordnete magnetische Flüssigkeit und einen Magnetfeld
generator zur Erzeugung eines auf die magnetische Flüssigkeit in der Nähe
des Bereiches, durch den die Meßelektrode aufgeteilt ist, wirkenden Magnet
feldes.
Erfindungsgemäß wird die Beschleunigung durch eine Veränderung der Kapazi
täten in Form eines elektrischen Signals ermittelt. Bei der erfindungsge
mäßen Anordnung bewegt sich die magnetische Flüssigkeit durch die aus einer
Beschleunigung oder Neigung resultierende Einwirkung der Trägheitskraft
entgegen einer mit einer Magnetkraft einher gehenden Rückholkraft, wobei
die Magnetkraft vom Magnetfeldgenerator hervorgerufen wird. Eine Bewegung
der magnetischen Flüssigkeit durch eine Beschleunigung oder Neigung bewirkt
eine Veränderung der Kapazitäten der Kondensatoren, die durch die Bezugs
elektroden und die Meßelektroden gebildet sind. Auf Änderungen der Beschleu
nigung oder Neigung hin bewegt sich die magnetische Flüssigkeit so empfind
lich, daß der Sensor hinsichtlich seiner Größe und seines Gewichtes ver
ringert und hinsichtlich seiner Ansprechempfindlichkeit verbessert werden
kann.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die lediglich bevorzugte Aus
führungsbeispiele darstellende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Beschleuni
gungs- oder Neigungssensors,
Fig. 2 im Schnitt entlang der Linie A-A den Gegenstand aus Fig. 1,
Fig. 3 im Längsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Beschleu
nigungs- oder Neigungssensors,
Fig. 4 im Längsschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Beschleu
nigungs- oder Neigungssensors,
Fig. 5 im Schnitt entlang der Linie B-B den Gegenstand aus Fig. 4 und
Fig. 6 bis 8 schematische Darstellungen der Bewegungen der magnetischen Flüs
sigkeit resultierend aus der Einwirkung von Beschleunigungen oder
Neigungen in unterschiedlichen Richtungen.
Die Fig. 1 und 2 beziehen sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel der vor
liegenden Erfindung. Ein Gehäuse 1 ist an einem Bodenteil 2 mit einem Ver
schlußteil 3 (Deckel) befestigt. Das Gehäuse 1 beinhaltet einen Behälter 4,
der aus nicht-magnetischem Material besteht. Der Behälter 4 ist hohl und be
steht aus Behälterteilen 4 a, 4 b, die mit einander gegenüberliegenden Öff
nungen luftdicht verschlossen sind. Zwei Bezugselektroden 5 a, 5 b und zwei
Meßelektroden 6 a, 6 b sind einander gegenüberliegend angeordnet und an
den oberen bzw. unteren Innenflächen der oberen bzw. unteren Behälterteile 4 a
bzw. 4 b befestigt. Die Bezugselektroden 5 a, 5 b und die Meßelektroden 6 a, 6 b
sind aus rechteckigen flachen Platten geformt. Die flachen Platten sind in
der Mitte des Behälters 4 so geteilt, daß zwei Kondensatoren 7 a, 7 b gebil
det sind. Zwischen den Bezugselektroden 6 a, 6 b, die zu den Kondensatoren 7 a,
7 b gehören, befindet sich eine magnetische Flüssigkeit 8, die in der Be
schleunigungsrichtung beweglich ist. Die magnetische Flüssigkeit 8 wird
nachfolgend noch genauer beschrieben.
Bei der magnetischen Flüssigkeit 8 handelt es sich um eine als solche be
kannte kolloide Flüssigkeit, die man durch Dispersion einer hohen Konzen
tration von magnetischen Teilchen aus Fe3O4 mit einem Durchmesser von z. B.
etwa 100 A in verschiedenen Lösungsmitteln, wie z. B. Wasser oder Öl, er
hält. Ohne jegliches Absetzen oder Verklumpen der magnetischen Teilchen,
selbst unter Einwirkung eines magnetischen Feldes, verhält sich die Flüssig
keit erkennbar so, als weise sie selbst Magnetismus auf. Bei horizontaler
Einwirkung von Trägheitskraft, hervorgehoben durch Beschleunigung oder Nei
gung eines sich bewegenden Körpers, an dem der Sensor ange
bracht ist, bewegt sich die magnetische Flüssigkeit 8 und verändert dadurch
die Dielektrizitätskonstanten, d. h. die Kapazitäten der Kondensatoren 7 a und 7 b.
In der Nähe des oberen mittleren Bereichs des oberen Behälterteils 4 a ist
ein Magnetfeldgenerator 9 angebracht, bestehend aus einem rechteckigen
Permanentmagneten oder Elektromagneten. Der Magnetfeldgenerator 9 dient
dazu, die magnetische Flüssigkeit 8 in einem Freiraum, durch den die Kon
densatoren 7 a und 7 b voneinander getrennt sind, zu sammeln. Im Inneren des
Gehäuses 1 und über dem Behälter 4 ist ein Substrat 10 (Leiterplatte, Schal
tungsgrundplatte) mit einer elektronischen Schaltung angeordnet. An die
elektronische Schaltung sind ein elektronisches Schaltungsteil 11 und eine
Ausgangsleitung 12 angeschlossen. Das elektronische Schaltungsteil 11 dient
der Umwandlung der Ladungen gemäß den Kapazitäten der Kondensatoren 7 a und 7 b
in elektrische Signale (z. B. Spannungen), welche ihrerseits über die Aus
gangsleitung 12 abgegeben werden. Ohne eine Beschleunigung oder Kippung
wird die magnetische Flüssigkeit 8 in der erläuterten Konstruktion durch
den Magnetfeldgenerator 9 veranlaßt, sich in der Nähe des mittleren Be
reichs des Behälters 4 zu sammeln. In diesem Fall ist das Ausgangssignal
auf der Ausgangsleitung 12 Null. Wird nun z. B. eine in Fig. 1 nach links
gerichtete Beschleunigung erzeugt, so wirkt die Trägheitskraft der magne
tischen Flüssigkeit 8 in Fig. 1 nach rechts, also entgegengesetzt zur
Richtung der Beschleunigung. Dadurch bewegt sich die magnetische Flüssig
keit 8 in Fig. 1 nach rechts, entgegen der Magnetkraft, die durch den Mag
netfeldgenerator 9 erzeugt wird. Wird nun angenommen, daß die Kapazitäten
der Kondensatoren 7 a und 7 b C 1 bzw. C 2 betragen und daß dann die Dielek
trizitätskonstanten verändert werden, so resultiert hieraus die Beziehung
C 1<C 2. Dies ermöglicht die Feststellung der Richtung der Beschleunigung
durch Vergleich der Größen von C 1 und C 2. Auch ist es möglich, die Größe
der Beschleunigung aus der Beziehung C=C 1-C 2 zu berechnen.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das dem ersten Ausführungs
beispiel ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß Magnetfeldgeneratoren 9 im oberen
und unteren Bereich des Behälters 4 angeordnet sind. Zum Zwecke der Verein
fachung sind in Fig. 3 vergleichbare Teile mit denselben Bezugszeichen wie
in Fig. 1 und 2 versehen.
In den Fig. 4 bis 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt. Ab
weichend von den vorangegangenen beiden Ausführungsbeispielen, bei denen
eine Ermittlung der Beschleunigung oder Neigung in einer Richtung möglich
war, ist das dritte Ausführungsbeispiel zur Ermittlung von Beschleunigungen
oder Neigungen sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung geeignet. Iden
tische Teile, die sich im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel finden,
sind zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen mit identischen Bezugszeichen
gekennzeichnet. Im einzelnen weist hier das Gehäuse 1 ein zylindrisches
Verschlußteil 3 (Deckel) auf, in dem ein ebenfalls zylindrisch geformter
Behälter 4 angeordnet ist. Ein oberes Behälterteil 4 a, das einen Teil des
Behälters 4 bildet, ist auf der unteren Innenfläche mit einer Bezugselek
trode 5 a versehen. Ein unteres Behälterteil 4 b ist auf der oberen Innen
fläche mit Meßelektroden 6 a bis 6 d versehen. Die Meßelektroden 6 a bis 6 d
sind der Bezugselektrode 5 gegenüberliegend angeordnet. Bezüglich der der
Bezugselektrode 5 gegenüberliegenden Meßelektroden 6 a bis 6 d stellt die
Bezugselektrode 5, hier ausgebildet in Form einer runden Platte, eine ge
meinsame Elektrode dar. Die Meßelektroden 6 a bis 6 d erstrecken sich radial
vom Zentrum des Behälters 4 aus und stellen somit vier Kondensatoren 7 a bis 7 d
dar. Zwischen der Bezugselektrode 5 und den Meßelektroden 6 a bis 6 d, aus
denen die Kondensatoren 7 a bis 7 d bestehen, ist eine magnetische Flüssig
keit 8 eingebracht. Durch einen kreisförmigen Magnetfeldgenerator 9 kann
die magnetische Flüssigkeit 8 kreisförmig in der Nähe des mittleren Be
reichs des Behälters 4 gesammelt werden.
Tritt eine Beschleunigung in X-, Y- oder 45°-Richtung auf, so erfährt die
magnetische Flüssigkeit 8 eine Trägheitskraft entgegengesetzt zur Beschleu
nigungsrichtung und verformt sich zu ovaler Gestalt. Dies führt wiederum
zu Veränderungen der Kapazitäten C 1 bis C 4 der Kondensatoren 7 a bis 7 d.
Die Beschleunigungsrichtung kann durch Vergleich der Kapazitäten C 1 bis C 4
festgestellt werden. Wirkt die Beschleunigung in X-Richtung, so gilt
C 3=C 4 und C 1 < C 2.Wirkt die Beschleunigung in Y-Richtung, so gilt
C 1=C 2 und C 3< C 4. Wirkt die Beschleunigung in der 45°-Richtung, so gilt
C 1=C 3 und C 2=C 4. Es ist ebenfalls möglich, das Maß der Beschleunigung
in den jeweiligen Richtungen über die Größe C zu berechnen, wobei: C=C 1-C 2,
C=C 3-C 4 und C=C 4-C 1=C 2-C 3 gilt.
Es ist zu beachten, daß die Feststellung einer Beschleunigung in der X
und in der Y-Richtung mindestens drei Kondensatoren erfordert, wenn auch
im dritten Ausführungsbeispiel tatsächlich vier Kondensatoren verwendet
worden sind. Die Meßelektroden können verschiedene Formen haben, wie z. B.
die Form eines Rechtecks oder eines Dreiecks.
Es ist weiter wichtig, daß gemäß voranstehender Beschreibung die magne
tische Flüssigkeit in direktem Kontakt mit den Elektroden der Kondensato
ren steht. Zur Verhinderung von Oxidation an den Oberflächen der Elektro
den und zum besseren Fließen der magnetischen Flüssigkeit können die
Oberflächen der Elektroden auch mit PTFE (Warenzeichen z. B. Teflon) be
schichtet werden.
Wie zuvor erklärt worden ist, ist es mit der vorliegenden Erfindung mög
lich, einen kleinen, leichtgewichtigen und hochempfindlichen Beschleuni
gungssensor zu bauen. Dies beruht darauf, daß der Teil, der sich aufgrund
einer einwirkenden Beschleunigung bewegt, eine magnetische Flüssigkeit ist.
Die Position der magnetischen Flüssigkeit wird hierbei in Kapazitäten von
Plattenkondensatoren umgesetzt, über deren Veränderung eine Beschleunigung
festgestellt werden kann. Nach der vorliegenden Erfindung kann man auf jeg
lichen mechanischen Trägermechanismus verzichten, da der bewegliche Be
reich als magnetische Flüssigkeit ausgeführt ist. Dies führt zu Verbesse
rungen hinsichtlich der Lebensdauer, der Zuverlässigkeit usw.
Der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung kann auch als Neigungs
sensor benutzt werden. Ein Kippen des Beschleunigungssensors bewirkt, daß
die Erdbeschleunigung auf die magnetische Flüssigkeit wirkt, so daß die
Kapazitäten der Kondensatoren verändert werden. Somit ist es möglich, den
Neigungswinkel einer Vorrichtung zu messen, an der der Beschleunigungs
sensor angebracht ist.
Claims (7)
1. Beschleunigungs- oder Neigungssensor gekennzeichnet
durch
- a) mindestens zwei Kondensatoren (7 a, 7 b) bestehend aus einer in mindestens zwei Bereiche (6 a, 6 b; 6 a bis 6 d) geteilten Meßelektrode (6) und einer der Meßelektrode (6) gegenüberliegend angeordneten Bezugselektrode (5),
- b) eine beweglich zwischen der Bezugselektrode (5) und der Meßelektrode (6) der Kondensatoren (7 a, 7 b) angeordnete magnetische Flüssigkeit (8) und
- c) einen Magnetfeldgenerator (9) zur Erzeugung eines auf die magnetische Flüssigkeit (8) in der Nähe des Bereiches, durch den die Meßelektrode (6) aufgeteilt ist, wirkenden Magnetfeldes.
2. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Bezugselektrode (5) und die Meßelektrode (6) flach-plat
tenartig ausgeführt sind, vorzugsweise aus rechteckigen, flachen Platten
bestehen.
3. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (6) in ein und derselben Ebene radial
in mindestens drei der Bezugselektrode (5) gegenüberliegend angeordnete
Bereiche unterteilt ist.
4. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Bezugselektrode (5) und die Meßelektrode (6) aus flachen,
zylindrischen Platten gebildet sind.
5. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (5) und die Meßelektrode (6)
an den Kontaktflächen zur magnetischen Flüssigkeit (8) beschichtet sind.
6. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgenerator (9) einen Permanentmag
neten aufweist.
7. Beschleunigungs- oder Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgenerator (9) einen Elektromagne
ten aufweist.
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