DE3545630C2

DE3545630C2 -

Info

Publication number: DE3545630C2
Application number: DE3545630A
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Higashi-Matsuyama Jp Nakajima
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1985-12-12
Filing date: 1985-12-21
Publication date: 1987-09-24
Also published as: AU5120785A; DE3545630A1; US4676103A; AU567000B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungs- und Neigungssensor mit einem Behälter, mit mindestens zwei Kondensatoren bestehend aus einer in min destens zwei Bereiche geteilten Meßelektrode und einer der Meßelektrode gegenüberliegend angeordneten Bezugselektrode, mit einem beweglich zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektrode der Kondensatoren angeordneten, als Sensormasse dienenden magnetischen Material und mit einem Magnetfeld generator zur Erzeugung eines auf das magnetische Material wirkenden Ma gnetfeldes.

Der bekannte Beschleunigungs- und Neigungssensor, von dem die Erfindung ausgeht (US-PS 40 43 204), weist in einem Behälter aus nicht-metallischem Material mit zylindrischem Innenquerschnitt einen massiven Zylinder aus per manentmagnetischem Werkstoff als magnetisches Material auf. Der Zylinder im Behälter ist in eine dünne Schicht aus einer magnetischen Flüssigkeit eingebettet, die als Mittel zur Verminderung der Reibung zwischen dem Zy linder und dem Behälter dient. Die Lage des zylindrischen Körpers im Behäl ter wird mittels zweier Kondensatoren mit Meßelektroden und Bezugselektro den überprüft. Meßelektroden und Bezugselektroden haben hier eine plattenar tige, zylindrisch gewölbte Form.

Wegen des hier vorhandenen Zylinders als magnetisches Material ist der be kannte Beschleunigungs- und Neigungssensor, von dem die Erfindung ausgeht, relativ schwer. Auch ist der zylindrische Körper im Behälter trotz des vor handenen Schmiermittels noch zu schwer beweglich. Folglich ist die Ansprech empfindlichkeit des bekannten Beschleunigungs- und Neigungssensors noch ver besserungsfähig.

Im übrigen ist ein Sensor insbesondere für Winkelbeschleunigungen bekannt (US-PS 31 76 520), bei dem eine leitfähige seismische Sensormasse in Ring form vorliegt. Dieser Sensormasse sind Meßelektroden und Bezugselektroden zugeordnet, die in einer Ebene radial in mehrere Bereiche geteilt sind. Meß elektroden und Bezugselektroden bestehen dabei aus flachen Platten und sind an den Kontaktflächen zur seismischen Sensormasse mit einer Gleitbeschich tung versehen. Ein Magnetfeldgenerator dieses Sensors weist einen ringför migen Permanentmagneten auf. Das Meßprinzip dieses Sensors beruht darauf, daß bei Bewegung der leitfähigen seismischen Sensormasse rechtwinklig zum Magnetfeld eine Spannung induziert wird. Diese Spannung wird hier meßtech nisch ausgewertet. Das ist relativ kompliziert und führt ebenfalls nicht zu einer ausreichenden Empfindlichkeit.

Schließlich ist ein elektrischer Neigungsmeßfühler bekannt (DE-OS 25 51 798), bei dem in einem Gehäuse eine Elektrolytflüssigkeit mit drehbar angeordne ten Elektroden am Gehäuse zum Teil in Verbindung steht. Bei einer Drehung des Gehäuses werden die in die Elektrolytflüssigkeit eingetauchten Flächen der Elektroden verändert. Diese Veränderung der Eintauchflächen wird meßtech nisch ausgewertet. Es handelt sich hier um ein teilweise mechanisch arbei tendes System, dessen Zuverlässigkeit und Ansprechempfindlichkeit bei wei tem nicht modernen Anforderungen entspricht.

Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten, eingangs erläuterten Beschleunigungs- oder Neigungssensor mit einem magnetischen Material zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektro de der Kondensatoren so auszugestalten und weiterzubilden, daß eine besonders hohe Ansprechempfindlichkeit erreicht wird, gleichzeitig aber Baugröße und Gewicht möglichst klein gehalten werden.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungs- oder Neigungssensor, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das magne tische Material eine magnetische Flüssigkeit ist, daß die magnetische Flüs sigkeit durch das vom Magnetfeldgenerator erzeugte Magnetfeld ohne eine Beschleunigung oder Neigung in der Nähe des Bereichs gesammelt ist, durch den die Meßelektrode aufgeteilt ist, d. h. sich also in der Nähe der Mitte des Behälters sammelt, und daß eine Beschleunigung der Neigung durch eine aus der daraus resultierenden Bewegung der magnetischen Flüssigkeit ent stehende Kapazitätsänderung der Kondensatoren ermittelbar ist. Erfindungs gemäß wird also als magnetisches Material eine magnetische Flüssigkeit ver wendet, die unter dem Einfluß des Magnetfeldes des Magnetfeldgenerators in einem ganz bestimmten Bereich, nämlich gerade in dem Freiraum, durch den die Kondensatoren voneinanderr getrennt sind, gesammelt wird. Tritt nun von die ser Ausgangslage ausgehend eine Beschleunigung oder Neigung auf, so bewegt sich die magnetische Flüssigkeit durch die aus der Beschleunigung oder Nei gung resultierende Einwirkung der Trägheitskraft entgegen der aus der Ma gnetkraft des Magnetfeldes resultierenden Rückholkraft.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungs- oder Neigungssensor ist wegen der Ver wendung einer magnetischen Flüssigkeit als magnetisches Material durch eine besonders hohe Ansprechempfindlichkeit ausgezeichnet. Reibungsverluste sind hier vernachlässigbar gering. Aufgrund des geringeren spezifischen Gewichts einer magnetischen Flüssigkeit gegenüber einem massiven, permanentmagne tischen Material ist das Gesamtgewicht des Beschleunigungs- oder Neigungs sensors geringer als beim Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht. Auch die Baugröße des erfindungsgemäßen Beschleunigungs- oder Neigungssen sors kann geringer sein, da eben die Ansprechempfindlichkeit höher ist als im Stand der Technik.

Insgesamt ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, einen kleinen, leichtgewichtigen und hochempfindlichen Beschleunigungs- oder Neigungssen sor zu bauen. Als Neigungssensor ist dabei der erfindungsgemäße Beschleuni gungs- oder Neigungssensor dadurch einsetzbar, daß durch Kippen des Behäl ters die Erdbeschleunigung auf die magnetische Flüssigkeit wirkt. Somit ist es also möglich, den Neigungswinkel einer Vorrichtung zu messen, an der der erfindungsgemäße Beschleunigungs- oder Neigungssensor angebracht ist.

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 5 a, 5 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 angebracht ist, bewegt sich die magnetische Flüssigkeit 8 und verändert dadurch die Dielektrizi tätskonstanten, 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 Ma gnetfeldgenerator 9 angebracht, bestehend aus einem rechteckigen Permanent magneten oder Elektromagneten. Der Magnetfeldgenerator 9 dient dazu, die magnetische Flüssigkeit 8 in einem Freiraum, durch den die Kondensatoren 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, Schaltungsgrundplat te) mit einer elektronischen Schaltung angeordnet. An die elektronische Schaltung sind ein elektronisches Schaltungsteil 11 und eine Ausgangslei tung 12 angeschlossen. Das elektronische Schaltungsteil 11 dient der Um wandlung der Ladungen gemäß den Kapazitäten der Kondensatoren 7 a und 7 b in elektrische Signale (z. B. Spannungen), welche ihrerseits über die Ausgangs leitung 12 abgegeben werden. Ohne eine Beschleunigung oder Kippung wird die magnetische Flüssigkeit 8 in der erläuterten Konstruktion durch den Magnet feldgenerator 9 veranlaßt, sich in der Nähe des mittleren Bereichs des Be hälters 4 zu sammeln. In diesem Fall ist das Ausgangssignal auf der Ausgangs leitung 12 Null. Wird nun z. B. eine in Fig. 1 nach links gerichtete Be schleunigung erzeugt, so wirkt die Trägheitskraft der magnetischen Flüssig keit 8 in Fig. 1 nach rechts, also entgegengesetzt zur Richtung der Be schleunigung. Dadurch bewegt sich die magnetische Flüssigkeit 8 in Fig. 1 nach rechts, entgegen der Magnetkraft, die durch den Magnetfeldgenerator 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 Dielektrizitätskonstanten ver ändert 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 Be ziehung 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 am obe ren und unteren Bereich des Behälters 4 angeordnet sind. Zum Zwecke der Ver einfachung 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 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 ₃und 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.

Claims

1. Beschleunigungs- oder Neigungssensor mit einem Behälter, mit mindestens zwei Kondensatoren bestehend aus einer in mindestens zwei Bereiche geteil ten Meßelektrode und einer der Meßelektrode gegenüberliegend angeordneten Bezugselektrode, mit einem beweglich zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektrode der Kondensatoren angeordneten, als Sensormasse dienenden ma gnetischen Material und mit einem Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines auf das magnetische Material wirkenden Magnetfeldes, dadurch ge kennzeichnet, daß das magnetische Material eine magnetische Flüssigkeit (8) ist, daß die magnetische Flüssigkeit (8) durch das vom Ma gnetfeldgenerator (9) erzeugte Magnetfeld ohne eine Beschleunigung oder Nei gung in der Nähe des Bereichs gesammelt ist, durch den die Meßelektrode (6) aufgeteilt ist, d. h. sich also in der Nähe der Mitte des Behälters (4) sammelt, und daß eine Beschleunigung oder Neigung durch eine aus der daraus resultierenden Bewegung der magnetischen Flüssigkeit (8) entstehende Kapa zitätsänderung der Kondensatoren (7 a, 7 b) ermittelbar ist.

2. Beschleunigungs- und 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- und 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- und Neigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bezugselektrode (5) und die Meßelektrode (6) aus flachen, zylindrischen Platten gebildet sind.

5. Beschleunigungs- und 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- und Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgenerator (9) einen Permanentma gneten aufweist.