DE3742202A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einem Kontakt-Masse-System, der bei Überschreiten eines vorbestimmten Beschleunigungs-Schwellwerts durch eine beschleunigungsabhängige Auslenkung einer seismischen Masse ein elektrisches Signal erzeugt.

Beschleunigungssensoren der vorstehend genannten Art sind allgemein bekannt.

Bekannte Beschleunigungssensoren weisen beispielsweise eine an einer Blattfeder angeordnete Masse auf, die der zu messenden Beschleunigung unterliegt und ihrerseits auf ein piezoelek­ trisches oder piezoresistives Element einwirkt.

Das Ausgangssignal des z.B. piezoelektrischen Elements wird einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt, die einen Komparator enthält. Überschreitet das elektrische Signal einen im Komparator festgelegten Schwellwert, so wird ein Meßsignal abgegeben, mit dem angezeigt wird, daß der vorbestimmte Be­ schleunigungs-Schwellwert überschritten wurde.

Bekannte Beschleunigungssensoren dieser Art haben jedoch die folgenden systemimmanenten Nachteile:

So ist zunächst jedes Feder-Masse-System mit ausgeprägten Eigenfrequenzen behaftet, die beim Ansprechen des Sensors zu Resonanzerscheinungen führen, welche dem eigentlichen Meßsignal störend überlagert werden.

Weiterhin haben die bekannten Sensoren den Nachteil, daß zunächst die seismische Masse gegen die Rückstellkraft aus­ gelenkt werden muß, ehe sich ein Meßeffekt einstellt. Dies führt zu Totzeiten, die insbesondere bei solchen Meßaufgaben nachteilig sein können, bei denen es darum geht, Beschleuni­ gungswerte in extrem kurzer Zeit zu erfassen.

Weiterhin ist bei bekannten Beschleunigungssensoren von Nach­ teil, daß der Ansprech-Schwellwert durch elektronische Schal­ tungsmaßnahmen definiert wird, was entweder zu Unsicherheiten hinsichtlich des Ansprechschwellwerts führt oder aber zu aufwendigen schaltungstechnischen Maßnahmen, wenn die Ansprech­ schwelle reproduzierbar eingestellt werden soll.

Schließlich gestatten bekannte Beschleunigungssensoren nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand, ihre Funktion im Dauerbetrieb zu überprüfen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein resonanzfreier Meßeffekt mit reprodu­ zierbarem Ansprechpunkt entsteht, der frei von Totzeiten ist, eine Dauerüberwachung im Betrieb und eine Funktionsüberprüfung gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die seismische Masse an einem ersten Kontaktelement eines elektri­ schen Schalters angeordnet ist, daß das erste Kontaktelement unter einer Vorspannung, vorzugsweise unter Überdrückung einer elastischen Rückstellkraft des ersten Kontaktelements, an einem weiteren Kontaktelement anliegt und daß die seismische Masse sowie die Vorspannung so dimensioniert sind, daß bei Überschreiten des Beschleunigungs-Schwellwertes die Kontakt­ elemente voneinander abgehoben werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Dadurch, daß die seismische Masse den aus den beiden Kontaktelementen gebildeten elektrischen Schalter bei Überschreiten des Beschleunigungs-Schwellwerts aufreißt, entsteht kein Resonanzvorgang, weil der Schalter entweder vollkommen geschlossen oder vollkommen geöffnet ist. Auch Totzeiten entstehen nicht, weil die seismische Masse nach Überwindung der Vorspannung sofort die Kontaktelemente trennt, ohne daß die Masse zunächst einen Weg durchmessen muß. Infolge der definierten Vorspannung ist der Einsatzpunkt des Beschleunigungssensors auch wohldefiniert, ohne daß hierzu aufwendige Schaltmaßnahmen erforderlich sind. Schließlich ist eine Dauerüberwachung während des Betriebes dadurch möglich, daß man einen Referenzstrom durch den geschlossenen elektrischen Schalter fließen läßt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Kontaktelemente aus einem ferromagnetischen Material und die Vorspannung wird durch Aufmagnetisieren der Kontaktelemente mit unterschiedlicher Polarität erzeugt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine definierte Vorspannung durch entsprechendes Einstellen des Magnetfeldes erzeugt werden kann, ohne daß eine Materialermüdung, wie bei mechanisch vorgespannten Systemen eintritt.

Besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der die Kontakt­ elemente zwei zueinander parallele Kontaktflächen aufweisen, das bewegliche Kontaktelement senkrecht zu den Kontaktflächen auslenkbar ist und die Kontaktelemente in einem Magnetfeld angeordnet sind, das parallel zu den Kontaktflächen gerichtet ist.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß eine besonders platz­ sparende Bauweise entsteht, so daß sich für den erfindungs­ gemäßen Beschleunigungssensor zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, bei denen es auf besonders kleine bauliche Abmessungen kommt.

Besonders vorteilhaft ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wenn die Kontaktelemente koaxial in einem gasdichten Röhrchen angeordnet sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die von Reed-Kontakten bekannten Bauformen, die sich bereits seit Jahrzehnten als besonders zuverlässig erwiesen haben, eingesetzt werden können. Die Unterbringung der Kontaktelemente in einem gasdichten Röhrchen hat dabei den bekannten Vorteil, daß die Kontakt­ elemente keinen atmosphärischen Abnutzungserscheinungen durch Korrosion und dgl. unterliegen. Auch bei häufigem Betätigen der Kontaktelemente entsteht kein Abbrand an den Kontaktflächen, wenn das gasdichte Röhrchen mit einem Inertgas gefüllt ist.

Bei einer Gruppe von Ausführungsbeispielen wird das Magnetfeld durch eine vorzugsweise die Kontaktflächen umgebende Magnetspule erzeugt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Einstellen des Stroms in der Magnetspule unterschiedliche Ansprechschwellen für den Beschleunigungssensor auf elektrischem Wege eingestellt werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen wird das Magnetfeld durch einen vorzugsweise die Kontaktflächen umgebenden Permanentmagneten erzeugt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine besonders kompakte Bauform ohne elektrische Zuleitungen entsteht.

Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen sind schaltbare Mittel zum Kompensieren des Magnetfelds vor­ gesehen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine Funktionsüberprüfung des Beschleunigungssensors jederzeit möglich ist, indem mit Hilfe der schaltbaren Mittel das Magnetfeld kompensiert wird, das zum dauernden Schließen der Kontaktelemente dient. Durch Betätigen der schaltbaren Mittel wird also auf elektrischem Wege ein Zustand simuliert, der dem Erreichen des Beschleuni­ gungs-Schwellwertes entspricht.

Bevorzugt sind die schaltbaren Mittel dabei als weitere Mag­ netspule ausgebildet, deren Polarität zur Polarität der Mag­ netspule bzw. des Permanentmagneten entgegengerichtet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch elektrische Fern­ steuerung die genannte Funktionsüberprüfung des Beschleunigungs­ sensors vorgenommen werden kann.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die seismische Masse selbst als Permanentmagnet ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine extrem platzsparende Bauweise entsteht, weil die seismische Masse gleichzeitig die Funktion der Erzeugung einer magnetischen Vorspannung der Kontaktelemente übernimmt. Dies gilt insbesondere dann, wenn, so wie weiter oben beschrieben, der erfindungsgemäße Beschleu­ nigungssensor nach Art eines Reed-Kontakts aufgebaut wird und sich die permanentmagnetische seismische Masse in einem gas­ dichten Röhrchen befindet. Die bauliche Anordnung wird dann so klein, daß eine Funktionsüberprüfung mittels einer Kompen­ sationsspule möglich wird, ohne hierdurch die baulichen Abmes­ sungen des Beschleunigungssensors, verglichen mit den vorher­ gehenden Ausführungsbeispielen, zu vergrößern.

Schließlich wird eine besonders gute Wirkung dann erzielt, wenn der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor bei einem Insassen-Sicherungssystem eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem Airbag-System oder einem Gurtstraffer-System eingesetzt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Beschleunigungssensors in Gestalt eines Reed-Kontakts mit zugehöriger elektrischer Be­ schaltung;

Fig. 2 eine Variante zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit permanentmagnetischer Erzeugung der Vorspannung;

Fig. 3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Beschleunigungssensors in besonders platz­ sparender Bauweise.

In Fig. 1 ist 10 insgesamt ein Beschleunigungssensor, wie er zum Erfassen des Überschreitens eines vorbestimmten Beschleuni­ gungs-Schwellwerts eingesetzt wird. Ein bevorzugtes Anwen­ dungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren sind Insassen-Sicherungssysteme von Kraftfahrzeugen, beispiels­ weise Airbag-Systeme oder Gurtstraffer-Systeme. Bei diesen Systemen kommt es darauf an, mit möglichst geringer Totzeit den Zustand eines Auffahrunfalls zu erkennen, bei dem das Kraftfahrzeug schlagartig einer sehr hohen Verzögerung aus­ gesetzt wird und das Überschreiten eines (negativen) Beschleuni­ gungs-Schwellwerts erkannt werden soll, um Insassen-Sicherungs­ systeme zu aktivieren. Üblicherweise werden in diesen Fällen Treibladungen gezündet, die entweder das Aufblasen eines Luftsacks (Airbag) bewirken oder aber die Sicherheitsgurte festzurren, so daß die Fahrgäste in ihren Sitzen festgehalten werden.

Der Beschleunigungssensor 10 umfaßt ein Röhrchen 11 mit einem ersten Ende 12, in das ein zweites, beispielsweise starres Kontaktelement 13 eingelassen, beispielsweise eingegossen ist. Ein zweites Ende 14 des Röhrchens 11 ist mit einem ersten, beispielsweise elastischen Kontaktelement 15 versehen, das ebenfalls z.B. eingegossen sein kann. Die Kontaktelemente 13, 15 laufen an ihren freien Enden in axiale langgestreckte Kontaktflächen 16, 17 aus, von denen in Fig. 1 eine, nämlich die erste Kontaktfläche 17, abgekröpft ist, weil die Kontakt­ elemente 13, 15 koaxial an den Enden 12, 14 eingespannt sind. Das erste, bewegliche Kontaktelement 15 ist mit einer seis­ mischen Masse 18 versehen.

Das Röhrchen 11 ist vorzugsweise gasdicht ausgebildet und mit einem Inertgas gefüllt, so daß insgesamt eine Anordnung ent­ steht, wie man sie in ähnlicher Form von Reed-Kontakten her kennt, die allerdings nicht mit einer seismischen Masse versehen sind.

Eine Magnetspule 19 umgibt das Röhrchen 11 vorzugsweise im Bereich der Kontaktflächen 16, 17 und erzeugt an dieser Stelle im Röhrchen 11 ein Magnetfeld, das parallel zu den Kontakt­ flächen 16, 17 gerichtet ist.

Die Kontaktelemente 13, 15 bestehen mindestens im Bereich der Kontaktflächen 16, 17 aus ferromagnetischem Material. Aufgrund der vorstehend erläuterten Feldverteilung werden die Kontakt­ elemente 13, 15 im Bereich der Kontaktflächen 16, 17 mit entgegengesetzter Polarität aufmagnetisiert, so daß bei strom­ durchflossener Magnetspule 19 der durch die Kontaktflächen 16, 17 gebildete elektrische Schalter mit der durch das Magnet­ feld vorbestimmten magnetischen Überdrückung geschlossen ist.

An das erste Kontaktelement 13 ist eine erste Anschlußleitung 20 angeschlossen, die über eine Kontrolleuchte 21 zu einer Stromquelle 22 führt. Der andere Anschluß der Stromquelle 22 führt über ein Schaltgerät 23 und eine zweite Anschlußleitung 24 zum zweiten Kontaktelement 15. Das Schaltgerät 23 steuert über eine Steuerleitung 25 z.B. eine Treibladung 26 eines Insassen-Sicherungssystem eines Kraftfahrzeugs, wie dies eingangs beschrieben wurde.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist wie folgt:

Im Betrieb des Beschleunigungssensors 10 ist die Magnetspule 19 stromdurchflossen, so daß die Kontaktflächen 16, 17 in der bereits beschriebenen Weise aneinander liegen und daher von der Stromquelle 22 aus ein Strom durch den in Fig. 1 darge­ stellten Stromkreis fließt. Der geschlossene Zustand der Kontaktflächen 16, 17 wird durch kontinuierliches Aufleuchten der Kontrolleuchte 21 angezeigt. Das Schaltgerät 23 ist so ausgelegt, daß die Steuerleitung 25 stromlos ist, solange die Anschlußleitungen 20, 24 stromdurchflossen sind. Dies kann beispielsweise durch geeignetes Ansteuern eines Basisanschlusses eines Transistors geschehen.

Wenn nun eine Querbeschleunigung auf den Beschleunigungssensor 10 wirkt, wie sie mit einem Pfeil 27 in Fig. 1 angedeutet ist, so überwindet die auf die seismische Masse 18 von der Beschleunigung ausgeübte Kraft oberhalb eines vorgegebenen Beschleunigungs-Schwellwertes die magnetische Haltekraft an den Kontaktflächen 16, 17 und der durch diese Kontaktflächen 16, 17 gebildete elektrische Schalter wird geöffnet.

Es ist hierzu nicht unbedingt erforderlich, daß das zweite Kontaktelement 15 elastisch ausgebildet ist, dies ist jedoch zweckmäßig, um beim Öffnen und Wieder-Schließen des elektrischen Schalters einen definierten Bewegungsablauf zu erhalten.

Infolge des nun unterbrochenen Stromkreises erlischt die Kontrolleuchte 21 und das Schaltgerät 23 wird aktiviert, um über die Steuerleitung 25 die Treibladung 26 zu zünden. Es versteht sich dabei, daß der Stromkreis gemäß Fig. 1 nur äußerst schematisch zu verstehen ist und daß selbstverständlich Abwandlungen und Fortbildungen möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die Kontrolleuchte 21 in das Schaltgerät 23 integriert werden, um zu vermeiden, daß bei einem Ausfall der Kontrolleuchte 21 die Treibladung 26 gezündet wird.

Auch können mechanische oder elektrische Anschläge vorgesehen werden, um bei Einwirken besonders großer Beschleunigungen eine mechanische oder elektrische Beschädigung der Anordnung gemäß Fig. 1 zu verhindern.

Fig. 2 zeigt eine Variante mit einem Beschleunigungssensor 40, bei dem ein Röhrchen 41 mit Anschlußleitungen 42 und 43 derselben Bauart verwendet wird, wie sie bereits zu Fig. 1 erläutert wurde.

Im Gegensatz zum Beschleunigungssensor 10 der Fig. 1 wird beim Beschleunigungssensor 40 der Fig. 2 ein Permanentmagnet 44 von torusförmiger Bauart verwendet, der koaxial zum Röhrchen 41 angeordnet ist und im Innenraum des Röhrchens 41 ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt.

Der Meßeffekt des Beschleunigungssensors 40 stimmt insoweit mit dem des Beschleunigungssensors 10 der Fig. 1 überein.

Zusätzlich sind beim Beschleunigungssensor 40 der Fig. 2 jedoch noch auf beiden Seiten des Permanentmagneten 44 eine linke Magnetspule 45 sowie eine rechte Magnetspule 46 vorgesehen. Diese Magnetspulen, die auch als gemeinsame Magnetspule außen um den Permanentmagneten 44 herumgewickelt sein können, sind mittels eines geeigneten Erregerstroms so ansteuerbar, daß das vom Permanentmagneten 44 im Innenraum des Röhrchens 41 erzeugte Magnetfeld gerade kompensiert wird.

Hierdurch ist eine Funktionsüberprüfung des Beschleunigungs­ sensors 40 möglich, weil durch das Erzeugen des Kompensations­ feldes im Inneren des Röhrchens 41 ein Zustand erzeugt wird, als sei der Beschleunigungssensor 40 gerade einer Beschleunigung mit dem Beschleunigungs-Schwellwert ausgesetzt. Der elektrische Schalter des Beschleunigungssensors 40 wird sich bei Einschalten der Magnetspule 45, 46 infolge der elastischen Rückstellkraft des Kontaktelements 15 öffnen, wenn der Beschleunigungssensor 40 ordnungsgemäß arbeitet und dieser Zustand kann als Prüfzu­ stand entsprechend ausgewertet werden. Hierzu kann man bei­ spielsweise während der Einwirkung des Kompensationsfeldes die Steuerleitung 25 auftrennen, so daß selbsttätig ein unbeab­ sichtigtes Zünden der Treibladung 26 verhindert wird, solange die Funktionsüberprüfung des Beschleunigungssensors 40 durch­ geführt wird.

Fig. 3 zeigt eine Alternative zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2, bei dem wiederum auf einem Röhrchen 51 mit Anschluß­ leitungen 52 und 53 eine magnetische Erregeranordnung und eine magnetische Kompensationsanordnung in koaxialer Lage zueinander vorgesehen sind.

Allerdings werden im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zwei torusförmige Permanentmagnete 55, 56 beidseits einer Magnet­ spule 54 eingesetzt, wobei die Permanentmagnete 55, 56 zum betrieblichen Schließen des elektrischen Schalters dienen, während die Magnetspule 54 wiederum zum definierten Öffnen des Schalters durch Kompensation des von den Permanentmagneten 55, 56 erzeugten Magnetfelds dient.

Im übrigen ist die Funktion des Beschleunigungssensors 50 identisch mit der des Beschleunigungssensors 40.

Schließlich zeigt Fig. 4 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Beschleunigungssensor 60, der wiederum ein Röhrchen 61 mit Anschlußleitungen 62 und 63 aufweist. In Abweichung von den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen ist jedoch die seismische Masse 64 des Beschleunigungssensors 60 selbst als Permanentmagnet mit axialer Polarisierung ausgebildet. Die axiale Polarisierung der seismischen Masse 64 bewirkt, daß das zugehörige Kontaktelement ebenfalls polarisiert wird und damit das gegenüberliegende Kontaktelement anzieht.

Eine um das Röhrchen 61 herum angeordnete Magnetspule 65 dient wieder zum definierten Kompensieren des Erreger-Magnetfeldes, das bei diesem Ausführungsbeispiel, wie erwähnt, von der seismischen Masse 64 selbst erzeugt wurde. Es ist also mit einer sehr raumsparenden Anordnung eine Funktionsüberprüfung auch des Beschleunigungssensors 60 möglich.

Claims (12)

1. Beschleunigungssensor mit einem Kontakt-Masse-System (15, 18; 64), der bei Überschreiten eines bestimmten Beschleunigungs-Schwellwerts durch eine beschleunigungs­ abhängige Auslenkung einer seismischen Masse (18; 64) ein elektrisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (18; 64) an einem ersten Kontaktelement (15) eines elektrischen Schalters an­ geordnet ist, daß das erste Kontaktelement (15) unter einer Vorspannung, vorzugsweise unter Überdrückung einer elastischen Rückstellkraft des ersten Kontaktele­ ments (15), an einem weiteren Kontaktelement (13) anliegt und daß die seismische Masse (18; 64) sowie die Vor­ spannung so dimensioniert sind, daß bei Überschreiten des Beschleunigungs-Schwellwerts die Kontaktelemente (13, 15) voneinander abgehoben werden.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktelemente (13, 15) aus einem ferromagnetischen Material bestehen und daß die Vor­ spannung durch Aufmagnetisieren der Kontaktelemente (13, 15) mit unterschiedlicher Polarität erzeugt wird.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktelemente (13, 15) zwei zueinan­ der parallele Kontaktflächen (16, 17) aufweisen, daß das elastische Kontaktelement (15) senkrecht zu den Kontaktflächen (16, 17) auslenkbar ist, und daß die Kontaktelemente (13, 15) in einem Magnetfeld angeordnet sind, das parallel zu den Kontaktflächen (16, 17) gerichtet ist.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktelemente (13, 15) koaxial in einem gasdichten Röhrchen (11; 41; 51; 61) angeordnet sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch eine vorzugs­ weise die Kontaktflächen (16, 17) umgebende Magnetspule (19; 65) erzeugt wird.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen vor­ zugsweise die Kontaktflächen (16, 17) umgebenden Per­ manentmagneten (44; 55, 56; 64) erzeugt wird.

7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß schaltbare Mittel zum Kompensieren des Magnetfelds vorgesehen sind.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die schaltbaren Mittel als weitere Mag­ netspule (45, 46; 54) ausgebildet sind, deren Polarität zur Polarität der Magnetspule (19; 65) bzw. des Per­ manentmagneten (44; 55, 56; 64) entgegengerichtet ist.

9. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (64) als Permanentmagnet ausgebildet ist.

10. Verwendung eines Beschleunigungssensors (10; 40; 50; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Insassen-Sicherungssystem eines Kraftfahrzeugs.

11. Verwendung nach Anspruch 10 zum Zünden einer Treibladung (26) eines Airbag-Systems.

12. Verwendung nach Anspruch 10 zum Zünden einer Treibladung (26) eines Gurtstraffer-Systems.