DE3908368A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungs­ sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen, als Aufprallfühler ausgebildeten und aus der DE-AS 26 06 790 bekannten Beschleunigungs­ sensor dieser Bauart sind die Federelemente als Tor­ sionsfedern ausgebildet, die einen kugelförmigen Masse­ körper nach Art eines Anschlags in der Ruhelage halten. Der Massekörper bewegt sich bei einem Aufprall gegen die Wirkung der Torsionsfedern und wird innerhalb des Gehäuses durch dessen Innenkontur geführt. Bei einem Schwellwert der Beschleunigung wird ein Schalter betä­ tigt.

Es liegt auf der Hand, daß ein derartiger Beschleuni­ gungssensor erheblichen Reibungseinflüssen insbesondere zwischen Gehäuse und Massekörper ausgesetzt ist, die die Empfindlichkeit in hohem Maße von zusätzlichen Para­ metern abhängig machen. Hierzu gehört beispielsweise die Temperatur, die Verschmutzung (Abrieb) sowie auch die Richtung der Beschleunigung. Die Temperatur wirkt sich sowohl für den Abstand zwischen dem Massekörper und dem Gehäuse als auch für die Elastizitätseigenschaften der Federelemente aus. Der Einfluß der Beschleunigungsrich­ tung macht sich in der Weise bemerkbar, daß bei einem dezentralen Aufprall der Massekörper sich zunehmend gegen eines der beiden Federelemente abstützt, während das andere Federelement zunehmend an Einfluß verliert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Be­ schleunigungssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der langzeitstabil mit hoher Genauigkeit auf die einwirkende Beschleunigung anspricht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Beschleuni­ gungssensor der eingangs genannten Art durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist die Fixierung des Massekör­ pers gegenüber dem Gehäuse durch die beiden Federele­ mente. Der Massekörper kommt mit dem Gehäuse nicht in Berührung. Bei einer Beschleunigung wird der Massekörper ebenfalls allein durch die Federelemente geführt und gehalten und unterliegt somit keinerlei Reibungsein­ flüssen. Dadurch fallen auch die geschilderten Probleme wie Abrieb und Temperaturabhängigkeit völlig weg. Durch eine Führung der Federelemente während ihrer Bewegung wird es auch ohne weiteres möglich, nur die Beschleuni­ gungskomponente zu berücksichtigen, die in der Bewe­ gungsrichtung des Massekörpers liegt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Federelemente gegen seit­ liches Ausweichen zu sichern.

Häufig ist es gewünscht, den Verlauf der Beschleunigung ggf. bis hin zu einem Schwellwert in Beziehung zu setzen mit einem vorgegebenen linearen Verlauf. Dieser Verlauf kann durch eine Zwangsführung des Massekörper-/Feder­ elemente-Systems erreicht werden. Letztere ergibt sich, wenn sich die Federelemente bei der Bewegung des Masse­ körpers auf der geraden Innenseite des Gehäuses abwäl­ zen. Damit lassen sich labile Zustände des Massekör­ per-/Federelemente-Systems mit Sicherheit vermeiden.

Häufig ist es auch gewünscht, einen nichtlinearen Beschleunigungsverlauf vorzugeben. Dies kann auf kon­ struktiv besonders einfache Weise mit Hilfe von Ab­ laufschrägen erreicht werden, die innerhalb des Gehäuses für die Abwälzbahn der Federelemente vorgesehen sind. Durch eine lokale Verengung bzw. Erweiterung des für die Bewegung der Federelemente zur Verfügung stehenden Raums wird es damit möglich, einen definierten Beschleuni­ gungsverlauf vorzugeben. Es ist dabei beispielsweise möglich, mit einem relativen Extremum noch vor Erreichen eines Schwellwerts zu operieren und nur dann, wenn die tatsächliche Beschleunigung das vorgegebene und durch die Konstruktion der Ablaufschräge definierte Verhalten aufweist, die Weiterbewegung des Massekörper-/Federele­ mente-Systems zu erlauben und z. B. einen Schalter auszulösen.

Eine Weiterbildung der Erfindung beschäftigt sich mit der Konstruktion der Federelemente. Diese können bei­ spielsweise eine offene, beispielsweise C-förmige Form besitzen und mit ihrem einen Ende innerhalb des Gehäuses fixiert sein. Mit dem anderen Ende tragen sie den Massekörper. Derartige Federelemente sind relativ aufwendig in der Herstellung und nur mit hohem Aufwand in der erforderlichen Präzision vorzusehen.

Demgegenüber ergibt sich eine deutliche Verringerung des herstellungstechnischen Aufwands, wenn die Federelemente als Rohrfedern ausgebildet sind. Derartige Federn sind besonders einfach in der Handhabung sowohl bei ihrer Herstellung als auch beim Einbau im Rahmen des vorlie­ genden Beschleunigungssensors.

Insbesondere Rohrfedern ermöglichen es auch, vorgespannt so eingebaut zu sein, daß der Massekörper senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung mit einer Querkraft belastet ist. Damit ergibt sich eine sichere Fixierung und Führung des Massekörpers sowohl im Ruhezustand als auch während seiner beschleunigungsabhängigen Bewegung. Darüber hinaus lassen sich die beschriebenen Möglich­ keiten, die Kennlinie des Massekörper-/Federelemente- Systems während der Bewegung in definierter Weise zu beeinflussen, damit besonders einfach realisieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschäftigen sich mit weiteren Möglichkeiten, die Charakteristik des Beschleunigungssensors zu beeinflussen. So kann auf der dem Massekörper abgewandten Seite der Federelemente eine Zusatzmasse angeordnet sein, die ebenfalls trägheits­ kraftabhängig bewegt ist und die somit die Gesamtmasse vergrößert. Auf diese Weise ist es möglich, den gesamten Bauraum klein zu halten, da ein Teil der Gesamtmasse innerhalb der Federelemente angeordnet werden kann.

Eine weitere Möglichkeit für die Beeinflussung der Charakteristik kann mit Hilfe der Federelemente selbst erreicht werden. Diese können längs ihres Verlaufs unterschiedliche Elastizitätseigenschaften besitzen. Am einfachsten kann dies erreicht werden, indem die Feder­ elemente mit unterschiedlicher Dicke versehen sind. Die unterschiedliche Dicke wiederum kann durch unterschied­ liche Walzvorgänge erreicht werden. In Verbindung mit den weiteren genannten Möglichkeiten, die Bewegungsbahn der Federelemente zu beeinflussen, läßt sich somit eine gewünschte Charakteristik des Beschleunigungssensors ohne weiteres erzielen.

Zusätzlich können hierzu auch Formelemente vorgesehen sein, die während der Bewegung des Massekörpers zur Wirkung kommen. Diese Formelemente sind, wie bereits ausgeführt, beispielsweise in Form der Ablaufschrägen innerhalb des Gehäuses darstellbar. Zusätzlich kann es sich bei diesen Formelementen um Körper handeln, auf die die Federelemente während ihrer Bewegung stoßen und die die Charakteristik weiter in der gewünschten Weise beeinflussen können.

Die Formelemente ihrerseits können wie die genannten Zusatzmassen innerhalb der Federelemente angeordnet sein und somit zu einer weiteren Verringerung des Bauvolumens beitragen.

Schließlich ermöglicht eine Weiterbildung der Erfindung auch den Selbsttest des Beschleunigungssensors. Wird beispielsweise der Massekörper aus magnetischem Material ausgebildet und ist diesem eine Magnetspule zugeordnet, die den Massekörper gegen die Wirkung der Federelemente bewegt, so ist es damit möglich, außerhalb der Funk­ tionszeit den Beschleunigungssensor durch Ein- und Ausschalten der Magnetspule zu prüfen. Durch eine gezielte Einstellung des Erregerstroms für die Magnet­ spule lassen sich auch, sofern vorgesehen, die kriti­ schen Abschnitte der Kennlinie des Beschleunigungssen­ sors oder einen auf einen Beschleunigungs-Schwellwert ansprechenden Schalter abfragen und für in Ordnung befinden. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, eine Fehlauslösung des Beschleunigungssensors zu ver­ meiden.

Die Anwendung der Erfindung kann bei einem Aufprall­ fühler, der auf einem Beschleunigungs-Schwellwert anspricht, und bei einem Beschleunigungssensor, der auf beliebige Werte einer linearen Beschleunigung anspricht, erfolgen. Bei einem Aufprallfühler ist i.d.R. ein Schalter vorhanden, der bei Erreichen des Beschleuni­ gungs-Schwellwerts z.B. durch die Bewegung des Masse­ körpers betätigt wird. Hierzu kann der Massekörper als Blende zwischen einem aus Sender und Empfänger bestehen­ den Schalter dienen, die bei Überschreiten des Beschleu­ nigungs-Schwellwerts in bzw. außer Wirkung kommt. Bei der Blende kann es sich beispielsweise um eine Magnet­ blende im Rahmen eines Reedkontakt-Schalters handeln.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 den konstruktiven Aufbau eines als Aufprallfühler ausgebildeten Beschleunigungs­ sensors gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen alternativen Beschleunigungssensor im Ausschnitt.

Der Beschleunigungssensor von Fig. 1 besitzt ein Gehäuse 1 mit rechteckigem Grundquerschnitt und etwa quadrati­ schem Längsquerschnitt. Zwei Rohrfedern 2, die im Einbauzustand symmetrisch geklemmt sind, halten einen Massekörper 3, der beschleunigungsabhängig in Richtung eines eingezeichneten Pfeils P bewegbar ist. Der Masse­ körper 3 ist auf einer Seite in der Wirkrichtungsachse über die Außenkontur der Rohrfedern 2 verlängert und dient als Blende 4. Diese Blende besteht aus magneti­ schem Material und stellt einen Teil der Beschleuni­ gungsmasse dar. Ferner können zwei Zusatzmassen 5 innerhalb der Rohrfedern 2 bei Bedarf eingebaut sein und zusammen mit dem Massekörper 2 samt der Blende 4 die gesamte Beschleunigungsmasse ergeben.

Die Blende 4 wirkt mit einem Reedkontakt 6 und einem Permanentmagneten 7 zusammen. Im Ruhezustand wird der Permanentmagnet 7 durch die Blende 4 gegenüber dem Reedkontakt 6 abgeschirmt. In der Umgebung der Blende 4 ist eine zusätzliche Führungsblende 8 vorgesehen, die von Formstücken 9 gebildet ist. Die Formstücke 9 sitzen auf der Innenseite des Gehäuses 1 und dienen zur starren Befestigung der Rohrfedern 2. Diese ihrerseits halten den Massekörper 3 fest.

Schließlich sind innerhalb der Rohrfedern 2 Führungs­ elemente 12 vorgesehen. Eine dauerelastische Füllmasse 13 fixiert den Reedkontakt 6 und den Permanentmagneten 7.

In einem Anschlag 11 für den Massekörper 3 sitzt eine Spule, mit der es möglich ist, den Massekörper anzu­ ziehen und damit die Blende 4 außerhalb des Bereichs zwischen dem Permanentmagneten 7 und dem Reedkontakt 6 zu bringen. Vorausssetzung hierfür ist, daß der Masse­ körper 3 zumindest in dem Bereich, der dem Anschlag 11 gegenüberliegt, aus magnetischem Material besteht. Auf diese Weise wird es möglich, einen Selbsttest des Beschleunigungssensors bzw. des Reedkontakts 6 durch­ zuführen.

Die Verbindungsstellen zwischen den Rohrfedern 2 und den Formstücken 9 bzw. dem Massekörper 3 können durch Punktschweißen, Clipsen oder Kleben hergestellt werden. Die Größe der Verbindungsstellen insbesondere in Wirk­ richtung bestimmt zusammen mit der Steifigkeit der Rohrfedern 2 die Ansprechempfindlichkeit und die für die Bewegung des Massekörpers 3 erforderliche Mindestbe­ schleunigung. Durch die radiale Vorspannung der Rohr­ federn 2 wird der Massekörper 3 zuverlässig in der Mitte gehalten und gleichzeitig in der Wirkrichtung (Pfeil P) geführt. Diese Führung kann durch die Führungsblende 8 und durch zusätzliche Führungselemente 12 unterstützt werden.

Dies ist dann vorteilhaft, wenn Schwingungserscheinungen unterdrückt werden sollen. Die Führung des Massekörpers 3 senkrecht zur gezeichneten Ebene übernehmen die Rohrfedern 2 ohne zusätzliche Maßnahmen, da diese bekanntlich in dieser Richtung (Breite b) äußerst steif sind.

Die Funktion der Rohrfedern 2 in der Wirkrichtung wird einmal linear abhängig bestimmt von der Federdicke s, von dem Radialverformungsabstand A und von der Größe der Befestigungsflächen 14 bzw. deren Wirklänge L. Durch eine entsprechende Formgebung der Führungsbahn 10 nach einer Funktion y = f (x) kann der linearen Federfunktion eine beliebige, d. h. auch unlineare Funktion überlagert werden. Wesentlich dabei ist, daß durch keinen der änderbaren bzw. festen Parameter eine Reibungsbehinde­ rung der Rohrfedern 2 und damit auch des Massekörpers 3 eintreten kann. Der Weg des Massekörpers 3 wird durch durch den Anschlag 11, der auch verstellbar ausgeführt werden kann, begrenzt.

Das Schalten bei einer über einem definierten Schwell­ wert liegenden und während des Verlaufs in definierter Weise mit den konstruktiven Vorgaben korrespondierenden Beschleunigung erfolgt über den Reedkontakt 6, der in diesem Fall durch den Permanentmagneten 7 betätigt wird. Die Blende 4 befindet sich dabei außerhalb des Wirkbe­ reichs zwischen dem Permanentmagneten 7 und dem Reed­ kontakt 6. Über Anschlußkontakte 16 des Reedkontakts 6 kann ein Kabel die Verbindung zu weiteren Elektronik­ komponenten herstellen.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist anstelle des Reedkontakts 6 ein über eine Federkraft arbeitendes Schaltelement vorgesehen. Dazu wird am Ende des Masse­ körpers 3′ eine Kontaktfeder 17 aufgeschweißt und die Gegenkontaktfläche 18 am Gehäuse 1 untergebracht. Der Massekörper 3′ und die Rohrfedern 2 werden dabei auch als stromführende Elemente benutzt.

Durch den einfachen Aufbau ergeben sich als wesentliche Vorteile des Beschleunigungssensors neben der Funktions­ sicherheit auch die Möglichkeit einer Kostenreduktion gegenüber bekannten Beschleunigungssensoren. Die genann­ ten konstruktiven Maßnamen ermöglichen es, die für die Bewegung bzw. das Auslösen eines Schalters erforder­ lichen Parameter exakt einzustellen. Eine exakte Funk­ tion wird langzeitstabil eingehalten. Erwähnenswert ist ferner das geringe Bauvolumen des Beschleunigungssen­ sors.

Anstelle des Reedkontakts kann auch ein induktiv oder kapazitiv arbeitendes Wegmeßsystem vorgesehen sein, das ein veränderliches Ausgangssignal entsprechend der Bewegung des Massekörpers 3 bzw. der Blende 4 liefert. Der Beschleunigungssensor liefert damit ein Ausgangs­ signal, das ein Maß für die Größe der einwirkenden Linearbeschleunigung ist.

Anstelle des Wegmeßsystems können auch Dehnungsmeß­ streifen auf dem (den) gekrümmten Teil(en) der Rohrfedern 2 angeordnet sein. In Verbindung mit einer nachgeschal­ teten Brückenschaltung ist es damit möglich, ein der Beschleunigung proportionales Signal zu gewinnen. Der Beschleunigungssensor arbeitet dann auf ohmscher Basis.

Claims (12)

1. Beschleunigungssensor mit einem trägheitskraftab­ hängig bewegten Massekörper, der in einem Gehäuse durch zwei in diesem befestigte und symmetrisch angreifende Federelemente in einer Ruhelage ge­ halten ist und der sich unter dem Einfluß einer Beschleunigung relativ zum Gehäuse bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente den Massekörper gegenüber dem Gehäuse in der Ruhelage und während der beschleunigungsabhängigen Bewegung abstützen und daß der Massekörper an den Feder­ elementen befestigt ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Federelemente bei Bewegung des Massekörpers auf der Innenseite des Gehäuses abwälzen.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwälzbahn der Federelemente als Ablaufschräge ausgebildet ist.

4. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Rohrfedern ausgebildet sind.

5. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente senkrecht zur Bewegungsrichtung des Massekörpers vorgespannt sind.

6. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente auf den dem Massekörper abgewandten Seiten Zusatzmassen tragen.

7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente längs ihres Verlaufs unterschiedliche Elastizitätseigen­ schaften besitzen.

8. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente zusätzliche Formelemente besitzen, die während der Bewegung des Massekörpers zur Wirkung kommen.

9. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Massekörper aus magnetischem Material ausgebildet ist und daß dem Ende des Masseelements eine Magnetspule zugeordnet ist, die den Massekörper gegen die Wirkung der Federelemente bewegt.

10. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Schalter, der bei einem Beschleunigungs- Schwellwert betätigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Massekörper als Blende zwischen einem aus Sender und Empfänger bestehenden Schalter dient, die bei Überschreiten des Beschleunigungs-Schwellwerts in bzw. außer Wirkung kommt.

11. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche bis 10, gekennzeichnet durch ein induktiv oder kapazitiv arbeitendes Wegmeßsystem für den Massekörper und/oder ein (die) Federelement(e).

12. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Dehnungsmeßstreifen auf den Federelementen, deren Ausgangssignale einer elek­ trischen Brückenschaltung zugeführt sind.