DE4016032C2 - Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Haupt­ anspruchs.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 39 39 410 A1 ist bereits ein thermischer Beschleunigungs- und Neigungssensor bekannt, der an einem beweglichen Gegenstand, beispielsweise einem Kraftfahr­ zeug, befestigt wird. Ein Gehäuse umschließt einen rotationssymme­ trischen Hohlraum, der sich nach oben hin konisch verjüngt. Der Hohlraum ist bis auf eine Luftblase vollständig von einer Flüssig­ keit ausgefüllt. Auf der Deckplatte an der Innenseite des Gehäuses ist ein als ohmsches Widerstandselement ausgebildetes elektrisches Schaltungselement aufgebracht, das einen Teil der Auswerteschaltung des Sensors in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung bildet. Ferner ist der Aufbau in Dickschichttechnik des elektrischen Schaltungselements, das elektrisch aufheizbar und temperatur­ empfindlich ist, beschrieben. Die Funktionsweise des Sensors beruht auf der Widerstandsänderung des als ohmscher Widerstand ausgebil­ deten, auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizten Schaltungselements infolge von veränderter Wärmeabfuhr. In Ruheposition steht das Schaltungselement in thermischer Verbindung mit der Luftblase im Hohlraum des Sensors. Wird der Sensor beschleunigt und/oder geneigt, so wandert die Luftblase, und das Schaltungselement wird von der Flüssigkeit umströmt. Die Veränderung der Wärmeabfuhrverhältnisse führt zu einer Änderung des ohmschen Widerstandes des Schaltungs­ elements, die mittels der Auswerteschaltung erfaßt wird. Dieser Sensor ist besonders zur Schwellwerterfassung von Neigung und Beschleunigung eines beweglichen Gegenstandes geeignet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich Neigungen und/oder Beschleunigungen eines beweglichen Gegenstandes besonders präzise erfassen lassen. Im Fahrzeugbereich bietet dies nicht nur Einsatzmöglichkeiten zum Insassenschutz bei Unfällen, sondern auch für Navigationssysteme. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors im Gegensatz zu mechanisch arbeitenden Neigungs- und Beschleunigungssensoren besteht darin, daß keine reibungsbedingte Hysterese im Meßverhalten auftritt.

Vorteilhaft ist auch, daß der Sensor eine sehr geringe Temperatur­ abhängigkeit aufweist, da sich die Charakteristik der Meßwiderstände bei Schwankungen der Umgebungstemperatur gleichermaßen verändert und nur Widerstandsdifferenzen ausgewertet werden. Dadurch läßt er sich auch in einem großen Temperaturbereich einsetzen. Von Vorteil ist auch die geringe Abhängigkeit des Ausgangssignals vom verwendeten Flüssigkeitsmedium. Zur Signalauswertung ist zudem nur ein geringer Schaltungsaufwand nötig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Ein besonderer Vorteil besteht in der Ausbildung der elek­ trischen Schaltungselemente als ohmsche Widerstandselemente, die in Dickschichttechnik hergestellt sind und in an der Innenseite des Hohlraumes aufgewölbten Blasen angeordnet sind. Die geringe thermische Masse der Dickschichtmembranen, auf die die Widerstands­ elemente aufgebracht sind, führt zu vorteilhaften, schnellen An­ sprechzeiten des Sensors. Außerdem ist eine kostengünstige Her­ stellung in Hybridtechnologie möglich, bei der die Auswerteschaltung vorteilhaft integriert werden kann. Von besonderem Vorteil ist, daß sich die Meßgenauigkeit des Sensors einfach über den Abstand der Widerstandselemente voneinander variieren läßt. Vorteilhaft ist außerdem, daß sich das Dämpfungsverhalten des Sensors sehr einfach für verschiedene Anwendungen anpassen läßt, indem die geometrischen Abmessungen des Hohlraums des Sensors und die Zähigkeit der Flüssig­ keit aufeinander abgestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist es, an zwei gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums des Sensors jeweils zwei Widerstände anzuordnen, und diese in einer Vollbrücke zu ver­ schalten. Durch eine Verschaltung gemäß Fig. 3 läßt sich das Ausgangssignal der Meßbrücke vorteilhaft verstärken und somit auch die Empfindlichkeit des Sensors erhöhen. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, daß das Ausgangssignal unabhängig von der Umgebungs­ temperatur ist. Durch die Fertigung der Widerstandselemente in Dick­ schichttechnik und deren Anordnung ergeben sich vorteilhafte Variationsmöglichkeiten bezüglich Neigungswinkelbereich und Empfind­ lichkeit.

Zeichung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1a den Längsschnitt eines Sensors in Ruhelage, Fig. 1b den Längsschnitt dieses Sensors geneigt um den Winkel α, Fig. 1c die Aufsicht auf eine Seitenwand dieses Sensors, Fig. 2a die Aufsicht auf eine Seitenwand eines weiteren Sensors in Ruhelage, Fig. 2b die Aufsicht dieses Sensors geneigt um den Winkel α, Fig. 2c den Längsschnitt durch diesen weiteren Sensor, Fig. 3a eine Schaltungsanordnung für einen Sensor nach Fig. 1a-c und Fig. 3b eine Schaltungsanordnung für einen Sensor nach Fig. 2a-c.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet mit einem Gehäuse 11, das einen Hohlraum 12 umschließt. Das Gehäuse kann beispielsweise quader- oder zylinderförmig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen. Im Hohlraum 12 des Sensors 10 befindet sich ein Gas 14 und eine Flüssigkeit 15 dermaßen, daß eine Flüssigkeitsoberfläche vorhanden ist, die die Flüssigkeit 15 von dem Gas 14 trennt. Dick­ schichtblasen 16 und 18 sind von zwei Seitenwänden 131 und 132 des Gehäuses 11 ausgehend in den Hohlraum 12 des Sensors 10 aufgewölbt. Auf jeder der Seitenwände 131, 132 können eine oder mehrere Dick­ schichtblasen 16, 18 angeordnet sein. In die Dickschichtblasen 16 und 18 sind in diesem Beispiel jeweils zwei Widerstände 171, 172 und 191, 192 integriert, die elektrisch aufheizbar sind und deren Wider­ standswert sich mit der Temperatur ändert. In der Ausgangslage des Sensors 10, in der die Beschleunigung und die Neigung gleich Null sind, oder wenn sich die Beschleunigung und die Neigung gegenseitig aufheben, sind die Widerstände 171, 172 und 191, 192 zu gleichen Teilen von der Flüssigkeit 15 benetzt. Das bedeutet, daß an den beiden Widerständen 171, 172 und 191, 192 die gleichen Wärmeabfuhr­ verhältnisse herrschen. Im Gegensatz zu Fig. 1a, wo der Sensor 10 in seiner Ausgangslage dargestellt ist, zeigt Fig. 1b den Sensor 10 um den Winkel α geneigt. In diesem Falle werden die Widerstände 171, 172 mehr von der Flüssigkeit 15 benetzt als die Widerstände 191, 192. Die Wärmeabfuhrverhältnisse an den Widerständen 171, 172 und 191, 192 haben sich im Vergleich zu der Ausgangslage gegenläufig geändert, was zu einer gegenläufigen Änderung der Widerstandswerte der Widerstände 171, 172 und 191, 192 führt. Die Widerstandsänderung ist abhängig vom Neigungswinkel α und wird mittels einer Auswerte­ schaltung erfaßt.

In Fig. 1c ist die Aufsicht auf die Seitenwand 131 des Sensors 10 dargestellt, deren Aufbau dem der ihr gegenüberliegenden Seitenwand 132 entspricht. Die Widerstände 171 und 172 sind jeweils in eine Dickschichtblase 16 integriert. Sie sind so angeordnet, daß sie in der Ruhelage des Sensors 10 gleichermaßen von der Flüssigkeit 15 benetzt werden. Mit 21 ist der Flüssigkeitspegel in der Ruhelage bezeichnet; mit 22 ist der Flüssigkeitspegel bezeichnet, der sich bei der in Fig. 1b dargestellten Auslenkung um den Winkel α einstellt.

In Fig. 2 ist die Aufsicht auf eine Seitenwand 131 eines zylinder­ förmigen Sensors dargestellt. Die der Seitenwand 131 gegenüber­ liegende Seitenwand 132 ist in gleicher Weise aufgebaut. Bei diesem Sensor sind auf jeder der einander gegenüberliegenden Seitenwände 131 und 132 zwei Dickschichtblasen 161 und 162 aufgewölbt. In jeder der Dickschichtblasen 161 und 162 sind jeweils zwei Widerstands­ elemente 171.1, 171.2 und 172.1, 172.2 integriert. Auch die Widerstandselemente 171.1, 171.2 und 172.1, 172.2 sind so auf der Seitenwand 131 angeordnet, daß sie in der Ausgangslage des Sensors gleichermaßen von der Flüssigkeit 15 benetzt werden. In diesem Beispiel sind sie halbmondförmig planar, jeweils senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche des Sensors in der Ruhelage angeordnet. Dadurch ist es möglich, sowohl Neigungen in Richtung der Sensorachse als auch zu einer dazu senkrechten Achse zu erfassen. Der Sensor läßt sich durch geschickte planare Auslegung der Widerstandselemente auf den Seitenwänden besonders empfindlich gestalten. Die Funktions­ weise des in Fig. 2 dargestellten Sensors beruht auf demselben Prinzip wie die des in Fig. 1 dargestellten Sensors. Im Gegensatz zur Fig. 1b, wo der Sensor in Richtung einer Achse verdreht ist, die senkrecht zur Sensorachse orientiert ist, ist in Fig. 2b der Sensor dargestellt, der um einen Winkel α in Richtung der Sensor­ achse geneigt ist. Durch Anordnung von vier Widerstandselementen 171.1, 171.2 und 172.1, 172.2 auf den beiden Seitenwänden 131 und 132 des Sensors lassen sich auch solche Neigungswinkel erfassen.

In Fig. 2c ist ein Längsschnitt durch den Sensor dargestellt. Über den Abstand der mit Sensorwiderständen versehenen Seitenwänden 131 und 132 läßt sich die Empfindlichkeit des Sensors bezüglich Neigungen um eine Achse, die senkrecht zur Sensorachse orientiert ist, variieren. Je größer der Abstand ist, um so höher ist die Meß­ genauigkeit. Außerdem läßt sich das Dämpfungsverhalten des Sensors über die geometrischen Abmessungen des Sensorhohlraumes 12 und die Zähigkeit der Flüssigkeit 15 beeinflussen.

In Fig. 3a ist eine Prinzipschaltung einer Sensorbrückenschaltung 30 für einen Sensor nach Fig. 1 dargestellt. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus zwei parallel geschalteten Ästen 31 und 32, in denen jeweils zwei Widerstände 171 oder 172 von der Seitenwand 131 und 191 oder 192 von der Seitenwand 132, nämlich die Widerstände 171 und 191 und die Widerstände 192 und 172, hintereinander geschaltet sind. An beiden Ästen 31 und 32 liegt eine konstante Spannung U an. Die Widerstände 171, 172, 191 und 192 werden durch den durch sie fließenden Strom aufgeheizt. Die Widerstandswerte der Widerstände 171, 172, 191 und 192 sind temperaturabhängig. Als Meßsignal wird eine Ausgangsspannung Ua zwischen dem Punkt 1 und dem Punkt 2 abge­ griffen. Der Punkt 1 befindet sich auf dem einen Ast 31 zwischen dem Widerstand 171 und dem Widerstand 191. Der Punkt 2 befindet sich auf dem zweiten Ast 32 zwischen dem Widerstand 19.2 und dem Widerstand 172. Die Spannung Ua ist genau dann Null, wenn sich der Widerstand 191 zum Widerstand 171 genauso verhält wie der Widerstand 172 zum Widerstand 192. Da sich die Widerstände 171 und 172 auf der einen Seitenwand 131 des Sensorhohlraumes 12 befinden und die Widerstände 191 und 192 auf der anderen Seitenwand 132 des Sensorhohlraumes 12 befinden und aufgrund der in Fig. 1c beschriebenen Anordnung von zwei Widerständen auf einer Seitenwand, führt eine Neigung des Sensors um eine Achse senkrecht zur Sensorachse zu einer gegen­ läufigen Veränderung der Widerstandsverhältnisse. Dadurch wird das Meßsignal Ua verstärkt. Da alle Widerstände der Sensorbrückenschal­ tung 30 mittels der konstanten Spannung U beheizt werden und da sich die Charakteristik aller Widerstände bei einer Umgebungstemperatur­ änderung gleichermaßen verändert und zudem nur Temperaturdifferenzen ausgewertet werden, ist diese Schaltungsanordnung weitgehend unab­ hängig von der Umgebungstemperatur.

Um die in Fig. 2b dargestellte Neigung des Sensors um die Sensor­ achse zu detektieren, müssen vier auf den Blasenstrukturen ange­ ordnete Widerstände in einer zweiten Brückenschaltung entsprechend Fig. 3b verschaltet werden. Dabei liegen die sich gegenläufig ver­ ändernden Widerstände 171.1 und 172.1 hintereinander im Ast 31, während die entsprechenden Widerstände 191.1 und 192.1 hinter­ einander im Ast 32 der Brücke verschaltet sind. Die Auswertung des Meßsignals erfolgt nach demselben Prinzip wie bei der in Fig. 3a dargestellten Schaltung.

Claims (11)

1. Sensor zur Erfassung der Beschleunigung und/oder der Neigung eines beweglichen Gegenstandes, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse, das einen Hohlraum umschließt, mit einer in dem Hohlraum befindlichen Flüssigkeit, die den Hohlraum nicht voll­ ständig ausfüllt und mit mindestens einem elektrisch aufheizbaren, temperaturempfindlichen, elektrischen Schaltungselement als Bestandteil einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (12) des Gehäuses (11) einander gegenüberliegend mindestens zwei aufheizbare, temperaturempfindliche, elektrische Schaltungs­ elemente (17, 19) angeordnet sind, daß die mindestens zwei Schal­ tungselemente (17, 19) in gleicher Weise von der Flüssigkeit (15) benetzt werden, wenn sich der Sensor (10) in einer Ausgangslage befindet, in der die Beschleunigung und die Neigung des beweglichen Gegenstandes gleich Null sind, oder in der sich die Beschleunigung und die Neigung in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben, und daß eine Beschleunigung und/oder Neigung des beweglichen Gegenstandes zu einem unterschiedlichen Benetzungsgrad der mindestens zwei Schal­ tungselemente (17, 19) führt, wenn sich die Wirkung von Beschleu­ nigung und Neigung nicht gegenseitig aufheben.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die min­ destens zwei elektrischen Schaltungselemente (17, 19) durch einen durch die Schaltungselemente (17, 19) fließenden Strom aufheizbar sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei elektrischen Schaltungselemente (17, 19) temperaturabhängige, ohmsche Widerstandselemente sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstandselemente (17, 19) Schichtwiderstandselemente sind.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ widerstandselemente (17, 19) in aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus Glaskeramik, bestehenden Blasenstrukturen (16, 18) angeordnet sind.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blasen (16, 18) in Dickschichttechnik hergestellte Membranen sind, auf denen die Schichtwiderstandselemente (17, 19) angeordnet sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstandsänderungen aufgrund benetzungsgradabhängiger Wärme­ abfuhr analog meßbar sind.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Meßgenauigkeit des Sensors (10) mittels des Abstandes zwischen den auf zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (131, 132) angeordneten mindestens zwei Schaltungselemente (17, 19) variieren läßt.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich das Dämpfungsverhalten des Sensors (10) mittels der geometrischen Abmessungen des Hohlraums (12) und mittels der Zähigkeit der Flüssigkeit (15) variieren läßt.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (131, 132) des Hohlraums (12) jeweils zwei Widerstandselemente (171, 172, 191, 192) ange­ ordnet sind und daß die Widerstandselemente (171, 172, 191, 192) in einer Vollbrücke geschaltet sind.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (131, 132) jeweils vier Widerstände (171.1, 171.2, 172.1, 172.2, 191.1, 191.2, 192.1, 192.2) angeordnet sind und daß jeweils vier Widerstandselemente (171.1, 172.1, 191.1, 192.1) in voneinander unabhängigen Vollbrücken ver­ schaltet sind.