DE4109217A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs. Derartige bekannte Sensoren nutzen ein Fe­ der-Masse-System, bei dem die durch eine Beschleunigung verursachte Lageänderung des Masselementes auf verschiedene Weisen erfaßt wird, z. B. induktiv, kapazitiv, optisch. Das Feder-Masse-System ist meist in Form einer einseitig eingespannten Feder, z. B. einer Blattfeder, mit einer seismischen Masse am freien Kragarmende ausgeführt. Das hat den Nachteil, daß auch hohe Beschleunigungen oder Schockbean­ spruchungen, die oberhalb des Meßbereiches liegen und bei unsachge­ mäßem Gebrauch oder Fall auftreten, über die seismische Masse auf die Feder einwirken. Da die Feder für einen definierten Meßbereich ausgelegt ist, führen übermäßig hohe Beanspruchungen zur Zerstörung der Feder, d. h. zum Bruch, oder zu bleibenden Verbiegungen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß aüch Beschleunigungen, die den Meßbereich des Sensors um ein Vielfaches übersteigen, nicht zum Bruch der Feder führen. Der Beschleunigungs­ sensor ist auch bei sehr kleinen Meßbereichen und entsprechend aus­ gelegter Feder fallsicher. Darüber hinaus zeichnet er sich durch einen einfachen, komPakten Aufbau aus.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in ver­ einfachter Darstellung in Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors, teilweise im Schnitt, in Fig. 2 eine Seitenansicht dieses Ausführungsbeispiels, teilweise im Schnitt. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils eine Sei­ tenansicht zweier weiterer Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen nach dem Feder-Masse-Prinzip auf­ gebauten Beschleunigungssensor, dessen Masse 10 als flaches, etwa T-förmiges Stanzbiegeteil mit einem Schenkel 11 und einem Querschen­ kel 12 ausgebildet ist. Der Schenkel 11 wird von einem Lagerstift 13 durchdrungen, dessen Enden als Spitzen 14 ausgebildet sind, die in entsprechenden kegelförmigen Vertiefungen 15 in den Schenkel 16A einer U-förmigen Halterung 16 gelagert sind.

Beiderseits des Lagerstiftes 13 ist der Schenkel 11 mit U-förmigen Einschnitten 18 versehen; die dadurch entstehenden Stege 19 sind rechtwinklig und einander entgegengesetzt abgebogen. An jedem dieser Stege ist jeweils das eine Ende einer um den Lagerstift gewundenen Spiralfeder 20, 24 befestigt, das zweite Ende ist an der Halterung 16 befestigt.

Das freie Ende des Schenkels 11 trägt einen Sensormagneten 21, der - in an sich bekannter Weise - mit einem Hall-Element 22 zusammen­ wirkt. Dieses Hall-Element ist mit einer Auswerteelektronik 23 in Dick- oder Dünnschichttechnik verbunden.

Der Querschenkel 12 der Masse dient als Wirbelstromscheibe und taucht in ein käfigförmiges Flußleitstück 25 aus weichmagnetischem Werkstoff ein. In dem Flußleitstück ist ein Bremsmagnet 26 angeord­ net, der zum Querschenkel weist, ohne diesen zu berühren. In dem Querschenkel 12 ist ein Längsschlitz 29 angeordnet, der etwa senk­ recht zum Schenkel 11 verläuft. In diesem Längsschlitz ist ein Aus­ gleichsmassenelement 30 klemmend befestigt.

Der Lagerstift 13 ist so mit dem Schenkel 11 der Masse 10 verbunden, daß die Massenverteilung zu beiden Seiten des Lagerstiftes ungleich­ mäßig ist.

Der Beschleunigungssensor ist beispielsweise in einem Fahrzeug so angeordnet, daß der Schenkel 11 senkrecht zur Fahrtrichtung und der Lagerstift 13 parallel zur Richtung der Erdbeschleunigung verlaufen. Die träge Masse in Form des Querschenkels 12 wird - bei entsprechen­ der Wahl der Lagerstelle bzw. Position des Lagerstiftes - proportio­ nal zu den in Fahrtrichtung verlaufenden Beschleunigungen gegen die Wirkung der Federn ausgelenkt. Das Maß der Auslenkung ist bestimmt durch die träge Masse, den Abstand Masseschwerpunkt-Drehpunkt und die Federkonstanten der Spiralfedern. Die Auslenkung der trägen Mas­ se wird über den Schenkel 11 durch das mit dem Sensormagneten 21 zu­ sammenwirkende Hall-Element 22 - in an sich bekannter Weise - erfaßt und in ein proportionales Ausgangssignal umgewandelt.

Der als Wirbelstromscheibe ausgebildete Querschenkel 12 bildet zu­ sammen mit dem Flußleitstück 25 und dem Bremsmagneten 26 eine Wir­ belstrombremse. Schwingungen der Wirbelstromscheibe bzw. des Quer­ schenkels 12 werden durch - an sich bekannte - Wirbelstromeffekte gedämpft. Das Flußleitstück dient neben der Schwingungsdämpfung auch als mechanischer Anschlag, der die Auslenkung des Querschenkels be­ grenzt.

Durch das Ausgleichsmassenelement 30, das im Längsschlitz 29 in dem Querschenkel 12 angeordnet ist, können Querkräfte ausgeglichen wer­ den, indem das Ausgleichsmassenelement verschoben wird und an einen beispielsweise durch Messung zu bestimmenden Ort festgesetzt wird.

Der Beschleunigungssensor kann beispielsweise eingesetzt werden, um Insassenschutzvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug auszulösen oder die beim Bremsen auftretenden Verzögerungen zu bestimmen, wodurch z. B. die Wirkung eines Antiblockiersystems verbessert werden kann.

Durch die drehbare Lagerung der Masse und deren zuvor beschriebenes Zusammenwirken mit der Feder können Schockbeanspruchungen bzw. sehr hohe Beschleunigungen von der Feder ferngehalten werden, die dadurch vor Zerstörung geschützt ist. Dennoch arbeitet der Beschleunigungs­ sensor aufgrund sehr klein zu haltender Auslenkungen des Querschen­ kels von z. B. 0,5-1 mm bzw. sehr kleiner Drehwinkel nahezu linear.

Durch Vorspannen der Spiralfedern läßt sich der Beschleunigungssen­ sor so einstellen, daß er näherungsweise eine Schaltercharakteristik aufweist. Durch geeignete Wahl der Vorspannung der Federn wird die Masse bzw. der Querschenkel erst bei Überschreiten einer definierten Beschleunigungsschwelle ausgelenkt.

Damit läßt sich trotz analog arbeitendem Sensorprinzip ein quasi­ digitales Ausgangssignal erzeugen.

Durch die Nutzung von Spiralfedern sind darüber hinaus Linearitäts­ abweichungen sehr gering. Die Einflüsse der Einspannstelle bei her­ kömmlichen einseitig eingespannten Federn, die sich erfahrungsgemäß stark auf die Linearität des Ausgangssignals auswirken, kommen beim beschriebenen Einsatz der Spiralfedern aufgrund der großen Feder­ länge kaum zum Tragen. Darüber hinaus ist auch der Verlauf der Bie­ gespannung über die Federlänge nahezu konstant.

Anstelle des beschriebenen Hall-Elementes und des mit diesem zusam­ menwirkenden Sensormagneten kann die Erfassung der Auslenkung auch über kapazitive oder optische Verfahren erfolgen. Des weiteren kann die Dämpfung der Schwingung anstelle der beschriebenen Wirbelstrom­ dämpfung auch durch Luftdämpfung erfolgen. Dazu wird der Querschen­ kel 12 so angeordnet, daß seine Flächennormale etwa parallel zur Beschleunigungsrichtung steht. Der bei Bewegung auftretende Luft­ widerstand der relativ großen Fläche kann dann zur Dämpfung genutzt werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Beschleuni­ gungssensors gezeigt, das sich von dem zuvor beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel durch die Art der Feder und deren Anbringung unter­ scheidet. Darüber hinaus werden bei diesem Ausführungsbeispiel die Schwingungen durch den zuvor beschriebenen Luftwiderstand des Quer­ schenkels gedämpft.

Die Masse 10A besteht ebenfalls aus einem Schenkel 11A, der von einem mit diesem verbundenen Lagerstift 13A durchdrungen ist, und einem Querschenkel 12A. Der Querschenkel 12A verläuft bei diesem Ausführungsbeispiel etwa parallel zum Lagerstift. An einem der Schenkel 16A der Halterung 16 ist ein Schenkel eines etwa U-förmigen Federelementes 20A befestigt, der zweite Schenkel des Federelementes ist an dem Lagerstift 13A befestigt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeichnet sich durch eine beson­ ders raumsparende Bauweise aus. Ein Massearm 10B ist einseitig durch den ihn durchdringenden Lagerstift 13B in der Halterung 16 gelagert. Am gegenüberliegenden Ende des Massearms ist der Sensormagnet 21 be­ festigt, der - wie zuvor beschrieben - mit dem Hall-Element 22 zu­ sammenwirkt. Ein L-förmiges Federelement 20B ist mit einem Abschnitt an einem Schenkel 16A der Halterung und mit dem anderen Abschnitt am Massearm 10B befestigt. Zwischen Federelement 20B und dem mit dem Sensormagneten versehenen Ende des Massearms ist ein Dämpfungsblech 31 angeordnet, das auf der den Sensormagneten gegenüberliegenden Seite des Massearms angebracht ist. Dieses Dämpfungsblech entspricht in seiner Funktion dem zuvor beschriebenen Querschenkel 12A und dient sowohl als seismische bzw. träge Masse als auch als Dämpfungs­ einrichtung infolge seines Luftwiderstandes.

Zur Verbesserung der Luftdämpfung können sowohl der Querschenkel bzw. das Dämpfungsblech in einer Dämpfungskammer angeordnet werden, in der diese relativ dicht geführt werden.

Es ist weiterhin möglich, den Massearm 10B bzw. die Massen 10, 10A mit einem gespannten Torsionsdraht oder Torsionsstab in der Halte­ rung zu lagern. Dadurch können zum einen der Drehstift und zum ande­ ren das zusätzliche Federelement eingespart werden. Der Torsions­ draht bzw. -stab wirkt sowohl als Lagerung als auch Rückstellele­ ment. Allerdings ist ein Torsionsdraht unter Umständen empfindlicher gegen übermäßige Belastungen, insbesondere wenn sie etwa senkrecht zu seiner Erstreckung wirken. Auch Pendelbewegungen der seismischen Masse senkrecht zur Erfassungsrichtung, z. B. infolge Schockbean­ spruchungen durch Fall, können die Belastbarkeit bzw. Fallsicherheit des Beschleunigungssensors gegenüber den zuvor beschriebenen Ausfüh­ rungsformen abschwächen.

Claims (7)

1. Beschleunigungssensor mit einem Feder-Masse-System, der über ein Wegmeßsystem zur Ermittlung der Beschleunigung verfügt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Masse (10; 10A; 10B, 31) drehbar gelagert ist und mit dem einen Ende mindestens einer zum Feder-Masse-System ge­ hörenden Feder (20, 24; 20A; 20B) verbunden ist, deren anderes Ende drehfest in Bezug auf die Masse fixiert ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine Beschleunigung erzwungenen Schwingungen des Fe­ der-Masse-Systems gedämpft sind.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Masse mit einem Lagerstift (13; 13A; 13B) verbun­ den ist, der in einer Halterung (16, 16A) drehbar gelagert ist.

4. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Spiralfeder (20, 24) ist, die um den Lagerstift (13) gewunden ist und einerseits an der Halterung sowie andererseits an der Masse befestigt ist.

5. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20A) U-förmig ausgebildet und einer­ seits an der Halterung und andererseits an dem Lagerstift befestigt ist.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Feder (20B) etwa L-förmig ausgebildet und einer­ seits an der Halterung und andererseits an der Masse befestigt ist.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Feder ein Torsionselement ist, an dem die Masse befestigt ist und das mit der Halterung verbunden ist.