DE4320494C1 - Neigungssensor für ein Fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Neigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Fahrzeugen wird ein lageabhängiges System benötigt, welches bei einer bestimmten, gesetzlich vorgebenen Fahrzeugneigung die Sicherheitsgurte automatisch sperrt. Üblicherweise wird dazu ein im Gurtaufrollautomaten integrierter, mechanisch wirkender Kugelsensor verwendet, der eine Sperrklinke betätigt. Bei ei­ nigen Fahrzeugtypen, beispielsweise wenn die Gurtaufrollauto­ maten in verstellbare Sitzlehnen integriert sind, muß mittels eines an anderer Stelle des Fahrzeugs erzeugten Signals der Gurt elektrisch verriegelt werden. Ein solches Signal kann von einem Neigungssensors bereitgestellt werden, der bei einem be­ stimmten kritischen Neigungswinkel anspricht.

Aus der DE 28 04 900 A1 ist ein Kippwarngerät bekannt, welches einen Neigungssensor verwendet, der die Lage des Fahrzeugs hinsichtlich eines künstlichen Horizontes überwacht, wobei der künstliche Horizont durch das Niveau einer lichtundurchlässigen Flüssigkeit bestimmt ist, die in einem mit dem Fahrzeug fest verbundenen Gefäß enthalten ist. Das Gefäß ist rotationssymmetrisch ausgebildet, hermetisch abgeschlossen und durchsichtig. Eine Lichtschrankenanordnung mit einer oder mehreren Sender-Empfänger-Strecken löst ein Signal aus, wenn durch eine Schräglage des Flüssigkeitsspiegels der Strahlengang einer Sender-Empfänger-Strecke unterbrochen wird. Die Licht­ schranken bestehen aus jeweils einem Optosender und einem Optoempfänger, die an der Außenseite des Gefäßes diametral einan­ der gegenüber angeordnet sind.

Weiterhin sind Neigungssensoren bekannt (US 3 07 516 und P.A. Ja­ pan, Appl. No. 54-173136), deren Lichtanschrankenanordnung einen zentralen Optosender und mehrere außen am Gefäß angeordnete Optoempfänger aufweist, so daß eine Aufwärts- von einer Abwärts­ neigung des Fahrzeugs unterscheidbar ist.

Darüber hinaus ist aus der gattungsbildenden Schrift, P.A. Japan Appl. No. 62-218481, ein Neigungssensor bekannt, bei dem das Ge­ fäß durch einen durchsichtigen Hohlkörper gebildet ist, dessen obere Hohlkörperfläche eine muldenartige Vertiefung aufweist, so daß sich ein annähernd U-förmiger Querschnitt ergibt, wobei der zentrale Optosender von außen in der Vertiefung angeordnet ist.

Die bekannten Neigungssensoren haben den Nachteil, daß sie nicht genügend empfindlich auf geringe Neigungsänderungen ansprechen und daher der kritische Neigungswinkel, ab dem der Neigungssensor anspricht, nicht scharf eingrenzbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen gattungsgemäßen Neigungs­ sensor das Ansprechverhalten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Besondere und vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Neigungssensors,

Fig. 2 den Neigungssensor in Schräglage,

Fig. 3 die Draufsicht eines omnidirektionalen Neigungssensors.

Der erfindungsgemäße Neigungssensor in Fig. 1, 2, 3 setzt sich aus einem die undurchsichtige Flüssigkeit 2 aufnehmenden, als Hohl­ körper ausgebildeten, durchsichtigen Gefäß 1 und einer aus Opto­ sender 4 und Optoempfänger 5a, 5b, . . . gebildeten Lichtschrankenanordnung zusammen. Diese ist mit dem Gefäß 1 starr verbunden und schneidet die Symmetrieachse 3 des Gefäßes 1 im rechten Winkel.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 und dem Stand der Technik besteht in der charakte­ ristischen Ausformung des Gefäßes 1, welches die undurchsich­ tige Flüssigkeit 2 einschließt. Das Gefäß 1 besteht aus einem durchsichtigen Hohlkörper, beispielsweise aus Glas, mit einer Rotations- oder Faltsymmetrie bezüglich der Symmetrieachse 3. In seiner Mitte weist das Gefäß 1 eine muldenartige Vertiefung 6 der oberen Hohlkörperfläche auf, so daß sich ein annähernd U-förmiger Querschnitt ergibt. Dadurch gliedert sich der Innenraum des Gefäßes 1 in eine Wanne 1a, die bei einer waagerechten Lage des Neigungssensors die Flüssigkeit 2 oder zumindest einen großen Teil davon aufnimmt, und ein Steiggefäß 1b im Randbereich des Gefäßes 1, in welchem die Flüssigkeit 2 aufsteigen kann, wenn der Neigungssensor geneigt wird.

In dem Ausführungsbeispiel besteht die Lichtschrankenanordnung aus einem zentralen Optosender 3, der in die Vertiefung 6 des Gefäßes 1 hineinragt, sowie außerhalb des Gefäßes 1 angebrachten Optoempfängern 5a, 5b, . . . Letztere sind auf einer zur Symmetrieachse 3 senkrechten Ebene radial bezüglich des Optosenders 4 so angeordnet, daß jeweils zwei Optoempfänger 5a, 5b sich einander diametral gegenüberstehen und im nicht ge­ neigten Zustand der Strahlengang oberhalb des Flüssigkeits­ spiegels 7 verläuft. Das von dem Optosender 4 nach allen Rich­ tungen gleichmäßig abgestrahlte Licht wird - bei waagerechtem Neigungssensor von der Flüssigkeit 2 unbedämpft - von allen Optoempfängern 5a, 5b, . . . in gleicher Intensität registriert. Daran erkennt eine nachgeschaltete elektronische Auswerte­ schaltung (nicht dargestellt), welche die Signale der Optoempfänger 5a, 5b,. . . auswertet, daß der kritische Nei­ gungswinkel nicht überschritten wurde.

Wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, der erfindungsgemäße Neigungs­ sensor um einen Winkel α geneigt wird, stellt sich der Flüssig­ keitsspiegel 7 neu ein, indem Flüssigkeit aus stärker angeho­ benen Gefäßteilen in weniger angehobene Gefäßteile fließt. Dabei dringt Flüssigkeit 2 aus der Wanne 1a in das Steiggefäß 1b ein. Nach dem physikalischen Prinzip, daß sich in kommuni­ zierenden Gefäßen immer ein gleich hoher Flüssigkeitsstand ein­ stellt, steigt der Flüssigkeitsspiegel 7b in dem Steiggefäß 1b bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels 7a in der Wanne 1a an. Dies gilt jedoch nur, wenn der Einfluß von Kapillarkräften in dem Steiggefäß 1b vernachlässigbar ist.

Die Wirkung der Vertiefung 6 besteht darin, daß sie bei einer Neigung des Gefäßes 1 teilweise in die Flüssigkeit eintaucht, wodurch ein Teil der Flüssigkeit 2 in den gegenüberliegenden Teil des Gefäßes und das Steiggefäß 1b verdrängt wird. So stellt sich ein insgesamt stärkerer Niveauanstieg des Flüssig­ keitsspiegels 7b als bei dem bekannten Neigungssensor ohne Vertiefung 6 ein. In der Nähe eines kritischen Winkels α_c unterbricht die im Steiggefäß 1b aufsteigende Flüssigkeit 2 den Strahlengang einer oder mehrerer Sender-Empfänger-Strecken. Die entsprechenden Photoempfänger 5a empfangen kein Licht mehr und geben ein entsprechendes Signal an die elektronische Auswerteschaltung ab.

Mit der Verstärkung des Niveauanstiegs aufgrund der die Flüs­ sigkeit 2 verdrängenden Vertiefung 6 ist der Neigungswinkelbe­ reich um den kritischen Winkel α_c, innerhalb dessen es zu einer Unterbrechung des Strahlenganges der Lichtschrankenanordnung kommt, schärfer eingegrenzt. Dies stellt eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Neigungssensors dar.

Wenn die Flüssigkeit 2 das Gefäß 1 im nicht geneigten Zustand - anders als bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel - nicht bis zur Vertiefung 6 auffüllt, sondern der Flüssigkeitsspiegel 7 deutlich unterhalb der Vertiefung 6 verläuft, so stellt sich die Empfindlichkeitssteigerung aufgrund der einsetzenden Verdrängung durch die Vertiefung 6 erst ab einem Winkel α′ ein. Dieser Winkel ist der Neigungswinkel, bei dem die Vertiefung 6 in die Flüssigkeit 2 eintaucht.

Darüber hinaus kann die Kapillarwirkung in dem Steiggefäß 1b genutzt werden, um das Ansprechverhalten des Neigungssensors weiter zu verbessern. Dazu muß bei dem erfindungsgemäßen Nei­ gungssensor das Steiggefäß 1b sehr eng ausgeführt und das Ma­ terial des Steiggefäßes 1b und die Flüssigkeit 2 so ausgewählt sein, daß sich eine starke Kapillarattraktion ergibt (benetzende Flüssigkeit). Eine geeignete Kombination ist beispielsweise Glas für das Gefäß 1 und eine Flüssigkeit 2 auf Wasserbasis. Dann steigt die Flüssigkeit 2 aufgrund der Kapillarkräfte über das Niveau in der Wanne 1a hinaus in dem Steiggefäß 1b auf. Im Gleichgewicht wird der Energiegewinn durch die Vergrößerung der Gefäß-Flüssigkeits-Grenzschicht mit dem Verlust durch die Hub­ arbeit kompensiert und es stellt sich eine konstante Steighöhe ein. Bekanntermaßen ist die Steighöhe um so größer, je größer die intermolekularen Kräfte zwischen Flüssigkeit 2 und Gefäß 1 und je kleiner die Wandabstände im Steiggefäß 1b sind.

Da die Kapillarwirkung erst eintritt, wenn die Flüssigkeit 2 in den verengten, kapillaren Teil des Steiggefäßes 1b gelangt, kann durch eine entsprechende Ausbildung der Vertiefung 6 bestimmt werden, bei welchem Winkel α und wie abrupt die Kapil­ larwirkung eintreten soll. Ein scharfer Übergang zwischen Wanne 1a und Steiggefäß 1b beispielsweise bedingt, daß bei dem defi­ nierten Winkel α′, der von dem Flüssigkeitsstand in der Wanne 1a abhängt, eine sofortige Kapillarwirkung mit voller Steighöhe eintritt. Dadurch ergibt sich ein stark nichtlineares Antwort­ verhalten mit Schwellwertcharakter.

Die Lichtschrankenanordnung des erfindungsgemäßen Neigungssen­ sors mit einem zentralen Optosender 4 bietet gegenüber der An­ ordnung des bekannten Neigungssensors den Vorteil, daß auch das Vorzeichen des Neigungswinkels α, also der Neigungssinn durch die nachgeschaltete Auswerteschaltung ermittelt werden kann. Denn bei einer Neigung wie in Fig. 2 dargestellt (z. B. Auf­ wärtsneigung) wird der Strahlengang zum Optoempfänger 5a un­ terbrochen, während bei einer Neigung um den Winkel -α (Ab­ wärtsneigung) der Strahlengang zum Optoempfänger 5b unterbro­ chen werden würde.

Wenn eine Neigung nur in einer Richtung, beispielsweise in Längsrichtung des Fahrzeugs, sensiert werden soll, genügt es, den erfindungsgemäßen Neigungssensor als U-Rohr auszubilden (Faltsymmetrie bezüglich der Symmetrieachse 3) mit einer Licht­ schrankenanordnung, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist.

Für eine omnidirektionale Sensierung kann eine Ausführung an­ gewendet werden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei ist das Gefäß 1 rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 3 aus­ gebildet und die Optoempfänger 5a, 5b, . . . auf einem Kreis um den zentralen Optosender 4 angeordnet. Den Längs-, Quer- und zusätzlich zwei Diagonalrichtungen des Fahrzeugs sind jeweils die Optoempfängerpaare 5a & 5b, 5e & 5f, 5c & 5d, 5g & 5h zugeordnet.

Geeignete, kostengünstige Bauelemente für den Optosender 4 und die Optoempfänger 5a, 5b, . . . sind Leuchtdiode bzw. Phototran­ sistoren. Wenn diese im Infrarotlichtbereich arbeiten, ist die Lichtschrankenanordnung nahezu unempfindlich gegen Fremdlicht. Bei der Wahl der Flüssigkeit 2 ist zu berücksichtigen, daß je dünnflüssiger diese ist (geringe Viskosität), um so schneller der Neigungssensor ansprechen kann, was aber den Nachteil eines von der Fahrzeugbeschleunigung stark beeinflußten Flüssigkeits­ spiegels 7 mit sich bringt. Wird andererseits als Flüssigkeit 2 ein zu dickflüssiges Medium verwendet (hohe Viskosität), so arbeitet das Gerät besonders träge und es wird nur eine länger andauernde Fahrzeugneigung zu einem Ansprechen des Neigungs­ sensors führen.

Claims (4)

1. Neigungssensor für ein Fahrzeug, bestehend aus einem fahrzeug­ festen symmetrischen Gefäß, das als durchsichtiger Hohlkörper ausgebildet ist, wobei das Innere des Hohlkörpers mit einer zu­ mindest annähernd lichtundurchlässigen Flüssigkeit teilweise an­ gefüllt ist und die obere Hohlkörperfläche eine muldenartige Ver­ tiefung aufweist, wodurch sich ein annähernd U-förmiger Quer­ schnitt ergibt, sowie einer aus Optosender und Optoempfänger auf­ gebauten Lichtschrankenanordnung zur Überwachung des Flüssig­ keitsspiegels, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (6) das Gefäß (1) in eine unten liegende Wanne (1a), die im nicht geneigten Zustand die gesamte oder zumindest einen Hauptanteil der Flüssigkeit aufnimmt, und ein verglichen mit der Wanne (1a) enges Steiggefäß (1b) am Gefäßrand gliedert.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler Optosender (4) außerhalb des Hohlkörpers und in der Vertiefung (6) angeordnet ist.

3. Neigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Optoempfänger (5a, 5b) paarweise einander gegenüber, von außen an dem Gefäß (1) und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (7) - im nicht geneigten Zustand - angeordnet sind, und der ein­ zige, zentrale Optosender (4) auf der Symmetrieachse (3) in Höhe der Optoempfänger (5a, 5b, . . .) angeordnet ist, in deren Richtun­ gen er gleichmäßig abstrahlt.

4. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steiggefäß (1b) so ausgebildet und die Flüssigkeit (2) so gewählt ist, daß die Flüssigkeit (2) im Bereich des Steiggefäßes (1b) einer starken Kapillarattraktion unterliegt.