EP1535032A1 - Vorrichtung zur gewichtsmessung in einem fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur gewichtsmessung in einem fahrzeug

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EP1535032A1
EP1535032A1 EP03709650A EP03709650A EP1535032A1 EP 1535032 A1 EP1535032 A1 EP 1535032A1 EP 03709650 A EP03709650 A EP 03709650A EP 03709650 A EP03709650 A EP 03709650A EP 1535032 A1 EP1535032 A1 EP 1535032A1
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EP
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seat
ultrasound probe
vehicle
transit time
force
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EP03709650A
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English (en)
French (fr)
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Michael Munz
Frank Fischer
Gottfried Flik
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • B60R21/01516—Passenger detection systems using force or pressure sensing means
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    • B60R21/01516—Passenger detection systems using force or pressure sensing means
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    • B60R21/01512—Passenger detection systems
    • B60R21/0153—Passenger detection systems using field detection presence sensors
    • B60R21/01536—Passenger detection systems using field detection presence sensors using ultrasonic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
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    • G01G19/414—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only
    • G01G19/4142—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only for controlling activation of safety devices, e.g. airbag systems
    • G—PHYSICS
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    • G01G9/00—Methods of, or apparatus for, the determination of weight, not provided for in groups G01G1/00 - G01G7/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a device for weight measurement in a falirzeug according to the type of the independent claim.
  • a device for weight measurement in a vehicle is known from DE 199 48 045 A1, the weight being determined by means of strain gauges via the strain of the strain gauge.
  • the device according to the invention for weight measurement in a vehicle with the features of the independent claim has the advantage that the elongation and thus the weight is now determined by means of a transit time measurement, but not by a change in electrical quantities, as in a strain gauge, but by Runtime differences, which are preferably determined using ultrasound pulses. Probes with a small size can be used to measure the transit time. It is still possible to measure the force distribution. The evaluation can be designed robustly.
  • the sensor system uses mechanical waves to measure the transit time. Mechanical waves can spread in particular on solids, but also in liquids or gases and are reflected on separating layers and thus allow easy determination of the elongation over time differences.
  • ultrasonic waves in particular are used as the mechanical waves.
  • Ultrasonic waves enable a particularly sensitive measurement of small elastic strains. Steel bodies, in particular, can thus be measured particularly precisely with regard to their elongation.
  • the pulse-echo method is preferably used for this.
  • the ultrasound frequencies are generated, for example, in a range around 15 MHz in order to then be coupled into the expansion element.
  • the wave propagates longitudinally and transversely and is reflected, for example, from the end face of the expansion element.
  • the difference in transit time between transmitted and received pulses is measured, hence the pulse-echo method.
  • the pulse rate is between
  • the change in the transit time difference is the measure for the elongation of the screw and thus for the weight that is measured.
  • an ultrasound probe is provided on the vehicle seat for this purpose, which can be mechanically coupled to a seat element, so that the weight is transferred to the ultrasound probe and causes the ultrasound probe to expand. This stretch can be done by bending or torsion.
  • the ultrasound probe can preferably be arranged in a seat anchor.
  • the seat element can at least partially form the seat surface or the backrest.
  • FIG. 1 is a schematic illustration which shows the transmission of the seat force to an elongation of an ultrasound probe 2 shows a second representation that describes the transmission of the seat force to torsion of an ultrasound probe and FIG. 3 shows a second representation that shows the transmission of the seat force to torsion of an ultrasound probe in a top view, that is to say in the direction of the force effect.
  • sensors are used to determine the seat force on the individual seats. So far
  • a component made of steel with an integrated ultrasound transmitter is preferably used as the expansion element.
  • a piezoelectric layer, for example made of zinc oxide, aluminum nitride or PZT, is applied to the expansion element as an elastic body.
  • a metal layer is applied to the piezoelectric layer, for example structured with shadow masks or with photolithography, which serves as an electrode.
  • a mechanical wave (ultrasound) is thereby coupled into the expansion element.
  • the wave propagates in the expansion element, specifically as a longitudinal and transverse wave, and is reflected, for example, from the end face of the expansion element.
  • the runtime difference between is measured emitted and received pulses, that is the pulse-echo method, whereby a pulse frequency of approx. 500 to 5000 Hz is used.
  • the change in the transit time difference is a measure of an expansion of the expansion element and thus of the weight that was applied to the seat.
  • FIG. 1 shows schematically the transmission of the seat force to an elongation of an ultrasound probe.
  • the seat force F is applied centrally to a seat element 1.
  • An ultrasound probe 2 is provided under the seat element 1 and also has, for example, lateral reflector notches.
  • This ultrasonic probe 2 is coupled to the seat element 1 via a mechanical coupling 3.
  • the ultrasound probe 2 is held at its other end by means of a mechanical suspension, that is to say a fixed bearing, with electrical control of the ultrasound probe.
  • the ultrasound probe 2 can be firmly clamped at several points.
  • the seat force F is transmitted to the ultrasound probe 2 via the mechanically non-positive connection 3.
  • the ultrasound probe 2 is stretched or compressed by bending.
  • the ultrasound probe 2 thus serves as an expansion element.
  • the uniaxial bend in the direction of the force F can be evaluated using the pulse-echo method, as shown above. To do this, ultrasound pulses from one
  • Ultrasound transmitter generated and coupled into the ultrasound probe 2 which is preferably made of steel.
  • the transit time difference between the injected and received pulses is measured.
  • the length of the probe can be measured via this runtime difference and thus also the elongation in comparison to the normal length.
  • the runtime measurement is carried out here at 15 MHz.
  • a pulse repetition frequency of 1 KHz can be used.
  • a range of 500 to 5 kHz is conceivable.
  • Accurate transit time measurements can be determined to 100 picoseconds.
  • the electrical control 5 has a plausibility algorithm which ensures that 500 of 1000 measured values are transmitted to the control system in an accurate and error-free manner.
  • FIG. 2 shows a further illustration in which the seating force F is caused by a torsion of the
  • Coupling 13 is provided between the seat element 1 and the ultrasound probe 2.
  • a mechanical guide 14 at the other end of the torsion Ultrasound probe necessary.
  • the mechanical coupling between the ultrasound probe 2 and the seat element 1 is designed here in a type of cross member, so that the force F leads to a rotating movement on the ultrasound probe 2 via the mechanical coupling 3, to which the mechanical guide 14 contributes.
  • FIG. 3 now shows a top view of how the arrangement for transmitting the seating force to a torsion of the ultrasound probe 2 is arranged.
  • the top view shows the arrangement in the direction of the force.
  • the seat force F is shown accordingly, the torsion axis being indicated by L and L '.
  • An axle bearing 6 around the ultrasound probe 2 as well as the mechanical coupling 13 and the mechanical guide 14 are necessary for converting the force acting on a torsion on the ultrasound probe.
  • a mechanical clamping 15 with electrical tensioning of the ultrasound probe 2 is also necessary for this torsion probe.
  • the distribution of the seat force over the seat surface or the backrest can be measured using locally attached ultrasound probes.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug vorgeschlagen, die ein Dehnungselement (2) aufweist, das sich unter dem Einfluss des Gewichts dehnt und eine Sensorik vorhanden ist, die durch eine Laufzeitmessung die Dehnung bestimmt. Zur Laufzeitmessung werden vorzugsweise Ultraschallpulse verwendet.

Description

Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Falirzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus DE 199 48 045 AI ist eine Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug bekannt, wobei mittels Deh mess-Streifen das Gewicht über die Dehnung des Dehnmess- Streifens ermittelt wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nun mittels einer Laufzeitmessung die Dehnung und damit das Gewicht bestimmt wird, aber nicht durch eine Änderung elektrischer Größen, wie bei einem Dehnungsmess-Streifen, sondern durch Laufzeitunterschiede, die vorzugsweise mittels Ultraschallpulsen ermittelt werden. Zur Laufzeitmessung können Sonden mit einer geringen Baugröße verwendet werden. Es ist weiterhin eine Messung der Kraftverteilung möglich. Die Auswertung ist robust gestaltbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und insbesondere das
Sensormessprinzip sind selbsttestfähig und kostengünstig.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Sensorik zur Laufzeitmessung mechanische Wellen verwendet. Mechanische Wellen können sich insbesondere auf Festkörpern, aber auch in Flüssigkeiten oder in Gasen ausbreiten und werden an Trennschichten reflektiert und ermöglichen somit eine einfache Bestimmung der Dehnung über Laufzeitunterschiede.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass als die mechanischen Wellen dabei insbesondere Ultraschallwellen verwendet werden. Ultraschallwellen ermöglichen eine besonders empfindliche Messung von kleinen elastischen Dehnungen. Vorzugsweise Stahlkörper können damit in Bezug auf ihre Dehnung besonders genau vermessen werden. Vorzugsweise wird dafür die Puls-Echo-Methode verwendet. Die Ultraschallfrequenzen werden beispielsweise in einem Bereich um 15 MHz erzeugt, um dann in das Dehnungselement eingekoppelt zu werden. Dabei breitet sich die Welle longitudinal und transversal aus und wird beispielsweise von der Endfläche des Dehnungselements reflektiert. Gemessen wird der Laufzeitunterschied zwischen ausgesandten und empfangenen Pulsen, daher Puls-Echo-Methode. Die Pulsfrequenz wird dabei zwischen
500 und 5000 Hz liegen. Die Änderung des Laufzeitunterschiedes ist das Maß für die Dehnung der Schraube und damit für das Gewicht, das gemessen wird.
Zur Ultraschallmessung wird dafür am Fahrzeugsitz eine Ultraschallsonde vorgesehen, die mechanisch mit einem Sitzelement koppelbar ist, so dass die Gewichtskraft sich auf die Ultraschallsonde überträgt und die Dehnung der Ultraschallsonde hervorruft. Diese Dehnung kann durch Biegung oder Torsion erfolgen. Die Ultraschallsonde kann dabei vorzugsweise in einer Sitzverankerung angeordnet sein. Das Sitzelement kann dabei wenigstens teilweise die Sitzfläche oder die Rücklehne bilden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung, die die Übertragung der Sitzkraft auf eine Dehnung einer Ultraschallsonde darstellt, Figur 2 eine zweite Darstellung, die die Übertragung der Sitzkraft auf Torsion einer Ultraschallsonde beschreibt und Figur 3 eine zweite Darstellung, die die Übertragung der Sitzkraft auf Torsion einer Ultraschallsonde in Draufsicht, also in Richtung der Krafteinwirkung, zeigt.
Beschreibung
Zur Bestimmung der Sitzplatzbelegung in Fahrzeugen werden Sensoren eingesetzt, mit denen die Sitzkraft auf den einzelnen Sitzplätzen ermittelt wird. Hierfür werden bisher
Sensoren auf der Basis von Dehnungsmess-Streifen eingesetzt. Weiterhin sind Sitzmattensensoren bekannt, wobei jedoch immer eine Änderung elektrischer Größen in eine Dehnung umgesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, diese Dehnung durch Laufzeitunterschiede, vorzugsweise über Ultraschallpulse vermessen, zu ermitteln. Dies führt zu einer robusten Messmethode, die Selbsttestfähig ist, eine einfache Vermessung der Kraftverteilung ermöglicht und mit Sonden von geringer Baugröße auskommt.
Dafür ist eine Sensorik erforderlich, die eine elastische Dehnung empfindlich messen kann. Als Dehnungselement kommt dabei vorzugsweise eine Komponente aus Stahl mit einem integrierten Ultraschallsender in Frage. Dabei wird auf das Dehnungselement als einem elastischen Körper eine piezoelektrische Schicht, beispielsweise aus Zinkoxid, Aluminiumnitrid oder PZT aufgebracht. Die Abscheidung erfolgt mit physikalischen Verfahren, wie beispielsweise aus einem Plasma-Gasphasenabscheidung (PVD=Plasma
Vapour Deposition). Auf der piezoelektrischen Schicht wird eine Metallschicht aufgebracht, beispielsweise mit Schattenmasken bzw. mit Fotolithografie strukturiert, die als Elektrode dient.
Zur Messung der Dehnung des Dehnungselements wird eine Hochfrequenz im
Frequenzbereich um 15 MHz über den Metallkontakt in die piezoelektrische Schicht gekoppelt. Dadurch wird eine mechanische Welle (Ultraschall) in das Dehnungselement eingekoppelt. Die Welle breitet sich im Dehnungselement aus, und zwar als Longitudinal- und Transversalwelle und wird beispielsweise von der Endfläche des Dehnungselements reflektiert. Gemessen wird der Laufzeitunterschied zwischen ausgesandten und empfangenen Pulsen, das ist die Puls-Echo-Methode, wobei eine Pulsfrequenz von ca. 500 bis 5000 Hz verwendet wird. Die Änderung des Laufzeitunterschieds ist ein Maß für eine Dehnung des Dehnungselements und damit für das Gewicht, das auf den Sitz aufgebracht wurde.
Figur 1 zeigt schematisch die Übertragung der Sitzkraft auf eine Dehnung einer Ultraschallsonde. Die Sitzkraft F wird hier mittig auf ein Sitzelement 1 aufgebracht. Unter dem Sitzelement 1 ist eine Ultraschallsonde 2 vorgesehen, die beispielsweise auch seitliche Reflektorkerben aufweist. Diese Ultraschallsonde 2 ist über eine mechanische Kopplung 3 mit dem Sitzelement 1 gekoppelt. Weiterhin ist die Ultraschallsonde 2 über eine mechanische Aufhängung, also ein Festlager, mit einer elektrischen Ansteuerung der Ultraschallsonde an ihrem anderen Ende festgehalten. Alternativ ist es möglich, auch im Bereich 5 der Ultraschallsonde 2 eine elektrische Ansteuerung vorzusehen. Weiterhin ist es möglich, dass die Ultraschallsonde 2 an mehreren Stellen fest eingespannt sein kann.
Die Sitzkraft F wird über die mechanisch kraftschlüssige Verbindung 3 an die Ultraschallsonde 2 weitergeleitet. Die Ultraschallsonde 2 wird durch Biegung gedehnt bzw. gestaucht. Die Ultraschallsonde 2 dient damit als Dehnungselement. Die einachsige Biegung in Richtung der Kraft F kann mittels der Puls-Echo-Methode, wie oben dargestellt, ausgewertet werden. Dazu werden Ultraschallpulse von einem
Ultraschallsender erzeugt und in die Ultraschallsonde 2, die vorzugsweise aus Stahl ausgebildet ist, eingekoppelt. Der Laufzeitunterschied zwischen den eingekoppelten und empfangenen Pulsen wird gemessen. Über diesen Laufzeitunterschied ist die Länge der Sonde messbar und damit auch die Dehnung im Vergleich zur normalen Länge. Die Laufzeitmessung wird hier bei 15 MHz durchgeführt. Dabei kann eine Pulsfolgefrequenz von 1 KHz verwendet werden. Ein Bereich von 500 bis 5 KHz ist dabei denkbar. Dabei können auf 100 Picosekunden genaue Laufzeitmesswerte ermittelt werden. Die elektrische Ansteuerung 5 weist einen Plausibilitätsalgorithmus auf, der gewährleistet, dass von 1000 gemessenen Werten 500 genaue und fehlerfreie Werte an die Steuerung übertragen werden.
Figur 2 zeigt eine weitere Darstellung, in der die Sitzkraft F auf eine Torsion der
Ultraschallsonde 2 übertragen wird. Dazu ist einerseits eine andere mechanische
Kopplung 13 zwischen dem Sitzelement 1 und der Ultraschallsonde 2 vorgesehen. Darüber hinaus ist für die Torsion eine mechanische Führung 14 am anderen Ende der Ultraschallsonde notwendig. Die mechanische Kopplung zwischen der Ultraschallsonde 2 und dem Sitzelement 1 ist hier in einer Art Querträger ausgebildet, so dass die Kraft F über die mechanische Kopplung 3 zu einer drehenden Bewegung auf die Ultraschallsonde 2 führt, wozu die mechanische Führung 14 beiträgt.
Figur 3 zeigt nun in einer Draufsicht, wie die Anordnung zur Übertragung der Sitzkraft auf eine Torsion der Ultraschallsonde 2 angeordnet ist. Die Draufsicht zeigt die Anordnung in Richtung der Krafteinwirkung. Die Sitzkraft F ist entsprechend dargestellt, wobei die Torsionsachse durch L und L' angegeben ist. Ein Achslager 6 um die Ultraschallsonde 2 sowie die mechanische Kopplung 13 und die mechanische Führung 14 sind für die Umsetzung der Krafteinwirkung auf eine Torsion auf die Ultraschallsonde notwendig. Eine mechanische Einspannung 15 mit einer elektrischen Anspannung der Ultraschallsonde 2 ist ebenfalls für diese Torsionssonde notwendig.
Es bestehen prinzipiell weitere Möglichkeiten, die Sitzkraft F in eine Dehnung einer
Ultraschallsonde umzusetzen. Durch lokal angebrachte Ultraschallsonden kann prinzipiell die Verteilung der Sitzkraft über der Sitzfläche bzw. der Rückenlehne gemessen werden. Es besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, die Ultraschallsonde 2 direkt in die Sitzverankerung zu integrieren.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Gewichtsmessung in einem Fahrzeug, wobei ein Dehnungselement (2) vorgesehen ist, das sich unter dem Einfluss des Gewichts dehnt und eine Sensorik (5) vorhanden ist, die durch eine Laufzeitmessung die Dehnung bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) mechanische Wellen zur Laufzeitmessung verwendet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Wellen im Ultraschallbereich erzeugt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) zur Laufzeitmessung die Puls-Echo-Methode verwendet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Fahrzeugsitz eine Ultraschallsonde (2) als Dehnungselement vorgesehen ist, die mechanisch mit dem
Sitzelement (1) koppelbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonde (2) durch Biegung oder Torsion dehnbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonde (2) in einer Sitzverankerung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sitzelement (2) die Sitzfläche oder die Rückenlehne zumindest teilweise bildet.
EP03709650A 2002-07-17 2003-02-25 Vorrichtung zur gewichtsmessung in einem fahrzeug Ceased EP1535032A1 (de)

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