JP2005531758A - 力センサ - Google Patents

Abstract

ホール素子を有する力測定セル（１）を備えた、特に車両シートにおける力を検出するための力センサを提案する。力測定セル（１）は少なくとも１本の曲げビーム（２，３）を有しており、この曲げビームは、検出しようとする力作用に基づいて、磁界の影響を測定セル（１）の磁界感応センサ素子（６）の範囲内に生ぜしめる。センシングは、少なくとも１本の曲げビーム（２，３）に保持されたホール素子（６）によって行われ、このホール素子は曲げビーム（２，３）に作用する力に基づいて、相対的に定置で配置された永久磁石（４）の磁界内で変位可能であり且つ診断磁界をホール素子（６）の範囲内に形成可能であり、診断磁界の磁力線が、測定磁界に影響を及ぼすこと無しに、センサ素子平面内に位置している。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の、特に車両シートにおける力を検出するための力センサであって、該力センサが電気的又は電磁的な作用を利用して、当該力センサに作用する押圧力、引張り力又は曲げ力に対応する電気信号を供給するようになっている形式のものに関する。

機械工学の多くの分野で、装置又はユニットの比較的接近しにくい箇所においても引張り力及び／又は押圧力の正確な規定を可能にしようとする力センサが必要とされる。力測定に対応する電気信号は、引き続く評価プロセス又は制御プロセスのために供与されるのが望ましい。前記のような力センサは、例えば自動車エレクトロニクスの分野において頻繁に使用可能であり、しかも、従来使用された力センサは大抵比較的大型であり、製作過程が比較的高価である。

例えばベルト拘束システム等の、自動車に設けられるいくつかの重要な電子システムのためには、より小型でコンパクトな構造の力センサが必要とされる。まさに力が集中するコンポーネント間の結合箇所では、力センサの構成部材としての力測定ピンが特に重要である。即ち、例えばシート重量力測定及びシートとの結合部で測定されるその分布に関しては、大量生産可能な廉価な力センサが必要とされる。しかしまた、製作技術及び品質測定技術においても、静的に測定する正確な力センサがますます必要とされる。

ＷＯ ００／１６０５４ Ａ１に基づき公知の、車両シートに設けられた運動認識用測定センサでは、シートシェルを取り囲むアッパフレームと、車両底部に場合によっては長さ・高さ調節機構を介して固定されたアンダフレームとの間で、支持部材の弾性変形が測定セルによって検出される。

このような測定セルが、集積回路の接続されたホール素子を有しており、このホール素子を用いて、機械的な変形に基づいて変化された磁界を評価することが可能であるということも自体公知である。確実に機能するために重要な自己診断、例えば極性変化に対する安全性、センサ接続部、別の若干のＩＣ特有の細部のボンディングピンに関する診断は、公知の装置では従来センサ集積回路（センサＩＣ）だけに限定されている。

発明の利点
ホール素子を有する力測定セルを備えた、特に車両シートにおける力を検出するための冒頭で述べた形式の力センサは、有利には測定セルが少なくとも１本の曲げビームを有しており、この曲げビームが、検出しようとする力作用に基づいて磁界の影響を測定セルの磁界感応センサ素子の範囲内に生ぜしめることによって改良されている。この場合、センサ素子は少なくとも１本の曲げビームに保持されたホール素子から成っており、このホール素子は、曲げビームに作用する力に基づいて、相対的に定置で配置された永久磁石の磁界内で変位可能である。有利には、本発明では診断磁界がホール素子の平面内で形成可能であり、診断磁界の磁力線は測定磁界に影響を及ぼすこと無しに、センサ素子の平面内に位置している。

この場合、有利に可能な診断は、極性変化及びその他の短絡に対抗する、ピンの短絡性に関するホール素子内の集積回路の自己診断を凌駕する。全体として、力センサは更に曲げビーム及び永久磁石等の機械的な構成部材も有しているので、これらの構成部材の作動中の機能テストが、本発明によって有利に改良され得る。

このためには、力センサにおいて診断磁界を形成するための付加的なコイルは１つしか必要とされない。このコイルの励磁は、供給電圧に変換された交流電圧信号を介して簡単に行うことが可能である。この場合、制御装置に設けられたダイオードが、コイルを通る電流を防止し、しかも、直列共振回路を形成するためには、キャパシタがコイルに直列に接続されてもよい。このようにして、センサは所要の電圧供給によって作動可能であると同時に、コイルは直流成分無しの交流電圧によって作動可能である。

コイルの磁界によって、永久磁石は交流電圧延いては誘起された磁界の目下の符号に応じて反発するか又は引きつけられる。磁界の方向はホール素子の平面内に位置しており、これにより、ホール素子の感応方向の磁束を変化させない。

力センサ全体は、２つの顕著な機械的な共振周波数を有している。第１の共振周波数は、永久磁石のホルダの機械的な寸法に基づいてのみ得られ、第２の共振周波数は、曲げビームによって規定され且つ第１の共振周波数よりも高い。但しこの場合、両共振周波数はホール素子の測定周波数外に位置している。

コイルが磁石ホルダの共振周波数で励磁されると、磁石ホルダの周期的な変位が得られ、この周期的な変位もやはり、ホール素子（ホールＩＣ）の集積回路の出力信号として測定可能である。このようにして本発明では、付加的な接続部無しで全システムの機能性に関する情報が得られる。例えば測定セルの懸吊部全体が破断した場合は、ストップリミットギャップが閉じて、曲げビームは最早振動不能である。永久磁石がその特性を失うか、又は場合によっては解離した場合も、振動励起は最早不可能である。

コイルを励磁するための交流電圧は、直接マイクロプロセッサのタイミング信号（ここでは集積回路のＣＰＵ）から簡単に導き出すことができる。この場合、コイルの励磁は連続的に行われるか、又は時間制限されたパルスでも行うことができ、この場合は変動が診断に利用される。構造体の共振周波数の点検に関しては、コイル制御用の極めて強力な永久磁石に基づいて僅かなエネルギしか必要とされない。つまり、これにより僅かな電圧及び電流しか必要でなくなる。

まとめると、本発明による共振周波数及び／又は共振振幅の検出に基づいて、完全なセンサ点検のための付加的な診断冗長性が、僅かな手間で且つ付加的な接続部無しで得られる。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、例えば自動車の車両シート（詳しくは説明せず）の重量を検出するための力センサ用の力測定セル若しくは力測定ピン１が示されている。この力測定セル１は２本の曲げビーム２，３を有している。更に、一方の固定的な端部には永久磁石４が、孔にプレス嵌めされた非磁性のピン５によって保持されており且つ曲げビームによって運動される他方の端部にはホール素子６が設けられており、このホール素子６には、曲げビーム２，３の変位に関連した電気的な出力信号を送る集積回路（ホールＩＣ）が接続されている。

永久磁石４とホール素子若しくはホールＩＣ６とを示した図２の詳細図から、診断磁界を形成するための付加的なコイル７が明らかである。このコイル７の励磁は、供給電圧Ｕ＋に変換された交流電圧信号によって行われ、この場合、制御装置内のダイオードＤが、コイル７を直流が通流することを防止する。コイル７によって形成される磁界の磁界方向はホール素子６の平面内に位置しており、これにより、ホール素子６の感応方向の磁束を変化させない。

当該装置の自己診断のためには、例えばコイル７が磁石ホルダ４，５又は曲げビーム２，３の共振周波数で励磁されて、やはりホール素子（ホールＩＣ）６の集積回路の出力信号として測定可能な磁石ホルダ又は曲げビームの周期的な変位が得られ、これにより、当該装置の全ての機能形式が点検され得る。

センサ素子としてホール素子を備えた、自動車の車両シートのための力測定セルの断面図である。

診断磁界を形成するためのコイルを備えたホール力センサの詳細な断面図である。

Claims (10)

1. ホール素子を有する力測定セル（１）を備えた力センサにおいて、
   イ）力測定セル（１）が、少なくとも１本の曲げビーム（２，３）を有しており、この曲げビームが、検出しようとする力作用に基づいて磁界の影響を力測定セル（１）の磁界感応センサ素子（６）の範囲内に生ぜしめ、
   ロ）センサ素子が、少なくとも１本の曲げビーム（２，３）に保持されたホール素子（６）から成っており、該ホール素子が、曲げビーム（２，３）に作用する力に基づいて、相対的に定置で配置された永久磁石（４）の磁界内で変位可能であり、
   ハ）診断磁界がホール素子（６）の範囲内で形成可能であり、診断磁界の磁力線が、測定磁界に影響を及ぼすこと無くホール素子（６）の平面内に位置していることを特徴とする、力センサ。
2. 診断磁界が、周波数がセンサ素子（６）の測定周波数外に位置しており且つ測定セル（１）の機械的な構成の少なくとも１つの共振周波数を有する交流磁界である、請求項１記載の力センサ。
3. 第１の共振周波数が、永久磁石（４）のホルダの機械的な寸法によって規定されている、請求項２記載の力センサ。
4. 第２の共振周波数が、測定セル（１）の曲げビーム（２，３）の機械的な寸法によって規定されている、請求項２又は３記載の力センサ。
5. 診断磁界を形成するためのコイル（７）が、ホール素子（６）の平面内で該ホール素子（６）を取り囲んでいる、請求項１から４までのいずれか１項記載の力センサ。
6. コイル（７）の電圧供給が、ホール素子（６）の供給電圧に変換された交流電圧によって行われ、コイル（７）用の供給線路にダイオード（Ｄ）又はキャパシタが直列に接続されている、請求項５記載の力センサ。
7. 前記の変換された交流電圧が、ホール素子（６）の集積回路のマイクロプロセッサのタイミング信号から導き出されている、請求項６記載の力センサ。
8. 交流電圧が連続的に印加されている、請求項７記載の力センサ。
9. 交流電圧が時間制限されたパルスで印加されており、交流電圧の変動が診断に利用可能である、請求項７記載の力センサ。
10. 力測定セル（１）が、自動車の車両シートにおける力を検出するために使用される、請求項１から９までのいずれか１項記載の力センサ。

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