MXPA01001265A - Ensmable detector de fuerza - Google Patents

Abstract

Un ensamble detector de fuerza (20) tiene un cuerpo sellado (34) rellenado con un líquido o gel (53). Un transductor de presión junto con un circuito integrado de soporte (66) esta colocado para responder a la presión del líquido o gel. Se aplican cargas al transductor de presión a través del gel mediante un pistín que se dezplaza dentro del cuerpo. las cargas compresivas se transforman por tanto en una presión sobre el detector y sus componentes electrónicos de soporte, dando como resultado un detector de bajo costo, preciso y duradero. El detector funciona adecuadamente para cargas relativamente pequeñas de menos de algunos cientos de kilogramos.

Description

ENSAMBLE DETECTOR DE FUERZA La presente invención se refiere a ensambles detectores de fuerza y transductores de presión en general y a detectores utilizados en la determinación del peso de un ocupante de asiento en un automóvil en particular. La determinación del peso de un ocupante de un vehículo automotriz permite que el peso del ocupante de un asiento particular dentro de un vehículo automotriz sea utilizado como una variable por un sistema lógico de bolsa de aire que decide como y cuando desplegar o no una bolsa de aire. Un enfoque para determinar el peso del ocupante de un asiento de automóvil es colocar los ensambles detectores de fuerza en la trayectoria de carga entre el acojinamiento del asiento y la estructura del asiento u otra estructura de asiento. Los ensambles detectores de fuerza que emplean sensores piezoeléctricos o indicadores de tensión son bien conocidos. Sin embargo, un detector de carga para uso en un automóvil tiene requerimientos únicos. En primer lugar, las cargas que se van a medir son relativamente bajas comparadas con las configuraciones de ensamble detector de fuerza típicos. En segundo lugar, los detectores deben operaran durante un largo periodo, de diez o más años, sin ajuste o mantenimiento. Los detectores deben ser de bajo costo, aunque deben lograr una alta confiabilidad y sensibilidad razonable. Los detectores de presión micromaquinados en base a silicio son bien conocidos y pueden integrarse fácilmente con circuitos para monitorear y calibrar un detector de presión. Tales detectores en base a silicio pueden tener el costo bajo necesario y la autocalibración y prueba necesaria para trabajar durante el periodo prolongado y en ambientes extremos a los cuales son sometidos los interiores de los automóviles. Sin embargo, la integración de dicho detector en un paquete que puede ser colocado en la trayectoria de carga de un asiento de automóvil y que pueda utilizarse para medir el peso del ocupante presenta un serio problema. 10 Lo que se necesita es un ensamble detector de fuerza para medir el peso de un ocupante de un automóvil que sea de bajo costo, duradero y capaz de autoprueba y calibración. Tal detector de fuerza está establecido en la reivindicación anexa 1.

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una vista en sección transversal del ensamble detector de fuerza de esta invención. La Figura 2 es una vista en perspectiva del ensamble detector de fuerza de la Figura 1. 20 La Figura 3 es una vista isométrica despiezada del ensamble detector de fuerza de la Figura 1. La Figura 4 es una vista en sección transversal de una modalidad alternativa de un ensamble sensor de fuerza de esta invención. 25 La Figura 5 es una vista isométrica despieza del M**t* ~. *mi*ta m>-^,?*~*^*M^^ - JW*Cto*pMÉirfi'*" i i - 1 - r f filtfffiíliM í ensamble detector de fuerza de la Figura 4. La Figura 6 es una vista en sección transversal de un ensamble detector de fuerza de una modalidad adicional de la Figura 1. La Figura 7 es una vista isométrica despieza del ensamble detector de fuerza de la Figura 6. La Figura 8 es una vista en sección transversal de un asiento de vehículo que utiliza el ensamble detector de fuerza de la Figura 1 para medir el peso de un ocupante.

Descripción Detallada de la Invención Haciendo referencias a las Figuras 1-8 en donde números similares se refieren a partes similares, un ensamble detector de fuerza 20 se muestra en la Figura. Como se muestra en la Figura 8, el ensamble detector de fuerza 20 está instalado en un asiento de vehículo 22. El asiento tiene un acojinamiento 24 con una cubierta 26 que se extiende sobre un acojinamiento de espuma interno 20 sostenido sobre un borde reforzado de resorte 30. El borde reforzado de resorte está montado de manera que es sostenido sobre un depósito de asiento 32 mediante 4 ensambles detectores de fuerza 20. El depósito de asiento 32 está sujetado con pernos a una estructura de asiento 33 que puede ser ensamblada con un vehículo (no mostrado). Sustancialmente toda la carga producida por el peso de un ocupante sobre el acojinamiento del asiento 24 es transmitida hacia el depósito de asiento 32 a través de los 4 ensambles detectores de fuerza 20 como se describe de manera más completa en el documento US 5810 392. Como se muestra en las Figuras 1-3, el ensamble detector de fuerza 20 tiene un cuerpo metálico 20 con una pestaña 36 5 utilizada en el montaje del ensamble detector de fuerza a un depósito de asiento. Una ranura circunferencial 38 cerca de la base 40 del cuerpo de ensamble detector de fuerza proporciona un conector de acoplamiento que acopla la ranura circunferencial 38 para retener y asegurar el ensamble detector de fuerza. Un émbolo metálico 42 está colocado dentro de una cavidad 44 formada dentro del cuerpo 34 hacia dentro de la pestaña 36. El émbolo metálico 42 está unido a un sello elastomérico deformable 46, preferiblemente de hule, el cual actúa como un diafragma que se extiende a través de la cavidad 44. El sello elastomérico que funciona como una diafragma está fijado en su lugar con respecto al cuerpo 34 mediante una porción periférica del sello elastomérico que llena una ranura circunferencial 48 formada en el interior de la cavidad 44. Una porción del cuerpo 34 forma un disco 50 que se extiende a través de la cavidad cilindrica 44. Un recipiente 52 es formado entre el disco 50 y el sello de hule 46. El recipiente es llenado con un gel de silicón 53 que funciona de manera similar a un líquido en tanto que el gel 53 transmite presión aunque no fuerzas cortantes y esencialmente no es comprimible. El sello elastomérico deformable evita el derrame del gel y el contacto directo del gel y el émbolo. 25 Un detector de presión micromaquinado 54 del tipo general descrito en el documento US 4 609 966 esta montado en la superficie superior del disco 50. Los transductores de presión micromaquinados emplean las técnicas desarrolladas para producción en masa de circuitos integrados para fabricar microdetectores. Esas técnicas permiten la manufactura repetible de detectores de alta precisión. Además, es posible y en ocasiones deseable fabricar algunos dispositivos electrónicos sobre el sustrato en el que se forma el microdetector. Los componentes electrónicos cofabricados pueden amplificar o procesar la salida del detector. Formando un transductor de presión mediante un capacitor creado entre una membrana flexible y una cavidad de vacío, como se sugiere en el documento US 4 609 966, se ha encontrado que es un enfoque efectivo para medir la presión. Si, a manera de ejemplo, la carga máxima para un transductor de carga individual 20 es de aproximadamente 91 kg, y si el émbolo 42 tiene un área de base 58 de aproximadamente 100 mm2, la presión en el gel 53 será de aproximadamente 91 kg/cm2. Los microtransductores típicos tienen área desde aproximadamente 0.01 hasta aproximadamente 1 milímetro cuadrado y por tanto el ensamble detector de fuerza 20 convierte una carga de 91 kg a una carga de 91 a 9 gms que es la que se mide realmente. Esta es la función primaria del ensamble detector de fuerza: Tomar la carga grande real producida por el ocupante de un asiento y reducirla en escala a un nivel donde las ventajas de costo y confiabilidad de la tecnología de circuitos integrados puede utilizarse para medir la carga.

Como se muestra en la Figura 1, una pluralidad de cables conductores 60 se extienden a través de los orificios 62 penetrando el disco 50 alrededor del borde circunferencial del disco. Un sello vitreo aislante hermético 64 se forma entre el disco y los cables 5 conductores. Un circuito integrado 66 también está unido a la superficie superior 56 del disco 50. Las técnicas de unión de cable de oro desarrolladas para conectar circuitos integrados a sus paquetes de circuito se usan para conectar el detector de presión micromaquinado 50 con el circuito integrado 66 y para conectar el detector de presión 54 y el circuito integrado a los cables conductores 60. El circuito integrado puede ejecutar un número de funciones. Convierte la salida de capacitancia de la detección, en una señal de voltaje y proporciona los medios para ajustar el punto cero y el factor de escala del detector. El circuito integrado puede compensar la alinealidad del detector proporcionando una linealización fija o ajustable del voltaje. El control lógico y los algoritmos intercalados y la compensación de temperatura pueden implementarse también mediante el circuito integrado. El circuito integrado puede incorporar un convertidor de analógico a digital y el valor digital puede ser transmitido por el circuito integrado o el circuito integrado simplemente puede procesar los datos utilizando una tabla de búsqueda o un algoritmo y transmitiendo una orden al controlador del sistema de seguridad (no mostrado). El circuito integrado podría también crear criterios de tolerancia mediante la apertura o cierre de un circuito. Un ensamble detector de fuerza simple puede usarse para una amplia gama de aplicaciones, cambiando el programa del circuito integrado 66. Se comprenderá que el circuito integrado puede incorporar un microprocesador, un convertidor A/D, un detector de temperatura, EEPROM, ROM y otros dispositivos. El cuerpo de detector de carga 34 está construido como una parte de máquina roscadora o moldeada por inyección de metal (MIM), típicamente de acero inoxidable. Los cables conductores son colocados entonces y el vidrio fundido entre el conductor y el disco 50. El circuito integrado 66 y el detector 54 se unen a la superficie superior 56 del disco 50. La unión de conductor con punta de oro se utiliza para conectar el circuito integrado y el detector entre sí y a los cables conductores. El gel de s 11 icón 53 es surtido y curado en el lugar. El sello de hule 46 se forma surtiendo una sustancia elastomérica y curándola en el lugar o alternativamente puede utilizarse en su lugar un diagrama preformado. Finalmente, el émbolo metálico 42 es unido al sello de hule 46. Un pequeño espacio formado entre el émbolo 42 y la cavidad cilindrica 44 permite moverlo libremente hacia abajo contra el sello de hule 46. El sello de hule se forma de un material elastomérico suave de manera que no soporta una porción significativa de la carga que es aplicada al émbolo. La ranura circunferencial 48 es llenada con el hule que forma el sello 46 y proporciona por tanto un sello completo del recipiente 52 formado entre el disco 50 y el sello de hule 46. El émbolo 42 se flexiona muy poco debido a la capacidad -^^^^^^^^^^^^^^¡iÉ limitada del sello de hule 46 y el gel de silicón 53 para comprimirse.

Esta rigidez del ensamble detector de fuerza reduce al mínimo el efecto de incorporar el ensamble del detector de fuerza dentro de un asiento de vehículo en términos de la rigidez estructural y la sensibilidad del asiento. En una modalidad alternativa, un ensamble de detector de fuerza 68, mostrada en las Figuras 4 y 5, tiene un émbolo 71 retenido positivamente dentro de una cavidad 73 dentro del cuerpo de ensamble detector de fuerza 70 mediante un borde que se proyecta hacia dentro 72. Una pestaña que se proyecta hacia fuera 74 acopla con el depósito de asientos 32, como se muestra en la Figura 8. Una junta de silicón elastomérica 76 formada como un sombrero, está colocada debajo del émbolo cautivo 71 y tiene una pestaña periférica 78 (el ala del sello en forma de sombrero) que ajusta dentro de una ranura 80 en el cuerpo 70. La junta de silicón elastomérica funciona como un diafragma interpuesto interpuesto entre el émbolo y el gel y esta finada en su lugar con respecto al cuerpo de manera que no flota libre sobre el gel. La pestaña periférica 78 proporciona una superficie de sellado 82 que acopla un tablero de circuito impreso en forma de disco 84 y evita también el contacto directo del émbolo y el gel. Los cables conductores eléctricos 86 se extienden a través del tablero de circuito impreso 84 y están unidos en la forma convencional, típicamente mediante soldadura. m^,^g Un detector de presión 88 y un circuito integrado 90 están montados sobre el tablero de circuito impreso 84. La tecnología de montaje de superficie y los trazos de circuito dentro del tablero 84 se pueden utilizar para conectar el circuito integrado 90 y el detector de 5 presión 88 a los cables conductores 86. Alternativamente, la unión de cable con punta de oro, como se describió con respecto al ensamble detector de fuerza 20 de la Figura 1 también pueden emplearse. El tablero de circuito 84 se mantiene comprimido contra la superficie de sellado 82 mediante un anillo 92. El anillo tiene una ranura 94 que permite que el anillo sea comprimido y ajuste dentro de una ranura de cuerpo interno 96 de diámetro ligeramente menor que la ranura 80 que acopla la pestaña periférica 78 de la junta de silicón 76. Una cantidad de gel de silicón 98 llena la cavidad creada entre el tablero de circuito y la junta de silicón 76. Las funciones y capacidades del ensamble detector de fuerza 68 son similares al del ensamble detector de fuerza 20. Durante el ensamble, el embolo 71 es insertado dentro de la cavidad 73, la junta 76 es colocada contra el émbolo 71 y llenada con gel 98 y el tablero de circuito 84 ensambla con el sensor 88, el circuito integrado 90 y los cables conductores 86 son colocados después dentro de la cavidad y retenidos mediante el anillo. Otro ensamble de detector de fuerza de modalidad alternativa 100 se muestra en las Figuras 6 y 7. El ensamble detector de fuerza 100 tiene un cuerpo rígido 102, preferiblemente metálico, ^fe^UWM ^W^ con una cavidad cilindrica central 104 que está terminada mediante un disco metálico interno 106. El disco metálico 106 es similar al disco 50 de la Figura 1. Un detector de presión 108 y un circuito integrado 110 son montados a la superficie superior 112 del disco 106. Los cables conductores eléctricos 114 son montados mediante sellos vitreos aislantes 116 similares a aquellos empleados en el ensamble detector de fuerza 20. La cavidad 104 es sellada herméticamente mediante un diafragma metálico 118 que es soldado con láser a la superficie del borde superior 120. Es una característica distintiva de los ensambles detectores de fuerza de la presente invención que el o los bordes del diafragma sean fijados en su lugar con respecto al cuerpo que evita que el diafragma este flotando libre sobre la superficie del gel. El diafragma metálico 118 tiene una ranura circunferencial 122 para incrementar la habilidad del diafragma para flexionarse libremente hacia abajo hacia el detector de presión 108. En los casos en donde la carga del diafragma es baja puede no requerirse una ranura circunferencial. Un émbolo 124 está colocado sobre el diafragma 118 de manera que una carga colocada sobre el émbolo 124 es transferida ai diafragma 118. En tanto que los bordes del diafragma son fijados al cuerpo el émbolo de los ensambles del detector de fuerza de la presente invención no es capaz de hacer contacto directamente con el gel. El émbolo 124 tiene una pestaña 126 acoplada mediante una tapa de retención 128 que coloca el émbolo 124 sobre el diafragma 118. La tapa de retención 128 tiene un orificio a través del cual se extiende el émbolo 124. La tapa de retención 128 tiene una porción de manguito cilindrico 130 que está colocada concéntrica con y que se sobrepone a una superficie circunferencial externa 132 formada por el cuerpo 102. La superficie circunferencial externa 132 define una ranura circunferencial 134 dentro de la cual las porciones de manguito cilindricas 130 de la tapa de retención 128 son plegadas. Un cable conductor hueco 136 que se extiende a través del disco 106 permite que el gel de silicón 138 sea rellenado al vacío en la cavidad formada entre el diafragma 118 y el disco 106. El rellenado al vacío se logra extrayendo un vacío sobre el cable conductor hueco 136 seguido por el rellenado con gel de silicón catalizado pero no curado. Una vez que la cámara de presión es llenada con gel de silicón libre de aire y de burbujas, el tubo lleno 136 es plegado y soldado. Un borde 140 formado sobre el exterior del cuerpo 102 acopla el depósito de asiento 32. Debe comprenderse que el tablero de circuito impreso 84 puede ser de una construcción convencional o puede construirse de un sustrato de cerámica preformado. Debe comprenderse también que comúnmente el circuito Integrado es un Circuito Integrado Específico de Aplicación (ASIC) el cual es un diseño de circuito integrado para una aplicación particular. Se comprenderá para los propósitos de las reivindicaciones cuando el transductor está descrito como conectado a un cable conductor puede ser conectado directa o indirectamente a través de un dispositivo adicional tal como un circuito integrado que está conectado al cable conductor. ^^^,«^^ .,,.,^M^a¿a» ?p ni ?? Tin linar

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES 1. Un ensamble detector de fuerza que comprende un cuerpo, el cuerpo que define una cavidad cilindrica abierta en un primer extremo; 5 porciones del cuerpo que forman un miembro que se extiende a través de la cavidad cilindrica y forma una parte inferior de la cavidad cilindrica; porciones del miembro que definen una pluralidad de orificios que se extienden a través del miembro; un cable eléctricamente conductor colocado dentro de 10 cada una de la pluralidad de orificios, en donde cada cable conductor está aislado eléctricamente desde y sellado al miembro; un transductor de presión montado al miembro que confronta el primer extremo de la cavidad cilindrica, el transductor de presión conectado eléctricamente a por lo menos uno de la 15 pluralidad de cables conductores; porciones del cuerpo que definen una ranura circunferencial separada del miembro; un miembro elastomérico que llena la ranura circunferencial y crea una cavidad sellada formada por el cuerpo, el 20 miembro y el miembro elastomérico; una cantidad de material de módulo de bajo esfuerzo cortante, sustancialmente no comprimible que llena cavidad sellada; y un miembro de soporte de carga acoplado con el miembro 25 elastomérico y que se extiende a lo largo de la cavidad cilindrica, en donde una carga aplicada al miembro de soporte de carga es transmitida a través del miembro elastomérico y genera una presión dentro del material sustancialmente no comprimible que puede medirse mediante el detector de presión.
2. 2. El ensamble detector de fuerza de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material sustancialmente no comprimible es gel de silicón.
3. 3. El ensamble detector de fuerza de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo está formado de 10 metal y los cables conductores están aislados del cuerpo metálico mediante una cantidad de vidrio que sella los cables conductores al cuerpo.
4. 4. El ensamble detector de fuerza de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un circuito 15 integrado montado sobre el miembro que confronta el primer extremo de la cavidad cilindrica, el circuito integrado que está eléctricamente conectado al transductor de presión.
5. 5. El ensamble detector de fuerza de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el transductor de presión es 20 de un transductor de presión micromaquinado.
6. 6. El ensamble de detector de fuerza de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque es de forma cilindrica y la cavidad se extiende coaxial con el cuerpo y en donde el miembro es un disco que se extiende a través de la cavidad cilindrica. 25