WO2002088652A1 - Sensoranordnung und ein verfahren zur erfassung und auswertung von mechanischen deformationen - Google Patents

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WO2002088652A1
WO2002088652A1 PCT/DE2002/001232 DE0201232W WO02088652A1 WO 2002088652 A1 WO2002088652 A1 WO 2002088652A1 DE 0201232 W DE0201232 W DE 0201232W WO 02088652 A1 WO02088652 A1 WO 02088652A1
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contact
deformation
sensor arrangement
elements
contact elements
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PCT/DE2002/001232
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English (en)
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Inventor
Frank-Jürgen STUETZLER
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00—Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R21/01—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R21/013—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over
    • B60R21/0136—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over responsive to actual contact with an obstacle, e.g. to vehicle deformation, bumper displacement or bumper velocity relative to the vehicle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • B60R2021/01345—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over responsive to imminent contact with an obstacle, e.g. using radar systems using mechanical sensing means

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement, in particular for the detection of mechanical forces which, for example in the event of a collision of a motor vehicle with an obstacle, lead to an intrusion or deformation of components on this motor vehicle, according to the preamble of the main claim.
  • Such sensor arrangements are used, for example, in so-called restraint systems in motor vehicles, which, for example, trigger airbags in the event of an accident in order to protect the vehicle occupants from the consequences of a collision.
  • the acceleration in the passenger compartment or in peripheral areas of the motor vehicle is measured.
  • the peripheral sensors are generally in addition to the sensor or sensors in the passenger compartment, preferably on the deformable areas of the Vehicle, installed.
  • acceleration sensors are installed on the so-called B and / or C pillar of the vehicle or on the seat cross members below the front seats.
  • sensors are also installed in the front crumple zone of the vehicle for better detection of frontal accidents, which usually also measure the acceleration and convert the measured values into corresponding, electronically evaluable signals for better determination of the severity of an accident.
  • the known acceleration sensors have the disadvantage that they only allow rapid accident detection if the sensor is hit directly. For example, when installing on the B-pillar of the vehicle, a pile impact in the door of the vehicle is detected too late. Pressure sensors known per se also cause problems with regard to a separation of the triggering and non-triggering conditions when installed at these points, since they e.g. should not respond when the door slams violently. Even if the driver and front passenger airbags are deployed, these pressure sensors must not interpret the increase in pressure in the passenger compartment as a deformation of the door.
  • the speed at which the obstacle penetrates is also a decisive factor which determines the severity of the accident and the risk of injury to the occupants.
  • the rate of penetration is linked to the width of the obstacle and the point of impact. For example, a pile with a small area penetrates very deeply and quickly, while a wide barrier that impacts the vehicle at the same speed penetrates more slowly and less deeply. If the stake is the middle of the door hits, it penetrates much faster than if it hits the B-pillar. An obstacle will penetrate more slowly the wider it is and the deeper and faster it will penetrate the softer the point of impact.
  • a sensor arrangement mentioned at the outset for the detection of forces which lead to deformation of mechanical components, for example on motor vehicles, is further developed according to the invention in an advantageous manner in that, according to the features of the main claim, on the possibly deformed components, preferably at several possible locations , one or more switching elements are arranged.
  • the switching elements each have a number of contact elements, which in a possible deforma- direction of stacking with compressible insulation layers between them.
  • the individual switching elements are deformed by the penetration of an object, and this deformation is used to bring the contact surfaces of the contact elements in the switching element into contact with one another or to open contacts if there is sufficient deformation.
  • the rate of penetration is determined from the time interval between the contact of the various contact elements or the opening of various contacts.
  • the upper contact element is pressed onto the middle one, so that the upper contact closes, and this closing is measured between the lines connected to these contacts at time T x . If the object continues to penetrate, the upper and middle contact element is finally pressed onto the base contact element. The contact between the upper / middle contact element and the base contact element is closed at time T 2 .
  • the contact elements can be connected directly to the microprocessor of an evaluation or control unit via a resistance protective circuit, which can measure the times T and T 2 directly. With resistors parallel to the contact elements, the closing of both contact elements can be determined in a simple manner with only two connections to the switching element.
  • the insulation layers preferably have a different stiffness, the outer insulation layer having a low stiffness and the insulation layer following in the direction of deformation having a higher stiffness.
  • the compressible insulation layers can also be formed from a non-conductive foam, so that a capacitor is formed with the adjacent contact elements, from the change in the capacitance during compression of which the intrusion or deformation rate can be derived.
  • an arrangement of one or more small individual compression switching elements is advantageously formed, with which e.g. in the event of an accident, the entry of an object into the door of a vehicle is recognized and the speed of the entry can be determined directly.
  • these individual switching elements can be flexibly moved to various suitable locations, e.g. in the door of a vehicle. For example, on the inner door panel at the height of a reinforcement tube, below the top edge of the door or on a special cross strut built into the door.
  • the individual switching elements are deformed by the penetration, in the case of a contacting arrangement the electrically conductive contact elements come into contact and the speed of the penetration is determined from the time difference of the contact.
  • the individual switching elements are relatively small, typically 10 x 10 mm (length x width) and approx. 20 mm high, although these dimensions can be adapted to the other conditions almost as required and an easy installation can be guaranteed in any case ,
  • the rate of penetration of wide objects such as the movable, deformable barriers used in crash tests, can be determined with a single compression switching element.
  • the rate of penetration of wide objects can be determined with a single compression switching element.
  • several individual switching elements typically 2 to 4 distributed across the width of the vehicle door, impact and intrusion can also be detected by smaller objects.
  • the individual switching elements in the upper part installed in the vehicle door an intrusion of off-road vehicles and lorries with relatively high bumpers can also be detected in an advantageous manner.
  • the proposed switching element arrangement can also be used, for example, for frontal or rear impact detection.
  • one or more individual switching elements can be mounted between the bumper and the panel, for example.
  • the switching element arrangement then measures the relative speed of the impact, the width of the obstacle and the location of the impact.
  • the switching element In order to recognize the abuse conditions mentioned at the outset, it must be ensured that all contact elements actually come into contact with one another, i.e. the switching element really needs to be deformed. For example, with hammer blows or door knocks, the switching elements are not deformed to such an extent that the two contact elements lying behind one another are closed, in particular if the switches are fastened at a suitable point in the interior of the door.
  • the problems of misuse which are sometimes serious in conventional acceleration or pressure switches, are substantially reduced with the invention.
  • the security against misuse conditions is increased again.
  • the depth of the installation in the door also determines the response time and the sensitivity to misuse. If the individual switching elements are installed directly on the outer panel in the door on special struts, the response time is very short and. intrusion is recognized very early. The further inside the individual switching elements are installed, the later intrusion is recognized and the less The switches against abuse conditions are more sensitive.
  • a method according to the invention for recording and evaluating the mechanical deformations with different evaluation procedures is particularly advantageous. If only the intrusion speed is to be determined, it is sufficient to evaluate all installed switching elements in parallel in order to determine the maximum intrusion speed of an object. For this purpose, all the individual switching elements located in the door can first be connected in parallel with a sub-connector and then connected to a central control unit by means of a line. On the other hand, the width and location of the primary penetration of the striking object can be determined in a simple manner with an individual evaluation of the intrusion speeds of the individual switching elements.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a door of a motor vehicle with a number of switching elements which are part of a sensor arrangement as an intrusion sensor for detecting deformations of the door,
  • Figure 2 shows a section through the vehicle door according to the
  • FIG 3 shows an exemplary embodiment of a switching element of the sensor arrangement with an arrangement of contact elements and insulation layers lying one behind the other, in which the contact elements are closed in succession by a deformation
  • Figure 4 shows a second embodiment with a modification of the arrangement of contact elements and insulation layers, in which the contact elements are opened one after the other by a deformation.
  • FIG. 1 shows the principle of an arrangement of individual switching elements 1, 2, 3 and 4 for realizing a sensor arrangement acting as an intrusion sensor in the door 5 of a motor vehicle (not shown in more detail here).
  • the position of the switching elements 1 to 4 is particularly in the ratio to recognize reinforcement structures inside the door trim.
  • a reinforcing element 6 which is already present can be seen from FIGS. 1 and 2. With further additional reinforcing elements 7, 8 and 9, the modes of operation of the switching elements 1 to 4 can be positively influenced here, above all to increase the security against misuse.
  • the depth of the installation and the interaction with the reinforcing structures in the door 5 determine in particular the response time when an external force is applied.
  • FIG. 3 An embodiment of one of the switching elements 1 to 4 from Figures 1 and 2 for installation in the door 5 is shown in Figure 3.
  • the compressible material between the contact elements 10 to 12 only has the function of a correct definition of the geometric distances.
  • the compression behavior of the material is therefore not critical, and the temperature behavior of the rigidity of the compressible material is also not critical.
  • the switching element 1 is deformed in a direction 15 in an accident, for example.
  • the contact elements 11 and 12 are optionally equipped with webs 16 and 17, so that electrical contact between the elements 11 and 12 is ensured when the insulation layers 13 and 14 are fully compressed in the event of an accident.
  • the base element 12 can also be geometrically shaped so that it has an elevation in the middle, this elevation should be so high that it corresponds to greater than the thickness of the compressible material in the layer 14 in a fully compressed state.
  • the contact surfaces of the contact elements 10, 11 and 12 should be treated on their surface in such a way that no corrosion can take place and the closing of the contact elements 10, 11 and 12 is also guaranteed over the entire service life of the switching element 1.
  • the switching elements 1 to 4 are installed in the door 5 or on the bumper of a vehicle, the switching elements 1 to 4 are preferably encased in a waterproof casing which allows compression to be carried out unimpeded.
  • This casing can e.g. be a thin rubber jacket that hermetically seals the switching elements 1 to 4 and allows deformation and pressure compensation in the event of temperature fluctuations.
  • the stiffness of the material in the insulation layer 13 must be lower than in the region 14. This ensures that first the contact between the upper contact element 10 and the middle contact element 11 is closed before the insulation layer 14 is deformed.
  • the upper contact element 10 is pressed onto the middle contact element 11 and thus contacted, so that the time T ⁇ of the contacting can be detected via lines connected to these contact elements.
  • the obstacle then penetrates further and finally presses the upper and middle contact elements 10 and 11 onto the base element 12.
  • the contact between the middle contact element 11 and the base element 12 is then closed at a time T 2 .
  • the intrusion speed V ⁇ of the object can then from the known distance D between the middle contact element 11 and the base element 12 and the times T ⁇ and T 2 according to the relationship
  • V x D / (T 2 - T 2 ) (1) can be determined.
  • the distance D is about 2 cm, which corresponds to a time difference T 2 -T 1 of 0.02 / 20 sec at a speed of 20 m / s (corresponding to 72 km / h)
  • a resistor R x is parallel to the contact elements 11 and 12 and a resistor R 2 is parallel to the contact elements
  • a series resistor R 3 goes from the contact element 10 to a connection 18 and a connection 19 is connected to the base element 12.
  • R R. + R 2 + R 3 (2).
  • R R, + R 3 3).
  • R R 3 (4).
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of the switching element 2 can be seen in FIG. 4, in which an upper pressure plate 20 is present. There is also a central contact element 21 and a lower contact element 22 on a base plate 23.
  • the contact elements 21 and 22 consist of partial contact elements which are in contact with one another in the idle state. Compressible insulation layers 24 and 25 are applied between the pressure plate 20 and the contact element 21 and between the contact elements 21 and 22.
  • the contact elements 21 and 22 By compressing the insulation layers 24 and 25 when the switching element 2 is deformed, the contact elements 21 and 22 open.
  • the upper pressure plate 20 presses on the first closed contact of the middle contact element 21.
  • the pressure plate 20 is geometrically shaped such that the contact of the central partial contact elements 21 is achieved, for example, via an electrically insulating elevation 26 can be opened. If the sensor arrangement is further compressed, the middle contact element 21 and an electrically insulating elevation 27 presses on the lower contact element 22 and opens the contact here.
  • the intrusion speed V x can in turn be determined from the time interval of the opening.
  • the contact elements 21 and 22 can be connected directly to the microprocessor of the evaluation circuit via a protective circuit, which can measure the times T x and T 2 directly.
  • a resistor R. is guided from the contact element 22 to the second connection 19 and a resistor R 3 to the first connection 18, a resistor R 2 being parallel to the connection 19 and to one side of the contact element 22.
  • the contact element 21 is located on one side directly on the second connection 19 and on the other side also on the contact element 22.
  • R R 3 (5).
  • R R 3 + R 1 * R 2 / R x + R 2 (6).
  • R R 3 + R 2 (7).
  • a switching element can, for example, also be connected to an evaluation circuit which determines the time difference T 2 - T 1 by measuring the voltage of a capacitor during its charging and which sends this time as coded information to an evaluation device, for example an airbag control device.
  • the middle contact element 11 can also be formed as a flat coil or from several flat coils. If material with ferromagnetic properties is used for the upper contact element 10 and the base element 12, the contact of the contact elements 10 to 12 can also be measured as a change in the impedance of the middle contact element 11 designed as a flat coil, for example with Hall sensors.
  • the contact elements in a modification according to FIG. 4 can also be formed by two flat fractured ceramics, which are separated by a compressible insulation layer. If the broken ceramics are provided with an electrically conductive path, their interruption can be detected, as described with reference to FIG. 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion von Kraften, die zu einer Deformation von mechanischen Bauteilen (5) führen. Die Sensoranordnung besteht aus einem oder mehreren Schaltelementen (1,2,3,4), von denen jeweils ein Schaltelement (1,2,3,4) eine Anzahl Kontaktelemente (10,11,12;21,22) aufweist, die in einer möglichen Deformationsrichtung (15) hintereinandergestaffelt angeordnet sind, wobei zwischen den Kontaktelementen (10,11,12;21,22) kompressible Isolationsschichten (13,14;24,25) liegen und bei der die Kontaktelemente (10,11,12;21,22) mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, mittels der ein durch eine Deformation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren von benachbart angeordneten Kontaktelementen (10,11,12;21,22) erfassbar und in Steuer- und/oder Regelsignale unwandelbar ist.

Description

Sensoranordnung und ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung- von mechanischen Deformationen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere zur Detektion mechanischer Kräfte, die beispielsweise bei einer Kollision eines Kraftfahrzeuges mit einem Hindernis zu einer Intrusion bzw. Deformation von Bauteilen an diesem Kraftfahrzeug führen, nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Solche Sensoranordnungen werden beispielsweise bei sog. Rückhaltesystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die bei Unfällen z.B. Airbags auslösen um die Fahrzeuginsassen vor den Folgen einer Kollision zu schützen. Zur Auslösung dieser Rückhaltesysteme wird z.B. die Beschleunigung im Fahrgastinnenraum oder an peripheren Bereichen des Kraftfahrzeugs gemessen. Die peripheren Sensoren werden in der Regel zusätzlich zu dem oder den Sensoren im Fahrgastinnenraum, bevorzugt an den deformierbaren Bereichen des Fahrzeugs, eingebaut. So sind z.B. für die bessere und frühzeitige Erkennung von seitlichen Kollisionen Beschleunigungssensoren auf der sog. B- und/oder C-Säule des Fahrzeugs oder auf den Sitzquerträgern unterhalb der Vordersitze eingebaut.
In vergleichbarer Weise werden auch zur besseren Erkennung von Frontalunfällen Sensoren in die vordere Knautschzone des Fahrzeugs eingebaut, die üblicherweise ebenfalls die Beschleunigung messen und die gemessenen Werte zur besseren Bestimmung der Schwere eines Unfalles in entsprechende, elektronisch auswertbare Signale umwandeln.
Insbesondere bei seitlichen Kollisionen haben die bekannten Beschleunigungssensoren den Nachteil, dass sie eine schnelle Unfallerkennung nur dann zulassen, wenn der Sensor direkt getroffen wird. So wird beispielsweise beim Einbau auf die B-Säule des Fahrzeugs ein Pfahl -Aufprall in die Tür des Fahrzeugs zu spät erkannt. Auch für sich bekannte Drucksensoren bereiten bei einem Einbau an diesen Stellen Probleme hinsichtlich einer Trennung der Auslöse- und Nicht-Auslöse-Bedingungen, da sie z.B. bei heftigem Türzuschlagen nicht ansprechen sollen. Auch bei einer Auslösung von Fahrer- und Beifahrer Airbags dürfen diese Drucksensoren den Druckanstieg in Fahrgastinnenraum nicht als Deformation der Tür interpretieren.
Weiterhin ist bei einer Kollision die Geschwindigkei des Eindringens des Hindernisses auch ein entscheidender Faktor, der die Schwere des Unfalls und die Verletzungsgefahr für die Insassen bestimmt. Die Eindringgeschwindigkeit ist dabei mit der Breite des Hindernisses und der Stelle des Auftreffens verknüpft. Beispielsweise dringt ein Pfahl mit einer kleinen Fläche sehr tief und schnell ein, während eine breite Barriere, die mit der gleichen Geschwindigkeit auf das Fahrzeug aufprallt, langsamer und nicht so tief eindringt. Wenn der Pfahl die Mitte der Tür trifft, so dringt er wesentlich schneller ein, als wenn er auf die B-Säule trifft. Ein Hindernis wird dabei um so langsamer eindringen, je breiter es ist und es wird um so tiefer und schneller eindringen je weicher die Stelle des Auftreffens ist.
In einer älteren nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 100 03 992.8 ist ein Prinzip eines sogenannten Kompressionsschalters beschrieben, bei dem an den ev . deformierten Bauteilen eine Anzahl Kontaktelemente vorhanden sind, die in einer möglichen Deformationsrichtung hintereinandergestaffelt in einem kompressierbaren Bauteil angeordnet sind. Durch ein durch die Deformation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren von benachbart angeordneten Kontaktelementen wird ein Steuersignal erzeugt, dass in einer Steuer- oder Regelanordnung, insbesondere für die eingangs erwähnten Rückhaltesysteme, auswertbar ist. Hierbei ist überwiegend vorgesehen, dass z.B. ein Schaltelement die gesamte Tür eines Kraftfahrzeuges abdeckt. Diese Realisierung ist vom Einbau her schwierig und verlangt sogar Änderungen der Konstruktion der Tür, damit der Einbau eines solchen relativ großen Elements möglich wird, was die Einsetzbarkeit gegebenenfalls einengt.
Vorteile der Erfindung
Eine eingangs erwähnte Sensoranordnung zur Detektion von Kräften, die zu einer Deformation von mechanischen Bauteilen, z.B. an Kraftfahrzeugen, führen, ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass nach den Merkmalen des Hauptanspruchs an den eventuell deformierten Bauteilen, vorzugsweise an mehreren in Frage kommenden Stellen, eine oder mehrere Schaltelemente angeordnet sind. Die Schaltelemente weisen jeweils eine Anzahl Kontaktelemente auf, die in einer möglichen Deforma- tionsrichtung hintereinandergestaffeit mit zwischenlie- genden kompressiblen Isolationsschichten angeordnet sind. Die Einzel-Schaltelemente werden durch das Eindringen eines Objekts deformiert und diese Deformation wird benutzt, um bei ausreichender Deformation die Kontaktflächen der Kontaktelemente im Schaltelement miteinander in Berührung zu bringen oder Kontakte zu öffnen.
Aus dem zeitlichen Abstand des Kontaktes der verschiedenen Kontaktelemente bzw. des Öffnens verschiedener Kontakte wird die Geschwindigkeit des Eindringens bestimmt. Zuerst wird nach einer ersten Ausführungsform das obere Kontaktelement auf das mittlere gedrückt, so dass der o- bere Kontakt sich schließt und zwischen den an diesen Kontakten angeschlossenen Leitungen wird dieses Schließen zum Zeitpunkt Tx gemessen. Dringt das Objekt weiter ein, so wird schließlich das obere und mittlere Kontaktelement auf das Basiskontaktelement gedrückt. Der Kontakt zwischen dem oberen/mittleren Kontaktelement und dem Basiskontaktelement wird zum Zeitpunkt T2 geschlossen.
Die Deformations- oder Intrusionsgeschwindigkeit ~7i kann dann aus dem bekannten Abstand D zwischen dem mittlerem Kontaktelement und dem Basiskontaktelement und der Zeit- differenz T2 - T2 durch VL = D / (T2 - Tx) ermittelt werden. Die Kontaktelemente können über eine Widerstands- Schutzbeschaltung direkt an den Mikroprozessor eines Auswerte- oder Steuergerätes angeschlossen werden, das die Zeiten T und T2 direkt messen kann. Mit Widerständen parallel zu den Kontaktelementen kann dabei auf einfache Weise mit nur zwei Verbindungen zum Schaltelement das Schließen beider Kontaktelemente bestimmt werden.
Bevorzugt weisen die Isolationsschichten eine unterschiedliche Steifigkeit auf, wobei die äußere Isolationsschicht eine niedrige und die in der Deformationsrichtung nachfolgende Isolationsschicht eine höhere Steifigkeit aufweist. Die kompressiblen Isolationsschichten können auch aus einem nichtleitendem Schaumstoff gebildet sein, so dass mit den anliegenden Kontaktelementen ein Kondensator gebildet ist, aus dessen Veränderung der Kapazität bei der Kompression die Intrusions- oder Deformationsgeschwindigkeit herleitbar ist.
Mit der Erfindung ist in vorteilhafter Weise eine Anordnung von einem oder mehreren kleinen Einzel-Kompressions- Schaltelementen gebildet, mit denen in einfacher Weise z.B. bei einem Unfall das Eindringen eines Objekts in die Tür eines Fahrzeugs erkannt und dabei die Geschwindigkeit des Eindringens direkt bestimmt werden kann. Diese Einzel-Schaltelemente können wegen ihrer geringen Größe flexibel an verschiedene geeignete Stellen, z.B. in die Tür eines Fahrzeuges, eingebaut werden. Zum Beispiel auf das Türinnenblech auf der Höhe eines Verstärkungsrohres , unterhalb der Oberkante der Tür oder auf eine spezielle, in die Tür eingebaute Querverstrebung. Die Einzelschaltelemente werden durch das Eindringen deformiert, dabei kommen bei einer kontaktierenden Anordnung die elektrisch leitenden Kontaktelemente in Berührung und aus der Zeit- differenz des Kontakts wird die Geschwindigkeit des Eindringens bestimmt.
Die Einzel-Schaltelemente sind dabei relativ klein, typischerweise 10 x 10 mm (Länge x Breite) und ca. 20 mm Höhe, wobei diese Maße jedoch bei Bedarf fast beliebig den sonstigen Bedingungen angepasst werden können und auf jeden Fall eine einfache Einbaubarkeit gewährleistet werden kann. Mit einem einzigen Kompressions-Schaltelement kann zum Beispiel die Eindringgeschwindigkeit von breiten Objekten, wie die bei Crashtests verwendeten beweglichen, deformierbaren Barrieren, bestimmt werden. Beim Einbau von mehreren Einzel-Schaltelementen, typischerweise 2 bis 4, verteilt auf die Breite der Fahrzeugtür, können Aufprall und Eindringen auch von kleineren Objekten erkannt werden. Werden die Einzel-Schaltelemente im oberen Teil der Fahrzeugtür eingebaut, so kann in vorteilhafter Weise auch ein Eindringen von Geländef hrzeugen und Lastkraftwagen mit relativ hohen Stoßstangen erkannt werden.
Die vorgeschlagene Schaltelemente-Anordnung kann außer zum Sensieren von Deformationen an der Fahrzeugtür zum Beispiel auch zur Frontal- oder Heck-Aufprall -Erkennung eingesetzt werden. In diesem Fall können beispielsweise ein oder mehrere Einzel-Schaltelemente zwischen der Stoßstange und der Verkleidung montiert werden. In einer solchen Konfiguration misst die Schaltelemente-Anordnung dann die Relativgeschwindigkeit des Aufpralls, die Breite des Hindernisses und den Ort des Auftreffens.
Um die eingangs erwähnten Missbrauchsbedingungen zu erkennen, uss sichergestellt werden, dass alle Kontaktelemente auch wirklich miteinander in Berührung kommen, d.h. das Schaltelement muss wirklich deformiert werden. Beispielsweise mit Hammerschlägen oder mit Türschlagen werden die Schaltelemente nicht soweit deformiert, dass beide hintereinanderliegende Kontaktelemente geschlossen werden, insbesondere wenn die Schalter an geeigneter Stelle im Innern der Tür befestigt sind. Die Missbrauchsprobleme, die bei herkömmlichen Beschleunigungs- oder Druck-Schaltern zum Teil schwerwiegend sind, werden mit der Erfindung wesentlich vermindert.
Wenn die Schaltelemente in der Nähe eines Verstärkungsrohres in Innern der Fahrzeugtür montiert werden, so wird die Sicherheit gegen Missbrauchs-Bedingungen nochmals erhöht . Die Tiefe des Einbaus in der Tür bestimmt dabei auch die Ansprechzeit bzw. die Empfindlichkeit gegen Missbrauch. Werden die Einzel-Schaltelemente unmittelbar an das Außenblech in der Tür auf spezielle Verstrebungen eingebaut, so ist die Ansprechzeit sehr gering und. ein Eindringen wird sehr frühzeitig erkannt. Je weiter im Türinneren die Einzel-Schaltelemente eingebaut werden, desto später wird ein Eindringen erkannt und desto unemp- findlicher sind die Schalter gegen Missbrauchsbedingungen .
Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise ein Abdecken der gesamten Fahrzeugtür mit Schaltelementen nicht notwendig ist, da das Außenblech der Tür genügend Stabilität besitzt und selbst beim Auftreffen von kleinen Objekten, wie zum Beispiel einem Hammer, das gesamte Außenblech der Tür eingedrückt wird. Deshalb kann ev. sogar mit nur einem kleineren Kompressions-Schaltelement in der Größenordnung von wenigen Zentimetern oder mehreren noch kleinen Kompressions-Schaltern das Auftreffen eines kleinen Objekts an anderer Stelle auf der Tür bestimmt werden.
Vorteilhaft ist insbesondere ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung und Auswertung der mechanischen Deformationen mit unterschiedlichen Auswerteprozeduren. Soll nur die Intrusionsgeschwindigkeit bestimmt werden, so reicht es aus, alle eingebauten Schaltelemente parallel auszuwerten um die maximale Intrusionsgeschwindigkeit eines Objekts zu bestimmen. Hierzu können alle in der Tür befindlichen Einzel-Schaltelemente mit einem Unterverbindungsstecker zunächst parallel verbunden werden und dann mittels einer Leitung an ein zentrales Steuergerät angeschlossen werden. Dagegen kann mit einer Einzelauswertung der Intrusionsgeschwindigkeiten der Einzel -Schaltelemente die Bestimmung von Breite und Ort des primären Eindringens des auftreffenden Objektes auf einfache Weise ermittelt werden.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs- form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh- rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Tür eines Kraftfahrzeuges mit einer Anzahl von Schaltelementen, die Bestandteil einer Sensoranordnung als Intrusionssensor zur Erfassung von Deformationen der Tür sind,
Figur 2 einen Schnitt durch die Fahrzeugtür nach der
Figur 1,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltelementes der Sensoranordnung mit einer Anordnung von hintereinander liegenden Kontaktelementen und Isolationsschichten, bei der die Kontaktelemente durch eine Deformation nacheinander geschlossen werden und
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Abwandlung der Anordnung von Kontaktelementen, und Isolationsschichten, bei der die Kontaktelemente durch eine Deformation nacheinander geöffnet werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist das Prinzip einer Anordnung von Einzel - Schaltelementen 1, 2, 3 und 4 zur Realisierung einer als Intrusionssensor wirkenden Sensoranordnung in der Tür 5 eines hier nicht näher gezeigten Kraftfahrzeugs dargestellt. Beim Schnitt durch die Tür 5 nach Figur 2 ist die Lage der Schaltelemente 1 bis 4 insbesondere im Verhält- nis zu Verstärkungsstrukturen im Inneren der Türverkleidung zu erkennen.
Aus den Figuren 1 und 2 ist ein ohnehin bereits vorhandenes Verstärkungselement 6 zu entnehmen. Mit weiteren zusätzlichen Verstärkungselemente 7, 8 und 9 können hier die Wirkungsweisen der Schaltelemente 1 bis 4 positiv be- einflusst werden, vor allem um die Sicherheit gegen Miss- brauch zu erhöhen. Die Tiefe des Einbaus und das Zusammenwirken mit den Verstärkungsstrukturen in der Tür 5 bestimmt dabei insbesondere die Ansprechzeit bei einer äußeren Krafteinwirkung.
Ein Ausführungsbeispiel eines der Schaltelemente 1 bis 4 aus den Figuren 1 und 2 zum Einbau in die Tür 5 ist in Figur 3 gezeigt. Hier ist ein oberes elektrisch leitfähiges Kontaktelement 10, ein mittleres elektrisch leitfähiges Kontaktelement 11 und ein drittes elektrisch leitfähiges Kontaktelement 12 als Basiselement des Schaltelements 1 vorhanden. Zwischen den Kontaktelementen 10, 11 und 12 liegen kompressible Isolationsschichten 13 und 14, z.B. aus Schaumstoff, die die Kontaktelemente 10, 11 und 12 räumlich in einem vorgegebenen Abstand trennen, wobei hier insbesondere der Abstand D zwischen dem mittleren Kontaktelement 11 und dem Basiselement 12 für die Auswertung der Sensorsignale von Bedeutung ist.
Das kompressible Material zwischen den Kontaktelementen 10 bis 12 hat nur die Funktion einer korrekten Definition der geometrischen Abstände. Das Kompressionsverhalten des Materials ist deshalb unkritisch, ebenso ist das Temperaturverhalten der Steifigkeit des kompressiblen Materials unkritisch. Beim Aufbau der Schaltelemente 1 bis 4 ist nur darauf zu achten, dass die Steifigkeiten im Verlauf der Lebensdauer des Schaltelements nicht so hoch werden, dass eine vollständige Deformation mit dem Schließen der Kontakte des jeweiligen Schaltelements verhindert wird. Die bei einem Unfall auftretenden Deformationskräfte sind erheblich, so dass ein korrektes Deformieren des Schaltelements in der Regel allein durch die hohen Kräfte gewährleistet ist, selbst wenn die Steifigkeit des kompressiblen Materials variieren sollte.
Das Schaltelement 1 wird bei einem Unfall beispielsweise in einer Richtung 15 verformt. Die Kontaktelemente 11 und 12 sind, ggf. mit Stegen 16 und 17 ausgestattet, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Elementen 11 und 12 bei vollständiger Kompression der Isolationsschichten 13 und 14 bei einem Unfall gewährleistet ist. Das Basiselement 12 kann auch geometrisch so geformt werden, dass es in der Mitte eine Erhöhung aufweist, wobei diese Erhöhung so hoch sein sollte, dass sie höher als die Dicke des kompressiblen Materials in der Schicht 14 in vollständig komprimiertem Zustand entspricht.
Die Kontaktflächen der Kontaktelemente 10, 11 und 12 sollten an ihrer Oberfläche so behandelt sein, dass keine Korrosion stattfinden kann und das Schließen der Kontakt - elemente 10, 11 und 12 auch über die gesamte Lebensdauer des Schaltelements 1 gewährleistet ist. Da die Schaltelemente 1 bis 4 in die Tür 5 oder auf die Stoßstange eines Fahrzeugs eingebaut werden, werden die Schaltelemente 1 bis 4 bevorzugt mit einer wasserdichten Ummantelung umschlossen, die eine Kompression ungehindert zulässt . Diese Ummantelung kann z.B. ein dünner Gummimantel sein, der die Schaltelemente 1 bis 4 hermetisch abschließt und eine Deformation und einen Druckausgleich bei Temperaturschwankungen zulässt .
Damit die Abfolge des Komprimierens definiert bleibt, muss die Steifigkeit des Materials in der Isolationsschicht 13 niedriger sein als im Bereich 14. Damit ist gewährleistet, dass zuerst der Kontakt zwischen dem oberen Kontaktelement 10 und dem mittleren Kontaktelement 11 geschlossen wird, bevor die Isolationsschicht 14 deformiert wird.
Wird die Tür 5 nun durch einen Aufprall eines Objekts eingedrückt, so wird das obere Kontaktelement 10 auf das mittlere Kontaktelement 11 gedrückt und damit kontaktiert, so dass über an diese Kontaktelemente angeschlossene Leitungen der Zeitpunkt Tλ der Kontaktierung erfasst werden kann. Das Hindernis dringt dann weiter ein und drückt schließlich das obere und das mittlere Kontaktelement 10 und 11 auf das Basiselement 12. Der Kontakt zwischen dem mittleren Kontaktelement 11 und dem Basiselement 12 wird dann zu einem Zeitpunkt T2 geschlossen.
Die Intrusionsgeschwindigkeit V± des Objekts kann dann aus dem bekannten Abstand D zwischen dem mittlerem Kontaktelement 11 und dem Basiselement 12 und den Zeitpunkten Tλ und T2 nach der Beziehung
Vx = D / (T2 - T2) (1) ermittelt werden. Typischerweise beträgt der Abstand D in bei einer möglichen Ausführungsform etwa 2 cm, womit sich bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s (entspr. 72 km/h) eine Zeitdifferenz T2 - T1 von 0,02/20 sec, entsprechend
I ms, ergibt. Diese Zeitdifferenz ermöglicht sowohl eine direkte Messung durch einen Mikroprozessor in der Auswerteschaltung als auch ein schnelles Ansteuern von Aktuato- ren im Fahrzeug, wie z.B. ein Airbag.
Es ist hierbei sinnvoll, wenn die Kontaktelemente 10, 11 und 12 über eine Schutzbeschaltung direkt an den Mikroprozessor der Auswerteschaltung angeschlossen werden können, der die Zeiten T-_ und T2 direkt messen kann. Hier ist ein Widerstand Rx parallel zu den Kontaktelementen 11 und 12 und ein Widerstand R2 parallel zu den Kontaktelementen
II und 10 angeordnet. Vom Kontaktelement 10 geht ein Reihenwiderstand R3 zu einem Anschluss 18 und ein Anschluss 19 ist mit dem Basiselement 12 verbunden. Somit kann bei diesem Ausführungsbeispiel mit nur zwei Verbindungen der Auswerteschaltung zum Schaltelement 1 das Schließen beider Kontakte ausgewertet werden. Falls kein Aufprall an der Tür 5 vorliegt und das Schaltelement 1 damit keine Verformungskräfte erhält ist der Gesamtwiderstand
R = R. + R2 + R3 (2) .
Im Falle eines Aufpralls wird dann zunächst der obere Kontakt zwischen den Kontaktelementen 10 und 11 geschlos sen . Der Gesamtwiderstand ist dann
R = R, + R3 3 ) .
Wenn das Schaltelement 1 weiter deformiert wird und der untere Kontakt schließt, so ist der Gesamtwiderstand
R = R3 (4) .
Aus Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Schaltelements 2 zu entnehmen, bei dem eine obere Druckplatte 20 vorhanden ist . Es ist weiterhin ein mittleres Kontaktelement 21 und ein unteres Kontaktelement 22 an einer Basisplatte 23 vorhanden. Die Kontaktelemente 21 und 22 bestehen aus Teilkontaktelementen, die im Ruhezustand kontaktierend aneinander liegen. Kompressible Isolationsschichten 24 und 25 sind zwischen der Druckplatte 20 und dem Kontaktelement 21 und zwischen den Kontaktelementen 21 und 22 angebracht.
Durch Kompression der Isolationsschichten 24 und 25 bei einer Deformation des Schaltelements 2 öffnen dabei die Kontaktelemente 21 und 22. Beim Eindringen eines Objekts und der daraus resultierenden Kompression der Isolationsschichten 24 und 25 drückt die obere Druckplatte 20 auf den ersten geschlossenen Kontakt des mittleren Kontaktelements 21. Die Druckplatte 20 ist geometrisch so geformt, dass z.B. über eine elektrisch isolierende Erhebung 26 der Kontakt der mittleren Teilkontaktelemente 21 geöffnet werden kann. Wird die Sensoranordnung weiter komprimiert, so drückt das mittlere Kontaktelement 21 und eine elektrisch isolierende Erhebung 27 auf das untere Kontaktelement 22 und öffnet hier den Kontakt. Aus dem zeitlichen Abstand des Öffnens kann wiederum, wie oben erwähnt, die Intrusionsgeschwindigkeit Vx bestimmt werden .
Auch hier können die Kontaktelemente 21 und 22 über eine Schutzbeschaltung direkt an den Mikroprozessor der Auswerteschaltung angeschlossen werden können, der die Zeiten Tx und T2 direkt messen kann. Hier ist gemäß eines Ausführungsbeispiels vom Kontaktelement 22 ein Widerstand R. an den zweiten Anschluss 19 und ein Widerstand R3 an den ersten Anschluss 18 geführt, wobei ein Widerstand R2 parallel zu dem Anschluss 19 und einer Seite des Kontaktelements 22 liegt. Das Kontaktelement 21 liegt mit einer Seite direkt am zweiten Anschluss 19 und mit der anderen Seite ebenfalls am Kontaktelement 22.
Wenn das Schaltelement 2 keine Verformungskräfte erhält, ist der Gesamtwiderstand
R = R3 (5) .
Im Falle eines Aufpralls wird dann zunächst der obere Kontakt am Kontaktelementen 21 geöffnet. Der Gesamtwiderstand ist dann
R = R3 + R1*R2 /Rx + R2 (6) .
Wenn das Schaltelement 2 weiter deformiert wird und der untere Kontakt 22 öffnet, so ist der Gesamtwiderstand
R = R3 + R2 (7) .
Bei der konkreten Ausführung der vorher beschriebenen Schaltelemente 1 bis 4 können auch andere Gestaltungsformen der Kontaktelemente und dazu passender Auswerteschal- tungen vorgesehen werden. Ein Schaltelement kann beispielsweise auch an eine Auswerteschaltung angeschaltet werden, die die Zeitdifferenz T2 - T1 durch Messung der Spannung eines Kondensators während seiner Aufladung bestimmt und die diese Zeit als kodierte Information an ein Auswertegerät, z.B. an ein Airbag-Steuergerät , schickt.
Statt als Kontakt wie nach der Figur 3 kann das mittlere Kontaktelement 11 auch als eine flache Spule oder aus mehreren flachen Spulen geformt sein. Wird für das obere Kontaktelement 10 und das Basiselement 12 Material mit ferromagnetischen Eigenschaften benutzt, so kann der Kontakt der Kontaktelemente 10 bis 12 auch als Veränderung der Impedanz des als Flachspule ausgeführtem mittleren Kontaktelements 11, beispielsweise mit Hallsensoren, gemessen werden.
Die Kontaktelemente in einer Abwandlung nach der Figur 4 können auch durch zwei flächenartige Bruchkeramiken gebildet sein, die durch eine kompressible Isolationsschicht getrennt sind. Wenn die Bruchkeramiken mit einer elektrisch leitfähigen Bahn versehen sind, kann deren Unterbrechung, wie anhand der Figur 4 beschrieben, detek- tiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung zur Detektion von Kräften, die zu einer Deformation von mechanischen Bauteilen (5) führen, bei der die Sensoranordnung aus einem oder mehreren Schaltelementen (1,2,3,4) besteht, von denen jeweils ein Schaltelement (1,2,3,4) eine Anzahl Kontaktelemente (10 , 11, 12 ; 21 , 22) aufweist, die in einer möglichen Deformationsrichtung (15) hintereinandergestaffeit am Bauteil (5) angeordnet sind, wobei zwischen den Kontaktelementen
(10 , 11 , 12 ; 21, 22) kompressible Isolationsschichten
(13 , 14 ; 24, 25) liegen und bei der die Kontaktelemente (10, 11, 12 ;21, 22) mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, mittels der ein durch eine Deformation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren von benachbart angeordneten Kontaktelementen (10,11,12; 21,22) erfassbar und in Steuer- und/oder Regelsignale unwandelbar ist. 2) Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltelemente (1,2,3,4) eine im Verhältnis zur Deformationsfläche des Bauteils (5) geringe Größe aufweisen.
3) Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Isolationsschichten (13 , 14 ; 24, 25) eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen, wobei die äußere Isolationsschicht (13; 24) eine niedrige und die in der Deformationsrichtung (15) nachfolgende Isolationsschicht (14; 25) eine höhere Steifigkeit aufweist.
4) Sensoranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das eine oder mehrere Schaltelemente (1,2,3,4) im Inneren von einer aus zwei Wänden gebildeten Fahrzeugtür (5) , vorzugsweise im Bereich von mechanischen Verstärkungselementen (6,7,8,9) angebracht sind.
5) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kontaktelement ein Basiselement (12) darstellt und mindestens zwei Kontaktelemente (11; 22) in jeweils vorgegebenen Abständen (D) dazu angeordnet sind, wobei der Abstand (D) oder die mindestens zwei kompressiblen Isolationsschichten (13, 14; 24, 25) jeweils so ausgestaltet sind, dass aus den Zeitpunkten (Tι; T2) des Kontaktierens und/oder Entkontaktierens der in Deformationsrichtung (15) hintereinander liegenden Kontaktelemente (10, 11, 12 ,-21, 22) die Intrusions- o- der Deformationsgeschwindigkeit (V1) des die Deformation verursachenden Gegenstandes herleitbar ist .
6) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die kompressiblen Isolationsschichten (13 , 14 ; 24 , 25) aus einem nichtleitendem Schaumstoff gebildet sind, so dass mit den anliegenden Kontaktelementen ein Kondensator gebildet ist, aus dessen Veränderung der Kapazität bei der Kompression die Intrusions- oder Deformationsgeschwindigkeit herleitbar ist .
7) Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens zwei Kontaktelemente (21,22) aus Teilkontaktelementen bestehen, die im Ruhezustand kontaktierend aneinander liegen und dass die kompressiblen Isolationsschichten (24,25) in mindestens einem Teilbereich der Oberfläche der mindestens zwei Kontaktelemente (21,22) angeordnet sind und im jeweils verbleibende Bereich durch Kompression der jeweiligen Isolationsschicht (24,25) und/oder durch Verformung des jeweiligen Kontaktelements (21,22) ein Dekontaktieren der Teilkontaktelemente bewirkbar ist. 8) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das obere Kontaktelement und das Basiskontaktelement aus einem magnetischen Material sind und das mittlere Kontaktelement eine Flachspule ist, wobei ein Kontaktieren der Kontaktelemente zu einer Änderung der Impedanz zwischen dem oberen und dem mittleren und zwischen dem mittleren und dem Basiskontaktelement führt.
9) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
am mittleren Kontaktelement ein oder mehrere Hallsensoren angebracht sind und dass im oberen Kontaktelement und im Basiskontaktelement Permanentmagnete vorgesehen sind, wobei die Kontak- tierung vom oberem und mittlerem Kontaktelement und/oder vom mittleren und vom Basiskontaktelement durch einen Kontakt der Hallsensoren mit den Permanentmagneten detektierbar ist.
10) Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente durch zwei flächenartige Bruchkeramiken gebildet sind, die durch eine kompressible Isolationsschicht getrennt sind, dass die Bruchkeramiken mit einer elektrisch leitfähigen Bahn versehen sind, deren Unterbrechung detektierbar ist . 11) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente ( 10, 11, 12; 21, 22 ) über ein Widerstandsnetzwerk (R1,R2,R3) mit der Auswerteschaltung verbunden sind.
13) Verfahren zur Erfassung und Auswertung von mechanischen Deformationen mit einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erfassung der maximalen Intrusions- oder Deformationsgeschwindigkeit an einem Objekt (5) alle Schaltelemente (1,2,3,4) der Sensoranordnung in einer Parallelschaltung ausgewertet werden und dass zur Bestimmung der örtlichen Verteilung der Deformationskräfte, die über die eine Deformation erwartende Fläche verteilten Schaltelemente (1,2,3,4) einzeln zur Erfassung der Einzelintrusi- ons- oder Deformationsgeschwindigkeit ausgewertet werden .
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