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Dokumentenidentifikation DE102004051157B3 13.07.2006
Titel Sensor zur Messung einer auf eine Oberfläche einwirkenden Kraft und Messverfahren dazu
Anmelder austriamicrosystems AG, Unterpremstätten, AT
Erfinder Brandl, Manfred, Gratwein, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 20.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004051157
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse G01L 1/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60R 21/0132(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Zur Bestimmung einer auf eine nachgebende Oberfläche (OF) einwirkenden Kraft (EK) ist eine Federung (F) vorgesehen, die der einwirkenden Kraft eine Rückstellkraft entgegensetzt. Fest mit der Federung oder der Oberfläche verbunden ist ein Federstab (FS), der an einem Ende fixiert ist und dessen anderes Ende bei Einwirkung der Kraft eine Relativbewegung relativ zu einem Sensorelement (SE) erzeugt. Das Sensorelement kann in einfacher Weise als magnetische Spule ausgebildet sein, in derem Inneren sich das Ende des magnetischen Federstabs bewegt und dabei die Induktivität der Spule verändert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sensor, mit dem eine auf eine nachgebende Oberfläche einwirkende Kraft, beispielsweise eine Gewichtskraft bestimmt werden kann. Eine solche Bestimmung kann beispielsweise in einer Waage erfolgen. Es sind jedoch auch technische Anwendungen bekannt, bei denen ein Messsignal geringerer Genauigkeit erforderlich ist, welches mit technisch einfachen Mitteln beziehungsweise mit einem einfachen Sensor zur Verfügung gestellt werden kann.

Aus DE 35 15 125 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung einer einwirkenden Kraft bekannt. Eine Federung weist eine der einwirkenden Kraft entgegen gesetzte Rückstellkraft auf und bewegt sich dabei in Richtung der einwirkenden Kraft, wobei die Bewegung von einem Sensorelement detektiert wird.

Aus DE 203 19 029 U1 ist ein Kraftsensor bekannt, bei dem das freie Ende einer Betätigungsstange bei einer auf das gefederte Betätigungselement wirkenden Kraft in Richtung der Kraft bewegt wird und einen induktiven Wegaufnehmer beeinflusst.

Aus DE 102 16 723 A1 ist ein Kraftmesser, insbesondere zur Sitzgewichtsbestimmung in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem sich bei Einwirkung einer Kraft der Abstand eines Magneten relativ zu einem ferromagnetischen Material parallel zur einwirkenden Kraft ändert.

Aus DE 698 18 692 T2 ist ein Gewichtssensor für Fahrzeuginsassen bekannt, bei dem eine einwirkende Kraft in einem ferromagnetischen Element eine Spannung induziert, die von dem Magnetfeld eines Sensors erfasst wird.

Ein bekannter Anwendungsfall für einen solchen Gewichtssensor sind zum Beispiel Anwesenheitssensoren in den Sitzen von Kraftfahrzeugen, die ab dem Jahr 2006 in den Vereinigten Staaten von Amerika für neu zugelassene Fahrzeuge verpflichtend vorgeschrieben sind. Mit Hilfe dieser Sensoren wird die Auslösung des Airbags unterdrückt, wenn Säuglinge, Kleinkinder oder generell zu kleine Personen sich auf den Vordersitzen befinden. Solche allgemein als „passenger occupant detection (POD)"-Systeme bezeichneten Vorrichtungen können auch solche Gewichts- oder Belastungsdetektoren in den Fahrzeugsitzen umfassen.

Bekannte Sensoren, welche als POD-Systeme bereits Anwendung finden, sind druckempfindliche Matten, die mit resistiv oder kapazitiv wirkenden Sensoren ausgestattet sind. Bekannt sind auch Druck- oder Zugsensoren, die in die Aufhängung der Sitze eingebaut sind. Für solche Sensoren wurden beispielweise schon Dehnstreifen und magnetostriktive beziehungsweise piezoelektrische Materialien eingesetzt. Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass sie entweder nur aufwendig zu realisieren sind oder unzuverlässig oder zu ungenau arbeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur Bestimmung einer auf eine Oberfläche einwirkenden Kraft anzugeben, der einfach aufgebaut ist und dabei zuverlässig ein ausreichend genaues Messsignal liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Messverfahren, das mit dem erfindungsgemäßen Sensor durchgeführt werden kann, sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Grundlegende Idee der Erfindung ist es, der auf die Oberfläche einwirkenden Kraft eine Federung als Rückstellkraft entgegenzusetzen und die Auslenkung der Oberfläche infolge der Einwirkung der Kraft zu bestimmen. Ein weiterer prinzipieller Aspekt der Erfindung ist es, die Auslenkung in der vertikal zur Oberfläche ausgerichteten Z-Richtung in eine Auslenkung in eine quer dazu verlaufende Richtung, beispielsweise in X-Richtung zu überführen. Dies gelingt mit Hilfe eines an einem Ende fixierten Federstabs, der mit der Oberfläche oder der Federung mechanisch verbunden ist. Eine Auslenkung der nachgebenden Oberfläche führt dann zu einer Auslenkung des Federstabs, die am freien Ende des Federstabs maximal ist. Das freie Ende des Federstabs ist Teil eines Sensorsystems, welches ein Sensorelement umfasst. Bei Auslenkung des Federstabs ändert sich die Position seines freien Endes relativ zum Sensorelement.

Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass er im wesentlichen parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist und so mit geringer Bauhöhe verwirklicht werden kann. Durch den an einem Ende befestigten Federstab wird eine verstärkte Auslegung des Endes des Federstabs erhalten. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Sensor eine relativ einfache „Mechanik" aufweist, die die einwirkende Kraft in eine für das Sensorelement detektierbare Auslenkung oder Bewegung umsetzt, wobei die Umsetzung mit oder ohne Übersetzung in ein kleineres oder größeres Signal (Auslenkung) erfolgen kann. Das Sensorelement ist so ausgebildet, dass es einen Messwert ausgibt, der abhängig von der Relativposition des freien Endes des Federstabs relativ zum Sensorelement ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement als induktives Sensorelement ausgebildet. Es umfasst z.B. eine Spule, in der das Ende des Federstab entlang der Hauptachse der Spule beweglich angeordnet ist. In diesem Fall umfasst zumindest das freie Ende des Federstabs ein magnetisches Material. Möglich ist es auch, den gesamten Federstab aus magnetischem Material auszubilden, beispielsweise aus Volleisen. Das Ende des Federstabs stellt dann beispielsweise den magnetischen Kern der Spule dar. Möglich ist es dabei, die Spule zusätzlich mit einem das Sensorelement umschließenden Schalenkern zu versehen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das Sensorelement ebenso wie das fixierte Ende des Federstabs relativ zueinander fixiert sind, nach Möglichkeit so, dass die Auslenkung der Oberfläche ohne Einfluss auf die Position des Sensorelements ist.

Indem sich das freie Ende des Federstabs entlang der Hauptachse der Spule als magnetischer Kern zumindest teilweise in die Spule hinein- und herausbewegt, wird die Induktivität der Spule beeinflusst. Einem an die Spulenwicklung angelegten Strom, beispielsweise einem Wechselstrom setzt die Spule dann einen von der Position des Federstab-Endes abhängigen Widerstand entgegen.

Die Ansteuerung des Sensorelements beziehungsweise die Beaufschlagung der magnetischen Spule mit einem Messstrom erfolgt mit einer elektrischen Schaltung, die mit dem Sensorelement elektrisch verbunden ist. Diese Schaltung ist beispielsweise als Signalprozessor ausgebildet und liefert ein Messsignal, das vom Wert der Induktivität des Sensorelements abhängig ist. Dabei ist es möglich, die elektrische Schaltung so auszuführen, dass das erhaltene Messsignal in einer linearen Abhängigkeit von der Auslenkung der Oberfläche steht, die elektrische Schaltung also eine Linearisierung des insgesamt nicht-linearen Sensorsystems bewerkstelligt.

Zur weiteren Auswertung des Messsignals kann die elektrische Schaltung mit einem Mikroprozessor verbunden sein. Dieser kann das Messsignal alleine oder gegebenenfalls in mathematischer Verknüpfung mit anderen Messwerten bearbeiten. Dieser kann beispielsweise in einen Istwert überführt werden und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Dieser Sollwert kann beispielsweise einen Schwellwert darstellen, bei dessen Überschreiten ein Schaltvorgang in einer elektrischen Einrichtung ausgelöst wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor mit einer Diagnoseeinrichtung verbunden. Eine solche ist beispielsweise in all den Fällen erforderlich, in denen der Sensor sicherheitsrelevante Daten erfasst, bei denen ein Fehler in der Erfassung der Daten zu gefährlichen Situationen führen könnte.

Eine einfache Diagnoseeinrichtung für einen induktiven Sensor kann erfindungsgemäß einen magnetischen Diagnosekern umfassen, der mit einem elektromechanischen Aktor bewegt wird und auf die Induktivität des Sensorelements in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen Sensorelement und Diagnosekern einwirkt. Vorzugsweise wird für den Diagnosekern eine lineare Führung mit zwei Anschlägen vorgesehen, die zwei definierte Relativpositionen des Diagnosekerns relativ zum Sensorelement darstellen. In der linearen Führung ist der Diagnosekern zumindest teilweise in die Spule des Sensorelements hinein und hinaus bewegbar. Die beiden definierten Relativpositionen sind dann definierten Induktionswerten des Sensorelements beziehungsweise definierten Induktivitätsänderungen zugeordnet. In einem z.B. regelmäßig durchgeführten Diagnosezyklus kann daher die Induktivität des Sensorelements für die beiden definierten Relativpositionen des Diagnosekerns bestimmt werden. Vorzugsweise wird der Diagnosezyklus bei definierter Relativposition zwischen dem Ende des Federstabs und dem Sensorelement durchgeführt. Es kann dann z.B. von einem definierten Induktivitätswert ausgegangen werden, bei dem keine Kraft auf die Oberfläche einwirkt und dementsprechend keine Auslenkung des Federstabs stattfindet.

Möglich ist es aber auch, den Diagnosezyklus bei einer beliebigen Auslenkung und daher bei einem beliebigen durch das Ende des Federstabs bestimmten Induktivitätswert der Spule den Diagnosezyklus zu starten. Da sich die Induktivität nicht linear mit der Relativposition ändert, ist die durch den Diagnosezyklus erreichte Diagnoseänderung in einer nicht-linearen Funktion vom Ausgangswert abhängig. Diese nicht-lineare Funktion kann in einer Zuordnungstabelle festgelegt sein, die Abhängig vom induktiven Ausgangswert den Endwert vorgibt, der der Induktivitätsänderung durch den bewegten Diagnosekern entspricht. Die Diagnoseeinrichtung prüft dann, ob die mit dem Diagnosekern erreichte Induktivitätsänderung im Rahmen einer gewünschten bzw. tolerierbaren Wertebereichs liegt. Ergibt der Diagnosezyklus, dass die Induktivitätsänderung außerhalb des Toleranzbereiches liegt, können sicherheitsrelevante Schaltfunktionen gestoppt werden beziehungsweise ein Schaltzustand eingestellt werden, der auch bei Nicht-Funktion des Sensors eine maximale Sicherheit gewährleistet. Wird der Sensor beispielsweise dazu benutzt, eine auf einem Kfz-Sitz sitzende Person zu detektieren, um die Auslösung des Airbags bei einem Unfall freizugeben, so kann die eine Fehlfunktion des Sensors detektierende Diagnoseeinrichtung die Auslösung des Airbags unterdrücken, um eine Gefährdung von Kindern zu vermeiden, die möglicherweise als solche unerkannt auf dem entsprechenden Fahrzeugsitz Platz genommen haben.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors in einem Kfz-Fahrzeugsitz hat den Vorteil, dass er besonders einfach mit der dort vorhandenen Federung des Fahrzeugsitzes mechanisch verbunden werden kann. Die Verbindung mit der Federung kann für einen einzigen Federstab an mehreren unterschiedlichen Orten erfolgen. Dazu kann ein mehrarmiges Verbindungselement verwendet werden. Auf diese Weise gelingt es, mit einem einzigen Federstab und damit mit einem einzigen Sensorelement die Auslenkung der Oberfläche an unterschiedlichen Punkten zu erfassen. Ist das Verbindungselement geeignet starr, so kann über unterschiedliche Auslenkungen gemittelt werden und so auf eine mittlere Belastung beziehungsweise eine mittlere auf die Oberfläche einwirkende Kraft geschlossen werden. Dies hat auch den Vorteil, dass zu starke Auslenkungen des Endes des Federstabs vermieden werden, da stets eine Mittelung über die Auslenkungen der Oberfläche beziehungsweise der Federung an allen mit dem Federstab verbundenen Punkten gemittelt wird.

Die Verbindungspunkte des Verbindungselements mit der Federung können so über die Oberfläche verteilt sein, dass ausschließlich an den Punkten detektiert wird, die einer normalen Belastung durch eine auf dem Sitz sitzende Person entspricht. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein personenuntypisches Gewichtsprofil, wie es beispielsweise einer schweren flachen Last entspricht, die den Sitz beispielsweise nur in Randbereichen belastet, zu einer fälschlichen Detektion einer Person führt.

Möglich ist es jedoch auch, im Fahrzeugsitz mehrere mit je einem Federstab verbundene Sensorelemente vorzusehen, die an unterschiedlichen Stellen mit der Federung oder der Oberfläche des Sitzes verbunden sind, wobei die Summe aller Sensorelemente ein von der zweidimensionalen Kraftverteilung und damit vom Ort der Belastung abhängiges Messsignal liefern.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

1 zeigt im Querschnitt die Wechselwirkung einer ausgelenkten Oberfläche mit einem erfindungsgemäßen Sensor,

2 zeigt eine Variante des Sensors mit Kraftumlenkung,

3 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel des Sensors in einem Fahrzeugsitz,

4 zeigt eine Anwendung im Fahrzeugsitz mit Kraftmittelung,

5 zeigt die Verbindung des Federstabs mit der Federung über ein mehrarmiges Verbindungselement in der Draufsicht,

6 zeigt die Kraftmittelung mit Hilfe eines Verbindungselements,

7 zeigt ein Sensorelement samt Diagnoseeinrichtung im Querschnitt,

8 zeigt schematisch einen Funktionsblock zum Betreiben und Auswerten des Sensors.

1 zeigt anhand einer schematischen Skizze die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors. Auf die Oberfläche OF, die starr oder verformbar sein kann, wirkt eine Kraft EK ein, die mit dem erfindungsgemäßen Sensor bestimmt werden soll. Der einwirkenden Kraft EK wirkt eine Federung F mit einer Rückstellkraft RK entgegen. Ein Federstab FS ist an einem Ende relativ zu einem äußeren Bezugssystem BS fixiert. Das freie Ende des Federstabs ist beweglich. In einer von beiden Enden des Federstabs FS entfernten Position ist der Federstab mit der Oberfläche OF oder alternativ mit der Federung F so verbunden, dass eine Auslenkung der Oberfläche OF zu einer Auslenkung AL des Federstabs führt. Die Verbindung kann direkt oder mit Hilfe eines Verbindungselements VE erfolgen.

Die einseitige Befestigung des Federstabs führt bei einwirkender Kraft EK zu einer Auslenkung des freien Ende des Federstabs, der eine Relativbewegung RB entlang des dargestellten Doppelpfeils durchführt. Ebenfalls mit dem Bezugssystem BS fest verbunden ist ein Sensorelement SE, welches durch die Relativbewegung RB des Federstab-Endes seine Relativposition zu diesem ändert. Die Verbindung des Federstabs FS mit der Oberfläche OF oder der Federung F kann mit Hilfe eines Verbindungselements VE erfolgen.

Während in 1 eine Relativbewegung RB des Federstab-Endes parallel zur Auslenkung AL des Federstabs FS erfolgt, ist in 2 eine weitere Ausführungsmöglichkeit für den Sensor angegeben. Hier wird die Auslenkung AL des Federstabs an einer mittleren Position in eine quer dazu verlaufende Relativbewegung RB des freien Endes des Federstabs umgewandelt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das freie Ende des Federstabs FS in einer Führung, vorzugsweise innerhalb des Sensorelements SE beweglich ist, die nur eine Relativbewegung RB quer zur Auslenkung ermöglicht. Diese Variante hat den Vorteil, dass auch Auslenkungen AL mit ihrer vertikalen Komponente erfasst werden, die nicht ausschließlich vertikal gegen die Ausrichtung des Federstabs FS wirken.

3 zeigt eine vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemäßen Sensors im gepolsterten Sitz eines Kraftfahrzeugs. Unterhalb der Oberfläche OF des Sitzes findet sich eine Federung F, die beispielsweise in Form flacher Zick-Zack-Federn ausgebildet ist, die parallel zur Oberfläche OF verlaufen und mit einem starren äußeren Bezugssystem BS, beispielsweise mit dem Gestänge des Sitzes verbunden sind. Mit diesem Bezugssystem BS ist auch ein Federstab FS einseitig verbunden. Das andere „freie" Ende des Federstabs steckt in der Führung eines Sensorelements SE, die ebenfalls mit dem Bezugssystem BS beziehungsweise dem Gestänge des Sitzes verbunden ist. In einem mittleren Bereich ist der Federstab FS über ein Verbindungselement VE mit der Federung F verbunden. Eine einwirkende Kraft EK führt zu einer Auslenkung der Federung F und damit zu einer Auslenkung des Federstabs FS. Das in der Führung des Sensorelements SE befindliche freie Ende des Federstabs macht dabei gemäß des in 2 dargestellten Prinzips eine Relativbewegung RB quer zur einwirkenden Kraft mit und verändert dabei seine Relativposition zum Sensorelement SE.

4 zeigt eine Variante der Ausführung von 3, wobei der Federstab FS mit Hilfe eines mehrarmigen Verbindungselementes VE an mehreren über die Oberfläche OF des Sitzes verteilten Punkten mit dieser oder hier vorzugsweise mit der Federung F verbunden ist. Das Verbindungselement ist starr ausgebildet und liefert eine Auslenkung des Federstabs, die eine Mittelung der Auslenkung der beiden Befestigungspunkte BP1 und BP2 darstellt.

In 6 ist die Mittelung dieser Auslenkungen anhand eines einfachen Diagramms verdeutlicht. Dargestellt ist eine erste Auslenkung AL1 und eine zweite Auslenkung AL2, die wesentlich geringer ist. Eine Mittelung zwischen diesen beiden Auslenkungen führt zu einer mittleren Auslenkung ALm, die ungefähr der Auslenkung des Mittelpunktes zwischen den beiden durch Pfeile dargestellten Auslenkungen AL1 und AL2 entspricht. Die Mittelung erfolgt, indem die Endpunkte der beiden Auslenkungen über das starre Verbindungselement VE verbunden sind, wobei die Verbindung mit dem Federstab am Punkt M erfolgt.

5 zeigt eine mögliche Ausführung einer solchen Befestigung anhand einer schematischen Draufsicht. Das starre Bezugssystem BS ist durch den Rahmen des Sitzes dargestellt, an dem auch die hier in Form von flachen Zick-Zack-Federn ausgebildete Federung F befestigt ist. Auch der Federstab FS ist einseitig (links) mit dem Bezugssystem beziehungsweise dem Gestänge des Sitzes verbunden. Am anderen Ende des Federstabs ist das Sensorelement SE ebenfalls mit dem Bezugssystem BS verbunden.

Das Verbindungselement VE ist hier als vierarmige Spinne ausgebildet, die in der Mitte mit dem Federstab verbunden ist. An den Enden der Arme des Verbindungselementes VE ist dieses an vier Punkten mit der Federung F verbunden. Das Verbindungselement VE kann beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein. Es weist eine möglichst hohe Steifigkeit gegen ein Verbiegen aus der Ebene der Federn bzw. Arme heraus auf sowie eine geringe Steifigkeit innerhalb dieser Ebene auf. Vorzugsweise ist das Verbindungselement VE so ausgeführt, dass es sowohl am Ende der Arme in einfacher Weise mit der Federung verbunden werden kann als auch in der Mitte mit dem Federstab, beispielsweise durch Clip-Elemente, die den Federstab umschließen und gegenseitig ineinander einrasten können.

7 zeigt ein Sensorelement SE mit angeschlossener Diagnoseeinrichtung DE im schematischen Querschnitt. Das Sensorelement SE ist als elektromagnetische Spule ausgebildet. Sie umfasst eine Wicklung W, die auf einem Wickelkörper WK aufgewickelt ist. Im Inneren des Wickelkörpers WK beziehungsweise der Wicklung ist das Ende des Federstabs FS frei beweglich und kann dort eine erste Relativbewegung RB1 parallel zur magnetischen Hauptachse der Spule durchführen. Vorzugsweise ist die Spule in einen magnetischen Schalenkern SK eingebettet, beispielsweise in einen zweiteiligen Ferrit-Schalenkern, um die magnetischen Eigenschaften der Spule zu verbessern und zu stabilisieren.

Die Diagnoseeinrichtung DE ist an das Sensorelement SE angeschlossen. Sie umfasst einen Aktor AK, der einen Diagnosekern DK relativ zum Sensorelement SE bewegen kann, wobei dieser eine Relativbewegung RB2 relativ zum Aktor AK entlang des eingezeichneten Doppelpfeils durchführen kann. Der Diagnosekern DK ist ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet.

Im Inneren der Spule des Sensorelements SE ist ein erster Anschlag vorgesehen, der die Bewegung des Diagnosekerns DK in die Spule hinein begrenzt. Ein zweiter Anschlag kann für den Diagnosekern DK im Inneren des Aktors vorgesehen sein, um eine zweite Relativposition zu definieren. Es ist aber auch möglich, dass sich der Diagnosekern im Inneren des Aktors bzw. im Magnetfeld der Diagnosespule selbst zentrieren und so eine definierte Position außerhalb der Messspule einnehmen kann bzw. so einen definierten Beitrag zur Induktivität des Sensorelements liefert, vorzugsweise einen Beitrag 0.

Vorzugsweise ist der Aktor ein elektromechanischer Aktor, beispielsweise eine weitere Spule, die bei Beaufschlagung mit einem Gleichstrom den magnetischen Diagnosekern DK in das Innere der Spule zu ziehen vermag. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine der beiden Relativpositionen, in denen sich der Diagnosekern an den beiden Anschlägen befindet, die Ausgangsposition darstellt, in der der Kern mit Hilfe einer nicht magnetischen Spiralfeder SF gehalten werden kann. Vorzugsweise wird der Diagnosekern durch die Spiralfeder, die im Inneren des hohl ausgebildeten Diagnosekerns verläuft, am linken Anschlag gehalten und so in dieser Relativposition fixiert. Ist der elektromechanische Aktor AK als magnetische Spule ausgebildet, so ist er vorzugsweise ebenfalls in einem magnetischen Schalenkern eingebettet.

In der 7 nicht dargestellt ist ein nicht magnetisches Gehäuse, in dem Sensorelement und Aktor gemeinsam angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Federstab insgesamt aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet, beispielsweise aus einer Volleisenblattfeder. Vorzugsweise ist der Federstab FS mit einer Kunststoffumhüllung versehen, die im Querschnitt eine Profilierung, beispielsweise ein I-förmiges Profil aufweisen kann. Dieses Profil kann die Beweglichkeit beziehungsweise Flexibilität des Federstabs FS definieren und außerdem das Verbinden mit dem Verbindungselement erleichtern. Am Verbindungspunkt mit dem Verbindungselement VE kann der Federstab dazu eine entsprechende für die Verbindung geeignete Ausformung aufweisen, beispielsweise eine Ausnehmung innerhalb der Kunststoffummantelung.

8 zeigt einen Funktionsblock, in dem die Ansteuerungen des Sensorelements SE und die Auswertung der Sensorsignale und die Verbindung mit elektrischen Einrichtungen schematisch dargestellt sind. Das beispielsweise als Spule ausgebildete Sensorelement SE wird über eine elektrische Schaltung ES, die in einem Signalprozessor realisiert ist, mit einem Strom beaufschlagt, um ein Magnetfeld innerhalb der Spule zu erzeugen. Die Induktivität der Spule wird innerhalb der elektrischen Schaltung ES bestimmt und in ein elektrisches Messsignal überführt, welches einen Mikro-Controller MC zugeführt wird. Vorzugsweise ist die elektrische Schaltung ES beziehungsweise der Signalprozessor thermisch mit dem Sensorelement SE gekoppelt, so dass eine thermische Kompensation der temperaturabhängigen Induktivitätsveränderung des Sensorelements SE vorgenommen werden kann. Dies ermöglicht die Integration eines Thermosensors, der thermisch an das Sensorelement gekoppelt ist. Mit Hilfe der Signale des Thermosensors kann dann die Auswirkung der Temperatur auf das Messsignal in der elektrischen Schaltung ES oder im Micro-Controller MC kompensiert werden.

Das erhaltene Messsignal kann außerdem innerhalb der elektrischen Schaltung ES linearisiert werden, sodass das Messsignal linear von der zu bestimmenden einwirkenden Kraft EK beziehungsweise von der durch sie bewirkten Auslenkung AL abhängig ist.

Der Mikro-Controller MC kann das Messsignal mit von anderen Quellen herrührenden Messwerten verknüpfen, einen Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert durchführen und als Ergebnis des Vergleichs einen logischen Parameter „wahr" oder „falsch" liefern. In Abhängigkeit vom Wert dieses logischen Parameters kann in einer elektrischen Einrichtung EE eine Schaltung durchgeführt werden oder nicht. Die elektrische Einrichtung kann beispielsweise einen Airbag steuern. Mit dem Schaltvorgang kann das Auslösen des Airbags verhindert werden für den Fall, dass der Fahrzeugsitz entweder überhaupt nicht belastet ist, sodass der Airbag nicht auslösen muss. Im Fall einer geringen Belastung, beispielsweise durch ein Kind, ist das Auslösen des Airbags aus Sicherheitsgründen zu unterbinden. Im Falle einer nicht personentypischen Belastung der Oberfläche und damit einer nicht typischen Auslenkung der Oberfläche, kann ebenfalls auf das Auslösen des Airbags im Falle eines Crashs verzichtet werden.

Der Mikro-Controller MC kann außerdem die Diagnoseeinrichtung DE steuern. Die Steuerung gibt den Diagnosezyklus vor, in dem eine Diagnose des Sensorelements SE durchgeführt wird. Die Diagnosezyklen können innerhalb festgelegter Zeitintervalle erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, die Diagnosezyklen an weitere Betriebsparameter des Fahrzeuges anzupassen, da eine einmal detektierte Person auf dem Kfz-Sitz zu einer über die ganze Fahrdauer beziehungsweise -Strecke gültigen Einstellung der Airbag-Einstellungen führt. Der Mikro-Controller betätigt die Diagnoseeinrichtung beziehungsweise die Bewegung des Diagnosekerns, ermittelt die dadurch ausgelöste Induktivitätsveränderung, vergleicht diese mit dem Sollwert und erzeugt Informationen über den gewünschten Schaltvorgang der elektrischen Einrichtung EE. Der Mikro-Controller MC kann zusätzlich auch einen Look-up-Table beinhalten, indem jedem möglichen, vom Sensorelement SE gelieferten Induktivitätswert eine davon abhängige Induktivitätsänderung aufgrund des Diagnosezyklus zugeordnet wird. Damit ist es möglich, die Diagnose auch bei Auslenkung des Federstabs und damit bei einem vom Ausgangspunkt unterschiedlichen Induktivitätswert zu ermitteln.

8 verdeutlicht nur die Verknüpfungen zwischen den Elementen. In einem Fahrzeug sind die Elemente vorzugsweise an ein Bus-System angeschlossen, über den der gesamte Informationsaustausch und der Datenfluss erfolgt.

Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf diese beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegen beliebige andere Anwendungen, die zur Ermittlung einer einwirkenden Kraft auf eine gegebenenfalls auch starre Oberfläche eingesetzt werden können. Daher kann die Erfindung auch in Waagen angewendet werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, die Höhe der auf die Oberfläche einwirkenden Kraft ohne Umlenkung der Auslenkung von einer vertikalen Auslenkung in eine horizontale Auslenkung direkt mit einem induktiven Sensorelement zuzuführen.

Die Umlenkung der Auslenkung von einer vertikalen in eine horizontale Relativbewegung kann dagegen mit einem beliebigen Sensorelement SE detektiert werden und hat den Vorteil, dass die Höhe des Gesamtsystems durch das Sensorelement nicht vergrößert wird und die horizontale Relativbewegung entlang der Achse durchgeführt werden kann, entlang der ausreichend Platz zur Verfügung steht. Über die Umlenkung kann außerdem der effektive Betrag der Auslenkung verändert und typischerweise verkleinert werden. Gleichzeitig kann über die Umlenkung eine zumindest teilweise Linearisierung erfolgen.

Eine Veränderung der Messgenauigkeit bzw. des Bereichs der erhaltenen Messwerte gelingt auch über eine Bemessung der Anzahl von Wicklungen, wenn ein induktives Sensorelement verwendet wird. Wird der erfindungsgemäße Sensor für Anwendungen eingesetzt, in denen stark unterschiedlich einwirkende Kräfte zu bestimmen sind, so kann ein Umschalten des Messbereichs durch Beaufschlagung zusätzlicher Wicklungen der Spule erfolgen. Es ist daher vorteilhaft, die Spule mit mehreren Wicklungen zu versehen, die einzeln oder in beliebigen Kombination parallel geschaltet mit Strom beaufschlagt werden können und so die Induktivität der Spule beeinflussen. Ein induktiver erfindungsgemäßer Sensor kann ein temperaturkompensiertes und damit temperaturunabhängiges Messsignal liefern, ist räumlich klein ausführbar, liefert ein zur bestimmenden Kraft lineares Messsignal mit einstellbaren Messbereich.


Anspruch[de]
  1. Sensor zur Bestimmung einer auf eine nachgebende Oberfläche (OF) einwirkenden Kraft (EK)

    – bei dem eine Federung (F) vorgesehen ist, die der einwirkenden Kraft eine Rückstellkraft (RK) entgegensetzt,

    – bei dem die Oberfläche oder die Federung mit einem quer zur einwirkenden Kraft angeordneten, an einem Ende fixierten Federstab (FS) mechanisch verbunden ist,

    – bei dem das freie Ende des Federstabs (FS) beweglich in einer Führung angeordnet ist, die eine Relativbewegung quer zur einwirkenden Kraft erlaubt, und

    – bei dem sich bei Einwirken der Kraft der Federstab durchbiegt und die Position seines freien Endes sich relativ zum Sensorelement quer zur einwirkenden Kraft ändert.
  2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem das freie Ende des Federstabs (FS) einen magnetischen Kern umfasst, der entlang seiner Hauptachse beweglich in einer Spule angeordnet ist, die Teil des induktiven Sensorelements (SE) ist.
  3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Induktivität des Sensorelements (SE) durch die Position des Sensorelements relativ zum freien Ende des Federstabs (FS) bestimmt ist.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Sensorelement (SE) mit einer elektrischen Schaltung (ES) verbunden ist, die das Sensorelement elektrisch ansteuert und dabei ein vom Wert der Induktivität des Sensorelements abhängiges Messsignal liefert.
  5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem die elektrische Schaltung(ES) mit einem Mikrocontroler (MC) verbunden ist, der das Messsignal alleine oder in mathematischer Verknüpfung mit einem anderen Messwert in einen Istwert überführt und diesen mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht.
  6. Sensor nach Anspruch 5, bei dem der Mikrocontroler (MC) mit einer elektrischen Einrichtung (EE) verbunden ist, die in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs des Istwerts mit dem Sollwert einen Schaltvorgang ausführt.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Sensorelement (SE) mit einem elektromechanischen Aktor (AK) verbunden ist, der einen magnetischen Diagnosekern (DK) bewegt, der auf die Induktivität des induktiven Sensorelements in Abhängigkeit von dessen relativer Position dazu einwirkt.
  8. Sensor nach Anspruch 7, bei dem für den Diagnosekern (DK) eine lineare Führung mit zwei Anschlägen vorgesehen ist, in der der Diagnosekern zumindest teilweise in das Innere der zum Sensorelement (SE) gehörenden Spule hinein- und herausbewegbar ist die zwei Anschläge für definierte Relativpositionen des Diagnosekerns relativ zum Sensorelement vorgesehen sind.
  9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die genannte Oberfläche (OF) die Sitzfläche eines gepolsterten Sessels ist, deren Federelemente die genannte Federung (F) darstellen.
  10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die genannte Oberfläche (OF) verformbar ist, bei dem der Federstab (FS) über ein spinnenartiges Verbindungselement (VE) an mehreren über die Fläche verteilten Punkten mit der Federung (F) verbunden ist.
  11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem mehrere mit je einem Federstab (FS) verbundene Sensorelemente (SE) vorgesehen sind, die an unterschiedlichen Stellen mit der Federung (F) oder der Oberfläche (OF) verbunden sind, wobei die Summe aller Sensorelemente ein von der zweidimensionalen Kraftverteilung und damit ein vom Ort unabhängiges Messsignal liefert.
  12. Verfahren zur Bestimmung einer auf eine nachgebende Oberfläche (OF) einwirkenden Kraft (EK),

    – bei dem eine Federung (F) unterhalb der Oberfläche (OF) als Rückstellkraft der Vertikalkomponente der Kraft entgegenwirkt

    – bei dem die einwirkende Kraft eine Durchbiegung eines einseitig fixierten und quer zur Oberfläche angeordneten Federstabs (FS) und damit eine Auslenkung (AL) des freien Endes des Federstabs quer zur Oberfläche bewirkt und

    – bei dem das freie Ende des Federstabs in einem Sensorelement (SE) ein von seiner Relativposition dazu abhängiges Messsignal liefert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein induktives Sensorelement (SE) verwendet wird, wobei das freie Ende des Federstabs (FS) ein magnetisches Material umfasst, das den Wert der Induktivität einer magnetischen Spule des Sensorelements beeinflusst.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das freie Ende des Federstabs (FS) in einer magnetischen Spule entlang deren magnetischer Hauptachse angeordnet ist und durch die Auslenkung und die damit verbundene Durchbiegung des Federstabs entlang der magnetischen Hauptachse bewegt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das vom Sensorelement (SE) gelieferte Messsignal einem Istwert zugeordnet wird, bei dem in einer Überprüfung, ob der Istwert einen vorgegebenen Sollwert übertrifft, der logische Wert WAHR oder FALSCH geliefert wird, und bei dem ein Schaltvorgang durchgeführt wird, wenn der Wert FALSCH geliefert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Auslenkung (AL) eines Polstersitzes in einem KfZ bestimmt wird, und bei dem mit dem Schaltvorgang die Auslösung des Airbags gesperrt wird.
  17. Diagnoseverfahren für einen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

    – bei dem das Sensorelement (SE) mit einer Diagnoseeinrichtung (DE) verbunden ist,

    – bei dem in einem Diagnosezyklus ein Diagnosemittel (DK) zwischen zwei definierten Relativpositionen zum Sensorelement bewegt wird und dabei das vom Sensorelement gelieferte Messsignal verändert

    – bei dem die Veränderung des Messsignals mit einem vorgegebenen Toleranzintervall verglichen wird und

    – bei dem, falls die Veränderung das Toleranzintervall überschreitet, ein Schaltvorgang durchgeführt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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