DE10132922B4

DE10132922B4 - Verformungssensor, insbesondere Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür

Info

Publication number: DE10132922B4
Application number: DE2001132922
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Voigtländer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: DE10132922A1

Abstract

Verformungssensor, insbesondere Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür, wobei der Verformungssensor einen ersten geometrischen Aufbau, dessen Verformung eine Resonanzverstimmung verursacht, die zur Erfassung der Verformung herangezogen wird, und einen zweiten geometrischen Aufbau aufweist, wobei der erste geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f1 und der zweite geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f2 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten geometrischen Aufbau (41) ein erster Oszillator (43) und dem zweiten geometrischen Aufbau (42) ein zweiter Oszillator (44) zugeordnet ist, und dass Mittel (45) zum Mischen der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2, ein Tiefpassfilter (46) zum Entkoppeln einer durch Mischung der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 erhaltenen Spannung und eine Auswerteschaltung (47), der die tiefpassgefilterte Spannung zugeführt wird, vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verformungssensor, insbesondere einen Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 42 42 230 A1 bekannt.

Verformungssensoren werden beispielsweise eingesetzt, um bei der durch einen Unfall bedingten Verformung einer Fahrzeugtür einen Airbag zu zünden. Beispielsweise wurde auf der Mikrowellenkonferenz in Boston (International Microwave Symposium 2000, 11. bis 16. Juni 2000, IEEE Cat. No. 00CH37017, ISSN 0149-645X) ein Türverformungssensor vorgestellt, der in 1 schematisch dargestellt ist. Dieser Verformungssensor weist einen Radarreflektor 18 auf, der im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist und eine abgerundete Spitze aufweist. Der Radarreflektor 18 ist über zwei Federbeine 14, 16 mit Gummitülle gelagert, die auf einer Al₂O₃-Keramik 10 angeordnet sind. Diese Al₂O₃-Keramik 10 trägt weiterhin eine SiGe-Schaltung 12. Die Arbeitsfrequenz der SiGe-Schaltung 12 beträgt 24 GHz. Alternativ kann auch eine nicht dargestellte diskrete Schaltung zum Einsatz kommen, die eine Arbeitsfrequenz von 61 GHz aufweist. Der in 1 dargestellte Verformungssensor ist ungefähr 4 cm tief und wird während eines Unfalls zusammengedrückt. Dabei liefert er auf dem Weg von 4 auf 3 cm ein elektrisches Signal, das zur Erkennung des Unfalls und zum Zünden des Airbags dient. Basierend auf einer Dopplermessung eines Radarsensors wird die Geschwindigkeit der Verformung gemessen und die Nulldurchgänge werden ausgewertet. Bei einer Frequenz von 24 GHz ergeben sich zwei Nulldurchgänge, während sich bei einer Frequenz von 62 GHz fünf auswertbare Nulldurchgänge ergeben. Dies stellt eine für eine Signalverarbeitung kleine und unsichere Datenbasis dar. Weiterhin ist es mit dem in 1 dargestellten bekannten Sensor schwierig, einen Schlag von einem tatsächlichen Unfall unterscheiden zu können. Ein Unfall mit 10 m/s ergibt eine Auswertezeit von 1 Millisekunde, während ein Unfall mit 50 m/s lediglich eine Auswertezeit von 0,2 Millisekunden ergibt.

Aus der eingangs genannten DE 42 42 230 A1 ist eine Sensoreinrichtung zum Erkennen eines seitlichen Aufpralls auf ein Kraftfahrzeug bekannt. Dabei weist die Sensoreinrichtung eine Oszillatorschaltung mit einem frequenzbestimmenden Kondensator auf, die mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler zusammengeschaltet ist, um eine von der Frequenz der Oszillatorschaltung abhängige elektrische Spannung abzugeben. Bei der vorgeschlagenen Sensoreinrichtung besteht nicht die Möglichkeit, sowohl einen Schlag als auch einen Unfall detektieren und voneinander unterscheiden zu können.

Des weiteren sind folgende Druckschriften dem Stand der Technik zuzurechnen: DE 43 08 353 C1 zeigt einen Unfallsensor, der mehrere parallele elektrisch leitende Streifen aufweist, deren Verformung bei einem Unfall messbare Widerstands- und/oder Kapazitätsänderungen bewirkt. Aus DE 92 15 377 U1 ist ein Sensor zur Detektierung von Fahrzeugunfällen bekannt, der zwei elektrische Schaltelemente mit unterschiedlichen Schaltschwellen aufweist, die bei einem Unfall durch Deformation des Sensors betätigt werden. DE 89 14 777 U1 zeigt den Aufbau eines kapazitiven Verformungssensors. Aus DE 37 29 021 C2 ist eine Auslösevorrichtung für eine Fahrzeuginsassen-Rückhalteeinrichtung bekannt, die mehrere Elektroden aufweist, die an Karosserieteilen des Fahrzeugs angeordnet werden und Verformungen als Signale an eine Sensorelektronik weitergeben. DE 37 16 168 A1 befasst sich mit einem Sensor für eine Sicherheitseinrichtung von Kraftfahrzeugen, der die Signale zweier in geringem Abstand bezüglich einer zur Außenhaut senkrechten Richtung angeordneter Deformationssignalelemente auswertet, um einen Unfall zu detektieren. In „Instruments & Control Systems, 39, Heft 11, 1966, Seiten 83 und 84" ist beschrieben, wie sich genaue Abstandsmessungen mit einem Luftspalt-Kondensator durchführen lassen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verformungssensor sind einem ersten geometrischen Aufbau ein erster Oszillator und einem zweiten geometrischen Aufbau ein zweiter Oszillator zugeordnet, und es sind Mittel zum Mischen einer ersten Arbeitsfrequenz des ersten geometrischen Aufbaus und einer zweiten Arbeitsfrequenz des zweiten geometrischen Aufbaus, ein Tiefpassfilter zum Entkoppeln einer durch Mischung der ersten Arbeitsfrequenz und der zweiten Ar beitsfrequenz erhaltenen Spannung und eine Auswerteschaltung, der die tiefpassgefilterte Spannung zugeführt wird, vorgesehen. Dadurch wird ein Verformungssensor aufgezeigt, der eine höhere Auswertesicherheit bietet und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist. Zudem ist das Vorsehen des zweiten geometrischen Aufbaus zur Kompensation von Temperatureffekten und zur Vereinfachung der Auswertung vorteilhaft: Beispielsweise kann ein geometrischer Aufbau dem Türblech derart zugewandt eingebaut werden, dass er bei einem Unfall eingedrückt wird. Der zweite geometrische Aufbau kann beispielsweise Rücken an Rücken zum ersten geometrischen Aufbau angeordnet werden, wobei die Auswerteschaltungen vorzugsweise innen liegen. Bei einem Unfall wird der erste geometrische Aufbau bei dieser Einbaulage eingedrückt, während der zweite geometrische Aufbau als Referenz bis zur Airbagauslösung vorzugsweise nicht beschädigt wird. Im Regelbetrieb sind die erste Arbeitsfrequenz und die zweite Arbeitsfrequenz aufeinander abgeglichen. Durch die Mischung der beiden Arbeitsfrequenzen ergibt sich eine Spannung. Sofern die Arbeitsfrequenzen abgeglichen sind, ist diese Spannung eine Gleichspannung, während sich eine Wechselspannung ergibt, wenn ein Frequenzversatz vorliegt. Die Resonatoren können beispielsweise auf eine Frequenzverstimmung von 1 bis 100 MHz bei einem Weg von 10 mm ausgelegt werden. Im Falle eines Türverformungssensors kann der zeitliche Verlauf der Frequenzveränderung bei einem Unfall durch die Auswerteschaltung erkannt und weitergeleitet werden. Aus dem Verlauf kann auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Verformungseintritt und die Art der Verformung berechnet werden. Bei einem Schlag kehrt die erste Arbeitsfrequenz f1 in ihre Ruhelage zurück und kann als solche erkannt werden. Damit kann ein Unfall mit relativ großer Sicherheit von einem Schlag unterschieden werden, was bei dem eingangs erläuterten bekannten Verformungssensor problematisch ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann vorgesehen sein, dass der erste geometrische Aufbau einen Resonator mit einer Geometrie umfasst, deren Verformung die Resonanzverstimmung hervorruft. Im Falle eines Türverformungssensors ist zumindest der Resonator in der Tür angeordnet.

Es kann vorgesehen sein, dass der Resonator durch ein dosenförmiges Element gebildet ist. In diesem Fall kann der Resonator über die Geometrie des dosenförmigen Elementes abgestimmt werden.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das dosenförmige Element zumindest einen Wandabschnitt aufweist, der bei der Verformung der Geometrie des Resonators gefaltet wird. Im Falle eines zylinderförmigen Resonators kann der Wandabschnitt durch den gesamten Zylindermantel oder bestimmte Abschnitte des Zylindermantels gebildet sein.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor weiterhin vorgesehen, dass der zumindest eine Wandabschnitt Sollfaltlinien aufweist. Diese Sollfaltlinien können im Falle eines zylinderförmigen Resonators beispielsweise dadurch vorgesehen werden, dass der Zylindermantel zickzackartig vorgefaltet wird.

Dabei ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass der zumindest eine Wandabschnitt aus einem metallischen Material gebildet ist.

Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verformungssensors kann vorgesehen sein, dass der Reso nator zumindest abschnittsweise eine konische Geometrie aufweist. Eine konische Geometrie kann bei der Verformung des Resonators den Messeffekt verstärken.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Resonator eine erste Grundfläche aufweist, auf der Schaltungseinrichtungen angeordnet sind. Die Schaltungseinrichtungen können dabei beispielsweise Oszillator- und Auswerteschaltungen umfassen.

Insbesondere in diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Resonator eine einer ersten Grundfläche gegenüberliegende zweite Grundfläche aufweist, an der ein Metallstempel vorgesehen ist. Dabei ist der Metallstempel vorzugsweise gegenüber einer Oszillator- und Auswerteschaltung vorgesehen.

Dabei ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Grundfläche des Resonators aus einem metallischen Material gebildet sind. Zumindest eine der ersten und/oder zweiten Grundfläche kann im Falle eines Türverformungssensors in vorteilhafter Weise durch das Türblech gebildet sein.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann vorgesehen sein, dass eine Arbeitsfrequenz f wie folgt bestimmt wird:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante und 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators ist (ρ'₁₁ ≈ 1,841).

Bei einem dosenförmigen Resonator mit einem Dosendurchmesser von 60 mm und einer Dosenhöhe von 60 mm ergibt sich somit beispielsweise eine Arbeitsfrequenz von 5,8 GHz. Selbstverständlich lassen sich auch Dosen für 2,45 GHz, 10 oder 24 GHz konstruieren.

Weiterhin sehen bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verformungssensors vor, dass der erste geometrische Aufbau eine erste metallische Fläche und eine zweite metallische Fläche aufweist, die eine Kapazität bilden, wobei eine Verformung eine Kapazitätsänderung hervorruft.

In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste metallische Fläche zumindest durch Abschnitte einer Tür gebildet ist. In diesem Zusammenhang kann es zur Erhöhung der Kapazität vorteilhaft sein, den entsprechenden Abschnitt der Tür in Richtung auf die zweite metallische Fläche vorzuverlegen.

In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zweite metallische Fläche Bestandteil einer Schaltung ist, die auf FR4-Material aufgebracht ist. FR4 ist ein Kompositmaterial, das im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise angewendet werden kann. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung der SMD-Technologie.

Bei dem erfindungsgemäßen Verformungssensor kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Kapazitätsänderung direkt und/oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst wird. In jedem Fall kann es vorteilhaft sein, zumindest Teile einer entsprechenden Auswerteschaltung gemeinsam mit der zweiten metallischen Fläche auf dem bereits erwähnten FR4-Material vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen zum Stand der Technik zählenden Verformungssensor;
2 eine erste Ausführungsform eines Verformungssensors;
3 eine zweite Ausführungsform eines Verformungssensors; und
4 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform eines Verformungssensors veranschaulicht, bei dem zwei geometrische Aufbauten vorgesehen sind.
Der in 2 dargestellte Verformungssensor weist einen Resonator 20 auf, der in Form eines dosenförmigen Elements gebildet ist. Das dosenförmige Element weist Wandabschnitte 22, 23 auf, die bei einer Verformung der Geometrie des Resonators 20 gefaltet werden. Zu diesem Zweck sind Sollfaltlinien 24 vorgesehen, durch die sich ein zickzackartig gefalteter Zylindermantel ergibt. Die Wandabschnitte 22, 23 sind aus einem metallischen Material gebildet. Der Resonator 20 weist eine erste Grundfläche 21 auf, die aus einem metallischen Trägermaterial gebildet ist. Weiterhin weist der Resonator 20 eine zweite Grundfläche 25 auf, die durch einen Abschnitt eines Türblechs gebildet ist. An der zweiten Grundfläche 25 ist ein Metallstempel 26 vorgesehen. Gegenüberliegend vom Metallstempel 26 ist eine Oszillator- und Auswerteschaltung 27 vorgesehen. Die Arbeitsfrequenz f des in 2 dargestellten Resonators wird wie folgt bestimmt:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante und 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators und ρ'₁₁ ≈ 1,841 ist. Dadurch ergibt sich bei einer Resonatorhöhe von ungefähr 30 mm und einem Resonatordurchmesser von ungefähr 60 mm eine Arbeitsfrequenz f von ungefähr 5,8 GHz.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verformungssensors. Der in 3 dargestellte Resonator 30 des ersten geometrischen Aufbaus 30' weist eine erste metallische Fläche 36 und eine zweite metallische Fläche 37 auf, die eine Kapazität bilden. Diese Kapazität wird durch eine Verformung des Resonators 30 verändert und dient somit zur Erfassung einer Verformung. Die erste metallische Fläche 36 ist durch einen Abschnitt einer Tür 35 gebildet und in Richtung auf die zweite metallische Fläche 37 zu vorverlegt, um die Kapazität zu erhöhen. Der Abstand zwischen der ersten metallischen Fläche 36 und der zweiten metallischen Fläche 37 kann beispielsweise 10 bis 50 mm betragen. Die zweite metallische Fläche 37 ist Bestandteil einer SMD-Schaltung, die auf FR4-Material (31) aufgebracht ist. Eine Kapazitätsänderung kann direkt oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst werden.
4 zeigt ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform eines Verformungssensors veranschaulicht, bei dem zwei geometrische Aufbauten vorgesehen sind. Dabei sind zur Kompensation von Temperatureffekten und zur Vereinfachung der Auswertung zwei Resonatoren 41', 42' vorgesehen, die beispielsweise den in den 2 und/oder 3 gezeigten Ausführungsformen entsprechen können. Dem ersten geometrischen Aufbau 41 ist ein erster Oszillator 43 zugeordnet, während dem zweiten geometrischen Aufbau 42 ein zweiter Oszillator 44 zugeordnet ist. Der erste geometrische Aufbau 41 beziehungsweise der erste Resonator 41' weist eine erste Arbeitsfrequenz f1 auf. Der zweite geometrische Aufbau 42 beziehungsweise der zweite Resonator 42' weist eine zweite Arbeitsfrequenz f2 auf. Im Regelbetrieb sind die erste Arbeitsfrequenz f1 und die zweite Arbeitsfrequenz f2 aufeinander abgeglichen. Mittel 45 mischen die beiden Frequenzen, wodurch sich bei einem Abgleich der Frequenzen eine Gleichspannung ergibt, während sich bei einem Frequenzversatz eine niedrige Wechselspannung ergibt. Die Spannung wird durch ein Tiefpassfilter 46 entkoppelt. Die tiefpassgefilterte Spannung wird einer Auswerteschaltung 47 zugeführt. Die Resonato ren 41', 42' können beispielsweise auf eine Frequenzverstimmung von 1 bis 100 MHz bei einem Weg von 10 mm ausgelegt werden. Mit der in 4 dargestellten Anordnung kann der zeitliche Verlauf der Frequenzveränderung bei einem Unfall durch die Auswerteschaltung erkannt und weitergeleitet werden. Aus dem Verlauf kann auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Verformungseintritt und die Art der Verformung berechnet werden. Bei einem Schlag kehrt die erste Arbeitsfrequenz f1 in ihre Ruhelage zurück und kann als solche erkannt werden.
Es ergibt sich so ein Verformungssensor, der sich preiswert aufbauen lässt, insbesondere bei der Verwendung von FR4-Material, und eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Auswertesicherheit bietet. Der beschriebene Verformungssensor ist insbesondere als Türverformungssensor geeignet.

Claims

Verformungssensor, insbesondere Verformungssensor zur Erfassung einer Verformung einer Kraftfahrzeugtür, wobei der Verformungssensor einen ersten geometrischen Aufbau, dessen Verformung eine Resonanzverstimmung verursacht, die zur Erfassung der Verformung herangezogen wird, und einen zweiten geometrischen Aufbau aufweist, wobei der erste geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f1 und der zweite geometrische Aufbau eine Arbeitsfrequenz f2 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten geometrischen Aufbau (41) ein erster Oszillator (43) und dem zweiten geometrischen Aufbau (42) ein zweiter Oszillator (44) zugeordnet ist, und dass Mittel (45) zum Mischen der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2, ein Tiefpassfilter (46) zum Entkoppeln einer durch Mischung der ersten Arbeitsfrequenz f1 und der zweiten Arbeitsfrequenz f2 erhaltenen Spannung und eine Auswerteschaltung (47), der die tiefpassgefilterte Spannung zugeführt wird, vorgesehen sind.
Verformungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste geometrische Aufbau (30',41) und der zweite geometrische Aufbau (42) je einen Resonator (20,30,41',42') mit einer Geometrie umfasst, deren Verformung die Resonanzverstimmung hervorruft.
Verformungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) durch ein dosenförmiges Element gebildet ist.
Verformungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dosenförmige Element zumindest einen Wandabschnitt (22,23) aufweist, der bei der Verformung der Geometrie des Resonators (20) gefaltet wird.
Verformungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wandabschnitt (22,23) Sollfaltlinien (24) aufweist.
Verformungssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wandabschnitt (22,23) aus einem metallischen Material gebildet ist.
Verformungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) zumindest abschnittsweise eine konische Geometrie aufweist.
Verformungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) eine erste Grundfläche (21) aufweist, auf der Schaltungseinrichtungen (Oszillator- und Auswerteschaltung (27) angeordnet sind.
Verformungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (20) eine einer ersten Grundfläche (21) gegenüberliegende zweite Grundfläche (25) aufweist, an der ein Metallstempel (26) angeordnet ist.
Verformungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Grundfläche (21,25) des Resonators (20) aus einem metallischen Material gebildet sind.
Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsfrequenz f wie folgt bestimmt wird:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, d die Dosenhöhe, π die Kreiskonstante, 2a der Durchmesser des dosenförmigen Resonators (20) und ρ'₁₁ ungefähr 1,841 ist.
Verformungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste geometrische Aufbau (30') eine erste metallische Fläche (36) und eine zweite metallische Fläche (37) aufweist, die eine Kapazität bilden, wobei eine Verformung eine Kapazitätsänderung hervorruft.
Verformungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste metallische Fläche (36) zumindest durch Abschnitte einer Tür (35) gebildet ist.
Verformungssensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite metallische Fläche (37) Bestandteil einer Schaltung ist, die auf FR4-Material (31) aufgebracht ist.
Verformungssensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazitätsänderung direkt und/oder in Verbindung mit einer Spule und einem rückkoppelnden Element durch die Bildung einer Schwingung erfasst wird.