DE102004011591A1

DE102004011591A1 - Verbindungselement

Info

Publication number: DE102004011591A1
Application number: DE102004011591A
Authority: DE
Inventors: Michael Munz; Helmut Grutzeck; Johann Wehrmann; Conrad Haeussermann; Klaus Kasten; Uwe Schiller; Konrad Dirscherl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-29
Also published as: WO2005088267A1; CN1930459A; JP2006514750A; US7777482B2; US20070273367A1; EP1738146A1

Abstract

Es wird ein Verbindungselement vorgeschlagen, das zur Kraftmessung einer Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem (45) und einer Magnetsensorik (46) zur Kraftmessung erfasst. Das Magnetsystem (45) ist zu der Magnetsensorik (46) derart angeordnet, dass eine Komponente des Magnetfelds senkrecht zur Relativbewegung linearisiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verbindungselement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus DE 101 11 020 A1 ist ein gattungsbildendes Verbindungselement bekannt, bei dem die Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem und einer Magnetsensorik zur Kraftmessung verwendet wird. Bei dem Magnetsystem handelt es sich vorzugsweise um einen Permanentmagneten, wobei als Magnetsensorik ein Hallsensorelement verwendet wird, das symmetrisch bzw. zentriert gegenüber dem Permanentmagneten angeordnet sein kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verbindungselement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr das Magnetsystem gegenüber der Magnetsensorik derart angeordnet ist, dass eine Komponente des Magnetfelds senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Magnetsystem und der Magnetsensorik linearisiert wird. Dies verbessert die Messung des Magnetfeldes und damit die Kraftmessung. Damit wird eine optimierte Symmetrie und Stärke des Magnetfelds bei minimalem Bauraum erreicht. Insbesondere wird dadurch ein erhöhter magnetischer Hub pro Relativbewegung erzielt. Damit ist eine stärkere Magnetfeldänderung in Abhängigkeit vom Ort bewirkt. Dies hat zur Folge, dass über dem Messbereich bei verkleinerter mechanischer Auslenkung ein lineares vergrößertes Ausgangssignal bei der Magnetfeldsensorik erzielt wird. Dies verbessert beispielsweise die Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen wie Querkräften und Momenten.
Ein vergrößerter magnetischer Hub sowie eine hohe Magnetfeldänderung in einer bevorzugten Raumrichtung ermöglichen die weitere Verkleinerung des Verbindungselements und somit seine Verbesserung der Dauerlastfestigkeit.
Ausschlaggebend ist die Relativbewegung zwischen dem Magnetsystem und der Magnetfeldsensorik. Dabei ist es unerheblich, ob das Magnetsystem oder der Magnetfeldsensor ortsfest sind oder sich das Magnetsystem oder der Magnetfeldsensor bewegen oder, wenn sich beide, d.h. das Magnetsystem und die Magnetfeldsensorik bewegen. Generell wird hier das magnetnahe Feld des Magneten gemessen. Durch die Veränderung bzw. Gestaltung des Fernfeldes wird auch die Form und Stärke bzw. Ausdehnung des Nahfelds optimiert und somit eine Verbesserung des Sensorsignals erzielt. Das Fernfeld wird durch die Größe, die Geometrie und die Position der Magnete zueinander eingestellt bzw. optimiert.
Die Magnet- bzw. Sensorposition ist je nach Ausführungsform austauschbar und entlang eines Biegebalkens angeordnet. Ziel ist es, einen maximalen relativen Hub zwischen Magnet und Sensor zu erzielen bei minimalem Einfluss von Querkräften und Momenten.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Verbindungselements möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass wenigstens ein Polübergang, also der Bereich zwischen Nord- und Südpol eines Magneten des Magnetsystems eine Ausnehmung gegenüber der Magnetfeldsensorik aufweist. Diese Ausnehmung kann beispielsweise eine Kerbe, ein Spalt, ein Schlitz oder eine anders geartete Vertiefung am Polübergang sein. Diese Ausnehmung ist klein bezüglich der Abmessungen im Vergleich zu der geometrischen Größe des jeweiligen Magneten. Das so erzeugte Magnetfeld hat eine erhöhte Feldstärke um die Vertiefungskanten bzw. es wird durch die Form der Vertiefung ein symmetrisches Feld erzeugt. Damit wird erreicht, dass die Komponente des Feldes senkrecht zur Auslenkrichtung eine verbesserte Linearität aufweist.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass wenigstens zwei Polschuhe am Magnetsystem, vorzugsweise ein Einmagnetsystem, vorgesehen sind, die ein stärkeres Magnetfeld bewirken, da nunmehr auch das von der Magnetsensorik abgewandte Magnetfeld durch die Polschuhe zum Messort zwischen den Polschuhen umgelenkt wird. Die Formgebung der Polschuhe definiert unter anderem die Symmetrie und Form des Magnetfelds am Messort, der zwischen den Polschuhen liegt. Die Komponente des Feldes senkrecht zur Auslenkrichtung weist auch dadurch eine verbesserte Linearität auf.
Des weiteren ist es von Vorteil, dass die Oberfläche des Magnetsystems derart geformt ist, dass die Oberfläche auf die Magnetsensorik zuläuft. Damit wird eine optimierte Formung des Magnetfelds erreicht. Durch die entsprechende Formung der Oberfläche des Magneten wird das Magnetfeld am Messort in Form und Stärke für das Messsignal optimiert und eine Unempfindlichkeit gegenüber Querkräften und Momenten gesteigert.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass das Magnetsystem zueinander gegenüberliegende Magnete aufweist, wobei sich gleiche Magnetpole gegenüberstehen, also Südpol gegenüber Südpol und Nordpol gegenüber Nordpol. Durch ein solches Mehrmagnetsystem lässt sich die Magnetfeldform und Stärke, beispielsweise durch den Abstand und die Position der Magneten zueinander, einstellen. Die ortsabhängige Magnetfeldänderung kann zwischen und seitlich neben den Magneten gemessen werden. Durch die Wahl der Sensorposition kann im Bereich maximaler Magnetfeldgradienten sowie an einem Ort minimaler Störeinflüsse gemessen werden. Es können sich jedoch auch ungleiche Magnetpole gegenüberstehen. Damit lässt sich ein gezielter Magnetfeldgradient einstellen, um z.B. eine Vorzugsrichtung mit erhöhter Empfindlichkeit zu erhalten.
Schließlich ist es auch von Vorteil, dass einem Polübergang eines Magneten ein Pol eines anderen Magneten gegenübersteht. Dadurch wird ein definiert unsymmetrisches Feld erzeugt, das einen mehrgeteilten Messbereich ermöglicht. Somit kann eine erhöhte Auflösung in einem gewünschten Messbereich erzielt werden und eine verringerte Auflösung außerhalb dieses gewünschten Messbereichs. Des weiteren lässt sich eine Vorzugsrichtung des Messbereichs einstellen. Alternativ ist es möglich, ein solches Mehrmagnetsystem mit einem symmetrischen Feld durch eine Magnetanordnung Südpol-Nordpol-Südpol, dem ein Nordpol gegenübersteht oder umgekehrt, zu bilden. Durch die Größe der beteiligten Magnetpole und deren Abstand zueinander kann die Form und Stärke des Magnetfelds eingestellt werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 verschiedene Konfigurationen eines Einmagnetsystems
2 Einmagnetsysteme mit einer besonders geformten Oberfläche,
3 Ausführungsbeispiele für Mehrmagnetsysteme, wobei sich gleiche Pole gegenüberstehen
4 das Verbindungselement,
5 ein weiteres Mehrmagnetsystem und
6 weitere Mehrmagnetsysteme.
Beschreibung
Zunehmend werden kraftmessende Sensoren zur Objektcharakterisierung auf Fahrzeugsitzen verwendet. Ein Verbindungselement, das anstelle eines Bolzens oder einer Schraube zur Befestigung eines Fahrzeugsitzes verwendet wird und gleichzeitig die Kraft misst, die auf den Sitz ausgeübt wird, ist mit einem Steuergerät für die Ansteuerung von Personenschutzmitteln verbunden, um die Auslösung, beispielsweise eines Airbags, zu verhindern, wenn ein Sitz unbesetzt ist. Durch die Verwendung von mehreren Verbindungselementen an einem Fahrzeugsitz ist es auch möglich, ein Objekt, das sich auf dem Fahrzeugsitz befindet, genauer zu charakterisieren, und zwar über die Lastverteilung. Als vorteilhaft für das Verbindungselement hat es sich erwiesen, die Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem und einem Magnetfeldsensor, vorzugsweise einem Hallsensor, zur Kraftmessung im Verbindungselement zu verwenden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, diese Anordnung im Verbindungselement zwischen Magnetsystem und Magnetfeldsensorik derart zu optimieren, dass eine Komponente des Magnetfelds senkrecht zur Relativbewegung linearisiert wird. Dies ermöglicht eine einfache Auswertung der Messergebnisse.
4 erläutert, wie die Anordnung der Magnetfeldsensorik und des Magnetfeldsystems in einem Verbindungselement angeordnet wird und die Kraft gemessen wird. Das Verbindungselement 41 ist fest an einer Halterung 40 eingebaut, die am Chassis des Fahrzeugs montiert ist. Am anderen Ende ist das Verbindungselement 41 mit dem Sitz, der hier durch die Aufnahme 43 angedeutet ist, verbunden. Daher erhält über die Aufnahme 43 das Verbindungselement 41 die auf den Sitz ausgeübte Gewichtskraft 42. Die Gewichtskraft 42 wird durch die Hülse 44 in den Körper des Verbindungselements 41 eingeleitet, um dann über die Halterung 40 abgeleitet zu werden. Diese Kraft führt zu einer Verschiebung zwischen dem Biegebalken 45 und dem Hallsensor 46, der im Gehäuse des Verbindungselements 41 gelagert ist. Aus dieser Verschiebung ist das Gewicht, das auf dem Sitz lastet, bestimmbar. Als Überlastschutz sind hier Luftspalte 47 vorgesehen.
Der Sitzkraftsensor besteht also aus einem inneren Biegeelement und einer äußeren Hülse, die an einem Ende dicht und fest verschweißt ist. Diese Verschweißung findet also mit der Halterung 40 statt. Dieser Zusammenbau ist das aktive Element des Sensors. Innerhalb des Sensors wird die Verschiebung durch Krafteinwirkung durch einen Hallsensor aufgenommen. Das Signal des Hallsensors 46 soll einem am Umfang des Bolzens angebrachten Gehäuse zugeführt werden, wo die Signalaufbereitung auf einer Leiterplatte stattfindet. Das aufbereitete Signal wird dann einer Steckerschnittstelle zugeführt. An dieser wird das Signal per Gegenstecker und Kabelbaum im Fahrzeug dem Steuergerät zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln zugeführt. Da die Kraft in eine lineare Verschiebung umgesetzt wird und der Hallsensor 46 diese Verschiebung in ein Signal umsetzt, ist jede Bewegung bzw. Verschiebung des Hallsensors 46 bzw. dessen Haltevorrichtung durch äußere Krafteinflüsse zu vermeiden, da dies zu einer Fehlinterpretation bzw. -messung führen würde.
1 zeigt in den Ausführungen a, b und c Einmagnetsysteme, die erfindungsgemäß ausgebildet sind. 1a zeigt einen Magneten 11 mit einer Ausnehmung 10 gegenüber der Magnetfeldsensorik Hall, wobei die Auslenkung der Magnetfeldsensorik Hall in Querrichtung erfolgt, wie hier angedeutet. Der Magnet 11 erzeugt ein der Magnetfeldsensorik Hall zugewandtes Magnetfeld 13 und ein der Magnetfeldsensorik abgewandtes Magnetfeld 12. Die Vertiefung ist klein in Bezug auf die Abmessung im Vergleich zur geometrischen Größe des Magneten 11. Das so erzeugte Magnetfeld hat eine erhöhte Feldstärke um die Vertiefungskanten. 1b zeigt eine Variante, wobei hier als Ausnehmung eine Kerbe, die spitz zuläuft, vorgesehen ist. Der Magnet 15 weist wiederum ein der Magnetfeldsensorik Hall zugewandtes Magnetfeld 17 und ein abgewandtes Magnetfeld 14 auf, wobei die Kerbe 16 ein symmetrisches Magnetfeld erzeugt. 1c beschreibt eine Alternative. Hier ist der Magnet 101 durch Polschuhe 18 und 19 eingefasst. Die Polschuhe bewirken, dass ein stärkeres Magnetfeld zur Magnetfeldsensorik Hall erzeugt wird. Dies wird dadurch bewirkt, dass das rückwärtige Magnetfeld durch die Polschuhe zum Messort zwischen den Polschuhen umgelenkt wird. Die Formgebung der Polschuhe definiert unter anderem die Symmetrie und Form des Magnetfelds am Messort, der zwischen den Polschuhen liegt. Alle drei Beispiele, A, B und C führen zu einer verbesserten Linearität des Magnetfelds senkrecht zur Auslenkrichtung.
2 zeigt vier Ausführungsbeispiele, wie die Form des Magneten derart gestaltet ist, dass die Oberfläche des Magneten auf die Magnetfeldsensorik Hall zuläuft. In 2a ist der Südpol des Magneten 200 spitz auf die Magnetfeldsensorik Hall zulaufend geformt. Damit wird das Magnetfeld 202 bzw. 203 entsprechend optimiert. 2b zeigt eine Alternative. Nunmehr ist der Südpol 204 zur Magnetfeldsensorik Hall abgerundet. Auch dadurch wird das Magnetfeld 201, 205 entsprechend optimiert. 2c zeigt eine weitere Alternative. Nunmehr sind Nord- und Südpol mit ihrem Polübergang der Magnetfeldsensorik Hall zugewandt. Die zugewandte Seite ist auch hier abgerundet, was die Kontur 207 dargestellt ist. Damit wird das Magnetfeld 209 entsprechend optimiert. Das rückwärtige Magnetfeld 206 spielt hier keine Rolle. Dies ist auch beim Beispiel 2d der Fall, wo das rückwärtige Magnetfeld 208 nicht entscheidend ist, aber wiederum eine Formgebung symmetrisch zum Polübergang des Magneten 210 vorgenommen wurde. Hier laufen die Pole spitz zum Polübergang auf die Magnetfeldsensorik Hall zu, so dass das Magnetfeld 211 entsprechend optimiert wird. Durch einen Radius bzw. Winkel an den Polflächen wird die Magnetfeldgeometrie sowie -stärke so optimiert, dass ein entsprechend höherer Gain, d.i. die Verstärkung, erreicht wird. Durch die Optimierung des Magnetfelds in Messrichtung wird ein größeres Nutzsignal erzielt. Dies reduziert den Einfluss des Signals aus nicht-Messrichtung. Damit wird unter anderem auch die Unempfindlichkeit des Messsignals gegenüber Querkräften und Momenten erhöht.
3 zeigt drei Beispiele für Mehrmagnetsysteme, wobei sich die Magnetfeldsensorik Hall im Bereich zwischen den beiden Magneten befindet. 3a zeigt ein Zweimagnetsystem, bei dem sich die Pole der beiden Magneten 300 und 301 jeweils gegenüberstehen, und zwar die gleichen Pole. Dadurch wird das Magnetfeld der beiden Pole 300, 301 entsprechend geformt, was durch die Magnetfeldlinien 303, 304, 305 und 306 angedeutet ist. Die Magnetfeldsensorik Hall ist hier in Messrichtung, also wiederum quer, was durch den Pfeil 302 angedeutet ist, beweglich. Außerdem ist die Magnetfeldsensorik Hall außermittig vom Feld angeordnet. Dadurch kann im Bereich maximaler Magnetfeldgradienten sowie an einem Ort minimaler Störeinflüsse gemessen werden. 3b zeigt dazu eine Variante. Nunmehr ist die Magnetfeldsensorik Hall nicht direkt zwischen den beiden Magneten 300 und 301, sondern etwas außerhalb. Durch ein solches Mehrmagnetsystem lässt sich die Magnetfeldform und -stärke zum Beispiel durch Abstand und Position zueinander einstellen. Die ortsabhängige Magnetfeldänderung kann zwischen, wie in 3a und auch in 3c, und seitlich neben dem Magneten gemessen werden. 3c zeigt eine Variante. Hier sind die beiden Magneten 307 und 308 bezüglich des Südpols zueinander angeordnet. Die Nordpole befinden sich jeweils dahinter. Das Magnetfeld wird dann, wie hier durch die Magnetfeldlinien 309, 310, 311 und 312 entsprechend gebildet. Die Messrichtung ist hier in Vertikalrichtung 313 angedeutet. Auch hier befindet sich die Magnetfeldsensorik Hall leicht außermittig vom Feld. Außermittigkeit bedeutet, dass sich der Messort außerhalb der geometrischen Mitte zwischen den Magneten befindet. Bei gleich großen/starken Magenten befindet sich in der exakten geometrischen Mitte eine Magnetfeldsenke (= Null bzw. minimales Feld). Dies ist als Messort nicht geeignet. Jedoch geringfügig außermittig ist der Magnetfeldgradient am größten und damit ein bevorzugter Messort, denn kleine mechanische Auslenkungen (Relativbewegng Hall-Magnetsystem) erzielen ein große Signaländerungen.
5 zeigt ein Zweimagnetsystem, bei dem die beiden Magneten 50 und 51 in ihren jeweils unterschiedlichen Polen gegenüberstehen. Dadurch wird das Magnetfeld 52 und 53 geformt, wobei sich die Magnetfeldsensorik Hall außerhalb des Bereichs zwischen den Magneten 50 und 51 befindet und sich in Vertikalrichtung, wie durch den Pfeil 54 angedeutet, bewegt. Es handelt sich hierbei um die extreme Variante von 1a(b) mit einem Spalt zwichen den magnetischen Polen. Da zwei getrennte Magnete verwendet werden, ist dies hier noch einmal aufgeführt.
6a zeigt ein Mehrmagnetsystem mit einem Magneten 60, an dessen Polübergang gegenüberliegend ein Magnet 61 angeordnet ist. Die Magnetfeldsensorik Hall, die sich hier wiederum horizontal auslenkt, ist zwischen den beiden Magneten 60 und 61 angeordnet. Das so entstehende Magnetfeld ist durch die Feldlinien 62, 63, 66 und 65 angedeutet. Durch diese Anordnung wird ein definiert unsymmetrisches Feld 63 erzeugt, das einen mehrgeteilten Messbereich erlaubt. Damit kann insbesondere eine erhöhte Auflösung in einem gewünschten Messbereich erzielt werden und eine verringerte Auflösung außerhalb dieses gewünschten Messbereichs. Des weiteren lässt sich eine Vorzugsrichtung des Messbereichs einstellen. Im Übergangsbereich N-S 60, oder umgekehrt, ist ein sehr großer Magnetfeldgradient vorhanden. Je näher der Hall-Sensor zum N-Pol kommt um so homogener wird das Feld, d.h. der Hall-Sensor zeigt maximale Empfindlichkeit. Damit erzielt man eine Vorzugsrichtung mit erhöhter Empfindlichkeit z.B. in einer Messrichtung.
6b zeigt eine Alternative, nunmehr mit einem symmetrischen Feld 68, da sich nunmehr der obere Magnet 69 aus drei Polen zusammensetzt, und zwar einem Südpol in der Mitte und zwei Nordpolen jeweils außerhalb. Der untere Magnet 61 ist mit seinem Südpol gegenüber dem Südpol des Magneten 69 angeordnet. Allerdings ist der Südpol des unteren Magneten 61 etwas größer, als der obere Südpol des Magneten 69. Das so entstehende Magnetfeld 68 zwischen den beiden Magneten 69 und 61 ist durch die Feldlinien angedeutet. Durch die Größe und Breite der beteiligten Magnetpole und deren Abstand zueinander kann die Form und Stärke des Magnetfelds eingestellt werden.
Es sind Ein- bzw. Mehrmagnetsysteme mit einer Magnetfeldsensorik bzw. einer Magnet-Sensor-Magnetanordnung vorgesehen, die separat justiert bzw. kalibriert werden. Dabei wird der Abstand Magnet – Sensor durch die separate Montage auf den optimalen Abstand eingestellt und fixiert. Das kalibrierte System wird dann seitlich durch die Hülse und das Biegeelement geführt und fixiert. Die Magnete sind damit fest mit der Hülse verbunden und der Sensor fest mit dem Biegeelement. Die umgekehrte Anordnung mit einem Magneten im Biegeelement und dem Sensor in der Hülse ist ebenfalls möglich. Der Vorteil einer solchen separaten Kalibrierung des Systems Magnet-Sensor-Magnet liegt darin, dass sowohl die Polübergänge der Magneten untereinander justiert und das Magnetfeld genau eingestellt werden kann, als auch das Sensorelement im Magnetfeld optimal ausgerichtet werden kann.

Claims

Verbindungselement, das derart konfiguriert ist, dass das Verbindungselement (41) eine Relativbewegung zwischen einem Magnetsystem (45) und einer Magnetsensorik (46) zur Kraftmessung erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (45) zur Magnetsensorik (46, Hall) derart angeordnet ist, dass eine Komponente des Magnetfelds senkrecht zur Relativbewegung linearisiert wird.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Polübergang des Magnetsystems (45) eine Ausnehmung (10, 16) gegenüber der Magnetfeldsensorik (Hall) vorgesehen ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Magnetsystem wenigstens zwei Polschuhe (18, 19) vorgesehen sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Magnetsystems derart geformt ist, dass die Oberfläche auf die Magnetsensorik (Hall) zuläuft.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem zueinander gegenüberliegende erste und zweite Magnete (300, 301) aufweist, wobei sich gleiche Magnetpole gegenüberstehen.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem zueinander gegenüberliegende dritte und vierte Magnete (50, 51) aufweist, wobei sich ungleiche Magnetpole gegenüberstehen.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem Polübergang eines fünften Magneten (60) ein Pol eines sechsten Magneten (61) gegenübersteht.