DE10229020A1

DE10229020A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10229020A1
Application number: DE10229020A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-22
Also published as: WO2004003501A1; US7073391B2; EP1520160A1; US20040255687A1; JP2005531758A

Abstract

Es wird ein Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz, mit einer ein Hallelement aufweisenden Kraftmesszelle (1) vorgeschlagen. Die Kraftmesszelle (1) enthält mindestens einen Biegebalken (2, 3), der aufgrund der zu erfassenden Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen Sensorelementes (6) der Messzelle (1) bewirkt. Die Sensierung erfolgt mit einem an dem mindestens einen Biegebalken (2, 3) gehaltenen Hallelement (6), das unter der auf die Biegebalken (2, 3) einwirkenden Kraft im Feld eines relativ ortsfest angeordneten Permanentmagneten (4) auslenkbar ist und es ist ein magnetisches Diagnosefeld im Bereich des Hallelementes (6) erzeugbar, dessen Feldlinien in der Ebene des Sensorelements ohne Beeinflussung des Messfeldes liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung von Kräften an einem Fahrzeugsitz, der unter Ausnutzung elektrischer oder elektromagnetischer Effekte ein elektrisches Signal abgibt, das einer auf den Kraftsensor wirkenden Druck-, Zug- oder Biegekraft entspricht, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Auf vielen Gebieten der Mechanik werden Kraftsensoren benötigt, die auch an relativ unzugänglichen Stellen an Geräten oder Aggregaten eine genaue Bestimmung der Zug- und/oder Druckkräfte ermöglichen sollen. Ein der Kraftmessung entsprechendes elektrisches Signal sollte für weitere Auswerte- oder Regelprozesse zur Verfügung stehen. Im Bereich der Automobilelektronik sind beispielsweise solche Kraftsensoren häufig einsetzbar, wobei die bisher verwendeten Kraftsensoren meistens relativ groß sind und der Herstellungsprozess relativ teuer ist.

Für einige wichtige elektronischen Systeme im Kraftfahrzeug, wie z.B. für Gurtrückhaltesysteme wird ein kleiner und kompaktbauender Kraftsensor benötigt. Gerade an den Verbindungsstellen zwischen den Komponenten in denen sich die Kraft konzentriert, sind Kraftmessbolzen als Bestandteil des Kraftsensors von besonderem Interesse. So wird beispielsweise für die Sitzgewichtkraftmessung und deren Verteilung, die an der Anbindung zum Sitz gemessen wird, ein Kraftsensor benötigt, der in großen Stückzahlen preiswert zu fertigen ist. Aber auch in der Fertigungs- und Qualitätsmesstechnik benötigt man zunehmend genaue, statisch messende Kraftsensoren.

Aus der WO 00/16054 A1 ist ein Messaufnehmer zur Bewegungserkennung in einem Fahrzeugsitz bekannt, bei dem zwischen einem die Sitzschale umfassenden Obergestell und einem am Fahrzeugboden, gegebenenfalls auch über einen Längs- und Höhenverstellungsmechanismus, befestigten Untergestell eine elastische Verformung eines Trageelements mit der Messzelle erfasst wird.

An sich bekannt ist auch, dass eine solche Messzelle ein Hallelement mit einer angeschlossenen integrierten Schaltung aufweist, mit dem ein aufgrund einer mechanischen Verformung verändertes Magnetfeld ausgewertet werden kann. Die für eine sichere Funktion wichtige Eigendiagnose ist bei der bekannten Anordnung bislang nur auf den integrierten Sensorschaltkreis (Sensor-LC) beschränkt, z.B. die Diagnose bezüglich der Verpolsicherheit, des Sensoranschlusses, der Bond-Pins noch einiger weiterer IC-spezifischer Details.

Ein Kraftsensor der eingangs beschriebenen Art, insbesondere für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz, mit einer ein Hallelement aufweisenden Kraftmesszelle ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Messzelle mindestens einen Biegebalken enthält, der aufgrund der zu erfassenden Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen Sensorelementes der Messzelle bewirkt. Das Sensorelement besteht dabei aus einem an dem mindestens einen Biegebalken gehaltenen Hall-Element, das unter der auf die Biegebalken einwirkenden Kraft im Feld eines relativ ortsfest angeordneten Permanentmagneten auslenkbar ist. Vorteilhaft ist erfindungsgemäß ein magnetisches Diagnosefeld im Bereich des Hallelements erzeugbar, dessen Feldlinien in der Ebene des Sensorelements ohne Beeinflussung des Messfeldes liegen.

Die hier vorteilhaft mögliche Diagnose geht über eine Eigendiagnose des integrierten Schaltkreises im Hallelement bezüglich Kurzschlussfähigkeiten der Pins gegen Verpolung und sonstiger Kurzschlüsse hinaus. Da der gesamte Kraftsensor auch noch aus mechanischen Bauteilen, wie den Biegebalken und einem Permanentmagneten besteht, kann deren Funktionsprüfung während des Betriebs mit der Erfindung in vorteilhafter Weise verbessert werden.

Hierzu ist im Kraftsensor lediglich eine zusätzliche Spule zur Erzeugung eines Diagnosefeldes notwendig. Die Anregung der Spule kann auf einfache Weise über ein Wechselspannungssignal erfolgen, welches auf die Versorgungsspannung aufmoduliert ist. Eine Diode im Steuergerät verhindert dabei den Strom durch die Spule, wobei auch ein Kondensator in Serie zur Spule geschaltet werden kann, um einen Serienresonanzkreis zu bilden. Auf diese Weise kann der Sensor mit einer notwendigen Spannungsversorgung und die Spule gleichzeitig mit einer Wechselspannung ohne Gleichanteil betrieben werden.

Durch das Magnetfeld der Spule, wird der Permanentmagnet abgestoßen oder angezogen, je nach dem augenblicklichen Vorzeichen der Wechselspannung und damit auch des induzierten Feldes. Die Feldrichtung liegt in der Ebene des Hallelements und verändert damit nicht den magnetischen Fluss in der empfindlichen Richtung des Hallelements.

Der gesamte Kraftsensor hat zwei ausgeprägte mechanische Resonanzfrequenzen. Die erste resultiert nur aus der mechanischen Dimension des Halters des Permanentmagneten, die zweite Resonanzfrequenz ist durch die Biegebalken bestimmt und liegt höher, wobei jedoch beide Resonanzfrequenzen außerhalb der Messfrequenz des Hallelements liegen.

Wird die Spule in der Resonanzfrequenz des Magnethalters angeregt, so erhält man dessen periodische Auslenkung, die wiederum als ein Ausgangssignal der integrierten Schaltung des Hallelements (Hall-IC) gemessen werden kann. Auf diese Weise erhält man gemäß der Erfindung ohne einen zusätzlichen Anschluss eine Auskunft über die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems. Ist beispielsweise die gesamte Aufhängung der Messzelle gebrochen, so schließt sich der Stop-Limit-Spalt und der Biegebalken kann nicht mehr schwingen. Verliert der Permanentmagnet seine Eigenschaften oder löst sich womöglich, ist auch keine Schwingungsanregung mehr möglich.

Die Wechselspannung zur Anregung der Spule kann auf einfache Weise direkt aus dem Taktsignal eines Mikroprozessors, hier der CPU des integrierten Schaltkreises, abgeleitet werden. Die Anregung der Spule kann dabei entweder kontinuierlich erfolgen oder auch nur in zeitlich begrenzten Impulsen, wobei dann das Ausschwingen zur Diag nose herangezogen wird. Für die Überprüfung der Resonanzfrequenzen der Struktur ist durch den sehr starken Permanentmagneten für die Spulenansteuerungen nur eine geringe Energie erforderlich, d.h. es sind somit auch nur geringe Spannungen und Ströme notwendig.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Detektion der Resonanzfrequenzen und/oder der Resonanzamplituden nach der Erfindung eine zusätzliche Diagnoseredundanz mit geringem Aufwand und ohne zusätzliche Anschlüsse zur vollständigen Sensorüberprüfung geschaffen wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftsensors für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz wird in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Kraftmesszelle für einen Fahrzeugsitz in einem Kraftfahrzeug mit einem Hallelement als Sensorelement und
2 einen Detailschnitt durch einen Hall-Kraftsensor mit einer Spule zur Erzeugung eines Diagnosefeldes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist eine Kraftmesszelle bzw. ein Kraftmessbolzen 1 für einen Kraftsensor, beispielsweise für die Gewichtserfassung an einem hier nicht näher erläuterten Fahrzeugsitz eines Kraftfahrzeugs, gezeigt. Die Kraftmesszelle 1 weist zwei Biegebalken 2 und 3 auf. Es ist weiterhin an einem festen Ende ein Permanentmagnet 4 mit tels eines nichtmagnetischen, in eine Bohrung eingepressten Stiftes 5 gehalten und am anderen, durch die Biegebalken bewegten, Ende ist ein Hallelement 6 mit einem angeschlossenen integrierten Schaltkreis (Hall-IC) vorhanden, der ein von der Auslenkung der Biegebalken 2 und 3 abhängiges elektrisches Ausgangssignal liefert.
Aus einer Detaildarstellung nach 2 mit dem Permanentmagneten 4 und dem Hallelement bzw. Hall-IC 6 ist eine zusätzliche Spule 7 zur Erzeugung eines Diagnosefeldes ersichtlich. Die Anregung der Spule 7 erfolgt mit einem Wechselspannungssignal, welches auf die Versorgungsspannung U+ auf moduliert ist, wobei eine Diode D im Steuergerät verhindert, dass ein Gleichstrom durch die Spule 7 fließt. Die Feldrichtung des von der Spule 7 erzeugten magnetischen Feldes liegt in der Ebene des Hallelements 6 und verändert damit nicht den magnetischen Fluss in der empfindlichen Richtung des Hallelements 6.
Zur Eigendiagnose der Anordnung wird beispielsweise die Spule 7 entweder in der Resonanzfrequenz des Magnethalters 4,5 oder der Biegebalken 2 und 3 angeregt und man erhält deren periodische Auslenkung, die wiederum als ein Ausgangssignal der integrierten Schaltung des Hallelements (Hall-IC) 6 gemessen werden kann, so dass damit die volle Funktionsweise der Anordnung überprüft werden kann.

Claims

Kraftsensor mit einer ein Hallelement aufweisenden Kraftmesszelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die Kraftmesszelle (1) mindestens einen Biegebalken (2,3) enthält, der aufgrund der zu erfassenden Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen Sensorelementes (6) der Kraftmesszelle (1) bewirkt, dass – das Sensorelement aus einem an dem mindestens einen Biegebalken (2,3) gehaltenen Hallelement (6) besteht, das unter der auf die Biegbalken (2,3) einwirkenden Kraft im Feld eines relativ ortsfest angeordneten Permanentmagneten (4) auslenkbar ist und dass – ein magnetischen Diagnosefeld im Bereich des Hallelements (6) erzeugbar ist, dessen Feldlinien in der Ebene des Hallelements (6) ohne Beeinflussung des Messfeldes liegen.
Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Diagnosefeld ein Wechselfeld ist, dessen Frequenz außerhalb der Messfrequenz des Sensorelements (6) liegt und mindestens eine Resonanzfrequenz des mechanischen Aufbaus der Messzelle (1) umfasst.
Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Resonanzfrequenz durch die mechanische Dimensionierung des Halters des Permanentmagneten (4) vorgegeben ist.
Kraftsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Resonanzfrequenz durch die mechanische Dimensionierung der Biegebalken (2,3) der Messzelle (1) vorgegeben ist.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Spule (7) zur Erzeugung des Diagnosefeldes in der Ebene des Hallelements (6) um das Hallelement (6) herumgelegt ist.
Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spannungsversorgung der Spule (7) mittels einer auf die Versorgungsspannung des Hallelements (6) aufmodulierten Wechselspannung erfolgt, wobei in die Versorgungsleitung für die Spule (7) eine Diode (D) oder ein Kondensator in Reihe geschaltet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die aufmodulierte Wechselspannung aus dem Taktsignal eines Mikroprozessors der integrierten Schaltung des Hallelements (6) hergeleitet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wechselspannung kontinuierlich vorhanden ist.
Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wechselspannung in zeitlich begrenzten Impulsen vorhanden ist, wobei das Ausschwingen der Wechselspannung zur Diagnose heranziehbar ist.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kraftmesszelle (1) für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz eines Kraftfahrzeuges angewandt wird.