DE19625618C1 - Aufprallerkennungseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufprallerkennungseinrichtung ge­ mäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der EP 0 567 938 A1 ist eine Aufprallerkennungseinrich­ tung bekannt, die mindestens einen mikromechanisch ausgebil­ deten Beschleunigungsschalter aufweist. Ein solcher Beschleu­ nigungsschalter enthält im wesentlichen ein beschleunigungs­ abhängig bewegliches Kontaktstück und ein Gegenkontaktstück. Bei Überschreiten einer festgelegten Beschleunigung schließt der Kontakt des Beschleunigungsschalters. Eine Überwachungs­ schaltung ist elektrisch leitend mit Anschlüssen der Kontakt­ stücke verbunden. Zum Erkennen eines Aufpralls ist den An­ schlüssen eine Spannung zugeführt (Fig. 1C in der EP 0 567 938 A1).

Zum Testen und Zurücksetzen des mikromechanischen Schalters ist eine Testelektrode vorgesehen, die über einen eigenen Leiter mit der Überwachungsschaltung elektrisch verbunden ist, und die durch die Überwachungsschaltung angesteuert wird (Fig. 3a in der EP 0 567 938 A1). Insbesondere wenn Überwa­ chungsschaltung und Beschleunigungsschalter räumlich vonein­ ander getrennt angeordnet sind, bedarf es einer Leitung mit zumindest drei Leitern zwischen Beschleunigungsschalter und Überwachungsschaltung, um zum einen ein beschleunigungsabhän­ giges Schließen des Beschleunigungsschalters in der Überwa­ chungsschaltung erkennen zu können und zum anderen den Be­ schleunigungsschalter durch die Überwachungsschaltung testen oder zurücksetzen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufprallerken­ nungseinrichtung zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Aufprallerkennungseinrichtung vermeidet, und die insbesondere ein Schalten des Beschleunigungsschalters zuverlässig erkennt und bei geringem Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand einen Selbsttest des Beschleunigungsschalters ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Zum Testen des Beschleunigungsschalters wird den Anschlüssen der Kontaktstücke des Beschleunigungsschalters von einer Steuerbaren Spannungsquelle der Überwachungsschaltung eine hohe (zweite) Spannung zugeführt, durch die das bewegliche Kontaktstück aufgrund elektrostatisch einwirkender Kräfte we­ sentlich ausgelenkt wird, so daß der Schaltkontakt geschlos­ sen wird - die Funktionstüchtigkeit des Beschleunigungsschal­ ters vorausgesetzt.

Bewegliches Kontaktstück und Gegenkontaktstück sind dabei derart ausgebildet, daß durch das Zuführen der hohen Spannung ein wesentliches Auslenken des beweglichen Kontaktstückes hervorgerufen wird. Voraussetzung sind kleine Schalterstruk­ turen von mikromechanischen Beschleunigungsschaltern. Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen beweglichem Kon­ taktstück und Gegenkontaktstück - beide werden beim Test als Kondensatorplatten verwendet -, hängt insbesondere von dem Abstand zwischen den beiden Kontaktstücken und von der Fläche der Kontaktstücke ab. Vorzugsweise weist der Beschleunigungs­ schalter dabei anstelle von großflächig ausgebildeten Kon­ taktstücken eine Testelektrode auf, die elektrisch mit dem Gegenkontaktstück verbunden ist, die beispielsweise eine gro­ ße Elektrodenfläche aufweist, und die elektrostatisch mit dem beweglichen Kontaktstück zusammenwirkt. Die Testelektrode ist nahe am Beschleunigungsschalter mit dem Gegenkontaktstück verbunden, so daß in jedem Fall nur zwei Leiter zwischen Über­ wachungsschaltung und Beschleunigungsschalter erforderlich sind.

Im Betriebszustand zum Erkennen eines Aufpralls ist die von der Spannungsquelle zugeführte und zwischen den Kontaktstücken bzw. Kontaktstück und Testelektrode anliegende erste Spannung keinesfalls so groß, daß die Kontaktstücke durch die elektro­ statische Anziehungskraft bis zum Schließen des Beschleuni­ gungsschalters ausgelenkt werden. Der Betrag der zweiten zum induzierten Schließen des Beschleunigungsschalters notwendige Spannung ist dabei größer als der Betrag der ersten Spannung.

In einer Auswerteeinrichtung der Überwachungsschaltung wird ein am Beschleunigungsschalter abgegriffenes Meßsignal ausge­ wertet. Das Meßsignal erlaubt Rückschlüsse u. a. auf die Funk­ tionstüchtigkeit des Beschleunigungsschalters während des Testbetriebs und auf das Einwirken einer ausreichend großen Beschleunigung auf den Beschleunigungsschalters während des Betriebs zum Erkennen eines Aufpralls.

Die Erfindung weist den großen Vorteil auf, daß je Beschleu­ nigungsschalter nur zwei Leiter zu seinem Anschluß an die Überwachungsschaltung erforderlich sind: Mit dieser an Ver­ drahtungsaufwand minimierten Aufprallerkennungsschaltung ist ein beschleunigungsabhängiges Schalten des Beschleunigungs­ schalters erkennbar sowie ein Selbsttest des Beschleunigungs­ schalters durchführbar. Der Schaltungsaufwand in der Überwa­ chungsschaltung ist durch das erfindungsgemäße Aufprallerken­ nungssystem ebenfalls äußerst gering gehalten. Diese Vorteile kommen beim Anschluß mehrerer Beschleunigungsschalter an die Überwachungsschaltung und insbesondere bei einer räumlichen Trennung von Beschleunigungsschalter und Überwachungsschal­ tung zum Tragen. Durch die Erfindung wird die Anzahl der Lei­ ter im Kabelbaum des Kraftfahrzeugs wesentlich reduziert.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Auf­ prallerkennungseinrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung einer Aufprallerkennungseinrichtung.

Gleiche Elemente in den Figuren weisen figurenübergreifend gleiche Bezugszeichen auf.

Fig. 1 zeigt eine Sensoreinrichtung 1 mit einem Beschleuni­ gungsschalter 11, einem ersten Meßwiderstand 12 und einem zweiten Meßwiderstand 13. Der Beschleunigungsschalter 11 ent­ hält ein beschleunigungsabhängig bewegliches Kontaktstück 111 mit einem Anschluß 1111 und ein Gegenkontaktstück 112 mit ei­ nem Anschluß 1121. Eine Testelektrode 1122 ist elektrisch mit dem Gegenkontaktstück 112 verbunden. Der erste Meßwiderstand 12 ist parallel zum Beschleunigungsschalter 11 angeordnet. Die Spannung zwischen den Anschlüssen 1111 und 1121 ist die Schalterspannung U_SS und kann insbesondere einen niedrigen ersten Spanungswert U_SS1 und einen hohen zweiten Spannungswert U_SS2 annehmen. Der zweite Meßwiderstand 13 ist in Serie zum Beschleunigungsschalter 12 und zum ersten Meßwiderstand 12 angeordnet.

Die Sensoreinrichtung 1 ist über eine Zweidrahtleitung 2 mit einem ersten und einem zweiten Leiter 21 und 22 mit einer Überwachungsschaltung 3 elektrisch verbunden.

Die Überwachungsschaltung 3 enthält eine steuerbare Spannungs­ quelle 31 mit einer Betriebsspannungsquelle U_B, einen ersten Betriebswiderstand 311 und einer zum ersten Betriebswider­ stand 311 parallel angeordnete steuerbare Schaltstufe 313 so­ wie einen zweiten Betriebswiderstand 312, der in Serie zwi­ schen Betriebsspannungsquelle U_B und erstem Betriebswider­ stand 311 sowie steuerbarer Schaltstufe 33 angeordnet ist. Die Überwachungsschaltung 3 enthält ferner eine Auswerteeinrich­ tung 32. Ein Mikroprozessor 33 mit einem Analog-/Digital­ wandler 311 an seinem Meßeingang umfaßt die Auswerteeinrich­ tung 32 sowie eine Steuerschaltung der steuerbaren Spannungs­ quelle 31.

Der Beschleunigungsschalter 11 weist ohne Einwirken einer Be­ schleunigungskraft einen geöffneten Zustand gemäß Fig. 1 auf. Die über ein Steuersignal ST steuerbare Schaltstrecke der Schaltstufe 313 ist nichtleitend. Die Schalterspannung U_SS weist einen niedrigen ersten Spannungswert U_SS1 = U_{B *} R₁₂/(R₁₂ + R₁₃ + R₃₁₁ + R₃₁₂) auf - etwa ein Volt, mit R₁₂ als Widerstandswert des Widerstandes 12 usf. Die quadratisch mit der Spannung U_SS ansteigende und auf die Kontaktstücke 111 und 112 einwirkende elektrostatische Kraft reicht bei einem Spannungswert U_SS1 nicht aus, um das bewegliche Kontaktstück 111 wesentlich aus seiner Ruhelage auszulenken. Zumindest wird das bewegliche Kontaktstück 111 nicht soweit ausgelenkt, daß es das Gegenkontaktstück 112 berührt. Die Widerstandswer­ te R₁₂, R₁₃, R₃₁₁ und R₃₁₂ sind so zu bemessen, daß sich vorge­ nannter erster Spannungswert U_SS1 einstellt. Die Überwachungs­ schaltung 3 nimmt an ihrem Meßeingang des Analog-/Digi­ tal-Wandlers 311 ein Meßsignal, vorzugsweise eine Meßspannung U_M U_{B *} (R₁₂ + R₁₃)/(R₁₂ + R₁₃ + R₃₁₁ + R₃₁₂) gegen Masse M auf.

Wirkt eine Beschleunigung größer als eine im wesentlichen durch die konstruktive Ausgestaltung des Beschleunigungs­ schalters 11 bestimmte Schwelle auf den Beschleunigungsschal­ ter 11 ein, schließt der Beschleunigungsschalter 11. Von der Überwachungsschaltung 3 wird eine Meßspannung U_M = U_{B *} R₁₃/(R₁₃ + R₃₁₁ + R₃₁₂) gegen Masse M festgestellt. Die Schwelle ist u. a. bestimmt durch den Abstand zwischen den Kontaktstücken 111 und 112, der Anordnung und des Gewichts einer seismi­ schen Masse am beweglichen Kontaktstück 111, der Biegestei­ figkeit des ersten Kontaktstückes 111 und der ersten Schal­ terspannung U_SS1.

Zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des Beschleunigungs­ schalters 11 wird der Beschleunigungsschalter 11 von der Überwachungsschaltung 3 elektrisch induziert geschlossen: Dazu wird die Schaltstrecke der steuerbaren Schaltstufe 313 lei­ tend gesteuert, so daß der erste Betriebswiderstand 311 kurz­ geschlossen ist. Die Schalterspannung Q_SS nimmt zunächst ei­ nen zweiten, hohen Spannungswert Q_SS2 = U_{B *} R₁₂/(R₁₂ + R₁₃ + R₃₁₂) von etwa 2 bis 5 Volt an, so daß die durch den zweiten Spannungswert U_SS2 hervorgerufene elektrostatische Anziehungs­ kraft auf das bewegliche Kontaktstück 111 so groß ist, daß sich das bewegliche Kontaktstück 111 aus seiner Ruhelage auf das Gegenkontaktstück 112 zubewegt und es berührt. Die Schal­ terspannung am geschlossenen Beschleunigungsschalter 11 bricht daraufhin zusammen. Die Meßspannung U_M beträgt U_{B *} R₁₃/(R₁₃+ R₃₁₂).

Ist der Beschleunigungsschalter 11 defekt und schließt auf­ grund des ihm zugeführten hohen Spannungswertes U_SS2 nicht, so beträgt die Meßspannung U_M = U_{B *} (R₁₂ + R₁₃)/(R₁₂ + R₁₃ + R₃₁₂).

Bei einem Leitungskurzschluß zwischen erstem und zweitem Lei­ ter 21 und 22 wird am Meßeingang eine Meßspannung U_M von 0 Volt bzw. Massepotential aufgenommen.

Alle beschriebenen Zustände der Aufprallerkennungseinrichtung sind eindeutig aus der Größe der Meßspannung U_M ableitbar. Insbesondere bei einem Einsatz der Aufprallerkennungsschal­ tung in einem Kraftfahrzeug mit dezentraler Sensoreinrichtung 1 und langen Leitungswegen ist die erfindungsgemäße Anordnung des zweiten Meßwiderstandes 13 vorteilhaft, da so auch ein Leitungskurzschluß von einem Schaltsignal und von einem de­ fekten Beschleunigungsschalter 11 unterschieden werden kann. Ist das Erkennen eines Leitungskurzschlusses nicht erforder­ lich, kann der zweite Meßwiderstand R₁₃ entfallen.

In Fig. 2 ist eine Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 1 ge­ zeigt, die zusätzlich eine Filterschaltung 14 mit einem Fil­ terkondensator 142 und zwei Filterwiderständen 141 enthält.

Die Filterschaltung 14 weist Tiefpaß-Charakter mit einer niedrigen Grenzfrequenz von etwa 10 kHz auf. Auf die Zwei­ drahtleitung 2 eingekoppelte hochfrequente Störsignale haben somit nicht ein Schließen des Beschleunigungsschalters 11 zur Folge, das von der Überwachungsschaltung 3 als beschleuni­ gungsabhängiges oder testbedingtes Schließen falsch interpre­ tiert werden würde. Die Filterwiderstände 141 sind dabei so zu bemessen, daß der zweite Spannungswert U_SS2 zum Schließen des Beschleunigungsschalters 11 ausreicht.

Von der Erfindung mitumfaßt ist eine Aufprallerkennungsein­ richtung, die einen in seiner Ruhelage - also ohne Einwirken einer Beschleunigung - geschlossenen Beschleunigungsschalter 11 aufweist, der bei Einwirken einer Beschleunigung geöffnet wird. Die Schalterspannungen U_SS, U_SS1, U_SS2 sind entsprechend zu polen und zu bemessen.

Der Beschleunigungsschalter 11 kann Bestandteil eines Be­ schleunigungssensors aus mehreren Beschleunigungsschaltern 11 sein, bei dem jedem Beschleunigungsschalter 11 eine unter­ schiedliche Schwelle zugeordnet ist. Der Beschleunigungs­ schalter 11 kann ferner als Safing-Sensor für eine Air­ bag-Steuerung verwendet werden. Anstelle des Mikroprozessors 31 kann eine sonstige Auswerteschaltung verwendet werden.

Der Selbsttest des Beschleunigungsschalters 11 kann innerhalb einer Initialisierungsroutine bei Inbetriebnahme der Auf­ prallerkennungseinrichtung bzw. des zugehörigen Air­ bag-Steuergeräts durchgeführt werden wie auch zyklisch während des Betriebs der Aufprallerkennungseinrichtung.

Claims (9)

1. Aufprallerkennungseinrichtung, insbesondere für ein Kraft­ fahrzeug,
mit mindestens einem mikromechanisch ausgebildeten Beschleu­ nigungsschalter (11) mit einem beschleunigungsabhängig be­ weglichen Kontaktstück (111) und mit einem Gegenkontakt­ stück (112),
mit einer Überwachungsschaltung (3), die elektrisch leitend mit Anschlüssen (1111, 1121) der Kontaktstücke (111, 112) verbunden ist, und die eine steuerbare Spannungsquelle (31) und eine Auswerteeinrichtung (32) aufweist,
wobei die Aufprallerkennungseinrichtung einen ersten Be­ triebszustand zum Erkennen eines Aufpralls aufweist, mit einer von der Spannungsquelle (31) den Anschlüssen (1111, 1121) zugeführten ersten Spannung (Q_SS1), dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufprallerkennungseinrichtung einen zweiten Betriebs­ zustand zum Testen des Beschleunigungsschalters (11) auf­ weist, mit einer von der Spannungsquelle (31) den Anschlüs­ sen (1111, 1121) zugeführten zweiten Spannung (U_SS2), deren Betrag größer ist als der Betrag der ersten Spannung (U_SS1), und
daß in der Auswerteeinrichtung (32) ein am Beschleunigungs­ schalter (11) abgegriffenes Meßsignal (U_M) ausgewertet wird.

2. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das bewegliche Kontaktstück (111) eine seismische Masse aufweist und unter Einwirkung einer Be­ schleunigungskraft ausgelenkt wird, und daß das Gegenkontakt­ stück (112) als Anschlag ausgebildet ist.

3. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine auf das bewegliche Kontaktstück (111) einwirkende Testelektrode (1122) elektrisch mit dem Gegenkon­ taktstück (112) verbunden ist.

4. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gegenkontaktstück (112) großflächig ausgebildet ist.

5. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erster Meßwiderstand (12) parallel zum Beschleunigungsschalter (11) angeordnet ist.

6. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Beschleunigungsschalter (11) räumlich getrennt von der Überwachungsschaltung (3) angeordnet und über eine Zweidrahtleitung (2) mit der Überwachungsschaltung (3) elektrisch verbunden ist.

7. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine räumlich von der Überwachungs­ schaltung (3) getrennt angeordnete Sensoreinrichtung (1) den Beschleunigungsschalter (11), den ersten Meßwiderstand (12) und einen in Serie zu Beschleunigungsschalter (11) und erstem Meßwiderstand (12) angeordneten zweiten Meßwiderstand (13) aufweist.

8. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßspannung (U_M) an einem der Kontakt­ stücke (111, 112) abgegriffen wird.

9. Aufprallerkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannungsquelle (31) einen ersten Be­ triebswiderstand (32), einen zweiten Betriebswiderstand (34), eine steuerbare Schaltstufe (33) und eine Betriebsspannungs­ quelle (U_B) aufweist, daß eines der Kontaktstücke (111, 112) über den ersten Betriebswiderstand (32) und den in Serie zum ersten Betriebswiderstand (32) angeordneten zweiten Betriebs­ widerstand (34) mit der Betriebsspannungsquelle (U_B) verbun­ den ist, und daß die steuerbare Schaltstufe (33) parallel zum ersten Betriebswiderstand (32) angeordnet ist.