DE10118491C2 - Stoßimpulssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoßimpulssensor mit einem Gehäuse und einem Sensorelement, das unter Einwirkung eines mindestens näherungsweise impulsförmigen Stoßes auf das Gehäuse mit einer Geschwindigkeit entlang eines vorbestimmten Weges im Gehäuse bewegbar und an dem Gehäuse mit einer seine Geschwindigkeit be­ einflussenden Führung gelagert ist, wobei das Sensorelement aus einem magnetischen Werkstoff besteht und ein gehäusefestes Auf­ nahmeelement vorgesehen ist, um über die durch den Stoß verur­ sachte Bewegung des Sensorelementes auf magnetischem Wege ein Meßsignal zu erzeugen, wobei ferner das Sensorelement durch seine Bewegung eine vom Weg abhängige Meßspannung in dem Auf­ nahmeelement erzeugt.

Ein Stoßimpulssensor der vorstehend genannten Art ist aus der US 5,983,724 bekannt.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Sensoren bekannt, die zum Zweck der Kollisionsfrüherkennung in der Verformungszo­ ne von Kraftfahrzeugen installiert sind. Mit diesen Sensoren soll eine der registrierten Kollisionsschwere angemessene Aus­ lösung von Sicherheitseinrichtungen erreicht werden, beispiels­ weise von Gurtstraffer- und adaptiven mehrstufigen Airbagsystemen. Bei den bekannten Sensoren handelt es sich meist um voll­ elektronische Beschleunigungssensoren im vorderen Fahrzeugbe­ reich. Diese Sensoren sind z. B. in der Kühleraufhängung, im Fahrwerk oder im Stoßfänger untergebracht. Sie werden in der Fachsprache als "Upfront-Sensoren" bezeichnet. Diese Sensoren geben ein der Kollision entsprechendes Ausgangssignal ab, das über ein Anschlußkabel an eine Zentralauswerteeinheit weiterge­ leitet wird.

In der Zentralauswerteeinheit wird das Ausgangssignal weiter­ verarbeitet. Dies geschieht üblicherweise mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus, wonach das Signal über die Kollisi­ onszeitspanne aufintegriert wird. Aus der sich daraus ergeben­ den Geschwindigkeitsänderung werden Auslösekriterien für die Sicherheitseinrichtungen abgeleitet.

Da in der Praxis Kollisionen von Kraftfahrzeugen unter höchst unterschiedlichen Randbedingungen auftreten, können die am Meß­ ort auftretenden Beschleunigungsspitzen auch sehr unterschied­ liche Werte aufweisen. In der Praxis rechnet man mit einem Dynamikbereich von etwa 200 : 1 in einem Frequenzband von etwa 50 Hz bis 5.000 Hz. Andererseits kann der begrenzte Dynamikbe­ reich herkömmlicher Sensoren zu Signalverzerrungen führen, die eine Verfälschung des erwähnten Zeitintegrals nach sich ziehen und die Sicherheitsauslösekriterien mit einer erhöhten und da­ mit unerwünschten Unschärfe belasten.

Bei einem in der DE 41 28 347 C1 beschriebenen Stoßimpulssensor handelt es sich nicht um einen Sensor der vorstehend genannten Art, bei dem aus einer physikalischen Größe (Beschleunigung, Verzögerung) ein analoges Meßsignal abgeleitet wird. Vielmehr ist der bekannte Sensor von seiner Bauart her ein Sicherheits­ schalter oder in der Fachsprache ein sogenannter "Safing- Sensor". Der bekannte Sensor weist lediglich ein herkömmliches Feder-Masse-System auf, bei dem ein ringförmiger Magnet gegen die Kraft einer Druckfeder in einem Gleitrohr verschiebbar ist und der ringförmige Magnet beim Vorbeilaufen an einem magne­ tisch betätigbaren elektrischen Schalter, beispielsweise einem Reed-Kontakt, ein Meßsignal erzeugt, nämlich ein Schaltsignal, das beim Schließen bzw. Öffnen des Reed-Kontaktes erzeugt wird. Der verschiebbare Magnet ist mit einem seitlichen Zapfen in ei­ ner Nut geführt, die sich entlang der Bewegungsbahn des Magne­ ten erstreckt und dazu geneigt verläuft. Aufgrund dessen wird dem Magneten bei seiner axialen Bewegung eine Drehbewegung überlagert. Die Form der Nut ist dabei so gewählt, daß der Magnet beim Vorlaufen bis in seine Endposition nur geringfügig, beim Zurücklaufen aber stark verzögert wird.

Diese Maßnahme hat den Sinn, die Schließdauer des Sicherheits­ schalters in großem Maße unabhängig von dem Verlauf der Kolli­ sionskurve zu machen und insgesamt längere Schließzeiten zu er­ möglichen.

Der bekannte Sensor erzeugt somit kein analoges, zu einer Wei­ terverarbeitung fähiges Meßsignal und gehört daher einer ande­ ren Sensorgattung an, verglichen mit denjenigen, die eingangs genannt wurden.

Bei diesen bekannten Sensoren ist die Impulsgeschwindigkeit des bewegten Sensorelementes abhängig von der Amplitude und der Dauer des einwirkenden Stoßimpulses. Vergleicht man Meßergeb­ nisse mit Stoßimpulsen unterschiedlicher Höhe/Dauer, jedoch gleicher Impulsfläche, so ergibt sich, daß bei diesen Sensoren unterschiedliche Meßsignale auftreten.

Aus der eingangs erwähnten US 5,983,724 ist ein Stoßsensor be­ kannt, bei dem das Sensorelement einen exzentrisch gelagerten Rotor aufweist, an dessen Umfang zwei Magnete angeordnet sind. Diese werden durch im Abstand davon angeordnete, gehäusefeste Haltemagnete in einer bestimmten Ruhestellung gehalten. In die­ ser Ruhestellung stehen die beiden Magnete des Rotors jeweils einem Sensorelement gegenüber. Das Sensorelement enthält eine Widerstandsbrücke, die magnetoresistive Elemente aufweist.

Wenn auf den bekannten Stoßsensor innerhalb der Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse des Rotors liegt, ein Stoß ausge­ übt wird, so verläßt der Rotor unter Überwindung der Haltekraft der Haltemagnete seine Ruhestellung. Dadurch bewegen sich die Magnete relativ zu den Sensorelementen und die darin enthalte­ nen Brückenschaltungen werden verstimmt. Das dabei entstehende Signal hängt nicht linear von der einwirkenden Beschleunigung ab. Deswegen sind Linearisierungsschaltungen vorgesehen, um ei­ ne lineare Abhängigkeit des Sensorsignals von der einwirkenden Beschleunigung zu erzeugen. Durch Vergleich mit einem Sollwert ist eine Grenze vorgegeben, bei deren Überschreiten ein Aus­ gangssignal des Stoßsensors erzeugt wird.

Bei dem bekannten Sensor wird daher keine vom Weg des Sensor­ elementes abhängige Meßspannung ausgewertet und damit auch kei­ ne Unabhängigkeit von der Impulsgeschwindigkeit erreicht.

Aus der US 5,756,896 sowie der US 5,149,925 sind Stoßsensoren bekannt, bei denen als Sensorelement ein linear bewegter Perma­ nentmagnet verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stoß­ impulssensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu­ bilden, daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Sensor-Ausgangssignal erzeugt werden, das ein unmittelbares Maß der Impulsgeschwindigkeit darstellt, also bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Dauer des einwirkenden Stoßimpulses ist.

Bei einem Stoßimpulssensor der eingangs genannten Art wird die­ se Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Führung die Geschwindigkeit des Sensorelementes derart verändert, daß die Meßspannung über dem Weg bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Wei­ se vollkommen gelöst.

Wenn nämlich das Sensorelement durch die Führung in seiner Ge­ schwindigkeit so verändert, d. h. verzögert und/oder beschleu­ nigt wird, so läßt sich die Abhängigkeit des Flußintegrals über dem Weg gerade kompensieren, mit der Folge, daß das Sensor- Ausgangssignal ein unmittelbares Maß der Impulsgeschwindigkeit darstellt und bei gleicher Impulsfläche von der Dauer des Stoß­ impulses unabhängig ist.

Auf diese Weise läßt sich das ursprüngliche dynamische Kennfeld auf ein integrales Kennfeld reduzieren, dessen Dynamikbereich nur etwa 20 : 1 in einem Frequenzband von etwa 0 bis 200 Hz be­ trägt, so daß Signalverzerrungen weitgehend vermieden werden. Die erzielten Meßergebnisse sind dabei im Meßbereich auch ein­ deutig.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stoß­ impulssensors ist das Sensorelement in an sich bekannter Weise in dem Gehäuse entlang einer Innenwand geführt, wobei in der Innenwand eine Führungsnut angebracht ist, das Sensorelement mit einem in die Führungsnut fassenden Zapfen versehen ist und schließlich die Führungsnut zum Weg um einen Winkel geneigt ist, der sich entlang des Weges ändert.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die gewünschte Verände­ rung der Geschwindigkeit des Sensorelementes in konstruktiv einfacher und bewährter Weise erreicht werden kann.

Dies wird in bevorzugter Weiterbildung des Ausführungsbeispiels dadurch erreicht, daß die Innenwand eine zylindrische Wand ist, und daß der Winkel aus dem Gleichungssystem:

M_(x) = 1 + J/(mr².tan²α) (I)

M'/M_(x) = S(Φ'/Φ_(x)) (II)

bestimmt wird, wobei die verwendeten Größen bedeuten:
α = Neigungswinkel der Führungsnut entlang des We­ ges x,
r = der Radius der zylindrischen Innenwand,
x = der Weg des Sensorelementes,
m = die Masse des Sensorelementes,
M_(x) = die auf die Masse normierte effektive Masse,
M' = dM/dx,
J = das Massenträgheitsmoment des Sensorelementes,
Φ_(x) = das magnetische Flußintegral,
Φ' = dΦ/dx,
S = ein erster Variationsparameter, der im Bereich zwischen 0 und 2 variiert wird,
M₍₀₎ = ein zweiter Variationsparameter, der im Bereich zwischen 1 und 10 variiert wird,
wobei in der Differentialgleichung (II) die Variationsparameter (S, M₀) empirisch in den genannten Bereichen variiert werden, bis bei einer Berechnung des bewegten Sensorelementes die Meß­ spannung (U_M) über dem Weg (x) bei gleicher Impulsfläche unab­ hängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes ist.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Sensorelement ein Dauermagnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Meßsignale in ausreichender Größe erhalten und damit auch störsicher weiterverarbeitet wer­ den können.

Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Aufnahmeelement eine Indukti­ onsspule ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich in besonders einfacher Weise weiterverarbeitungsfähige Analogsignale als Meßsignale gewinnen lassen.

Eine besonders gute Wirkung wird bei einem erfindungsgemäßen Stoßimpulssensor dadurch erzielt, daß in der Bewegungsbahn des Sensorelementes ein Rückstellmagnet angeordnet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Sensorelement nach dem Auslösen selbsttätig wieder in die Ausgangslage zurückkehren kann. Zum Vermeiden von Mißverständnissen muß an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen werden, daß der Rückstellmagnet im Gegensatz zu Stoßimpulssensoren der eingangs genannten bekann­ ten Art kein notwendiges Element des Systems ist, weil der er­ findungsgemäße Stoßimpulssensor kein Feder-Masse-System bein­ haltet. Der Rückstellmagnet kann beim erfindungsgemäßen Stoß­ impulssensor auch entfallen, ohne daß dadurch die prinzipielle Funktionsfähigkeit in Frage gestellt wird. Bei einem Fehlen des Rückstellmagneten würde das Sensorelement lediglich in undefi­ nierter Lage verbleiben, wenn der Stoßimpulssensor einmal ange­ sprochen hat. Dies ist jedoch bei manchen Anwendungsfällen hin­ nehmbar, weil ein Ansprechen des Stoßimpulssensors ein Hinweis darauf ist, daß das Fahrzeug einen Kollisionsschaden erlitten hat, der einen Austausch des Stoßimpulssensors zwingend nach sich zieht.

Bei einer weiter bevorzugten Maßnahme, die alternativ oder zu­ sätzlich zur vorgenannten Maßnahme angewendet werden kann, ist das Sensorelement in seiner Ruheposition mittels eines Halte­ elementes gehalten und löst sich erst bei Überschreiten einer vorbestimmten Abreißkraft vom Halteelement.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine definierte Ausgangs­ lage für das Sensorelement geschaffen wird und daß das Sensor­ element gegebenenfalls auch nach einem Ansprechen wieder in seine Ausgangslage zurückkehren und dort vom Halteelement in einer Referenzposition eingefangen werden kann.

Vorzugsweise ist das Halteelement als weichmagnetische Platte ausgebildet, die das Sensorelement über einen vorbestimmten ma­ gnetischen Luftspalt in seiner Ruheposition mit einer definier­ ten Rückhaltekraft festhält.

Weiterhin sind Ausführungsbeispiele der Erfindung besonders be­ vorzugt, bei denen in der Bewegungsbahn des Sensorelementes zwischen einer Ruheposition und dem Aufnahmeelement ein Test- Aufnahmeelement angeordnet ist. Dieses ist bevorzugterweise eine Testspule.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß ein Selbsttest des Stoß­ impulssensors möglich ist, so daß zu gewissen Zeiten eine Über­ prüfung der Sicherheitseinrichtung des Kraftfahrzeuges möglich ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der bei­ gefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, im Schnitt, durch ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Stoßimpulssensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise und der im vorliegenden Zusammenhang interessierenden Nachteile des Stoßimpulssensors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, darstellend das Flußintegral über den Weg bei dem bekannten Stoßimpulssensor gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1, jedoch für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoß­ impulssensors;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Stoßimpulssensors gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, jedoch für den er­ findungsgemäßen Stoßimpulssensor gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Stoßimpulssensor nach dem Stand der Technik. Der Stoßimpulssensor 10 weist einen Dau­ ermagneten 12 auf, der axial magnetisiert ist. Der Dauermagnet 12 ist gleitend in einem rohrförmigen Sensorgehäuse 14 angeord­ net. Wenn ein Stoß auf den Stoßimpulssensor 10 ausgeübt wird, bewegt sich der Dauermagnet 12 von der in Fig. 1 eingezeichne­ ten Ruheposition nach rechts, wie mit einem Pfeil 16 angedeu­ tet. Der Dauermagnet 12 ist in der Ruheposition mittels einer Feder 18 gehalten, die sich an einer dem Dauermagneten 12 ge­ genüberliegenden Wand 20 des Sensorgehäuses 14 abstützt. Das Sensorgehäuse 14 ist in dem in Fig. 1 rechten Bereich von einer Meßspule 22 umgeben.

Wenn auf den Stoßimpulssensor 10 ein in Axialrichtung wirkender Stoß ausgeübt wird, bewegt sich der Dauermagnet 12 im Sensor­ gehäuse 14 aufgrund des von außen einwirkenden Kraftstoßes mit einer Momentangeschwindigkeit dx/dt in x-Richtung, und zwar ge­ gen eine Rückstellkraft F_(x). Die von dem Dauermagneten 12 aus­ gehende magnetische Induktion B_x induziert in der Meßspule 22, die eine Windungszahl N und eine Windungslänge L aufweist, eine elektrische Spannung U_i, solange der Dauermagnet 12 in Bewegung ist. Nach Beendigung der äußeren Krafteinwirkung wird der Dau­ ermagnet 12 mittels der einwirkenden Rückstellkraft F_(x), die durch die Feder 18 aufgebracht wird, in seine Ruheposition x = 0 zurückkehren. Die in der Meßspule 22 erzeugte Induktions­ spannung U_i ist gegeben durch:

In dieser Formel steht Φ_(x) für das magnetische Flußintegral, das sich aus der Differenz des die Meßspule 22 durchflutenden magnetischen Flusses am Windungsanfang und am Windungsende der Meßspule 22 ergibt und ferner durch die Geometrie des Systems, bestehend aus dem Dauermagnet 12 und der Meßspule 22, bestimmt ist. Die Momentangeschwindigkeit dx/dt kann aus der Bewegungs­ gleichung des Dauermagneten 12 berechnet werden und ergibt sich zu:

Der Ausdruck Δv bezeichnet dabei die Impulsgeschwindigkeit, die im vorliegenden Zusammenhang die eigentliche Meßgröße ist. Der Ausdruck v_d ist der sogenannte Impulsverlust, der sich aus dem Stoßzeitintegral der Rückstellkraft F_(x) über die Kollisions­ dauer Δt ableitet.

Die durch die Gleichungen (1) und (2) beschriebene Sensor­ charakteristik U_i = f_(Δv) ist durch das erste Diagramm 30 gemäß Fig. 2 dargestellt. Das erste Diagramm 30 umfaßt eine erste Kurve 32, die als durchgezogene Linie eine Meßkurve für einen Stoßimpuls darstellt, der in Fig. 2 in einer zeitabhängigen Darstellung mit 32a bezeichnet ist. Eine zweite Kurve 34 zeigt strichpunktiert den Verlauf für einen zweiten Stoßimpuls 34a, und eine dritte Kurve 36 zeigt gestrichelt den entsprechenden Verlauf für einen Stoßimpuls 36a. Die Stoßimpulse 32a, 34a und 36a haben dabei jeweils die gleiche Fläche (bei unterschiedli­ cher Beschleunigungsamplitude und Impulsdauer).

Man erkennt aus den Kurven 32, 34 und 36, daß diese eine stark ausgeprägte Abhängigkeit von der Dauer des Stoßimpulses 32a, 34a, 36a besitzen, so daß das Meßergebnis nicht neutral ist sondern vielmehr eine sogenannte "Dispersion" innerhalb der Kurven 32, 34 und 36 zu beobachten ist. Dies führt dazu, daß einer bestimmten Meßspannung U_i1 drei unterschiedliche Impuls­ geschwindigkeiten Δ₁v, Δ₂v und Δ₃v zugeordnet werden können, je nachdem, wie lang der Stoßimpuls 32a, 34a, 36a dauerte.

Die Ursache hierfür liegt darin, daß der Dauermagnet 12 gemäß Gleichung (2) den Impulsverlust v_d erleidet und das magnetische Flußintegral Φ gemäß Gleichung (1) entlang des Verfahrweges x des Dauermagneten 12 nicht konstant ist. Dies ist in Fig. 3 in einem zweiten Diagramm 38 nochmals dargestellt. Die Nicht- Konstanz des magnetischen Flußintegrals Φ über dem Weg x ist bauartabhängig und unvermeidlich.

Andererseits sorgt der Impulsverlust v_d für einen verkürzten Verfahrweg x im Vergleich zur Freiflugstrecke, d. h. ohne Rück­ stellkraft, so daß eine kompakte Baulänge des Stoßimpulssensors 10 möglich wird, ohne den verfügbaren Einbauraum im Kraftfahr­ zeug zu überschreiten.

Erfindungsgemäß soll nun die bestehende Wegabhängigkeit des ma­ gnetischen Flußintegrals Φ durch geeignete konstruktive Maß­ nahmen kompensiert werden, um auf diese Weise einen vorhandenen Zielkonflikt des Impulsverlustes v_d unter Beibehaltung einer kompakten Baulänge für den Stoßimpulssensor 10 zu überwinden.

Dies wird erfindungsgemäß mit einem Stoßimpulssensor 40 er­ reicht, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.

Der Stoßimpulssensor 40 umfaßt einen Dauermagneten 42, der durch ein Magnetgehäuse 44 umschlossen ist. Der Dauermagnet 42 im Magnetgehäuse 44 ist in einem rohrförmigen Sensorgehäuse 46 axial gleitend gelagert. Eine Innenwand 48 des Sensorgehäuses 46 ist zu diesem Zweck vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.

In der Innenwand 48 ist eine Führungsnut 50 angebracht, deren Steigung in einem Punkt 51 mit α bezeichnet ist. Der Winkel α hat über die axiale Länge x einen Verlauf, wie er in Fig. 5 mit einem dritten Diagramm 66 dargestellt ist.

Am Magnetgehäuse 44 ist ein Zapfen 52 angebracht, der in der Führungsnut 50 läuft.

Fig. 4 zeigt den Dauermagneten 42 in seiner Ruheposition. An der axial gegenüberliegenden Wand 54 des Sensorgehäuses 46 ist ein Rückstellmagnet 56 umgekehrter axialer Polarisierung ange­ bracht, der den Dauermagneten 42 in der in Fig. 4 gezeigten Ru­ heposition hält. Alternativ könnte ein entsprechender Magnet auch als Haftmagnet auf der in Fig. 4 linken Seite des Dauer­ magneten 42 zwischen dem Magnetgehäuse 44 und der linken End­ wand des Sensorgehäuses 46 angeordnet sein.

Um den in Fig. 4 rechten Teil des Sensorgehäuses 46 ist eine Meßspule 58 angeordnet, an die sich axial nach links eine Test­ spule 60 anschließt.

Wegen der übrigen verwendeten physikalischen Größen darf der Einfachheit halber auf Fig. 1 verwiesen werden.

Wenn auf den Sensor 40 von außen in axialer Richtung eine Be­ schleunigung einwirkt, führt der Dauermagnet 42 im Sensorgehäu­ se 46 eine Translationsbewegung in Richtung x aus. Diese wird jedoch infolge der Führung des mit dem Magnetgehäuse 44 verbun­ denen Zapfens 52 in der näherungsweise schraubenförmigen Füh­ rungsnut 50 von einer rotatorischen Zwangsbewegung überlagert. Diese rotatorische Zwangsbewegung ist wegen des sich über dem Weg x ändernden Steigungswinkels α (vgl. Fig. 5) mit unter­ schiedlichen Drehgeschwindigkeiten behaftet. Wie man aus Fig. 5 erkennen kann, nimmt der Steigungswinkel α über den Weg x zu­ nächst ab, durchläuft dann ein Minimum und steigt anschließend wieder an. Dies bedeutet, daß der Dauermagnet 42 in seiner translatorischen Bewegung zunächst abgebremst wird (abnehmender Steigungswinkel α) und dann aus einem Minimum der Geschwindig­ keit wieder beschleunigt wird.

Die vorbeschriebene Vorrichtung wirkt in zweierlei Weise. Zum einen erfährt der Dauermagnet 42 entlang des Verfahrweges x aufgrund seines Massenträgheitsmomentes J eine Verzögerung, die dafür sorgt, daß der Dauermagnet 42 während eines Kollisions­ vorganges des Kraftfahrzeuges im betrachteten Meßbereich der Impulsgeschwindigkeit Δv in gewünschter Art das rechte Ende, d. h. einen Endanschlag des Sensorgehäuses 46, nicht erreicht.

Zum anderen erfährt der Dauermagnet 42 eine zusätzliche Verzö­ gerung bzw. eine zusätzliche Beschleunigung, jeweils abhängig von seiner Momentanposition x, mittels derer die verzögerte Momentangeschwindigkeit dx/dt des Dauermagneten 42 moduliert wird.

Die Ortsabhängigkeit des Bahnwinkels α_(x) ist nun so gestaltet, daß durch eine entsprechende Formgebung der Führungsnut 50 im Sensorgehäuse 46 die unvermeidliche Variation des magnetischen Flußintegrals Φ (vgl. Fig. 3) über die zusätzliche Modulation der Momentangeschwindigkeit dx/dt gemäß Gleichung (1) gerade kompensiert wird.

Sofern gewünscht, kann eine Rückstellkraft für den Dauer­ magneten 42 mittels des Rückstellmagneten 56 dargestellt wer­ den, dies ist jedoch systematisch nicht notwendig. Wenn man da­ von ausgeht, daß der Stoßimpulssensor 40 nur ein einziges Mal während seiner Lebensdauer aktiv wird, nämlich dann, wenn sich ein Kollisionsschaden des Kraftfahrzeuges ereignet, ist nicht notwendig, daß der Stoßimpulssensor 40 für wiederholten Ge­ brauch einsatzfähig ist. Dann kann der Rückstellmagnet 56 oder alternativ ein in Fig. 4 links vom Dauermagneten 42 angeordne­ ter Haftmagnet entfallen. Die genannten Elemente können bei dieser Betrachtungsweise allerdings insoweit nützlich sein, als sie eine definierte Ruheposition des Dauermagneten 42 auch dann gewährleisten, wenn der Stoßimpulssensor 40 im Betrieb erhebli­ chen Erschütterungen ausgesetzt sein sollte, die noch nicht zu einem Ansprechen des Stoßimpulssensors 40 führen sollen.

Die Meßspule 58 ist vorzugsweise auf einen Spulenkörper gewic­ kelt, der seinerseits koaxial auf das Sensorgehäuse 46 aufge­ schoben ist. An Klemmen der Meßspule 58 kann die Meßspannung U_M abgegriffen werden.

Um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf die Höhe der Meß­ spannung U_M nach Möglichkeit auszuschließen, besteht der Dauer­ magnet 42 und - soweit vorhanden - der Rückstellmagnet 56 aus einem temperaturunempfindlichen Magnetwerkstoff, vorzugsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, die sich durch einen ex­ trem niedrigen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsinduktion auszeichnet.

Neben der Meßspule 58 ist vorzugsweise die Testspule 60 vorge­ sehen. Mit deren Hilfe kann die Funktion des Stoßimpulssensors 40 im Wege eines Selbsttests überprüft werden.

Zu diesem Zweck wird ein elektromagnetisches Feld in der Test­ spule 60 erzeugt, indem eine Testspannung U_T angelegt bzw. ein Teststrom eingespeist wird. Als Folge davon wird der Dauerma­ gnet 42 aus der in Fig. 4 dargestellten Ruheposition nach rechts bewegt, bis er in den magnetischen Mittelpunkt der Test­ spule 60 gelangt, sich also im wesentlichen koaxial zu dieser befindet. Die Testspannung U_T wird nun abgeschaltet, und der Dauermagnet 42 kehrt unter alleiniger Einwirkung der Rückstell­ kraft in die Ruheposition zurück. Die in die Meßspule 58 dabei induzierte Spannung zeigt nun an, daß der Stoßimpulssensor 40 funktionsfähig ist. Da die Meßspannung U_M in diesem Fall auf­ grund der Rückwärtsbewegung des Dauermagneten 42 eine umgekehr­ te Polarität im Vergleich zu einer "echten" Meßspannung U_M im Falle einer Kollision des Kraftfahrzeuges aufweist, kann das Meßsignal in diesem Testbetrieb in vorteilhafter Weise vom ei­ gentlichen Meßsignal eindeutig unterschieden werden.

Beispielsweise kann der vorstehend beschriebene Testmodus bei jedem Anlassen des Motors oder bei jedem Betätigen des Zünd­ schlüssels des Kraftfahrzeugs eingeleitet werden. Dadurch wird verhindert, daß der Testmodus zufällig mit einem Kollisions­ ereignis zeitlich zusammenfällt, so daß die Auslösung von Si­ cherheitseinrichtungen an Bord des Kraftfahrzeuges nicht behin­ dert wird.

Hinsichtlich der Dimensionierung der Führungsnut 50 bzw. des Verlaufs des Steigungswinkels α über dem Weg x gemäß dem drit­ ten Diagramm 66 in Fig. 5 geht man von folgender Überlegung aus:

Die weiter oben erwähnte Kompensation des magnetischen Fluß­ integrals (Fig. 3) über den gesamten Verfahrweg x kann aus der Bewegungsgleichung des Dauermagneten 42 ermittelt werden. Die Bewegungsgleichung folgt gemäß dem Hamilton-Prinzip aus der Be­ dingung dE/dt = 0, wobei E die Gesamtenergie des mechanischen Systems bezeichnet. Diese ist gegeben durch die Beziehung:

Der erste Term der Gleichung (3) beschreibt die kinetische Energie des Dauermagneten 42 mit der Masse m und der Momentan­ geschwindigkeit dx/dt. Der zweite Term steht für die durch die Zwangsführung erzeugte Rotationsenergie des Dauermagneten 42 mit dem Massenträgheitsmoment J und der momentanen Winkel­ geschwindigkeit dϕ/dt. Der dritte Term steht für die potentiel­ le Energie des Dauermagneten 42 gegen die Rückstellkraft F_(x), sofern eine solche vorgesehen ist.

Die Führungsnut 50 im Sensorgehäuse 46 beschreibt näherungs­ weise eine Schraubenkurve, jedoch mit der Besonderheit, daß der Steigungswinkel α entlang des Verfahrweges x nicht konstant ist. Hieraus ergibt sich die Zwangsbedingung in differenzieller Form:

dx = rdϕ.tanα(x) (4)

wobei r der Radius der Innenwand 48 des Sensorgehäuses 46 ist. Bewegt sich der Dauermagnet 42 nun um die Wegstrecke dx, wird er um das Bogenelement dϕ um die x-Achse gedreht. Das Maß der Drehung wird durch den am Ort x wirkenden Steigungswinkel α_(x) bestimmt. Die Bewegungsgleichung des Dauermagneten 42 ergibt sich aus der Gleichung (3) unter Berücksichtigung von Gleichung (4) in der sogenannten "M-Darstellung" zu:

in Verbindung mit

M = 1 + J/(mr².tan²α) (6)

Die Größe M ist dabei die auf die Masse m des Dauermagneten 42 normierte, sogenannte effektive Masse. Diese ist implizit vom Verfahrweg x abhängig. M' ist der totale Differentialquotient von M nach x. a_x ist die in x-Richtung von außen einwirkende Beschleunigung. Die Funktion M_(x) ist nun in der Weise zu be­ stimmen, daß die Kompensationsbedingung:

erfüllt ist. dΦ/dx ist dabei der Differentialquotient von Φ nach x. Er ergibt sich aus der Steigung der bekannten Funktion Φ_(x) gemäß Abb. 3. Die Größe S und die Randbedingung M₍₀₎ sind willkürlich vorgegebene Variationsparameter, mittels derer M_(x) aus der Bestimmungsgleichung (7) berechnet werden kann. Aus der gewonnenen Hilfsgröße M_(x) erhält man schließlich den ge­ suchten Bahnwinkel α_(x) gemäß Gleichung (6), der die gewünschte Selbstkompensation des Dauermagneten 42 bewerkstelligt. Der differenzielle Lösungsansatz (7) liefert in überraschender Wei­ se eine brauchbare Lösung für die Selbstkompensation unter Ein­ beziehung der beiden dimensionslosen Variationsparameter S und M₍₀₎, wenn man den Variationsparameter S zwischen 0 und 2 sowie die Randbedingung M₍₀₎ für die Differentialgleichung (7) zwi­ schen 1 und 10 empirisch variiert. Dies geschieht so lange, bis eine Nachrechnung der Meßspannungsverläufe über der Impuls­ geschwindigkeit von der in Fig. 2 dargestellten Ausgangssitua­ tion zu der in Fig. 6 dargestellten Endsituation führt, in der gleiche Kurven mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 be­ zeichnet sind und lediglich ein Apostroph hinzugefügt wurde.

Insgesamt zeigt Fig. 5 somit den schlußendlich erhaltenen Ver­ lauf des Steigungswinkels α als Funktion von x über den gesam­ ten Verfahrweg (Kompensationskurve) des Dauermagneten 42 im Sensorgehäuse 46. Dieser Weg beträgt beispielsweise 17 mm.

Fig. 6 zeigt, wie bereits erwähnt, die resultierende Charakte­ ristik des Stoßimpulssensors 40 mit Kompensation, die sich ge­ mäß Gleichung (1) mittels dx/dt durch einfache Integration von Gleichung (5) ergibt. Die Meßspannung U_M ist bei gleicher Im­ pulsfläche weitestgehend unabhängig von der Dauer des Stoß­ impulses und ergibt im Zusammenhang eine eindeutige Übertra­ gungsfunktion des Stoßimpulssensors 40 im gesamten Meßbereich. Sie weist in guter Näherung sogar einen linearen Verlauf auf, was eine Signalweiterverarbeitung in einer Zentralauswerte­ einheit vereinfacht.

Der erfindungsgemäße Stoßimpulssensor 40 erzeugt somit eine Meßgröße, die sich aus der Impulsgeschwindigkeit und nicht aus der Beschleunigung herleitet und damit ein direktes Maß für die Kollisionsstärke ist. Für den Stoßimpulssensor 40 ist im Prin­ zip keine externe Spannungsversorgung notwendig, da aufgrund des magnetisch-induktiven Funktionsprinzips am Sensorausgang eine Generatorspannung anliegt, die durch die Messung selbst erzeugt wird.

Aufgrund der beschriebenen Selbstkompensation des bewegten Dau­ ermagneten 42 ist das Ausgangssignal neutral und eindeutig.

Auch bei Verwendung einer relativ hohen Rückstellkraft ist der Impulsverlust des Läufers wegen der relativ großen effektiven Masse m des Dauermagneten 42 vernachlässigbar.

Weiterhin ist das Ausgangssignal U_M, wie deutlich aus Fig. 6 zu erkennen ist, eindeutig bezüglich der Impulsgeschwindigkeit Δv, und es kann darüber hinaus auch eine fast lineare Sensorkenn­ linie erreicht werden.

Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Stoßimpulssensor 40 möglich, einen Selbsttest der gesamten in Fig. 4 gezeigten Ele­ mente, vom bewegten Dauermagneten 42 bis zum Anschlußkabel, durchzuführen.

Schließlich ergibt sich eine kompakte Baulänge des Sensorgehäu­ ses 46.

Claims (10)

1. Stoßimpulssensor mit einem Gehäuse (14; 46) und einem Sen­ sorelement, das unter Einwirkung eines mindestens nähe­ rungsweise impulsförmigen Stoßes (32a, 34a, 36a) auf das Gehäuse (14; 46) mit einer Geschwindigkeit (dx/dt) entlang eines vorbestimmten Weges (x) im Gehäuse (14; 46) bewegbar und an dem Gehäuse (14; 46) mit einer seine Geschwindig­ keit (dx/dt) beeinflussenden Führung gelagert ist, wobei das Sensorelement aus einem magnetischen Werkstoff be­ steht, und ein gehäusefestes Aufnahmeelement vorgesehen ist, um über die durch den Stoß verursachte Bewegung des Sensorelementes auf magnetischem Wege ein Meßsignal (U_i; U_M) zu erzeugen, wobei ferner das Sensorelement durch sei­ ne Bewegung eine vom Weg (x) abhängige Meßspannung (U_M) in dem Aufnahmeelement erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung die Geschwindigkeit (dx/dt) des Sensorelemen­ tes derart verändert, daß die Meßspannung (U_M) über dem Weg (x) bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Zeit­ dauer des impulsförmigen Stoßes (32a, 34a, 36a) ist.

2. Stoßimpulssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement in dem Gehäuse (46) entlang einer Innenwand (48) geführt ist, daß in der Innenwand (48) eine Führungsnut (50) angebracht ist, daß das Sensor­ element mit einem in die Führungsnut (50) fassenden Zap­ fen (52) versehen ist und daß die Führungsnut (50) zum Weg (x) um einen Winkel (α) geneigt ist, der sich entlang des Weges (x) ändert.

3. Stoßimpulssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwand (48) eine zylindrische Wand ist, und
daß der Winkel (α) aus dem Gleichungssystem:
M_(x) = 1 + J/(mr²tan²α) (I)
M'/M_(x) = S(Φ'/Φ_(x)) (II)
bestimmt wird, wobei die verwendeten Größen bedeuten:
α = Neigungswinkel der Führungsnut (50) ent­ lang des Weges x
r = der Radius der zylindrischen Innenwand (48)
x = der Weg des Sensorelementes,
m = die Masse des Sensorelementes,
M_(x) = die auf die Masse m normierte effektive Masse,
M' = dM/dx,
J = das Massenträgheitsmoment des Sensorele­ mentes,
Φ_(x) = das magnetische Flußintegral,
Φ' = dΦ/dx
S = ein erster Variationsparameter, der im Be­ reich zwischen 0 und 2 variiert wird,
M₍₀₎ = ein zweiter Variationsparameter, der im Bereich zwischen 1 und 10 variiert wird,
wobei in der Differentialgleichung (II) die Variations­ parameter (S, M₍₀₎) empirisch in den genannten Bereichen variiert werden, bis bei einer Berechnung des bewegten Sensorelementes die Meßspannung (U_M) über dem Weg (x) bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes (32a, 34a, 36a) ist.

4. Stoßimpulssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein Perma­ nentmagnet (42) ist.

5. Stoßimpulssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeelement eine Induk­ tionsspule (58) ist.

6. Stoßimpulssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Bewegungsbahn des Senso­ relementes ein Rückstellmagnet (56) angeordnet ist.

7. Stoßimpulssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sensorelement in seiner Ru­ hestellung mittels eines Halteelementes gehalten ist und sich erst bei Überschreiten einer vorbestimmten Abreiß­ kraft vom Halteelement löst.

8. Stoßimpulssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement als weichmagnetische Platte ausge­ bildet ist, die das Sensorelement über einen vorbestimmten magnetischen Luftspalt in seiner Ruheposition mit einer definierten Rückhaltekraft festhält.

9. Stoßimpulssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bewegungsbahn des Sensorelemen­ tes zwischen einer Ruhestellung und dem Aufnahmeelement ein Test-Aufnahmeelement angeordnet ist.

10. Stoßimpulssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Test-Aufnahmeelement eine Testspule (60) ist.