DE2151399A1 - Stossempfindliche Anordnung mit wenigstens einem piezoelektrischen Kristall als mechanisch-elektrischem Umformer - Google Patents

Description

.-.... .«·· · "Frankfurt am Main,

den 13. Okt. 1971 Dipl. !ng. R. Mertens

Patentanwa't
.6 Frankfurt/Main 1, Ammeiburgstr. 34

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn./USA

Stoßempfindliche Anordnung mit wenigstens einem piezoelektrischen Kristall als mechanisch-elektrischem Umformer

Zuir. Schutz von Fahrern und Fahrgästen beim Zusammenstoß von Kraftfahrzeugen ist in jüngster Zeit die Verwendung sogenannter Luftsäcke vorgeschlagen worden, welche im Fall eines plötzlichen Aufpralls des Fahrzeuge auf ein Hindernis sich selbsttätig entfalten und zwischen dem Fahrer bzw. Fahrgast und den in Aufprallrichtung liegenden Teilen des Fahrgastraumes ein gasgefülltes Schutzkissen bilden. Da der Fahrgast vielfach einen Aufprall oder Zusammenstoß nicht voraussehen kann oder 3eine Reaktionsgeschwindigkeit für die Einleitung geeigneter Schutzmaßnahmen zu gering ist, muß das Aufblasen eines solchen Schutzkissens oder Luftsacks im Falle eines Aufpralls selbsttätig von einom stoßempfindlichen Fühler ausgelöst erfolgen. Dieser Fühler muß die !Beschleunigung des Fahrzeuges überwachen und bei einen bestimmten Grenzwert übersteigenden Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ansprechen.

Stoßempfindliche Fünler sind an sich bekannt, beispielsweise in Aufschlagzündern für Geschosse. Man verwendet hierfür vielfach piezoelektrische Kristalle, welche bekanntlich bei mechanischer Beanspruchung eine elektrische Spannung liefern. Diese Art von nechani.sch-^lektrischen Umformern kann auch als Fühler in Krfef t fahr zeug/? η eirv^setzt werden, ist jedoch für dJe:;o Zwecke nicht ohne? weicr-ros geeignet, Wiii er nicht zwi-

BAD ORIGINAL 2Ü9819/G59A

scher, nur kurze Zeit andauernden Stößen und sich Über längere Zeitspannen erstreckenden übermäßigen Beschleunigungen unterscheiden kann. Im Falle eines Zünders braucht der Fühler nur den Aufprall beim Erreichen des Ziels festzustellen. Er wird dann ohnehin mit dem Geschoß zerstört. Ein Aufprallfühler für Kraftfahrzeuge hingegen maß unterscheiden können zwischen kurz anhaltenden Stößen, welche für die Fahrgäste zumeist harmlos sind und von ungefährlichen Zusammenstößen, Schlaglöchern oder Vibrationen des Fahrzeugs herrühren, und langanhaltenden Stößen, welche bei ernsthaften Zusammenstößen auftreten. Das Fahrgast-Gchutzkissen soll nur bei den letztgenannten langanhaltenden Stößen entfaltet und aufgeblasen werden, nicht jedoch bei den Kurzzeitstößen, selbst wenn diese relativ heftig sind. Solche Kurzzeitstöße werden meistens von den Sicherheitsgurten aufgefangen. Wenn auch hier das Schutzkissen aufgeblasen würde, käme es zu einer unnötigen Behinderung des Fahrers bzw. des Fahrgastes, welche u.U. sogar die Verkehrssicherheit stark .beeinträchtigen könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine stoßempfindliche Anordnung mit wenigstens einem piezoelektrischen Kristall als mechanisch-elektrischem Umformer zu schaffen, die zwischen kurz anhaltenden und über längere Zeit andauernden 8t;ößen zu unterscheiden vermag.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß an den mechanisch-elektrischen Umformer ein Spannungnbegrenzer, an diesen ein Integrator und jenen eine Schwellwertschaltung angeschlossen iet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen ÄusfÜhrungsbeispiels erläutert, wobei

Figur 1 das Blockschaltbild der Anordnung, . ^. Figur 2 das Schaltbild im einzelnen,

209819/059* ^₀ ORIGINAL

Figur 3 mehrere beim Betrieb der Anordnung entstehende Spannungskurven und

Figur h seher.iatisch die Anbringung der Fühler an einem Kraftfahrzeug wiedergibt.

Figur 1 zeigt als ersten Block einen piezoelektriscnen Fühler 50, welcher einen oder mehrere Piezokristall in solcher Anordnung enthält, daß aie auf plötzliche Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ansprechen und eine Spannung abgeben. Der fühler 50 speist einen Spannungsbegrenzer 51, an dessen Ausgang ein Integrator 52 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Integrators 52 gelangt zu einer Schwellwertschaltung 53, weiche den Verstärker 5¹J speist, der der Auslösevorrichtung 55 des Fahrgastschutzkissens vorgeschaltet ist. Diese Auslösevorrichtung kann beispielsweise ein kleiner Zünder sein, der das Entfalten und Aufblasen des Schutzkiseens mit Druckgas bewirkt.

Im Schaltbild gemäß Figur 2 besteht der Fühler 50 aus zwei piezoelektrischen Kristallen PXl und PX2, welche im Falle eines Stoßes an ihrer oberen Elektrode eine positive Spannung abgeben. Diese gelangt zu einer Begrenzerschaltung in Form einer Zener-Diode ZDl, an die ein Integrator mit dem Widerstand Rl und dem Kondensator Cl angeschlossen ist. Der hochohmige Widerstand R2 bildet einen Entladestromkreis für den Kondensator Cl. Der Integrator 52 speiet eine Schwellwertschaltung, welche durch einen n-Kanal-Feldeffekttransistor Ql mit geerdeter Quellenelektrode gebildet ist. Dieser Transistor ist normalerweise gesperrt und wird durchgeschaltet, ecbald die Spannung an seiner Steuerelektrode einen genügend hohen Wert erreicht. Der Widerstand R3 begrenzt den ftrom über den Transistor Ql. Dieser Transistor steuer- die Steuerelektroden zweier in Reihe geschalteter komplementärer Feldeffekttrp-na is toren Q2 und Q3, wobei der erstere vom p-Kanal-Typ und der zweite vom n-Kanal-Typ ist und deren Senkenelektronen miteinander verbunden und an die Steuerelektrode eines Thyristors

209819/0594

SCRl angeschlossen sind. Die beiden Feldeffekttransistoren Q2 und Q3 erzeugen an ihrem Ausgang, d.h. am Widerstand R^, das den Thyristor SCRl steuernde Schaltsignal. Der Thyristor SCRl betätigt den Zünder Zl für die Aufblasvorrichtung des Insassenschutzkissens (Luftsack). Die in Figur 1 in Form des Blockes 5k schematisch wiedergegc;bene Verstärkerfunktion wird gemeinsam von den Transistoren Ql bis Q3 und dem Thyristor SCRl bewirkt. Mit Hilfe eines aus dem Widerstand R5 und dem Kondensator C2 bestehenden RC-Gliedes ist der Thyristor SCRl vor der Stromversorgungsleitung entkoppelt, wodurch die Belastung der Stromversorgung infolge der relativ kurzen aber stromstarken Impulse über die Belastung Zl geglättet wird. Das RC-Glied verhindert außerdem da3 Auslösen des Zünders Zl beim Einschalten der Sicherheitsanordnung.

Im Betrieb entsteht bei einem Aufprall, d.h. bei einer mechanischen Beanspruchung des Fühlers 5O₁ an diesem ein Spannungsimpuls entsprechend der Kurve V™ in Figur 3· Dieser gelangt zum Begrenzer 51_} ^er die Spannungskurve auf den Wert der Durchbruchspannung der Zener-Diode ZDl begrenzt und damit die ebenfalls in Figur 3 über der Zeit t aufgetragene Spannungskurve V_^ entstehen läßt. Mit dieser Spannung wird der Integrator 52 gespeist, an dessen Ausgang eine Spannung von der Kurvenform V₁--entsteht. Diese gelangt zur Begrenzerschaltung 53, welche nur dann anspricht, wenn die Eingangsspannung oberhalb des Schaltpegels Vq liegt. Am Ausgang des Verstärkers $k steht somit eine Schaltspannung V-^, von der ebenfalls in Figur 3 wiedergegebenen Kurvenform zur Verfügung.

Wie man aue Figur 3 ersieht, steigt das Signal Vrh erst nach einer durch den Integrator 52 hervorgerufenen Verzögerungszeit, dann aber plötzlich an und zwar unmittelbar auf den zur Auslösung des Zünders Zl erforderlichen .Wert. Die Verzögerungszeit ist praktisch von der Amplitude des ursprünglichen FÜhlerausgangsimpuises V,-- unabhängig. Somit unterscheidet die An-

209819/0594

ordnunc zwischen kurzen und langandauernden Stoßen, unabhängig vcn ihrer Intensität, vorausgesetzt natürlich, daß ihre Amplitude nicht zu klein ist. Kurze Stöße lösen somit die Sicherheitsvorrichtung auch dann nicht aus, wenn sie von relativ hoher Amplitude sind.

Der Pitoßfühler kann, wie in Figur k gezeigt, an einem Kraftfahrzeug kl befestigt werden, welches sich in Richtung des Pfeiles k2 fortbqiwegt. Die beiden piezoelektrischen Kristalle 10 sind an der Vorderseite des Kraftfahrzeugs derart befestigt, daß ihre Empfindlichkeitsachsen 10a in der hauptsächlich zu erwartenden Stoßrichtung im Fall von Zusammenstößen oder einem Aufprall liegen. Die Achsen 10a sind schräg nach außen gerichtet. Je eine Masse kj> ist hinter jedem der beiden Kristalle 10 angeordnet, so daß im Falle eines Zusammenstoßes oder Aufpralls die Masse kj> den betreffenden Kristall 10 zusammendrückt und dieser eine Spannung erzeugt.

Anstelle von nur zwei piezoelektrischen Fühlern können auch mehrere Fühler vorgesehen sein, um Stoßbeanspruchungen auch aus anderen Richtungen zu überwachen. Stattdessen können auch mechanische Stoßübertragungsvorrichtungen, welche auf Stöße aus verschiedenen Richtungen ansprechen, auf einen einzigen Kristall einwirken. Durch Verdoppelung der Schaltung läßt sich die Zuverlässigkeit der Sicherheitsanordnung noch erhöhen. Die gesamte Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 läßt sich mit Ausnahme der piezoelektrischen Kristalle und des Zünders ,leicht als ein Baustein in integrierter Schaltungstechnik billig, platzsparend und in großen Stückzahlen herstellen, so daß weder die Unterbringung im Kraftfahrzeug noch die Wartung oder die Speisung aus der Kraftfahrzeugbatterie Schwierigkeiten bereiten. ·

209819/0594

Claims (3)

Patentansprüche

1.) Stoßempfindliche Anordnung mit wenigstens einem piezoelektrischen Kristall als mechanisch-elektrischem Umformer, dadurch gekennzeichnet« daß an den mechanisch-elektrischen Umformer (50) ein Spannungsbegrenzer (51), an diesen ein Integrator (52) und an jener* eine Schwellwertschaltung (53) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch !,dadurch gekennaei chne t, daß jedem der piezoelektrischen Kristalle (10) eine hei Auftreten eines Stoße3 den Kristall einer Druckbeanspruchung unterwerfende Masse (43) zugeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzei chne t, daß an die Schwellwertschaltung (53) die Auslösevorrichtung (55) eines dew Schutz von Fahrgästen einee Kraftfahrzeuges dienenden aufblasbaren Schutzkiseens angeschlossen ist.

¹I. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Kristalle (10) mit in unterschiedliche Richtungen weisenden Einpfindlichkeitsachsen (10a) an oder in einem Kraftfahrzeug (¹Il) befestigt sind.

209119/0594