(57)【要約】  直列に接続された少なくとも2つのコンデンサを備える力測定素子が提案される。ここで力測定素子は力が作用すると、少なくとも2つのコンデンサのうちの第1のコンデンサの容量が増大し、少なくとも2つのコンデンサのうちの第2のコンデンサの容量が減少するように構成されている。この力測定素子は接続要素として構成されており、該接続要素では、前記力測定素子のスリーブ(5)の長手側(1)に力が作用し、前記少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）はバー(6)によって分離されており、該バー(6)は力の導入中に実質的に不動であり、力の導入により、前記バー(6)の上方ではコンデンサ(C1)を備える第1の構造空間が縮小し、前記バー(6)の下方では第2のコンデンサ(C2)を備える別の構造空間が拡大する、ことを特徴とする。
2009500616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）を備える力測定素子であって、
該力測定素子は力が作用すると、少なくとも2つのコンデンサのうちの第1のコンデンサ(C1)の容量が増大し、少なくとも2つのコンデンサのうちの第2のコンデンサ（C2）の容量が減少するように構成されている形式の力測定素子において、
該力測定素子は接続要素として構成されており、
該接続要素では、前記力測定素子のスリーブ(5)の長手側(1)に力が作用し、
前記少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）はバー(6)によって分離されており、
該バー(6)は力の導入中に実質的に不動であり、
力の導入により、前記バー(6)の上方ではコンデンサ(C1)を備える第1の構造空間が縮小し、前記バー(6)の下方では第2のコンデンサ(C2)を備える別の構造空間が拡大する、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項２】
請求項1記載の力測定素子において、
前記力測定素子は、力を制限するための構成部材(2)を有し、
該構成部材は、前記少なくとも2つのコンデンサ(C1,C2)の過負荷および/または位置変化を引き起こす力の導入を阻止する、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項３】
請求項1または2記載の力測定素子において、
前記少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）は、前記力測定素子への打込みばめによって取り付けれる、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項４】
請求項2または3記載の力測定素子において、
前記構成部材(2)は、少なくとも1つの案内部を前記少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）の電気接続のために有する、
【請求項５】
請求項1から4までのいずれか一項記載の力測定素子において、
前記力測定素子は、第1と第2の容量を差分評価するように構成されている、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項６】
請求項1から5までのいずれか一項記載の力測定素子において、
前記バー(6)と前記スリーブ(6)は一体である、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項７】
請求項1から5までのいずれか一項記載の力測定素子において、
前記バー(6)と前記構成部材(2)は一体である、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項８】
請求項1から7までのいずれか一項記載の力測定素子において、
前記構成部材(2)は、前記力測定素子のカバーとして構成されている、ことを特徴とする力測定素子。
【請求項９】
請求項1から8までのいずれか一項記載の力測定素子において、
前記少なくとも2つのコンデンサ（C1,C2）は、多層コンデンサとして構成されている、ことを特徴とする力測定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の力測定素子に関する。
【０００２】
US6218632B1からすでに力測定素子における差動コンデンサが公知である。ここでは二重プレートとして構成された中央プレートが及ぼされる力に依存して運動することができる。この中央プレートは相互に直列に接続された2つのコンデンサに所属する。さらにばねがロッドに設けられており、このロッドを介して力が前記中央プレートに及ぼされる。
【０００３】
発明の利点
独立請求項の特徴的構成を備える本発明の力測定素子はこれに対して、通常のコンデンサを使用することができ、従来技術のような特別のコンデンサ構造を必要としないという利点を有する。本発明は、コンデンサは所定の力が作用するまでは弾性変形する、すなわちこの力作用の終了時にコンデンサは再び元の形状に戻るという知識から出発する。ここで力測定素子にはバーが設けられており、このバーは2つのコンデンサを分離し、実質的に不動である。これにより力が力測定素子のスリーブに作用するとき、第1のコンデンサが配置された上側構造空間が力作用により縮小し、バーの下方にある第2構造空間が相応に拡大する。この原理は差動コンデンサまたは、差動原理によるコンデンサと称される。これにより力作用に比例する容量変化が生じる。従って本発明の力測定素子により非常にコンパクトな構造形状が可能であり、とりわけ力測定素子を接続部材として、すなわち自動車シートのシートロッドでのねじまたはボルトとして使用することができる。これによりシートに乗客または物体により及ぼされる力を検出することができる。とりわけ複数の力測定素子をシートロッドに使用することにより自動車シートへの力分布を推定することができ、乗員保護手段、例えばエアバッグおよびベルトテンショナを最適かつ正確に制御することができる。本発明の力測定素子は構造形状がコンパクトであるので、簡単に製造することができ、製造コストも小さい。
【０００４】
従属請求項には、独立請求項に記載された力測定素子の有利な実施形態が示されている。
【０００５】
特に有利には、力測定素子が力を制限するための構成部材を有する。この構成部材は、コンデンサへの力が塑性変形を引き起こしたり、または力測定素子にあるコンデンサの位置を変化させたりするのを阻止する。コンデンサは有利には力測定素子への打込みばめによって取り付けることができる。このことはとりわけ簡単な取り付け手段である。
【０００６】
有利にはこの構成部材によってブッシングを設け、このブッシングによりコンデンサへの電気接続を行うことができる。もちろん複数のブッシングを設け、複数の電気線路を評価回路に導くことができる。評価回路はとりわけ力測定素子の頭部に設けられる。力測定素子は電気接続、光学的接続、または無線接続を介して制御装置と接続され、制御装置は検出された力測定値を例えばエアバッグ制御装置に伝送する。ここで力測定素子の評価回路は、コンデンサの容量の差動評価が可能であるように接続される。これにより相対誘電率は評価の際に問題とならず、力作用による間隔変化だけが容量変化に関与する。
【０００７】
2つのコンデンサを分離することのできるバーは、有利にはスリーブと一体的に、または構成部材と一体的に結合されている。これは製造プロセスに応じて最適化することができる。
【０００８】
さらに構成部材自体を力測定素子のカバーとして構成すると有利である。これにより力測定素子は、構成部材と力測定素子の残余部とが相互に、有利には半径方向に周回する溶接継ぎ目によって結合される場合だけ機能する。
【０００９】
有利にはコンデンサを多層コンデンサとして構成することもできる。このことは、測定信号の評価または感度を改善することができる。このような多層コンデンサでは、コンデンサの面積が拡大され、層の並列回路がこのコンデンサを形成する。
図面
本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。
図1は、本発明の力測定素子の第1実施例を示す。
図2は、本発明の力測定素子の第2実施例を示す。
図3は、本発明の力測定素子の第3実施例を示す。
図4は、基礎となる機能原理を示す。
図5は、多層コンデンサを示す。
図6は、評価回路の第1実施形態を示す。
図7は、評価回路の第2実施形態を示す。
【００１０】
実施例の説明
シート力センサではｓ字状またはロッド状のエレメント、例えばシングル撓みバーまたはダブル撓みバーを使用することができ、この撓みバーは力またはトルクが作用するときに変形する。この提案の欠点は、構造空間が大きいことと、ねじおよびボルトのようなこれまでの固定エレメントへの組み込みが困難なことである。しかしボルト形状は、いわゆるHポイントを維持するために必要である。このHポイントは、乗客の腰の高さが車両床に対してどの高さに存在するかを指示する。すなわち既存のエレメント、例えば通常の自動車シートにあるボルトに対する代用品はこのHポイントを変更してはならない。しかし力測定素子を例えばシートの下またはシートレールの下に組み込むことにより、このポイントが変化する。すなわち高くなる。
【００１１】
本発明によれば力測定素子を次のように構成することが提案される。すなわち、
力測定素子が接続要素として使用可能であり、力測定素子の長手側への力作用が垂直に作用し、これによりボルト適用またはねじ適用が可能であり、
コンデンサが、実質的に力の導入中に不動であるバーによって分離され、これにより構造空間がバーより上方で縮小し、バーより下方で拡大するように構成するのである。本発明によれば、力測定素子を次のように構成することが提案される。すなわち力測定素子が接続要素として使用可能であり、力測定素子の長手側に導入される力が垂直に作用するように構成するのである。横方向の力は幅と高さの関係が不均等であることによりコンデンサにはほとんど伝達されず、従って測定されない。従って、シートとシートレールとの間にあるボルトを単独で代用することができ、このことにより接続機能も測定機能も制限されることがない。
【００１２】
構造空間のこの変化は、そこに配置されたコンデンサによりこのコンデンサの容量変化となる。力作用は、コンデンサのエラスティックな変化だけが生じるように選定される。これにより力作用の終了後にこのコンデンサは元の形状となり、これにより再び元の容量となる。本発明の力測定素子は、単純な幾何形状を特徴とする。付加的に、力制限を行う構成部材（構成部材2参照）を設けることができる。すなわちこの力制限を超える力が力測定素子に導かれても、この力はコンデンサにそれ以上作用しない。すなわち構造空間はその大きさをそれ以上変化しない。なぜならこの構成部材がこの力を逃がすからである。従って機械的短絡が存在する。本発明の核心は、間隔変化を検出することのできる容量を利用することである。相応のキャパシタが、主測定方向が車両Z方向、すなわち垂直方向を指すように組み込まれる。ここでは、力を種々異なる配向で測定することができる。
【００１３】
測定原理は、構造空間の最小化が特別の構造長において可能であり、作用する力の制限が可能であり、標準的構成部材より製造が簡素化されるように選択される。
【００１４】
センサの主要な特徴は、垂直のプレート間隔変化を測定する原理である。コンデンサプレートは相互に平行に配向され、付加に応じて相互に接近または離間する。すなわち尺度dが変化し、式
C=ε0*εR*A/ｄ
に従いセンサの容量が変化する。
【００１５】
図4はこの測定原理を示す。力を力測定素子に導くスリーブ5が、コンデンサプレート40を備えるコンデンサを打込みばめによって収容する。ここでスリーブ5の一部はバー6として構成されており、このバー6は突出しており、力が作用する際に実質的に変化しない。力が作用すると、間隔dが減少する。なぜならスリーブ5がコンデンサの方向に押圧されるからである。すなわちコンデンサプレート40は相互に接近する。相応にしてバー6の下方の構造空間は、スリーブ5への力作用によって拡大する。これにより相応のコンデンサの打込みばめは緩くなり、そこの間隔dが拡大する。すなわちコンデンサプレートは相互に離間する。
【００１６】
図5は有利な改善形態を示す。ここでもコンデンサはスリーブ5とバー6との間に打込みばめにより挿入されている。しかしここではコンデンサがいわゆる多層コンデンサないしはスタックコンデンサとして構成されている。ここでは複数の層が並列に接続され、全体コンデンサ面積が拡大されている。しかしここでもスリーブ5への力導入は層間の間隔dに作用し、従って図4のコンデンサの場合よりも偏移が比較的に大きい容量変化を引き起こす。
【００１７】
図1は、本発明の力測定素子の第1実施例を示す。図1は、側面および相応の前面と裏面を示す。ここでは断面図として示された側面図は、スリーブ5と、ねじ51と、このスリーブ5と一体的に結合されたバー6と、力導入を制限する構成部材2と、コンデンサ3とを備える力測定素子を示している。バー6は力測定素子の中央に配置されており、構成部材2はスリーブ5の中央にカバーとして挿入されている。コンデンサ3は、スリーブ5と中央バー6との間の打込みばめに、それぞれ中央ラインに対して対称に挿入されている。コンデンサへの電気接続線路は図示を簡単にするため省略されているが、接続線路は構成部材2のブッシングを通して導かれる。スリーブ環52が力測定素子を周回している。評価回路は図示の個所4に設けられている。すなわちねじ頭部またはボルト頭部である。
【００１８】
ポイント1で負のZ方向に力が導入されることにより、スリーブ5はコンデンサ3の挿入領域で負の方向に弾性変形する。不動で突出したバー6によって、システムの差分構成が得られる。力がポイント1で負のZ方向に作用する場合、対称軸の上方、すなわちバー6の上方の、コンデンサ3がある自由構造空間が縮小し、対称軸の下方、すなわちバー6の下方の、同じようにコンデンサのある自由構造空間が拡大する。スリーブ5の下方部分を偏向させるための力導入はスリーブ環52を介して行われる。ここで力はポイント1に導入され、スリーブ環52を介してスリーブ5の下方部分にさらに伝達され、これによりスリーブ5の下方部分を弾性変形する。
【００１９】
コンデンサが、これに向いた位置から変位することがないように、コンデンサは圧縮されて使用される。すなわちコンデンサ3の確保は、スリーブ5とコンデンサ3との間、およびコンデンサ3と突出したバー6との間の打込みばめを介して行われる。
【００２０】
過剰の圧縮によるコンデンサ3の過負荷および自由構造空間の拡大による位置変化を阻止するために構成部材2が構造体に組み込まれている。バー運動を制限することにより、突出した中央のバー6と周回するスリーブ環52との間の過剰の相対運動が回避される。評価回路4への電気接続は構成部材2を通して行われる。
【００２１】
2つのコンデンサ3は差分で評価される。すなわち2つの信号が1つの出力信号にまとめられる。差分で観察することにより、誘電率が変化することの影響が回避される。次のような関係になる：
C=（C1-C2）/（C1+C2）
これにより誘電率が縮小する。
【００２２】
図1によれば、バー6がスリーブ5の一部である変形実施例が明らかである。このことの利点は、センサの基本機能が1つの部材によって実行されることである。センサの機能を保証する2つの部材を接合することは不要である。これにより構成部材2が最適に使用される。
【００２３】
図2は、本発明の装置の第2実施例を、裏面、側面、前面で示す。図1との相違点は、バー26が、力制限機能を有する構成部材20の一部であることである。さらに構成部材20はスリーブ環と面一に閉鎖されている。従ってスリーブ環52と構成部材20との間には接合部7を、例えば溶接によって設けなければならない。図2の変形実施例の利点は、X軸を中心とするトルクの大きな補償が得られることである。すなわちこれは対称軸である。この場合、センサ機能はスリーブ5だけによって得られるのではないから、接合部を回転対称の継ぎ目7に取り付けなければならない。
【００２４】
図3は、本発明の力測定素子の別の実施例を示す。スリーブ32はここでも中央バー33と一体的に結合されている。これによりコンデンサ34と35は打込みばめに保持される。構成部材31はスリーブ32に溶接継ぎ目30を介して結合されている。これにより構成部材31は力測定素子に対するカバーを形成する。このカバーの直径は他の力測定素子の要素よりも大きい。
【００２５】
図6は、本発明の力測定素子の評価回路の第1実施例を示す。コンデンサC1とC2には交流源Wから給電される。C1とC2との間の中間タップから線路が、演算増幅器60の非反転入力端に導かれており、この演算増幅器の反転入力端はその出力端と帰還結合されている。C1と交流源との間には別の演算増幅器61の非反転入力端が接続されている。ここでも反転入力端は演算増幅器61の出力端と帰還結合されている。演算増幅器60の出力端はさらに抵抗R3と接続されている。この抵抗R3は他方の側で演算増幅器62の反転入力端と、またアースに接続された抵抗R4と接続されている。演算増幅器61の出力端には帰還結合の他に抵抗R2が接続されている。この抵抗R2は他方の側で抵抗R1と、また演算増幅器62の非反転入力端と接続されている。抵抗R1は他方の側で演算増幅器62の出力端と接続されている。この出力端から信号Uを取り出すことができる。
【００２６】
この回路により容量の差分評価が可能である。従って信号Uは作用する力に比例する。
【００２７】
図7は変形実施例を示す。ここでも交流源Wが直列に接続されたC1およびC2と接続されている。さらに中間タップには演算増幅器70の非反転入力端が接続されている。演算増幅器70の反転入力端にはその出力端への帰還結合線路が設けられている。さらに演算増幅器70の出力端には抵抗R3が接続されている。この抵抗R3は他方の側で演算増幅器71の反転入力端と、アースに接続された抵抗R4とに接続されている。交流源WとコンデンサC1との間には演算増幅器72の非反転入力端が接続されている。ここで反転入力端は抵抗R1と抵抗R2に接続されており、抵抗R1はアースに接続されている。抵抗R2は演算増幅器72の出力端に帰還結合されている。さらに演算増幅器72の出力端には抵抗R2が接続されている。この抵抗R2は他方の側で演算増幅器71の非反転入力端および抵抗R1と接続されており、抵抗R1はさらに演算増幅器71の出力端と接続されている。演算増幅器71の出力端からは信号Uが取り出され、この信号もコンデンサC1およびC2に及ぼされる力を表す。集積可能または離散的に構成された別の評価回路も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図1は、本発明の力測定素子の第1実施例を示す。
【図２】図2は、本発明の力測定素子の第2実施例を示す。
【図３】図3は、本発明の力測定素子の第3実施例を示す。
【図４】図4は、基礎となる機能原理を示す。
【図５】図5は、多層コンデンサを示す。
【図６】図6は、評価回路の第1実施形態を示す。
【図７】図7は、評価回路の第2実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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