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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Gehäuse
aus Kunststoff, in dem eine Sensoranordnung mit zumindest einem
Sensor angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Metallbuchse umgibt,
die einen Durchbruch für
den Durchtritt eines Schraubenbolzens zur Befestigung des Geräts an einer
Anbaufläche
aufweist.
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Zum
Ansteuern und Auslösen
eines Personenschutzsystems in einem Kraftfahrzeug, wie einem Airbag
oder einem anderen Personenschutzsystem, werden zur Detektion eines
Aufpralls bislang überwiegend
auf Druck oder Beschleunigung reagierende Sensoren verwendet. In
Zukunft sollen verstärkt
auf Basis von Körperschallsignalen
arbeitende Sensoren zum Ansteuern und Auslösen eines Personenschutzsystems
eingesetzt werden. Der Vorteil eines auf Körperschall reagierenden Sensors
gegenüber
einem eine Beschleunigung oder einen Druck erfassenden Sensor besteht
in der Möglichkeit,
genauere Informationen über
den Aufprall erlangen zu können,
z. B. über
die Auswertung des erfassten Körperschallspektrums.
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Zur
sicheren Übertragung
eines Körperschallsignals
bei einem Fahrzeug-Crash in einem Karosseriebauteil auf einen Körperschallsensor muss
dieser möglichst
steif an die Karosserie des Kraftfahrzeugs angebunden sein. Der
z. B. als SMT (Surface-mounted Technology)-Bauteil realisierte Körperschallsensor
ist in einem Gehäuse
angeordnet, welches vorzugsweise an einem Karosseriebauteil im Motorraum
angebracht ist.
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Aus
der
DE 10 2004
03 290 A1 ist ein elektrisches Gerät bekannt, bei dem ein als
Körperschallsensor
ausgebildetes elektronisches Bauelement steif an eine Anbaufläche angebunden
wird, indem der Körperschallsensor
in unmittelbarer Nähe
zu einem Verbindungsmittel angeordnet ist, wobei über das
Verbindungsmittel eine Trägerplatte
des elektrischen Geräts
mit einem Gehäuse
des Geräts
verbunden ist. Hierdurch werden die in der Anbaufläche übertragenen
Körperschallwellen über das
Gehäuse und
das Verbindungsmittel an den Körperschallsensor
weitergeleitet. Das Gehäuse
wird über
zwei Schraubgewinde mit der Anbaufläche fest verbunden. Hierzu
weist das Gehäuse
eine entsprechende Anzahl an Durchbrüchen auf, in die jeweils eine Buchse
eingelassen ist, wobei die auf die Trägerplatte wirkende Klemmkraft
durch die Buchse und den Gehäusemantel
ausgeübt
wird. Um eine unmittelbare Übertragung
von Schallwellen sicherzustellen, besteht die Buchse aus einem steifen
Material, bevorzugt einem Metall oder einer Keramik. Demgegenüber ist
das Gehäuse
aus einem Kunststoff gefertigt, wobei die Buchsen mit dem Material
des Gehäusedeckels
umspritzt sind. Konstruktionsbedingt ist es bei dem in der
DE 10 2004 034 290
A1 beschriebenen Gerät
nicht möglich,
mit dem Körperschallsensor
Frequenzen über
10 kHz zu detektieren. Darüber
hinaus kann die in dem Gehäuse
vorgesehene Sensoranordnung zu Schwingungen in einem Resonanzbereich
angeregt werden, wodurch die Genauigkeit einer Signaldetektion reduziert
ist.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Gerät anzugeben,
mit welchem eine möglichst
störungsfreie
und resonanzfreie Übertragung
von Körperschallsignalen
in einem Frequenzbereich von 0 bis ca. 30 kHz möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem elektrischen Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse
aus Kunststoff, in dem eine Sensoranordnung mit zumindest einem
Sensor angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Metallbuchse umgibt,
die einen Durchbruch für
den Durchtritt eines Schraubenbolzens zur Befestigung des Geräts an einer
Anbaufläche
aufweist, ist die Sensoranordnung direkt mit der Metallbuchse verbunden.
Eine Sensierungsachse oder eine Sensierungsebene des zumindest ei nen Sensors
verläuft
parallel zu der Achse des Schraubenbolzens und die Achse des Schraubbolzens
verläuft
parallel zu der Trägerebene
der Sensoranordnung. Der Träger
ist über
ein vom Schraubbolzen unterschiedliches Befestigungselement mit
der Metallbuchse verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass für die hochfrequente Übertragung
von Signalen aufgrund der Steifigkeit an sich ein metallisches Gehäuse notwendig
wäre, da
nur dieses aufgrund seiner Eigenschaften die hochfrequenten Signale überträgt. Da sich
andererseits jedoch das Gewicht eines solchen Gehäuses negativ
auf Resonanzfrequenzen auswirkt, ist zur Minimierung der Problematik
der Resonanzfrequenzen das Gewicht des Gehäuses klein zu halten. Dies
wiederum lässt sich
am Besten durch ein Gehäuse
aus einem Kunststoff realisieren. Um beiden Anforderungen gerecht zu
werden, wird die Sensoranordnung direkt mit der Metallbuchse verbunden,
wobei das elektrische Gerät
mit der Metallbuchse an der Anbaufläche, z. B. durch eine Verschraubung,
befestigt wird. Ein geringes Gewicht des elektrischen Geräts zur Minimierung
der Resonanzfrequenzen wird durch die Ausgestaltung des Gehäuses aus
dem Kunststoff sichergestellt.
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Eine
besonders gute Übertragung
der Körperschallsignale
an die Sensoranordnung ist dann gewährleistet, wenn eine Sensierungsachse
oder eine Sensierungsebene des zumindest einen Sensors parallel
zu einer Achse des Schraubbolzens verläuft. Dabei kann zweckmäßigerweise
vorgesehen sein, dass die Achse des Schraubbolzens parallel zu einer
Sensorträgerebene
der Sensoranordnung verläuft.
In diesem Fall ist die Sensierungsachse oder die Sensierungsebene
des zumindest einen Sensors parallel zu der Sensorträgerebene
angeordnet.
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Um
den Einfluss von Schwingungen auf die Sensoranordnung möglichst
gering zu halten, welche zu einer Verfälschung des Messergebnisses
führen könnten, ist
weiter vorgesehen, dass ein Sensor der Sensoranordnung in kürzest möglicher
Distanz zu der Achse des Schraubbolzens angeordnet ist.
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Eine
weitere Optimierung kann dadurch erfolgen, dass die Metallbuchse
eine Ausnehmung aufweist und die Sensoranordnung derart ausgestaltet und
mit der Metallbuchse verbunden ist, dass der Sensor der Sensoranordnung
in der Ausnehmung der Metallbuchse zum Liegen kommt. Hierdurch wird der
Sensor noch näher
an die Achse des Schraubbolzens und damit an die Wirkstelle gebracht,
so dass eine noch bessere Positionierung über den Schraubbolzen zu der
Anbaufläche
gewährleistet
ist.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
umfasst die Sensoranordnung einen Träger, wobei der Träger über ein
Befestigungselement mit der Metallbuchse verbunden ist und der zumindest
eine Sensor in kürzest
möglicher
Distanz zu dem Befestigungselement auf dem Träger angeordnet ist. Auch hierdurch
ist eine Reduzierung von Störsignalen
möglich.
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Zweckmäßigerweise
sind auf dem Träger weitere
elektronische Bauelemente angeordnet, die auf der Seite des zumindest
einen Sensors und/oder auf der dem zumindest einen Sensor gegenüberliegenden
Seite des Trägers
vorgesehen sind. Die beidseitige Anordnung von elektronischen Bauelementen auf
dem Träger
bringt den Vorteil mit sich, dass die Fläche des Trägers insgesamt eingehalten
werden kann, wodurch ungünstiges
Schwingungsverhalten des Trägers
verringert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung ist an dem Gehäuse ein Stecker ausgebildet,
wobei der Stecker und die Sensoranordnung auf gegenüberliegenden Seiten
der Metallbuchse angeordnet sind. Hierdurch können die Einflüsse des
Stecksystems und der Kabel hinsichtlich eines Schwingungseintrags
und damit einer Störung
des Sensorsignals minimiert werden. Im Ergebnis lässt sich
eine Entkopplung des Steckers und der Sensoranordnung erzielen,
wodurch Störsignale
reduziert sind.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Durchbruch exzentrisch an der Metallbuchse
ausgebildet. Hierdurch kann der Durchmesser bzw. Querschnitt der
Metallbuchse klein gehalten werden und gleichzeitig eine sichere
Fixierung der Sensoranordnung an der Metallbuchse bewerkstelligt
werden. Zweckmäßigerweise
ist die Metallbuchse zylindrisch ausgebildet. Hierdurch lässt sie
sich als kostengünstiges Drehteil
herstellen. Es ist ferner vorgesehen, dass der Durchbruch mit einem
Innengewinde versehen ist, welcher durch Fräsen eingebracht werden kann. Hier durch
ist eine einfache und schnelle Befestigung des elektrischen Geräts über den
Schraubbolzen an der Anbaufläche
möglich.
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Um
das Schwingungsverhalten weiter zu optimieren, ist vorgesehen, dass
die Sensoranordnung nicht an dem Gehäuse fixiert ist.
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Die
Sensoranordnung ist zweckmäßigerweise
in einer Wanne des Gehäuses
angeordnet, wobei der Stecker und die Wanne auf gegenüberliegenden Seiten
der Metallbuchse angeordnet sind.
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Die
Wanne kann zur Dämpfung
von Vibrationen der Sensoranordnung mit einer Vergussmasse gefüllt sein.
Werden in dem elektrischen Gerät
Sensoren verwendet, welche den Belastungen der Vergussmasse widerstehen
können,
so kann der Sensor auf einer der Metallbuchse gegenüberliegenden
Seite des Trägers
angeordnet sein. Werden hingegen solche Sensoren verwendet, welche
empfindlich gegenüber
der Vergussmasse sind, so sind diese bevorzugt in der Ausnehmung
der Metallbuchse angeordnet und damit vor dem Verguss geschützt. Grundsätzlich sorgt
die Vergussmasse zur Stabilisierung von Signalen zu dem Sensor hin.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, die Wanne mit einem Deckel zu verschließen oder
derart auszugestalten, dass diese mit einem Deckel verschließbar ist.
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Der
zumindest eine Sensor umfasst zweckmäßigerweise einen Körperschallsensor.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts,
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2 eine
weitere Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts,
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3 eine
Draufsicht auf das erfindungsgemäße elektrische
Gerät,
und
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4 eine
Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts von der
Seite her.
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Körperschallsignale
in einem Frequenzbereich von 0 bis ca. 30 kHz, insbesondere in einem
Bereich von 6 bis 18 kHz, können
zur Erkennung und Unterscheidung verschiedener Crash-Signale in
einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Crash-Signale können hierbei
durch unterschiedlichste Unfallszenarien entstehen. Körperschall
wird genutzt, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vergleich
zu Beschleunigungssignalen wesentlich höher ist und dadurch die zur
Auswertung der Signale zur Verfügung
stehende Zeit verlängert
ist. Zusätzlich
können mehr
Informationen zur Crash-Auswertung zur Verfügung gestellt werden, wodurch
eine zuverlässigere Ansteuerung
von Personenschutzsystemen möglich ist.
Signale, die mit einem Körperschallsensor
gemessen werden, müssen
einem durch die Crash-Situation hervorgerufenen Körperschallsignal
möglichst
gut entsprechen und dürfen
nicht durch eine Dämpfung
oder Verstärkung,
z. B. hervorgerufen durch Resonanzen, verfälscht werden.
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Um
die Übertragung
hochfrequenter Körperschallsignale
zu ermöglichen,
muss eine Sensoranordnung über
ein steifes Material an die Anbaufläche des Kraftfahrzeugs angebunden
werden. Um die Auswirkungen von störenden Resonanzfrequenzen zu
minimieren, sollte das Gewicht des Geräts klein gehalten werden. Diese
Anforderungen werden durch das nachfolgend beschriebene elektrische
Gerät erfüllt. Die 1 und 2 zeigen
jeweils in einer Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßes elektrisches
Gerät 1.
Dieses umfasst eine Metallbuchse 20, welche einen zylindrischen
Querschnitt aufweist und mit einem exzentrischen Durchbruch 21 versehen
ist. Der Durchbruch 21 ist mit einem Innengewinde versehen
und dient für
den Durchtritt eines Schraubenbolzens zur Befestigung der Metallbuchse und
damit des elektrischen Geräts
an einer Anbaufläche
(nicht dargestellt). Die Metallbuchse 20 kann durch Drehen
und Fräsen
einfach und kostengünstig hergestellt
werden.
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Die
Metallbuchse 20 ist in einem Gehäuse 10 aus einem Kunststoff
angeordnet. Die Metallbuchse 20 kann entweder in einen
durch Spritzguss hergestellten Gehäusekörper 10 eingepresst
werden oder mit dem Kunststoffmaterial des Gehäuses 10 umspritzt
werden.
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Das
Gehäuse 10 weist
eine Wanne 13 zur Aufnahme einer Sensoranordnung 30 sowie
einen gegenüberliegend
der Buchse angeordneten Stecker 11 zur Herstellung eines
elektrischen Kontaktes zu der Sensoranordnung 30 auf.
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Die
Sensoranordnung 30 umfasst einen Träger 33, z. B. eine
Leiterplatte. Der Träger 33 ist
im Ausführungsbeispiel
in seiner Mitte mit einer Bohrung 35 versehen, durch welche
das Gewinde einer Schraube 32 führbar ist. Über die Schraube 32 wird der
Träger
an der Metallbuchse 20 befestigt, wobei die Metallbuchse 20 zu
diesem Zweck mit einem Gewinde 23 versehen ist (vgl. 2 und 4).
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Auf
dem Träger 33 sind
im Ausführungsbeispiel
auf beiden Seiten elektronische Bauelemente angeordnet und elektrisch
mit Leiterbahnen und gegebenenfalls Durchkontaktierungen (Vias)
miteinander verbunden. Ein Körperschallsensor 31 ist
auf einer der Metallbuchse 20 zugewandten Seite des Trägers 33 vorgesehen,
wobei dieser, wenn die Sensoranordnung 30 an die Metallbuchse 20 geschraubt ist,
in einer Ausnehmung 22 der Metallbuchse zum Liegen kommt.
Hierdurch ist der Sensor 31 zum einen geschützt angeordnet
und zum anderen in unmittelbarer räumlicher Nähe zu einer Verschraubungsachse 24 angeordnet
(vgl. 4). Die Verschraubungsachse 24 stellt
dabei eine Achse des Schraubbolzens dar, welcher in den mit dem
Innengewinde versehenen Durchbruch 21 geschraubt wird.
Für eine bestmögliche Signalübertragung
zu dem Sensor 30 ist der Sensor 31 derart auf
dem Träger 30 angeordnet,
dass er in unmittelbarer räumlicher
Nähe zu
der Schraube 32 gelegen ist.
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Wie
insbesondere aus der Querschnittsdarstellung der 4 gut
hervorgeht, ist eine Sensierungsebene des Sensors 31 bzw.
die Ebene des Trägers 33 parallel
zu der Verschraubungsachse 24 gelegen.
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Wie
aus den 2 und 4 gut ersichtlich ist,
ist der Träger 33 in
der Wanne 13 des Gehäuses 10 angeordnet,
wenn der Träger
an die Metallbuchse 20 geschraubt ist. Um störende Vibrationen
zu dämpfen,
kann in der Wanne eine Vergussmasse 14 vorgesehen werden.
Aufgrund der geschützten
Anordnung des Sensors 31 in der Ausnehmung 22 bleibt
der Sensor 31 von Vergussmasse frei. Die Wanne 13 kann
schließlich
mit einem Deckel 12 verschlossen werden. Der Träger 33 weist
lediglich eine Schraubverbindung zu der Metallbuchse 20,
nicht jedoch zu dem Gehäuse 10 bzw.
der Wanne 13 auf. Hierdurch kann ebenfalls die Genauigkeit
der Signalübertragung
gesteigert werden.
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Aus
den Figuren ist gut ersichtlich, dass der Stecker 11 auf
einer gegenüberliegenden
Seite der Metallbuchse 20 zu der Sensoranordnung 30 gelegen
ist. Hierdurch können
Einflüsse
des Stecksystems und der Kabel hinsichtlich eines Schwingungseintrags
und damit der Störungen
des Sensorsignals minimiert werden. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung
zwischen der Sensoranordnung 30 und in der Figur nicht
näher dargestellten
Kontaktstiften, kann beispielsweise durch in das Gehäuse integrierte
Pins realisiert sein. Bei der Endmontage kann die Sensoranordnung
dann mittels Einpresstechnik mit den Kontaktstiften des Steckers
elektrisch verbunden werden. Es sind auch alternative Anschlussarten,
z. B. Löten,
möglich.
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In
einer alternativen Ausgestaltung könnte der Sensor auch unmittelbar
an der Metallbuchse 20, z. B. in der speziell dafür vorgesehenen
Ausnehmung 22, angeordnet sein.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Gerät stellt
eine mechanische Frequenzübertragung
in Form von Körperschall
mit geringen Resonanzstörungen
sicher. Hierbei ist aufgrund des konstruktiven Aufbaus eine geringe
Nutzsignaldämpfung
bzw. -verstärkung
gegeben. Im Ergebnis ist eine verbesserte Definierbarkeit des Einspeisesignals
realisiert, wodurch eine bessere Crash-Unterscheidung sowie eine
verbesserte Crash-Performance
möglich
sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik benötigt das erfindungsgemäße Gerät dazu lediglich
eine einzige Metallbuchse, welche auf einfache und kostengünstige Weise
herstellbar ist, wobei das Gerät
eine gute Signalübertragung
bis zu 30 kHz mit vergleichsweise geringen Resonanzüberhöhungen aufweist.