Sicherheitssensor für eine Airbag-Auslöseelektronikeinheit

Insassen-Rückhaltesysteme auf der Grundlage von Airbagsystemen finden aus Sicherheitsgründen in Kraftfahrzeugen immer weitere Verbreitung. Neben dem Prallsack und dem Gasgenerator ist insbesondere die Elektronikeinheit zur Auslösung des Airbags eine wichtige und kritische Systemkomponente. Die Airbag-Auslöseelektronikeinheit muß einerseits Unfallsituationen durch Beschleunigungsmessung sicher erkennen, und andererseits diese von betriebsüblichen Erschütterungen und Fahrsituationen unterscheiden können (in diesem Falle darf keine Auslösung des Airbags erfolgen). Hierzu werden zwei unabhängige und methodisch vollständig verschiedene Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt: Zum einen der auf dem Piezoeffekt beruhende elektronische Aufnehmer und zum andern der mechanische Sicherheitssensor. Nur für den Fall, daß beide Sensoren gleichzeitig eine Beschleunigung feststellen, die größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, wird der Treibsatz des Gasgenerators ausgelöst.

Bekannte Sicherheitssensoren der Airbag-Auslöseelektronikeinheit sind als Feder-Masse-System ausgebildet - hier wird die Masse infolge der bei Beschleunigungen auf sie einwirkenden Kraft entgegen der Federkraft in Bewegung gesetzt und hierdurch ein Kontakt geschlossen. Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie nur auf die in einer Richtung auftretenden Beschleunigungen reagieren und daher bei einem Seitenaufprall nicht wirksam sind - zu dessen Erkennung sind somit zusätzliche Sensoren erforderlich; weiterhin sind diese Systeme aufwendig und daher nur recht kostspielig zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Sicherheitssensor für eine Airbag-Auslöseelektronikeinheit anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden und der demgegenüber vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale a) bis d) des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Sicherheitssensor besteht aus drei Einzelkomponenten: einem Beschleunigungskörper mit bestimmter Masse, einem länglichen Trägerkörper und einem, vorzugsweise geschlossenen Gehäuse aus isolierendem Material und mit elektrisch leitendem Kontaktbereich an mindestens einer Innenwand des Gehäuses; der Beschleunigungskörper ist am Trägerkörper befestigt und dieser mit der Innenseite einer Grundfläche des Gehäuses (Bodenfläche, Deckfläche) verbunden. Beim Auftreten von Beschleunigungen wird der Trägerkörper aufgrund seiner Elastizität und somit auch der Beschleunigungskörper ausgelenkt; der Sicherheitssensor ist so ausgebildet, daß der Beschleunigungskörper bei der Ansprechbeschleunigung (Auslöseschwelle) den Kontaktbereich an der Gehäuse-Innenwand berührt und hierdurch einen elektrischen Kontakt herstellt.

Über die Formgebung, Abmessungen und Materialeigenschaften von Beschleunigungskörper, Trägerkörper und Gehäuse bzw. Kontaktbereich können die gewünschten Auslöseeigenschaften des Sicherheitssensors eingestellt bzw. variiert werden:

• falls das Gehäuse allseits geschlossen (dicht) ausgebildet wird, ist ein guter Schutz gegen Feuchtigkeit und Korrosion gegeben.
• bei einer rotationssymmetrischen Anordnung (beispielsweise kugelförmiger Beschleunigungskörper, zylindrisches Gehäuse) wird der Beschleunigungskörper in alle Richtungen gleich ausgelenkt (isotrope Auslenkung), so daß dieser Sicherheitssensor für alle Richtungen gleich empfindlich ist. Falls eine andere Formgebung gewählt wird, beispielsweise durch einen ellipsoidförmigen Beschleunigungskörper, ein ellipsoidförmiges Gehäuse oder einen ellipsoidförmigen Trägerkörper, erhält man unterschiedliche Ansprechschwellen für die Längs- und Querbeschleunigung; beispielsweise kann bei einem ellipsoidförmigen Beschleunigungskörper dessen kleine Halbachse in Fahrtrichtung angeordnet werden, und daher für diese eine höhere Ansprechschwelle als für den Seitenaufprall (große Halbachse des Ellipsoids) eingestellt werden.
• durch die Formgebung des Kontaktbereichs kann die Richtungsselektivität des Sicherheitssensors bzw. dessen Ansprechverhalten ebenfalls beeinflußt bzw. variiert werden: beispielsweise kann der Sicherheitssensor durch Aussparungen im Kontaktbereich unempfindlich gegen bestimmte Richtungen gemacht werden.
• falls beispielsweise der Beschleunigungskörper aus einem ferritischen Material besteht, kann durch Anbringen eines kleinen Magneten im oder am Gehäuse - beispielsweise durch Einbau im Gehäusedeckel - ein nicht-lineares Ansprechverhalten des Sicherheitssensors erreicht werden.

Der vorgestellte Sicherheitssensor vereinigt mehrere Vorteile in sich:

• er ist sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Seitwärtsrichtung empfindlich (längs und quer zur Fahrtrichtung), wobei die Ansprechempfindlichkeit für Längs- und Querbeschleunigungen getrennt und unterschiedlich einstellbar ist,
• es ist ein einfacher mechanischer Aufbau aus lediglich drei Einzelkomponenten gegeben,
• durch Einsparung von Gewicht und Volumen ist eine leichte, kleine und kostengünstige Herstellung möglich,
• durch die Miniaturisierung kann der Sicherheitssensor problemlos auf einer Leiterplatte montiert werden.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel für den Sicherheitssensor dargestellt. Bei einem zylindrischen, geschlossenen Kunststoff-Gehäuse 1 mit dem Durchmesser d_G ist auf der Grundfläche (Bodenfläche) 1c ein stielförmiger Trägerkörper 2 mit der Länge l_T und dem Durchmesser d_T stehend befestigt; auf der Oberseite des Trägerkörpers 2 ist ein kugelförmiger Beschleunigungskörper 3 mit dem Durchmesser d_B angeordnet. Auf der Seiten-Innenwand 1a des Gehäuses 1 ist ab einer bestimmten Höhe (bis zur Deckfläche 1b) ganzflächig ein als Kontaktring ausgebildeter Kontaktbereich 4 des Durchmessers d_K aufgebracht. Kontaktring 4 und Trägerkörper 2 sind jeweils mit einem Lötstift 6 bzw. 7 zum Einlöten in eine Leiterplatte 5 versehen.

Beim Auftreten einer Beschleunigung wird der Trägerkörper 2 elastisch gebogen und der Beschleunigungskörper 3 um die Strecke f_B ausgelenkt; bei einem bestimmten Schwellwert der Beschleunigung ist die Auslenkung f_B so groß, daß der Beschleunigungskörper 3 den Kontaktring 4 berührt und hierdurch einen elektrischen Kontakt herstellt, was von einer nachgeschalteten Auswerteeinheit verarbeitet wird. Zur Einstellung der Ansprechschwelle des Sicherheitssensors können einerseits die geometrischen Parameter Form, Durchmesser d_T und Länge l_T des Trägerkörpers 2, Form und Durchmesser d_B des Beschleunigungskörpers 3, Durchmesser d_G des Gehäuses 1 bzw. Durchmesser d_K des Kontaktrings 4 (Durchmesser der Gehäuse-Innenseite 1a) und andererseits die Materialparameter Elastizitätsmodul E_T und Beschaffenheit des Trägerkörpers 2 sowie Masse m_B und Beschaffenheit des Beschleunigungskörpers 3 variiert werden.

Beispielsweise soll der Sicherheitssensor eine Beschleunigungs-Ansprechschwelle von 10 m/s² aufweisen. Hierzu besitzt das zylindrische Kunststoff-Gehäuse 1 eine Höhe von 18 mm und einen Durchmesser d_G von 15 mm, der stielförmige Trägerkörper 2 aus einer CuNi-Legierung ein E-Modul E_T von 110 kN/mm², eine Länge l_T von 10 mm und einen Durchmesser d_T von 0,5 mm und der Beschleunigungskörper 3 aus einer CuNi-Legierung eine Masse m_B von 0,0335 g und einen Durchmesser d_B von 4 mm; hieraus ergibt sich eine Auslenkung f_B des Beschleunigungskörpers 3 bei der Beschleunigungs-Ansprechschwelle 10 m/s² von f_B = 3,25 mm. Der Durchmesser der Gehäuse-Innenseite bzw. der Durchmesser d_K des Kontaktrings 4 wird so groß wie der Durchmesser d_B des Beschleunigungskörpers 3 plus der doppelten Auslenkung f_B bei der Beschleunigungs-Ansprechschwelle gewählt; im Beispielsfall beträgt der Durchmesser d_K demnach 0,5 mm + 2 · 3,25 mm, also d_K = 7,0 mm.