安全带拉出测量装置和系统的制作方法
【专利摘要】一种安全带拉出测量装置，其具有回卷弹簧，该回卷弹簧具有连接到中心线轴的第一端和连接到回卷弹簧外壳的第二端。介电材料直接邻近回卷弹簧分层形成第一层并且电解线圈和介电材料在两侧面分层形成第二层，使回卷弹簧与电解线圈隔离。电容测量装置具有连接到回卷弹簧的第一端的第一导线和连接到电解线圈的第一端的第二导线。电容测量装置测量在安全带拉出情况下的电容。
【专利说明】安全带拉出测量装置和系统
【背景技术】
[0001] 乘员的大小是车辆设计中舒适和安全地容纳不同大小和身形的人的关键度量。通 过不同的先进的技术和安全系统来保护在机动车辆中乘坐的乘员。这些可以包括不同的先 进的安全气囊、具有基于传感器的预张紧和负荷限制能力的安全带系统等。典型地，安全系 统例如安全气囊和安全带优化了乘员的大小和他或她的就坐位置。例如，可以以电子的方 式或使用烟火式调整这些系统的一些以在碰撞过程中根据乘员的大小来提供最佳保护。
[0002] 目前乘员大小的识别方法包括使用重量传感器、座椅导轨位置以及视觉识别。方 法进一步包括测量卷收器线轴上的织带的半径、将弦线电位计连接到织带、在织带上安装 不同类型的安全带位置传感器以及使用摄像机等。所有这些方法需要安装在卷收器外面的 额外的部件。而且，这些测量装置增加了重量、增加了成本并且需要额外的封装空间以将它 们安装在车辆内。
【附图说明】
[0003] 图1是示例性烟火式预张紧器安全带卷收器机构的透视图；
[0004] 图2示出了在三点式安全带中模拟人体的大小、重量比例和连接方式的拟人测试 装置(ATD);
[0005] 图3A说明了当示例性安全带被扣紧时其如何呈现；
[0006] 图3B说明了当图3A的安全带被存放时其如何呈现；
[0007] 图4是当安全带被存放时示例性回卷弹簧的透视图；
[0008] 图5A是在安全带拉出装置移动之前(也就是在存放状态中）的图4的回卷弹簧的透 视图；
[0009] 图5B是在安全带拉出装置的初始展开过程中的图4的回卷弹簧的透视图；
[0010] 图5C是在安全带拉出装置的进一步的展开过程中的图4的回卷弹簧的透视图；
[0011] 图6是图4的回卷弹簧的一部分的透视图，示出了回卷弹簧的分层和形成电容拉出 传感器的第二线圈；
[0012] 图7A是包括在回卷弹簧外壳中的电容传感器的卷收器的示例性弹簧的透视图；
[0013] 图7B是在从安全带外壳拉出安全带之前的图7A的具有电容传感器的卷收器的弹 簧的透视图；
[0014] 图8A是当扣紧小尺寸的人时的示例电容传感器的透视图；
[0015]图8B是当扣紧中等尺寸的人时的示例电容传感器的透视图；
[0016] 图8C是当扣紧大尺寸的人时的示例电容传感器的透视图；
[0017] 图9A是示例电容传感器和测量未卷绕的安全带弹簧卷收器的电子线路的电容器 的透视图；
[0018] 图9B是示例电容传感器和测量卷绕的安全带弹簧卷收器的电子线路的电容器的 透视图；
[0019] 图9C是示例电容传感器和测量具有连接到旋转轴的第一测量导线和连接到回卷 弹簧的外端的第二测试导线的电子线路的电容器的透视图；
[0020] 图9D是示例电容传感器和测量具有连接到回卷弹簧的外端的第一测量导线和连 接到第二线圈的外端的第二测量导线的电子线路的电容器的透视图；
[0021] 图10是乘客保护系统的控制子系统的框图；
[0022] 图11A是使用预定频率的电容测量技术的流程图；
[0023] 图11B是在控制器中使用预定频率的电容测量技术的流程图；
[0024]图12A是使用预定电流的电容测量技术的流程图；
[0025]图12B是在控制器中使用预定电流的电容测量技术的流程图。
【具体实施方式】
[0026]以说明性方式说明了本发明的主题，并且应当理解的是已经使用的术语旨在说明 词语的本质而不是限制。根据以上教导本发明的许多修改和变化是可行的，除了具体描述 的以外本发明是可实施的。
[0027] 应当在车辆客舱内给车辆中就坐的乘员提供上部躯体的一些自由运动，但在碰撞 事件过程中应当限制该运动。大多数现代的座椅安全带存放在称为"卷收器"的弹簧加载卷 轴上，其配备有在剧烈减速过程中例如在碰撞事件过程中阻止安全带从卷轴伸出或拉出的 惯性锁止机构。在撞击事件中卷收器系紧座椅安全带。
[0028] 此处公开的是确定车辆乘员的近似大小的系统和方法。根据这样的确定，还可以 确定在碰撞或快速减速的事件中展开的安全措施的量和/或类型。
[0029] 参照附图，其中遍及各个视图相同的附图标记表示相同的部件，图1说明了烟火式 预张紧器安全带卷收器1〇〇的示例性部件。回卷弹簧外壳10邻近烟火式预张紧器12,例如安 装在预张紧器12上和/或邻接预张紧器12,预张紧器12邻近安全带外壳14的第一侧面，例如 安装在安全带外壳14的第一侧面上和/或邻接安全带外壳14的第一侧面。可伸缩的安全带 织带16保持在外壳14内。例如已知的烟火式扭转单元18也附接于或安装到安全带外壳14的 第二侧面。还说明了例如已知的安全带惯性锁存锁止舱20和装配螺栓22。在碰撞事件中接 合烟火式预张紧器12以"收紧"系着安全带的乘员。
[0030] 典型地，根据例如座椅位置和座椅乘员的大小这样的因素，安全带织带16的拉出 量变化。图2示出了例如已知的示例性拟人测试装置(ATD)30和安全带织带16的布置。安全 带织带16的第一端附接于邻近ATD 30的左臀部的第一硬点33。安全带织带16横向越过ATD 30的膝部进入插扣19并且通过D-型扣44继续穿过ATD 30的上腹部，以及最终至安全带卷收 器100(未示出）。卷收器100可以被连接到如图3A和3B所示的车架23、车辆地板或任何其它 刚性点。
[0031] 由ATD 30表示的固定车辆乘员所需的安全带织带16的长度随ATD 30的大小和体 型而变化。表1说明了安全固定住不同乘员大小的ATD 30的展开的安全带织带16的示例性 长度(毫米(mm))。具体地，表说明了对于在美国排名体型中的成人的一般人群百分比的三 种不同体型，织带16的展开的长度，以及对于假设平均6岁，织带的展开的长度。可以看出， 织带16的展开的长度由于乘员的不同的大小可以变化多达550_。
[0033]表 1
[0034]图3B示出了处于存放位置的示例安全带。典型地，在一实施例中安全带织带16的 总长度大约为3300mm。从安全带卷收器100到穿过D-型扣44的锚状物的织带的长度因不同 车辆而变化。典型地，当安全带处于存放位置时，卷绕在线轴(未示出）上的安全带织带16的 量为大约1300mm或更多，线轴安装在安全带卷收器100的线轴中心轴48上。
[0035]图4说明了当安全带织带16被存放时的示例性回卷弹簧46。设置回卷弹簧46以将 多余的安全带织带16拉到中心线轴48上。从图4可以看出，回卷弹簧46的第一端与围绕线轴 中心轴48的轴50旋转的中心轴48连接，以及回卷弹簧46的第二端被固定到回卷弹簧外壳10 的外围处的悬垂部。弹簧在外部边缘和线轴中心轴48之间的空间中卷绕。
[0036]如图5A所示，当安全带织带16被存放时，回卷弹簧46稍微处于张力（扭力）下。图5B 示出了当安全带织带16从卷收器100拉出时回卷弹簧46增加它的张力。回卷弹簧46开始朝 向中心线轴48卷绕。图5C进一步说明了当安全带织带16更进一步被抽出或拉出时，回卷弹 簧46围绕中心线轴48的拉紧和卷绕。
[0037] 现在参照图6、7A和7B，为了确定从安全带卷收器100抽出的安全带织带16的长度， 柔性电解线圈60邻近介电材料62分层，介电材料62是电绝缘屏障。介电材料62附接于回卷 弹簧46以形成柔性平行板电容器75。电容器是用于存储电场中的静电能量的双终端电气部 件并且包括被绝缘体例如介电材料62隔开的两个电导体板例如回卷弹簧46和电解线圈60。 图6示出了回卷弹簧46、电解线圈60和介电材料62的视图。柔性平行板电容器75的板上的电 势电荷也被说明为正电荷64并且图6示出负电荷66以说明回卷弹簧46和电解线圈60形成电 容器板。电荷的极性可以根据用于测量电容的电源的极性而转换。
[0038] 当安全带16处于存放状态时（见图4)，柔性平行板电容器75将具有由电容测量装 置90测得的特定的电容值。当安全带织带16从安全带外壳14被抽出（也就是拉出）时，回卷 弹簧46和电解线圈60开始围绕线轴中心轴48盘绕。因为回卷弹簧46和电解线圈60的形状随 安全带织带被拉出而变化，所以电容值随织带被拉出而变化。有利地，该电容值可以用于确 定被抽(也就是拉）出的安全带织带16的长度。
[0039]测量电容的方法是已知的并且各种方法中的任何一种可以包含在装置90中来测 量弹簧46和电解线圈60例如振荡器电路或时间充电电路之间的电容。进一步已知的是已经 开发为测量具有高精度的电容的集成电路例如系统芯片（SOChSOC小且廉价，以及容易被 集成到回卷弹簧外壳10中，对整个封装尺寸具有最小的影响。
[0040] S0C是集成电路（1C)，其将计算机系统的所有部件集成到芯片基片中，包括处理 器、用于存储指令的存储器和用于执行处理器指令的寄存器。S0C是有用的因为它们可以容 纳数字输入和输出（I/O)信号、模拟I/O信号和混合信号1/0,以及可以在单个芯片上提供所 有不同的通信端口类型，例如控制器局域网（CAN)、以太网或内部集成电路（1 2〇。由于S0C 的大小和它们的低功率消耗，S0C在嵌入式系统和移动电子器件中是非常常见的。可供选择 地，可以通过连接到卷收器外部的弹簧46和电解线圈60的装置测量电容。
[0041] 如上所述，电解线圈60应当与回卷弹簧46电气隔离。因此也如以上所述，柔韧的介 电材料62设置在回卷弹簧46和电解线圈60之间。因为当安全带被抽出和缩回时，回卷弹簧 46和绝缘的电解线圈60将彼此抵靠滑动，也很重要的是该材料具有低的摩擦系数。材料例 如聚四氟乙烯、聚酯薄膜、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯 二甲酸乙二醇酯(PET)或其它类似的材料可以被用作柔韧的介电材料62。术语摩擦系数是 众所周知的，并且是无量纲的标量值，它说明了正交力与两个主体和将它们压在一起的力 之间的摩擦力的比值。
[0042]电解线圈60可以具有与回卷弹簧46相同的材料和厚度，其通常是弹簧钢或弹簧钢 合金。可供选择地，电解线圈60可以是铝、铜或任何可锻造的金属电导体。在可供选择的实 施例中，电解线圈60可以是金属状材料、金属化薄铝或在介电塑料上的金属化膜，以及可以 具有不同的长度和宽度。导电（电解)线圈60的宽度等于或小于弹簧46的宽度并且通过改变 邻近回卷弹簧的面积可以影响电容器75的电容。较宽的线圈将产生具有较高电容的电容 器。它可能会或可能不会影响弹簧的机械性能，这根据电解线圈60的选择的材料和柔韧性 并且在较宽的线圈的情况下，其可能增加弹簧的弹簧常数。线圈的长度确定安全带的由电 容器监测到的拉出的一部分。可以延长或缩短线圈以便仅监测关注的织带拉出的一部分。 [00 43]在另一实施例中，介电材料62层和电解线圈60被组合为单一的介电-电解层并且 附接于回卷弹簧46以形成柔性平行板电容器75。
[0044]图7A说明了柔性平行板电容器75在回卷弹簧外壳10内的位置，而图7B示出了当没 有围绕线轴中心轴48卷绕并且当柔性平行板电容器75的大部分与线轴中心轴48相比更接 近回卷弹簧外壳10的外围47时的柔性平行板电容器75的位置。
[0045]如上所述，柔性平行板电容器75的形状随座椅乘员的大小而变化。例如，如图8A所 示，当扣紧较小尺寸的人时，柔性平行板电容器75通常不卷绕或围绕线轴中心轴48被卷绕 电容器的较短的长度。如图8B所示，当扣紧中等尺寸的人时，柔性平行板电容器75通常增加 围绕线轴中心轴48卷绕的长度。此外，如图8C所示，当从安全带外壳14抽出额外的织带16用 于较大尺寸的人时，柔性平行板电容器75通常进一步增加卷绕的长度或将完全被卷绕到中 心线轴48上。总之，平行板电容器随着安全带抽出越靠近线轴中心轴48。
[0046] 参照图9A-9D，为了测量所述实施例中的平行板电容器75的电容，电容测量装置90 的第一导线91连接到回卷弹簧46,并且电容测量装置90的第二导线93连接到电解线圈60。 电解线圈60上的第二导线93必须在回卷弹簧外壳10的内部自由移动以适应当弹簧围绕中 心轴盘绕时弹簧的运动。图9A示出了连接到未卷绕的回卷弹簧46的电容测量装置90,而图 9B示出了连接到卷绕的回卷弹簧46的电容测量装置90。
[0047]电解线圈60可以设置在回卷弹簧46的任何地方。例如，图9C示出了回卷弹簧46和 与弹簧外壳10相比靠近线轴中心轴48的电解线圈60,并且电容测量装置90具有连接到线轴 中心轴48的旋转轴的测量导线93和连接到回卷弹簧46的外端的另一导线91，测量导线93与 电解线圈60电连接。
[0048]在另一实施例(参见图9D)中，电容测量装置90的第一导线91与电解线圈60连接并 且第二线圈93与回卷弹簧46连接，以及柔性平行板电容器75设置为与更接近线轴中心轴48 的内部边缘区域49相比接近回卷弹簧外壳10的外围区域47。此外，应当理解的是电容测量 装置90的导线91和93的各自的连接点可以根据使用的技术以及还可以根据封装和空间考 虑而变化。
[0049] 如上所述以及如图10所述，安全带卷收器100可以包括撞击感测子系统118。撞击 感测子系统的118的控制器122总体包括处理器和存储器126。存储器126存储可由处理器 124执行的指令以例如以已知的方式识别车辆的撞击或碰撞事件。控制器122通常进一步被 编程以根据识别撞击，引起触发触发机构11、使乘客保护系统或安全带卷收器100从未展开 状态移动至展开状态以及通过来自触发机构11的指令接合烟火式预张紧器12。
[0050] 典型地，例如已知的撞击传感器78与控制器122通信以将数据传送给控制器122。 撞击传感器78可以是任何适合的类型例如使用加速度计、雷达、激光雷达和/或视觉系统。 视觉系统可以包括一个或多个摄像机、电荷耦合器件(CCD)图像传感器和/或互补金属氧化 物半导体(CMOS)图像传感器等。根据由撞击传感器78传送的数据，控制器122可以引起触发 触发机构11。
[0051 ]控制器122、撞击传感器128、触发机构11和/或车辆110中的其它部件之间的通信 可以通过车辆的通信总线80例如控制器局域网（CAN)总线进行。控制器122可以使用来自通 信总线80的信息来控制触发机构11的触发。如图10所示，触发机构11可以与控制器122连接 或可以与通信总线80连接。
[0052]在一实施例中，从电容器75获取的电容值可以被发送至撞击感测子系统（参见图 10)以用于计算在碰撞或突然减速事件中是否接合烟火式预张紧器12。图11A是说明了通过 以预定频率205确定未知的电容来评估柔性平行板电容器75的电容的示例性过程200的流 程图。在框210中产生预定频率的信号并且在框220中将其应用至回卷弹簧46和电解线圈 60。在框230中，在预定的时间周期之后，柔性平行板电容器75上的电压稳定。使用预定频率 和电容值的估算值选择预定的时间周期。然后在框240中进行电压测量并且在框250中计算 被拉出的安全带织带的长度。在框260中长度信息被发送至撞击感测子系统118。
[0053] 在可供选择的实施例中，电压测量值可以被直接发送至撞击感测子系统118。图 11B是说明了通过以预定频率206确定未知的电容来评估柔性平行板电容器75的电容的示 例性过程201的流程图。在框215中产生预定频率的信号并且在框225中将其应用至回卷弹 簧46和电解线圈60。在框235中，在预定的时间周期之后，柔性平行板电容器75上的电压稳 定。使用预定频率和电容值的估算值选择预定的时间周期。然后在框245中进行电压测量并 且在框255中将电压测量值发送至撞击感测子系统118以及在框265中撞击感测子系统计算 被抽出的安全带的长度。
[0054] 图12A是说明了包括可供选择的技术以在框305中使用预定电流计算电容的示例 性过程300的流程图。然后具有预定电流的信号在框310中被产生并且在框320中被应用至 柔性平行板电容器。然后，在框330中在一段时间周期内测量电压并且在框340中计算被拉 出的安全带的长度。使用预定电流值和电容值的估算值选择预定时间周期。然后计算出的 长度在框350中被发送至撞击感测子系统。
[0055] 在可供选择的实施例中，随时间的电压测量值可以被直接发送至撞击感测子系统 118。图12B是说明了在框306中使用预定电流计算电容的示例性过程301的流程图。然后具 有预定电流的信号在框315中被产生并且在框325中被应用至柔性平行板电容器。然后，在 框335中在一段时间周期内测量电压并且在框345中测量值被发送至撞击感测子系统118。 使用预定电流值和电容值的估算值选择预定时间周期。然后在框355中通过撞击感测子系 统118计算长度。
[0056]从以下权利要求本发明的其它目的、优势和显著的特征对本领域技术人员将变得 显而易见。
【主权项】
1. 一种安全带拉出测量装置，包含： 回卷弹簧，所述回卷弹簧具有连接到中心线轴的第一端和连接到回卷弹簧外壳的第二 端； 介电材料，所述介电材料具有第一侧面，所述第一侧面邻近所述回卷弹簧形成第一层； 电解线圈，所述电解线圈具有邻近所述介电材料的两侧面，以便所述回卷弹簧与所述 电解线圈电隔离；以及 电容测量装置，所述电容测量装置具有连接到所述回卷弹簧的所述第一端的第一导线 和连接到所述电解线圈的第一端的第二导线。2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈和所述回卷弹簧由相同的材料制成。3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈由铝、铜或以柔性薄膜或箱的形式的 可锻造的金属制成。4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈是在介电塑料薄膜上的金属化涂层。5. 根据权利要求1所述的装置，其中所述介电材料和所述电解线圈被结合以形成介电_ 电解层。6. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈的长度和宽度小于或大致等于所述 回卷弹簧的各自的长度和宽度。7. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈的所述第一端比所述回卷弹簧外壳 中的所述中心线轴更接近所述回卷弹簧外壳的外围。8. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解线圈的所述第一端比所述回卷弹簧外壳 的外围更接近所述回卷弹簧外壳中的所述中心线轴。9. 根据权利要求1所述的装置，其中所述介电材料包括聚四氟乙烯、聚酯薄膜、聚氯乙 烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或任何其 它适合的介电材料中的一种。10. -种系统，包含具有第一处理器和第一存储器的第一计算机，所述第一存储器存储 指令以便所述第一计算机被编程为： 从所述第一存储器中检索预定频率值； 产生频率信号； 测量电容器两端的电压； 根据所述电压来计算所述电容器的电容值； 根据所述电容值来计算抽出的安全带的长度；以及 将所述抽出的安全带的长度存储在所述第一存储器中。11. 根据权利要求10所述的系统，进一步包含具有第二处理器和第二存储器的第二计 算机，所述第二存储器存储指令以便所述第二计算机被编程为： 与所述第一处理器通信以交换有关所述抽出的安全带的长度的信息； 通过网络与至少一个车辆传感器通信；以及 与触发机构通信。12. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第二计算机进一步被编程为： 接收来自所述至少一个车辆传感器的数据； 确定是否发生撞击；以及 命令所述触发机构启用烟火式预张紧器。13. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一计算机将所述电容器的所述电压发送 至所述第二计算机，其中所述第二计算机被编程为： 根据所述电压来计算所述电容器的电容值； 根据所述电容值来计算抽出的安全带的长度；以及 将所述抽出的安全带的长度存储在所述第二存储器中。14. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一计算机、所述第二计算机和所述至少一 个车辆传感器通过控制器局域网总线通信。15. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一计算机被编程为： 从所述第一存储器中检索预定电流值和时间间隔； 产生电流信号； 测量随时间流逝的所述电容器两端的电压； 根据随时间流逝的所述电压测量值来计算所述电容器的电容值； 根据所述电容值来计算抽出的安全带的长度；以及 将所述抽出的安全带的长度存储在所述第一存储器中。16. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一计算机将随时间流逝的所述电压测量 值发送至所述第二计算机，其中所述第二计算机被编程为： 根据随时间流逝的所述电压测量值来计算所述电容器的电容值； 根据所述电容值来计算抽出的安全带的长度；以及 将所述抽出的安全带的长度存储在所述第二存储器中。17. -种在撞击中用于系紧安全带的系统，包含： 回卷弹簧和电解线圈，所述回卷弹簧和所述电解线圈接合在一起以形成电容器； 电容测量装置，所述电容测量装置连接到所述回卷弹簧和所述电解线圈； 处理器，所述处理器根据来自至少一个撞击传感器的数据来识别撞击的发生； 感测子系统，所述感测子系统根据由所述测得的电容计算出的安全带的拉出量来确定 是否启用触发机构以启用位于安全带总成内的烟火式预张紧器;以及 存储器，所述存储器存储由所述处理器执行的指令。18. 根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个撞击传感器是加速度计、雷达装 置、激光雷达装置或视觉系统。19. 根据权利要求17所述的系统，其中所述数据在所述传感器和所述撞击感测子系统 之间的传递通过控制器局域网总线实现。20. 根据权利要求17所述的系统，其中所述电容测量装置包括第二处理器和用于存储 指令以测量所述电容的第二存储器。
【文档编号】B60R22/46GK106004780SQ201610150941
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】曼加拉·A·贾亚苏里亚, 马克·A·库迪西, 马克·艾伦·利普曼, 马诺哈普拉萨德·K·拉奥
【申请人】福特全球技术公司