DE2519544C2

DE2519544C2 - Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung

Info

Publication number: DE2519544C2
Application number: DE2519544A
Authority: DE
Inventors: Richard Lamar Camillus N.Y. Bates; Nicholas Fred Liverpool N.Y. D'Antonio
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-05-07
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1985-03-21
Also published as: GB1514492A; JPS50152846A; AT373157B; CH614126A5; IT1037864B; US4291894A; JPS5829113B2; FR2269981B1; NO751632L; ATA344275A; CA1070345A; FR2269981A1; DE2519544A1; SE7505288L

Description

Die Erfindung betrifft eine Sich rheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Sicherheits-Skibindung, die Gegenstand des prioritätsälteren aber nicht vorveröffentlichten Patents 24 16 424 ist, ist parallel zu dem Kondensator der Integrationsschaltung ein Widerstand geschaltet, der diesen ständig entlädt, so daß ständig auf das Bein des Skifahrers wirkende Kräfte, die einen der Zeitkonstante des Integrationskondensators entsprechenden Wert nicht übersteigen, auch dann zu keiner Auslösung führen, wenn diese Kräfte aufgrund der Länge ihrer Einwirkungszeit gefährlich sind. Derartige Kräfte, die an sich aufgrund ihrer Größe ungefährlich sind, können beispielsweise bei langsamen Drehstürzen, bei Anfängern oder bei Stürzen an Liften auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheits-Skibindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die auslöst, wenn verhältnismäßig niedrige Kräfte oder Drehmomente zwischen Ski und Stiefel während gefährlich langer, ununterbrochener Zeit wirken, ohne daß die Auslösesicherheit beim Auftreten gefährlicher Stoßbelastungen beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Sicherheits-Skibindung erfolgt einmal eine »mathematische« Integration aufgrund der Ladung des Kondensators der ersten Integrationsschaltung mit linearer Ladungscharakteristik, so daß sämtliche über der statischen Auslösekraft liegenden Kräfte entsprechend ihren Spannungswerten integriert werden, bis der Schwellenwert erreicht ist und eine Auslösung erfolgt. Mit der erfindungsgemsßen Sicherheits-Skibindung werden also auch geringere Kräfte, die an sich ohne weiteres von dem Bein aufgenommen werden können, wenn diese nur kurzzeitig einwirken, bei längerer Einwirkungszeit bis zu dem Schwellenwert integriert. Derartige Kräfte werden nämlich aufgrund der physiologischen Eigenschaften der Knochen gefährlich, wenn sie über längere Zeit einwirken, also den Knochen über eine längere Zeit unter Spannung halten. Die erfindungsgemäß vorgesehen zweite Integrationsschaltung führt unabhängig von der ersten Integrationsschaltung zu einer Auslösung, wenn gefährliche

ίο Stoßbelastungen auftreten, wobei jedoch extrem hohe Stoßbelastungen, die aufgrund ihrer kurzen Einwirkungszeit ungefährlich sind, nicht zu einer Auslösung führen.
Ein Äusführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur die Integrationsschaltung dargestellt ist näher erläutert

Die Zeichnung zeigt eine Kraftmeßschaltung mit zwei Spannungsmessern, nämlich einem Spannungsmesser 510 zur Messung von Druckkräften und einem Spannungsmesser 504 zur Messung von Drehmomenten. Beide Spannungsmesser sind als Wandler ausgebildet Die Spannungsmesser sind je in einen Zweig einer normalerweise abgeglichenen Brücke 500 bzw. 502 geschaltet Die Brücken 500 und 502 enthalten je drei feste Widerstände 506 bzw. 512. Die Widerstandswerte der Widerstände 506 undxies Spannungsmessers 504 im ungespannten Zustand sind einander gleich, so daß die Brücke 500 normalerweise abgeglichen ist Die Werte der Widerstände 512 und des Spannungsmessers 510 sind in dessen ungespannten Zustand einander gleich, so daß die Brücke 502 ebenfalls normalerweise abgeglichen ist

Bei den Ausführungsbeispielen sind die Wandler vom Folien- oder Halbleitertyp (Dehnungsmeßstreifen). Wie im folgenden noch beschrieben wird, können innerhalb des Rahmens der Erfindung allerdings auch andere Wandlermechanismen und/oder Schaltungen verwendet werden, die eine äquivalente Funktion haben.

Die Brücke 500 dient zur Messung des Drehmoments, die Brücke 502 zur Messung der Druckkraft. Werden die Spannungsmesser einer Druck- oder Zugkraft unterworfen, so ändert sich ihr Widerstand proportional zur wirkenden Spannung. Der Widerstand nimmt mit steigendem Druck ab und mit steigender Spannung am Spannungsmesser zu. Wenn also der Spannungsmesser 504 oder 510 entsprechend beansprucht wird, nimmt sein Widerstand entsprechend ab oder zu, so daß die zuvor abgeglichene Brücke unabgeglichen oder unsymmetrisch wird. Hierdurch wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem vom Spannungsmesser erfaßten Zug oder Druck entspricht. In der Drehmomentbrücke 500 kann das dem Drehmoment entsprechende Ausgangssignal je nach der Richtung des wirkenden Drehmoments positiv oder negativ sein. In der Brückenschaltung 502 hat das der Kraft entsprechende Ausgangssignal nur eine Polarität, da nur nach vorn gerichtete Druckkräfte auftreten.

Die Brücken 500 und 502 sind je an einen Differenzverstärker 516 bzw. 518 angeschlossen, die zur Verstärkung der verhältnismäßig schwachen Signale von den Brückenschaltungen dienen. Die Differenzverstärker verstärken das dem Ungleichgewicht infolge von Änderungen der Spannungsmesser in jeder Brücke erzeugte Ausgangssignal, wenn auf die ensprechenden Spannungsmesser Spannungen einwirken.

An die Differenzverstärker 516 und 518 ist je ein Integrationsverstärker 524 bzw. 528 angeschlossen, die eine langzeitige Rückkopplungssteuerung ermöglichen, so

daß die dem Drehmoment bzw. der Kraft entsprechende Spannungen auf Null gehalten werden, obwohl eine oder beide Brücken 500 und 502 infolge Temperaturänderungen oder Drifterscheinungen in den Schaltungsbestandteilen sich in schwach unabgeglichenem Zustand befinden können. Da die Integrationszeitkonstanten der Verstärker 524 und 528 sehr hoch (in der Größenordnung von einigen Minuten) sind, sprechen diese Verstärker auf augenblickliche Kräfte, die von den Spannungsmessern 504 und 510 erfaßt werden, nicht an, auf die das Bindungs-Auslösesystem ansprechen soll. Die Integrationszeitkonstanten sind proportional den Werten eines Kondensators 544 und eines Widerstandes 536 sowie eines Kondensators 546 und eines Widerstandes 540 am Verstärker 524 bzw. 528. Die Widerstände 526 und 530 bestimmen die Rückkopplungsverstärkung der Integratorsignale. Bei richtiger Wahl ergibt sich ein optimales Ansprechverhalten des geschlossenen Kreises. Die Widerstände 532 und 534 bestimmen die Verstärkung der Brückenverstärker entsprechend der Beziehung

₌ (Delta R) (R_F) (2R) (R)

■ V

worin R_Fa\t Rückkopplungswiderstände 532 und 534, R die Brückenwiderstände 506 und 512, Delta R die Änderung des Spannungsmesserwiderstandes und V die Spannung an der Brücke ist

Da das Ausgangssignal des Verstärkers 516 je nach der Richtung des auf den Spannungsmesser 504 wirkenden Drehmoments positiv oder negativ sein kann, ist ein Verstärker 560 vorgesehen, der gewährleistet, daß das einem Summenverstärker 570 zuzuführende Ausgangssignal stets positiv ist. Dies geschieht folgendermaßen. Die positiven Signale werden durch eine Diode 550 blockiert, so daß nur die negativen Signale dem invertierenden Eingang des Verstärkers 560 als solche zugeführt werden. Das negative Eingangssignal erscheint am Ausgang des Verstärkers 560 als positives Signal. Andererseits sperrt eine Diode 554 negative Signale und läßt positive Signale zum direkten Eingang des Verstärkers 560 als solche durch. Die postitiven Eingangssignale erscheinen am Ausgang des Verstärkers 560 als positive Signale. Die Verstärkung des Verstärkers 5(50 wird durch den Rückkopplungwiderstand 558 und die beiden Eingangswiderstände 552 und 556 bestimmt. Mit Hilfe des Summierverstärkers 570 werden die Drehmoment- und Kraftsignale im Falle eines Sturzes, bei dem das Drehmoment und die Kraft erzeugt werden, summiert. In manchen Situationen dieser Art reichen die Kraft und das Drehmoment jeweils allein nicht aus, um die Auslösung einzuleiten. Beide zusammen können jedoch die Knochen so stark beanspruchen, daß ein Bruch eintritt. Der Verstärker 570 schützt den Skiläufer hiergeben auf folgende Weise. Das Ausgangssignal des Verstärkers 570 stellt den Signalpegel dar, aufgrund dessen über die Auslösung oder Nichtauslösung entschieden wird. Ein Rückkopplungswiderstand 574 und ein variabler Widerstand 564 bestimmen die Verstärkung des Drehmomentsignals durch den Verstärker 570. Wenn daher der eo Widerstand 564 richtig eingestellt ist, ist, wenn das Drehmoment den vorherbestimmten kritischen Wert erreicht, die entsprechende Spannung am Ausgang des Verstärkers 570 gerade hoch genug, um die Schwellen-(Vergleichs-)Funktion des nachgeschalteten Verstär- β.¹; kers 590 auszulösen. Durch den Rückkoppiungswiderstand 574 und einen variablen Widerstand 566 wird die Verstärkung des Kraftsignals durch den Verstärker 570 bestimmt. Erreicht daher bei richtiger Einstelung des variablen Widerstandes 566 die Kraft den vorherbestimmten kritischen Wert, so ist die entsprechende Spannung am Ausgang des Verstärkers 570 ebenso gerade hoch genug, um die SchweIlendetektor-(Komparator-)Funktion des Verstärkers 590 auszulösen. Sind Drehmoment und Kraft vorhanden, so werden beide ebenso verstärkt, als wenn nur eine dieser Größen vorhanden wäre. Beide Signale werden jedoch miteinander addiert Ist das am Ausgang des Verstärkers 570 auftretende Summensignal hoch genug, um die Schwellendetektorfunktion des Verstärkers 590 auszulösen, so erfolgt eine Auslösung.

Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 570 kann den Schwellendetektor-Funktionseingang des Verstärkers 590 auf zwei Wegen erreichen. Ober beide Wege wird das Signal zeitlich verzögert, jedoch aus unterschiedlichen Gründen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 570 wird einmal über einen variablen Widerstand 586, einen Kondensator 58Ί» und einen Eingangswiderstand 594 geführt, die zusammen eine einfache variable ÄC-Schaltung mit variabler Zeitkonstante bilden. Durch diese Verzögerung sollen unabsichtliche Auslösungen bei extrem hohen Stoßkräften sehr kurzer Dauer ve=-mieden werden, wie sie beim Springen und bei anderen Laufsituationen auftreten können. Der zweite Weg zum Schwellendetektor 590 geht über einen Verstärker 580, der wegen seines Eingangswiderstandes 582 und seines RückkopplungskondensaSors 584 als linearer Integrator wirkt Parallel zum Kondensator ist ein Ruheschalter 577 geschaltet. Der Integrator 580 ist damit normalerweise überbrückt, und seine normale Ausgangsspannung ist gleich Null. In diesem Zustand beeinflußt er die Betätigung des Schwellenwertdetektors 590 nicht Übersteigt die Ausgangsspannung des Sumrnierverstärkers 570 den Wert V_Ki am positiven Eingang eines Schwellendetektorverstärkers 576, so wird an dessen Ausgang dem Steueranschluß des Ruheschalters 577 eine Stufenfunktion (Impuls) zugeführt, so daß dieser öffnet. Der Schalter 577 ist ein einfacher elektionischer Schalter, beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Analogschalter oder ein Reedrelais mit sehr geringem Leistungsverbrauch. Wenn der Schalter 577 öffnet, wird der Integrator 580 eingeschaltet. Sein Ausgangssignal beginnt mit einer Geschwindigkeit zu steigen, die durch das Produkt des variablen Widerstandes 582 und der Kapazität des Kondensators 584 nach der Gleichung

Vt = (V_int)/(RC)

bes'imrit wird, worin Voider oben diskutierten Sicherheitsfunktion Kraft χ Zeit entspricht. Übersteigt die ansteigende Spannung VV die vorherbestimmt«· Einstellung des Verstärkers 590, der als Schwellendetektor wirkt, so wird die Auslösung in der beschriebenen Weise herbeigeführt Wie die Gleichung zeigt, wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung V₇ durch den variablen Widerstand 582 eingestellt, Hierdurch wird die Kraft-Zeit-Funktion des Auslösesystems bestimmt Sobald das Ausgangssignal des Verstärkers 5>0 den Wert von Vref unterschreitet, kehrt das Ausgangssignal des Verstärkers 576 in den niedrigen Zustand zurück, der Schalter. 577 schließt, und der Kondensator 584 wird entladen. Hierdurch wird der Integrator 580 zur Vorbereitung auf die nächste kritische Situation rückgesJellt und abgeschaltet.

Der Verstärker 590 ist ein als Schwellendetektor wirkender Komparator, der dem Auslösemechanismus ein starkes stufenförmiges Signal zuführt, wenn die Auslöseentscheidung schließlich getroffen ist. Die Spannung, bei der dies eintritt, ist etwas höher als die Bezugsspannung V_rer am positiven Eingang des Schwellendetektor-Verstärkers 590. Die Betätigungseinrichtung wird durch einen elektrischen Schalter, hier einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 616 eingeschaltet, dessen Stcueransciiluß durch eine Zenerdiode 610 vor einer flachen Triggerung infolge eines unerwünschten Störsignals vom Verstärker 590 geschützt ist. Der Steueranschluß ist über einen Widerstand 615 an Masse geführt. Ein Widerstand 614 begrenzt den Steuerstrom auf einen sicheren Wert bei Gegenwart eines Signals. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter 616. der den Durchtritt eines hohen Stroms bei niedrigem Trigger-Impulsstrom gestattet, ermöglicht die Ausbildung des Verstärkers 590 als eine geringe Leistung verbrauchende integrierte Schaltung, so daß die begrenzte Stromverstärkung der als Schalter verwendeten Transistoren nicht berücksichtigt zu werden braucht Der gesteuerte Siliziumgleichrichter 616 wirkt als elektrischer Schalter und führt der Auslöseeinrichtung 620 Strom zu, die im gezeigten Ausführungsbcispiel als Elektromagnet oder als andere oben beschriebene Einrichtung ausgebildet sein kann, durch die das elektrische Signal in eine mechanische Bewegung zur Auslösung der Skibindung umgewandelt wird. Auch können andere elektrisch betätigte Mechanismen, beispielswei;,- Explosionseinrichtungen oder magnetische Klinken anstelle des Elektromagneten verwendet werden, um eine beliebige Anzahl von Auslösemechanismen zu betätigen.

Mit Ausnahme der Spannungsmesser 504 und 510, der Auslöseeinrichtung 620 und der nichtgezeigten Spannungsquelle können sämtliche restlichen elektronischen Bauteile ais integrierte Schaltungen auf einem einzigen Plättchen ausgeführt werden, die ein Volumen von etwa 8 cm³ einnimmt. Dieses kleine Volumen kann leicht in der Kammer 120 untergebracht werden, wobei der verbleibende Raum von der Energiequelle, beispielsweise Batterien, eingenommen wird. Ein nichtgezeigter Hauptschalter für die Energiezufuhr kann weiter in oder auf der Kammer 120 oder in der Nähe des Hebelarms 88 angebracht werden, der durch den Hebelarm betätigt wird, wenn der Stiefel am Ski verspannt wird. In oder auf der Kammer 120 können weiter verschiedene variable Einstelleinrichtungen für Kraft Drehmoment und Zeit angeordnet werden. Die verschiedenen elektrischen Bauteile sind mittels geschützter elektrischer Leitungen zu einer vollständigen Schaltung geschaltet Die Leitungen können auf oder im Ski derart angebracht werden, daß sie vor Beschädigung geschützt sind.

Die Meß- und Auslöseschaltung arbeitet folgendermaßen: Im Gefahrenfall wird normalerweise das Gewicht des Skiläufers nach vorn verlagert oder das Bein des Skiläufers nach links oder rechts verdreht Wird das Gewicht nach vorn verlagert so wird der Spannungsmesser 510 zusammengepreßt, so daß er beansprucht wird und seinen Widerstand ändert Hierdurch gelangt die Brücke 502 in einen unabgeglichenen Zustand, und es entsteht ein Ausgangssignal, dessen Größe der einwirkenden Kraft entspricht Dieses Ausgangssignal wird durch den Verstärker 518 verstärkt und dem Summationsverstärker 570 zugeführt, der die Signale von den Verstärkern 518 und 516 addiert Die variablen Widerstände 564 und 566 dienen zur Einstellung des Verstärkers 570. Hierdurch kann das dem Komparationsverstärker 590 zugeführte Schwellensignal entsprechend dem Können des Skiläufers und/oder entsprechend den Laufbedingungen eingestellt werden.

Das Ausgarigssignal des Verstärkers 570 muß den Eingang des Komparators 590 erreichen, damit eine Auslösung erfolgen kann. Das Signa! vom Verstärker 570 kann den Verstärker 590 über zwei Wege erreichen. Der erste Weg verläuft über den variablen Widerstand 586. den Kondensator 588 und den Eingangswiderstand

594. Dieser Weg bewirkt eine momentane Verzögerung zur Vermeidung einer unerwünschten Auslösung infolge hoher stoßweise auftretender Kräfte mit kurzer Dauer.

Der zweite Weg verläuft über den Verstärker 580, der einen Integrator darstellt. Hierdurch wird das Ausgangssignal des Summationsverstärkers 570 einer variablen Zeitverzögerung unterworfen, und es entsteht ein Ausgangssignal, das proportional dem Produkt aus Kraft und Zci; ist, weil, in manchen Fällen, Kraft oder Drehmoment hoch sein können, allein jedoch nicht so hoch sind, daß der Auslösemechanismus ansprechen müßte. Wenn eine solche Kraft übermäßig lange ansteht, können die Knochen, Muskeln, Sehnen oder andere Gewebe überansprucht und verletzt werden. Der Verstärker 580 bewirkt eine auf dieser Bedingung basierende Auslösung. Der variable Widerstand 582 und der Kondensator 584 geben die gewünschte Zeitkonstante vor, so daJ eine maximale Zeitperiode berücksichtigt wird, innerhalb deren eine vorherbestimmte Kraft wirken kann, bevor der Auslösemechanismus auf die Kraft betätigt werden müßte. Diese Zeitkonstante ist mittels des Widerstandes 582 entsprechend der Erfahrung, dem Alter und/oder dem Gewicht des Skiläufers einstellbar. Die Verzögerung durch den Integrationsverstärker 580 ist beträchtlich länger als die Verzögerung über den direkten Weg zum Verstärker 590.

Da die rulariiäi des Ausgangäsignäis des Verstärkers 580 umgekehrt ist, ist eine Umkehrstufe 600 zur nochmaligen Umkehr der Polarität des Signals vom Verstärker 580 vorgesehen, so daß dem Verstärker 590 eine Eingangsspannung zugeführt wird, deren Polarität mit dem vom Verstärker 570 zugeführten Signal kompatibel ist. Der Verstärker 590 erzeugt ein stufenförmiges Ausgangssignal, durch das der gesteuerte Siliziumgleichrichter 616 betätigt wird. Dieser wirkt als Schalter für den Elektromagneten 620.

Wegen der elektronischen Steuereinrichtungen zur Erfassung der Kraftänderungen und zur Betätigung des Elektromagneten unter den richtigen Bedingungen, erfolgt die Freigabe des Skistiefels von der Bindung ~ugenblicklich nach Erfassen eines gefährlichen Zustandes, wobei die bei bekannten Skibindungen durch die beträchtlichen Reibungskräfte zwischen den beweglichen Teilen auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden.

In ähnlicher Weise ändert der Spannungsmesser 504 bei einer einwirkenden Beanspruchung seinen Widerstand, so daß die Brücke 500 in den unabgeglichenen Zustand gelangt und dem Summierverstärker 570 ein

positives Eingangssignal zugeführt wird. Oberschreitet dieses Eingangssignal oder die Summe aus den Drehmoment- und Kraftsignalen, die dem Verstärker 570 zugeführt werden, die variablen, vorherbestimmten Schwellenwerte, die durch die Widerstände 564 und 566 vorgegeben werden, so hat das resultierende Signa! hinter der durch die ÄC-Komponenten 586 und 588 gebildeten Stoßverzögerungsschaltung am Eingang des Komparationsverstärkers 590 eine ausreichende Größe, um die

7 8 ι

Auslösung einzuleiten. Das Signal des Verstärkers 570 t

wird ebenfalls über den Integrationsverstärker 580 ge- ;■

leitet, dessen Intefrationszeitkonstante durch die RC- ' :

Komponenten 582 und 584 bestimmt wird. Wird das am k

Eingang des Verstärkers 580 anstehende Signal ausrei- 5 ;·?

chend lange integriert, so überschreitet die Ausgangs- !,,.

spannut/; des Verstärkers 580 die Schwellenspannung jj?

des Komparators 590, so daß durch die sich an dessen %

Ausgang ergebende Stufenfunktion der gesteuerte SiIi- '?■

ziumgicichrichter 616 geschlossen und der Elektroma- ι ο |

gnet 620 in der bezüglich des Signals von der K raftbrük- |

ke 502 beschriebenen Weise erregt wird. j.'¹.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung, die die auf das Bein des Skiläufers einwirkenden Kräfte durch Meßwandler erfaßt und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes, der kontinuierlich mit dem von einer Integrationsschaltung mit einem Kondensator gebildeten Zeitintegral mindestens einer auf das Bein wirkenden Kraft verglichen wird, die Verbindung zwischen Ski und Skischuh löst, wobei eine Schaltung vorgesehen ist, die den Kondensator der Integrationsschaltung nach Oberschreiten einer einer vorgegebenen Bezugsspannung entsprechenden gemessenen Kraft, die Ober der statischen Auslösekraft liegt, auflädt und vollständig erst wieder über eine den Kondensator kurzschließende Schaltung entlädt wenn die gemessene Kraft den der Bezugsspannung entsprechenden Wert unterschreitet dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (584) einer ersten Integrationsschaltung mit linearer Charakteristik aufgeladen wird und eine zweite aus einem Tiefpaß (586, 588) bestehende Integrationsschaltung vorgesehen ist die unabhängig von der ersten Integrationsschaltung zur Auslösung führt.

2. Sicherheits-Skibindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Widerstand (586) des Tiefpasses einstellbar ist