CN102859580A - 用于触发超声传感器的方法以及超声传感器 - Google Patents

用于触发超声传感器的方法以及超声传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声传感器（1），其具有：一个膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″），所述膜片具有至少两个用于发射和/或接收超声信号的子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″），其中所述两个子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″）具有不同的谐振特性；至少一个与所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）耦合的电机械转换器（3），具有至少两个不同的控制信号频率的控制信号能够被施加到所述电机械转换器上。在此，第一控制信号频率位于所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第一子区域（2-1；2-1′；2-1″″″）的谐振频率的范围内，而第二控制信号频率位于所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第二子区域（2-2；2-2′；2″″″）的谐振频率的范围内。替代地，也可以使用两个与一个膜片（2″″）耦合的、具有不同谐振特性的电机械转换器（3-1″″，3-2″″）。

Description

用于触发超声传感器的方法以及超声传感器
技术领域
本发明涉及一种用于触发超声传感器的方法以及一种超声传感器。
背景技术
数十年来，超声传感器用在车辆中以进行周围环境探测。测量系统在此基于回波方法，其中发射信号由障碍物反射并且以回波信号的形式反射至车辆。随后根据所测量的回波传播时间确定障碍物与车辆的距离。所述信息随后用于各种驾驶员辅助系统，如泊车辅助以及死角监控。超声传感器在此通常以超声转换器的形式实现，其能够实现发射运行与接收运行之间的切换。
传统的超声传感器包括膜片和电机械转换器，所述膜片在发射运行中将超声范围内的机械振动转换成围绕车辆的空气的压力波动，所述电机械转换器例如是压电振荡器的形式，其例如借助于粘合连接耦合到膜片上并且在发射运行中将电信号转换成超声范围中的振动。为了给膜片辐射提供方向，通常将其固定到底架上，所述底架具有与膜片相比可忽略的振动幅度。
超声传感器通常在其相应的谐振频率的范围内运行，因为在所述范围内存在电振动功率至机械振动功率（和相反）的特别有效的转换，其中所述谐振频率由相应的膜片和相应的转换器的谐振特性得出。
由DE 10 2006 021 492A1公开了一种用于调节超声传感器的壳体的振动区段的谐振频率的方法，其中测量所述振动区段的谐振频率并且将其与额定谐振频率的事先确定的阈值进行比较。根据比较，通过相应的材料去除或材料施加来调节所述振动区段的谐振频率。
发明内容
本发明提出了一种超声传感器，其具有膜片，所述膜片具有至少两个子区域，用于发射和/或接收超声信号，其中所述两个子区域具有不同的谐振特性，并且所述超声传感器具有至少一个与所述膜片耦合的电机械转换器，具有至少两个不同的控制信号频率的控制信号可被施加到所述电机械转换器上。在此，第一控制信号频率位于所述膜片的第一子区域的谐振频率的范围内而第二控制信号频率位于所述膜片的第二子区域的谐振频率的范围内。在此，有利地通过膜片在子区域中的不同厚度实现不同的谐振特性。
此外，本发明提出了一种用于触发超声传感器的方法，所述超声传感器具有膜片，所述膜片具有至少两个子区域，所述子区域具有不同的谐振特性，并且所述超声传感器具有至少一个与所述膜片耦合的电机械转换器，其中将具有两个不同的控制信号频率的控制信号施加到所述电机械转换器上。在此，第一控制信号频率位于所述膜片的第一子区域的谐振频率的范围内而第二控制信号频率位于所述膜片的第二子区域的谐振频率的范围内。
表述“子区域的谐振频率”在此和以下表示由膜片的谐振特性和一个或多个与其耦合的电机械转换器的谐振特性得到的谐振频率。
本发明基于如下基本构思：如此构造和布置超声转换器的膜片和一个或多个电机械转换器以及如此触发所述一个或多个电机械转换器，使得超声传感器具有多于一个谐振频率，在所述谐振频率处电振动功率被特别有效地转换成声学振动功率，或者相反。通过使用具有不同频率的超声信号能够在其可靠性、有效范围和/或反应快速性方面改善车辆的基于超声的周围环境探测。可以借助于多频调制或宽带调制将例如基于在较长时间之前发射的发射信号的回波信号（长距回波）和/或外来信号或干扰信号明显更可靠地与作为不久之前发射的信号的结果的回波进行区分。在此，不仅可以考虑自己车辆的信号而且可以考虑其他车辆和/或设置在车辆周围中的设备的信号。
根据本发明的一个实施方式，膜片可以被如此构造，使得膜片厚度跳跃式地改变。替代地，也可以设置膜片厚度的连续改变，这导致可用的信号频率的宽频谱。
根据具体应用情况和具体任务可以将膜片对称或非对称地构造，从而与此相应地得到对称的或者非对称的发射方向和/或接收方向。
根据本发明的多频率超声传感器的构思也可以通过如下超声传感器来实现：所述超声传感器具有膜片，所述膜片具有至少两个用于发射和/或接收超声信号的子区域，并且所述超声传感器具有至少两个与所述膜片耦合的电机械转换器，所述电机械转换器具有不同的谐振特性，这例如可以通过转换器的不同的几何尺寸来实现。在此，控制信号可被分别施加到转换器上，其中控制信号是彼此独立的并且分别包括至少一个控制信号频率，所述控制信号频率位于膜片的相应子区域的谐振频率的范围内。
为了实现对称的或非对称的发射方向和/或接收方向，所述转换器可以相应对称地或者非对称地耦合到膜片上。
与这种超声传感器相应地，本发明也提出了一种用于触发超声传感器的方法，所述超声传感器具有膜片，所述膜片具有至少两个用于发射和/或接收超声信号的子区域，并且所述超声传感器具有至少两个分别在子区域之一中与膜片耦合的电机械转换器，所述电机械转换器具有不同的谐振特性。根据本发明，分别将一个控制信号施加到转换器上，其中控制信号是彼此独立的并且分别包括至少一个控制信号频率，所述控制信号频率位于膜片的相应子区域的谐振频率的范围内。
具有一个膜片和至少一个与膜片耦合的具有至少三个电极的电机械转换器的超声传感器也适于实现基本发明构思，其中所述转换器根据电极的触发具有不同的谐振特性。所述构型具有如下优点：唯一的电机械转换器结合“经典的”膜片已经足以实现多频率超声传感器。
与此相应地，本发明也提出了一种触发超声传感器的方法，所述超声传感器具有一个膜片和至少一个与膜片耦合的电机械转换器，其中所述转换器具有至少三个电极，触发第一电极对以便发射具有第一发射信号频率的超声信号，以及触发第二电极对以便发射具有第二发射信号频率的超声信号。
本发明的另一实施方式提出，借助于转换器的控制信号的控制信号频率确定超声信号的优选的传输方向。为此，如此确定信号频率，使得或者在谐振频率处并且（因此）特别有效地进行电振动功率至声学振动功率的转换（发射运行），或者在谐振频率处并且（因此）特别有效地进行声学振动功率至电振动功率的转换（接收运行）。发射频率和接收频率例如由于多普勒效应可以彼此不同。
本发明的实施方式的其他特征和优点由以下参照附图的描述得出。
附图说明
附图示出：
图1：根据本发明的第一实施方式的超声传感器的示意性截面图，
图2：根据本发明的第二实施方式的超声传感器的示意性截面图，
图3：根据本发明的第三实施方式的超声传感器的示意性截面图，
图4：根据本发明的第四实施方式的超声传感器的示意性截面图，
图5：根据本发明的第五实施方式的超声传感器的示意性截面图，
图6：根据本发明的具有三个电极的电机械转换器的示意性截面图，
图7：根据本发明的具有三个电极的电机械转换器的示意性俯视图，
图8：根据本发明的第六实施方式的超声传感器的示意性图。
具体实施方式
在附图中，相同或功能相同的部件分别设有相同的附图标记。
图1示意性地示出根据本发明的第一实施方式的超声传感器1。压电振荡器3形式的电机械转换器借助于粘合层4固定在膜片2上并且以此方式与膜片2耦合。通过电端子5，控制信号由控制单元6施加到压电振荡器3上，因此使压电振荡器3机械振动。所述振动通过粘合层4传导至膜片2。所述膜片2在位于其前方的空气中产生压力波动，由此发出声波。为了给所发出的声波提供方向，膜片固定在底架7上，所述底架具有与膜片相比可忽略的振动幅度。在接收声波时，信号路径相应相反，即到达的声学声波最终被转换成电信号。
膜片2包括两个子区域2-1和2-2，它们具有不同的厚度或者材料厚度，由此建立两个子区域的不同谐振特性。两个子区域2-1和2-2之间的过渡在所示实施方式中是跳跃式地实施的，从而在两个子区域2-1和2-2中分别得到一个谐振频率，在所述谐振频率处特别有效地进行电振动功率至声学振动功率（或相反）的转换。通过施加至少包括所述两个谐振频率或所述谐振频率的范围内的至少两个频率的控制信号，可以同时在两个谐振频率上运行超声传感器。在此，可以借助于控制信号的信号频率确定超声传感器1的优选的传输方向，即发射和接收。为此，或者与谐振频率相同地选择信号频率，使得电振动功率至机械振动功率的转换和（因此）发射运行是最佳的，或者选择谐振频率的范围内的信号频率，其导致可能的回波信号恰好具有谐振频率并且因此导致机械振动功率至电振动功率（接收运行）的最佳转换。发射信号与回波信号之间的频率差在此例如可以基于多普勒效应。
在所示的实施例中，压电振荡器3设置在膜片2的子区域2-1与2-2之间的过渡区域下方。但这对于本发明的应用而言不是强制必需的。当膜片的具有不同谐振特性的子区域设置在电机械转换器周围的区域中时，也是足够的。
在图2中示出了这种实施方式。所述实施方式与在图1中示出的实施方式的不同主要在于：膜片2′在压电振荡器3上方的第一子区域2-1′中具有恒定的厚度，但在压电振荡器3的两侧上设置有具有更大的厚度或材料厚度和（因此）改变的谐振特性的第二子区域2-2′。在第三子区域2-3′中，膜片又具有第一子区域2-1′的厚度或替代地也具有任意的其他厚度，其中膜片2′通过所述第三子区域2-3′固定在底架7上。为了实现膜片2与底架7之间的尽可能良好的去耦合，有利地尽可能薄地构造膜片2′的与底架7紧邻的边缘区域。所述规则也可应用于其他实施例，使得在这些实施方式中也可以设有膜片2的“经减薄”的边缘区域。但应指出的是，如此构造的边缘区域不用于发射或接收超声信号，而仅仅用于与底架7的去耦合。
根据图2的实施方式与图2的实施方式不同在于：各个子区域之间跳跃式地实施的过渡对称地设置并且膜片2′由此是对称地构造的。通过对称布置或非对称布置，可以相应地实现对称或者非对称的发射方向或接收方向。
图3和图4示出根据本发明的超声传感器的其他实施方式。它们与在图1中示出的实施方式的不同在于：膜片2″（参见图3）和2″′（参见图4）的厚度不是跳跃式地而是连续地改变。具体而言，根据图3的膜片2″凸地实施而根据图4的膜片2″′凹地实施。通过所述方式形成膜片2″、2″′的具有不同机械特性的多个子区域，这导致可用的谐振频率的宽频谱。
在图5中示出了根据本发明的超声传感器1″″的一个替代实施方式。在此，在具有恒定厚度的“传统”膜片2″″上，压电振荡器3-1″″和3-2″″形式的两个电机械转换器借助于粘合层4-1″″或4-2″″固定在膜片2″″的子区域上并且以此方式与膜片2″″耦合。两个压电振荡器3-1″″和3-2″″在此具有不同几何尺寸并且由此也视情况而定地具有不同的谐振特性。通过相应地施加控制信号，通过所述布置也实现可在两个谐振频率处运行的超声传感器，其中两个压电振荡器3-1″″和3-2″″的控制信号是彼此独立的并且分别包括至少一个控制信号频率，所述至少一个控制信号频率位于膜片的相应子区域的谐振频率的范围内。在所示的实施方式中，两个控制信号由两个单独的控制单元6-1″″和6-2″″产生并且通过电端子5-1″″或5-2″″施加到压电振荡器3-1″″或3-2″″上。但替代地，控制信号也可以通过一个共同的控制单元来产生。基于非对称的布置，通过简单的方式实现非对称的发射特征和/或接收特征。当然，也可以设置多于两个的压电振荡器，其在需要的情况下也可以对称地布置。
本发明的另一实施方式（参见图6和7）提出具有三个电极30-1、30-2和30-3的压电振荡器3″″′的应用。在此，第一电极30-1设置在压电振荡器3″′的中央上部区域中，第二电极30-2设置在压电振荡器3″″′的上侧的边缘区域中，而第三电极30-3设置在压电振荡器3″″′的下侧上。所有三个电极30-1、30-2和30-3可以通过控制单元6″″′经由相应的电端子5来触发。基于电极30-1、30-2和30-3的布置和构造，在触发由电极30-1和30-3构成的第一电极对时得到不同于在触发由电极30-2和30-3构成的第二电极对时的谐振特性以及方向特征。如果这种压电振荡器3″″′耦合到膜片上，则即使在具有恒定厚度的“传统”膜片的情况下也可以以不同的谐振频率运行超声传感器。
图8示出本发明的另一实施方式，其中设有膜片2″″″，所述膜片包括四个子区域2-1″″″、2-2″″″、2-3″″″和2-4″″″。这些子区域如此构造，使得具有第二厚度的第二子区域2-2″″笔直地连接在固定在底架7的左侧部分上并且具有第一厚度的第一子区域2-1″″上。具有第三厚度的第三子区域2-3″″以一个预给定的角度连接到第二子区域2-2″″上，具有第四厚度的第四子区域2-4″″最后以另一预给定的角度连接到第三子区域2-3″″上，所述第四子区域固定在底架7的右侧部分上。在第三子区域2-3″″的区域中，压电振荡器3借助粘合层4固定在膜片2″″上并且由此与其耦合。膜片2″″的各个子区域的不同厚度在所述实施方式中也导致不同的谐振特性，其可以通过合适的触发用于实现多频超声传感器。此外，通过膜片2″″″的三维构型也可以实现发射信号或接收信号的不同优选取向。
除所示出的和所描述的实施方式以外，可考虑很多尤其由所提及的实施方式的组合得到的其他实施方式。

Claims (15)

1.超声传感器（1），其具有：
一个膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″），所述膜片具有至少两个用于发射和/或接收超声信号的子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″），其中，所述两个子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″）具有不同的谐振特性；
至少一个与所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）耦合的电机械转换器（3），具有至少两个不同的控制信号频率的控制信号能够被施加到所述电机械转换器上，
其中，第一控制信号频率位于所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第一子区域（2-1；2-1′；2-1″″″）的谐振频率的范围内，而第二控制信号频率位于所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第二子区域（2-2；2-2′；2″″″）的谐振频率的范围内。
2.根据权利要求1所述的超声传感器，其中，所述不同的谐振特性通过所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）在所述子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″）中厚度不同来实现。
3.根据权利要求2所述的超声传感器，其中，所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的厚度跳跃式地改变。
4.根据权利要求2所述的超声传感器，其中，所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的厚度连续地改变。
5.根据以上所述权利要求中任一项所述的超声传感器，其中，所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）对称地构造。
6.根据以上所述权利要求中任一项所述的超声传感器，其中，所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）非对称地构造。
7.用于触发超声传感器（1）的方法，所述超声传感器具有一个膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″），所述膜片具有至少两个子区域（2-1，2-2；2-1′，2-2′；2-1″″″，2-2″″″，2-3″″″，2-4″″″），所述至少两个子区域具有不同的谐振特性，所述超声传感器具有至少一个与所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）耦合的电机械转换器（3），其中，将具有至少两个不同的控制信号频率的控制信号施加到所述电机械转换器上，其中，第一控制信号频率位于所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第一子区域（2-1；2-1′；2-1″″″）的谐振频率的范围内，而第二控制信号频率在所述膜片（2；2′；2″；2″′；2″″″）的第二子区域（2-2；2-2′；2-2″″″）的谐振频率的范围内。
8.超声传感器（1″″），其具有一个膜片（2″″）和至少两个与所述膜片（2″″）耦合的、具有不同谐振特性的电机械转换器（3-1″″，3-2″″），所述膜片具有至少两个用于发射/接收超声信号的子区域，其中，控制信号能够被分别施加到所述转换器（3-1″″，3-2″″）上，其中，控制信号是彼此独立的并且分别包括至少一个控制信号频率，所述至少一个控制信号频率位于所述膜片（2″″）的相应子区域的谐振频率的范围内。
9.根据权利要求8所述的超声传感器，其中，所述转换器（3-1″″，3-2″″）具有不同几何尺寸。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的超声传感器，其中，所述转换器（3-1″″，3-2″″）对称地耦合到所述膜片（2″″）上。
11.根据权利要求8或9中任一项所述的超声传感器，其中，所述转换器（3-1″″，3-2″″）非对称地耦合到所述膜片（2″″）上。
12.用于触发超声传感器（1″″）的方法，所述超声传感器具有一个膜片（2″″），所述膜片具有至少两个用于发射/接收超声信号的子区域，所述超声传感器具有至少两个分别在所述子区域之一中与所述膜片（2″″）耦合的、具有不同的谐振特性的电机械转换器（3-1″″，3-2″″），其中，分别将控制信号施加到所述转换器（3-1″″，3-2″″）上，其中，控制信号是彼此独立的并且分别包括至少一个控制信号频率，所述至少一个控制信号频率位于所述膜片（2″″）的相应子区域的谐振频率的范围内。
13.超声传感器，具有：
一个膜片，
至少一个耦合到所述膜片上的压电振荡器（3″″′），所述压电振荡器具有至少三个电极（30-1，30-2，30-3），
其中，所述压电振荡器（3″″′）根据所述电极（30-1，30-2，30-3）的触发而具有不同的谐振特性。
14.用于触发超声传感器的方法，所述超声传感器具有一个膜片和至少一个与所述膜片耦合的压电振荡器（3″″′），其中，所述压电振荡器（3″″′）具有至少三个电极（30-1，30-2，30-3），触发第一电极对（30-1，30-3）以便发射具有第一发射信号频率的超声信号，以及触发第二电极对（30-2，30-3）以便发射具有第二发射信号频率的超声信号。
15.根据权利要求7、12或14中任一项所述的方法，其中，借助于所述转换器（3；3-1″″；3-2″″；3″″″）的控制信号的信号频率确定超声信号的优选的传输方向。
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