DE10009129A1

DE10009129A1 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE10009129A1
Application number: DE10009129A
Authority: DE
Inventors: Dieter Falzewski
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-02-26
Filing date: 2000-02-26
Publication date: 2001-08-30
Also published as: EP1173842A1; AU3169701A; WO2001063595A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement (4), dessen Boden als Membran dient. Erfindungsgemäß sind an der Membran (5) mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler (6, 7) nebeneinander befestigt. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor zeichnet sich durch ein Schall-Richtdiagramm mit besonders großer Asymmetrie aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement, dessen Boden als Membran dient.

Ein derartiger, nach dem Ultraschall-Echoprinzip funktionierender Sensor ist beispielsweise aus der DE 39 39 387 A1 bekannt. Die Membran dieses Ultraschallsensors trägt innenseitig eine Piezoscheibe, wobei Membran und Piezoscheibe jeweils kreisscheibenförmig ausgebildet sind. Die Piezoscheibe wird in der Sendephase des Sensors durch eine angelegte elektrische Spannung zum Schwingen angeregt, so daß über die Außenseite der Membran abgestrahlte Ultraschallwellen erzeugt werden. Von diesen Ultraschallwellen wird zumindest ein Teil nach Reflexion an einem Hindernis, beispielsweise einem anderen parkenden Fahrzeug, als Echosignale in der anschließenden Mikrofonphase des Sensors von der Membran empfangen und dabei in Form von Schwingungen auf die Piezoscheibe übertragen, wobei aufgrund des Piezo- Effektes an den Scheibenseiten der Piezoscheibe eine den Schwingungen proportionale elektrische Spannung entsteht, die nach elektronischer Aufbereitung als Einparkhilfe- Signal verwertbar ist.

Es wurden bereits verschiedene Konstruktionen für Ultraschallsensoren der hier interessierenden Art vorgeschlagen, die darauf abzielen, den Detektionsbereich des Sensors zu beeinflussen, um unerwünschte Echowirkungen, insbesondere den Empfang von Bodenechos zu vermeiden. Der aus der DE 39 39 387 A1 bekannte Ultraschallsensor weist hierzu eine die Außenseite der Membran teilweise abdeckende Blende auf, die in Form eines Kreisabschnittes ausgebildet ist, dessen Sehne parallel zu einer Symmetrieebene des Sensors verläuft.

Aus der DE 37 32 410 A1 ist ein gattungsgemäßer Ultraschallsensor bekannt, dessen Membran in wenigstens einer ihrer Oberflächen zueinander parallel verlaufende Rillen aufweist. Diese Rillen bewirken, daß die bei herkömmlichen, solche Rillen nicht aufweisenden Ultraschallsensoren weitgehend symmetrischen Schwingungen der Piezoscheibe bzw. Membran so verzerrt werden, daß sich bezogen auf die Flächennormale der Membran ein asymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm ergibt. Die Herstellung dieser Rillen ist relativ aufwendig, wobei das realisierbare Asymmetrieverhältnis dabei ohnehin begrenzt ist. Hinzu kommt eine Verschlechterung des akustischen und somit sensorischen Wirkungsgrades.

Zum Stand der Technik bezüglich der Beeinflussung des Detektionsbereichs gattungsgemäßer Ultraschallsensoren wird ferner auf die deutschen Offenlegungsschriften DE 44 13 894 A1, DE 34 41 684 A1 und DE 31 37 745 A1 verwiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad ein Schall-Richtdiagramm mit großer Asymmetrie aufweist sowie relativ einfach und auch in Großserie zuverlässig reproduzierbar herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschallsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Membran mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler nebeneinander befestigt sind.

Die erfindungsgemäße Lösung hat insbesondere den Vorteil, daß mit steigender Anzahl der piezoelektrischen Wandler und somit steigendem Asymmetrieverhältnis, z. B. zwischen horizontaler und vertikaler Mittelebene der Strahlungskeule, die Schalleistung und somit die sensorische Wirkung ansteigt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung von mehreren kleinen, nebeneinander angeordneten Piezoscheiben höhere Ultraschallfrequenzen realisiert werden können als bei der Verwendung lediglich einer einzigen großen Piezoscheibe. Mit mehreren kleinen Piezoscheiben können zudem feinere und genauere und somit leistungsfähigere Strahlungskeulen modelliert werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors besteht darin, daß dieser zusätzlich mit mechanischen Mitteln zur Erzielung eines asymmetrischen Schall-Richtdiagramms versehen ist. Aufgrund der beim Einsatz von mehreren piezoelektrischen Wandlern erhöht zur Verfügung stehenden Schwingungsenergie ist somit eine detailliertere Ausbildung des Schall-Richtdiagramms möglich, zum Beispiel in der Art, daß nicht nur ein rein elliptisches Richtdiagramm im X-Y-Schnitt möglich ist, sondern auch beispielsweise ein trapezförmiges Richtdiagramm. Insbesondere kann mit einem derartigen Ultraschallsensor ein Richtdiagramm erzielt werden, bei welchem in Richtung der Fahrbahnebene eine geringere Schalleistung abgestrahlt wird, so daß entsprechend weniger Bodenechos empfangen werden, und bei dem vertikal nach oben eine höhere Schalleistung abgestrahlt wird, so daß sich eine entsprechend höhere Sensorreichweite ergibt bzw. auch schwieriger detektierbare Objekte, insbesondere Objekte mit geringem Reflexionsvermögen erfaßt werden können.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 1 in Schnittdarstellung,

Fig. 3 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt,

Fig. 4 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 3 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors,

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines herkömmlichen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung,

Fig. 6 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 5 in Schnittdarstellung,

Fig. 7 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt, und

Fig. 8 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 7 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors.

In den Fig. 5 und 6 ist ein Schwingelement 1 eines herkömmlichen Ultraschallsensors für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen dargestellt. Das Schwingelement 1 ist topfförmig ausgebildet und trägt auf der Innenseite der als Membran 2 dienenden Bodenfläche eine kreisförmige Piezoscheibe 3. Die Piezoscheibe 3 wird für eine bestimmte Zeitphase durch eine angelegte elektrische Spannung zum Schwingen angeregt, so daß über die Außenseite der Membran 2 Ultraschallwellen ausgesandt werden. Diese Ultraschallwellen werden nach Reflexion an einem Hindernis in der anschließenden Mikrofonphase des Sensors von der Membran 2 als Echosignale empfangen und in Form von Schwingungen auf die Piezoscheibe 3 übertragen. An den Scheibenseiten der Piezoscheibe 3 entsteht dabei aufgrund des Piezo-Effektes eine den Schwingungen proportionale elektrische Spannung, wobei aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Ultraschallwellen und dem Empfang der Echosignale der Abstand des Hindernisses von dem Ultraschallsensor errechnet werden kann.

Ein Ultraschallsensor mit dem in den Fig. 5 und 6 gezeigten Aufbau besitzt ein im wesentlichen keulenförmiges Schall-Richtdiagramm, das im Vertikalschnitt (Z-Schnitt) quer zur Längsachse des Ultraschallsensors eine weitestgehend rotationssymmetrische Form aufweist (vgl. Fig. 7 und 8). Ein derartiges Schall-Richtdiagramm hat jedoch den Nachteil, daß bei größeren Keulenformen unerwünschte Echowirkungen, insbesondere Bodenechos entstehen. Wird die keulenförmige Ausdehnung des Schall- Richtdiagramm durch entsprechende Verringerung der Schafleistung verkleinert, verkleinert sich auch der Detektionsbereich des Ultraschallsensors in horizontaler Richtung, was inakzeptable Detektionslücken zur Folge hat.

Das in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Schwingelement 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist ebenfalls topfförmig ausgebildet. Das Schwingelement 4 weist eine umlaufende zylindrische Seitenwand und eine als Membran 5 dienende Bodenfläche auf. An der Innenseite dieser Membran 5 sind im Gegensatz zu der Membran 2 des in den Fig. 5 und 6 gezeigten Schwingelements 1 zwei piezoelektrische Biegewandler 6, 7 befestigt. Die nebeneinander angeordneten kreisscheibenförmig ausgebildeten Wandler 6, 7 werden während des Sendebetriebs des Ultraschallsensors parallel und in derselben Schwingrichtung zum Schwingen angeregt und geben in der anschließenden Mikrofonphase die empfangenen Echosignale parallel als elektrische Ausgangsspannung wieder. Die Ansteuerung der Biegewandler 6, 7 erfolgt mittels eines kleinen elektrischen Transformators (nicht gezeigt). Es ist zu erkennen, daß die beiden scheibenförmigen piezoelektrischen Wandler 6, 7 mit geringfügigem Abstand zueinander sowie zur umlaufenden Seitenwand des topfförmigen Schwingelements 4 angeordnet sind.

Zur Verstärkung der Asymmetrie des Sensorrichtdiagramms ist das Schwingelement 4 innenseitig mit zwei bogenförmig ausgebildeten Blenden 8, 9 versehen, die beabstandet zu der Membran 5 angeordnet sind. Die Blenden 8, 9 sind dabei so angeordnet, daß sie die piezoelektrischen Wandler 6, 7 nicht überdecken.

Alternativ zu den Blenden oder zusätzlich dazu kann das topfförmige Schwingelement auch eine oder mehrere Ausnehmungen und/oder Rippen aufweisen, die vorzugsweise auf der Innenseite und/oder der Außenseite der Membran angeordnet sind.

In den Fig. 3 und 4 ist ein typisches Schall-Richtdiagramm eines Ultraschallsensors mit einem Schwingelement gemäß den Fig. 1 und 2 dargestellt, wobei die Fig. 3 einen Horizontalschnitt (Z-Schnitt) und Fig. 4 einen Vertikalschnitt (Y-Schnitt) quer zur Längsachse des topfförmigen Schwingelements darstellt. Insbesondere anhand der Fig. 4 läßt sich die große asymmetrische Wirkung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors erkennen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar. So können beispielsweise auch drei oder noch mehr piezoelektrische Wandler auf der Membran 5 befestigt sein. Des weiteren können anstelle von kreisrunden auch ovale, rechteckige oder unsymmetrische piezoelektrische Wandler zum Einsatz kommen.

Ferner können die piezoelektrischen Wandler 6, 7 des erfindungsgemäßen Ultraschall sensors im Sendebetrieb nicht nur parallel und in der selben Schwingungsrichtung schwingen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die piezoelektrischen Wandler 6, 7 auch separat und insbesondere phasenverschoben angesteuert werden. Eine solche Ansteuerung ermöglicht die Erzeugung besonders ausgebildeter Schall- Richtdiagramme und kann daher in gewissen Situationen signifikante Vorteile bringen.

Claims

1. Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement (4), dessen Boden als Membran (5) dient, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membran (5) mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler (6, 7) nebeneinander befestigt sind.

2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (6, 7) während des Sendebetriebs des Sensors parallel und in der selben Schwingrichtung schwingen.

3. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Wandlern (6, 7) eine Einrichtung zugeordnet ist, durch die die Wandler (6, 7) separat angesteuert werden.

4. Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Wandlern (6, 7) eine Einrichtung zugeordnet ist, durch die die Wandler (6, 7) phasenverschoben angesteuert werden.

5. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (6, 7) kreisscheibenförmig ausgebildet sind.

6. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler oval ausgebildet sind.

7. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler rechteckig ausgebildet sind.

8. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler eine unsymmetrische Form aufweisen.

9. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Schwingelement (4) eine oder mehrere Ausnehmungen, Rippen und/oder Blenden (8, 9) aufweist.