DE10009129A1 - Ultrasonic sensor has pot-shaped vibration element whose floor acts as membrane with at least two disc-shaped piezoelectric transducers attached to membrane and adjacent to each other - Google Patents
Ultrasonic sensor has pot-shaped vibration element whose floor acts as membrane with at least two disc-shaped piezoelectric transducers attached to membrane and adjacent to each otherInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement, dessen Boden als Membran dient.The invention relates to an ultrasonic sensor, in particular for parking aids in Motor vehicles, with a pot-shaped vibrating element, the bottom of which as a membrane serves.
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.Such a sensor, which functions according to the ultrasound echo principle, is known for example from DE 39 39 387 A1. The membrane of this Ultrasonic sensor carries a piezo disc on the inside, with membrane and Piezo disk are each formed in the shape of a circular disk. The piezo disc is in the Transmitting phase of the sensor due to an applied electrical voltage for oscillation excited so that ultrasound waves emitted via the outside of the membrane be generated. At least a part of these ultrasonic waves is applied after reflection an obstacle, for example another parked vehicle, as echo signals in the subsequent microphone phase of the sensor received by the membrane and thereby transferred to the piezo disk in the form of vibrations, whereby due to the piezo Effect on the disk sides of the piezo disk is proportional to the vibrations electrical voltage arises, which after electronic processing as a parking aid Signal is usable.
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.There have already been various designs for ultrasonic sensors here type of interest, which aim to extend the detection range of the Sensor to influence unwanted echo effects, especially reception to avoid ground echoes. The known from DE 39 39 387 A1 For this purpose, the ultrasonic sensor has a part that covers the outside of the membrane Aperture, which is in the form of a circular section, the chord parallel to a plane of symmetry of the sensor.
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.A generic ultrasonic sensor is known from DE 37 32 410 A1 Membrane in at least one of their surfaces parallel grooves having. These grooves have the effect that conventional ones do not having ultrasonic sensors largely symmetrical vibrations of the Piezo disk or membrane are distorted so that related to the Surface normal of the membrane an asymmetrical spatial sound directional diagram results. The production of these grooves is relatively complex, which is feasible Asymmetry ratio is limited anyway. There is also a deterioration the acoustic and thus sensory efficiency.
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.The state of the art in influencing the detection area Generic ultrasonic sensors are also applied to the German Publications DE 44 13 894 A1, DE 34 41 684 A1 and DE 31 37 745 A1 referred.
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.The object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor which is high efficiency has a sound directional diagram with great asymmetry as well is relatively simple and can also be reliably reproduced in large series.
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.This task is carried out in an ultrasonic sensor of the type mentioned solved according to the invention in that at least two on the membrane disk-shaped piezoelectric transducers are attached side by side.
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.The solution according to the invention has the particular advantage that as the number increases the piezoelectric transducer and thus increasing asymmetry ratio, e.g. B. between the horizontal and vertical median plane of the beam, the sound power and thus the sensory effect increases.
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.Another advantage of the invention is that by using several small piezo disks arranged side by side, higher ones Ultrasonic frequencies can be realized than when using only one single large piezo disk. With several small piezo disks you can also finer and more precise and thus more powerful radiation lobes can be modeled.
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.There is an advantageous embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention in that this additionally with mechanical means to achieve a asymmetrical sound directional diagram is provided. Because of the use of several piezoelectric transducers are available Vibration energy is therefore a more detailed design of the sound directional diagram possible, for example in such a way that not only a purely elliptical directional diagram in the X-Y cut is possible, but also, for example, a trapezoidal directional diagram. In particular, a directional diagram can be achieved with such an ultrasonic sensor in which a lower sound power in the direction of the carriageway level is emitted so that correspondingly less ground echoes are received, and at which radiates a higher sound power vertically upwards, so that there is a results in a correspondingly higher sensor range or also more difficult to detect Objects, in particular objects with low reflectivity, can be detected.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further preferred and advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims specified.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen in schematischer Darstellung:The invention is described below with reference to an exemplary embodiment Drawing explained in more detail. In a schematic representation:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung, Fig. 1 is a plan view of a vibrating member of an ultrasonic sensor according to the invention in sectional view,
Fig. 2 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 1 in Schnittdarstellung, Fig. 2 is a side view of the vibrating element shown in FIG. 1 in section,
Fig. 3 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt, FIG. 3 is a typical sound-directional diagram of an ultrasonic sensor according to the invention, in horizontal section,
Fig. 4 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 3 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors, Fig. 4, the sound-directivity pattern shown in FIG. 3, in vertical section transverse to the longitudinal axis of the ultrasonic sensor,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines herkömmlichen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung, Fig. 5 is a plan view of a vibrating element of a conventional ultrasonic sensor in section,
Fig. 6 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 5 in Schnittdarstellung, Fig. 6 is a side view of the vibrating element shown in FIG. 5 in sectional view,
Fig. 7 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt, und Fig. 7 is a typical sound-directivity diagram of a conventional ultrasonic sensor, in horizontal section, and
Fig. 8 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 7 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors. Fig. 8, the sound-directivity pattern shown in FIG. 7 in vertical section transverse to the longitudinal axis of the ultrasonic sensor.
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.In FIGS. 5 and 6, a vibrating element 1 is illustrated a conventional ultrasonic sensor for parking aids in motor vehicles. The vibrating element 1 is cup-shaped and carries a circular piezo disk 3 on the inside of the bottom surface serving as the membrane 2 . The piezo disk 3 is excited to oscillate for a certain time phase by an applied electrical voltage, so that 2 ultrasonic waves are emitted via the outside of the membrane. After reflection from an obstacle in the subsequent microphone phase of the sensor, these ultrasonic waves are received by the membrane 2 as echo signals and transmitted in the form of vibrations to the piezo disk 3 . On the disk sides of the piezo disk 3 , an electrical voltage proportional to the vibrations arises due to the piezo effect, and the distance of the obstacle from the ultrasonic sensor can be calculated from the time difference between the transmission of the ultrasonic waves and the reception of the echo signals.
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.An ultrasonic sensor with the construction shown in FIGS. 5 and 6 has an essentially lobe-shaped sound directional diagram, which has a largely rotationally symmetrical shape in the vertical section (Z section) transverse to the longitudinal axis of the ultrasonic sensor (cf. FIGS. 7 and 8). However, such a sound directional diagram has the disadvantage that undesirable echo effects, in particular ground echoes, occur with larger lobe shapes. If the lobe-shaped extension of the sound directional diagram is reduced by a corresponding reduction in the sheep's output, the detection range of the ultrasonic sensor is also reduced in the horizontal direction, which results in unacceptable detection gaps.
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.The vibrating element 4 of an ultrasonic sensor according to the invention, which is shown schematically in FIGS. 1 and 2, is also cup-shaped. The oscillating element 4 has a circumferential cylindrical side wall and a bottom surface serving as a membrane 5 . In contrast to the membrane 2 of the oscillating element 1 shown in FIGS. 5 and 6, two piezoelectric bending transducers 6 , 7 are fastened to the inside of this membrane 5 . The transducers 6 , 7, which are arranged next to one another in the form of a circular disk, are excited to vibrate in parallel and in the same direction of vibration during the transmission operation of the ultrasonic sensor and, in the subsequent microphone phase, reproduce the received echo signals in parallel as an electrical output voltage. The bending transducers 6 , 7 are controlled by means of a small electrical transformer (not shown). It can be seen that the two disk-shaped piezoelectric transducers 6 , 7 are arranged at a slight distance from one another and from the peripheral side wall of the pot-shaped vibrating element 4 .
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.In order to reinforce the asymmetry of the sensor directional diagram, the oscillating element 4 is provided on the inside with two arcuate diaphragms 8 , 9 which are arranged at a distance from the membrane 5 . The diaphragms 8 , 9 are arranged so that they do not cover the piezoelectric transducers 6 , 7 .
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.As an alternative to or in addition to the screens, the cup-shaped oscillating element can be used also have one or more recesses and / or ribs, which preferably are arranged on the inside and / or the outside of the membrane.
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.In FIGS. 3 and 4 is shown a typical sound-directivity diagram of an ultrasonic sensor having a vibrating element according to FIGS. 1 and 2, where Fig. 3 is a horizontal sectional view (Z-average) and Fig. 4 is a vertical section (Y-cut) represents transverse to the longitudinal axis of the pot-shaped vibrating element. The large asymmetrical effect of the ultrasonic sensor according to the invention can be seen in particular from FIG. 4.
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.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Rather, a number of variants are conceivable. For example, three or more piezoelectric transducers can also be attached to the membrane 5 . Furthermore, oval, rectangular or asymmetrical piezoelectric transducers can also be used instead of circular ones.
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.Furthermore, the piezoelectric transducers 6 , 7 of the ultrasound sensor according to the invention can not only vibrate in parallel and in the same direction of vibration in the transmission mode. According to an advantageous embodiment, the piezoelectric transducers 6 , 7 can also be controlled separately and in particular out of phase. Such control enables the generation of specially designed sound directional diagrams and can therefore bring significant advantages in certain situations.
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