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Die
Erfindung betrifft einen Ultraschallschwingungswandler nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ultraschallschwingungswandler
werden beispielsweise zur Abstandsmessung in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Hierzu sendet der Ultraschallschwingungswandler eine Ultraschallwelle
aus, die teilweise an einem Hindernis reflektiert wird und zum Ultraschallschwingungswandler
zurück
gelenkt wird. Der Ultraschallschwingungswandler ist in der Lage, Schallwellen
zu erzeugen und auch zu detektieren. Die zurück gelenkte Schallwelle wird
vom Ultraschallschwingungswandler erfasst und aus der Laufzeit der Schallwelle
kann auf den Abstand des zu detektierenden Hindernisses geschlossen
werden. Derartige Ultraschallschwingungswandler können auch
als Messgeräte
zur Füllstandsmessung
eingesetzt werden. Aus der
DE
4344861 A1 ist ein Messgerät mit einer Piezokeramikscheibe
mit koaxial ausgerichteten Abstrahlkegel bekannt. Die Keramikscheibe
ist zentral in einem Gehäuse
angeordnet. Eine Piezofolie ist radial seitlich versetzt und außerhalb
des Abstrahlkegels in das Gehäuse
eingebettet. Für
Messungen außerhalb
der Blockdistanz ist die Piezokeramikscheibe als Sender und Empfänger abwechselnd
zu betreiben. Für
Messungen innerhalb der Blockdistanz dient die Piezokeramikscheibe
ausschließlich
als Sender und die Piezofolie ausschließlich als Empfänger. Mit
diesem Messgerät
ist es möglich,
eine geringe Entfernung unabhängig
vom Ausschwingverhalten der Piezokeramikscheibe zu erfassen. Dies
ist insbesondere für
Füllstandsmessungen
in Behältern von
Vorteil, da das Messgerät
Platz sparend integriert werden kann. Für Messungen von großen Entfernungen
ist dieses Messgerät
ungeeignet.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ultraschallschwingungswandler
anzugeben, der auch große
Ent fernungen von mehr als 2 Metern vermessen kann, und dennoch kostengünstig und
Platz sparend aufgebaut werden kann. Diese Aufgabe wird durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Dies
hat den Vorteil, dass die von entfernten Hindernissen zurückgestrahlten,
relativ schwachen Ultraschallwellen vom Ultraschallschwingungswandler
gut erfasst werden können
und sich durch die Überlagerung
der Signale eine gute Signalqualität ergibt. Die am Grundkörper angeordnete
Struktur eines ringförmigen
Piezoelements wird beim Auftreffen von Schallwellen auf den Grundkörper stark
zur Schwingung angeregt, was ein zusätzlich nutzbares Signal entstehen
lässt,
das das Ausgangssignal in seiner Güte wesentlich verbessert und
dessen Amplitude signifikant erhöht.
Dies ist vor allem bei weit entfernten Hindernissen vorteilhaft
und notwendig. Wenn Hindernisse in geringer Entfernung (unter 2m)
erfasst werden sollen, kann es ausreichen nur mit dem ersten Piezoelement
zu messen. Die kombinierte Messung mit dem ersten und dem zweiten
Piezoelement ist zum Beispiel zur Vermessung einer Parklücke neben
einem Fahrzeug, das eingeparkt werden soll sinnvoll. Hier sind Entfernungen
von mehr als zwei Metern die Regel, die mit herkömmlichen Ultraschallschwingungswandlern
nicht oder nur sehr schlecht vermessen werden können. Der erfindungsgemäße Ultraschallschwingungswandler
eignet sich besonders gut zum Einsatz in einem elektronischen Einparksystem
oder einem elektronischen Einparkhilfesystem für Kraftfahrzeuge.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
ist der Grundkörper
aus einem Metall gebildet. Metall eigenen sich besonders gut zur Übertragung
von Schallwellen. Außerdem
ist es robust und widerstandsfähig gegen
Umwelteinflüsse.
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Bei
einer Weiterbildung ist der Grundkörper topfartig ausgebildet.
Ein topfartiger Grundkörper
ermöglicht
eine besonders gute Schallwellenabstrahlung und einen guten Schallwellenemp fang.
Wenn der Grundkörper
scheibenförmig
ausgebildet ist, ist der Ultraschallschwingungswandler besonders
einfach und kostengünstig
herstellbar.
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Bei
einer Ausgestaltung ist an dem zweiten Piezoelement eine seismische
Masse ausgebildet. Die seismische Masse ermöglicht es besonders gute elektrische
Signale mit einer hohen Signalamplitude zu erzeugen, was für die Auswertung
der elektrischen Signale sehr vorteilhaft ist.
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Bei
einer nächsten
Ausgestaltung ist das erste und/oder das zweite Piezoelement mit
dem Grundkörper
verklebt. Das Verkleben stellt in diesem Zusammenhang eine besonders
einfache Art der Verbindung der Piezoelemente mit dem Grundkörper dar.
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Bei
einer Weiterbildung wird der Grundkörper aus Metall als Elektrode
für mindestens
eines der Piezoelemente genutzt. Der Grundkörper mit seiner großen am Piezoelement
anliegenden Fläche
bildet damit eine Elektrode, die einen sehr geringen Überganswiderstand
zum Piezoelement aufweist. Dies ist bei der Auswertung der Signale
besonders vorteilhaft. Es ist zum Beispiel denkbar auf diese Weise
ein hervorragend definiertes Massepotential zu schaffen.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zwei davon werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Figuren erläutert.
Diese zeigen in:
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1:
einen Ultraschallschwingungswandler mit einem topfartigen Grundkörper,
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2:
eine weitere Ausführungsform
des Ultraschallschwingungswandlers,
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3:
eine typische Einparksituation,
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4:
eine weitere Ausführungsform
des Ultraschallschwingungswandlers.
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1 zeigt
einen Ultraschallschwingungswandler 7 mit einem topfartigen
Grundkörper 1.
Im Grundkörper 1 ist
eine Bodenfläche
a ausgebildet, auf der das erste Piezoelement 2 aufgeklebt
ist. Das erste Piezoelement 2 ist mit Elektroden 3 verbunden, an
denen elektrische Leitungen 6 zur Zuführung und zum Abgriff elektrischer
Signale 10 angebracht sind. Mit den zugeführten elektrischen
Signalen 10 wird das erste Piezoelement 2 in Schwingungen
versetzt, die sich auf die Membranfläche a des Grundkörpers 1 übertragen
und in Form von Ultraschallschwellen 8 abgestrahlt werden.
Die Ultraschallwellen 8 können auf ein Hindernis 9 treffen,
durch das sie teilweise reflektiert werden, wodurch sie auf den
Ultraschallschwingungswandler 7 zurückgeworfen werden. Das erste
Piezoelement 2 dient auch zur Detektion der zurückgeworfenen
Schallwelle 8. Über
die Membranfläche
a wird das erste Piezoelement 2 in Schwingungen versetzt,
die sich in Folge des piezoelektrischen Effekts in der elektrischen
Leitung 6 als elektrisches Signal bemerkbar machen. Mit
zunehmendem Abstand des Hindernisses 9 wird die Intensität der zurückgestrahlten
Schallwelle 8 immer geringer, wodurch das vom ersten Piezoelement 2 erzeugte
elektrische Signal 10 immer schwächer wird. Um auch weit entfernte
Hindernisse 9 erkennen zu können, weißt der Ultraschallschwingungswandler 7 ein
zweites ringförmiges
Piezoelement 4 auf. Das zweite ringförmige Piezoelement 4 ist
außerhalb
der Membranfläche
a auf dem Grundkörper 1 angeordnet.
Der Grundkörper 1 weist
eine Bodenfläche
A auf, die größer ist
als die Membranfläche
a. Die Wände
des topfartigen Grundkörpers 1 weisen
eine mit m bezeichnete Wandstärke
auf. Die auf die Membranfläche
a auftreffenden und dort zurückgeworfenen Schallwellen 8 werden über die
Wand auf das zweite ringförmige
Piezoelement 4 übertragen,
in dem seinerseits elektrische Signale 10 entstehen. Zur
Erzeugung einer hohen Signalamplitude ist am zweiten Piezoelement 4 eine
seismische Masse 5 angeordnet. Die vom ersten Piezoelement 2 und
die vom zweiten Piezoelement 4 erzeugten Signale 10 werden
zu einem Ausgangssignal 11 überlagert. Auf Grund der geringen
Abstände
zwischen den beiden Piezoelementen 2 und 4 ergibt
sich eine zu vernachlässigende
Phasendifferenz zwischen den beiden elektrischen Signalen 10.
Das Ausgangssignal 11 aus den beiden elektrischen Signalen 10 weißt eine
wesentlich erhöhte
Amplitude auf, die messtechnisch besser erfassbar ist. Dadurch lassen
sich auch Hindernisse in einer relativ großen Entfernung von etwa 4–5 Metern
mit dem hier dargestellten Ultraschallschwingungswandler 7 messtechnisch
gut erfassen.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Ultraschallschwingungswandlers 7. Der Grundkörper 1 ist
hier scheibenförmig
ausgeführt.
Auch der scheibenförmige
Grundkörper 1 weißt eine
Membranfläche
a auf, auf der das erste Piezoelement 2 angeordnet ist.
Außerhalb
der Membranfläche
a, jedoch innerhalb der Bodenfläche
A, ist das zweite ringförmige
Piezoelement 4 angeordnet. Auch hier dient das erste Piezoelement 2 zunächst als
Erzeuger der Schallwelle 8, die von der Membranfläche a abgestrahlt
wird. Ein Teil der Schallwelle 8 trifft auf ein Hindernis 9 und
wird dort zurück
zum Ultraschallschwingungswandler 7 reflektiert. Die reflektierte
Schwallwelle 8 trifft auf die Membranfläche a und regt diese zu Schwingungen
an. Die Schwingungen werden auf das erste Piezoelement 2 übertragen
und dort in elektrische Signale 10 umgesetzt. Auch hier
ist die Intensität
der Schallwelle 8 bei weit entfernten Hindernissen 9 sehr
gering, wodurch die vom ersten Piezoelement 2 erzeugten
elektrischen Signale eine sehr kleine Amplitude aufweisen. Ein zweites
ringförmiges Piezoelement 4 ist
außerhalb
der Membranfläche
a auf den Grundkörper 1 angeordnet.
Die auf der Membranfläche
a erzeugten Schwingungen werden auch auf das zweite ringförmige Piezoelement 4 übertragen
und erzeugen auch dort ein elektrisches Signal 10. Wiederum
ist auf dem zweiten ringförmigen
Piezoelement 4 eine seismische Masse 5 angeordnet, die
eine hohe Signalamplitude gewährleistet.
Die vom ersten Piezoelement 2 und vom zweiten ringförmigen Piezoelement 4 erzeugten Signale 10 werden zu
einem Ausgangssignal 11 überlagert, dessen Signalamplitude
wesentlich größer ist
als die der elektrischen Einzelsignale 10. Auch mit dem
nach 2 gezeigten Ultraschallschwingungswandler 7 können weit
entfernte Hindernisse 9 gut erkannt werden.
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3 zeigt
eine typische Einparksituation. Im Bereich der Fahrbahn 17 befindet
sich ein erstes Fahrzeug 12, welches am Fahrbahnrand an
der Bordsteinkante 16 geparkt ist, und ein drittes Fahrzeug 14,
das ebenfalls am Fahrbahnrand in der Nähe der Bordsteinkante 16 geparkt
ist. Zwischen dem ersten Fahrzeug 12 und dem dritten Fahrzeug 14 befindet
sich eine Parklücke 15.
Ein zweites Fahrzeug 13 bewegt sich an der Parklücke 15 vorbei
und vermisst unter Verwendung von Ultraschallschwingungswandlern 7 die
Parklücke 15.
Ein erster Ultraschallschwingungswandler 7a erfasst dabei
die an der hinteren Kante des ersten Fahrzeuges 12 reflektierten
Schallwellen 8. Der hier dargestellte Abstand zwischen dem
ersten Fahrzeug 12 und dem zweiten Fahrzeug 13 beträgt in der
Regel etwa 0,5–1
m. Ein zweiter Ultraschallschwingungswandler 7b sendet
Schallwellen 8 aus, die an der Bordsteinkante 16 reflektiert werden
und zum zweiten Ultraschallschwingungswandler 7b zurück geworfen
werden. Auf Grund der Entfernung von etwa 3–3,5 m zwischen dem zweiten Fahrzeug 13 und
der Bordsteinkante 16 ist die Intensität der zurückgeworfenen Schallwelle 8 wesentlich geringer
als die der von dem ersten Ultraschallschwingungswandler 7a erfassten
Schallwellen 8. Diese vom zweiten Ultraschallschwingungswandler 7b erfasste
Schallwelle 8 mit geringer Intensität kann durch den erfindungsgemäßen Ultraschallschwingungswandler 7 mit
einem ersten Piezoelement 2 und einem zweiten Piezoelement 4 besonders
gut detektiert werden. Auch der dritte Ultraschallschwingungswandler 7c am
zweiten Fahrzeug 13 erfasst ein Hindernis 9, das
wesentlich weiter als 2 m vom zweiten Fahrzeug 13 entfernt
ist. Auch hier ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingungswandlers 7 vorteilhaft,
da dieser auch sehr schwache Schallwellen 8 erfassen kann.
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Nach
der Vermessung der Parklücke 15 können die
Daten ausgewertet werden und das Fahrzeug kann entweder voll elektronisch
eingeparkt werden oder die Signale werden einem elektronischen Einparkhilfesystem
zur Verfügung
gestellt, das den Einparkvorgang mit entsprechenden Anweisungen an
den Kraftfahrzeugführer
unterstützt.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Ultraschallschwingungswandlers (7). Bei dieser Ausführungsform
ist an dem Grundkörper
(1) ein Kragen (18) ausgebildet, auf dem das zweite
Piezoelement (4) platziert ist. Auch hier wird das zweite
Piezoelement (4) von der reflektierten Schallwelle (8)
angeregt. Die Überlagerung
der elektrischen Signale (10) vom ersten Piezoelement (2)
und vom zweiten Piezoelement (4) ergibt ein Ausgangssignal
(11) mit einer sehr hohen Signalamplitude, was die messtechnische
Erfassung eines weit entfernten Hindernisses (9) ermöglicht.
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- 1
- Grundkörper
- 2
- erstes
Piezoelement (scheibenförmig)
- 3
- Elektrode
- 4
- zweites
Piezoelement (ringförmig)
- 5
- seismische
Masse
- 6
- elektrische
Leitung
- 7
- Ultraschallschwingungswandler
- m
- Wanddichte
- A
- Bodenfläche
- a
- Membranfläche
- 8
- Schallwelle
- 9
- Hindernis
- 10
- elektrische
Signale
- 11
- Ausgangssignal
- 12
- erstes
Fahrzeug
- 13
- zweites
Fahrzeug
- 14
- drittes
Fahrzeug
- 15
- Parklücke
- 16
- Bordsteinkante
- 17
- Fahrbahn
- 18
- Kragen