DE102005046173A1

DE102005046173A1 - Ultraschallwandler für verdeckten Einbau

Info

Publication number: DE102005046173A1
Application number: DE102005046173A
Authority: DE
Inventors: Peter-Christian Eccardt; Stephan Heinrich; Armin Hollstein; Denny SCHÄDLICH; Alexander Dr. von Jena
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-05
Also published as: WO2007036528A1; US20090243886A1; KR20080048557A; EP1937513A1; CN101316741A; CN101316741B

Abstract

Der verdeckte Einbau von Ultraschallwandlern, die folglich die Detektionseigenschaften durch den Wandler abdeckende Schichten entfalten müssen, führt zu ungleichmäßigen Objektraumüberwachungsmöglichkeiten. Im Gegensatz zu gängigen Ultraschallsystemen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Topfwand von Ultraschall-Biegewandlern derart zu verstärken, dass Randschwingungen am Wandler durch eine stabilisierte Konstruktion nicht zu Plattenschwingungen im Abdeckbereich führen können. Alternativ wird die Verstärkung der Topfwand ersetzt durch die Verwendung eines Dämpfringes, der konzentrisch und beabstandet um den Topf des Untraschallwandlers positioniert ist. Eine Kombination beider Möglichkeiten kann weiterhin wesentliche Vorteile erbringen. Dabei ist sowohl die eigentliche Topfwand verstärkt, als auch der beabstandete Dämpfungsring außen positioniert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der verdeckt eingebaut ist und somit nach außen hin in der Regel nicht sichtbar ist. Es wird insbesondere ein Ultraschall-Biegewandler beschrieben.

Bei bekannten Ultraschallsystemen, beispielsweise Ultraschall-Einparksystemen, werden die Wandler bisher derart eingebaut, dass sie nicht verdeckt sind. Damit kann ihre Frontfläche nach außen hin ungehindert abstrahlen. Dies ermöglicht sichere und gute Detektionseigenschaften des Systems. In bestimmten Fällen kann ein Nachteil durch die Anfälligkeit des Systems hinsichtlich von mechanisch aufzunehmenden Kräften einhergehen. Für Ultraschall-Einparkhilfen ist dies ein wesentliches Kriterium. Diesbezüglich bestehen Forderungen, die Ultraschallwandler auf der Rückseite eines PKW-Stoßfängers zu montieren.

Bei einem verdeckten Einbauweise sind die Ultraschallwandler beispielsweise in Vertiefungen innerhalb des Stoßfängers untergebracht. Der Unterschied zum unverdeckten Einbau, der wesentliche Unterschiede in den Merkmalen der Systeme mit sich bringt, beruht darauf, dass das Kunststoffmaterial von Stoßfängern zu undefinierten Schwingungen, sog. Plattenschwingungen angeregt wird. Hieraus ergeben sich Schallfelder, die durch starke Interferenzstörungen keine den Erfordernissen von Einparkhilfen entsprechende Objektraumüberwachung zulassen. Randschwingungen vom elektromechanischen Wandler, die bei normaler Betriebsweise und unverdecktem Einbau auftreten, spielen bei herkömmlichen Wandlern keine wesentliche Rolle. Die genannten Plattenschwingungen treten auf, wenn die Randbewegungen der Wandler in den Stoßfänger eingeleitet werden. Diese erzeugen Plattenschwingungen bzw. Plattenmoden mit einer Vielzahl von gleichphasigen und gegenphasigen akustisch wirksamen Auslenkungen. Entsprechend 4 ist der bisher bekannte Stand der Technik dargestellt. Der Ultraschallwandler, bestehend aus einem Topf, der dargestellt wird durch die Wandlerfront und die Topfwand sowie der Piezokeramik, ist verdeckt hinter einem Stoßfänger eingebaut. Eine Füllmasse schließt den nach hinten offenen Wandler nach außen hin ab. Über eine Koppelschicht ist der Wandler mit seiner Wandlerfront in einer Ausnehmung des Stoßfängers angebracht und fixiert.

Die entsprechend 4 gegebenen Verhältnisse bezüglich der Konstruktion des Ultraschallwandlers im Zusammenhang mit einem verdeckten Einbau führen wie beschrieben zur Anregung von Plattenmoden im Stoßfänger, insbesondere wenn dieser aus Kunststoff hergestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler zum Einsatz bei verdecktem Einbau bereitzustellen, dessen Wirkungsgrad optimal auf die Objektraumüberwachung durch die entsprechende Abdeckung hindurch ausgelegt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1 bzw. Anspruch 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vergrößerung der Wandstärke des Wandlertopfes insbesondere im hohlzylindrischen Bereich bzw. eine Ergänzung der mechanischen Abstützung des Wandlers im Bereich der Wandlerfront in den entsprechenden Randzonen eine Stabilisierung dieses Teilbereiches des Wandlers bewirkt und somit die Anregung von Plattenschwingungen merklich verringert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung sieht vor, relativ zum Innendurchmesser des Topfes im rückwärtigen Bereich des Ultraschallwandlers eine Mindestgröße der Wandstärke des Topfes zu realisieren. Gleichzeitig ist eine Obergrenze dieses Verhält nisses angegeben, da ab einem bestimmten Wert dieser Verhältniszahl eine weitere Zunahme des Wirkungsgrades nicht zu erwarten ist. Das Verhältnis von Wandstärke des Topfes zum Innendurchmesser des Topfes beträgt ca. 0,2 bis maximal 2.

Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht vor, dass die Wandstärke eines zur Topfwand beabstandeten und außen gelagerten Ringes auf den Außendurchmesser des Topfes bezogen ist. Der vorhandene Ring dient als Dämpfungsring, schließt mit der Wandlerfront bündig ab und ist konzentrisch zum hohlzylindrischen Teil des Wandlers parallel zu diesem angeordnet und weist eine Beabstandung zur eigentlichen Topfwand auf. Die Beabstandung ist Idealerweise als Ringspalt ausgeführt. Der Ringspalt hat eine Stärke von maximal 1 mm. Das Verhältnis von Wandstärke des Dämpfungsringes und Außendurchmesser des Topfes beträgt ca. 0,1 bis maximal 2.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den gleichzeitigen Einsatz einer verstärkten Topfwand eines Dämpfungsrings vor.

Zur Maßnahme der verstärkten Topfwand ist anzumerken, dass sich für gebräuchliche Ultraschall-Biegewandler typische Wanddicken im hohlzylindrischen Bereich von ca. 1 bis 2 mm vorliegen. Diese werden erfindungsgemäß beispielsweise bis 20 mm oder mehr vergrößert. Damit wird erreicht, dass der Wandler am Außenrand wesentlich geringere Auslenkungen aufweist, und somit die Anregung von Plattenschwingungen merklich verringert wird.

Die Maßnahme, einen Dämpfungsring einzusetzen, stellt ebenfalls eine Stabilisierung des Ultraschallwandlers im Randbereich dar und schwächt somit die Basis im Randbereich, Material eines Stoßfängers anzuregen. Ein konzentrisch angeordneter Metallring mit beschriebenen Wandstärken ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, so dass ebenfalls im Kunststoffmaterial des Stoßfängers auftretende Plattenschwingungen verringert werden. Der vorgesehene Ringspalt zwischen Topf und Dämpfungsring weist eine maximale Stärke von 1 mm auf und entkoppelt beide Bauelemente voneinander. Wesentlich ist, dass Topf und Dämpfungsring weitestgehend sowohl bezüglich der Ausdehnungen als auch bezüglich der Zeit entkoppelt sind.

Die Zwischenlagerung einer Kopppelschicht ist besonders vorteilhaft, da die Wandlerfront auf das Material beispielsweise eines Stoßfängers hinsichtlich verschiedener Materialeigenschaften anpassbar ist.

Im Folgenden werden anhand schematischer, die Erfindung nicht einschränkender Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt einen Ultraschallwandler in Schnittdarstellung mit einer wesentlich vergrößerten Topfwand im rückseitigen Bereich des Wandlertopfes,
2 zeigt die konzentrische Ergänzung des Ultraschallwandlers durch einen axial entkoppelten Dämpfungsring,
3 zeigt ebenfalls in Schnittdarstellung einen Ultraschallwandler mit sowohl verstärkter Topfwand als auch mit der konzentrischen Ergänzung durch einen axial entkoppelten Dämpfungsring,
4 zeigt einen Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik mit entsprechend dünner Wandstärke des Topfes des Ultraschallwandlers,
5 zeigt die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers mit vergrößerter Wandstärke,
6 zeigt die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers mit einem Dämpfungsring.
Durch die Maßnahmen der Erfindung ergeben sich gemäß der 5 und 6, die durch Modellrechnungen aufgestellt sind, Verbesserungen in der Gleichmäßigkeit des winkelabhängigen Schalldruckes im Abstrahlverhalten eines Ultraschallwandlers. Dieser Sachverhalt hat sich experimentell bei Messungen mit Mikrophonen bestätigt, wobei insbesondere der Vorteil des Einsatzes eines Dämpfungsringes erkennbar ist. Die erreichte weitgehende Reproduzierbarkeit der Wandlereigenschaften bei verdecktem Einbau hat sich den Systemeigenschaften bei unverdecktem Einbau wesentlich angenähert.
Der in 4 dargestellte Stand der Technik zeigt einen Ultraschallwandler der in einer Aussparung innerhalb eines Stoßfängers 1 teilweise untergebracht ist. Im gleichen Durchmesser wie der Ultraschallwandler ist am Stoßfänger 1, der vorzugsweise aus Kunststoff besteht, eine Koppelschicht 3 vorgesehen, die einerseits am Stoßfänger 1 und andererseits an der Wandlerfront 5 gut anhaftet. Die Wandlerfront 5 weist innenseitig eine Piezokeramik 6 auf, die zusammen mit der Wandlerfront 5 einen Biegewandler darstellt. Der Ultraschallwandler selbst besteht neben der Wandlerfront und der Piezokeramik aus einem hohlzylinderförmigen Hohlrohr, welches vorderseitig durch die Wandlerfront einseitig abgeschlossen ist. Rückseitig ist der Ultraschallwandler mit einer Füllmasse 7 ausgefüllt. Die Füllmasse 7 kontaktiert in der Regel nicht die Piezokeramik. Weiterhin in 4 eingetragene Bezugszeichen beziehen sich auf den Topfinnendurchmesser 13, den Topfaußendurchmesser 14, die Topfwand 4, die Topfwandstärke 12.
1 zeigt einen Aufbau entsprechend 4, wobei die Topfwandstärke 12 durch eine Wandverstärkung 8 wesentlich erweitert worden ist. Die Topfwand 4 weist damit eine Wandstärke auf, die bezogen auf den Innendurchmesser 13 des Topfes ca. 0,2 bis 2-mal wie dieser ist. Die Koppelschicht 3 weist eine Erstreckung auf, die die gesamte Wandlerfront 5 an den Stoßfänger 1 bzw. an die Kunststoffschicht 2 vermittelt. Ein Ringspalt 9 der zwischen der vergrößerten Topfwand und der umlaufenden Wand einer Aussparung im Stoßfänger 1 vorhanden ist, dient der schwingungsmäßigen Entkopplung, wobei die verbreiterte Topfwand ausreichende mechanische Stabilität zur Verfügung stellt.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines verdeckt eingebauten Ultraschallwandlers entsprechend der alternativen Lösung mit einem Dämpfungsring 11. In diesem Fall ist die Koppelschicht 3 wiederum bis zum äußersten Rand des zum Wandler gehörenden Dämpfungsringes 11 ausgedehnt. Ein Ringspalt 9 wie in 1 sichtbar, existiert in der Darstellung nach 2 nicht, da die mechanische Stabilität im Vordergrund steht und die Beabstandung des äußeren Umfangs des Dämpfungsringes 11 vom Ultraschall-Biegewandler ausreichend groß ist. Die Stärke 15 der Dämpfungsringwand ist derart ausgelegt, dass sie dem Verhältnis wie folgt genügt:
Ringwandstärke/Außendurchmesser 14 des Topfes = 0,1 bis 2.
Unter Einbeziehung der Darstellung entsprechend 3 ist erkennbar, dass die verstärkte Topfwand 4 mittels eines angegebenen Faktors auf der Basis des Innendurchmessers 13 des Topfes sinnvoll berechnet ist. Um Überschneidungen zu vermeiden, wird die Stärke 15 des Dämpfungsringes 11 mittels eines Faktors auf der Basis der Größe des Außendurchmessers 14 des Topfes, also unter Einbeziehung einer vergrößerten bzw. verstärkten Topfwand, berechnet. Somit können insgesamt Außenabmessungen eines Ultraschallwandlers auftreten, die wesentlich über 20 mm liegen. 3 zeigt somit einen Ultraschallwandler, der beide angegebenen Lösungen vereinigt.
Die 5 und 6 zeigen die Ergebnisse der durch die Erfindung erzielbaren Abstrahlcharakteristika der entsprechenden Ultraschallwandler. Die in den 5 und 6 wiedergegebenen Simulationsrechnungen sind experimentell durch Messungen belegt. Insgesamt wird das Dämpfungsverhalten eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers hinsichtlich der Plattenschwingungen bestätigt.
Sowohl in 5 als auch in 6 ist die Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers mit unverdecktem Einbau in Form einer gleichmäßig gekrümmten Funktion erkennbar. Diese keulenähnliche symmetrisch zur waagerechten Achse ausgebilde te Funktion weist in beiden Fällen etwa ein gleich großes Maximum auf.
Der Übergang zu einem verdeckten Einbau eines Ultraschallwandlers ohne eine Stabilisierung an diesem durchzuführen führt zu einem sowohl in 5 als auch in 6 sehr ungleichmäßigen Graphen mit mehreren Maxima und mehreren Minima. Somit ist keine gleichmäßige Objektraumabdeckung gegeben.
Der Übergang zu einem verdeckten Einbau mit einer Wandstärke des Topfes des Ultraschallwandlers von 6 mm erzeugt entsprechend 5 einen Kurvenverlauf mit stark abgeschwächter Ausbildung der Maxima und Minima, der eine wesentliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Winkelabhängigkeit des Schalldruckes zeigt.
Entsprechend 6 sind die Ergebnisse dargestellt, die einen verdeckten Einbau eines Ultraschallwandlers wiedergeben, der mit einem 4 mm starken Dämpfungsring umgeben ist. Die Graphen entsprechend des unverdeckten Einbau sowie des verdeckten Einbaues mit einer Wandstärke von 2 mm sind identisch mit denen der 5. Der Ultraschallwandler mit verdecktem Einbau und einem 4 mm Dämpfungsring erzeugt einen Graphen, der ebenfalls einen Verlauf mit wenigen kleinen Maxima und Minima aufweist, so dass eine weitestgehend gleichmäßige winkelunabhängige Abdeckung des Objektraumes anhand der Schalldruckkurve feststellbar ist.
5 zeigt somit die Auswirkung der vergrößerten Wandstärke und 6 die Auswirkung der Verwendung eines Dämpfungsringes auf die Winkelabhängigkeit des Schalldruckes im Fernfeld.

Claims

Ultraschallwandler für verdeckten Einbau, bestehend aus: – einem U-förmigen Topf mit einer hohlzylinderförmigen Topfwand (4) und mit einem stirnseitigen Abschluss, der die Wandlerfront (5) bildet, wobei das gegenüber liegende Ende mit einer Füllmasse (7) gefüllt ist, – einem an der Innenseite der Wandlerfront (5) flächig angebrachten elektromechanischen Wandler zur Ausbildung eines Ultraschall-Biegewandlers mit der Wandlerfront (5), wobei – die Außenseite der Wandlerfront (5) an eine den Ultraschallwandler vorderseitig überdeckende Schicht angekoppelt ist, und – die Stärke (12) der hohlzylinderförmigen Topfwand (4) mit dem Topfinnendurchmesser (13) in folgendem Verhältnis steht: Wandstärke des Topfes/Innendurchmesser des Topfes = ca. 0,2 bis 2.
Ultraschallwandler für verdeckten Einbau, bestehend aus: – Einem u-förmigen Topf mit einer hohlzylinderförmigen Topfwand (4) und mit einem stirnseitigen Abschluss, der die Wandlerfront (5) bildet, wobei das gegenüber liegende Ende mit einer Füllmasse (7) gefüllt ist, – einem an der Innenseite der Wandlerfront (5) flächig angebrachten elektromechanischen Wandler zur Ausbildung eines Ultraschall-Biegewandlers mit der Wandlerfront (5), wobei – die Außenseite der Wandlerfront (5) an eine den Ultraschallwandler vorderseitig überdeckende Schicht angekoppelt ist, – ein die hohlzylindrische Topfwand (4) konzentrisch umgebender und durch einen Ringspalt (10) beabstandeter Dämpfungsring (11) vorhanden ist, der mit der Wandlerfront (5) bündig abschließt, und – die Stärke (15) des Dämpfungsrings (11) mit dem Topfaußendurchmesser in folgendem Verhältnis steht: Wandstärke des Dämpfungsrings/Außendurchmessers des Topfes = ca. 0,1 bis 2.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 und 2, bei dem sowohl eine verstärkte Topfwand (4) als auch ein Dämpfungsring (11) vorhanden sind.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem zwischen Wandlerfront (5) und der den Wandler vorderseitig abdeckenden Koppelschicht (3) vorhanden ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, bei dem die Stärke (16) des Ringspaltes (10) zwischen Topfwand (4) und Dämpfungsring (11) max. 1 mm beträgt.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, bei dem der Dämpfungsring (11) aus Aluminium besteht.