DE102006038598A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung. Um ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur Ultraschallerzeugung und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die zudem auch gut an Kraftfahrzeugen einbaubar ist, wird vorgeschlagen, dass ein piezoelektrischer Wandler 4 an eine dünnwandige Rückseite 2 eines Außenverkleidungselementes 3 zur Ausstrahlung in einen außenraum mechanisch gekoppelt ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Personenkraftfahrzeuge zunehmend mit Distanz- und/oder Parkabstandssensoren ausgestattet werden. Diese berührungslos arbeitenden, verschleißfreien Sensoren werden häufig als piezoelektrische Wandler aus Quarz oder Blei-Zirkonat-Titanat- bzw. PZT-Keramik gebildet und senden i.d.R. ein Messsignal im Ultraschallbereich aus, also zwischen 20 kHz und 1 GHz. Wird das ausgesandte Messsignal von einem Objekt reflektiert, kann die Laufzeit zwischen Senden und Empfangen in der Umgebungsluft in eine Entfernung umgerechnet werden, womit eine Distanzmessung realisiert wird. Eine so gemessene Distanz wird dem Fahrer z.B. beim Einparken mittels graphischer Darstellungen auf einem Display im Armaturenbrett und/oder durch Piepstöne mit akustischer Richtungsortung zur Orientierung des Fahrers angezeigt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur Ultraschallerzeugung und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die zudem auch gut an Kraftfahrzeugen einbaubar ist.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung ist universell einsetzbar, sie wird jedoch aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Kraftfahrzeugsektors nachfolgend nur für Anwendungen in diesem Bereich dargestellt und beschrieben. Hierin ist jedoch keine Beschränkung der Erfindung auf einen Einsatz im Kraftfahrzeugsektor verbunden.
• Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung dadurch aus, dass sie einen piezoelektrischen Wandler umfasst, der an eine dünnwandige Rückseite eines Außenverkleidungselementes zur Ausstrahlung in einen Bereich eines umgebenden Außenraums mechanisch gekoppelt ist.
• Bekannte Sensoren der eingangs genannten Art sind sichtbar, insbesondere in den Stoßfängern von Kraftfahrzeugen, eingebaut. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor wird dagegen von außen verdeckt hinter einem betreffenden Stoßfänger bzw. auf oder an dessen nicht sichtbaren Rückseite einbaut. Damit sind u.a. folgende Vorteile verbunden:
• • mehr Designfreiheit, da der Sensor erfindungsgemäß von außen her quasi unsichtbar ist und somit überall angebracht werden kann;
• • Kostenersparnis, da die Lackierung eines erfindungsgemäßen Sensors in Stoßfängerfarbe entfällt;
• • Erleichterung des Einbaus der Wandler bzw. Sensoren an einer im Einbau nicht sichtbareren Oberfläche schon allein aufgrund des Fehlens optischer bzw. designtechnischer Vorgaben.
• Die Erfindung baut auf der überraschenden Erkenntnis auf, dass bei geeigneter Ankoppelung eines herkömmlichen Ultraschallwandlers an die Rückseite des Stoßfängers insbesondere das Stoßfängermaterial aktueller Kraftfahrzeuge erstaunlich gut zu durchstrahlen bzw. hindurch zu senden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung koppelt der Ultraschallwandler in einen Bereich eines Außenverkleidungselementes ein, der dadurch besonders für eine erfindungsgemäße Anwendung geeignet ist, da er nur ca. 1 mm Materialstärke aufweist.
• Ein in dem genannten Bereich eingesetzter Ultraschallwandler ist als sog. Biegewandler ausgeführt, d.h. dass sich ein piezoelektrisches Material bei Anlegen einer elektrischen Spannung in seinem Durchmesser verändert, so dass eine einstückig mit dem piezoelektrischen Material verbundene Grundplatte in Form eines Blechstücks gebogen wird. Eine derartige Verformung ist bei Materialstärken von bis zu ca. 1 mm über die mechanische Ankopplung ausreichend gut auf ein Außenverkleidungselement übertragbar, um in Reaktion auf die Verformung dann Schall von einer äußeren Oberfläche des Außenverkleidungselements abzustrahlen. Die Materialstärken des Außenverkleidungselementes sind dabei immer noch ausreichend, um keine wesentlichen mechanische Schwächung in einer Struktur eines Gesamtbauteils hervorzurufen.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhafterweise ein starrer Ring, insbesondere ein Aluminiumring, oder ein vergleichbares Versteifungselement zusätzlich vorgesehen. Ein derartiges Versteifungselement ist im Wesentlichen konzentrisch um den Einkoppelbereich des Ultraschallwandlers angeordnet, damit in einem vorbestimmten Abstand von dem Ultraschallwandler Schwingungen im Material des Außenverkleidungselementes so gut als möglich unterbunden werden. Durch das Versteifungselement wird ein schwingungsfähiger Bereich des Außenverkleidungselementes wirkungsvoll begrenzt, wodurch insbesondere eine Anregung oder Ausbreitung von weiteren Schwingungsmoden unterdrückt wird. Insbesondere können durch diese Maßnahme akustisch störende Effekte ausgeblendet werden.
• Vorzugsweise wird eine mechanische Kopplung zwischen dem Ultraschallwandler und dem entsprechend vorbereiteten oder bereits in der Herstellung ausgebildeten Bereich des Außenverkleidungselementes durch eine Verklebung und/oder Gel-Füllung bewirkt. Neben einer schnellen und leicht durchführbaren Montage bei ausreichender Einhaltung von Toleranzen weisen diese Verbindungen eine ausreichende Lebensdauer auf, wobei die Verbindung in einer Ausführungsform im Zuge von Selbsttests des Ultraschallwandlers überprüft wird. Derartige Selbsttests nutzen die in der Kristallstruktur begründete reziproke Eigenschaft von piezoelektrischen Wandlern, wonach sie einerseits als Aktuator und andererseits als Sensor fungieren können. Damit kann ein Wandler durch eine Testspannung erst angeregt und danach ein Nachschwingen durch den gleichen Wandler gemessen werden. Der Wandler selber ist mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt. Das Nachschwingen wird also ganz überwiegend durch die mechanisch durch die Verklebung und/oder Gel-Schicht angekoppelte Masse des Außenverkleidungselements hervorgerufen. In diesem Testvorgang ist nur für die aktuatorische Anregung eine äußere Spannungsversorgung nötig, nicht jedoch für die nachfolgende Messung. Da der Wirkungsgrad der Energieumwandlung sehr hoch ist, werden zur Anregung nur geringe elektrische Leistungen benötig, wenngleich man bei der Messung eine hohe Ausgangsspannung erhält. Diese Tests werden vorzugsweise routinemäßig und insbesondere automatisch durchgeführt.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ultraschallwandler an eine strukturierte Rückseite eines Außenverkleidungselementes angekoppelt. Durch nachfolgend unter Bezugnahme auf Abbildungen der Zeichnung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung noch beschriebene spezielle Geometrien der Kunststoffstoßfängerinnenseite lässt sich eine hinreichende vertikale Fokussierung bei guter horizontaler Breite der Schallkeule erzielen, ohne dass hierzu zusätzlicher Fertigungs- oder Verarbeitungsaufwand erforderlich ist. Eine derartige Form wird in ein Außenverkleidungselement, wie z.B. einen Stoßfänger oder eine Zier- oder Scheuerleiste, kostenneutral durch Spritzguss eingeformt. Vorteilhafterweise werden Ultraschallwandler mit symmetrischer Schallkeule unter Verwendung des maximalen Schalldruckes bei durch die Formgebung einer betreffenden Ankoppelstelle bewirkten Aussendung einer asymmetrischen Schallkeule eingesetzt. Die strukturierte Rückseite des Außenverkleidungselementes ist z.B. durch Stufen, die in einer Ausführungsform der Erfindung auch unterschiedliche Tiefen aufweisen, zur Fokussierung und/oder Formung einer ausgesendeten Schallkeule ausgebildet.
• Zum technischen Hintergrund der vorstehend angedeuteten Systemanforderungen: Bei der Ultraschall-Distanzmessung sollen Bodenreflexionen vermieden werden, während zudem auch Objekte über dem betreffenden Fahrzeug nicht interessieren. Diese Bereiche sind also dadurch auszublenden, dass sie nicht beschallt werden. Eine weitere übliche Forderung an bisherige Systeme ist eine Einhaltung einer optimalen Reichweite. Es ist daher wünschenswert, dass die Ultraschallwandler in ihrer Eigenschaft als Sender ein Schallfeld aufweisen und Empfänger ein Schallfeld abdecken, das horizontal eng und vertikal breit ist. Mit dieser Strahlungscharakteristik bzw. Schallkeulengeometrie wird eine optimale Reichweite bei minimalen Bodenstörungen ereicht. Ein weiterer Aspekt bei der Betrachtung von Schallkeulengeometrien ist, dass die Erzeugung von Asymmetrien in einer Schallkeule eine Verringerung des Schalldruckes zur Folge hat. Durch die vorstehend aufgeführten Merkmale von Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können dieser Forderungen erfüllt werden.
• Nach dem Stand der Technik werden Ultraschallwandler offen montiert, d.h. sie werden von der Außenseite her auf- bzw. eingesetzt. Die Ultraschallwandler umfassen üblicherweise kleine Aluminiumtöpfchen mit je einem eingeklebten Piezoschwinger. Durch eine spezielle Formgebung des Alutopfes, z.B. in Form einer Ausfräsung in Form einer Acht, wird die gewünschte vertikale Bündelung und horizontale Aufweitung erreicht. Es wird eine quasi-optimale Keule auf Kosten eines maximal erreichbaren Schalldruckes erzeugt. Für eine verdeckte Montage, wie nach vorliegender Erfindung realisiert, ist diese Formgebung nicht hinreichend wirksam, da das zu durchschallende Material eines Außenverkleidungselementes, insbesondere ein Stoßfängermaterial, die erwünschte Strahlformung und Fokussierung einebnet. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ergibt sich hingegen unter Umsetzung der vorstehend aufgeführten Merkmale eine asymmetrische Schallkeulengeometrie mit Hilfe einer strukturierten Rückseite. Durch die vorstehend genannten Maßnahmen wird der Effekt einer Durchstrahlung eines Außenverkleidungselements, und insbesondere eines Stoßfängers an einem Kraftfahrzeug, bei geeigneter Ankoppelung eines herkömmlichen Ultraschallwandlers von der Rückseite her also noch verstärkt.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Form:
• 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Ultraschallsensors an einer Kunststoffstoßfängerinnenseite mit einer speziellen Geometrie um einen Ankoppelbereich herum;
• 2: eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Ultraschallsensors an einer Kunststoffstoßfängerinnenseite von einer im Einsatzfall nicht sichtbaren Rückseite her und
• 3: einen Schnitt durch die Anordnung gemäß 2.
• Über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.
• Die Abbildung von 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Ultraschallsensors 1. Der Ultraschallsensor 1 umfasst einen an einer Innenseite 2 eines Kunststoffstoßfängers 3 angeordneten Ultraschallwandler 4. Der Ultraschallwandler 4 ist ein handelsüblich aufgebauter Biegegeber und weist eine Grundplatte 5 aus Messing, einen piezoelektrischen Keramik-Körper 6 aus PZT und an beiden Oberseiten 7, 8 des Keramik-Körpers 6 Metallisierungen auf. Über die Metallisierungen erfolgt eine Kontaktierung mit elektrischen Leitungen 9.
• Der Ultraschallwandler 4 ist über eine Schicht 10 aus Silicon-Gel in einem Ankoppelbereich 11 mechanisch mit der Innenseite 2 des Kunststoffstoßfängers 3 verbunden. Der Ankoppelbereich 11 ist zum optimalen Kontakt mit der Grundplatte 5 des Ultraschallwandlers 4 eben ausgebildet und weist in einem angrenzenden Bereich 12 eine spezielle Geometrie auf. Der Bereich 12 ist in der Ausführungsform von 1 im Schnitt wellenförmig ausgebildet und erinnert von seiner Oberflächenkontur her durch kreisförmig geschlossene Wellen an die Membran eines Lautsprechers. Die Abstrahlung des an die dünnwandige Rückseite 2 des Außenverkleidungselementes 3 angekoppelten piezoelektrischen Wandlers 4 erfolgt durch das Material des Außenverkleidungselementes 3 hindurch in einen Außenraum, wie in 1 anhand des Pfeils angedeutet.
• 2 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Ultraschallsensors 1 an einem Kunststoffstoßfänger 3 von einer im Einsatzfall nicht sichtbaren Rück- bzw. Innenseite 2 her. Der Wandler 4 ist hier in einem zentralen Bereich 13 ungefähr elliptisch verlaufender Stufen 14, 15 angeordnet. 3 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß 2 zur Verdeutlichung der Stufung, in der das Material des Kunststoffstoßfängers 3 an seiner Innenseite 2 bis zu einer minimalen Stärke d im Ankoppelbereich 11 mit dem Wandler 4 auf unter ca. 1 mm Wandstärke abgedünnt ist. Die dargestellten Stufen 14, 15 können durch Profilfräsung an einem Kunststoffstoßfänger 3 hergestellt werden, um nachträglich einen Ultraschallsensor 1 gemäß vorliegenden Ausführungsbeispiel anzuordnen. Vorzugsweise sind derartige Ausnehmungen jedoch schon in der Spritzgussform zur Herstellung des Kunststoffstoßfängers 3 vorgesehen.
• Auch in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsfall ist der gerade in seinem Aufbau beschriebene Wandler 4 des Ultraschallsensors 1 als handelstypisches Bauteil auf einer Metallscheibe aus Messing als Grundplatte 5, oder in einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung in einem Metalltopf, hinter dem Stoßfänger 3 in einem abgedünnten Bereich mechanisch gut angekoppelt montiert. Zum Einsatz kommen Wandler 4 mit einer symmetrischen Schallkeule, um den maximalen Schalldruck erzeugen zu können. Die jeweils in einer Applikation geforderte Geometrie einer Schallkeule des Ultraschallsensors 1 wird durch die Ausfräsung oder Aussparungen des Stoßfängermaterials erreicht. Werden in den Stoßfänger 3 beispielsweise die elliptischen Strukturen gemäß Bild 2 eingebracht, lassen sich hierdurch die Nebenkeulen und Hauptkeulen der Schallgeometrie gezielt beeinflussen. Durch die Formgebung der Ausnehmungen können damit neben allgemeiner Keulenformung auch Fokussierungseffekte erzielt werden.
• Ferner ist in 3 noch ein starrer Ring 16 aus Aluminium als Versteifungselement vorgesehen. Der Ring 16 ist im wesentlichen konzentrisch um den Ankoppelbereich 11 des Ultraschallwandlers 4 angeordnet. Hierdurch wird ein schwingungsfähiger Bereich wirkungsvoll begrenzt und eine Anregung von weiteren Schwingungsmoden unterdrückt.

1

Ultraschallsensor

2

Innenseite/Rückseite

3

Außenverkleidungsteil/Kunststoffstoßfänger

4

Ultraschallwandler

5

Grundplatte

6

Keramik-Körper aus PZT

7

Oberseite

8

Oberseite

9

elektrische Leitung

10

Schicht aus Silicon-Gel

11

Ankoppelbereich

12

an Kontaktbereich 11 angrenzender Bereich

13

zentraler Bereich

14

Stufe

15

Stufe

16

starrer Ring aus Aluminium

d

minimale Materialstärke

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem piezoelektrischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischen Wandler (4) an eine dünnwandige Rückseite (2) eines Außenverkleidungselementes (3) zur Ausstrahlung in einen Außenraum mechanisch gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler als Ultraschallwandler (4) in einem Bereich eines Außenverkleidungselementes (3) einkoppelt, der nur ca. 1 mm Materialstärke (d) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein starrer Ring (16), insbesondere ein Aluminiumring oder ein vergleichbares Versteifungselement, im Wesentlichen konzentrisch um einen Einkoppelbereich (11) des Ultraschallwandlers (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung zwischen dem Ultraschallwandler (4) und einem entsprechend vorbereiteten und/oder ausgebildeten Bereich eines Außenverkleidungselementes (3) durch eine Verklebung und/oder Gel-Füllung bzw. entsprechende Schicht (10) bewirkt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung im Zuge von Selbsttests des Ultraschallwandlers (4) überprüfbar ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallwandler (4) an eine strukturierte Rückseite (2) eines Außenverkleidungselementes (3) angekoppelt ist.
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Rückseite (2) des Außenverkleidungselementes (3) durch Stufen (14, 15), die insbesondere unterschiedliche Tiefen aufweisen, zur Fokussierung und/oder Formung einer ausgesendeten Schallkeule ausgebildet ist.
8. Verfahren zur Ultraschallerzeugung unter Verwendung eines Ultraschallwandlers (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (4) mechanische Wellen durch Kopplung über eine Verklebung und/oder Gel-Schicht (11) durch eine strukturierte Rückseite (2) eines Außenverkleidungselementes (4) hindurch zur Ausstrahlung in einen Außenraum sendet.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschallwandler (4) ein piezoelektrischer Biegeschwinger verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstrahlung in den umgebenden Außenraum gerichtet ist und/oder mit einer vorbestimmten Charakteristik erfolgt.