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Die vorliegende Erfindung betrifft einen an einem Bauteil angeordneten von außen unsichtbar angeordneten Ultraschallsensor.
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Bei Kraftfahrzeugen werden derzeit Ultraschallsensoren zur Messung der Entfernung des Kraftfahrzeugs von einem Objekt eingesetzt. Der Ultraschallsensor wird hierbei zum Beispiel in Verbindung mit einer Entfernungsanzeige und einer Einparkhilfe eingesetzt. Für die Entfernungsmessung emittiert der Ultraschallsensor mittels einer schwingenden Membran oder allgemein einem Aktor ein gerichtetes Ultraschallsignal, das an dem Objekt reflektiert wird und daraufhin von dem Ultraschallsensor selbst oder einem anderen Sensor detektiert wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals lässt sich der Abstand des Objekts bestimmen, an dem das Ultraschallsignal reflektiert wurde. Der Ultraschallsensor wird üblicherweise in einem Modul an oder in dem Kraftfahrzeug befestigt. Üblicherweise wird hierbei der Ultraschallsensor von einer Halterung aufgenommen, die eine Befestigung zum Beispiel im Inneren des Stoßfängers erlaubt. In dem Stoßfänger ist eine Öffnung vorgesehen, durch welche der Ultraschallsensor die Ultraschallsignale nach außen emittieren kann.
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Solche Ultraschallsensoren oder Ultraschallwandler die sich hinsichtlich Aufbau und verwendeter Technologie unterscheiden sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 197 14 606 A1 und
DE 100 18 807 A1 bekannt.
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Neben der Technologie sind in letzter Zeit auch die Ansprüche der Hersteller und Käufer hinsichtlich der Anordnung und des Designs des Bauteiles in einem Endprodukt, in das der Ultraschallsensor integriert werden soll, gestiegen.
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Beispielsweise werden die Sensoren und deren Halter in einer entsprechenden Wagenfarbe vorlackiert oder auch verchromt. So werden beispielsweise, wie im Wesentlichen in der Patentschrift
DE 100 23 065 B4 beschrieben, Befestigungslöcher an lackierte Stoßfänger ausgestanzt, die vorlackierten Halter eingeklebt und die ebenfalls vorlackierten Sensoren im Halter (zusammen mit einem Kunststoff-Ring zur akustischen Entkopplung des Sensors vom Stoßfänger) eingeklipst.
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In der Druckschrift
DE 199 54 020 A1 wird ein Verfahren offenbart, bei dem piezoelektrische Fasern oder Faserstücke mit einer flüssigen Polymermasse derart umhüllt werden, dass sich eine Verteilung von Längsachsen der Fasern oder Faserstücke um eine Vorzugsrichtung ergibt. Die Fasern werden untereinander verdichtet und die Polymermasse ausgehärtet. Der entstandene Komposit wird anschließend derart bearbeitet, dass entlang der Vorzugsachse Bereiche der Fasern oder Faserstücke freigelegt werden. Anschließend werden elektrische Kontakte auf zumindest einen Teil der freigelegten Bereiche aufgebracht.
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Eine andere Lösung ist in der
DE 44 10 895 A1 vorgesehen. Die Offenlegungsschrift beschreibt ein Verfahren zum verdeckten Einbau eines Sensors in einem Kraftfahrzeug-Außenteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einer vorgegebenen Stelle des Kraftfahrzeug-Außenteils, vorzugsweise mit der Membran flächenbündig zur Außenfläche des Kraftfahrzeug-Außenteils fest angeordnet wird und dass wenigstens die Stelle, an der sich der Sensor befindet, mit einer der Kontur des Kraftfahrzeug-Außenteils angepassten Abdeckung versehen wird: Die Patentanmeldung beschreibt zudem eine zugehörige Vorrichtung.
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Die Druckschrift
JP H10-123 236A beschreibt einen Detektor für ein Fahrzeug, der in einem Fahrzeug eingebaut werden kann, sodass ein Ultraschall-Oszillationssensor eine ausreichende Detektionsleistung aufweist. Der Sensor ist vor Beschädigung geschützt, indem der Sensor in einer Vertiefung aufgenommen und an Ort und Stelle gehalten wird, wobei er den Boden der Vertiefung berührt. Zur Anordnung des Sensors in einem Bauteil des Fahrzeuges ist eine Aussparung in dem Bauteil vorgesehen. Die Aussparung weist einen dünnen unteren Teil auf, wobei der Sensor in der Aussparung aufgenommen ist und den unteren Teil der Aussparung berührt.
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Außerdem wird auf die Druckschrift
DE 42 38 924 A1 hingewiesen. Es wird ein elektroakustischer Ultraschall-Wandler offenbart, der zum Einbau an eine Außenwand eines Fahrzeuges vorgesehen ist. Ein piezoelektrischer Keramikkörper ist auf der Innenseite der Außenwand des Fahrzeuges elektrisch leitend befestigt. Der piezoelektrische Keramikkörper weist auf der geklebten Fläche der gegenüberliegenden Fläche einen elektrischen Kontakt zu einer Leitung auf. An der Außenwand ist ein Begrenzungsmittel vorgesehen, das eine mit dem piezoelektrischen Keramikkörper verbundene Fläche, welche ein Teil der Außenwand ist, bezüglich des Schwingverhaltens von der restlichen Außenwand entkoppelt.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 038 598 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem piezoelektrischen Wandler. Der piezoelektrische Wandler ist an eine dünnwandige Rückseite eines Außenverkleidungselementes zur Ausstrahlung in einen Außenraum mechanisch angekoppelt.
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Ultraschall-Messsysteme werden beispielsweise verbaut, um eine Abstandsmessung für Einparkhilfen durchzuführen. Die Messsysteme basieren auf dünnen, kreisrunden Piezokeramik-Scheiben, die auf den Boden einer tonnenförmigen Metallkappe appliziert werden. In dieser Kappe ist zusätzlich eine Elektronik zur sensornahen Analyse der Signale verbaut und vergossen. Über die kreisförmige Piezokeramik-Scheiben wird ein Luft-Ultraschallfeld abgestrahlt, das beim Auftreffen auf ein Hindernis reflektiert wird und von der gleichen Piezokeramikscheibe sensiert wird. Aus der Laufzeit des reflektierten Signals lässt sich der Abstand eines Hindernisses berechnen.
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Zur optimalen Wirkungsweise sind die Sensoren heute meist an der Position des Stoßfängers mit der größten Ausbauchung montiert. Hiermit liegen sie meist im lackierten Bereich des Stoßfängers. Bei zweigeteilten Stoßfängern ist teilweise eine Positionierung auch im unteren, nicht lackierten Bereich möglich. Damit dann aber eine gerichtete Wirkungsweise parallel zur Fahrbahn möglich ist, müssen hier zumeist noch entsprechende Hutzen an den unteren Stoßfängerabschnitt angeformt werden, die das optische Erscheinungsbild noch stärker beeinträchtigen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine weitere Lösung anzubieten, dies es erlaubt ein Ultraschall-Messsystem in und/oder an Bauteilen, insbesondere an Kraftfahrzeugbauteilen, unsichtbar anzuordnen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung gelöst, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:
- Ein Piezokeramik-Element ist innerhalb eines Piezokeramik-Moduls angeordnet, wobei das Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor eines Ultraschallsenders und/oder Empfängers im Material eines Bauteils integriert und/oder auf der Rückseite des Bauteils appliziert ist, wodurch das Schwingungen aussendende Piezokeramik-Element innerhalb eines Piezokeramik-Moduls das Bauteil zum Schwingen anregt, welches die Schwingungen in die Umgebung abstrahlt und/oder die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil an das Piezokeramik-Element überträgt, wobei das die Anbindung zwischen Bauteil und dem Piezokeramik-Element beinhaltende Piezokeramik-Modul so ausgebildet ist, dass nur ein Teilbereich des Bauteiles, in dem das Piezokeramik-Modul appliziert ist, durch die ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen mit der vorgebbaren Charakteristik angeregt wird, wobei durch einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt wird, eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul und Bauteil vorliegt, wobei der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit des Bauteils und der Masse des Bauteils eingestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steifigkeit des Bauteils eingestellt ist, indem an der Rückseite im Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt wird, eine partielle Verrippung oder eine umlaufende Verrippung um das Piezokeramik-Modul herum angeordnet und am Bauteil verklebt ist, und die Masse des Bauteils eingestellt ist, indem in dem Teilbereich des Bauteils, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt wird, eine Schwächung des Materials des Teilbereichs des Bauteiles vorgenommen ist.
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Vorteilhaft ist, dass das Piezokeramik-Element mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung innerhalb eines Piezokeramik-Moduls angeordnet und von außen nicht sichtbar an dem Bauteil appliziert ist.
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Ultraschallsysteme arbeiten zumeist als resonante Systeme. In der Resonanzfrequenz wird dabei die elektrische Impedanz ein Minimum, so dass bereits mit kleinen elektrischen Erregerleistungen eine hohe mechanische Schwingungsausbeute des Ultraschallwandlers erreicht wird.
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Im Gegensatz dazu arbeiteten Ultraschallsysteme auch außerhalb der mechanischen Resonanzfrequenz. Hier können Verstärkungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden. Somit ist hier ein erhöhter Leistungsbedarf zu verzeichnen.
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Die notwendige elektrische Erregerleistung, zur Sicherstellung des gewünschten funktionsfähigen Betriebes des Messsystems, hängt hier zum einen von der Ankopplung [Applikation beziehungsweise Integration des Piezokeramik-Moduls als Ultraschallwandler am Bauteil] des Piezokeramik-Moduls ab. Ist das Piezokeramik-Modul, wie im Stand der Technik an Luft angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt.
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Ist das Piezokeramik-Modul an ein Bauteil angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt ebenfalls eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt, jedoch steigt durch die Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil die notwendige elektrische Erregerleistung gegenüber einem an Luft angekoppelten Piezokeramik-Ultraschallwandler an.
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Zum anderen weist das Piezokeramik-Element und damit das Piezokeramik-Modul, von vorn herein je nach Aufbau einen bestimmten Leistungsbedarf auf. Bedingt der Aufbau des Piezokeramik-Elementes und damit des Piezokeramik-Moduls den Betrieb außerhalb einer Eigenresonanzstelle ist bereits aufbaubedingt mit einem erhöhten Leistungsbedarf zu rechnen.
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Die Erhöhung resultiert also zum einen aus der erfindungsgemäßen Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil und zum anderen bei einem bestimmten Aufbau des Piezokeramik-Modul darin, dass bei Piezokeramik-Modulen, die nicht in Eigenresonanz schwingen, Verstärkungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden können.
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Im Vergleich zu einem an Luft angekoppelten resonanten Piezokeramik-Ultraschallwandler zu einem an ein Bauteil gekoppelten Ultraschall-Wandler, der aufbaubedingt nicht in Eigenresonanz schwingt ist die elektrische Erregerfrequenz, um mindestens einen Faktor 2-3 höher. Ist bei Piezokeramik-Ultraschallwandler aufbaubedingt am Bauteil eine Schwingung in Eigenresonanz realisierbar liegt der Faktor eher geringer als bei Piezokeramik-Ultraschallwandlern, die am Bauteil nicht in Eigenresonanz schwingen.
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Die sich im Einsatz befindenden luftangekoppelten Ultraschallwandler arbeiten mit elektrischen Erregerfrequenzen in einem Bereich von 20 kHz bis 200 kHz.
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Zumeist wird ein Piezokeramik-Element gleichzeitig sowohl als Aktor und als Sensor in einem Gerät verwendet. Es besteht aber selbstverständlich auch die Möglichkeit Aktor und Sensor in verschiedenen Geräten auszubilden und über mindestens ein Gerät zu senden und über mindestens ein weiteres Gerät zu empfangen.
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Bei der Verwendung von Aktor und Sensor in getrennten Geräten können diese jeweils gleich aufgebaut sein oder aber auch unterschiedliche Piezokeramik-Elementbauweisen aufweisen, um zum Beispiel die unterschiedlichen Sende- oder Empfangscharakteristiken optimal nutzen zu können.
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Umgangssprachlich spricht man bei Schwingungen im Ultraschallbereich aussendenden und/oder empfangenden Geräten von Ultraschallsensoren. In dieser Patentanmeldung ist bei dem Gebrauch des Wortes Ultraschallsensor stets ein Ultraschallsender und/oder Empfänger gemeint.
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Der Aktor und/oder Sensor als Piezokeramik-Element wird als Verbund aus mindestens einer piezokeramischen Faser und/oder aus mindestens einem Piezokeramik-Stäbchen und/oder aus mindestens einer piezokeramische Folie (Platte) mit anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Kunststoffen oder Metallen wie Aluminium, ausgebildet.
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Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element wird zu einem Flächen-Modul ausgebildet, indem flächige, dünne Elemente ausgebildet werden, die aus Piezokeramik-Folien oder Piezokeramik-Stäbchen oder Piezokeramik-Fasern im Verbund mit anderen Werkstoffen aufgebaut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokeramik-Modul ergeben.
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Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element kann aber auch zu einem Volumen-Modul als Volumenelement ausgebildet werden, indem Piezokeramik-Folien, Piezokeramik-Stäbchen oder Piezokeramik-Fasern im Verbund mit anderen Werkstoffen voluminöser - einen nicht nur flächigen, dünnen Körper ergebend - aufgebaut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokeramik-Modul ergeben.
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Diese Module werden von der Elektronik angesteuert und ausgewertet.
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Erfindungsgemäß sind die Module elektrisch mit einer flächigen Elektrode oder einer Interdigitalelektrode kontaktierbar.
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Die zugehörige Elektronik ist vorzugsweise sensornah angeordnet, kann aber in einer weiteren Ausführungsvariante auch sensorfern angeordnet werden.
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Ein Ultraschallsensor weist also mindestens das Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor auf und ist auf der Rückseite des Bauteiles derart angeordnet, dass das die Schwingungen aussendende Piezokeramik-Modul das Bauteil zum Schwingen anregt, welches seinerseits Schwingungen in/an die Umgebung abstrahlt und/oder die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil schließlich an das Piezokeramik-Modul überträgt.
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Dabei ist vorteilhaft einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt wird, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul und Bauteil selbst erreichbar.
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Zur Ausbildung der gewünschten Form der Ultraschall-Abstrahlkeule kann die Form, Größe und Steifigkeit - z.B. durch die Variation von Fläche, Dicke und Krümmung - des Piezokeramik-Moduls und dessen Form, Größe und Steifigkeit der Ankopplung an den Stoßfänger - z.B. durch Wahl der Versteifungslage, Fläche, Dicken und Krümmung - festgelegt werden.
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Als Bauteil in oder an dem ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor angeordnet ist beispielsweise eine Stoßstange oder dergleichen vorgesehen. Selbstverständlich kommen alle Bauteile in Frage, die einen Zugang zur Umgebung haben und in der Lage sind Schwingungen zu übertragen. Insbesondere sind alle Anbauteile aus Kunststoff und faserverstärktem Kunststoff (zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern) wie Stoßfänger, Stoßleisten, Türschutzleisten, Seitenschutzleisten, Spoiler, Nummernschilder, Türgriffe oder Außenspiegelgehäuse in Frage kommende Bauteile.
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Aber auch an die metallischen Blechkomponenten, die einen Zugang zur Umgebung haben und Schwingungen übertragen, wie die Karosseriestruktur und angebaute Klappen, Deckel, Türen oder auch der Unterboden können die erfindergemäßen Ultraschallsensoren appliziert werden.
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Gleiches gilt für die Glasflächen von Verscheibungen und Spiegeln. Bei der Fensterverglasung sollten die erfindergemäßen Ultraschallsensoren im nicht sichtbaren Bereich appliziert sein oder aus einer transparenten Piezokeramik aufgebaut sein. Bei der Spiegelverglasung kann der erfindergemäße Ultraschallsensor auf der Spiegelrückseite appliziert sein.
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Außerdem ist denkbar, dass der erfindungsgemäße Ultraschallsensor auch an oder in Guss- oder Strangpressstrukturen aus zum Beispiel Aluminium oder Magnesium im Bereich der Tragwerksstruktur der Karosserie oder aber im Aggregate- oder Fahrwerksbereich appliziert beziehungsweise integriert wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit auch hier etwaige Ultraschall-Abstandsmessungen ohne zusätzliche Bohrungen auf der Außenseite der Strukturen zu applizieren oder zu integrieren und somit die Struktur nicht zu schwächen oder aber ohne mögliche Leckstellen in zum Beispiel der Ölwanne eine Ultraschall-Füllstandsmessung zu ermöglichen.
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Je nach Material der Fahrzeugstruktur, an die der erfindungsgemäße Ultraschallsensor appliziert oder integriert wird, muss die mechanische Impedanzanpassung über die Variation von Steifigkeit und/oder Masse oder auch einer entsprechenden Gestaltung einer umgebenden Verrippung erfolgen.
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Für die neue Technologie werden als Aktoren und/oder Sensoren eines Ultraschallsensors also Piezokeramik-Elemente verwendet.
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Bei den Piezokeramik-Elementen werden folgende Bauweisen berücksichtigt:
- - Piezokeramikfaser-Composite (Verbund):
- Diese so auch in der Ultraschall-Technik im Unterwasserbereich (Sonar) verwendeten Elemente erzeugen eine Dickenschwingung im Formkörper. Dabei sind die Piezofasern parallel ausgerichtet. Bei elektrischer Ansteuerung verändert sich die Lage der Fasern gleichzeitig, so dass eine Dickenschwingung auf eine Abstrahlung in Faserlängsrichtung erfolgt. Über Faserdurchmesser und Faservolumengehalt lässt sich die Frequenz des Schwingers einstellen.
- - Flächige Piezokeramik-Module:
- Flächige, dünne Piezokeramik-Modul sind entweder aus Piezokeramik-Folien (Platte), Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei flächiger Applikation des Elements wird eine Biegeverformung und/oder eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit des Strukturbauteiles sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.
- - Voluminöse - nicht flächige - Piezokeramik-Module:
- Voluminöse Piezokeramik-Module sind ebenfalls entweder aus Piezokeramik-Folien oder aus Piezokeramik- Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden aber ebenfalls über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei voluminöser Applikation des Elements wird ebenfalls eine geringe Biegeverformung aber vor allem eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit der Struktur sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.
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Die zuvor beschriebenen Piezokeramik-Elemente beziehungsweise die ausgebildeten Piezokeramik-Module können im oder hinter beispielsweise einem aus einem Kunststoff bestehenden Stoßfängers appliziert werden.
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Damit ergeben sich folgende unmittelbare Vorteile:
- - die Piezokeramik-Elemente beziehungsweise Piezokeramik-Module sind optisch nicht sichtbar
- - die Montage (vor allem bei lackierten Stoßfängern) ist deutlich vereinfacht
- - es besteht eine höhere Designfreiheit, das die Elemente nicht mehr aus optischen Gründen äquidistant über die Stoßfängerbreite verteilt werden müssen
- - die Piezokeramik-Element beziehungsweise Piezokeramik-Modul sind besser vor Verschmutzung und Witterungseinflüssen geschützt
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Die flächigen Piezokeramik-Module werden beispielsweise im Kunststoff integriert oder auf der Rückseite des Stoßfängers appliziert und somit der Stoßfänger über die Piezokeramik-Module zur Abstrahlung des Ultraschalls angeregt. Zur Entkopplung der einzelnen Module müssen diese jeweils so angebunden werden, dass Sie nur einen kleinen Bereich der Stoßfängerfläche zur Schwingung anregen. Dies kann konstruktiv über einen mechanischen Impedanzunterschied (Variation von Steifigkeit und/oder Massen) zwischen den Bereichen wo ein Piezoelement integriert oder appliziert ist und dem restlichen Bereich des Stoßfängers eingestellt werden. Vor allem bieten sich hier dünne Versteifungslagen (zum Beispiel dünnes Blech) zwischen Element und Kunststoff an. Partielle Schwächungen in der Kunststoffdicke des Stoßfängers sind nur dann möglich, solange sie sich nicht optisch von außen abzeichnen.
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Über diese integrierten und/oder applizierten flächigen und voluminösen Piezokeramik-Module sind zusätzliche Funktionalitäten über einen Mehrfachnutzen der Elemente denkbar.
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Die Piezoelemente können elektrisch in der Resonanzfrequenz oder auch außerhalb der Resonanzfrequenz angesteuert und betrieben werden.
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Im Resonanzbetrieb wird der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensors und der Grundstruktur so eingestellt und in der mechanischen Impedanz angepasst, so dass er in der gewünschten Ultraschallfrequenz in Resonanz schwingt. Dabei kann mit geringer elektrischer Erregerleistung ein hoher Ultraschalldruck erzeugt werden.
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Geringe Störungen wie unterschiedliche Temperaturen, Fertigungstoleranzen, Verschmutzung, Schnee und Eisbelag führen zu einer Verstimmung des Systems und zur Verschiebung der Resonanzfrequenz und damit auch zu einer erschwerten Auswertung des Abstandsignals.
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Bei der Auslegung im Nicht-Resonanzbetrieb wird das System mit einer Ultraschallfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz betrieben. Hier ist eine angepasste höhere elektrische Leistung notwendig, um die entsprechende Reichweite zu erzeugen. Dabei ist aber Einfluss der oben aufgeführten Störungen auf die Güte der Ultraschallsignale nicht mehr so groß.
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Die erfindungsgemäße Ultraschall-Sensor dient der Objekterfassung und Distanzmessung und kann in allen Anwendungen eingesetzt werden, wie die bisherigen bekannten Ultraschall-Sensoren auch.
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Darüber hinaus könnten die Piezokeramik-Module dazu verwendet werden, dass sie beim Rückwärtsfahrten einen in manchen Ländern vorgeschriebenen hörbaren Warnton erzeugen. Die verwendeten Elemente beziehungsweise Module würden dabei als Lautsprecher in einem hörbaren Frequenzband arbeiten
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die an einem Bauteil, beispielsweise der Stoßstange, verteilten Ultraschall-Sensoren als Kontaktkraftsensor/en für den Crashfall dienen können. Hiermit kann im Crashfall Art und Schwere des Aufpralls bestimmt werden und damit die Entscheidung für die Zündung unterschiedlicher Airbagsysteme oder andere Sicherheitssysteme abgeleitet werden.
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Ein solcher Ultraschall-Sensor ist zur Erfassung eines Crashfalls über die Objekterfassung und Distanzmessung als Precrash-Sensor und gleichzeitig als Kontaktkraftsensor als Crash-Sensor einsetzbar.
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Durch diese mehreren Verwendungen, von der nur eine oder gleichzeitig nutzbar sind, ergibt sich ein multifunktionaler Sensor, der hinsichtlich seiner Funktionalität auf die jeweiligen Wünsche des Anwenders ausgelegt und angepasst werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren detailliert beschrieben. Die Figuren zeigen:
- 1 ein Beispiel in einer Schnittdarstellung zum mechanischen Aufbau einer Verrippung - zweite Ausführungsvariante - zur Anpassung der mechanischen Impedanz des Piezokeramik-Modules - gegenüber dem Bauteil;
- 2 Piezokeramikfaser-Composite (Verbund)-Elemente;
- 3 Piezokeramik-Modul in d33-Bauweise in einer schematischen Darstellung und
- 4 Piezokeramik-Modul in d31-Bauweise in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt eine zweite Ausführungsvariante bei der ein Piezokeramik-Modul 20 auf die Rückseite eines Bauteiles 30, beispielsweise auf die Rückseite eines Stoßfängers, appliziert wurde.
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Grundsätzlich ist durch verschiedene Maßnahmen ein mechanischer Impedanzunterschied zwischen dem Restbereich des Stoßfängers 30 und dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30 (1), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul 20 und dem restlichen Bereich des Stoßfängers 30 erreichbar.
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Ein Größe des mechanischen Impedanzunterschiedes ist in der zweiten Ausführungsvariante durch die Variation der Steifigkeit einstellbar, indem an der Rückseite in dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine am Stoßfänger 30 verklebte Verrippung 50, um das Piezokeramik-Modul 20 herum, unter Erzeugung eines dadurch vorgebbaren mechanischen Impedanzsprunges im Stoßfänger 30 ausgeführt ist.
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Zwischen dem Piezokeramik-Modul 20 und dem Stoßfänger 30 befindet sich eine Klebeschicht zur Anbringung der Verrippung 50, wobei die Klebeschicht zwischen dem Piezokeramik-Modul 20 und der Verrippung 50 in einer Klebefuge 40 ausbildet ist.
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Die Eigenform 60 des Stoßfängers 30 verändert sich im Anregungsfall des Piezokeramik-Elementes 10A, 10B des Piezokeramik-Moduls 20 durch die verklebte Verrippung 50 nur im Teilbereich 100. Durch die Verrippung 50 ist in diesem Teilbereich 100 ein mechanischer Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung um das Piezokeramik-Modul 20 herum zum Restbereich des Stoßfängers hin einstellbar.
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Wird in diesem Teilbereich 100 noch zusätzlich oder auch statt der Verrippung 50 die Masse des Stoßfängers 30 verändert, beispielsweise durch eine dickere oder dünnere Ausführung des Materials des Stoßfängers 30 (nicht dargestellt) gegenüber der Materialdicke des Stoßfängers 30 im restlichen Bereich, wird dadurch ebenfalls der gewünschte mechanische Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung zur Einstellung des Piezokeramik-Moduls 20 erreicht.
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Die Maßnahmen Steifigkeitsveränderung und Massenveränderung des Bauteiles 30 sind einzeln oder in Kombination ausführbar.
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Als Verrippung 50 dient beispielsweise eine Kohlefaserbox, die um das Piezokeramik-Modul 20 herum eine partielle Verrippung 50 oder umlaufende Verrippung 50 ausbildet, so dass die Steifigkeit des Stoßfängers 30 in diesem Bereich veränderbar ist und dadurch der mechanische Impedanzsprung zwischen dem Stoßfänger 30 im restlichen Bereich und dem Stoßfänger 30 im Teilbereich 100 einstellbar macht.
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Statt der Verrippung 50 und/oder der Veränderung des Masse ist alternativ oder zusätzlich, die Anordnung von Versteifungslagen (nicht dargestellt), zur Änderung des Steifigkeit des Bauteiles im Teilbereich 100 gegenüber dem restlichen Bereich des Stoßfängers bevorzugt.
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Dabei kann grundsätzlich, wie die 1, anhand der Bezugszeichen darstellt, ein dünnes, flächiges Piezokeramik-Modul 20A, als auch ein voluminöses Piezokeramik-Modul 20B angeordnet werden.
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Die Piezokeramik-Module 20A, 20B unterscheiden sich dabei hinsichtlich der zur erzeugenden Biegeverformung und/oder Dickenschwingung (Auslenkung), die in das Bauteil 30 vorwiegend im dem Teilbereich 100 einleitbar ist/sind.
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2 zeigt solche unterschiedlichen Piezokeramik-Module, wobei die mit dem Bezugszeichen 20A dargestellten Piezokeramik-Module 20A dünne flächige Module zeigen und die mit dem Bezugszeichen 20B voluminöse Piezokeramik-Module 20B darstellen.
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Wie die 2 verdeutlicht, sind sowohl für flächige als auch voluminöse Piezokeramik-Module 20A, 20B (bei den flächigen Piezokeramik-Module 20A nicht dargestellt) verschiedene geometrische Formen der Piezokeramik-Elemente 10A, 10B herstellbar.
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Nach entsprechenden Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung entstehen aus diesen Piezokeramik-Elementen 10A, 10B, die entsprechenden Piezokeramik-Module 20A, 20B mit den für Piezokeramik-Module gewünschten Eigenschaften.
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3 zeigt, dass Piezokeramik-Module 20A, 20B wegen der anisotropen Natur von Piezokeramik, hinsichtlich des piezoelektrische Effektes richtungsabhängig sind. Zur Festlegung der Richtungen (3, 4) werden die Achsen 1, 2 und 3 eingeführt (analog zu den x, y und z-Achsen des kartesischen Koordinatensystems).
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Die Polarisationsrichtung (Achse 3) wird während der Polarisation durch ein elektrisches Feld (zwischen den Polarisationselektroden) festgelegt. Für Aktor-Anwendungen sind die Piezo-Eigenschaften in dieser Richtung normalerweise am Wichtigsten. Hier findet die größte Auslenkung statt.
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3 zeigt schematisch ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegenden Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d33. D33 beschreibt die Piezokeramik-Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Dehnung (Auslenkung) parallel zum Polarisationsvektor der Keramik (Dicke). Hier wird ein elektrisches Feld in Richtung der Polarisation (Achse 3) angelegt und die Dehnung findet in der gleichen Richtung (Achse 3) statt.
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4 zeigt schematische ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegendem Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d31. D31 beschreibt die Piezokeramik-Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Kontraktion (Auslenkung) als Geometrieänderung orthogonal zur Polarisation der Keramik (Breite). Hier wird ein elektrisches Feld in der Richtung (Achse 3) angelegt, aber die Auslenkung findet in Richtung der Achse 1 (also orthogonal zur Polarisationsachse) statt. Die +/-Elektroden 80 sind dazu in der Ausführung der 4 elektrisch über jeweils oben und unten des Piezokeramik-Moduls 20 angeordnete metallische Elektrodenschichten 90 miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achse 1
- 3
- Achse 3
- 10
- Piezokeramik-Element
- 10A
- dünnes, flächige Piezokeramik-Element
- 10B
- voluminöses Piezokeramik-Element
- 20
- Piezokeramik-Modul
- 20A
- dünnes, flächige Piezokeramik-Modul
- 20B
- voluminöses Piezokeramik-Modul
- 30
- Bauteil oder Strukturbauteil
- 40
- Klebefuge
- 50
- Verrippung
- 60
- Eigenform
- 70
- Verbundmaterial
- 80
- Elektroden
- 90
- Elektrodenschicht
- 100
- Teilbereich
