DE102008027970B4

DE102008027970B4 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102008027970B4
Application number: DE102008027970A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Niemann Thomas; Dipl.-Ing. Heilenkötter Carsten; Dipl.-Ing. Lange Matthias
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: DE102008027970A1

Abstract

Ultraschallsensor mit einer Membran (2) und einem nah an der Membran (2) angeordneten piezoelektrischen Element (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) ein zweites piezoelektrisches Element (4) aufweist, dass das zweite piezoelektrische Element (4) weiter von der Membran (2) beabstandet ist als das nah daran angeordnete erste piezoelektrische Element (3), dass das zweite piezoelektrische Element (4) mit der Membran (2) in Wirkverbindung ist und dass das zweite piezoelektrische Element (4) größer ist als das erste piezoelektrische Element (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einer Membran und einem an der Membran angeordneten piezoelektrischen Element.
Derartige Ultraschallsensoren werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Abstände zu detektieren. Dabei werden verschiedene Arten von Ultraschallsensoren eingesetzt, nämlich einmal solche, die eine Abstandsmessung beim Einparken vornehmen (PDC Park Distance Control) und solche, die Daten für eine Einparkassistenz liefern (EPA Einpark Assistenz). Die erstgenannten PDC – Sensoren müssen einen möglichst weiten Öffnungswinkel aufweisen und einen großen Bereich abdecken. Die Ultraschallsensoren, die für die Einpark-Assistenz benötigt werden, sollen einen schmalen, langen und fokussierenden Bereich abdecken, so dass ein Abscannen der Umgebung, und insbesondere der Parklücken, während der Vorbeifahrt möglich ist. Derartige Ultraschallsensoren sind beispielsweise in der DE 10 2005 002 626 A1 , der DE 10 2006 028 213 A1 und der DE 10 2006 011 155 A1 offenbart.
Andere Druckschriften, wie DE 103 41 422 A1 und DE 195 27 018 C1 , offenbaren Ultraschallsensoren, welche bevorzugt zur Durchflussmessung eingesetzt werden.
DE 103 41 422 A1 zeigt ein Ultraschallumwandler nach dem Längsschwingertyp. Dieser weist ein aus zwei aufeinanderliegenden, gleich großen Keramiken, bestehendes piezoelektrisches Element und eine den Ultraschall abstrahlende bzw. aufnehmende Membran auf. Die Membran wird randinnenseitig mit einem separaten Massering mit dem Gehäuse verbunden. Dabei ist das piezoelektrische Element zwischen zwei Spannabschnitten verspannt gehalten, wovon einer gleichzeitig die Verbindung zur Membran ausbildet.
In der DE 195 27 018 C1 wird ein Ultraschallwandler beschrieben, bei dem der Piezokeramikkörper an mindestens einer der beiden Grundflächen mit einem plattenförmigen Werkstoffkörper zu einem Verbundkörper verbunden ist. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffkörpers größer als die des Piezokeramikkörpers, wodurch die Resonanzfrequenz des Verbundkörpers quer zur Dickenrichtung erhöht wird.
Eine weitere Ultraschallwandlervorrichtung bei der eine Mehrzahl von Piezoelementen auf einer kreuzförmigen Membran angeordnet sind ist in der DE 103 61 316 A1 beschrieben. Diese wird von einem Gehäuse als schwingungsdämpfendes Mittel begrenzt, wobei Gehäuse und Membran einstückig ausgebildet sein können. Durch die kreuzförmige Anordnung der Membranfläche können mehr Richtcharakteristiken in dem Gesamtschallfeld erfasst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Ultraschallsensor zu schaffen, der die Funktionalitäten von zwei verschiedenen Ultraschallsensoren vereint.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem Ultraschallsensor mit einer Membran und einem nah an der Membran angeordneten piezoelektrischen Element ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Ultraschallsensor ein zweites piezoelektrisches Element aufweist, dass das zweite piezoelektrische Element weiter von der Membran beabstandet ist als das nah daran angeordnete erste piezoelektrische Element, dass das zweite piezoelektrische Element mit der Membran in Wirkverbindung ist und dass das zweite piezoelektrische Element größer ist als das erste piezoelektrische Element.
Mit der Erfindung werden zwei verschiedene Typen von Ultraschallsensoren vereint. Typischerweise weisen Ultraschallsensoren eine Membran und ein nahe daran angeordnetes piezoelektrisches Element auf, das entweder unmittelbar an der Membran angeordnet und z. B. mit dieser verklebt ist oder auch unter Zwischenschaltung spezieller Schichten oder Materialien in einem geringen Abstand zu der Membran angeordnet ist. Dieser Ultraschallsensor wird mit einem zweiten piezoelektrischen Element kombiniert, das in größerem Abstand von derselben Membran angeordnet ist und mit der Membran in Wirkverbindung steht, worunter zu verstehen ist, dass bei Aktivierung des piezoelektrischen Elements diese Membran in Schwingung gesetzt wird und ein Signal nach außen abgibt bzw. weitergibt. Mit der Erfindung kann erreicht werden, dass nur noch ein Standardsensor eingebaut werden muss und dadurch weniger Kabel und Kontaktierungen und Einbauprüfungen erforderlich sind. Die genaue Einstellung des Sensors ist auch noch nach dem Einbau möglich.
Dadurch, dass das zweite piezoelektrische Element größer als das erste piezoelektrische Element ist, kann durch die entsprechende Größe des zweiten piezoelektrischen Elements der Abstand gegenüber der Membran ausgeglichen werden und eine ausreichende Leistung auf die Membran übertragen werden. Außerdem ist auf diese Weise eine bessere Anbindung an weitere Strukturen des Ultraschallsensors möglich. Die beiden piezoelektrischen Elemente sind bevorzugt als Piezoscheiben ausgebildet. Weiterhin sind die piezoelektrischen Elemente günstigerweise koaxial angeordnet. Dadurch kann eine besonders gute Ausrichtung auf die Membran erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Diese ist bevorzugt als Lage eines dämpfenden Materials und dabei z. B. als Silikonschicht ausgebildet. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der piezoelektrischen Elemente vermieden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Membran einen abgewinkelten Rand auf. Dabei ist der abgewinkelte Rand der Membran bevorzugt mit dem zweiten piezoelektrischen Element verbunden. Insgesamt kann die Membran daher auch als topfartig bezeichnet werden, wobei auf dem Topfboden das erste piezoelektrische Element angeordnet ist und das zweite piezoelektrische Element mit den Topfwänden mit Abstand vom Boden verbunden ist. Der abgewinkelte Rand ist dabei bevorzugt im Bereich der Anbindung des zweiten piezoelektrischen Elements verdickt ausgebildet. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Wandstärke dieses abgewinkelten Randes im Bereich der Anbindung des zweiten piezoelektrischen Elements starker ist als in einem Bereich, der unmittelbar benachbart zur eigentlichen Membranfläche, also dem nicht abgewinkelten Bereich ist. Der Ultraschallsensor weist günstigerweise ein Gehäuse auf, in dem die Membran gehalten oder aufgenommen ist, so dass insgesamt ein geschlossener Ultraschallsensor entsteht. Eine Seite des Ultraschallsensors wird daher durch die Membran ausgebildet, während die übrigen Seiten durch die übrige Gehäusewandung geschlossen sind. Bevorzugt sind dabei die Membran und das Gehäuse über ein Entkopplungselement verbunden. In einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung ist zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element und dem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuseboden, eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Auch diese Dämpfungseinrichtung ist bevorzugt als eine Lage eines dämpfenden Materials, insbesondere als Silikonschicht ausgebildet. Die Dämpfungseinrichtung wird bevorzugt als Vergussmasse eingebracht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfasst der Ultraschallsensor mit Hilfe des ersten, nahe an der Membran angeordneten piezoelektrischen Elements einen großen Bereich mit einem großen Öffnungswinkel. Mit dieser Funktion wird eine Umfeldsensierung erreicht, die für die Abstandserkennung oder Parkdistanzüberwachung gewünscht wird. Der Ultraschallsensor ist mit Hilfe des zweiten, von der Membran beabstandeten piezoelektrischen Elements in der Lage, einen schmalen langen Bereich mit kleinem Öffnungswinkel zu erfassen. Auf diese Weise kann ein langer fokussierender Bereich abgescannt werden. Insbesondere können damit in der Vorbeifahrt Parklücken erkannt und ausgemessen und ausgewertet werden. Dies ist wichtig für die Funktion beim Einpark-Assistenten. Der Ultraschallsensor weist außerdem bevorzugt eine Elektronik auf oder eine solche Elektronik ist dem Ultraschallsensor zugeordnet, mit der der Ultraschallsensor so gesteuert werden kann, dass entweder nur das erste piezoelektrische Element oder das zweite piezoelektrische Element oder beide piezoelektrischen Elemente gemeinsam aktiv sind. Dadurch können die einzelnen Funktionen oder eine kombinierte Funktion erzeugt werden.
Insgesamt wird durch die Erfindung eine Integration von zwei piezoelektrischen Elementen oder Wandlern in einem Gehäuse oder einem Ultraschallsensor erreicht, die einzeln oder in Kombination betrieben werden können, um selektiv verschiedene Messbereiche mittels Ultraschall erfassen zu können. Es wird dadurch ein standardisierter Sensor geschaffen, der einheitlich eingebaut jedoch anforderungsspezifisch betrieben werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug oder ein Karosserieteil, insbesondere einen Stoßfänger, mit einem oben beschriebenen Ultraschallsensor.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor.
Der Ultraschallsensor 1 ist hier im Querschnitt dargestellt und zeigt an seiner in der Zeichnung oberen Seite eine Membran 2, über die der Ultraschall durch Schwingungen der Membran 2 in der Zeichnung nach oben abgestrahlt wird. An der Membran 2 ist ein piezoelektrisches Element angeordnet, im gezeigten Ausführungsbeispiel angeklebt. Dieses piezoelektrische Element 3 ist als Piezoscheibe ausgebildet und im Vergleich zu dem zweiten piezoelektrischen Element 4 klein ausgebildet. Das piezoelektrische Element 3 ist auch kleiner als die Membran 2, insbesondere etwa halb so groß wie die Membran 2. Das piezoelektrische Element hat einen Durchmesser, der etwa 40% bis 60% des Durchmessers des größeren piezoelektrischen Elements 4 entspricht. Die Membran 2 weist einen rechtwinklig nach unten abgewinkelten Rand 6 auf, so dass insgesamt ein topfartiges Element entsteht. Im Endbereich des umgewinkelten Randes 6 ist dieser verstärkt oder verdickt ausgebildet, so dass hier ein verbreiterter Rand 7 vorliegt. An diesem verbreiterten Rand 7 der Membran 2 ist ein zweites piezoelektrisches Element 4 angeordnet, das in seinen Abmessungen etwa der Größe der Membran 2, insbesondere der nach vorne abstrahlenden Fläche der Membran 2 entspricht. Die Übertragung der Schwingungen von dem zweiten piezoelektrischen Element 4 erfolgt zur Membran 2 im Wesentlichen über den Rand 6. Zwischen dem piezoelektrischen Element 3 und dem piezoelektrischen Element 4 ist eine Dämpfungseinrichtung 5, insbesondere eine Vergussmasse, vorgesehen. Dies kann insbesondere Silikon sein.
Das kleinere piezoelektrische Element 2 dient zur Erzeugung einer Ultraschallkeule mit breitem Öffnungswinkel während das größere piezoelektrische Element 4 zur Erzeugung einer schmalen Ultraschallkeule mit großer Reichweite dient. Eine zweite Dämpfungseinrichtung 10 ist unterhalb des zweiten piezoelektrischen Elements 4 durch eine Lage eines dämpfenden Materials, das als Vergussmasse eingebracht wird, realisiert. Das erste piezoelektrische Element 3 und das zweite piezoelektrische Element 4 sind mit einer Elektronik 11 kontaktiert, die die piezoelektrischen Elemente 3, 4 steuert. Insgesamt wird der Ultraschallsensor 1 eingehaust, wobei ein Gehäuse 9 den unteren Teil des Ultraschallsensors 1 abschirmt, während die Membran 2 mit ihrem Rand 6 den oberen Teil des Gehäuses abschirmt. Das Gehäuse 9 und die Membran 2 bzw. deren Rand sind über ein Entkopplungsteil 8 miteinander verbunden, so dass die Schwingungen der Membran 2 nicht auf das Gehäuse übertragen werden. Das Entkopplungsteil ist an dem verdickten Randbereich 7 angeordnet und stellt auf diese Weise eine mechanische Verbindung ausschließlich zwischen dem verdickten Randbereich 7 und dem Gehäuse 9 her. Das Entkopplungsteil 8 ist nicht mit dem piezoelektrischen Element 4 verbunden, sondern durch einen Zwischenraum 12 von diesem getrennt. Dieser Zwischenraum 12 kann entweder mit Luft oder einem dämpfenden Material gefüllt sein.

Claims

Ultraschallsensor mit einer Membran (2) und einem nah an der Membran (2) angeordneten piezoelektrischen Element (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) ein zweites piezoelektrisches Element (4) aufweist, dass das zweite piezoelektrische Element (4) weiter von der Membran (2) beabstandet ist als das nah daran angeordnete erste piezoelektrische Element (3), dass das zweite piezoelektrische Element (4) mit der Membran (2) in Wirkverbindung ist und dass das zweite piezoelektrische Element (4) größer ist als das erste piezoelektrische Element (3).
Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (3, 4) als Piezoscheiben ausgebildet sind.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (3, 4) koaxial angeordnet sind.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten piezoelektrischen Element (3) und dem zweiten piezoelektrischen Element (4) eine Dämpfungseinrichtung (5) vorgesehen ist.
Ultraschallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (5) als Lage eines dämpfenden Materials ausgebildet ist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) einen abgewinkelten Rand (6) aufweist, und dass der abgewinkelte Rand (6) der Membran (2) mit dem zweiten piezoelektrischen Element (4) verbunden ist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) ein Gehäuse (9) aufweist, in dem die Membran (2) gehalten ist, und dass die Membran (2) und das Gehäuse (9) über ein Entkopplungselement (8) verbunden sind.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element (4) und dem Gehäuse (9), insbesondere dem Gehäuseboden, eine Dämpfungseinrichtung (10) vorgesehen ist.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) mit Hilfe des ersten, an der Membran (2) angeordneten piezoelektrischen Elements (3) einen großen Bereich mit großem Öffnungswinkel erfasst.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) mit Hilfe des zweiten, von der Membran (2) beabstandeten piezoelektrischen Elements (4) einen schmalen langen Bereich mit kleinem Öffnungswinkel erfasst.
Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) eine Elektronik (11) aufweist oder dass ihm eine Elektronik zugeordnet ist, mit der die piezoelektrischen Elemente (3, 4) jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden können.
Karosserieteil, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Karosserieteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Karosserieteil ein Stoßdämpfer ist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug einen Ultraschallsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.