DE102010025194A1

DE102010025194A1 - Ultraschallwandler, Anordnung eines Ultraschallsensors in einem Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs und Herstellung der Anordnung

Info

Publication number: DE102010025194A1
Application number: DE102010025194A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kruse Frank; Claudia Prauße; Dr. Max Stephan
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-06-26
Filing date: 2010-06-26
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-27
Also published as: DE102010025194B4

Abstract

Bei einem Ultraschallwandler für ein äußeres Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs mit einer Ultraschalleinheit, gebildet aus einem Piezoaktuator und einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallwellen, und einer mit dem Piezoaktuator verbundenen Spannungszuführung, wird die Ultraschalleinheit durch einen flächig mit der Membran verbundenen Folienaktuator gebildet, wobei die Ultraschalleinheit in einem Mantel angeordnet ist, der die Ultraschalleinheit zumindest teilweise umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Ultraschallsensoranordnung in einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung eines derartigen Wandlers in einem Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 sowie ein Verfahren zum Ausbilden einer derartigen Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Heutige Fahrerassistenzsysteme, wie beispielsweise Parkassistenzsysteme zum unterstützten Ein- und Ausparken eines Kraftfahrzeugs, benötigen Informationen über das aktuelle Umfeld des Kraftfahrzeugs, welche von einer geeigneten Sensorik bereitgestellt wird. Dabei kommen zur Vermessung des Umfeldes im Nahbereich Ultraschallsensoren zum Einsatz, die Objekte und deren Abstände zum Kraftfahrzeug bestimmen, wobei derartige Ultraschallsensoren oftmals in den Stoßfängern des Kraftfahrzeugs angeordnet sind.
Die einfachste Anordnung eines Ultraschallsensors besteht darin den Stoßfänger mit einer Öffnung zu versehen und den Ultraschallsensor mit einer geeigneten Halterung in der Öffnung so zu platzieren, dass die abstrahlende Oberfläche des Sensors mit der Oberfläche des Stoßfängers bündig ist. Um eine Übertragung der abstrahlenden Energie auf den Stoßfänger zu verringern oder zu vermeiden, wird der Ultraschallsensor von dem Stoßfänger mit einem Dämpfungselement, beispielsweise einem Silikonring, entkoppelt. Zwar wird mit dieser Anordnung die Energie der Ultraschallwelle im Wesentlichen ungedämpft abgegeben, allerdings ist der Sensor von außen im Stoßfänger zu erkennen, wodurch das Erscheinungsbild des Kraftfahrzeugs gestört werden kann. Ferner ist der rückwärtige Platzbedarf aufgrund der zylindrischen Sensorform hoch.
Um die Sichtbarkeit des Sensors im Stoßfänger zu verhindern, wird in der Druckschrift DE 10 2008 007 042 A1 vorgeschlagen den Stoßfänger einschließlich des in einer Öffnung desselben angeordneten Ultraschallsensors mit einem farbigen Film zu überziehen, der als Überzug auf den Stoßfänger aufgeklebt wird. Damit wird zwar das Design des Kraftfahrzeugs nach außen gewahrt, allerdings kommen auch hier Ultraschallsensoren mit zylindrischer Form zum Einsatz, die nach hinten aus dem Stoßfänger herausragen und eine großen Platzbedarf haben. Weiterhin ist nicht sicher gewährleistet, dass der Sensor sich nicht durch die Folie nach außen abzeichnet.
Eine weitere Variante einer Anordnung eines Ultraschallsensors in einem Stoßfänger wird in der DE 42 38 924 A1 angegeben. Dort wird ein Ultraschallsensor mit einem piezoelektrischen Keramikkörper an der Innenseite der Außenwand eines Kraftfahrzeuges befestigt. Zur Begrenzung der Schwingung der angeregten Außenwand weist der Ultraschallsensor ferner ein Begrenzungsmittel auf, so dass die Schwingung im Wesentlichen auf die durch das Begrenzungsmittel definierte Fläche begrenzt wird. Allerdings wird die abgestrahlte Schalldruckverteilung durch die Außenwand geformt, so dass es zu unerwünschten Effekten bei der räumlichen Form der Schalldruckverteilung kommen kann. Ferner kann es zu einer unerwünschten Dämpfung der abgestrahlten Energie des Ultraschalls aufgrund einer eventuellen Dämpfung der Außenwand kommen, so dass die Leistung der Ultraschallquelle gesteigert werden muss, um eine ausreichend große abgestrahlte Energie zu erhalten.
Ferner werden Folienaktuatoren als Ultraschallquellen eingesetzt, die an der Innenwand eines Stoßfängers angeklebt werden und den Stoßfänger lokal zum Schwingen anregen, d. h. der Stoßfänger wirkt als Membran des Folienaktuators und strahlt Ultraschallwellen ab. Diese Vorgehensweise führt zu den folgenden massiven Problemen:

– Der Folienaktuator bringt über einen Kraftkopplung den Stoßfänger zum schwingen und die abgestrahlte Schalldruckverteilung wird direkt durch den Stoßfänger geformt. Diese Schwingung breitet sich in Abhängigkeit des Stoßfängers aus und wird in die Luft ausgekoppelt. Hierbei kommt es evtl. zu unerwünschten Effekten bei der Form der Schalldruckverteilung.
– Weiterhin besitzt der Stoßfänger eine hohe Dämpfung für Ultraschall, bzw. generell Schwingungen in dem entsprechenden Frequenzbereich. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Energie durch den Stoßfänger gedämpft wird. Um nun eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zu bestehenden Seriensystemen zu generieren, muss die Leistung des Aktuators deutlich gesteigert werden, was die Kosten und den Energiebedarf des Folienaktuators steigert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Ultraschallsensoranordnung mit einem folienartigen Aktuator insbesondere für den Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs anzugeben, womit die oben angegebenen Nachteile vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Anordnung eines derartigen Ultraschallwandlers in ein Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 5, sowie durch eine Verfahren zur Ausbildung eines mit einem Ultraschallwandler versehenen Kunststoffbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler für ein äußeres Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs mit einer Ultraschalleinheit, gebildet aus einem Piezoaktuator und einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallwellen, und einer mit dem Piezoaktuator verbundenen Spannungszuführung, wird die Ultraschalleinheit durch einen flächig mit der Membran verbundenen Folienaktuator gebildet, wobei die Ultraschalleinheit in einem Mantel angeordnet ist, der die Ultraschalleinheit zumindest teilweise umschließt. Vorteilhafterweise wird auf diese Weise eine äußerst flache Bauart des Ultraschallwandlers erreicht.
Vorzugsweise wird die abstrahlende Fläche der Membran von dem den Ultraschallwandler umgebenden Mantel nicht umschlossen. Mit anderen Worten, die Membran wird nicht vom Mantel abgedeckt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Mantel auch die abstrahlende Fläche der Membran abdeckt. In diesem Fall muss die Dicke des die Membran abdeckenden Mantels so gewählt werden, dass Dämpfung der Abstrahlung vertretbar ist.
Vorzugsweise weist der Mantel eine geringere Steifigkeit als die Membran auf, um den Ultraschallwandler vom Kunststoffbauteil akustisch zu isolieren. Mit anderen Worten, der Mantel ist aus einem akustisch ”weicheren” Material als die Ultraschalleinheit.
Vorzugsweise weist der Ultraschallwandler eine Dicke zwischen 0,5 mm und 2 mm und eine Membranfläche von 100 mm² bis 10.000 mm² auf.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung eines im Vorangegangenen erläuterten Ultraschallwandlers in ein äußeres Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs, wird der Ultraschallwandler in einer Aussparung des Kunststoffbauteils eingebettet, wobei die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers bündig mit der Oberfläche des Kunststoffbauteils ist. Ist die abstrahlende Fläche der Membran nicht vom Mantel bedeckt, so ist die Membranoberfläche bündig mit der Oberfläche des Kunststoffbauteils. Ist die Membranoberfläche von einer Mantelschicht bedeckt, so ist die Manteloberfläche bündig mit der Oberfläche des Kunststoffbauteils.
Es ist auch möglich, dass die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers mit einer Schutzschicht vorgegebener Dicke aus dem Material des Kunststoffbauteils abgedeckt ist. Dabei ist die vorgegebene Dicke der Schutzschicht kleiner oder gleich einem Drittel der Dicke des Kunststoffbauteils.
Insgesamt bedingt diese Anordnung vorteilhafterweise keine oder eine geringe Dämpfung der erzeugten Ultraschallwelle sowie eine vorbestimmbare räumliche Form der Abstrahlung.
Weiter bevorzugt wird das äußere Bauteil des Kraftfahrzeugs durch einen Stoßfänger gebildet.
Insbesondere kann die äußere Oberfläche des äußeren Bauteils mit darin angeordnetem Ultraschallwandler mit einer Lackierung überzogen werden, so dass der Ultraschallwandler von außen nicht sichtbar ist.
Weiter bevorzugt wird die Spannungszuführung des Ultraschallwandlers in der erfindungsgemäßen Ausführung zur rückwärtigen Oberfläche des Kunststoffbauteils geführt. Als Spannungszuführung kann ein Stecker oder ein geeignetes Kabel in Betracht kommen. Die Zuführung der notwendigen Spannung bzw. Abführung des Messsignals kann auch über eine geeignete drahtlose Energieübertragung an den Ultraschallwandler analog zu dem Transponderprinzip erfolgen. In diesem Fall muss der Ultraschallwandler mit einer entsprechenden Elektronik ausgerüstet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden einer im Vorangegangenen beschriebenen Anordnung in ein Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs erfolgt die Einbringung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers während des Spritzgussprozesses.
Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Ultraschallwandler als Einlegeteil über einen Schieber in die Spritzgussform eingebracht und direkt vom Spritzgussmaterial umspritzt werden.
Es ist jedoch nicht zwingend, dass das Einbringen des Ultraschallwandlers in das Kunststoffbauteil während des Spritzgießens erfolgt. Die notwenige Aussparung zur Aufnahme des Ultraschallwandlers kann beispielsweise auch durch geeignete mechanische Mittel erzeugt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
1 die Anordnung eines Folienaktuators in der Frontfläche eines Stoßfängers gemäß der Erfindung,
2 die Anordnung eines Folienaktuators an der inneren Oberfläche eines Stoßfängers nach dem Stand der Technik.
1 zeigt den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1 sowie seine Anordnung in einem Kunststoffbauteil, insbesondere einem Stoßfängers 7, eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Dabei umfasst der Ultraschallwandler 1 eine in Form einer Folie ausgelegten Piezoaktuator 2, dessen nach außen gerichtete Oberfläche, beispielsweise mittels einer Klebung, flächig mit einer Membran 3 aus einem geeigneten Material verbunden ist. Der Piezoaktuator 2 zusammen mit der Membran 3 wird als Ultraschalleinheit bezeichnet. Als Membranmaterial kommen geeignet schwingfähige Materialien, beispielsweise eine Aluminiumfolie o. ä., zum Einsatz. Die Piezostruktur der Folie 2 wird mittels eines Steckers 4 mit entsprechenden elektrischen Impulsen versorgt. Anstelle eines Steckers kann auch eine Festverdrahtung oder eine drahtlose Energieübertragung analog einem Transponder gewählt werden. Der Folienaktuator 2 kann beispielsweise ein MFC-Folienaktuator (MFC – Multi Fiber Composite) sein, wie er von den Herstellern SMART Material unter ”1–3 Fiber Composites” (Handelsname) oder Invent GmbH unter ”DuraAct Flächenwandler” (Handelsname) vertrieben wird.
Die aus Folie 2 und Membran 3 bestehende Ultraschalleinheit wird von einem Mantel 5 derart umgeben, dass die äußere Oberfläche der Membran 3 sowie die Durchführung des Steckers 4 zur Piezofolie 2 nicht bedeckt wird. Da sich die Ultraschalleinheit gemäß ihrer piezoelektrischen Eigenschaften ähnlich einem Bimetallstreifen verformt, dient der Mantel 5 u. a. dazu die Ultraschalleinheit in ihre Position zu halten und deren Verformung nicht zu behindern. Weiterhin hat der Mantel 5 die Aufgabe für eine akustische Isolierung der Ultraschalleinheit zu sorgen, um die Ausbreitung einer Oberflächenwelle auf dem Stoßfänger 7 zu verhindern. Daher wird für das Mantelmaterial ein schlechter Leiter für Schallwellen gewählt, also beispielsweise Gummi, Silikon oder ein geeignetes elastisches Schaummaterial.
Es ist auch möglich, dass der Mantel 5 die abstrahlende Fläche der Membran 4 bedeckt, wobei in diesem Fall die Dicke des die Membran bedeckenden Mantels geeignet gewählt wird, um die Dämpfung der abgestrahlten Energie in geeigneten Grenzen zu halten.
Wie sich aus der 1 ergibt, ist der Ultraschallwandler 1 so in einer Aussparung der äußeren Oberfläche des Stoßfängers 7 angeordnet, dass die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers 1, hier in 1 entspricht dies der Oberfläche der Membran 3, bündig mit der äußeren Oberfläche des Stoßfängers 7 ist. Um zu verhindern, dass der Ultraschallwandler 1 nach außen sichtbar erscheint. Wird die Oberfläche des Stoßfängers einschließlich der Membran 3 mit einer Lackierung 8 überzogen.
Eine weitere Möglichkeit der Anordnung eines Ultraschallwandlers 1 in dem Stoßfänger besteht darin, den Ultraschallwandler 1 tiefer in dem Stoßfänger 7 anzuordnen, so dass oberhalb der Membran 3 eine Schicht geeigneter Dicke aus dem Stoßfängermaterial, üblicherweise Polypropylen, aufgebracht ist. Damit wird erreicht, dass die Kontur 6 des Ultraschallwandlers 1 nicht durch die aufgebrachte Lackierung 8 durchscheinen. Zwar wird diese zusätzliche Schicht einen Teil der abgestrahlten Ultraschallwelle dämpfen, aber dies kann durch geeignete Wahl der zusätzlichen Schichtdicke in vertretbaren Grenzen gehaltert werden.
Die äußere geometrische Form des Ultraschallwandlers 1 kann entsprechend den Gegebenheiten gewählt werden. Vorzugsweise hat seine Oberfläche eine Größe von ca. 10 mm × 10 mm, d. h. 100 mm², bis zu 100 mm × 100 mm, d. h. 10.000 mm² im Fall eines Rechtecks. Die Flächenangaben sind nicht auf Rechtecke begrenzt. Bezüglich der Dicke des Ultraschallwandlers 1 gilt in einer bevorzugten Ausführungsform, dass die Piezoaktuatorfolie 2 üblicherweise eine Dicke von ca. 1/2 mm oder weniger und die Membran 3 ebenfalls eine Dicke von ca. 1/2 mm oder weniger hat. Die Dicke des Mantels 5 wird entsprechend der notwenigen Dämpfung gewählt und liegt auch im Bereich von ca. 1/2 mm. Da ein Stoßfänger 7 hat üblicherweise eine Dicke von ca. 3 mm aufweist, ragt der Ultraschallwandler 1 ca. 1,5 mm in den Stoßfänger herein. Die angegebenen Maße sind jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Um ein Abzeichnen des Ultraschallwandlers 1 unter der Lackierung 8 zu vermeiden, kann auf der Oberfläche der Membran 3 eine weitere Schutzschicht beispielsweise einer Dicke von 1/2 mm aus Stoßfängermaterial aufgebracht sein, wodurch der Ultraschallwandler 1 tiefer im Material des Stoßfängers 7 angeordnet ist.
2 zeigt eine bekannte Anordnung gemäß dem Stand der Technik, bei welcher der Stoßfänger 7 als Membran für den auf die Innenseite des Stoßfängers 7 aufgeklebten Folienaktuator 2 genutzt wird. Die Übertragung der Auslenkung des Folienaktuators 2 auf den Stoßfänger 7 führt zu einer Biegestruktur 9 in dem Stoßfänger 7 und einer Abstrahlung einer Schallwelle 10. Dieses führt zu den bereits oben diskutierten zwei massiven Problemen, nämlich zu unerwünschten Effekten bei der Form der Schalldruckverteilung und zu einer notwenigen Steigerung der Leistung des Aktuators 2 aufgrund der Dämpfung des Stoßfängers.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler
2: Folienaktuator (Piezoaktuator)
3: Membran
4: Stecker
5: Mantel
6: Kontur
7: Stoßfänger
8: Lackierung
9: Biegewelle
10: Schallwelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008007042 A1 [0004]
DE 4238924 A1 [0005]

Claims

Ultraschallwandler (1) für ein äußeres Kunststoffbauteil (7) eines Kraftfahrzeugs mit einer Ultraschalleinheit, gebildet aus einem Piezoaktuator (2) und einer Membran (3) zur Erzeugung von Ultraschallwellen, und einer mit dem Piezoaktuator verbundenen Spannungszuführung (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinheit (2, 3) durch einen flächig mit der Membran (3) verbundenen Folienaktuator (2) gebildet wird, wobei die Ultraschalleinheit (2, 3) in einem Mantel (5) angeordnet ist, der die Ultraschalleinheit (2, 3) zumindest teilweise umschließt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (5) die abstrahlende Fläche der Membran (3) der Ultraschalleinheit (2, 3) nicht umschließt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (4) eine geringere Steifigkeit als die Membran (3) aufweist.
Ultraschallwandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (1) eine Dicke zwischen 0,5 mm und 2 mm und eine Membranfläche von 100 mm² bis 10.000 mm² aufweist.
Anordnung eines Ultraschallwandlers (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche in ein äußeres Kunststoffbauteil (7) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) in einer Aussparung des Kunststoffbauteils (7) eingebettet ist, wobei die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers (1) bündig mit der äußeren Oberfläche des Kunststoffbauteils (7) ist oder die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers (1) mit einer Schutzschicht vorgegebener Dicke aus dem Material des Kunststoffbauteils abgedeckt ist, wobei die vorgegebene Dicke der Schutzschicht kleiner oder gleich einem Drittel der Dicke des Kunststoffbauteils ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Bauteil des Kraftfahrzeugs durch einen Stoßfänger (7) gebildet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des äußeren Bauteils (7) mit darin angeordnetem Ultraschallwandler (1) mit einer Lackierung (8) überzogen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszuführung (4) des Ultraschallwandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur rückwärtigen Oberfläche des Kunststoffbauteils (7) geführt wird.
Verfahren zum Ausbilden einer Anordnung eines Ultraschallwandlers (1) in einem Kunststoffbauteil eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Ultraschallwandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 während des Spritzgussprozesses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Einlegeteil über einen Schieber in die Spritzgussform eingebracht und direkt vom Spritzgussmaterial umspritzt wird.