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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung für ein Straßenfahrzeug sowie ein Verfahren zur verdeckten Anbringung eines Ultraschallwandlers in einem Straßenfahrzeug, wobei die Ultraschallsensoranordnung mit dem entsprechenden Ultraschallwandler in dem Straßenfahrzeug zur Umfelderfassung genutzt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Umfeld eines Kraftfahrzeugs mittels Sensoren zu erfassen und die erfassten Sensorergebnisse auszuwerten, um Gegenstände in dem Umfeld zu erfassen, insbesondere indem ein oder mehrere Abstände zu Gegenständen in dem Umfeld ermittelt werden und hierüber auf Gegenstände geschlossen wird. Die so erfassten Ergebnisse werden für unterschiedliche Assistenzsysteme verwendet. Beispielsweise werden die Messergebnisse genutzt, um akustische Signals und/oder optische Signale an einen Fahrer eines Straßenfahrzeugs auszugeben, wenn sich dieser, insbesondere beim Einparken, einem Gegenstand im Umfeld des Fahrzeugs annähert. Als Straßenfahrzeuge werden hier alle motorgetriebenen Landfahrzeuge angesehen.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Sensoren bekannt, um eine Umfelderfassung auszuführen. Für eine Erfassung im Nahbereich des Fahrzeugs, welcher insbesondere bei geringen Geschwindigkeiten, beispielsweise beim Einparken, von besonderem Interesse ist, werden im Stand der Technik häufig Sensoren eingesetzt, mittels denen ein Signal ausgesandt wird, welches an Gegenständen im Umfeld des Kraftfahrzeugs reflektiert wird und anschließend von dem Sensor erfasst wird. Hierbei wird bei einem Typ von Messsensoren die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Sendesignals und dem Empfangen eines reflektierten Sendesignals, welches auch als Echosignal bezeichnet wird, ausgewertet. Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bekannt, so kann aus der Laufzeit auf die von dem Sendesignal und dem Echosignal zurückgelegte Strecke und somit die Entfernung zu einem nächstliegenden Gegenstand zurückgeschlossen werden. Werden mehrere Sensoren eingesetzt, welche an dem Kraftfahrzeug beabstandet zueinander angeordnet sind, so können mithilfe von Triangulationsverfahren auch Positionen der die Echoimpulse zurücksenden Gegenstände im Umfeld ermittelt werden.
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Für eine möglichst fehlerfreie Detektion ist es wünschenswert, eine hohe Signalstärke des reflektierten Signals zu erhalten. Dieses führt zu einem guten Signalrauschverhältnis, welches letztendlich für eine Detektionsgüte verantwortlich ist. Daher wurden Ultraschallsensoren gemäß dem Stand der Technik im Stoßfänger gewöhnlich in der Weise integriert, dass in eine äußere Fläche des Stoßfängers Öffnungen eingebracht werden, in die die Sende- und/oder Empfangssensoren eingesetzt werden. Häufig werden die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung in einen gemeinsamen Ultraschallwandler integriert, wobei dasselbe Schwingungselement sowohl zum Aussenden des Ultraschallsignals als auch zum Empfangen des Ultraschallsignals verwendet wird. Aus dem Stand der Technik sind hier beispielsweise Ultraschallwandler bekannt, welche Piezomaterialien zur Wandlung elektrischen Stroms in mechanische Schwingungen bzw. der mechanischen Schwingungen in elektrische Signale nutzen.
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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. In der
DE 199 23 065 B4 sind die Sensoren also nicht verdeckt, sondern in der gleichen Farbe gestaltet, so dass sie kaure noch sichtbar sind.
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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, wobei der Sensor an einer vorgegebenen Stelle des Kraftfahrzeug-Außenteils, vorzugsweise mit der Membran flächenbündig zur Außenfläche des Kraftfahrzeug-Außenteils, fest angeordnet wird und wobei 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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Aus aerodynamischen und optischen Gründen sowie fertigungstechnischen Überlegungen ist es jedoch wünschenswert, die Oberflächen der Stoßfänger, welche heutzutage häufig in derselben Farbe lackiert werden wie die übrigen Karosserieteile des Kraftfahrzeugs, nicht zu durchbrechen. Daher sind aus dem Stand der Technik auch Sensoren bekannt, die von außen nicht sichtbar in Karosserieteile, insbesondere Stoßfänger, von Kraftfahrzeugen integriert werden. Ein solcher Einbau eines Ultraschallsensors oder einer Ultraschallsensoranordnung, welche beim gewöhnlichen Betrieb des Kraftfahrzeugs von außen nicht sichtbar sind, werden als verdeckt verbaute Sensoranordnungen bezeichnet. Diese Anordnungen werden somit hinter einer äußeren Oberfläche anliegend an diese Oberfläche eines Karosseriebauteils angeordnet.
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Aus der
WO 2008/125260A1 ist die Anordnung eines als Piezokeramik-Element ausgebildeten Ultraschallwandlers bekannt, das in eine Piezokeramikmodul integriert ist. Das Piezokeramikmodul, welches unmittelbar an dem Piezokeramik-Element an dessen von dem äußeren Bauteil abgewandten Fläche anliegt, ist mit über das Piezokeramik-Element seitlich überragenden Abschnitten flächig ebenfalls an dem äußeren Bauteil befestigt. Hierdurch soll ein mechanischer Impedanzunterschied zwischen einem Teilbereich des äußeren Bauteiles und dem Rest des äußeren Bauteiles bewirkt werden, wobei nur der Teilbereich durch das Piezokeramik-Element zu Schwingungen angeregt werden soll. Bei einigen Ausführungsformen sind an einem Rand des Teilbereichs an der von dem äußeren Bauteil abgewandten Seite des Piezokeramikmoduls Verrippungen vorgesehen, um den Impedanzunterschied herbeizuführen. Andere Ausführungsformen sehen Modifikationen des Masse und/oder Steifigkeit in dem Teilbereich des äußeren Bauteils vor, um einen Impedanzunterschied zu bewirken.
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Aus der
US 2007/0024432 A1 ist eine verdeckte Anordnung eines Ultraschallsensors bekannt, der anliegend an eine vordere Wand eines Gehäuses angeordnet ist, welches mit der vorderen Wand an einer von dem Umfeld abgewandten Seite eines äußeren Karosseriebauteils flächig anliegend angeordnete und befestigt wird. Das Gehäuse ist an der von der vorderen Wand abgewandten Seite offen. Das als Ultraschallwandler benutzte Piezokeramik-Element liegt flächig an der Vorderseite des Gehäuses an. Zu den Seitenwänden und der offenen Seite hin ist das Piezokeramik-Element von einem Vibrationsabsorber umgeben. An der von der Vorderseite abgewandten Rückseite des Piezokeramik-Elements ist zwischen dem Vibrationsabsorber und dem Piezokeramikelement zusätzlich ein schallabsorbierendes Element angeordnet. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird jedoch ein Teilbereich des äußeren Karosseriebauteils zu Schwingungen angeregt, der sich seitlich über den Bereich hinaus erstreckt, an dem das Gehäuse anliegt, in dem das zur Wandlung benutzte Piezokeramik-Element angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2007 045 809 A1 ist eine Hindernisdetektorvorrichtung bekannt, die ein Wandteil und einen Ultraschallsensor umfasst. Das Wandteil umfasst ein Basisteil mit einer Innenfläche und das Basisteil erstreckt sich parallel zu einer imaginären Ebene. Der Ultraschallsensor ist an einer Innenfläche des Basisteils angeordnet, um die Ultraschallwelle über das Basisteil zu senden und zu empfangen. Der Ultraschallsensor enthält einen Ultraschallwandler und steht in Berührung mit dem Basisteil, und zwar über einen Kontaktabschnitt der Innenfläche des Basisteils. Das Wandteil enthält eine Vielzahl von die Steifigkeit ändernden Abschnitten, die an einem anderen Abschnitt der Innenfläche, verschieden von dem Kontaktabschnitt in einer Anordnungsrichtung weg von dem Kontaktabschnitt angeordnet sind. Die die Steifigkeit ändernden Abschnitte sind beispielsweise als umlaufende Rippen auf der Innenseite des Wandteils angeordnet. Eine Außenfläche ist eben und glatt ohne Durchbrüche ausgebildet.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen für einen verdeckten Verbau von Ultraschallsensoren, bei denen der Ultraschallwandler an der von dem Umfeld, welches überwacht werden soll, abgewandten Seite eines äußeren Karosseriebauteils angeordnet sind, erfolgt neben einer Abstrahlung von Ultraschall in dieses Umfeld auch eine Abstrahlung von Ultraschall in den rückwärtigen Raum, also den Raum vor der von dem Umfeld abgewandten Seite des Karosseriebauteils. Neben einer Abstrahlung in eine Umgebung eines Straßenfahrzeugs erfolgt somit auch eine Abstrahlung von Ultraschall ins ”Innere” des Kraftfahrzeugs. Nachteilig an dieser Tatsache ist, dass beabstandet zu dem äußeren Karosseriebauteil in der Regel weitere Strukturteile oder Fahrzeugkomponenten im ”Innern” angeordnet sind, welche den in das Fahrzeug hinein ausgesandten Ultraschall zu dem Ultraschallsensor bzw. dem äußeren Karosseriebauteil zurückreflektieren und dieses in Schwingung versetzen, welches durch den Ultraschallwandler als Echosignal detektiert wird. Hierdurch treten aufgrund des geringen Abstands dieser im Fahrzeug befindlichen reflektierenden Gegenstände zu dem äußeren Karosseriebauteil eine große Intensität aufweisende Echosignale noch während des Aussendens des Ultraschallsignals oder unmittelbar danach ein. Hierdurch wird eine Detektion von Objekten erschwert oder unmöglich gemacht, welche sich im unmittelbaren Nahbereich des Fahrzeugumfelds befinden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ultraschallsensoranordnung für einen verdeckten Verbau in einem Straßenfahrzeug sowie ein Verfahren zu dessen Anbringung zu schaffen, um störende unbeabsichtigte Aussendung von Ultraschall zu vermeiden oder zumindest stark zu unterdrücken.
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Die Erfindung wird durch eine Ultraschallsensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 erfinderisch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen gesamten Teilbereich, welcher zu Schwingungen beim Senden oder Empfangen von Ultraschallsignalen angeregt werden soll, zu dem rückwärtigen Raum, durch ein flächig geschlossenes Bauteil, beispielsweise eine Kappe, abzudecken, wobei diese nicht flächig an dem Teilbereich anliegt, um nicht selbst vollflächig zur Schwingung mit angeregt zu werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallsensoranordnung für einen verdeckten, an einem Straßenfahrzeug eingebauten Ultraschallwandler geschaffen wird, der elektrische Signale in Ultraschallschwingungen und/oder Ultraschallschwingungen in elektrische Signale wandelt und stoffschlüssig mit einer von dem Umfeld abgewandten Oberfläche eines Karosseriebauteils an einer Kontaktstelle stoffschlüssig verbunden ist oder wird, um das Karosseriebauteil beim Erzeugen der Ultraschallsignale in Schwingungen zu versetzen und auf einer dem Umfeld zugewandten Seite des Karosseriebauteils ein Ultraschallsignal in ein Umfeld auszusenden und/oder Schwingungen des Karosseriebauteils, die durch aus dem Umfeld zurückreflektierte Ultraschallechosignale verursacht sind, in elektrische Signale zu wandeln, wobei ein Sollschwingungsbereich des Karosseriebauteils durch eine Kappe begrenzt wird, deren umlaufende Wände stirnseitig mit der Oberfläche verbunden sind und die Kontaktstelle umlaufend umschließen, wobei die Kappe zusätzlich ausgebildet ist, ein Volumen oberhalb des Sollschwingungsbereichs der Oberfläche auf der von dem Umfeld abgewandten Seite des Karosseriebauteils nahezu vollständig geschlossen flächig, gegebenenfalls gemeinsam mit einem in einer Aufnahmeöffnung der Kappe eingesetzten Wandlergehäuse, zu umschließen. Es versteht sich, dass die umlaufenden Wände der Kappe mit ihren stirnseitig an der Oberfläche angebrachten Wänden nicht unmittelbar in Schallkontakt mit dem Ultraschallwandler angeordnet sind. Dies bedeutet, dass umlaufend um die Kontaktstelle ein Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und gegebenenfalls einem Gehäuse angrenzend an die Kontaktstelle und den mit ihren Stirnseiten auf die Oberfläche aufgebrachten umlaufenden Wänden der Kappe existieren.
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Durch die Kappe wird die in einen rückwärtigen Bereich abgestrahlte Ultraschallstrahlung, welche beim In-Schwingung-Versetzen des Sollschwingungsbereichs verursacht wird, durch die Kappe an einem Austreten in einen rückwärtigen Raum behindert. Um zu verhindern, das Ultraschallstrahlung an den Wänden der Kappe auf den Sollschwingungsbereich zurückreflektiert wird, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in dem von der Kappe umschlossenen Volumen ein Schallabsorber angeordnet wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schallabsorber als Festkörperelement, vorzugsweise mit einer Aufnahmeöffnung für den Ultraschallwandler oder dessen Gehäuse ausgebildet. Der Schallabsorber kann beispielsweise aus einem aufgeschäumten Material oder einem anderen elastischen Material bestehen, welches eine hohe Schallabsorption in dem Ultraschallfrequenzbereich aufweist, in dem die Ultraschallsignale durch den Ultraschallwandler erzeugt werden. Das Material, aus dem die Kappe besteht, ist in der Regel ein Material, welches eine schallharte Oberfläche bildet, da das Material der Kappe eine ausreichende Steifigkeit aufweisen muss, um den Sollschwingungsbereich, in welchem das Karosseriebauteil bei der Anregung durch den Ultraschallwandler Transversalschwingungen ausführt, gegenüber dem übrigen Bereich des Karosseriebauteils abzugrenzen und eine Ausbreitung der bei der. Ultraschallanregung erzeugten Transversalwellen zu verhindern. Ein bereits als Festkörperelement ausgebildeter Ultraschallwandler ist in der Handhabung einfacher als Ausführungsformen, bei denen der Schallabsorber als Schaum in das umschlossene Volumen eingespritzt wird. Solche Ausführungsformen weisen jedoch den Vorteil auf, dass ein möglicherweise existierender Spalt zwischen der Kappe und einem Ultraschallwandlergehäuse, welches in einer Aufnahmeöffnung der Kappe angeordnet ist, optimal zumindest durch den Schallabsorber verschlossen werden kann. Ebenso sind jedoch auch Mischformen denkbar, bei denen der Schallabsorber im Wesentlichen als Festkörperelement ausgebildet ist und lediglich Spaltöffnungen nach einer Anordnung der Kappe und des Ultraschallwandlers einschließlich seines Gehäuses an dem Karosseriebauteil mittels eines aufgeschäumten Schallabsorbers ausgefüllt und abgedichtet werden.
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Um ein gewünschtes Schwingen des Sollschwingungsbereichs der Oberfläche durch den Schallabsorber nicht zu behindern, ist der Schallabsorber vorzugsweise beabstandet von der Oberfläche des Karosseriebauteils in dem umschlossenen Volumen angeordnet. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise ein als Festkörperelement ausgebildeter Ultraschallwandler an einer von den Stirnflächen der umlaufenden Wände beabstandeten Rückwand oder beabstandet von den Stirnflächen an den umlaufenden Wänden vorzugsweise nur teilflächig mit einem elastischen Kleber fixiert werden. Die Fixierung wird so ausgeführt, dass eine möglichst geringe Schallkopplung zwischen dem Schallabsorber und dem Material der Kappe eintritt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kappe getrennt von dem Karosseriebauteil ausgebildet und auf das Karosseriebauteil aufgeklebt. Hierbei ist eine nicht nur stoffschlüssige, sondern auch möglichst kraftschlüssige Verbindung angestrebt, um die Eingrenzung des Sollschwingungsbereichs möglichst optimal zu gewährleisten. Transversalschwingungen des Sollschwingungsbereichs sollen sich nicht über den Abschnitt hinaus ausdehnen können, an dem die Stirnflächen der Kappe umlaufend um den Sollschwingungsbereich an dem Karosseriebauteil anliegen. Die Kappe kann hierzu an von den Stirnseiten der Wände, welche auf das Karosseriebauteil aufgeklebt werden, abgewandten Seite Verrippungen oder Ähnliches umfassen, um eine solche Eingrenzung der Transversalschwingungen in dem Sollschwingungsbereich zu erreichen. Ein Vorteil, die Kappe getrennt von dem Karosseriebauteil auszubilden, besteht darin, dass dieselben Karosseriebauteile für Straßenfahrzeuge verwendet werden können, die eine Umfelderfassungsvorrichtung mit einer Ultraschallsensoranordnung besitzen, und solche Fahrzeuge, die keine solche Umfelderfassungsvorrichtung aufweisen. Zusätzlich können die Ultraschallsensoranordnungen für ein solches Umfelderfassungssystem und weitere hierauf basierende Fahrzeugsysteme an bereits fertigen Fahrzeugen auf einfache Weise nachgerüstet werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann jedoch vorgesehen sein, dass die Kappe einstückig integral mit dem Karosseriebauteil ausgebildet wird.
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Bei beiden beschriebenen Ausführungsvarianten ist es vorteilhaft, wenn die Kappe als Halterung für ein Wandlergehäuse ausgebildete ist. Hierzu weist die Kappe vorzugsweise eine Aufnahmeöffnung für das Wandlergehäuse auf, so dass der Wandler gemeinsam mit dem Wandlergehäuse gegebenenfalls, sofern dies notwendig ist, ausgetauscht werden kann. Der Ultraschallwandler ist in dem Ultraschallwandlergehäuse an einer Vorderseite angeordnet, mit der das Wandlergehäuse bzw. der Ultraschallwandler flächig an der Kontaktstelle des Karosseriebauteils stoffschlüssig angeordnet wird oder ist. Der Ultraschallwandler und das Ultraschallwandlergehäuse sind so ausgebildet, dass keine Ultraschallsignale in den rückwärtigen Raum des Kraftfahrzeugs ausgesandt werden. Hierzu kann das Ultraschallwandlergehäuse an der rückwärtigen Seite ebenfalls eine geschlossene Oberfläche sowie zwischen dem eigentlichen Wandlerelement und der Gehäuserückwand eine Schalldämmung aufweisen, wie diese auch in dem von der Kappe umschlossenen Volumen vorgesehen ist.
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Andere Ausführungsformen können jedoch vorsehen, dass der Ultraschallwandler zunächst an dem Karosseriebauteil an der Kontaktstelle angebracht werden, anschließend der Schallabsorber und schließlich die Kappe über dem bereits fixierten Ultraschallwandler gegebenenfalls gemeinsam mit dem Schallabsorber angeordnet und an dem Karosseriebauteil mit den Stirnseiten befestigt wird.
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Die Kappe ist hinsichtlich ihrer Form darüber hinaus so ausgebildet, dass sie dem Sollschwingungsbereich eine optimale Flächenform zuweist, welche für eine optimale Ultraschallabstrahlung in des Umfeld des Fahrzeugs günstig ist. Während es in der Regel erwünscht ist, in Azimuthalwinkelrichtung, d. h. parallel zu einer Oberfläche, auf der sich das Fahrzeug bewegt, eine möglichst breit gefächerte Abstrahlung von Ultraschallsignalen zu erreichen, ist eine Abstrahlung senkrecht hierzu, welche mit einem Elevationswinkel verknüpft ist, in der Regel unerwünscht, um möglichst viel der Abstrahlungsenergie in den Horizontalwinkelbereich zu konzentrieren und andererseits um eine Energieabstrahlung möglichst zu minimieren, welche auf die Fahrbahn gerichtet ist und dort beispielsweise an Unebenheiten wie Gullydeckel, Schwellen auf der Fahrbahn und Ähnlichem Reflexe erzeugt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Öffnung des Volumens der Kappe zu der von dem Umfeld abgewandten Oberfläche des Karosseriebauteils in der Ebene der Stirnflächen entlang einer Richtung eine größere Ausdehnung als senkrecht hierzu auf. Die Anordnung erfolgt dann vorzugsweise so, dass die Richtung, entlang derer die durch die Stirnflächen definierte Öffnung der Kappe eine größere Ausdehnung aufweist, im Straßenfahrzeug an einem Karosseriebauteil horizontal orientiert ist. Die Ausdehnung entlang dieser Richtung ist vorzugsweise so gewählt, dass die durch eine Modenkonvertierung in dem Karosseriebauteil bei dessen Schwingung verursachten Nebenkeulen nahezu ungehindert in der horizontalen Richtung abgestrahlt werden. In der senkrecht hierzu orientierten Richtung wird jedoch versucht, nur die Hauptkeule, welche im Wesentlichen durch Longitudinalschwingungen entlang der Ausbreitungsrichtung der ursprünglichen die Anregung verursachenden Druckwelle des Ultraschalls verursacht wird, in das Umfeld abzustrahlen.
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Bei Ausführungsformen, bei denen nur die Hauptkeule abgestrahlt werden soll, kann die Öffnung des Volumens der Kappe auch in der horizontalen Richtung hinsichtlich ihrer Ausdehnung eingeschränkt werden. Die horizontale Richtung der Kappe bezieht sich hierbei auf jene Richtung, die im verbauten Zustand des Fahrzeugs horizontal ausgerichtet ist. Einige Ausführungsformen sehen eine kreisförmige Öffnung des von der Kappe umschlossenen Volumens vor, sofern nur eine Abstrahlung der Hauptkeule beabsichtigt ist.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum Anbringen eines verdeckt verbauten Ultraschallwandlers umfasst die Schritte: stoffschlüssiges Verbinden eines Ultraschallwandlers, der elektrische Signale in Ultraschallschwingungen und/oder Ultraschallschwingungen in elektrische Signale wandelt, an einer Kontaktstelle auf einer von einem Umfeld abgewandten Oberfläche eines Karosseriebauteils, um das Karosseriebauteil beim Erzeugen der Ultraschallsignale in Schwingungen zu versetzten und auf einer dem Umfeld zugewandten Seite des Karosseriebauteils ein Ultraschallsignal in ein Umfeld aussenden zu können und/oder Schwingungen des Karosseriebauteils, die durch aus dem Umfeld zurück reflektierte Ultraschallechosignale verursacht sind, in elektrische Signale wandeln zu können, Aufkleben von Stirnseiten umlaufender Wände einer Kappe auf die von dem Umfeld abgewandte Oberfläche des Karosseriebauteils, so dass die umlaufenden Wände die Kontaktstelle umlaufend umschließen und hierdurch einen Sollschwingungsbereich des Karosseriebauteils festlegen und die Kappe ein Volumen oberhalb des Sollschwingungsbereichs der Oberfläche auf der von dem Umfeld abgewandten Seite des Karosseriebauteils nahezu vollständig geschlossenflächig, gegebenenfalls gemeinsam mit dem in eine Aufnahmeöffnung der Kappe eingesetzten Wandlergehäuse, umschließt. Nahezu vollständig geschlossenflächig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kappe Durchführungsöffnungen, beispielsweise für das Wandlergehäuse oder elektrische Zuführungen, aufweisen kann. Diese Öffnungen sind jedoch entweder durch ein weiteres Verschlusselement geschlossen oder durch das in oder durch die Öffnung geführte Element, das Kabel oder das Wandlergehäuse, ausgefüllt, so dass das von der Kappe umschlossene Volumen und ein außerhalb der Kappe befindlicher Raum bis auf gegebenenfalls existierende, hinsichtlich ihrer Öffnungsbreite und -länge möglichst gering gehaltene Spaltöffnungen gegeneinander abgedichtet sind. Diese Spaltöffnungen können mit einem Schallabsorbermaterial abgedichtete werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem umschlossenen Volumen oberhalb des Sollschwingungsbereichs auf der von dem Umfeld abgewandten Seite des Karosseriebauteils ein Schallabsorber angeordnet wird. Dieses kann gemeinsam mit dem Aufkleben der Kappe erfolgen oder über ein Einspritzen eines aufschäumenden Materials nach dem Anordnen der Kappe und gegebenenfalls sogar nach dem Anordnen des Ultraschallwandlers erfolgen. Um eine Schwingungsfähigkeit des Sollschwingungsbereichs nicht zu beeinträchtigen, ist es vorteilhaft, während des Ausschäumens den Ultraschallwandler zu betreiben und den Schwingungsbereich in Schwingungen zu versetzen, so dass das eingeschäumte Material nicht das gesamte Volumen ausfüllt, sondern einen Abschnitt, in dem das Karosseriebauteil schwingt, ungefüllt lässt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1a, 1b ein nicht angeregtes (1a) und angeregtes (1b) Karosseriebauteil zur Veranschaulichung einer Modenkonversion;
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2 eine grafische Darstellung einer Laservibrometermessung zur Veranschaulichung der Schallabstrahlung an einem Karosseriebauteil, an dem ein Ultraschallwandler verdeckt angeordnet ist;
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3 eine grafische Darstellung einer schematischen Laservibrometermessung zur Veranschaulichung der Schallfeldabstrahlung, wie sie angestrebt ist;
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4 eine Explosionszeichnung einer Ultraschallsensoranordnung;
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5 eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschallsensoranordnung;
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6 eine Schnittdarstellung der Ultraschallsensoranordnung nach 5; und
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7 eine weitere Schnittdarstellung der Ultraschallsensoranordnung nach 5.
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In 1a ist ein flächig ausgebildetes Karosseriebauteil 1 schematisch im Schnitt dargestellt. Bei dem Karosseriebauteil 1 kann es sich beispielsweise um eine äußere Wand eines Stoßfängers eines Straßenfahrzeugs handeln. Das Karosseriebauteil 1 umfasst eine einem Umfeld 2 zugewandte Seite 3 und eine dem Umfeld abgewandte Seite 4. In 1a ist das Karosseriebauteil in Ruhe ohne eine Anregung dargestellt. Wird das Karosserieteil 1 auf der dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4 mittels eines Ultraschallwandlers (nicht dargestellt) an einer Kontaktstelle 5 mittels einer Druckwelle 8, deren Ausbreitungsrichtung über einen breiten Pfeil 6 angedeutet ist, angeregt, so läuft durch das Karosseriebauteil 1 parallel zur Einwirkung der Druckwelle 8. Diese Druckwelle 8 läuft durch das Karosseriebauteil 1 senkrecht zu deren flächiger Erstreckung hindurch und erzeugt eine parallel zu der Einwirkungsrichtung der Druckwelle 8 in das Umfeld 2 ausgesandte Ultraschalldruckwelle, welche eine Hauptkeule 9 des abgestrahlten Schallfelds im Umfeld 2 bildet. Zusätzlich bildet sich in dem Karosseriebauteil 1 jedoch auch eine transversale Schwingung aus, wie in 1b dargestellt ist. Die kleinen Pfeile 7 geben jeweils die lokale Schwingungsrichtung des Karosseriebauteils 1 zu einem exemplarisch dargestellten Zeitpunkt an. Aufgrund dieser teilweisen Modenkonversion von der Longitudinalschwingung einer Druckwelle 8 in eine Transversalschwingung werden zusätzlich in einem Öffnungswinkel gegenüber der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung der Druckwelle 8 Nebenkeulen 10 abgestrahlt. Insbesondere die Abstrahlung der Nebenkeulen 10 erfolgt jedoch nicht nur in Vorwärtsrichtung in das Umfeld 2, sondern auch in einen rückwärtigen Raum 11 auf der von dem Umfeld abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils.
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In 2 ist das Messergebnis einer Laservibrometermessung an einem als ebene Fläche ausgebildeten Karosseriebauteil 1 schematisch dargestellt, in dessen Mitte 15 an der von dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4, an einer flächig ausgedehnten Kontaktstelle 5 ein Ultraschallwandler 16 angeordnet ist. Gut zu erkennen sind in dem Ergebnis der Laservibrometermessung die Hauptkeule 9 sowie die Nebenkeulen 10, die sowohl in das Umfeld 2 als auch in den rückwärtigen Raum 11 abgestrahlt werden. Die in den rückwärtigen Raum 11 abgestrahlten Nebenkeulen 10 führen jedoch in der Regel durch in dem rückwärtigen Raum 11 angeordnete (nicht dargestellte) andere Fahrzeugkomponenten zu Echoimpulsen, welche eine sinnvolle Auswertung der aus dem Umfeld 2 zurückreflektierten Echosignale nahezu unmöglich macht.
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Es wird an dieser Stelle angemerkt, dass aufgrund des bei der Umfelderfassung angewendeten Laufzeitverfahrens eine zeitliche Trennung der aus dem rückwärtigen Raum 11 stammenden Echoimpulse von denen, die aus dem zu überwachenden Umfeld 2 stammen, nicht möglich ist. Insbesondere ist hierbei zu berücksichtigen, dass aufgrund der häufig geringen Abstände von anderen Fahrzeugkomponenten im rückwärtigen Raum 11 die zurückreflektierten Schallenergien im rückwärtigen Raum beträchtlich sind, so dass hier Mehrfachreflexionen auftreten können. Hierdurch sind die sich ergebenden scheinbaren Laufzeiten der Echoimpulse deutlich verlängert, so dass diese von Echoimpulsen aus einem relativ großen Entfernungsbereich im Umfeld 2 des Fahrzeugs nicht unterschieden werden können.
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In 3 ist schematisch ein Schallfeld dargestellt, wie es angestrebt wird. In das Umfeld 2 vor dem Karosseriebauteil 1 werden die Hauptkeule 9 sowie die Nebenkeulen 10 abgestrahlt. In den rückwärtigen Raum 11 wird jedoch kein Ultraschall abgestrahlt. Die Ausdehnung des Schwingungsbereichs, von dem aus die Hauptkeule 9 und die Nebenkeulen 10 abgestrahlt werden, ist mit l bezeichnet.
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Um eine solche Situation zu erreichen, kann eine Ultraschallsensoranordnung 20 verwendet werden, wie sie schematisch in einer Explosionszeichnung in der 4 dargestellt ist. Dargestellt ist ein Ausschnitt eines Karosseriebauteils 1. Auf dieses wird eine Kappe 21 vorzugsweise mit Stirnflächen 22 umlaufender Seitenwände 23 aufgeklebt. Die umlaufenden Seitenwände 23 und eine hier vorzugsweise einstückig ausgebildete Rückwand 24 umschließen ein Volumen geschlossenflächig bis auf eine Aufnahmeöffnung 25 für ein Wandlergehäuse 26. Die Aufnahmeöffnung 25 ist so an des Wandlergehäuse angepasst, dass die Öffnung vollständig durch das Wandlergehäuse verschlossen wird, wenn das Wandlergehäuse in der Kappe bzw. stoffschlüssig an einer Kontaktstelle 5 an der dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils 1 angeordnet ist. Die Stirnflächen 22 der Seitenwände 23 definieren eine Öffnung des umschlossenen Volumens. Die geometrische Form der Öffnung korrespondiert mit einer Form eines Sollschwingungsbereichs 51 des Karosseriebauteils 1, welcher bei einer Anregung des Ultraschallwandlers, welcher in dem Ultraschallwandlergehäuse 26 angeordnet ist, das Karosseriebauteil zur Aussendung von Ultraschall in das Umfeld 2 anregt. Entlang einer ersten Richtung 31 weist die Kappe 22 eine wesentlich größere Ausdehnung als entlang einer senkrecht zu der ersten Richtung orientierten zweiten Richtung 32 auf. Eine Öffnungslänge l der Kappe 21 entlang der ersten Richtung 31 ist so bemessen, dass diese einen Bereich auf der von dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils 1 überdeckt, welcher den Bereich umschließt, von dem aus die Hauptkeule 9 sowie die Nebenkeulen 10 in das Umfeld 2 in einer Ebene abgestrahlt werden, die durch die erste Richtung 31 und die Hauptausbreitungsrichtung 33 der Hauptkeule 9 des Ultraschallfelds 33 aufgespannt ist (vgl. 3). Die Länge der Kappe beträgt somit l + 2Δl, wobei l die „Länge” des Sollschwingungsbereichs und Δl die Wandstärke der Seitenwände 23 an den Stirnflächen 22 angibt. Parallel zu der zweiten Richtung 32 weist die Öffnung der Kappe 21 eine Öffnungsbreite b auf. Die Öffnungsbreite b ist so gewählt, dass die Kappe 21 lediglich den Bereich an der Kontaktstelle umschließt, von welchem aus die Hauptkeule der Ultraschallstrahlung ausgesandt wird.
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Zwischen der Rückwand 24 der Kappe 21 und der von dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils 1 ist ein Schallabsorber 41 angeordnet, der in dem von der Kappe 21 umschlossenen Volumen somit zwischen der Rückwand 24 und der von dem Umfeld abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils 1 aufgenommen wird. Hierbei wird sichergestellt, dass der Schallabsorber 41 einen Abstand zu der Oberfläche des Karosseriebauteils 1 auf der von dem Umfeld 2 abgewandten Seite 4 aufweist. Der Schallabsorber 41 ist ebenfalls mit einer Aufnahmeöffnung 42 für das Wandlergehäuse 26 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schallabsorber 41 als Festkörperelement aus einem ultraschallabsorbierenden Material ausgebildet.
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In 5 ist eine Draufsicht auf die Ultraschallsensoranordnung 20, betrachtet von dem Karosseriebauteil 1 aus, auf welches die Ultraschallsensoranordnung 20 aufgebracht wird, dargestellt. Gut zu erkennen ist die Stirnfläche 22 einer geschlossen umlaufenden Seitenwand 23 der Kappe 21. In dem von der Kappe umschlossenen Volumen ist der Schallabsorber 41 angeordnet. In der Mitte ist die Vorderseite des Wandlergehäuses zu sehen, welches in der Aufnahmeöffnung 42 des Schallabsorbers 41 bzw. der Aufnahmeöffnung 25 der Kappe 21 angeordnet ist. Die Basisfläche der Vorderseite des Wandlergehäuses legt im Wesentlichen die Größe der flächigen Ausdehnung der Kontaktstelle auf der von dem Umfeld abgewandten Seite des Karosseriebauteils fest. Ferner sind die Schnittlinien A und B eingezeichnet, die mit den entsprechenden Schnittansichten der 6 und 7 korrespondieren.
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Das eigentliche Wandlerelement (nicht dargestellt) ist im Innern des Wandlergehäuses, welches topfartig ausgebildet ist, an dessen Vorderseite flächig angeordnet. Eine zu denn rückwärtigen Raum verbleibende Öffnung ist gegen eine Schallabstrahlung durch ein nicht dargestelltes Verschlusselement und/oder Schallabsorbermaterialien gesichert. Zu erkennen ist, dass eine Materialstärke des Schallabsorbers 41 senkrecht zu den Stirnflächen 22 der umlaufenden Seitenwände 23 geringer als eine Tiefe t des von der Kappe umschlossenen Volumens 27 ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass zwischen einer Vorderseite 43 des Schallabsorbers und der von dem Umfeld abgewandten Seite 4 des Karosseriebauteils 1 ein Spalt verbleibt, so dass sich in dem durch die umlaufenden Seitenwände 23 umschlossenen Sollschwingungsbereich 51 Transversalschwingungen ausbilden können, um die Nebenkeulen in einer Horizontalfläche, wie sie durch die erste Richtung 31 und die Hauptausbreitungsrichtung 33 aufgespannt ist, aussenden zu können.
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Wie aus 7 zu erkennen ist, sind die umlaufenden Seitenwände von der Kontaktstelle 5 bezogen auf die zweite Richtung 32 von dieser beabstandet angeordnet, so dass keine unmittelbare Schalleinkopplung von dem Wandlergehäuse auf die umlaufenden Seitenwände 23 der Kappe 21 stattfindet. Das topfartig ausgebildete Wandlergehäuse kann einen umlaufenden flanschartigen Vorsprung 61 aufweisen, der so ausgebildet ist, dass dieser vollständig die Aufnahmeöffnung 25 in der Rückwand 24 der Kappe 21 schließt und zugleich rückwärtig über den Schallabsorber 41 greift. Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht eine optimale Schallabstrahlung in das Umfeld und unterdrückt eine Schallausbreitung in den rückwärtigen Raum 11 und verhindert somit störende Reflexionen aus dem rückwärtigen Raum 11.
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Bei den in den 4 bis 7 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist neben der Abstrahlung der Hauptkeule auch eine Abstrahlung von Nebenkeulen in einer ersten Richtung 31 vorgesehen. Bei anderen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Nebenkeulen weder entlang der ersten Richtung 31 noch der zweiten Richtung 32 abgestrahlt werden. In einem solchen Fall kann die Länge l verringert werden und beispielsweise identisch zur Breite b gewählt werden. In einem solchen Fall kann sich beispielsweise eine kreisrunde Öffnung des umschlossenen Volumens 27 und somit des Sollschwingungsbereichs 51 ergeben.
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Die in den einzelnen Figuren beschriebenen Merkmale können in beliebiger Kombination zur Verwirklichung der Erfindung genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Karosseriebauteil
- 2
- Umfeld
- 3
- dem Umfeld zugewandte Seite
- 4
- dem Umfeld abgewandte Seite
- 5
- Kontaktstelle
- 6
- breiter Pfeil
- 7
- kleiner Pfeil
- 8
- Ausbreitungsrichtung der Druckwelle
- 9
- Hauptkeule
- 10
- Nebenkeulen
- 11
- rückwärtiger Raum
- 15
- Mitte
- 16
- Ultraschallwandler
- 20
- Sensoranordnung
- 21
- Kappe
- 22
- Stirnflächen
- 23
- umlaufende Seitenwand/umlaufende Seitenwände
- 24
- Rückwand
- 25
- Aufnahmeöffnung
- 26
- Wandlergehäuse
- 27
- umschlossenes Volumen
- 31
- erste Richtung
- 32
- zweite Richtung
- l
- Länge
- Δl
- Wandstärke
- 33
- Hauptausbreitungsrichtung
- b
- Breite
- 41
- Schallabsorber
- 42
- Aufnahmeöffnung
- 43
- Vorderseite
- d
- Materialstärke (Schallabsorber)
- t
- Tiefe des umschlossenen Volumens
- 51
- Sollschwingungsbereich
- 61
- flanschartiger Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19714606 A1 [0005]
- DE 10018807 A1 [0005]
- DE 10023065 B4 [0007]
- DE 19923065 B4 [0007]
- DE 4410895 A1 [0008]
- WO 2008/125260 A1 [0010]
- US 2007/0024432 A1 [0011]
- DE 102007045809 A1 [0012]
