DE102012208059A1

DE102012208059A1 - Trägerelement mit integrierter Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102012208059A1
Application number: DE201210208059
Authority: DE
Inventors: David Bartylla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: DE102012208059B4; CN103424181A; FR2990517A1; FR2990517B1; CN103424181B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (10) mit mindestens einer Sensoreinheit (11), die in einem Trägerelement (14) angeordnet ist und eine schwingfähige Membran (12) verbunden mit einem Piezoaktor (16) umfasst, wobei die Membran (12) formschlüssig als separate Komponente oder eine Fasermatte (40) in das Trägerelement (14) integriert ist und an einem schwingfähigen Bereich (26) der Membran (12) ein Dämpfungsmaterial (24) anliegt. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung sowie deren Verwendung zur Abstandsmessung in einem Fahrzeug.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit mindestens einer Sensoreinheit, die in einem Trägerelement angeordnet ist und eine schwingfähige Membran verbunden mit einem Piezoaktor umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Sensoranordnung sowie deren Verwendung zur Abstandsmessung in einem Fahrzeug.
Heutige Fahrzeuge sind mit Fahrassistenzsystemen ausgerüstet, die den Fahrer beim Führen des Fahrzeuges unterstützen. Derartige Fahrassistenzsysteme umfassen typischerweise Umfeldsensorik, die das Umfeld des Fahrzeuges überwacht, um beispielsweise Objekte zu selektieren, die potentielle Hindernisse auf der Fahrbahn darstellen. Zur Überwachung des Umfeldes im Nahbereich kommen üblicherweise Ultraschallsensoren zum Einsatz, die Objekte und deren Abstände zum Kraftfahrzeug bestimmen. Dabei sind die Ultraschallsensoren häufig in den Stoßfängern des Fahrzeuges untergebracht.
Aus DE 10 2008 018 110 A1 ist ein Ultraschallsensor bekannt, der Piezokeramik-Elemente umfasst, die in oder direkt hinter einem Stoßfänger appliziert werden. Auf diese Weise kann der Stoßfänger über das Piezokeramik-Element zum Aussenden von Ultraschallwellen angeregt werden bzw. eintreffende Ultraschallsignale empfangen.
Eine weitere Möglichkeit den Ultraschallsensor in einem Stoßfänger unterzubringen, ist in DE 100 39 060 A1 beschrieben. Dort wird ein Ultraschallwandler mit einem Entkoppelungsring versehen und in eine Aussparung in dem Stoßfänger eingesetzt. Weiterhin wird der Ultraschallsensor auf seiner dem Stoßfänger zugewandten Seite mit einer Abdeckung aus dünner Folie überzogen, um den Übertrag von Schwingungen des Stoßfängers auf die Sensoreinheit zu minimieren und gleichzeitig den Sensor in dem Stoßfänger möglichst unsichtbar vorzusehen. Aus US 2009/0223296 A1 ist eine weitere Ausgestaltung dieser Art bekannt. Hierbei ist der Ultraschallsensor mit einer dämpfenden Befestigungsstruktur in eine Durchgangsbohrung des Stoßfängers eingelassen. DE 10 2010 025 194 beschreibt eine weitere Anordnung, in der ein vorgefertigter Ultraschallsensor bei Herstellung des Stoßfängers eingegossen wird. Der Ultraschallsensor wird dabei aus einer Membran und einem Folienaktor gebildet, die von einer Mantelschicht umgeben sind.
Nachteilig an bekannten Sensorsystemen ist, dass die äußerste Schicht des Stoßfängers, meist eine Lackschicht, im Bereich des Ultraschallsensors schwächer ist und daher leicht beschädigt werden kann. So stellen insbesondere der Bereich der Aussparung, in die der Sensor eingelassen ist, und die Konturen zwischen der Aussparung und dem Sensor erhebliche Schwachstellen dar, in denen es zur Rissbildung kommen kann. Derartige Beschädigungen beeinträchtigen die Optik der Stoßfänger und lassen den zuvor unsichtbaren Ultraschallsensor wieder in Erscheinung treten. Ein weiterer Nachteil bekannter Anordnungen besteht darin, dass die Sensoreinheit bereits vor dem Einbringen in den Stoßfänger vollständig produziert werden muss, und die Sensoreinheiten oft komplex aufgebaut sind. Zusätzlich ist die Herstellung solcher Sensorsysteme aufwändig, und eine Anpassung an unterschiedliche Anwendung ist nur bedingt möglich. Es besteht daher ein anhaltendes Interesse daran, einfache und flexible Lösungen für Sensoren zu finden, die unsichtbar in Stoßfängern angeordnet sind, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Sensoranordnung mit mindestens einer Sensoreinheit vorgeschlagen, die in einem Trägerelement angeordnet ist und eine schwingfähige Membran verbunden mit einem Piezoaktor umfasst, wobei die Membran formschlüssig als separate Komponente oder in Form einer Fasermatte in das Trägerelement integriert ist und an einem schwingfähigen Bereich der Membran ein Dämpfungsmaterial anliegt.
Im Rahmen der Erfindung bezeichnet formschlüssig integriert, dass die Membran ohne zusätzliche mechanische oder adhäsive Befestigungsmittel, wie Kleber, Klemmen oder Schrauben, in das Trägerelement eingebettet ist. Die Membran steht also in direktem Kontakt mit dem Trägerelement und wird bevorzugt bei der Herstellung des Trägerelements, beispielsweise beim Spritzgießen, in diesem eingebettet.
Eine Fasermatte umfasst Fasern geordnet und/oder ungeordnet in mindestens einem Flächengebilde, wobei das Flächengebilde vorzugsweise in das Trägerelement eingebettet ist. Weiter bevorzugt ist die Fasermatte in einem Bereich vorgesehen, in dem das Trägerelement eine reduzierte Wandstärke aufweist. So kann der in der Wandstärke reduzierte Bereich des Trägerelements, in den die Fasermatte integriert ist, den schwingfähigen Bereich der Membran bilden. Der reduzierte Bereich kann dabei eine Dicke von einigen hundert µm bis einige mm aufweisen
Der schwingfähige Bereich der Membran bezeichnet den Bereich, in dem die Membran beim Empfangen oder Senden von Wellen, insbesondere beim Empfangen oder Senden von Ultraschallwellen, schwingt. Eine Seite der Membran ist vorzugsweise der Umgebung zugewandt, aus der die Sensoranordnung Wellen empfangen kann oder in die die Sensoranordnung Wellen aussenden kann. Das Dämpfungsmaterial liegt an der gegenüberliegenden Seite der Membran an, wobei die gegenüberliegende Seite der Umgebung, aus der die Sensoranordnung Wellen empfangen kann oder in die Sensoranordnung Wellen aussenden kann, abgewandt ist. Das Dämpfungsmaterial grenzt damit einseitig in dem schwingfähigen Bereich an die Membran an.
Das Trägerelement kann ein Bauteil, beispielsweise ein Kunststoffbauteil, an einem Fahrzeug umfassen, das dem Innenraum oder der Umgebung des Fahrzeuges zugewandt ist. Das Bauteil kann etwa Teil der äußeren Karosserieschale sein. Beispiele hierfür sind Stoßfänger, Stoßleisten, Türschutzleisten, Seitenschutzleisten, Spoiler, Nummernschilderrahmen, Türgriffe oder Außenspiegelgehäuse. Integriert in diese außenliegenden Bauteile kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung etwa als Abstandsensor zum Erfassen der Umgebung des Fahrzeuges genutzt werden. Alternativ kann sich das Bauteil, in das die Sensoranordnung integriert ist, im Fahrzeuginnenraum befinden. Beispiele für derartige Bauteile sind die Armaturen und Verkleidungen im Fahrzeuginnenraum. In dieser Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung etwa als Bewegungssensor zum Überwachen des Innenraums eingesetzt werden.
Das Trägerelement kann weiterhin aus spritzgussfähigen Kunststoffen gefertigt sein, die typischerweise im Fahrzeugbau beziehungsweise im Karosseriebau eingesetzt werden und im Rahmen eines Spritzgussverfahrens verarbeitet werden. Beispiele hierfür sind Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyaryletherketone (PAEK), insbesondere Polyetheretherketon (PEEK).
Ist die Membran als separate Komponente in das Trägerelement integriert, sind die Membran und das Trägerelement vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Insbesondere kann die Membran aus einem Material gefertigt sein, das eine höhere Steifigkeit aufweist als das Material des Trägerelementes. Ist die Membran in Form einer Fasermatte in das Trägerelement integriert, weist der Bereich des Trägerelements, in dem die Fasermatte eingebettet ist vorzugsweise eine höhere Steifigkeit aus. Die Steifigkeit beschreibt dabei den Widerstand eines Körpers gegen Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment und wird typischerweise über den Elastizitätsmodul definiert. Eine höhere Steifigkeit entspricht dabei einem größeren Elastizitätsmodul.
So kann das Trägerelement aus einem Kunststoff, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von einigen Tausend MPa, gefertigt sein. Im Vergleich dazu weist das Material der Membran oder das Trägerelement im Bereich der Fasermatte einen Elastizitätsmodul auf, der bevorzugt mindestens das 5-fache und besonders bevorzugt mindestens das 10-fache des entsprechenden Elastizitätsmoduls für das Material des Trägerelementes beträgt.
Die Membran als separate Komponente kann aus beispielsweise faserbasierten Kunstoffen, wie faserverstärkten Kunststoffen oder Metallen, wie Aluminium, gefertigt sein. Insbesondere eignen sich für die Membran Faser-Kunststoff-Verbunde, wie glasfaserverstärkte Kunststoffe, kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, metallfaserverstärkte Kunststoffe, aramidfaserverstärkte Kunststoffe, Aramid-Faserverbunde oder Kombinationen hieraus. Die separat ausgeführte Membran kann auch mehrschichtig aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Membran zwischen mindestens zwei Deckschichten mindestens eine Kernschicht aufweisen. Die Kernschicht weist dabei vorzugsweise eine höhere Steifigkeit auf als die Deckschicht, wogegen die Deckschicht eine höhere Festigkeit aufweist. Die Festigkeit der Deckschicht ist dabei insbesondere durch die Schlagzähigkeit bestimmt, die im Vergleich zu der Kernschicht größer ist. Derartige Membrane können eine Dicke von einigen hundert µm bis einige mm aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Membran durch Einbetten einer Fasermatte in das Trägerelement ausgebildet. Dabei kann die Fasermatte mindestens ein Flächengebilde mit geordneten und/oder ungeordneten Fasern umfassen, die in einem Gewebe, einem Multiaxialgelege, einem Geflecht, einem Feinschnitt, einem Abstandsgewebe, einem Gestrick, einem Gelege, einer Fasermatte, einem Filz oder einem Vlies enthalten sind. Bevorzugt ist ein Gewebe. Die Fasern können Kurzfasern mit einer Länge von 0,1 bis 1 mm, Langfasern mit einer Länge von 1 mm bis 50 mm und/oder Endlosfasern sein. Die Fasermatte kann dabei eine Dicke zwischen 1 und 500 µm, bevorzugt zwischen 7 und 150 µm, aufweisen.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Fasern weisen vorzugsweise eine hohe Festigkeit auf, um die Steifigkeit der Membran zu erhöhen. Diese Eigenschaft liefern unter anderem synthetische Fasern, wie Polyethylen-Fasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Mineralfasern, insbesondere Basaltfasern oder beliebige Kombination einer oder mehrerer dieser Fasern. Die Fasern der Fasermatte können ferner gleiche oder unterschiedliche Dimensionen aufweisen. So können die Länge und/oder der Querschnitt der Fasern variieren.
Vorzugsweise wird das Trägerelement durch Spritzgießen hergestellt und die vorgefertigte Membran als separate Komponente oder die Fasermatte während des Spritzgussprozesses als Einlage in das Trägerelement eingegossen. Dadurch wird die Membran als separate Komponente oder die Fasermatte direkt vom spritzgussfähigen Kunststoff umspritzt und somit unmittelbar in das Trägerelement integriert. Die Membran als separate Komponente ist dabei vorzugsweise so in das Trägerelement eingebettet, dass sie bündig mit dem Trägerelement abschließt. Die Membran als separate Komponente und das Trägerelement bilden vorzugweise eine Ebene. Alternativ kann die Membran als optisches Gestaltungelement genutzt werden und beispielsweise gegenüber der Fläche des Trägerelementes nach vorne oder hinten versetzt sein.
Ist die Membran formschlüssig als separate Komponente in das Trägerelement integriert, kann weiterhin eine Dämpfungsschicht zwischen der Membran und dem Trägerelement eingebracht sein. Insbesondere kann die Dämpfungsschicht zusammen mit der Membran beim Spritzgießen des Trägerelementes in dieses eingebracht werden. Die Dämpfungsschicht umfasst vorzugsweise ein Material mit einer geringeren Steifigkeit als die Membran und gegebenenfalls mit einer geringeren Steifigkeit als das Trägerelement, um die Schallübertragung zwischen der Membran und dem Trägerelement zu reduzieren.
In dem Trägerelement kann weiterhin mindestens eine Aussparung, bevorzugt eine durchgängige Aussparung oder ein Bereich mit verringerter Stärke in dem Trägerelement, vorgesehen sein, die den schwingfähigen Bereich der Membran definiert. Beispielsweise kann die Membran als separate Komponente größer dimensioniert sein als die Aussparung und damit einen nicht schwingfähigen Bereich bilden, der ebenfalls bündig mit dem Trägerelement abschließt.
In dem schwingfähigen Bereich der Membran, insbesondere in der Aussparung oder dem Bereich mit verringerter Stärke des Trägerelements, ist weiterhin ein Dämpfungsmaterial eingebracht, das die Aussparung oder dem Bereich mit verringerter Stärke vollständig oder zumindest teilweise ausfüllen kann. Vorzugsweise ist das Dämpfungsmaterial so gewählt, dass Bewegungsenergie der Membran in Wärme umgesetzt wird. Für das Dämpfungsmaterial eignen sich Kautschuke, beispielsweise Naturkautschuk, Polyolefinkautschuk, wie Ethylen-Propylen-Kautschuk, Polyisobutylenkautschuk, Butylkautschuk oder Ethylen-Vinylacetatkautschuk, Polydiene, beispielsweise Butadienkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien, Polyisopren, Polychloropren, Nitrilkautschuk oder Silikonkautschuk, Polysiloxane, beispielsweise Siloxan-Elastomere oder Siloxanharze, Polymerschäume, beispielsweise Polyurethan (PUR) Weichschaum, PUR Hartschaum, geschäumter Nitril-Butadien-Kauschuk oder geschäumte Phenoplasten, oder Kombinationen hieraus. Bevorzugt wird als Dämpfungsmaterial ein mehrkomponentiger Schaum, etwa ein mindestens zweikomponentiger RTV (Raum-Temperatur-Vernetzender) Schaum auf Silikonbasis, eingesetzt.
In einer weiteren Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst die Membran, die als separate Komponente ausgebildet ist, mindestens ein Verankerungselement, das in das Trägerelement hineinragt. Derartige Verankerungselemente können direkt in einem an die Aussparung angrenzenden Bereich in das Trägerelement hineinragen. Zusätzlich oder alternativ können Verankerungselemente in einem Bereich vorgesehen sein, in dem die Membran über den Bereich der Aussparung hinausragt.
Zur Anbindung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung an elektronische Einheiten, etwa ein Steuergerät, einen Signalgenerator oder eine Spannungsversorgung, kann weiterhin eine Halterung vorgesehen sein, die in die Membran oder das Trägerelement integriert ist oder separat ausgeführt ist. Für eine in die Membran integrierte Halterung können an der Membran Stege ausgeführt sein, die von der Membran entlang der vorzugsweise durchgängigen Aussparung in den rückwärtigen, von außen nicht sichtbaren Teil des Trägerelementes ragen. Für eine in das Trägerelement integrierte Halterung können in dem schwingfähigen Bereich des Trägerelementes Stege ausgeführt sein, die in den rückwärtigen, von außen nicht sichtbaren Teil des Trägerelementes ragen. Eine separat ausgeführte Halterung kann in dem rückwärtigen, von außen nicht sichtbaren Teil des Trägerelementes, vorzugsweise angrenzend an die durchgängige Aussparung im Trägerelement oder den Bereich mit verringerter Stärke, befestigt sein.
Der Piezoaktor kann direkt oder indirekt an die elektronische Einheit angebunden sein. Beispielsweise können zwei Drähte von dem Piezoaktor zu der elektronischen Einheit geführt werden, um eine indirekte Anbindung zu verwirklichen. Alternativ kann eine metallische oder metallisierte Membran direkt kontaktiert werden. So kann beispielsweise durch leitenden Kleber ein direkter Kontakt zwischen dem Piezoaktor und der Membran hergestellt werden. Auch eine Umkontaktierung des Piezoaktors, bei der beide Drähte auf einer Seite der Piezo-Oberfläche angebracht sind, ist möglich. Zudem kann ein Abschirmgehäuse innerhalb der Aussparung im Trägerelement oder in den Bereich mit verringerter Stärke eingebracht werden, das mit dem schwingungsfähigen Bereich der Membran nicht in Kontakt steht, um die Schwingung nicht zu beeinträchtigen.
In einer weiteren Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst das Trägerelement eine Versteifung, die die Membran oder den als Membran ausgebildeten Bereich umgibt. So kann zum Bespiel ein Metallgewebe in das Trägerelement eingebettet sein, um dem Trägerelement im Bereich der Membran eine bessere Stabilität zu verleihen.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung oben beschriebener Sensoranordnung mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellen einer Membran als separate Komponente oder einer Fasermatte;
b) Eingießen der Membran oder der Fasermatte als Einlage in das Trägerelement;
c) Einbringen weiterer Mittel zum Betreiben der Sensoreinheit;
d) Einbringen eines Dämpfungsmaterials in einen schwingfähigen Bereich der Membran.

Dabei können die Mittel zum Betreiben der Sensoreinheit mindestens einen Piezoaktor sowie Mittel zur elektronischen Anbindung der Sensoreinheit, etwa eine Halterung, umfassen. Vorzugsweise wird im Spritzgussprozess mindestens eine Aussparung in dem Trägerelement ausgebildet, wodurch der schwingfähige Bereich der Membran definiert wird. Dadurch kann das Trägerelement bis auf die Membran oder die Fasermatte unabhängig von weiteren Teilen der Sensoreinheit gefertigt werden, was eine höhere Flexibilität im Fertigungsprozess ermöglicht.
Die vorstehend beschriebene Sensoranordnung wird bevorzugt in einem Fahrzeugbauteil als Trägerelement verwendet. In dieser Konfiguration dient die erfindungsgemäße Sensoranordnung weiter bevorzugt zur Abstandsmessung in einem Fahrzeug und kann so einer übergeordneten Einheit, wie einem Fahrassistenzsystem, Abstandsdaten bereitstellen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt eine robuste und flexible Lösung bereit, um eine Sensoreinheit nicht sichtbar in einem Trägerelement, insbesondere in einem Bauteil am Fahrzeug, zu integrieren. Weiterhin ermöglicht es der einfache Aufbau, eine voll funktionsfähige Sensoreinheit einfach und kostengünstig zu fertigen.
Durch die unmittelbare Verbindung des Trägerelements mit der als separate Komponente ausgeführten Membran oder durch das Einbringen einer Fasermatte werden sichtbare Fugen zwischen den Einzelteilen vermieden. Insbesondere bei beschichteten Bauteilen, beispielsweise lackierten Stoßfängern, ergeben sich damit keine Schwachstellen, die für Beschädigungen anfällig sind und zur Rissbildung neigen. Zusätzlich ist eine derartige Ausgestaltung leicht zu produzieren und lässt genügend Flexibilität, um die Sensoreinheit auch nach Produktion des Trägerelementes an entsprechende Anwendungen anzupassen.
Da die Membran als separate Komponente in der Sensoranordnung vorgesehen wird oder durch Einbringen einer Fasermatte in einen Bereich verringerter Stärke ausgebildet wird, können die Eigenschaften der Membran spezifisch angepasst werden. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz einer als Ultraschallsensor betriebenen Sensoreinheit durch die Materialwahl und Geometrie der separat ausgeführten Membran oder der Fasermatte an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Auch die Wahl des Dämpfungsmaterials im schwingfähigen Bereich wirkt sich auf die Resonanzfrequenz und die Auslenkung der Membran aus, welche den Schalldruck und damit auch die Bandbreite der Sensoreinheit bestimmt, und kann nach dem Herstellen des Trägerelement-Membran-Verbundes entsprechend angepasst werden. Weiterhin wird durch das Dämpfungsmaterial, das im schwingfähigen Bereich der Membran vorgesehen ist, die Funktion der Sensoreinheit unterstützt, indem Störungen von außen gedämpft werden. Auf diese Weise kann in Bezug auf die Funktionalität und die optische Wirkung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ein optimales Ergebnis erzielt werden.
Zusätzlich ist die elektrische Anbindung der Sensoreinheit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung einfach zu realisieren. So können die Drahtführung und die Anzahl der Drähte je nach Anwendung und Umgebung, an die die Sensoreinheit elektrisch angebunden werden soll, flexibel gestaltet werden. Weitere Maßnahmen, wie das metallisieren der Membran oder das Vorsehen eines Abschirmgehäuses, erlauben eine elektrische Abschirmung des Systems und vermindern dadurch das Auftreten elektrischer Störungen.
Auch das Zusammenspiel zwischen dem Trägerelement und der separat oder durch die Fasermatte ausgeführten Membran bei Umwelteinflüssen, etwa Temperaturschwankungen, kann durch eine abgestimmte Materialwahl optimiert werden. Beispielsweise kann ein steiferes Material für die Membran gewählt werden, wobei die Steifigkeit nur geringen Schwankungen durch Temperaturänderungen unterliegt. Insbesondere bei Trägerelementen, die starken Umwelteinflüssen unterliegen, wie Stoßstangen, können Verankerungselemente in der Membran oder Versteifungen im Trägerelement zusätzliche Stabilität bieten.
Die Konstruktion der erfindungsgemäßen Sensoranordnung stellt eine einfach herzustellende und in der expliziten Ausführung sehr flexible Lösung bereit, die ohne weiteres auch nach Herstellen des Trägerelementes variiert werden kann. Derartige Sensoranordnungen kommen in verschiedenen Applikationen zum Einsatz und die erfindungsgemäße Sensoranordnung ermöglicht es, im Laufe des Herstellungsprozesses eine kostengünstige und einfache Anpassung vorzunehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen in einem Stoßfänger integrierten Sensoranordnung in schematischer Darstellung,
2 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit separat ausgeführter Membran in schematischer Darstellung,
3 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer in die Membran integrierten Halterung,
4 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer von der Membran unabhängigen Halterung,
5 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einer elektronischen Abschirmung und einer Ringversteifung,
6 ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung illustriert.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Sensoranordnung 10, in der eine Sensoreinheit 11 Teil eines Stoßfängers 14 bildet. Hierbei ist die Sensoreinheit 11 als Ultraschallwandler mit einer Membran 12 und einem Piezoaktor 16 ausgeführt. Weiterhin wird die Membran 12 durch den Stoßfänger 14 selbst gebildet, indem der Stoßfänger 14 im Bereich der Sensoreinheit 11 mit einer geringeren Wandstärke 20 ausgeführt ist und in diesem Bereich eine Fasermatte 40 eingebettet ist. Die Fasermatte 40 wird vorzugsweise während des Spritzgießens des Stoßfängers 14 in diesem eingebettet. Die Fasermatte kann dabei im Bereich der Aussparung 32, die durch die geringere Wandstärke des Trägerelements gebildet ist, vorgesehen sein oder an den Rändern über diesen Bereich hinausragen. Dadurch kann der Bereich der Membran 12 steifer ausgestaltet werden und die charakteristische Größen der Sensoreinheit, wie die Resonanzfrequenz angepasst werden. Um Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, ist ein Piezoaktor 16 unmittelbar mit der als Membran 12 genutzten Stoßfänger 14 verbunden. Wird der Piezoaktor 16 über Signalleitungen 22 mit einem entsprechenden Signal beaufschlagt, beginnt die Membran 12 zu schwingen und Ultraschallwellen werden ausgesendet. Beginnt im umgekehrten Fall beim Empfangen von Ultraschallsignalen die Membran 12 zu schwingen, detektiert der Piezoaktor 16 eine Spannungsänderung. So kann die Sensoranordnung 10 sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallsignalen eingesetzt werden.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Hierbei ist die Sensoreinheit 11 in dem Trägerelement 14, beispielsweise in einem Stoßfänger, integriert. Die Sensoreinheit 11 umfasst eine Membran 12 und einen Piezoaktor 16, wobei die Membran 12 als separate Komponente unmittelbar formschlüssig in das Trägerelement 14, das typischerweise aus einem Kunststoffmaterial wie ABS gefertigt ist, integriert ist. Hierzu wird die Membran 12 als vorproduzierte, separate Komponente beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff bereitgestellt und bei der Herstellung des Trägerelementes 14 während des Spritzgussprozesses als Einlage in dem Trägerelement 14 eingebracht. So wird die Membran 12 unmittelbar von dem Spritzgussmaterial des Trägerelementes 14 umspritzt und formschlüssig in das Trägerelement 14 eingebettet.
Für die erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 ist die Membran 12 aus einem steiferen Material als das Trägerelement 14 gefertigt. Dazu eignen sich beispielsweise Faser-Kunststoff-Verbunde, die mittels Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern oder Metallfasern verstärkt sein können. Alternativ kann die Membran 12 auch aus einem Metall, wie Aluminium, gefertigt sein. Mit der Materialwahl für die Membran 12 kann zum Beispiel die Steifigkeit der Membran 12 und damit die Resonanzfrequenz angepasst werden. So resultiert eine um einige Potenzen höhere Steifigkeit der Membran 12 in einer höheren Resonanzfrequenz der Sensoreinheit. Zusätzlich haben Kunststoff-Faser-Verbunde den Vorteil, dass die Steifigkeit nur wenig temperaturabhängig beziehungsweise weniger temperaturabhängig als bei reinen Kunststoffen ist.
Die Membran 12 ist bündig mit der Vorderkante des Trägerelements 14 ausgerichtet, um eine möglichst ebene und optisch einwandfreie Fläche zu bilden. Alternativ können auch Unebenheiten in der Membran vorgesehen sein, die eine besondere Richtcharakteristik, beispielsweise eine konvexe oder konkave Richtcharakteristik, ermöglichen. Ein Piezoaktor 16 ist auf der rückwärtigen Seite der Membran 12 vorgesehen, wobei die rückwärtige Seite der Membran 12 der mit dem Trägerelement 14 bündigen Seite abgewandt ist. In diesem Bereich ist eine Aussparung 32 in dem Trägerelement 14 vorgesehen. Im Bereich 26 der Aussparung 32 ist die Membran 12 somit schwingfähig. Um mögliche Störungen von der Innenseite des Trägerelements 14, also der dem Piezoaktor 16 zugewandten Seite, zu verhindern, ist ein Dämpfungsmaterial 24 in die Aussparung 32 eingebracht. Mögliche Dämpfungsmaterialien 24 sind mehrkomponentige Schäume auf Silikonbasis. Zur Spannungsversorgung der Sensoreinheit 11 sind Kabel 22 vom Piezoaktor 16 über das Dämpfungsmaterial 24 in den rückwärtigen, nicht sichtbaren Teil des Trägerelementes 14 geführt, wo die elektrische Anbindung an weitere Elektronik erfolgt (nicht dargestellt).
Die Membran 12 umfasst in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen schwingfähigen Bereich 26, in dem der Piezoaktor 16 vorgesehen ist, sowie einen Verankerungsbereich 28 der zur weiteren Befestigung in dem Trägerelement 14 dient. Dazu ist die Ausdehnung der Membran 12 größer als die der Aussparung 32 und im Verankerungsbereich 28 ragen weitere Verankerungselemente 30 in das Trägerelement 14 hinein. Der Verankerungsbereich 28 und die Verankerungselemente 30 erstrecken sich vorzugsweise ringförmig entlang des vollen Umfangs der bevorzugt kreisförmigen oder elliptischen Membran 12.
3 zeigt eine zu 2 analoge Sensoranordnung, die zusätzlich eine Halterung 32 umfasst. Die Halterung 32 erleichtert das Einführen von Dämpfungsmaterial 24 in die Aussparung 32 und das Befestigen von Elektronik zur Steuerung und Überwachung der Sensoreinheit 11. Die Halterung 32 ist in der in 3 gezeigten Ausführungsform einteilig mit der Membran 12 ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Membran 12 inklusive der Halterung 32 unmittelbar während des Spritzgießens der Stoßfänger 14 eingebracht werden kann. Somit sind keine weiteren Schritte erforderlich, um eine Halterung vorzusehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Halterung 34 ist in 4 gezeigt. Hier wird die Halterung unabhängig von der Membran 12 auf der rückwärtigen, nicht sichtbaren Seite des Trägerelementes 14 vorgesehen. Insbesondere kann die Halterung 32 als Winkelstück ausgeführt sein, das die Aussparung 32 verlängert und mit dem abgewinkelten Teil auf dem Trägerelement 14 befestigt ist.
Die elektrische Anbindung der Piezokeramik 16 und die Spannungsversorgung der Sensoreinheiten 11 können auf unterschiedliche Weise erfolgen. In der einfachsten Ausführungsform kann, wie in den 2 bis 4 dargestellt, eine passive Anbindung der Piezokeramik 16 erfolgen. Dabei werden zwei abgeschirmte Drähte 22 von der Piezokeramik 16 zu einem Steuergerät beispielsweise eines Fahrassistenzsystems geführt (nicht dargestellt). Dadurch kann die Auswertelektronik zentralisiert werden und Kosten eingesparten werden.
Ist eine Abschirmung notwendig, so kann die Membran 12, sofern diese nicht aus Metall gefertigt ist, metallisiert werden und beispielsweise über einen leitenden Kleber kontaktiert werden. Die metallische oder metallisierte Membran 12 kann in dieser Ausführung direkt kontaktiert werden, wodurch zumindest ein Draht 22 zum Piezoaktor 16 eingespart werden kann. Als weitere Maßnahmen zur Abschirmung kann ein Gehäuse 38 in die Aussparung 32 des Trägerelementes 14 eingebracht werden, das Störungen abhält. Das Gehäuse 38 ist in der gezeigten Ausführungsform entlang des Randes der Aussparung 32 bis zu dem Piezoaktor 16 geführt, um eine optimale Abschirmung zu erreichen. Weiterhin steht die Abschirmung nicht mit der Membran 12 beziehungsweise deren schwingfähigem Bereich 26 in Verbindung, um Schwingungen nicht zu beeinträchtigen.
5 zeigt eine weitere Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10, die der in 3 gezeigten Anordnung im Wesentlichen entspricht. Im Unterschied zu 2 umfasst die Sensoranordnung 10 eine ringförmige Versteifung 36, die unmittelbar an die Membran 12 angrenzend oder in einem Abstand zu der Membran 12 vorgesehen sein kann. Als Ringversteifung 36 eignen sich beispielsweise Metallgewebe, die ebenfalls während des Spritzgießens in das Trägerelement 14 eingegossen werden. Derartige Metallgewebe schützen die Sensoranordnung 10 bei Temperaturveränderung vor Schäden. So kann sich das Trägerelement 14 beispielsweise bei Sonneneinstrahlung mit einem anderen Ausdehnungskoeffizienten ausdehnen als die Membran 12. Dies kann zu Spannungen an den Schnittstellen zwischen der Membran 12 und dem Trägerelement 14 führen, die schließlich in Lackschäden oder Rissen resultieren und die Optik des Trägerelementes negativ beeinflussen. Die Ringversteifung 36 in dem Trägerelement 14 bietet weiteren Schutz, um solche Beschädigungen zu vermeiden.
Die in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen, in denen die Membran 12 als separate Komponente in das Trägerelement 14 integriert ist, sind in gleicher Weise auch für die in 1 gezeigte Ausführungsform realisierbar. So kann insbesondere die Halterung 34, wie in den 3 bis 5 gezeigt, auch in der Ausführungsform vorgesehen sein, in der die Membran 12 durch die Fasermatte 40 in dem Bereich 26 mit geringerer Wandstärke 20 ausgestaltet ist.
6 zeigt ein Flussdiagramm 60, das den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 illustriert.
In Schritt 62 wird zunächst eine Membran 12 oder eine Fasermatte 40 bereitgestellt, die je nach Anwendung in einer passenden Form und aus den passenden Materialien vor Herstellen des Trägerelementes 14 produziert wird. In Schritt 64 wird das Trägerelement 14 durch Spritzgießen in eine gegebene Form gegossen. Die vorproduzierte Membran 12 oder die Fasermatte 40 wird während des Spritzgussprozesses als Einlage von dem Spritzgussmaterial direkt umspritzt und somit formschlüssig in das Trägerelement 14 integriert.
Nach Herstellen des Trägerelementes 14 mit integrierter Membran 14 oder integrierter Fasermatte 40 wird die Sensoreinheit 11 mit weiteren Mitteln versehen (Schritt 66), die zum Betreiben der Sensoreinheit 11 notwendig sind. Beispielsweise wird zunächst die Spannungsführung 22 und die elektrische Anbindung an weitere elektronische Einheiten eingerichtet. So kann die Anbindung des Piezoaktors 16 über Drähte erfolgen. Weiterhin kann die separat oder durch eine Fasermatte integrierte Membran 12 metallisiert und damit direkt kontaktierbar sein. In einem nächsten Schritt 68 wird schließlich das Dämpfungsmaterial 24 in die Aussparung 32 des Trägerelements 14 eingebracht.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 bietet eine flexible und robuste Lösung, um Sensoreinheiten in Trägerelementen 14 zu integrieren. So kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 in Bezug auf die Funktionalität und die optische Wirkung ein optimales Ergebnis erzielen. Durch die hohe konstruktive Flexibilität wird die Herstellung derartiger Sensoranordnungen 10 vereinfacht und kann ohne größeren Aufwand an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb der durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereiche eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008018110 A1 [0003]
DE 10039060 A1 [0004]
US 2009/0223296 A1 [0004]
DE 102010025194 [0004]

Claims

Sensoranordnung (10) mit mindestens einer Sensoreinheit (11), die in einem Trägerelement (14) angeordnet ist und eine schwingfähige Membran (12) verbunden mit einem Piezoaktor (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) formschlüssig als separate Komponente oder in Form einer Fasermatte (40) in das Trägerelement (14) integriert ist und an einem schwingfähigen Bereich (26) der Membran (12) ein Dämpfungsmaterial (24) anliegt.
Sensoranordnung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als separate Komponente ausgestaltete Membran (12) und das Trägerelement (14) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Sensoranordnung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) eine höhere Steifigkeit aufweist als das Material des Trägerelements (14).
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (14) aus einem spritzgussfähigen Kunststoff gefertigt ist.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als separate Komponente ausgestaltete Membran (12) aus einem faserbasierten Kunststoff oder einem Metall gefertigt ist.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als separate Komponente ausgestaltete Membran (12) so in das Trägerelement (14) eingebettet ist, dass die Membran (12) bündig mit dem Trägerelement (14) abschließt.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (14) mindestens eine Aussparung (32) aufweist, die den schwingfähigen Bereich (26) der Membran (12) definiert.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als separate Komponente ausgestaltete Membran (12) mindestens ein Verankerungselement (28, 30) umfasst, das in das Trägerelement (14) hineinragt.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial (24) die Aussparung (32) zumindest teilweise ausfüllt.
Sensoranordnung (10) gemäß ein Unteransprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung (34) in die Membran (12) oder das Trägerelement (14) integriert ist oder separat ausgeführt ist.
Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägerelement (14) eine die Membran (12) umgebende Versteifung (36) eingebettet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte: a) Bereitstellen (62) einer Membran (12) als separate Komponente oder einer Fasermatte (40); b) Eingießen (64) der Membran (12) oder der Fasermatte (40) als Einlage in das Trägerelement (14); c) Einbringen (66) weiterer Mittel zum Betreiben der Sensoreinheit (16, 22); d) Einbringen (68) eines Dämpfungsmaterials (24) in einen schwingfähigen Bereich (26) der Membran (12).
Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung (10) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Betreiben der Sensoreinheit (11) mindestens einen Piezoaktor (16) und Mittel zur elektronischen Anbindung (22) der Sensoreinheit (11) umfassen.
Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gießen des Trägerelementes (14) mindestens eine Aussparung (32) ausgebildet wird, die den schwingfähigen Bereich (26) der Membran (12) definiert.
Verwendung der Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Abstandsmessung in einem Fahrzeug.