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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeuges, insbesondere eingesetzt in einem Fahrassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeuges.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit Umfeldsensoren das Umfeld eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zu erfassen, wodurch zahlreiche Fahrassistenzsysteme realisierbar sind. Für eine Sensierung und Erfassung des Fahrzeugumfeldes werden unter anderem Impuls-Echo-Messverfahren eingesetzt, beispielsweise in Form von Ultraschallsensoren sowie Radarsensoren, z.B. ein Fernbereichsradar mit einer Reichweite < 200 m, um in einem Bereich um das Fahrzeug Hindernisse zu erfassen und/oder um im Rahmen einer adaptiven Geschwindigkeitsregelung (Adaptive Cruise Control; ACC), die Geschwindigkeit des Fahrzeugs automatisch anzupassen.
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Umfeldsensoren erfassen Objekte in der Umgebung des Fahrzeuges und ermitteln Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkellage der Objekte zum eigenen Fahrzeug, wobei insbesondere Radarsensoren schnell und präzise die erforderlichen Daten ermitteln. Die in Fahrzeugen eingesetzte Radartechnik umfasst unter anderem Fernbereichsradar (Long Range Radar LRR) mit einem erfassten Bereich bis zu 200 m, Mittelbereichsradar (Mid Range Radar) mit einem erfassten Bereich zwischen 0,5 bis etwa 100 m und Nahbereichsradar (Short Range Radar SRR) mit einem erfassten Bereich zwischen 0,1 m bis maximal 50 m in Abhängigkeit der Größe des detektierten Objekts mit einer minimalen Messentfernung von > 0,1 m. Die Messgenauigkeit der als Parkradar bezeichneten kurzweitreichenden Radarsensoren ist hoch und liegt im Bereich weniger Zentimeter. Allerdings ergeben sich für derartige Radarsensoren deutlich schlechtere Messgenauigkeiten für Abstandmessungen, wenn es sich um ein schwach reflektierendes Objekt, z.B. eine Kunststoffoberfläche, vor einem stark reflektierenden Objekt, z.B. einer Metallfläche, handelt.
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Ultraschallsensoren, insbesondere in Bezug auf Einparkassistenzsysteme, werden eingesetzt, um Hindernisse und Abstände zu Hindernissen zu ermitteln, zur Überwachung des Raumes in einem Bereich von etwa 0,15 m bis 6 m um das Fahrzeug und ferner zum Vermessen von Parklücken zur Unterstützung des Einparkvorganges. Ein großer Erfassungsbereich wird durch den Einsatz einer Vielzahl von verbauten Sensoren erreicht, angeordnet insbesondere im Bereich der Stoßfänger eines Fahrzeugs.
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Insbesondere für an Seitenflächen des Fahrzeugs verbaute Ultraschallsensoren eignen sich flache Ultraschall-Folienwandler. Folienwandler umfassen unter anderem eine schwingfähige Membran, beispielsweise in Form einer elektrisch leitenden Kunststofffolie, bzw. als sehr dünne piezoelektrische Folie. Allerdings sind derzeit bekannte Ultraschall-Folienwandler für den Einsatz in Fahrassistenzsystemen wenig geeignet, da weder die damit bisher erzielten Reichweiten von < 1 m – 2 m im Vergleich zu der geforderten Reichweite von < 2,5 m, noch die Robustheit der Folienwandler bei den zu erzielenden Reichweiten ausreichend sind. Um eine entsprechende Reichweite zu erreichen, müssten Folienwandler resonant und mit einer relativ großen Fläche ausgelegt werden, wobei eine relativ große Fläche gleichbedeutend mit einer großen Apertur ist. Damit ein ausreichender Erfassungsbereich abgedeckt werden kann, d.h. der horizontale Öffnungswinkel (FOV Field of View) sich über den gesamten Stoßfängerbereich erstreckt, ist der Einbau einer Vielzahl derartiger Sensoren erforderlich. Allerdings scheinen auch sogenannte Folienarrays aufgrund der erforderlichen hohen Rechenleistung zur Dekodierung der Empfangssignale ungeeignet zu sein.
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Aus
DE 10 2008 047 284 A1 ist eine Fahrassistenzvorrichtung zur Unterstützung eines Fahrers bei einem halb- oder vollautomatischen Ausparken bekannt. Hierbei wird ein radargestütztes und ein ultraschallgestütztes Messsystem genutzt, bzw. die ermittelten Daten werden fusioniert, wobei für den Nahbereich Daten der Ultraschallsensorik und für den Fernbereich diejenigen der Radarsensorik verwendet werden. Insbesondere soll durch die Ergänzung bzw. Fusion von Daten der Ultraschallsensoren und von Mittel- und/oder Fernbereichsradarsensoren eine nahtlose Erfassung des Nahbereichs von wenigen Zentimetern bis in den Fernbereich von mehreren hundert Metern erreicht werden. Um das gesamte Umfeld eines Fahrzeugs zu erfassen, sind neben einer hohen Anzahl von sichtbaren Ultraschallsensoren, bekannt sind 4 bis 6 Ultraschallsensoren pro Stoßfänger, zusätzliche Radarsensoren zu verbauen, wobei keine Nahmessfähigkeit von bis zu 0,05 m erreichbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeuges mit mindestens einem ersten Sensorelement vorgeschlagen, wobei das erste Sensorelemet ein Ultraschallsensor zum Erfassen eines ersten Erfassungsbereichs ist und mit mindestens einem zweiten Sensorelement, wobei das zweite Sensorelement ein Radarsensor zum Erfassen eines zweiten Erfassungsbereichs ist. Darüber hinaus sind erste und zweite Sensorelemente zu einer baulichen Einheit zusammengefasst.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein kombiniertes Sensorsystem, welches optimal in ersten und zweiten Erfassungsbereichen Sensorsignale liefert, um so eine Art Sicherheitsgürtel um das Fahrzeug zu erzeugen, womit eine Grundlage für eine halboder vollautomatische Fahrzeugführung, eine Unterstützung des Fahrers aber auch eine frühzeitige Warnung vor gefährlichen Situationen gelegt wird. Durch den modularen Aufbau kann die Empfindlichkeit oder der umfasste Entfernungsbereich anwendungsspezifisch angepasst werden.
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In einer Ausführungsform ist das erste Sensorelement als ein Ultraschall-Folienwandler ausgebildet. Der Ultraschall-Folienwandler basiert auf einem Wandlerelement, welches eine Membran zwischen Elektroden umfasst, beispielsweise ausgebildet als piezoelektrische dünne Schicht oder Folie. Derartige Ultraschall-Folienwandler mit einer Piezopolymerfolie können kostengünstig und mit einer großen Übertragungsbandbreite hergestellt werden, wobei eine Richtungscharakteristik angepasst werden kann und ferner eine relativ gute Impedanzanpassung vorliegt.
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Erfindungsgemäß kann das Wandlerelement als Elektretwandler mit einer elektrisch geladenen dünnen Schicht oder Folie aus einem dielektrischen Material zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenstruktur gestaltet sein. In einer Ausführungsform basiert der Ultraschall-Folienwandler auf einem piezoaktiven Elektretmaterial, das die Wandlung zwischen einer mechanischen Beanspruchung, die durch Schalldruck verursacht wird und einem elektrischen Feld vornimmt. Das Elektretmaterial ist ein elektrisch isolierendes Material, welches quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Das Elektretmaterial kann dabei auf der ersten Elektrodenstruktur aufgebracht sein, so dass diese vollständig überdeckt ist. Das Elektretmaterial ist gegenüber einer Gegenelektrode mit einem Abstand angeordnet, welcher beispielsweise ca. 30 µm beträgt, um das für die Schallerzeugung notwendige Luftpolster zu erzeugen. Insbesondere kann die erste Elektrodenstruktur aus mehreren, unabhängig voneinander adressierbaren Elektrodenelementen ausgebildet sein, wobei einzelne Schallwandlerelemente definiert werden, die eine als Array bezeichnete Sensoranordnung bilden.
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In einer Ausführungsform kann zur Erhöhung der Genauigkeit der Winkelbestimmung der Ultraschall-Folienwandler als Array ausgebildet sein, wobei eine Anzahl von einzelnen Wandlerelementen mit einem idealen Abstand, der einer halben Wellenlänge entspricht, zueinander angeordnet ist. Ferner können aufgrund des kleineren Schalldrucks einer derartigen Anordnung die Wandlerelemente nach Sende- und Empfangsfunktionen unterteilt sein. Eine Sensoranordnung mit mehreren Senderund/oder Empfängerelementen erhöht die Sensitivität, wobei neben Abstandsinformationen auch Winkelinformationen aus der Umgebung gewonnen werden. Beispielsweise kann der Empfangspfad des Folienwandlers durch mehrere Kontaktierungen als Mehrelementenempfänger ausgebildet sein, wobei die erste Elektrodenstruktur mehrere Elektrodenelemente umfasst, welche einzeln kontaktierbar sind.
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Auf oder oberhalb des Elektretmaterials ist die zweite Elektrodenstruktur angeordnet, beispielsweise als Metallisierungsschicht, die an Massepotential angeschlossen ist. Die Metallisierungsschicht kann zum Schutz gegen äußere Einwirkungen mit einer Schutzschicht bedeckt sein, eventuell einer mehrlagigen Schutzschicht. Diese Schutzschicht kann beispielsweise aus Kunststoff, einem Verbund mehrere Kunststoffe oder einem Kunststoff-Metall-Verbund ausgeführt sein.
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Der mindestens eine in die erfindungsgemäße Vorrichtung integrierte Ultraschall-Folienwandler zeichnet sich insbesondere durch eine gute Nahmessfähigkeit aus, welche einen Bereich von 0,05 m bis zu einer Reichweite umfasst, welche sich mit derjenigen minimalen Reichweite des eingesetzten Radarsensors zumindest teilweise überschneidet. Dadurch können Objekte, die sich sehr nahe an dem Fahrzeug befinden, mit hoher Auflösung erfasst werden, um eine Grundlage für einen autonomen oder teilautonomen Eingriff in den Fahrbetrieb zu legen. Entsprechende Öffnungswinkel sind im Bereich von +/– 90°.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner einen Radarsensor, welcher in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei eine flache Bauweise angestrebt wird, um eine Integration in das Fahrzeug zu ermöglichen. Das Radargehäuse ist wasserdicht und schützt damit gegen Eindringen von Wasser und Schmutz und kann mehrteilig ausgeführt sein. In dem Radargehäuse ist die für die Kontaktierung und Signalverarbeitung, bzw. für eine Steuerelektronik, notwendige elektrische Infrastruktur aufgenommen, beispielsweise Leiterplatten, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und anderes. Ferner ist an dem Radargehäuse ein Stecker für eine elektrische Versorgung angeordnet.
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Das Radargehäuse ist vorzugsweise verdeckt hinter einer Außenfläche eines Stoßfängers aufgenommen, wobei die Außenfläche bzw. Außenhaut des Stoßfängers eine Aussparung aufweist.
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Radarsensoren werden unter anderem in Fahrzeugen zur Erfassung einer Verkehrssituation im Umfeld eingesetzt, wobei herkömmliche Radarsensoren Anforderungen für zukünftige Applikationen in Zusammenhang mit Abstandsmessungen bis in den Nahbereich des Egofahrzeuges nicht erfüllen. Die Anforderungen sind dabei ein großer Detektionsbereich, eine hohe Winkelauflösung im gesamten Detektionsbereich, geringe Abmessungen und geeignete Bauformen, sowie eine robuste Technik.
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Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Radarsensorik basiert auf Radarsensoren für den Nahbereich, wobei ein Reichweitenbereich von etwa 0,2 m, vorzugsweise von etwa 0,1 m bis größer als 10 m darstellbar ist. Der eingesetzte Radarsensor, welcher das Umfeld ab einer bestimmten Reichweite mit hoher Verlässlichkeit erfasst, weist einen relativ kleinen Öffnungswinkel auf, beispielsweise im Bereich von etwa +/– 20° bis +/– 40° oder sogar geringer, so dass eine Fokussierung der Hauptkeule möglich ist, welche verbunden ist mit einer guten Auflösung. Im Allgemeinen weisen Mittelbereichsradarsensoren einen horizontalen Öffnungswinkel von etwa +/– 45° auf, während Nahbereichsradarsensoren einen horizontalen Öffnungswinkel von bis zu +/– 140° haben. Insbesondere der große Öffnungswinkel der Nahbereichsradarsensoren erweist sich mit zunehmender Distanz als problematisch, da eine eindeutige Zuordnung der Vielzahl der gemessenen Signale nur schwer möglich ist. Ein kleiner Öffnungswinkel von Radarsensoren bedeutet bei gleicher Reichweite im Vergleich zu Radarsensoren mit großem Öffnungswinkel eine geringere Sendeleistung. Ein kleiner Öffnungswinkel reduziert die Problematik der Mehrdeutigkeit, d.h. eine Objektunterscheidung bei eng benachbarten Reflexionszielen im Azimutwinkel. Demnach wird angestrebt, dass in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Öffnungswinkel des eingesetzten Radarsensors klein ist.
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Das erste als Ultraschall-Folienwandler ausgebildete Sensorelement ist an einer Oberfläche des Radargehäuses aufgenommen und über das Radargehäuse kontaktierbar, wobei der Ultraschall-Folienwandler im Bereich der Aussparung des Stoßfängers angeordnet ist. Die Aussparung in dem Stoßfänger ist in seiner Dimension an die Größe des Ultraschall-Folienwandlers angepasst. Ein klein dimensionierter Ultraschall-Folienwandler ist bevorzugt, welcher nicht vollflächig die Oberfläche des Radargehäuses überdeckt, um eine möglichst kleine Aussparung zu ermöglichen. Aus Designaspekten kann aber auch eine größere Aussparung vorgesehen werden, beispielsweise in Form einer waagrechten Linienstruktur, bzw. einer Art Leiste, wobei das eigentliche Sende- und/oder Empfangselement im Vergleich dazu klein ist.
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In einer Ausführungsform ist das als Ultraschall-Folienwandler ausgebildete erste Sensorelement an einem Kontaktträger angebracht, welcher seinerseits auf der Oberfläche des Radargehäuses angeordnet wird. Mittels des Kontaktträgers, welcher in einer variablen Dicke ausführbar ist, kann ein Höhenausgleich zwischen der Außenhaut des Stoßfängers und dem Ultraschall-Folienwandler mit dem Ziel eines weitgehend flächenbündigen Einbaus erzielt werden. Alternativ ist das Radargehäuse derart gestaltet, dass der Höhenausgleich möglich ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung einer Vorrichtung zur Umfelderfassung, basierend auf einem kombinierten Sensorsystem, in dem ein Ultraschall-Folienwandler mit einem Radarsensor kombiniert ist, ist vorteilhaft, insbesondere da für die einzelnen Sensorelemente einfache und kostengünstige Ausführungsformen eingesetzt werden können. Das kombinierte Sensorsystem fusioniert nicht nur die Daten, welche auf Signale der unterschiedlichen Sensortypen zurückgehen, sondern bietet darüber hinaus eine kompakte Vorrichtung mit einer geringen Bautiefe, die eine unauffällige Integration an einem Fahrzeug möglich macht.
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Das kombinierte Sensorsystem, in dem mindestens ein Ultraschall-Folienwandler und mindestens ein Radarsensor miteinander kombiniert werden, erlaubt es, Sensoren zu fusionieren, an welche hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden, wobei letztlich ein Sensorsystem ausgezeichneter Nahmessfähigkeit und hoher Reichweite bei gleichzeitig niedrigerer Sendeleistung erzeugt wird. So besteht der Vorteil eines modularen Aufbaus unteranderem darin, dass eine hohe Genauigkeit, beispielsweise 0,01 m, ohne großen Aufwand auch bei sich vergrößernden Objektabständen realisiert werden kann. Basiert der modulare Aufbau auf einen für den Nahbereich ausgelegten Folienwandler, kann hierfür eine nicht resonante Auslegung gewählt werden, wobei breitbandige Pulse realisierbar sind, die die Ausschwingzeit und damit die damit verbundene Totzeit deutlich verringern und eine Erfassung bis annährend 0 m, derzeit angestrebt wird 0,05 m, zulassen. Im Gegensatz dazu wird ein vom Radarsensor separater Folienwandler resonant ausgelegt mit entsprechenden Nachteilen. Der modulare Aufbau steigert die Empfindlichkeit und passt den Entfernungsbereich anwendungsspezifisch an, wobei insbesondere die einzelnen Module der Sensorik nicht kostenintensive, hochwertige Sensoren sein müssen. Eine optimale Abstimmung für den jeweiligen Anwendungsfall kann eine Variation der Sensorelemente umfassen. Ferner ist bei Ultraschall-Folienwandlern eine Variation der Pulsbreite der Ansteuerimpulse kostengünstig zu realisieren, wobei eine Änderung der Pulsbreite die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung beeinflusst.
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Bezugnehmend auf die Subkomponente Ultraschall-Folienwandler kann der Schalldruck und damit der Sendestrom deutlich gesenkt werden. Die Wandlerfläche kann ebenfalls klein gehalten werden, wodurch weiter Kosten reduziert werden. Darüber hinaus kann bezüglich der Ultraschall-Elemente große Öffnungswinkel realisiert werden, so dass die notwendige Anzahl von Elementen zur Abdeckung des gesamten Sichtbereichs geringer ist. Dies ist nicht nur kostengünstig sondern auch weniger störend für den optischen Gesamteindruck.
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Darüber hinaus erweisen sich Folienwandler hinsichtlich ihrer Ladungsstabilität insbesondere unter Einflussnahme von Temperatur und Alterung als problematisch, so dass ihre Sensitivität im Laufe der Zeit merklich abnimmt. Um eine sichere Erfassung in einem Bereich von etwa 2,5 m zu gewährleisten, sollten Folienwandler für größere Reichweiten ausgelegt werden, welches allerdings mit bekannten Techniken bisher kaum realisierbar ist. Allerdings werden vorteilhafterweise an einen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Folienwandler keine Anforderungen hinsichtlich derartiger Reichweiten gestellt.
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Bisher konnten hohe Reichweiten und hohe Winkelgenauigkeit nur erreicht werden durch Sensor-Arrays, welche auf einer erhöhten Anzahl von Wandlerelementen in Linien-Array oder 2D-Array-Anordnung basierten, welches kostenintensiv herzustellen und auch mit großer Rechenleistung verbunden ist. Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Prinzip eines Mehrelementenempfängers ermöglicht eine Detektion der Winkelablage aufgrund der Phasendifferenzen der Empfangselemente, wobei aufgrund einer reduzierten maximalen Messreichweite, welche durch das bzw. die Ultraschall-Folienwandlerelemente abgedeckt wird, die Anforderungen an die Winkelgenauigkeit und Mehrdeutigkeiten im Nahbereich geringer sind, so dass die Anzahl der Wandlerelemente begrenzt werden kann. Demnach reichen für die derart abzudeckende Reichweite wenige Empfangselemente, wobei darüber hinaus die für die Signalverarbeitung erforderliche Rechenleistung vermindert ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Synergieeffekte genutzt, welche sich unter anderem auf die gemeinsame Nutzung von Gehäuse, elektrische Anschlüsse, Steuereinheit und Spannungsversorgung beziehen. Ferner kann die Nahmessfähigkeit bis nahe 0 m, d.h. bis vorzugsweise 0,05 m, ausgedehnt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umfelderfassung;
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2 ein Blockschaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umfelderfassung.
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Ausführungsvarianten
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Aus der Darstellung 1 geht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umfelderfassung 10 hervor, im Weiteren auch als Sensorvorrichtung bezeichnet, die verdeckt an einem Stoßfänger 12 in einem Fahrzeug angeordnet ist, bzw. in eine Stoßfängerhaut 14 integriert ist. Die Stoßfängerhaut 14 weist eine Aussparung 16 auf, die an einer nach außen weisenden Fläche, bezeichnet als Außenfläche 18, klein dimensioniert ist und sich in Richtung einer nach innen weisenden Fläche, bezeichnet als Innenfläche 20 erweitert. Die Sensorvorrichtung 10 stellt eine bauliche Einheit 11 dar, in welcher mehrere kostengünstige Sensorelemente integriert sind, die geeignet sind zur Detektion von Objekten mittels Impuls-Echo-Messverfahren. Ein Sensorelement ist als Ultraschallsensor 22, insbesondere als Ultraschall-Folienwandler 23 ausgebildet und ein Sensorelement als Radarsensor 24. Der Ultraschall-Folienwandler 23 kann als Elektretwandler mit einer geladenen dünnen Schicht ausgebildet sein oder auch eine piezoelektrische Schicht oder Folie als Membran umfassen. Je nach Ausführungsform des Ultraschall-Folienwandlers 23 ist dieser mit Abstand 26, auch als optischer Gap bezeichnet, zu einer Schutzschicht 28 angeordnet, welche weitgehend flächenbündig mit der Außenfläche 18. Die Schutzschicht 28 stellt die Gegenelektrode in dem Ultraschall-Folienwandler 23 dar.
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Um den Ultraschall-Folienwandler 23 möglichst ohne großen Versatz, d.h. weitgehend flächenbündig mit der Außenfläche 18 der Stoßfängerhaut 14 anzuordnen, ist der Ultraschall-Folienwandler 23 in der dargestellten Ausführungsform an einem Kontaktträger 30 angeordnet. Die Dicke des Kontaktträgers 30 ist derart wählbar, dass ein möglichst unauffälliger Einbau der Sensorvorrichtung 10 erreicht wird. Der Kontaktträger 30 seinerseits ist an einem Radargehäuse 32 angeordnet, in welchem der Radarsensor 24 aufgenommen ist. Alternativ kann das Radargehäuse 32 unter anderem so gestaltet sein, dass ein flächenbündiger Einbau der Sensorvorrichtung 10 möglich ist und demnach auf einen Kontaktträger 30 verzichtet werden kann. In 1 ist lediglich ein Stecker 34 dargestellt, als ein elektrischer Anschluss der Sensorvorrichtung 10.
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In 2 ist schematisch als Blockschaubild die Vorrichtung zur Umfelderfassung bzw. der Sensorvorrichtung 10 dargestellt, wobei die bauliche Einheit 11 die ersten und zweiten Sensorelemente umfasst, für welche in 2 angedeutet ist, dass Senderelement 40 und Empfängerelement 42 getrennte Einheiten sind. Ferner geht aus 2 eine gemeinsame Steuerelektronik 36 und eine gemeinsame elektrische Versorgung 38 hervor und eine Verbindung eine Verbindung zu weiteren Netzwerk 44.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008047284 A1 [0006]
