DE102014224605B4

DE102014224605B4 - Fahrzeug-Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102014224605B4
Application number: DE102014224605.9A
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsubishi Electric Corpora Oba Tetsuya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: DE102014224605A1; JP2015194392A; JP5995901B2

Abstract

Fahrzeug-Ultraschallsensor mit:einem Ultraschallwandler (1) zum Aussenden und Empfangen einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 20 kHz oder mehr und 60 kHz oder weniger,einer Hornstruktur zum Verbessern der Strahlungsgerichtetheit der Ultraschallwelle, die von dem Ultraschallwandler (1) bezüglich jeder Erfassungsrichtung um ein Fahrzeug herum ausgesandt und empfangen wird,wobei die Hornstruktur einen Verengungsabschnitt aufweist, der einem Erleichterungsabschnitt entspricht, um darin den Ultraschallwandler (1) einzubauen,wobei der Fahrzeug-Ultraschallsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass:die Hornstruktur ein parabolisches Horn (4) aufweist, welches ein Rotationsparaboloid aufweist, undwenn davon ausgegangen wird, dass der Ultraschallwandler (1) so angeordnet ist, dass eine Position einer Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) an einer Verengungsposition (x) entsprechend einem Abstand von einer Position eines Scheitels der Rotationsparaboloidform zu einer Position des Verengungsabschnittes ausgerichtet ist, die Verengungsposition (x) als eine optimale Form bestimmt wird, welche Bedingungen eines Öffnungsdurchmessers (Φ) von 80 mm oder weniger und einer Hornlänge (L) von 50 mm oder weniger erfüllt, indem ein Öffnungswinkel der Hornstruktur so gestaltet wird, dass die Verengungsposition (x) einen Wert kleiner als eine Brennweite (a) des parabolischen Horns (4) hat.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeug-Ultraschallsensor, der an einem Automobil anzubringen ist, um es einem sich bewegenden Automobil zu ermöglichen, die Anwesenheit/Abwesenheit eines Hindernisses zu erfassen, das um das Fahrzeug herum vorhanden ist.
STAND DER TECHNIK
Ein automatisches Bremssystem wurde bereits zur praktischen Verwendung gebracht, welches so ausgestaltet ist, dass es eine Kollision mit einem vorangehenden Fahrzeug verhindert, wenn festgestellt wird, dass eine Kollision unvermeidlich ist, wenn keine Bremsansteuerung durchgeführt wird, insbesondere bei einer langsamen Fortbewegung wie in einem Stau. In einem solchen Fall führt das automatische Bremssystem nach dem Stand der Technik automatisch eine Bremsansteuerung durch, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu verringern, auch wenn von einem Fahrer keine Bremsbetätigung durchgeführt wird, um dadurch die Kollision mit dem vorangehenden Fahrzeug zu verhindern oder um einen Schaden aufgrund der Kollision zu verringern.
Um ein solches automatisches Bremssystem in die Praxis umzusetzen muss ein Hindernis erfasst werden, das in einer Fläche von mehr als 5 m vor dem eigenen Fahrzeug vorhanden ist, obwohl dies von einer Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem vorangehenden Fahrzeug und dem eigenen Fahrzeug abhängig ist. Beispiele eines Sensors, der dafür verwendet wurde, beinhalten eine Kamera, ein Laserradar, ein Radioradar und einen Ultraschallsensor. Unter diesen wird der Ultraschallsensor weit verbreitet für Anwendungen in einer Überwachungseinrichtung für die Umgebung eines Fahrzeugs verwendet, insbesondere für ein Einparkhilfsystem. Der Ultraschallsensor hat einen Erfassungsabstand von weniger als 5 m mit einem Sensorelement alleine, es wird jedoch erwartet, dass ein einfacher Sensor in der Lage ist, eine Verbesserung in der Empfindlichkeit durch Verwenden einer Hornstruktur zu erzielen.
Der Stand der Technik hat jedoch folgendes Problem. Die JP S60-212097 A offenbart eine Ultraschallquelle mit einem sich aufweitenden Horn.
Um die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu erhöhen, bei dem eine Hornstruktur verwendet wird, ist es nötig, prinzipiell einen Öffnungsdurchmesser und eine Hornlänge der Hornstruktur zu erhöhen. Dies erhöht die Empfindlichkeit, vergrößert jedoch auch die Größe des Sensors. Demgemäß ist, wenn ein Ultraschallsensor, dessen Empfindlichkeit so verbessert wurde, für das oben genannte automatische Fahrzeug-Bremssystem verwendet wird, das Anbringen aufgrund der vergrößerten Größe des Sensors weniger einfach.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde vorgenommen, um das oben genannte Problem zu lösen, und es ist ein Ziel von dieser, einen Fahrzeug-Ultraschallsensor bereitzustellen, der eine Hornstruktur aufweist, die in der Lage ist, eine Empfindlichkeit sicherzustellen, die zum Erfassen der Anwesenheit/Abwesenheit eines Fahrzeugs um ein Fahrzeug herum ausreicht und der auch eine Lastbedingung (engl.: „loading condition“) für die Hornstruktur aufweist, wobei die Abmessungen des Horns klein genug gehalten werden, um eine Sensorgröße zu erzielen, die an einem Fahrzeug anbringbar ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeug-Ultraschallsensor bereitgestellt mit: einem Ultraschallwandler (1) zum Aussenden und Empfangen einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 20 kHz und mehr und 60 kHz und weniger und mit einer Hornstruktur zum Verbessern der Strahlungsgerichtetheit der Ultraschallwelle, die von dem Ultraschallwander (1) ausgesendet und empfangen wird, bezüglich jeder Empfangsrichtung um ein Fahrzeug herum, wobei die Hornstruktur einen Verengungsabschnitt aufweist, der einem Erleichterungsabschnitt (engl.: „lightening portion“) entspricht, um darin den Ultraschallwandler (1) einzubauen, wobei der Fahrzeug-Ultraschallsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Hornstruktur als ein parabolisches Horn (4) mit einem Rotationsparaboloid dient und dass, wenn angenommen wird, dass der Ultraschallwander (1) so angeordnet ist, dass eine Position einer Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) an einer Verengungsposition (x₀ ) ausgerichtet ist, die einem Abstand von einer Position eines Scheitels der Rotationsparaboloidform zu einer Position des Verengungsabschnitts entspricht, die Verengungsposition (x₀ ) als eine optimale Form bestimmt wird, welche Bedingungen eines Öffnungsdurchmessers (Φ) von 80 mm oder weniger und einer Hornlänge (L) von 50 mm oder weniger erfüllt, indem ein Öffnungswinkel der Hornstruktur so gestaltet wird, dass die Verengungsposition (x₀ ) einen Wert kleiner als den einer Brennweite (a) des parabolischen Horns (4) hat.
Figurenliste

1A bis 1C sind schematische Diagramme eines konischen Horns (1A), eines exponentiellen Horns (1B) und eines parabolischen Horns (1C), welches Hornstrukturen sind, die bis jetzt für einen Ultraschallwandler verwendet wurden.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Betriebsprinzip des parabolischen Horns in einem Ultraschallsensor nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3A und 3B sind schematische Diagramme, die ein Verfahren des Anwendens des parabolischen Horns in dem Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
4 ist ein als Erklärung dienendes Diagramm von Formparametern des parabolischen Horns in dem Ultraschallsensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5A und 5B sind ein Graph und ein zur Erklärung dienendes Diagramm, die Ergebnisse einer realen Messung zeigen, die durchgeführt wurde, um einen Hornöffnungswinkel zu bestimmen, um die Empfindlichkeit im Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu maximieren.
6 ist ein Graph, der reale Messwerte von Strahlungsmustern zeigt, die erhalten wurden, wenn der Hornöffnungswinkel in dem Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändert wurde.
7A und 7B sind ein Graph und ein zur Erläuterung dienendes Diagramm, welche reale Messwerte einer Veränderung in der Empfindlichkeit zeigen, die erhalten wurden, wenn eine relative Positionsbeziehung zwischen einer Hornverengungsposition und einer Position einer Wandlervibrationsoberfläche auf einer Hornachse in dem Ultraschallsensor nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändert wurde.
8 ist ein Diagramm, das schematisch eine partielle Struktur einer aus Harz gegossenen Komponente zum einstückigen Ausbilden des parabolischen Horns und einer Gehäusekomponente für einen Ultraschallsensor in dem Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Fahrzeug-Ultraschallsensor nach einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zu bemerken ist, dass in den Zeichnungen für die Beschreibung die gleichen oder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Erste Ausführungsform
Zunächst wird der Grund, warum eine parabolische Form (ein Rotationsparaboloid, das durch Drehen einer Parabel um deren Symmetrieachse erhalten wurde) als eine Hornstruktur gewählt wird, beschrieben. Beispiele von Hornstrukturen aus dem Stand der Technik, die mit einem Ultraschallsensor zu verwenden sind, beinhalten ein konisches Horn 2, das in 1A dargestellt ist, ein exponentielles Horn 3, das in 1B dargestellt ist, und ein parabolisches Horn 4, das in 1C dargestellt ist.
Das konische Horn 2, das in 1A dargestellt ist, und das exponentielle Horn 3, das in 1B dargestellt ist, haben eine Funktion, ein Impedanzdifferenz in einer Ultraschallwelle zu unterdrücken, die von einem Ultraschallwandler 1 ausgesandt wird, welche zwischen der akustischen Impedanz auf der Seite des Schallwandlers und der akustischen Impedanz auf der Seite der Luft existiert. Jede der in 1A und 1B dargestellten Formen zielt daher auf den Effekt ab, eine Reflektion und Verluste aufgrund einer Impedanznichtübereinstimmung zu unterdrücken.
In dem in 1C dargestellten parabolischen Horn 4 dient jedoch andererseits eine innere Hornoberfläche als ein sogenannter parabolischer Reflektionsspiegel. Daher kann ein höherer Verbesserungseffekt der Empfindlichkeit als derjenige des oben genannten konischen Horns 2 und des exponentiellen Horns 3 zusätzlich zu dem Effekt des Unterdrückens einer Impedanznichtübereinstimmung erwartet werden. Demgemäß verwendet die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das parabolische Horn 4, das in 1C dargestellt ist, um eine Hornstruktur zu erhalten, die in der Lage ist, eine Empfindlichkeit sicherzustellen, die für die Verwendung in einem Fahrzeugsystem, wie zum Beispiel einem automatischen Bremssystem, ausreicht, während die Hornabmessungen klein genug gehalten werden, um eine Sensorgröße zu erzielen, die an einem Fahrzeug anbringbar ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Verbessern der Empfindlichkeit durch das parabolische Horn 4 beschrieben. 2 ist ein als Erklärung dienendes Diagramm, das den Verbesserungsmechanismus für die Empfindlichkeit betrifft, welcher die parabolisch geformte Hornstruktur nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
In 2 ist das parabolische Horn 4 ein Rotationsparaboloid, das durch Drehen einer Parabel um deren Symmetrieachse erhalten wurde. Wenn eine ideale Rundstrahlpunktwellenquelle an der Position eines Brennpunkts F des Paraboloids angeordnet wird, weist eine Ultraschallwelle, die von der Position des Brennpunkts F ausgesandt wird, einen Fortbewegungsweg auf, der in 2 dargestellt ist. Insbesondere wird eine kugelförmige Welle radial von der Position den Brennpunkts F ausgesandt und danach durch die innere Oberfläche des parabolischen Horns 4 reflektiert, wodurch diese entlang einer Strecke parallel zu einer Hornachse des parabolischen Horns 4 abgestrahlt wird. Demgemäß kann ein Strahlungsmuster mit einer verbesserten Gerichtetheit in der Hornachsenrichtung erzielt werden.
Der oben genannte Betrieb des parabolischen Horns 4 ist genau der gleiche wie der Betrieb einer allgemeinen parabolischen Antenne, welche im Stand der Technik bekannt ist. Unter Verwenden des oben genannten Parabelhorns 4 als Hornstruktur kann ein Strahlmuster das Ultraschallwandlers 1 alleine, welches bis jetzt breit war, verschmälert werden, um eine Gerichtetheit verbessern zu können.
Anschließend wird ein Verfahren zum in die Praxis Umsetzen eines Ultraschallsensors mit einer verbesserten Empfindlichkeit beschrieben, wenn das parabolische Horn 4 an dem Ultraschallwandler 1 vorgesehen ist. 3A und 3B sind als Erklärung dienende Diagramme, welche die Konfiguration des parabolischen Horns 4 beschreiben, welches für den Ultraschallsensor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3A stellt einen Zustand ohne Ultraschallwandler 1 und 3(b) stellt einen Zustand mit Ultraschallwandler 1 dar. In 3A ist ein Erleichterungsabschnitt zum Positionieren des Ultraschallwandlers 1 darin (der Erleichterungsabschnitt wird im Folgenden als „Verengungsabschnitt“ bezeichnet) an der Scheitelseite des Paraboloids des parabolischen Horns 4 vorgesehen.
Dann wird, wie in 3B dargestellt, der Ultraschallwandler 1 in dem Verengungsabschnitt angeordnet. Insbesondere wird der Ultraschallwandler 1 so angeordnet, dass eine Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 exakt an der Position des Brennpunkts F des parabolischen Horns 4 angeordnet ist. Diese Anordnung kann prinzipiell die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors, der mit dem parabolischen Horn 4 versehen wurde, optimieren (maximieren).
Ferner kann die Form des parabolischen Horns 4 (Hornöffnungswinkel) so gewählt werden, dass die Position des Brennpunkts F des parabolischen Horns 4 an einer Verengungsabschnittsendoberfläche des parabolischen Horns 4 angeordnet ist. Durch die Wahl einer solchen Form kann verhindert werden, dass eine unnötige unregelmäßige Struktur in der inneren Struktur des parabolischen Horns 4 erzeugt wird. Somit können fremde Substanzen, wie zum Beispiel Schmutz oder Staub, die an der inneren Hornoberfläche anhaften, leicht entfernt werden.
In diesem Fall wird die Form des parabolischen Horns 4 (Hornöffnungswinkel) durch Einstellen einer Verengungsposition x₀ verändert, nachdem ein Verengungsdurchmesser 2 r0 gemäß dem äußeren Durchmesser des Ultraschallwandlers 1 bestimmt wurde.
Im Folgenden werden Parameter zum Bestimmen der Form des parabolischen Horns 4 beschrieben. 4 ist ein als Erklärung dienendes Diagramm der Formparameter des parabolischen Horns 4, das für den Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist. Zu bemerken ist, dass, da die Form des parabolischen Horns rotationssymmetrisch ist, 4 nur den Querschnitt auf einer Seite als Form des parabolischen Horns 4 darstellt.
In 4 wird der Durchmesser des parabolischen Horns 4 von der Drehsymmetrieachse mit r bezeichnet, und die Höhe des parabolischen Horns 4 von dem Scheitel des parabolischen Horns 4 am Durchmesser r wird mit x bezeichnet. In diesem Fall wird die Höhe x durch die folgende Parabelgleichung (1) unter Verwendung des Durchmessers r und einer Brennweite „a“ ausgedrückt. $x = (1 / 4a) r^{2}$
Ferner wird in dem Verengungsabschnitt des parabolischen Horns 4, wenn die Verengungsposition durch x₀ bezeichnet wird und der Radius des Verengungsabschnitts mit r₀ bezeichnet wird, die Verengungsposition x₀ durch die folgende Parabelgleichung (2) unter Verwendung des Radius r₀ und der Brennweite „a“ ausgedrückt. $x_{0} = (1 / 4a) r_{0}^{2}$
In diesem Fall wird der Radius r₀ des Verengungsabschnitts gemäß dem Durchmesser des Ultraschallwandlers 1 bestimmt. Zum Beispiel wird, wenn der Durchmesser Φ des Ultraschallwandlers 1 14 mm ist, der Durchmesser 2r₀ des Verengungsabschnitts mit 16 mm gewählt, so dass eine Lücke von 1 mm zu dem Horn auf jeder Seite sichergestellt wird. Der Durchmesser des Verengungsabschnitts wird so festgelegt und die Brennweite „a“ des parabolischen Horns 4 wird durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt, die aus der obigen Gleichung (2) hergeleitet wurde und die eindeutig durch die Verengungsposition x₀ bestimmt wird. $a = (1 / {4x}_{0}) r^{2}$
Demgemäß wird die Form des parabolischen Horns 4, das für den Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist, so bestimmt, dass der Hornöffnungswinkel durch die Verengungsposition x₀ und einen Hornöffnungsdurchmesser Φ bestimmt wird, nachdem eine Hornlänge L bestimmt wurde. In diesem Fall bezeichnet die Hornlänge L die Abmessung des parabolischen Horns 4 von der Verengungsposition x₀ zu einem Hornöffnungsende, und der Hornöffnungsdurchmesser Φ bezeichnet den Durchmesser der Hornöffnung an dem Hornöffnungsende.
Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, in dem die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors nicht unter den oben genannten Bedingungen optimiert werden kann. Was unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde ist, dass die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors, der mit dem parabolischen Horn 4 versehen wurde, optimiert werden kann, wenn der Ultraschallwandler 1 so angeordnet wird, dass die Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 exakt an der Position des Brennpunkts des parabolischen Horns 4 angeordnet werden kann. Jedoch kann diese Bedingung nur dann angewandt werden, wenn die Größe der Form des parabolischen Horns 4 hinreichend größer ist als die Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten Ultraschallwelle.
Im Gegensatz dazu muss die Frequenz der Ultraschallwelle, die in dem Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist, so niedrig wie möglich sein kann (60kHz oder weniger), um eine atmosphärische Abschwächung relativ zu unterdrücken, um vorteilhaft den Erfassungsabstand zu vergrößern. Demgemäß ist die Größenordnung der Ultraschallwelle, die zu verwenden ist, wenigstens ungefähr 5,77 mm (zu bemerken ist, dass der Wert gemessen wird, wenn die Lufttemperatur die Standardtemperatur von 25°C in einer realen Umgebung ist).
Andererseits weist die Größe der Form des Horns folgende Einschränkungen im Hinblick auf den Einbauraum in einem Fahrzeug auf. Insbesondere muss für eine Horngröße, die für die Hornstruktur möglich ist, die an dem Ultraschallsensor eingesetzt werden kann, der Hornöffnungsdurchmesser Φ auf 80 mm oder weniger verringert werden und die Hornlänge L muss auf 50 mm oder weniger verringert werden.
Daraus folgt, dass der Ultraschallsensor zur Verwendung an einem Fahrzeug in einer Situation verwendet wird, in der die Größe der Form des parabolischen Horns 4 nicht hinreichend größer ist als die Größenordnung der Wellenlänge der Ultraschallwelle, die verwendet wird, wie dies oben beschrieben wurde. Demgemäß wird erwartet, dass die Bedingung, dass die Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 exakt an der Position den Brennpunkts F des parabolischen Horns 4 angeordnet ist, nicht die Bedingung ist, um effizient eine Verbesserung in der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu erzielen.
Unter Berücksichtigung des oben genannten muss die Form des parabolischen Horns 4, das für den Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, aufgrund von experimentellen Ergebnissen bestimmt werden. Insbesondere ist es wichtig, den Brennpunkt „a“ des parabolischen Horns und die Verengungsposition x₀ zu bestimmen, um die Verbesserung in der Empfindlichkeit zu erzielen.
Im Folgenden wird eine Beschreibung der Ergebnisse von realen Messungen vorgenommen, die zum Bestimmen der Form des parabolischen Horns vorgenommen wurden, das für den Ultraschallsensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist. 5A und 5B zeigen Tests und reale Messbedingungen und die realen Messergebnisse.
In 5A und 5B werden die Tests und die realen Messungen jeweils durch Anordnen der Position der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 an der Verengungsposition x₀ des parabolischen Horns 4 vorgenommen, und die Verengungsposition x₀ wurde verändert, um den Öffnungswinkel des Horns zu verändern (x₀=2 mm, 3 mm, 4 mm und 5 mm). Ferner wurde die Hornlänge L gemäß den Bedingungen L=20 mm, 30 mm und 40 mm verändert. Anzumerken ist, dass die Ultraschallfrequenz 40 kHz (entsprechend der Ultraschallwellenlänge von 8,66 mm) und der Verengungsradius r₀ 8 mm war (der Ultraschallwandlerdurchmesser war 14 mm).
5A ist das Ergebnis der Tests und realen Messungen unter den oben genannten Bedingungen, welches zeigt, wie sich die Empfindlichkeit in der Vorwärtsrichtung gemäß den Veränderungen in der Verengungsposition x₀ und der Hornlänge L verändert. Die realen Messbedingungen werden unten aufgelistet.

- Die parabolischen Hörner 4, die versuchsweise mit verschiedenen Formen hergestellt werden, wurden an Ultraschallsensoren vorgesehen.
- Eine Ultraschallwelle wurde zu einem Ziel hin (Polyvinylchloridrohr mit Φ = 75 mm) ausgesandt, das vor dem Sensor angeordnet war.
- Die Sensorempfindlichkeit wurde aufgrund des Empfangsniveaus eines Echos (reflektierte Welle) von dem Ziel bestimmt.

Die horizontale Achse des Graphs, der in 5A gezeigt ist, stellt die Verengungsposition x₀ (entsprechend dem Parameter zum Verändern des Hornöffnungswinkels) dar, und die vertikale Achse stellt die realen gemessenen Werte der Sensorempfindlichkeit dar. Der Graph zeigt die realen gemessenen Werte der Sensorempfindlichkeit, die alle normiert wurden, wobei der bestimmte Wert der Sensorempfindlichkeit bei der Hornlänge L von 20 mm und der Verengungsposition x₀ von 3 mm 0 dB ist.
Ferner ist 5B ein Diagramm, das schematisch darstellt, wie sich die relative Positionsbeziehung zwischen der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 und dem Brennpunkt F des Horns gemäß der Veränderung in der Verengungsposition x₀ der 5A verändert.
In 5B ist, wenn die Verengungsposition x₀ kleiner ist als die Brennweite „a“ (x₀<a), der Hornöffnungswinkel groß. Demgemäß ist die Position des Brennpunkts F vor der Vibrationsoberfläche 5 angeordnet. Wenn die Verengungsposition x₀ mit der Brennweite „a“ übereinstimmt (x₀=a=4 mm) wird der Hornöffnungswinkel enger als im Fall von x₀<a. Dann ist die Position des Brennpunkts F des Horns auf der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 angeordnet. Demgemäß ist diese Bedingung die oben genannte ideale Optimalbedingung für die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors.
Weiter ist, wenn die Verengungsposition x₀ größer ist als die Brennweite „a“ (x₀>a), der Öffnungswinkel des Horns eng. Demgemäß ist die Position des Brennpunkts F des Horns hinter der Vibrationsoberfläche 5 angeordnet.
Zu bemerken ist, dass die Brennweite „a“ für jede Verengungsposition x₀ bestimmt wird, indem die Verengungsposition x₀ und der Verengungsradius r₀=8 mm (fester Wert) in die obige Gleichung (3) eingesetzt werden.
Wie in 5A gezeigt ist die Empfindlichkeit für jede Hornlänge L bei der Verengungsposition x₀=3 mm maximal und der Öffnungswinkel des Horns (die sich bei Verwendung von x₀ verändert) weist einen optimalen Wert auf und daher wird die Empfindlichkeit verringert, wenn der Öffnungswinkel des Horns zu groß oder zu klein ist.
Ferner wird davon ausgegangen, dass, wie oben beschrieben, die Empfindlichkeit nicht an der Verengungsposition x₀=a=4 mm maximal ist, welches die ideale Optimalbedingung ist, sondern sie bei einer Verengungsposition maximal ist, die von der idealen Optimalbedingung abweicht. Dies liegt daran, dass, ähnlich wie oben beschrieben, die Größe der Form des parabolischen Horns 4 nicht als hinreichend größer als die Größenordnung der Wellenlänge der Ultraschallwelle, die verwendet wird, betrachtet werden kann (der Hornöffnungsdurchmesser Φ (maximal) ist 60 mm und die Hornlänge L (maximal) ist 40 mm für die Ultraschallwellenlänge von 8,66 mm).
Anschließend zeigt 6 reale Messergebnisse von Winkelcharakteristika der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors, die erhalten wurden, wenn der Öffnungswinkel des Horns verändert wurde (x₀=2 mm, 3 mm, 4 mm und 5 mm), wie dies in 5A und 5B gezeigt ist. In 6 ist der Winkelbereich, in der die Sensorempfindlichkeit dargestellt wird, von -10° bis +10°, und die realen Messergebnisse werden unter der Bedingung, dass die Hornlänge L=20 mm ist, gezeigt.
5A und 5B und 6 wie oben bezeichnet zeigen jeweils die realen Messergebnisse unter der Bedingung, dass die Position der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 an der Position der Verengungsoberfläche des parabolischen Horns 4 festgelegt ist. Andererseits zeigen 7A und 7B reale Messergebnisse der Veränderungen in der Empfindlichkeit, die erhalten wurden, wenn die relative Positionsbeziehung zwischen der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 und der Verengungsoberfläche des parabolischen Horns 4 entlang der Hornachse verändert wurde.
7A zeigt reale gemessene Werte der Veränderung in der Sensorempfindlichkeit, die erhalten wurden, wenn die Positionsbeziehung zwischen dem parabolischen Horn 4 und dem Ultraschallwandler 1 verändert wurde. Zu bemerken ist, dass die realen gemessenen Werte unter den Bedingungen erhalten wurden, dass die Verengungsposition x₀= 3 mm und die Hornlänge L=20 mm ist.
Die horizontale Achse des Graphs, der in 7A gezeigt ist, stellt einen Vorstehbetrag der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 bezüglich der Verengungsposition x₀ dar. Insbesondere sind die Werte positiv in der Richtung, in der der Ultraschallwandler 1 zur Innenseite des Horns hin vorsteht (zum Öffnungsabschnitt des parabolischen Horns 4 hin). Die vertikale Achse stellt die realen gemessenen Werte der Sensorempfindlichkeit dar, welche die Werte bezeichnen, die unter der Voraussetzung normiert wurden, dass die Sensorempfindlichkeit, wenn der Vorstehbetrag auf der horizontalen Achse 0 ist (bündig abschließt), 0 dB ist.
Ferner zeigt 7B ein Diagramm, das schematisch die Positionsbeziehung zwischen dem parabolischen Horn 4 und dem Ultraschallwandler 1 in der realen Messung zeigt.
Wie in 7A gezeigt ist ersichtlich, dass die Sensorempfindlichkeit verbessert werden kann, wenn der Vorstehbetrag ein positiver Wert in dem Zustand ist, in dem die Vibrationsoberfläche 5 zur Innenseite des Horns vorsteht, im Vergleich dazu, wenn der Vorstehbetrag 0 ist (bündig abschließt). Dies liegt genau daran, dass die Position der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 näher an die Position des Brennpunkts F des parabolischen Horns 4 herankommt, wie dies in 7B dargestellt ist.
Jedoch ist die Sensorempfindlichkeit nicht der Maximalwert, wenn die Vibrationsoberfläche 5 um (a-x₀)=2,33 mm vorsteht, welches dem Vorstehbetrag zum Ausrichten der Position der Vibrationsoberfläche 5 an dem Brennpunkt F des parabolischen Horns 4 entspricht. Dies liegt daran, dass, ähnlich wie oben, die Größe der Form des parabolischen Horns 4 nicht als hinreichend größer als die Größenordnung der Wellenlänge der Ultraschallwelle, die verwendet wird, betrachtet werden kann (der Hornöffnungsdurchmesser Φ (maximal) ist 60 mm und die Hornlänge L (maximal) ist 40 mm für die Ultraschallwellenlänge von 8,66 mm).
Demgemäß liegt aufgrund der realen Messergebnisse, die in 7A gezeigt sind, der Optimalwert des Vorstehbetrags der Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 bezüglich der Verengungsposition x₀ , um die Sensorempfindlichkeit zu maximieren, im Bereich von 1 mm bis 2 mm, welches nicht der Vorstehbetrag (a- x₀) ist, der nötig ist, um die Vibrationsoberfläche 5 an der Position des Brennpunkts F auszurichten. Anders gesagt ist es aus den realen Messwerten ersichtlich, dass der Optimalwert bei ungefähr 40 % bis 90 % von (a-x₀) liegt.
Wie in 7A und 7B gezeigt, werden durch das Festlegen, dass die Vibrationsoberfläche 5 des Ultraschallwandlers 1 zu der Position hin verschoben ist, die zur Innenseite des Horns vorsteht, die folgenden zwei Empfindlichkeitsverbesserungseffekte erhalten. Insbesondere kann zusätzlich zu der Verbesserung in der Empfindlichkeit, die durch das Anordnen der Vibrationsoberfläche 5 näher an der Position des Brennpunkts F erhalten wird, erwartet werden, dass eine Verbesserung in der Empfindlichkeit erhalten wird, indem alle Ultraschallabstrahlkomponenten von der Seitenoberfläche des Ultraschallwandlers 1 zu der Ultraschallstrahlung beitragen können.
Wie oben beschrieben, verwendet die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das parabolische Horn, welches das Rotationsparaboloid als Hornstruktur aufweist. Dies kann eine höhere Ultraschallstrahleffizienz als in anderen Hornformen und -verfahren erzielen und kann eine Form erhalten, welche das Entfernen von Schmutzkomponenten, wie zum Beispiel Staub und Abrieb, erleichtert, die auf der Innenseite des Horns während der Fahrzeugbewegung oder ähnlichem anhaften. Daher kann eine Verbesserung in dem Wartungsverhalten nach dem Anbringen an dem Fahrzeug sowie eine Verbesserung in der Strahlungsleistung erzielt werden.
Zusätzlich wird in dem Fall, in dem der Ultraschallwandler so angeordnet ist, dass die Position der Vibrationsoberfläche des Ultraschallwandlers mit der Verengungsposition des parabolischen Horns fluchtet, die Empfindlichkeit verbessert, indem der Öffnungswinkel der Hornstruktur so gestaltet wird, dass die Verengungsposition des parabolischen Horns kleiner ist als die Brennweite des parabolischen Horns. Demgemäß kann im Vergleich zu dem Fall, in dem der Öffnungswinkel der Hornstruktur so gestaltet ist, dass der Brennpunkt und die Verengungsposition miteinander fluchten, die Empfindlichkeit verbessert werden, während der Öffnungswinkel vergrößert wird. Durch das Bestimmen der optimalen Form des parabolischen Horns kann als Ergebnis auf diese Art und Weise auch die Hornlänge verkürzt werden.
Zusätzlich kann durch Verwenden des parabolischen Horns mit dem breiten Hornwinkel die Position der Vibrationsoberfläche des Ultraschallwandlers von dem Zustand, in dem sie mit der Verengungsposition des parabolischen Horns fluchtet, so bewegt werden, dass sie in das Innere des Horns (zum Öffnungsabschnitt des parabolischen Horns hin) hineinragt, um dadurch die Empfindlichkeit weiter zu verbessern. Insbesondere wurde von den realen Messergebnissen bestätigt, dass, wenn die Position der Vibrationsoberfläche des Ultraschallwandlers in das Innere des Horns um den Betrag hervorsteht, der 40 % bis 90 % von (Brennweite - Verengungsposition) entspricht, die Empfindlichkeit auch bei der gleichen Horngröße noch weiter verbessert werden. So kann die optimale Positionsbeziehung zwischen dem parabolischen Horn und dem Ultraschallwandler bestimmt werden, und als ein Ergebnis kann die Gesamtlänge des Sensors auch um den Vorstehbetrag des Ultraschallwandlers verkürzt werden.
Was oben beschrieben wurde ist das Verfahren des Bestimmens der optimalen Form des parabolischen Horns 4, das für den Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist, und auch das Verfahren zum Bestimmen der optimalen Positionsbeziehung zwischen dem parabolischen Horn 4 und dem Ultraschallwandler 1. Im Folgenden wird ein spezifisches Verfahren zum Realisieren des oben genannten Ultraschallsensors beschrieben.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Struktur des parabolischen Horns 4 durch Harzguss ausgebildet. Der Grund dafür ist, dass metallische Materialien typischerweise Hochfrequenzgeräusche erzeugen und eine unnötige Ultraschallwelle übertragen und daher für fehlerhafte Erfassungen des Sensors verantwortlich sein können. Durch Ausbilden des Ultraschallhorns 4 aus dem Harzmaterial kann der Betrag an Ultraschallabschwächung vergrößert werden, sodass die Übertragung einer unnötigen Ultraschallwelle nur geringfügig auftritt.
Ferner kann durch Verwenden des Harzmaterials das parabolische Horn 4 einstückig mit einer Gehäusekomponente ausgebildet werden, die benötigt wird, um andere strukturelle Komponenten, die zum Aufbau des Ultraschallsensors nötig sind, wie zum Beispiel eine Platine und einen Verbinder, zu lagern und zu umgeben. Daher können die Kosten verringert werden.
8 ist ein Schnittdiagramm, welches schematisch die Struktur der Harzgusskomponenten zum einstückigen Ausbilden des parabolischen Horns 4 und der Gehäusekomponente des Ultraschallsensors darstellt. Die Darstellung der Struktur in 8 ist auf die minimalen Strukturabschnitte beschränkt, die zur Beschreibung der strukturellen Komponenten nötig sind, die für den Ultraschallsensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nötig sind. Demgemäß ist der Strukturabschnitt zum Befestigen und Abstützen des Ultraschallwandlers 1 und des parabolischen Horns 4 und ähnliches nicht dargestellt.
Wie in 8 dargestellt ist eine Erleichterungsstruktur (engl.: „lightening structure“) 6 in der Komponente des parabolischen Horns 4 vorgesehen, die durch Harzguss ausgebildet wurde. Dadurch kann die Dicke des Harzes zum Ausbilden des parabolischen Horns 4 gleichmäßig gemacht werden, welches das Auftreten von Gussfehlern, wie zum Beispiel Absinkmarkierungen und Verzerrungen, unterdrückt.
Ferner ist an dem Öffnungsabschnitt des parabolischen Horns 4 eine abgerundete Form 7 wie in 8 dargestellt hinzugefügt, obwohl das Ausbildungsverfahren nicht auf einen Harzguss beschränkt ist. Dies kann unnötige Ultraschallstreuung an diesem Abschnitt im Vergleich zu dem Fall verhindern, in dem dieser Abschnitt eine Kantenform hat.
Unnötiges Ultraschallstreuen, das von einem solchen Kantenabschnitt herrührt, kann zu Ultraschallstrahlung und - empfang in ursprünglich nicht beabsichtigten Richtungen führen, welches für eine fehlerhafte Erfassung durch den Ultraschallsensor verantwortlich ist.
Vorteile der Erfindung
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das parabolische Horn, welches einen Rotationsparaboloid aufweist, als Hornstruktur verwendet. Unter Verwendung einer solchen Ausgestaltung kann eine höhere Ultraschallstrahlungseffizienz als bei anderen Hornformen und Verfahren erhalten werden und kann auch eine Form erhalten werden, welche das Entfernen von Schmutzkomponenten wie zum Beispiel Staub und Abrieb erleichtert, welche an dem Inneren des Horns während des Fortbewegens des Fahrzeugs oder ähnlichem anhaften. Demgemäß kann eine Verbesserung in dem Wartungsverhalten nach dem Anbringen an dem Fahrzeug und auch eine Verbesserung in der Abstrahlleistung realisiert werden.
Zusätzlich werden Verfahren zum Bestimmen der optimalen Form des parabolischen Horns, das in einem Ultraschallsensor zu verwenden ist, und Verfahren zum Bestimmen der optimalen Positionsbeziehung zwischen dem parabolischen Horn und dem Ultraschallwandler definiert. Daher ist es möglich, einen Fahrzeug-Ultraschallsensor zu erhalten, der eine Hornstruktur aufweist, die in der Lage ist, eine Empfindlichkeit bereitzustellen, die zum Erfassen der Anwesenheit/Abwesenheit eines Hindernisses ausreicht, das um das Fahrzeug herum vorhanden ist, und welche auch die Lastbedingung für die Hornstruktur hat, während die Hornabmessungen klein genug gehalten werden, um eine Sensorgröße zu erzielen, die an einem Fahrzeug anbringbar ist.

Claims

Fahrzeug-Ultraschallsensor mit: einem Ultraschallwandler (1) zum Aussenden und Empfangen einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 20 kHz oder mehr und 60 kHz oder weniger, einer Hornstruktur zum Verbessern der Strahlungsgerichtetheit der Ultraschallwelle, die von dem Ultraschallwandler (1) bezüglich jeder Erfassungsrichtung um ein Fahrzeug herum ausgesandt und empfangen wird, wobei die Hornstruktur einen Verengungsabschnitt aufweist, der einem Erleichterungsabschnitt entspricht, um darin den Ultraschallwandler (1) einzubauen, wobei der Fahrzeug-Ultraschallsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Hornstruktur ein parabolisches Horn (4) aufweist, welches ein Rotationsparaboloid aufweist, und wenn davon ausgegangen wird, dass der Ultraschallwandler (1) so angeordnet ist, dass eine Position einer Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) an einer Verengungsposition (x₀) entsprechend einem Abstand von einer Position eines Scheitels der Rotationsparaboloidform zu einer Position des Verengungsabschnittes ausgerichtet ist, die Verengungsposition (x₀) als eine optimale Form bestimmt wird, welche Bedingungen eines Öffnungsdurchmessers (Φ) von 80 mm oder weniger und einer Hornlänge (L) von 50 mm oder weniger erfüllt, indem ein Öffnungswinkel der Hornstruktur so gestaltet wird, dass die Verengungsposition (x₀) einen Wert kleiner als eine Brennweite (a) des parabolischen Horns (4) hat.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) so angeordnet ist, dass die Position der Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) zu einem Öffnungsabschnitt des parabolischen Horns (4) hin bezüglich der Verengungsposition (x₀) des parabolischen Horns (4) hervorsteht, welches als die optimale Form bestimmt wurde.
Ultraschallsensor für Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) so angeordnet ist, dass die Position der Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) zu dem Öffnungsabschnitt des parabolischen Horns (4) hin innerhalb eines Bereichs von der Verengungsposition (x₀) bis zum Brennpunkt des parabolischen Horns (4) liegend vorsteht.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) so angeordnet ist, dass sie zu dem Öffnungsabschnitt hin um 1,0 mm bis 2,0 mm bezüglich der Verengungsposition (x₀) vorsteht.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsoberfläche (5) des Ultraschallwandlers (1) so angeordnet ist, dass sie zu dem Öffnungsabschnitt um ungefähr 40 % bis 90 % eines Abstands von der Verengungsposition (x₀) zu der Brennpunktposition des parabolischen Horns (4) bezüglich der Verengungsposition (x₀) hervorsteht.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das parabolische Horn (4) aus Harz besteht.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das parabolische Horn (4) einer Erleichterung („lightening“) unterzogen wurde, sodass eine Formdicke einheitlich ist.
Fahrzeug-Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das parabolische Horn (4) mit einer abgerundeten Form an einem inneren Umfangsabschnitt einer Öffnung des parabolischen Horns (4) versehen wurde.