-
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Membran und einer Wandlereinrichtung zur Schwingungsanregung der Membran, wobei die Membran ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement aufweist und das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement benachbart zueinander angeordnet sind. Ein derartiger Ultraschallsensor ist z.B. in der
DE 10 2015 110 776 A1 beschrieben.
-
Ultraschallsensoren für Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich gut bekannt und können beispielsweise im Frontbereich und im Heckbereich eines Kraftfahrzeugs verbaut werden. Dazu können die Ultraschallsensoren an den Stoßfängern des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Die Ultraschallsensoren können einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein und Informationen über die Umgebung des Kraftfahrzeugs liefern. Beispielsweise kann mit den Ultraschallsensoren der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Objekt beziehungsweise einem Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise dazu dienen, den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.
-
Derartige Ultraschallsensoren weisen üblicherweise eine Membran auf, die häufig topfförmig ausgebildet ist. Die Membran beziehungsweise ein Boden der Membran kann mit einer entsprechenden Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Als Wandlereinrichtung wird häufig ein Piezoelement verwendet. Mit der Wandlereinrichtung beziehungsweise mit dem Piezoelement kann auch eine mechanische Schwingung der Membran erfasst werden.
-
Die Ultraschallsensoren werden insbesondere in drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen betrieben. Während einer Sendephase wird die Membran des Ultraschallsensors mittels der Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt. Dies hat zur Folge, dass mit dem Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird. In einer anschließenden Ausschwingphase unterbleibt eine Anregung der Membran und die Membran schwingt aus. In einer auf die Ausschwingphase folgenden Empfangsphase kann das von einem Objekt in der Umgebung reflektierte Ultraschallsignal wieder auf die Membran treffen und diese zu mechanischen Schwingungen anregen. Diese mechanischen Schwingungen können mit dem Piezoelement erfasst und in Form eines elektrischen Signals ausgegeben werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals kann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden.
-
Bei der Erfassung von Objekten, die sich in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs befinden, ist es unter anderem ein Erfordernis, zu erkennen, ob ein Objekt niedrig oder hoch ist. Diese Information wird z.B. deshalb benötigt, weil erkannt werden muss, ob ein Objekt so niedrig ist, dass es gefahrlos überfahren werden kann, oder ob das Objekt höher ist und deshalb ein Hindernis darstellt, vor dem gewarnt bzw. vor dem abgebremst werden soll. Häufig werden niedrige Objekte, die eigentlich ohne Probleme überfahren werden könnten, bei guter Reflexion der Objekte von einem Ultraschallsensor eines Kraftfahrzeugs als vermeintlich hohe Objekte erfasst. Auf diese Weise kommt es zu Fehlalarmen bzw. zu einem unnötigen Anhalten des Fahrzeugs.
-
Grundsätzlich kann die geometrische Sensorcharakteristik eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs eingestellt werden. Insbesondere kommt es diesbezüglich auf die mechanische Ausrichtung, also auf die Einbauhöhe und auf den Einbauwinkel, der Ultraschallsensoren an. Die mechanische Ausrichtung kann so gewählt werden, dass niedrige Objekte nicht erkannt werden. Allerdings ist damit die geometrische Sensorcharakteristik des Ultraschallsensors nach dem Einbau nicht mehr veränderbar.
-
Aus der oben schon angesprochenen
DE 10 2015 110 776 A1 ist eine Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einem Ultraschallsensor, der eine Membran und eine Wandlereinrichtung zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran aufweist, wobei die Wandlereinrichtung ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement aufweist, und mit einer Steuereinrichtung zum unabhängigen Ansteuern des ersten Piezoelements und des zweiten Piezoelements, wobei das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement zur Schwingungsübertragung miteinander verbunden sind.
-
In der
DE 10 2009 040 028 sind ein Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer Membran und mit einem elektromechanischen Schwingungsgeber zur Schwingungsanregung der Membran beschrieben, wobei der Schwingungsgeber über eine mechanische Verbindung mit der Membran verbunden und die mechanische Verbindung elektrisch leitend ausgebildet ist. Um die elektrische Verbindung zwischen Membran und Schwingungsgeber zu verbessern, ist der Schwingungsgeber formschlüssig mit der Membran verbunden.
-
Die
DE 10 2008 027 970 beschreibt einen Ultraschallsensor mit einer Membran und einem nahe an der Membran angeordneten piezoelektrischen Element. Der Ultraschallsensor weist ein zweites piezoelektrisches Element auf, wobei das zweite piezoelektrische Element weiter von der Membran beabstandet ist als das erste piezoelektrische Element und wobei das zweite piezoelektrische Element mit der Membran in Wirkverbindung steht. Dadurch soll die Integration von zwei piezoelektrischen Elementen in einem Gehäuse ermöglicht werden, die einzeln oder in Kombination betrieben werden können.
-
Aus der
JP 2000-009 825 A ist ein Ultraschallsensor mit einer anisotropen Sensorcharakteristik bekannt, der zwei piezoelektrische Elemente umfasst, die jeweils in einer Aussparung der Membran angeordnet sind.
-
Aus der
DE 100 09 129 A1 ist ein Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Schwingelement bekannt, dessen Boden als Membran dient. An der Membran sind zwei piezoelektrische Wandler nebeneinander befestigt. Dieser Ultraschallsensor weist ein Schallrichtdiagramm mit einer Asymmetrie auf.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen solchen Ultraschallsensor bereitzustellen, der eine universelle Gestaltung seiner geometrische Sensorcharakteristik im Betrieb erlaubt.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen ein Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Membran und einer Wandlereinrichtung zur Schwingungsanregung der Membran, wobei die Membran ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement aufweist und das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement benachbart zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Aussparung aufweist und das zweite Piezoelement in der Aussparung der Membran angeordnet ist.
-
Es ist somit ein maßgeblicher Punkt der Erfindung, dass zwei Piezoelemente als Wandlereinrichtung zur Schwingungsanregung der Membran des Ultraschallsensors vorgesehen sind, wobei eines dieser Piezoelemente in einer Aussparung in der Membran angeordnet ist. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als dass, wie im Folgenden beschrieben, auf diese Weise die geometrische Sensorcharakteristik des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors verändert werden kann. Damit kann die geometrische Sensorcharakteristik des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors während des Betriebs des Ultraschallsensors an sich ändernde Umgebungsbedingungen angepasst werden. Die geometrische Sensorcharakteristik beschreibt den von dem Ultraschallsensor erfassten Bereich, in dem Objekte erfasst werden können, und weist in der Regel eine keulenförmige Struktur auf.
-
Grundsätzlich können die beiden Piezoelemente im Abstand voneinander angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement direkt aneinander angrenzen.
-
Weiterhin können die Flächen der Piezoelemente verschieden groß ausgestaltet sein. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Fläche des ersten Piezoelements größer ist als die Fläche des zweiten Piezoelements. Insbesondere gilt dabei vorzugsweise, dass das erste Piezoelement in allen seinen Bereichen über den Rand des zweiten Piezoelements übersteht. Dazu gibt es verschiedene bevorzugte geometrische Ausgestaltungen der Piezoelemente:
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jeweils eine kreisrunde Form auf, wobei der Durchmesser des ersten Piezoelements größer ist als der Durchmesser des zweiten Piezoelements. Bei dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise insbesondere vorgesehen, dass die kreisförmigen Piezoelemente konzentrisch zueinander angeordnet sind.
-
Alternativ sind gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jeweils ellipsenförmig ausgestaltet, wobei die Hauptachse des ersten Piezoelements länger ist als die Hauptachse des zweiten Piezoelements. Vorzugsweise gilt dabei ferner, dass die Hauptachse des ersten Piezoelements im rechten Winkel zur Hauptachse des zweiten Piezoelements steht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jedoch jeweils auch die Form eines Rechtecks aufweisen, wobei die längere Seite des ersten Piezoelements länger ist als die längere Seite des zweiten Piezoelements. Vorzugsweise gilt auch hier, dass die längere Seite des ersten Piezoelements im rechten Winkel zur längeren Seite des zweiten Piezoelements steht.
-
Was die Tiefe der Aussparung in der Membran angeht, so genügt es für die Erfindung grundsätzlich, wenn das zweite Piezoelement bis zu einer gewissen Dicke von der Aussparung aufgenommen wird. Grundsätzlich kann also das zweite Piezoelement mit einem bestimmten Anteil noch aus der Aussparung herausragen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Tiefe der Aussparung in der Membran der Dicke des zweiten Piezoelements entspricht, so dass die nach außen gerichtete Seite des zweiten Piezoelements plan mit der entsprechenden Seite der Membran abschließt. Auf diese Weise kann das erste Piezoelement derart angeordnet werden, dass es einerseits direkten Kontakt mit dem zweiten Piezoelement hat und ferner in seinen Außenbereichen, mit denen es über das zweite Piezoelement hinausragt, direkt auf der entsprechenden Seite der Membran aufliegt.
-
Vorzugsweise ist das zweite Piezoelement passgenau in der Aussparung angeordnet. Mit anderen Worten grenzt bzw. liegt die seitliche Außenfläche (oder Umfangsoberfläche) des zweiten Piezoelements direkt an die Aussparung an. Anders ausgedrückt entsprechen die Abmessungen, insbesondere die Breite und/oder Länge (bzw. der Durchmesser), des zweiten Piezoelements den Abmessungen der Aussparung.
-
Wie zuvor erläutert, können die Piezoelemente des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors unterschiedlich ausgebildet und angeordnet sein. Schon auf diese Weise lassen sich, nämlich aufgrund der verschieden ausgestalteten bzw. angeordneten Piezoelemente, für die einzelnen Piezoelemente unterschiedliche geometrische Sensorcharakteristiken erzielen. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine derartige Verwendung eines zuvor beschriebenen Ultraschallsensors in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, dass das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement unabhängig voneinander angesteuert werden. Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement mit verschiedenen Frequenzen angesteuert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Ansteuern des ersten Piezoelements und des zweiten Piezoelements zu verschiedenen Zeiten vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich die Sensorcharakteristiken durch die einzelnen Piezoelemente und damit die geometrische Sensorcharakteristik des Ultraschallsensors im Betrieb individuell einstellen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung weiter im Detail erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
-
In den Zeichnungen zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit Ultraschallsensoren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 schematisch einen Ultraschallsensoren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
- 3 eine geometrische Ausgestaltungsmöglichkeit für die Piezoelemente eines Ultraschallsensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine geometrische Ausgestaltungsmöglichkeit für die Piezoelemente eines Ultraschallsensors gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 schematisch die geometrische Sensorcharakteristik eines Ultraschallsensor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebsmodus und
- 6 schematisch die geometrische Sensorcharakteristik des Ultraschallsensor aus 5 in einem zweiten Betriebsmodus.
-
1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, das seinerseits eine Ultraschallsensorvorrichtung 9 mit einer Steuereinrichtung 3 und Ultraschallsensoren 4 aufweist. Die Steuereinrichtung 3 ist vorliegend als elektronisches Steuergerät (ECU - Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet. Die Ultraschallsensorvorrichtung 9 umfasst acht Ultraschallsensoren 4. Davon sind vier Ultraschallsensoren 4 im Frontbereich 5 des Kraftfahrzeugs 1 und vier Ultraschallsensoren 4 im Heckbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Ultraschallsensoren 4 sind dazu ausgebildet, ein Objekt 8 in der Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs 1 zu erfassen und den Abstand zwischen dem Objekt 8 und dem Kraftfahrzeug 1 zu bestimmen. Die Ultraschallsensoren 4 sind zur Datenübertragung mit der Steuereinrichtung 3 verbunden. Die hierfür erforderlichen Datenleitungen sind vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
-
Aus 2 ist nun in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, wie die Ultraschallsensoren 4 gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung aus 1 konkret ausgestaltet sind. Der Ultraschallsensor 4 weist insgesamt eine Topfform auf, ist insgesamt also rund mit einer umlaufenden Wand 18 und einer den Boden des Topfes bildenden Membran 10. In der Membran 10 ist eine Aussparung 11 vorgesehen. Als Wandlereinrichtung 14 zur Schwingungsanregung der Membran 10 sind ein erstes Piezoelement 12 und ein zweites Piezoelement 13 vorgesehen.
-
Wie aus 2 erkennbar, ist dabei das zweite Piezoelement 13 in der Aussparung 11 der Membran 10 angeordnet, und das erste Piezoelement 12 ist darüber angeordnet. Bei dem aus 2 ersichtlichen Ultraschallsensor 4 gemäß dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen das erste Piezoelement 12 und das zweite Piezoelement 13 jeweils eine kreisrunde Form auf, wie in 3 dargestellt. Dabei gilt ferner, dass der Durchmesser des ersten Piezoelements 12 größer ist als das zweite Piezoelement 13 und die beiden Piezoelemente 12, 13 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise ragt das erste Piezoelement 12 entlang seines gesamten Randes jeweils über das zweite Piezoelement 13 hinaus.
-
Das zweite Piezoelement 13 ist passgenau in der Aussparung angeordnet. Das heißt die seitliche Außenfläche (oder Umfangsoberfläche) des zweiten Piezoelements 13 grenzt direkt an die Aussparung 11 an bzw. liegt direkt daran an. Die Abmessungen bzw. der Durchmesser des zweiten Piezoelements 13 entspricht also den Abmessungen der Aussparung 11. Darüber hinaus sind die Tiefe der Aussparung 11 sowie die Dicke des zweiten Piezoelements 13 genau gleich gewählt worden. Auf diese Weise passt das zweite Piezoelement 13 genau in die Aussparung 11 hinein, ohne nach oben hin darüber hinauszuragen. Die nach außen weisende Fläche des zweiten Piezoelements 13 schließt also plan mit der entsprechenden Innenfläche der Membran 10 ab. Auf diese Weise ist es möglich, das erste Piezoelement 12 derart anzuordnen, dass es direkten Kontakt zu dem zweiten Piezoelement 13 hat und an seinen Bereichen, mit denen es über das zweite Piezoelement 13 hinausragt, direkt auf der Innenseite der Membran 10 aufliegt.
-
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, gemäß dem das erste Piezoelement 12 und das zweite Piezoelement 13 jeweils ellipsenförmig ausgebildet sind, wobei die Hauptachse des ersten Piezoelements 12 länger ist als die Hauptachse des zweiten Piezoelements und im Übrigen die Hauptachse des ersten Piezoelements 12 im rechten Winkel zur Hauptachse des zweiten Piezoelements 13 steht.
-
Durch die unterschiedlichen Größen bzw. Ausrichtungen der Piezoelemente 12, 13 sind mit den beiden Piezoelementen 12, 13 bereits unterschiedliche geometrische Sensorcharakteristiken verbunden. Darüber hinaus können die Piezoelemente 12, 13 jedoch auch individuell angesteuert werden, nämlich einerseits hinsichtlich ihrer Frequenz und andererseits in zeitlicher Hinsicht. Damit kann das erzielt werden, was in den 5 und 6 dargestellt ist. In einem Kraftfahrzeug 1 mit einem entsprechenden Ultraschallsensor 4 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt individuell eine Anpassung der geometrischen Sensorcharakteristik des Ultraschallsensors 4 je nachdem, ob es gewünscht ist, auch niedrige Objekte 16 detektieren zu können, wie in 5 dargestellt, oder ausschließlich hohe Objekte 17.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Fahrerassistenzsystem
- 3
- Steuereinrichtung
- 4
- Ultraschallsensoren
- 5
- Frontbereich
- 6
- Heckbereich
- 7
- Umgebung des Kraftfahrzeugs
- 8
- Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs
- 9
- Ultraschallsensorvorrichtung
- 10
- Membran
- 11
- Aussparung in der Membran
- 12
- erstes Piezoelement
- 13
- zweites Piezoelement
- 14
- Wandlereinrichtung zur Schwingungsanregung der Membran
- 15
- geometrische Sensorcharakteristik
- 16
- niedriges Objekt
- 17
- hohes Objekt
- 18
- umlaufende Wand des Ultraschallsensors
