DE102017209823A1 - Ultraschallsensor - Google Patents

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Abstract

Der Ultraschallsensor umfasst erfindungsgemäß ein Gehäuse (5) mit einer umlaufenden Seitenwand (10). Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor ein Wandlerelement, welches dazu ausgebildet ist, ein ankommendes Ultraschallsignal in ein erfassbares elektrisches Signal zu wandeln oder andersherum, ein elektrisches Signal in ein auszusendendes Ultraschallsignal zu wandeln. Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor eine mit dem Gehäuse (5) verbundene, schwingungsfähige Membran (20). Auf einer Oberfläche der Membran (20) ist eine Mehrzahl von Masseelementen (40) angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist innerhalb der Membran (20) eine Mehrzahl von Masseelementen (40) angeordnet. Diese Masseelemente (40) bilden ein akustisches Metamaterial, welches auch als Stop-Band-Material, Band-Gap-Material oder Phononic-Crystal bekannt ist und welches innerhalb eines Frequenzbandes resonantes Verhalten aufweist. Eine Resonanzfrequenz der Membran (20) mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran (20) angeordneten Masseelementen (40, 50) befindet sich innerhalb des Frequenzbandes beim dem die Masseelemente (40, 50) resonantes Verhalten zeigen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Das Dokument DE 10 2012 209 238 A1 beschreibt einen Ultraschallsensor, auf dessen Membran mindestens ein Masseelement derart angeordnet ist, dass sich der Widerstand des Masseelements gegen eine Schwingung der Membran mit steigender Schwingungsfrequenz erhöht. Die Kraft, die durch das mindestens eine Masseelement auf die Membran ausgeübt wird, erhöht sich also mit steigender Frequenz. Ebenso kann sich ein von dem mindestens einen Masseelement auf die Membran ausgeübtes Drehmoment mit steigender Frequenz erhöhen. Durch die Anordnung des Masseelements oder der Masseelemente wird der Effekt erzielt, dass bei niederen Schwingungsfrequenzen der Widerstand des Masseelements oder der Masseelemente gegen die Schwingung der Membran gering ist, bei höheren Frequenzen jedoch ansteigt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor mit verbesserten Eigenschaften für die Schallabstrahlung bei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen zu entwickeln.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Ultraschallsensor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
  • Der Ultraschallsensor umfasst erfindungsgemäß ein Gehäuse mit einer umlaufenden Seitenwand. In dem Gehäuse sind unter anderem bekanntermaßen die elektronischen Bauteile des Ultraschallsensors angeordnet. Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor ein Wandlerelement, welches dazu ausgebildet ist, ein ankommendes Ultraschallsignal in ein erfassbares elektrisches Signal zu wandeln oder andersherum, ein elektrisches Signal in ein auszusendendes Ultraschallsignal zu wandeln. Um einen großen elektro-mechanischen Wandlungseffekt zu erzielen, werden die bekannten Ultraschallsensoren resonant betrieben. Bekannt sind hierbei neben dem piezoelektrischen Wandlerprinzip, z.B. elektrostatische Wandler, Elektretwandler oder Piezoelektretwandler. Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor eine mit dem Gehäuse verbundene, schwingungsfähige Membran. Die Membran kann beispielsweise als einzelnes Teil in dem Gehäuse eingespannt sein, sie kann jedoch auch Bestandteil eines Membrantopfs sein. Erfindungsgemäß ist auf einer Oberfläche der Membran eine Mehrzahl von Masseelementen angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist innerhalb der Membran eine Mehrzahl von Masseelementen angeordnet.
  • Diese Masseelemente bilden ein akustisches Metamaterial, welches auch als Stop-Band-Material, Band-Gap-Material oder Phononic-Crystal bekannt ist. Sind nun eine Vielzahl von Masseelementen mit gleichen oder sehr ähnlichen schwingungsmechanischen Eigenschaften auf einer Oberfläche und/oder innerhalb der Membran angeordnet, so ist es möglich, in einem bestimmten Frequenzband die freie Wellenausbreitung abzuschwächen. Die Masseelemente agieren dann als Schwingungstilger, da sie innerhalb dieses Frequenzbandes der Membran Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingungsbewegungen entziehen und sich resonant verhalten. Diese Eigenschaft kann man zur Beeinflussung der Schwingungsform der Membran nutzen, indem das beschriebene Frequenzband der Masseelemente mit resonantem Verhalten, auf eine Resonanzfrequenz für Biegeschwingungen des Gesamtsystems, bestehend aus Membran und der Vielzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen, derart abgestimmt wird, dass die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems innerhalb des Frequenzbandes mit resonantem Verhalten der Masseelemente liegt.
  • Grundsätzlich ist es möglich, einen Ultraschallsensor bei verschiedenen Frequenzen, die seinen Resonanzfrequenzen der Membran-Biegeschwingungen entsprechen, zu betreiben. Die Membran schwingt bei verschiedenen Frequenzen geometrisch unterschiedlich. So entstehen verschiedene Schwingungsformen, von denen jedoch nicht alle in gleicher Weise für den Betrieb eines Ultraschallsensors in einem Fahrzeug, insbesondere zur Abstandsmessung, geeignet sind, da sich durch die unterschiedlichen Schwingungsformen z. B. unterschiedliche Richtcharakteristiken (Abstrahlcharakteristiken) und somit unterschiedliche Schalldrücke der abgestrahlten Schallwellen ergeben. Zu hohe Frequenzen, von beispielsweise mehr als 100 kHz, sind für eine Abstandsmessung bei einem Fahrzeug weniger geeignet, da Schallwellen in diesem Frequenzbereich durch Luft sehr stark gedämpft werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es vorteilhafterweise möglich, Schwingungsformen der Membran mit einem Knotenkreis bzw. Knotenellipse derart zu ändern, dass sich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Schallabstrahlung ergeben. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Schwingungsformen unterschiedlicher Resonanzfrequenzen unabhängig voneinander beeinflussen lassen, da das akustische Metamaterial nur in einem bestimmten Frequenzband eine freie Wellenausbreitung abschwächt bzw. verhindert.
  • Vorzugsweise sind die Masseelemente in die Membran eingebettet. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Platz für Masseelemente auf einer Oberfläche der Membran benötigt wird. Auch müssen die Masseelemente nicht noch zusätzlich an der Membran befestigt werden. Vorzugsweise repräsentierten die Masseelemente Kugelresonatoren. Diese können beispielsweise als silikonbeschichtete Stahlkugeln in einer Epoxidharz-Matrix ausgeführt sein. Das Frequenzband der Masseelemente lässt sich hierbei relativ einfach über das Masse-Steifigkeits-Verhältnis der Kugelresonatoren einstellen. Da die Kugelresonatoren keinen Platz im Inneren des Gehäuses benötigen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Wandlerelement als ein elektrostatisches Wandlerelement ausgeführt ist. Hierzu ist eine erste Elektrode des elektrostatischen Wandlerelements auf einer Innenseite der Membran angeordnet und eine zweite Elektrode auf einem Trägerelement angeordnet. Das Trägerelement ist hierbei im Inneren des Gehäuses angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführung sind die Masseelemente mit einer Außenfläche der Membran verbunden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die zum Innenraum des Gehäuses gerichtete Innenseite der Membran. Ein Vorteil ist hierbei, dass die Masseelemente relativ einfach als Biegebalken oder als Längsschwinger ausgeführt werden können. Stabresonatoren sind in ihrer Herstellung relativ einfach und in den Eigenschaften durch Länge und Durchmesser gut einstellbar. Biegebalken sind Stabresonatoren.
  • Vorzugsweise repräsentiert das Wandlerelement ein Piezoelement, welches mit einer Innenseite der Membran verbunden ist. Das Piezoelement dient der elektro-mechanischen Wandlung. Im Sendebetrieb versetzt das Piezoelement nach Anlegen einer elektrischen Spannung die Membran in Schwingung und im Empfangsbetrieb wandelt das Piezoelement eine Deformation der Membran in ein elektrisches Signal um.
  • Bevorzugt handelt es sich bei der Resonanzfrequenz, welche sich innerhalb des Frequenzbandes der Masseelemente befindet, um eine Frequenz der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen, bei der sich eine Schwingungsform mit einem Knotenkreis oder einer Knotenellipse der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen ausbildet. Diese Schwingungsform ist vorteilhaft gegenüber beispielsweise einer zweiten Schwingungsform, da diese keine Knotenlinie im Zentrum besitzt. Eine Knotenlinie ist unvorteilhaft, da unterschiedliche Bereiche der Membran in unterschiedliche Richtungen ausschwingen und sich somit unterschiedliche Schalldrücke bilden, wodurch Ultraschallsignale nicht gerichtet gesendet oder empfangen werden können. Während eine Hälfte der Membran in positiver Richtung ausschwingt, schwingt die andere Hälfte in negativer Richtung aus. Ordnet man die Masseelemente nun im Außenbereich der Membran an, so wird bei dieser Resonanzfrequenz mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis im Außenbereich eine Auslenkung abgeschwächt oder gar verhindert. Dadurch wird die Schwingungsform dahingehend beeinflusst, dass das Zentrum der Membran stark ausgelenkt wird, jedoch die Randbereiche, außerhalb des vom Knotenkreis eingeschlossenen Bereichs, wenig oder nicht ausgelenkt werden. Ultraschallsignale können somit gerichtet empfangen, wie auch gerichtet gesendet werden. Als eine weitere, erste Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann eine Resonanzfrequenz der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen verwendet werden, bei der sich eine Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinien der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen Gesamtsystems ausbildet. Somit ergibt sich der Vorteil, den Ultraschallsensor bei zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen betreiben zu können.
  • Vorzugsweise ist der Ultraschallsensor als Abstandssensor ausgebildet. Hierbei wird er vorzugsweise in einem Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet. Solche Abstandssensoren werden beispielsweise zur Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen und Hindernissen verwendet werden, etwa zur Unterstützung eines Einparkvorgangs.
  • Figurenliste
    • 1a zeigt eine erste Ausführungsform des Ultraschallsensors während der Anregung der Membran mit einer Resonanzfrequenz mit Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinien.
    • 1b zeigt die erste Ausführungsform des Ultraschallsensors während der Anregung der Membran mit einer Resonanzfrequenz mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis/-ellipse.
    • 2a zeigt eine zweite Ausführungsform des Ultraschallwandlers.
    • 2b zeigt eine dritte Ausführungsform des Ultraschallwandlers.
    • 3a zeigt eine erste Möglichkeit der Anordnung von Stabresonatoren auf der Membran.
    • 3b zeigt eine zweite Möglichkeit der Anordnung von Stabresonatoren auf der Membran.
    • 3c zeigt eine erste Möglichkeit der Anordnung von Kugelresonatoren auf der Membran.
    • 3d zeigt eine zweite Möglichkeit der Anordnung von Kugelresonatoren auf der Membran.
  • Ausführungen der Erfindung
  • Die erste Ausführungsform des Ultraschallsensors in 1a zeigt das Gehäuse 5 des Ultraschallsensors, welches eine umlaufende Seitenwand 10 umfasst. Der Boden des Gehäuses 5 wird hierbei über die Membran 20 gebildet, welche derart ausgeführt ist, dass sie zu Schwingungen anregbar ist. Auf der Innenseite 20a der Membran 20 ist einerseits in dessen Zentrum 36 ein Piezoelement 30, sowie auf dem äußeren Membranbereich 35 als Masseelemente 40 eine Mehrzahl von Stabresonatoren angeordnet. In der dargestellten Situation in 1a wird das Gesamtsystem, bestehend aus dem Gehäuse 5 mit der Membran 20 und der auf der Innenseite der Membran 20 angeordneten Mehrzahl von Masseelementen 40, mit einer ersten Resonanzfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinie auf der Membran 20 angeregt. Die auf dem äußeren Membranbereich 35 angeordneten Stabresonatoren als Masseelemente 40 zeigen in diesem Betriebspunkt kein resonantes Verhalten.
  • 1b zeigt im Unterschied zu 1a eine Situation, bei der das Gesamtsystem, bestehend aus Membran 20 und den auf der Innenseite 20a angeordneten Stabresonatoren als Masseelemente 40, mit einer Resonanzfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis/-ellipse auf der Membran angeregt wird. Die Masseelemente 40 sind hierbei so ausgebildet, dass in diesem Fall die Resonanzfrequenz der Membran 20 und das Frequenzband in dem die auf der Membran 20 angeordneten Masseelementen 40 resonantes Verhalten zeigen, zusammenfallen. Somit kommt es in diesem Fall dazu, dass die Masseelemente 40 während der Schwingung der Membran 20 ebenfalls resonant mitschwingen und der Membran 20 Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingbewegungen entziehen. Auf dem äußeren Membranbereich 35 werden damit eine freie Wellenausbreitung und eine Auslenkung der Membran 20 verhindert. Man erreicht damit eine Schwingungsform, welche keine Knotenlinien und einen Knotenkreis aufweist. Es ergibt sich eine Schwingungsform, die im Membranzentrum eine Auslenkung aufweist, jedoch in den Randbereichen, außerhalb des vom Knotenkreis eingeschlossenen Bereichs, wenig oder keine Auslenkung aufweist. Im Bereich der Membranauslenkung wird die Schwingungsform damit unter Berücksichtigung einer unterschiedlichen Schwingungsamplitude der Schwingungsform aus 1a dahingehend angeglichen, dass sich nur ein Wellenbauch ergibt bzw. 3 Wellenbäuche von denen die 2 äußeren nur eine sehr geringe Auslenkung aufweisen.
  • Sowohl die 1a, als auch die 1b stellen keine maßstabsgetreue Darstellung dar, sondern die Auslenkung der Membran 20 ist hierbei stark überhöht dargestellt.
  • 2a zeigt eine zweite Ausführungsform des Ultraschallsensors mit einem Teil der umlaufenden Seitenwand 10 des Gehäuses. Hierbei sind als Masseelemente 50 Kugelresonatoren in die Membran 20 eingebettet. Die Kugelresonatoren können beispielsweise silikonbeschichtete Stahlkugeln in einer Epoxidharz-Matrix umfassen. In Abhängigkeit einer Anregung des Gesamtsystems, bestehend aus Membran 20 und Kugelresonatoren, mit einer Resonanzfrequenz, welche sich innerhalb des Frequenzbandes des resonanten Verhaltens der Kugelresonatoren befindet, schwingen die Bleikugeln innerhalb der Matrix ebenfalls mit. Hierdurch wird der Membran 20 Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingbewegungen entzogen und eine Auslenkung der Membran 20 in den äußeren Membranbereichen 37, in denen die Kugelresonatoren eingebettet sind, zumindest vermindert oder sogar ganz verhindert.
    In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Wandlerelement 30 als Piezoelement ausgebildet, welches im Zentrum 38 der Membran mit der Innenseite 20a der Membran 20 verbunden ist.
  • Bei einer dritten Ausführungsform des Ultraschallsensors in 2b umfasst der Ultraschallsensor im Unterschied zu 2a ein Wandlerelement 60a und 60b, welches als elektrostatischer Wandler ausgeführt ist. Hierbei ist eine erste Elektrode 20a auf der Innenseite 20a der Membran 20 und eine zweite Elektrode 60b auf einer der Innenseite 20a der Membran 20 gegenüberliegenden Seite 80 des Trägerelements 70 angeordnet.
  • 3a zeigt in der Draufsicht eine erste mögliche Anordnung von Stabresonatoren als Masseelemente 40 auf der Innenseite 20a der Membran. Hierbei sind die Stabresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass die Wellenausbreitung sowohl senkrecht als auch parallel zur Membran-Hauptachse abgeschwächt wird.
  • Zentrisch auf der Innenseite 20a der Membran ist ein Piezoelement 30 angeordnet.
  • 3b zeigt in der Draufsicht eine zweite mögliche Anordnung von Stabresonatoren als Masseelemente 40 auf der Innenseite 20a der Membran. Hierbei sind die Stabresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass die Wellenausbreitung senkrecht zur Membran-Hauptachse stärker abgeschwächt wird und so die Ausbildung einer Schwingungsform mit einer Knotenellipse unterstützt wird. Ebenfalls zentrisch auf der Innenseite 20a der Membran ist das Piezoelement 30 angeordnet.
  • 3c zeigt in der Draufsicht eine erste mögliche Anordnung von Kugelresonatoren als Masseelemente 50 innerhalb der Membran 20. Hierbei sind die Kugelresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass sich im Zentrum der Membran ein ellipsenförmiger, von Masseelementen freier Bereich ergibt. Dadurch wird die Wellenausbreitung senkrecht zur Membran-Hauptachse stärker abgeschwächt und so die Ausbildung einer Schwingungsform mit Knotenellipse unterstützt.
  • 3d zeigt in der Draufsicht eine zweite mögliche Anordnung von Kugelresonatoren als Masseelemente 50 innerhalb der Membran 20. Hierbei sind die Kugelresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass sich im Zentrum der Membran ein kreisförmiger, von Masseelementen freier Bereich ergibt. Dadurch wird die Wellenausbreitung sowohl senkrecht als auch parallel zur Membran-Hauptachse abgeschwächt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012209238 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Ultraschallsensor umfassend - ein Gehäuse (5) mit einer umlaufenden Seitenwand, und - ein Wandlerelement (30, 60a, 60b), ausgebildet zur Erzeugung oder zur Erfassung von Ultraschallschwingungen, - eine mit dem Gehäuse (5) verbundene Membran (20), und - eine Mehrzahl von auf einer Oberfläche der Membran (29) und/oder innerhalb der Membran (20) angeordneten Masseelementen (40, 50), dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (40, 50) ein akustisches Metamaterial mit einem Frequenzband bilden, wobei die Masseelemente innerhalb des Frequenzbandes resonantes Verhalten aufweisen, wobei sich eine Resonanzfrequenz der Membran (20) mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran (20) angeordneten Masseelementen (40, 50) innerhalb des Frequenzbandes der Masseelemente befindet.
  2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (40, 50) in die Membran (20) eingebettet sind.
  3. Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (40, 50) mit einer Außenfläche der Membran (20) verbunden sind.
  4. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (40, 50) Kugelresonatoren repräsentieren.
  5. Ultraschallsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (40, 50) Stabresonatoren repräsentieren.
  6. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (30, 60a, 60b) ein elektrostatisches Wandlerelement repräsentiert, wobei eine erste Elektrode des elektrostatischen Wandlerelements auf einer Innenseite (20a) der Membran (20) angeordnet ist und eine zweite Elektrode des elektrostatischen Wandlerelements auf einem Trägerelement (70) angeordnet ist.
  7. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (30, 60a, 60b) ein Piezoelement repräsentiert und mit einer Innenseite (20a) der Membran (20) verbunden ist.
  8. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Membran (20) mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran (20) angeordneten Masseelementen (40, 50) einer Frequenz entspricht, bei der sich eine Schwingungsform mit einem Knotenkreis oder Knotenellipse der Membran mit der Mehrzahl von auf/und innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen ausbildet.
  9. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 der als Abstandssensor, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet ist.
DE102017209823.6A 2017-06-09 2017-06-09 Ultraschallsensor Pending DE102017209823A1 (de)

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