DE102018100594A1

DE102018100594A1 - Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Biegewellen sowie dazugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102018100594A1
Application number: DE102018100594.6A
Authority: DE
Inventors: Felix Haering; Sylvio Salomon; Ceren Oezaydin; Wolfgang Hamm
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-07-18
Also published as: WO2019137784A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung (11) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Fahrzeugbauteil (10) und mit einem Ultraschallsensor (4), welcher mit dem Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen und wobei das Fahrzeugbauteil (10) eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals aufweist, wobei die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, den sich in dem Fahrzeugbauteil (10) ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugbauteil und mit einem Ultraschallsensor, welcher mit dem Fahrzeugteil verbunden ist. Dabei ist der Ultraschallsensor dazu ausgelegt, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Das Fahrzeugbauteil weist eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder Empfangen des Ultraschallsignals auf. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Ultraschallsensoranordnung.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Ultraschallsensoren für Kraftfahrzeuge. Derartige Ultraschallsensoren werden beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen, insbesondere in sogenannten Parkhilfesystemen, eingesetzt, um den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Die Ultraschallsensoren messen dabei Abstände zwischen dem Kraftfahrzeug einerseits und den in seiner Umgebung befindlichen Objekten andererseits. Mittels einer Membran wird ein Ultraschallsignal ausgesendet, welches dann von dem Objekt in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs reflektiert wird und wieder zu dem Ultraschallsensor gelangt, und zwar in Form eines Echos. Dieses Ultraschallsignal wird mit Hilfe der Membran empfangen. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird die Membran mittels eines Wandlerelements, beispielsweise eines piezoelektrischen Elements, angeregt. Wenn umgekehrt die Membran durch das empfangene Ultraschallsignal angeregt wird, erzeugt das ebenfalls angeregte Wandlerelement ein Empfangssignal, welches im Hinblick auf die zu detektierenden Abstände ausgewertet werden kann. Dabei erfolgt die Abstandsmessung in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten Ultraschallsignals.
Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf sogenannte verdeckt verbaute Ultraschallsensoren. Hierbei sind die Ultraschallsensoren hinter einem Fahrzeugbauteil, beispielsweise einem Stoßfänger oder einem metallischen Karosseriebauteil, des Kraftfahrzeugs angeordnet. In diesem Fall sind die Ultraschallsensoren für einen Betrachter, der sich außerhalb des Kraftfahrzeugs befindet, von außen nicht sichtbar. Bei den verdeckt verbauten Ultraschallsensoren wird die Membran der Ultraschallsensoren üblicherweise an einer Rückseite des Fahrzeugbauteils befestigt, welche dem Betrachter außerhalb des Kraftfahrzeugs abgewandt ist. In diesem Fall wird das Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch ausgesendet und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch empfangen. Der verdeckte Verbau von Ultraschallsensoren geht aktuell mit dem Nachteil einher, dass insbesondere beim Sendevorgang starke Oszillationen im angekoppelten Fahrzeugbauteil erzeugt werden. Diese Oszillationen breiten sich in der Folge im Fahrzeugbauteil aus und werden über einen inakzeptabel langen Zeitraum auf den nun als Empfänger agierenden Ultraschallsensor zurückreflektiert. Diese Oszillationen beziehungsweise der sich ausbreitende Körperschall kann zu starken Störsignalen führen und die Detektion des Nutzsignals, welches das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal beschreibt, überlagern. Der Ultraschallsensor ist also über einen langen Zeitbereich nach dem Sendevorgang „blind“, sodass insbesondere Objekte im Nahbereich nicht detektiert werden können.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2014 111 947 A1 eine Verkleidungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verkleidungsteil, welches einen Aufnahmebereich zum Anordnen eines Ultraschallsensors aufweist, und mit einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer in Folge eines durch den Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallsignals erzeugten Schwingung. Dabei ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung den Aufnahmebereich zumindest bereichsweise umgibt. Die Dämpfungseinrichtung weist eine Mehrzahl von Bewegungselementen auf, die mit dem Verkleidungsteil verbunden sind. Dabei ist eine jeweilige Formgebung und/oder eine mechanische Eigenschaft der Bewegungselemente derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil der Bewegungselemente durch die Schwingung zu einer Bewegung anregbar ist.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2015 113 195 A1 eine Verkleidungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, welche ein Verkleidungsteil und einen Ultraschallsensor umfasst. Das Verkleidungsteil weist eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer Schwingung des Verkleidungsteils auf. Dabei ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, welche entlang eines Linienzugs angeordnet sind und welche das Verkleidungsteil in einen ersten Bereich, in welchem der Ultraschallsensor angeordnet ist, und einen den ersten Bereich umgebenden zweiten Bereich einteilt. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass Abmessungen der jeweiligen Durchgangsöffnungen und/oder Abstände zwischen den Durchgangsöffnungen derart bestimmt sind, dass der von dem ersten in den zweiten Bereich übertragene Körperschall destruktiv überlagert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug, die einen mit einem Fahrzeugbauteil verbundenen Ultraschallsensor aufweist, zuverlässiger betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallsensoranordnung sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug ein Fahrzeugbauteil. Des Weiteren umfasst die Ultraschallsensoranordnung bevorzugt einen Ultraschallsensor, welcher insbesondere mit dem Fahrzeugbauteil verbunden ist. Der Ultraschallsensor ist insbesondere dazu ausgelegt, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Darüber hinaus umfasst das Fahrzeugbauteil bevorzugt eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals. Dabei ist die Mehrzahl von Elementen bevorzugt ausgebildet, den sich in dem Fahrzeugbauteil ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls bevorzugt durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Eine erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Fahrzeugbauteil und einen Ultraschallsensor, welcher mit dem Fahrzeugbauteil verbunden ist. Dabei ist der Ultraschallsensor dazu ausgelegt, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Des Weiteren umfasst das Fahrzeugbauteil eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals. Dabei ist die Mehrzahl von Elementen dazu ausgebildet, den sich in dem Fahrzeugbauteil ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Die Ultraschallsensoranordnung umfasst das Fahrzeugbauteil und den Ultraschallsensor, welcher an dem Fahrzeugbauteil angeordnet ist. Bei der bestimmungsgemäßen Anordnung der Ultraschallsensoranordnung an dem Kraftfahrzeug ist der Ultraschallsensor verdeckt hinter dem Fahrzeugbauteil angeordnet. Dies bedeutet, dass ein Betrachter, welcher vor dem Kraftfahrzeug steht, den Ultraschallsensor nicht sehen kann. Bei dem Fahrzeugbauteil kann es sich um ein Außenverkleidungsteil oder ein Außenbeplankungsteil des Kraftfahrzeugs, insbesondere um einen Stoßfänger, handeln. Der Ultraschallsensor kann auf der Rückseite des Fahrzeugbauteils angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Membran des Ultraschallsensors stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung, mit dem Fahrzeugbauteil verbunden sein. Der Ultraschallsensor kann ein Wandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, aufweisen, welches mit der Membran des Ultraschallsensors verbunden ist. Das Wandlerelement kann mit einem Anregungssignal, beispielsweise einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung, beaufschlagt werden. Daraufhin werden die Membran und das Fahrzeugbauteil, welches mit der Membran verbunden ist, zu mechanischen Schwingungen angeregt, sodass das Ultraschallsignal ausgesendet wird. Das Ultraschallsignal kann dann auf ein Hindernis beziehungsweise Objekt in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs treffen und von diesem reflektiert werden. Das reflektierte Ultraschallsignal beziehungsweise das Echo trifft dann wieder auf das Fahrzeugbauteil. Hierdurch werden das Fahrzeugbauteil und die Membran wieder zum Schwingen angeregt. Diese Schwingung kann mit dem Wandlerelement in Form des Empfangssignals ausgegeben werden.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Fahrzeugbauteil die Mehrzahl von Elementen aufweist. Diese Elemente dienen dazu, den Körperschall, welcher sich in Folge des Aussendens und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals innerhalb des Fahrzeugbauteils ausbreiten, zu dämpfen. Insbesondere dienen die Elemente dazu, die Ausbreitung von Biegewellen, die durch den Körperschall bewirkt sind, zu reduzieren. Im Vergleich zu bekannten Fahrzeugbauteilen weist das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil zusätzlich die Elemente auf, die auf das Fahrzeugbauteil aufgebracht sind oder Teil des Fahrzeugbauteils sein können. Insbesondere beim Aussenden des Ultraschallsignals breiten sich Köperschall und insbesondere Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils aus. Dabei sind die jeweiligen Elemente derart ausgebildet, dass die sich ausbreitenden Biegewellen an den Elementen beziehungsweise im Bereich der Elemente reflektiert werden. Dabei werden die Biegewellen derart reflektiert, dass eine destruktive Interferenz stattfindet. Das Fahrzeugbauteil mit den Elementen unterscheidet sich von Fahrzeugbauteilen beziehungsweise von Verkleidungsteilen, bei welchen Durchgangsöffnungen vorgesehen sind. Bei einem Fahrzeugbauteil mit mehreren Durchgangsöffnungen wird die Ausbreitung von Körperschall dadurch verhindert, dass jeweiligen Anteile des Körperschalls, welche sich durch die Bereiche zwischen Durchgangsöffnungen ausbreiten, durch Überlagerung verringert werden. An den erfindungsgemäßen Elementen, welche zusätzlich auf das Fahrzeugbauteil aufgebracht werden, werden die Beigewellen so reflektiert, dass diese durch destruktive Interferenz ausgelöscht werden können. Es hat sich herausgestellt, dass Biegewellen (auch Lamb-Wellen genannt) im Anwendungsfall der verdeckten Ultraschallsensorik den weitaus größten Anteil an den störenden Schwingungen haben. Daher gilt es vorwiegend, diese Biegewellen beziehungsweise deren Ausbreitung mittels der Elemente zu unterdrücken. Durch die erfindungsgemäßen Elemente ergibt sich zudem der Vorteil, dass diese im Vergleich zu Durchgangsöffnungen keine ästhetischen Nachteile mit sich bringen.
Durch die Elemente können die jeweiligen Biegewellen, die sich in Richtung der Elemente ausbreiten durch die von den jeweiligen Elementen reflektierten Biegewellen ausgelöscht oder zumindest gedämpft werden. Dadurch, dass das Fahrzeugbauteil eine Mehrzahl von Elementen aufweist, kann beispielsweise die Ausbreitung der jeweiligen Biegewellen ausgehend von dem Ultraschallsensor in unterschiedliche Raumrichtungen gedämpft werden. Dabei werden die jeweiligen Elemente bezüglich ihrer räumlichen Abmessung, ihrer Materialeigenschaft und/oder ihrer Anordnung auf dem Fahrzeugbauteil an die Biegewellen angepasst. Hierbei können auch die mechanischen Eigenschaften und/oder die geometrischen Ausgestaltungen des Fahrzeugbauteils berücksichtigt werden. Um die Ausgestaltung der jeweiligen Elemente bestimmen zu können, können entsprechende Versuche, Berechnungen und/oder Simulationen durchgeführt werden. Dadurch, dass die Ausbreitung der Biegewellen durch die jeweiligen Elemente reduziert wird, kann die unerwünschte Körperschallausbreitung in dem Fahrzeugbauteil vermindert oder unterbunden werden. Hierdurch kann idealerweise verhindert werden, dass die Biegewellen, die in dem Fahrzeugbauteil reflektiert werden, fälschlicherweise als Reflexion des Ultraschallsignals an dem Objekt in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs erkannt werden oder, dass der jeweilige Ultraschallsensor blind ist. Insgesamt kann somit die Ultraschallsensoranordnung sicherer und zuverlässiger betrieben werden.
Bevorzugt ist die Mehrzahl von Elementen ausgebildet, eine Ausbreitung von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind und welche eine Arbeitsfrequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals aufweisen, zu unterdrücken. Es ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen Bereichen des Fahrzeugbauteils, an welchen jeweils ein Element angeordnet ist, und Bereichen des Fahrzeugbauteils, welche frei von Elementen sind, eine Änderung einer Wellenimpedanz ergibt, welche zur Reflexion der Biegewellen führt. Zwischen den Bereichen des Fahrzeugbauteils, die nicht von den Elementen besetzt sind, und den Bereichen, die von Elementen besetzt sind, gibt es einen Unterschied in der Wellenimpedanz. Es gibt also lokale Bereiche in dem Fahrzeugbauteil, an welchen sich die Wellenimpedanz für die Ausbreitung der Biegewellen ändert. An diesen lokalen Bereichen werden die sich ausbreitenden Biegewellen reflektiert. Diese lokalen Bereiche ergeben sich durch die Anordnung der Elemente. Somit kann durch die Anordnung der Elemente die destruktive Interferenz erreicht werden.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Wellenimpedanzen für die Ausbreitung der Biegewellen derart bestimmt ist, dass eine Dispersionsrelation für die Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz eine Bandlücke aufweist. Um die Ausbreitung der Biegewellen zu unterdrücken, soll die Dispersionsrelation für die Biegewellen im Fahrzeugbauteil so beeinflusst werden, dass um die Arbeitsfrequenz des eingekoppelten Ultraschallsensors herum eine Bandlücke entsteht. Dadurch kann bewirkt werden, dass sich die Biegewellen mit dieser Arbeitsfrequenz nicht mehr ausbreiten können, sondern sich auf kurzen Längenskalen, welche insbesondere kleiner als die Abmessungen des Fahrzeugbauteils sind, selbst auslöschen. Dabei beschreibt die Dispersionsrelation den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Wellenlänge der Biegewellen. Mit anderen Worten beschreibt die Dispersionsrelation, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen frequenzabhängig ist. Anhand der Dispersionsrelation kann ein Frequenzbereich bestimmt werden, für welchen eine Ausbreitung der Biegewellen unterbleibt oder zumindest deutlich reduziert ist. Dieser Frequenzbereich kann auch als Bandlücke bezeichnet werden. Vorliegend wird die Dispersionsrelation in dem Fahrzeugbauteil dahingehend manipuliert, dass die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors innerhalb der Bandlücke beziehungsweise des Frequenzbereichs liegt. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann im Bereich von 50 kHz liegen. Folglich werden die beim Sendevorgang und/oder beim Empfangsvorgang erzeugten Biegewellen nicht mehr oder zumindest nur noch mit stark verminderter Amplitude an den Ultraschallsensor zurückreflektiert, sodass der Ultraschallsensor viel schneller zur Objektdetektion verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen in einem vorbestimmten Bereich angeordnet, welcher den Ultraschallsensor zumindest bereichsweise umgibt. Das Fahrzeugbauteil kann einen Aufnahmebereich aufweisen, an welchem der Ultraschallsensor beziehungsweise die Membran des Ultraschallsensors angeordnet werden kann. Die Membran des Ultraschallsensors kann beispielsweise topfförmig ausgebildet sein und einen Membranboden und eine Membranwand aufweisen. Dabei kann der Membranboden an dem Aufnahmebereich des Fahrzeugbauteils befestigt werden. Um diesen Aufnahmebereich herum kann der Bereich definiert werden, in welchem die Mehrzahl von Elementen angeordnet ist. Dieser Bereich, welcher sich auf der Rückseite des Fahrzeugbauteils befindet, kann beispielsweise rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch ausgebildet sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die sich ausbreitenden Biegewellen innerhalb des Bereichs ausgelöscht werden oder zumindest in ihrer Amplitude deutlich reduziert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Elementen derart angeordnet ist, dass jeweils benachbarte Elemente den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Mit anderen Worten können die jeweiligen Elemente in dem Bereich periodisch angeordnet sein. Wie zuvor erläutert, ist es nötig, die Wellenimpedanz für Biegewellen auf dem Fahrzeugbauteil gezielt zu manipulieren, um die Dispersionsrelation zu beeinflussen. Dabei hat sich herausgestellt, dass insbesondere eine periodische Modulierung effektiv ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Elemente in dem Bereich periodisch angeordnet sind. Dieses Phänomen kennt man beispielsweise aus der Halbleiterphysik, wo die periodisch angeordneten Atome eine (Energie-)Bandlücke für die Elektronen erzeugen. Insbesondere können die Elemente in dem Bereich gitterförmig oder rasterförmig angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Ausbreitung der Biegewellen auf effektive Weise verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung entspricht der Abstand zwischen den benachbarten Elementen einer Hälfte einer Wellenlänge von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind. Es hat sich herausgestellt, dass eine Ausbreitung der Biegewellen besonders effektiv unterdrückt werden kann, wenn der Abstand zwischen den benachbarten Elementen beziehungsweise die Gitterkonstante der Hälfte der Wellenlänge der Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors entspricht. Wenn der Ultraschallsensor mit einer Arbeitsfrequenz von etwa 50 kHz betrieben wird, beträgt die Wellenlänge der Biegewelle bei einem Fahrzeugbauteil, welches aus einem Aluminiumblech mit einer Dicke von 1 mm gefertigt ist, etwa 12 mm. In diesem Fall würde der Abstand zwischen den benachbarten Elementen etwa 6 mm betragen. Wenn der Abstand der halben Wellenlänge der Biegewelle entspricht, kann erreicht werden, dass sich die Biegewellen destruktiv überlagern.
Eine weitere Maßnahme zur Abstimmung der Bandlücke auf die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors ist die Anzahl der Elemente. Hierbei hat sich herausgestellt, dass bereits Anordnungen beziehungsweise Gitter von Elementen, bei denen die Anzahl der Elemente kleiner als 100 ist, entsprechende Bandlücken hervorrufen können. Wenn von einem quadratischen Gitter beziehungsweise Bereich, in welchem die Elemente angeordnet sind, bei einem Abstand zwischen den benachbarten Elementen von 6 mm ausgegangen wird, ergibt sich bei 100 Elementen eine Fläche von 6 × 6 cm².
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente an eine Arbeitsfrequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals entspricht. Hierbei haben Versuche beziehungsweise Berechnungen gezeigt, dass die Ausbreitung der Biegewellen besonders effektiv unterdrückt werden kann, wenn die Elemente selbst eine Eigenfrequenz im Bereich der Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors aufweisen. Diese Eigenfrequenzen ergeben sich aus einer Kombination aus Materialdaten und Objektgeometrie der jeweiligen Elemente. Bei gegebenem Material lässt sich die Geometrie beispielsweise durch mechanische Simulationen optimieren. Hier ist es vorteilhaft, ein Material zu wählen, bei dem die Materialparameter im relevanten Temperaturbereich für den Einsatz der Ultraschallsensoranordnung eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit haben, um einen zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil verbunden. Die jeweiligen Elemente können beispielsweise aus einem Metall, aus einer Keramik oder einem Kunststoff gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Elemente aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, einem Elastomer oder dergleichen gebildet sind. Das Fahrzeugbauteil kann aus einem Kunststoff oder aus einem Metall gebildet sein. Dabei können die jeweiligen Elemente durch Kleben, Schweißen, Löten oder dergleichen mit dem Fahrzeugbauteil verbunden werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Elemente mittels eines Spritzverfahrens an dem Fahrzeugbauteil befestigt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen einteilig mit dem Fahrzeugbauteil ausgebildet. Beispielsweise kann das Fahrzeugbauteil zusammen mit den jeweiligen Elementen mit Hilfe eines Umformverfahrens und/oder Abformverfahrens hergestellt werden. Die jeweiligen Elemente können in Form von Versteifungselementen oder gezielten Verdickungen im Material des Fahrzeugbauteils realisiert werden. Beispielsweise können durch die jeweiligen Elemente gezielt zusätzliche, definierte Massen aufgebracht werden.
Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Elemente zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet sind. Grundsätzlich ist die Formgebung der jeweiligen Elemente beliebig. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Elemente baugleich ausgebildet sind. Beispielsweise können die Elemente zylindrisch ausgebildet sein und einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm, insbesondere 3 mm, aufweisen. Die Höhe der Elemente kann zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 7 mm, insbesondere 5 mm betragen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ultraschallsensoranordnung eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Ausbreitung des Körperschalls und insbesondere der Biegewellen auf. Zusätzlich zu den Elementen kann die Ultraschallsensoranordnung beziehungsweise das Fahrzeugbauteil eine Dämpfungseinrichtung aufweisen. Diese Dämpfungseinrichtung kann den Bereich, in dem die Mehrzahl von Elementen angeordnet ist, zumindest bereichsweise umgeben. Beispielsweise kann die Dämpfungseinrichtung ringförmig ausgebildet sein. Diese Dämpfungseinrichtung kann aus einem weichelastischen Material, beispielsweise einem Silikon oder aus einem Butylkautschuk gefertigt sein. Somit kann eine eventuell erforderliche Restdämpfung realisiert werden, die der Ausbreitung der Biegewellen zusätzlich entgegenwirkt.
Das Fahrzeugbauteil kann zum Beispiel als Stoßfänger, als Radlaufverkleidung oder als Außenbeplankungsteil für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Fahrzeugbauteil Teil einer Tür des Kraftfahrzeugs sein. Bei dem Fahrzeugbauteil kann es sich um ein Türblech handeln. Das Fahrzeugbauteil kann auch in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet sein und beispielsweise als Innenverkleidungsteil ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung. Dabei kann es vorgesehen sein, dass mehrere Ultraschallsensoren an einem Fahrzeugbauteil angeordnet sind. Den jeweiligen Ultraschallsensoren ist dann die Mehrzahl von Elementen zugeordnet. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen oder um ein Nutzfahrzeug handeln. Die jeweiligen Ultraschallsensoren der Ultraschallsensoranordnung können Teil eines Fahrerassistenzsystems des Kraftfahrzeugs sein. Bei dem Fahrerassistenzsystem kann es sich um ein Parkhilfesystem handeln, welches den Fahrer beim Einparken und/oder Ausparken des Kraftfahrzeugs aus einer Parklücke unterstützt. Das Fahrerassistenzsystem kann auch ein sogenannter Türöffnungsassistent sein, mittels welchem Objekte in einem Schwenkbereich beziehungsweise Öffnungsbereich einer Tür erkannt werden können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird ein Fahrzeugbauteil mit einem Ultraschallsensor verbunden, wobei der Ultraschallsensor dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Zudem wird eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals an dem Fahrzeugbauteil angeordnet. Dabei ist es vorgesehen, dass die Mehrzahl von Elementen derart ausgebildet wird, dass der sich in dem Fahrzeugbauteil ausbreitende Körperschall derart reflektiert wird, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug, welches eine Mehrzahl von Ultraschallsensoranordnungen umfasst;
2 eine Ultraschallsensoranordnung in einer schematischen Darstellung, wobei die Ultraschallsensoranordnung einen Ultraschallsensor, ein Fahrzeugbauteil sowie eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil aufweist;
3 eine Dispersionsrelation, welche einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Frequenz der Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil beschreibt; und
4 eine Ultraschallsensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, welches als Personenkraftwagen ausgebildet ist, in einer Draufsicht. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, welches dazu dient, einen Fahrer beim Führen des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Das Fahrerassistenzsystem 2 kann beispielsweise als Parkhilfesystem ausgebildet sein, welches den Fahrer beim Einparken in eine Parklücke und/oder beim Ausparken aus einer Parklücke unterstützt.
Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst einen Ultraschallsensor 4. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Fahrerassistenzsystem 2 zwölf Ultraschallsensoren 4. Dabei sind sechs Ultraschallsensoren 4 in einem Frontbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 und sechs Ultraschallsensoren 4 in einem Heckbereich 7 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 können Ultraschallsignale ausgesendet werden und die von einem Objekt 8 in einem Umgebungsbereich 9 des Kraftfahrzeugs 1 reflektierten Ultraschallsignale wieder empfangen werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals kann dann der jeweilige Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 4 und dem Objekt 8 bestimmt werden. Mit den jeweiligen Ultraschallsensoren können Empfangssignale bereitgestellt werden, welche das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal beschreibt. Die jeweiligen Empfangssignale können von den Ultraschallsensoren 4 an ein elektronisches Steuergerät 3 des Fahrerassistenzsystems 2 übertragen werden. Mit Hilfe des Steuergeräts 3 kann dann anhand der Empfangssignale überprüft werden, ob sich ein Objekt 8 in dem Umgebungsbereich 9 befindet und an welcher Position sich das Objekt 8 in dem Umgebungsbereich 9 befindet.
Die jeweiligen Ultraschallsensoren 4 sind vorliegend verdeckt hinter einem Fahrzeugbauteil 10 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Bei dem Fahrzeugbauteil handelt es sich vorliegend um die Stoßfänger des Kraftfahrzeugs. Dabei sind die Ultraschallsensoren 4 so angeordnet, dass diese für einen Betrachter, der vor beziehungsweise hinter dem Kraftfahrzeug 1 steht, nicht erkannt werden können. Beim Aussenden des Ultraschallsignals wird das Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch ausgesendet. Beim Empfangen des Ultraschallsignals wird das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil 10 hindurch empfangen.
Zumindest ein Ultraschallsensor 4 bildet zusammen mit dem Verkleidungsteil 10 eine Ultraschallsensoranordnung 11. Eine derartige Ultraschallsensoranordnung 11 gemäß einer ersten Ausführungsform ist schematisch in 2 dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass der Ultraschallsensor 4 eine Membran 12 aufweist, welche im Wesentlichen topfförmig ausgebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 ein Gehäuse 13 sowie ein Steckergehäuse 14. Die Membran 12 des Ultraschallsensors 4 ist stoffschlüssig mit einer Innenseite 15 des Fahrzeugbauteils 10 verbunden. Wenn die Membran 12 des Ultraschallsensors 4 mit einem hier nicht gezeigten Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, breiten sich Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils 10 aus. Um die Ausbreitung dieser Biegewellen zu reduzieren, umfasst die Ultraschallsensoranordnung 11 eine Mehrzahl von Elementen 16.
Um die Ausbreitung der Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils 10 zu reduzieren, soll die Dispersionsrelation für die Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 so beeinflusst werden, dass um eine Arbeitsfrequenz f1 des angekoppelten Ultraschallsensors 4 herum eine Bandlücke 17 entsteht. Zur Erläuterung der Dispersionsrelation für die Biegewellen wird auf 3 verwiesen. Bei dem dort gezeigten Graph ist auf der Abszisse die Wellenzahl k, welche den Kehrwert der Wellenlänge Ä beschreibt, und auf der Ordinate die Frequenz f aufgetragen. Hierbei ist zu erkennen, dass ein Frequenzbereich beziehungsweise die Bandlücke 17 vorhanden ist, in welcher sich die Biegewellen nicht ausbreiten. Im Bereich der Bandlücke gibt es für eine Differentialgleichung, mittels welcher die Biegewellen beschrieben werden, keine Lösung mit reeller Frequenz. Dabei wird die Dispersionsrelation für die Ausbreitung der Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 so beeinflusst, dass die Arbeitsfrequenz f1 im Bereich der Bandlücke 17 liegt. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors entspricht der Frequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals beziehungsweise des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors 4 liegt im Bereich von 50 kHz. Um die Dispersionsrelation für die Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 dahingehend zu manipulieren, dass die Bandlücke 17 im Bereich der Arbeitsfrequenz f1 entsteht, ist es nötig, die Wellenimpedanz für die Biegewellen in dem Bauteil 10 gezielt zu modulieren. Hierzu sind die Elemente 16 vorgesehen, an welchen die jeweiligen Biegewellen, welche sich ausgehend von dem Ultraschallsensor 4 in dem Fahrzeugbauteil ausbreiten so reflektiert werden, dass eine destruktive Interferenz entsteht.
Dabei gilt es die Maßnahmen zu wählen, dass man die Bandlücke 17 auf die Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors 4 abstimmt. Um die Dispersionsrelation anzupassen, kann ein Abstand a zwischen benachbarten Elementen definiert werden. Beispielsweise kann der Abstand a zwischen den Elementen 16 einer Hälfte der Wellenlänge der Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz f1 entsprechen. Bei einem mit 50 kHz betriebenen Ultraschallsensor 4 beträgt die Biegewellenlänge bei einem Fahrzeugbauteil 10 mit einer Dicke von 1 mm etwa 12 mm. Dort entspricht der Abstand a zwischen benachbarten Elementen 16 etwa 6 mm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Elementen 16 periodisch in einem Gitter angeordnet ist. Dies ist im Zusammenhang mit 4 veranschaulicht. Hierbei ist zu erkennen, dass die jeweiligen Elemente 16 in einem Bereich 18 angeordnet sind, welcher den Ultraschallsensor 4 umgibt. Sind die Elemente 16 in einem Gitter angeordnet, wobei benachbarte Elemente jeweils den gleichen Abstand a zueinander aufweisen. Der Bereich 18 umgibt einen Aufnahmebereich 19, in welchem der Ultraschallsensor 4 angeordnet ist. Die Form des Bereichs 18 ist vorliegend rechteckförmig gewählt. Die Form des Bereichs kann aber auch kreisrund, elliptisch, hexagonal oder dergleichen ausgebildet sein. Die Abmessungen und der Abstand a zwischen den Elementen 16 gemäß 4 ist beispielhaft zu verstehen. Die jeweiligen Elemente 16 können beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein und einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Höhe im Bereich von 5 mm aufweisen.
Die jeweiligen Elemente 16 können aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, oder aus einem elastischen Material, beispielsweise einem Gummi oder einem anderen weicheren Material, gebildet sein. Es hat sich als besonders effektiv erwiesen, wenn die Elemente 16 selbst eine Eigenfrequenz im Bereich der Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors 4 aufweisen. Die Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors liegt üblicherweise im Bereich von 50 kHz. Die Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente 16 kann aufgrund des Materials und/oder der Formgebung der Elemente bestimmt werden. Die Elemente 16 können mit dem Fahrzeugbauteil 10 einteilig ausgebildet sein. Alternativ dazu können die jeweiligen Elemente 16 stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil 10 verbunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014111947 A1 [0004]
DE 102015113195 A1 [0005]

Claims

Ultraschallsensoranordnung (11) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Fahrzeugbauteil (10) und mit einem Ultraschallsensor (4), welcher mit dem Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen und wobei das Fahrzeugbauteil (10) eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, den sich in dem Fahrzeugbauteil (10) ausbreitenden Körperschall, derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, eine Ausbreitung von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind und welche eine Arbeitsfrequenz (f1) des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals aufweisen, zu unterdrücken.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bereichen des Fahrzeugbauteils (10), an welchen jeweils ein Element (16) angeordnet ist, und Bereichen des Fahrzeugbauteils (10), welche frei von Elementen (16) sind, eine Änderung einer Wellenimpedanz ergibt, welche zur Reflexion der Biegewellen führt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wellenimpedanzen für die Ausbreitung der Biegewellen derart bestimmt ist, dass eine Dispersionsrelation für die Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz (f1) eine Bandlücke (17) aufweist.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) in einem vorbestimmten Bereich (18) angeordnet ist, welcher den Ultraschallsensor (4) zumindest bereichsweise umgibt.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) derart angeordnet ist, dass jeweils benachbarte Elemente (16) den gleichen Abstand (a) zueinander aufweisen.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen den benachbarten Elementen (16) einer Hälfte einer Wellenlänge (Ä) von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind, entspricht.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente (16) einer Arbeitsfrequenz (f1) des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals entspricht.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) einteilig mit dem Fahrzeugbauteil (10) ausgebildet sind.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Elemente (16) zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet sind.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoranordnung (11) eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Ausbreitung des Körperschalls aufweist.
Ultraschallsensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugbauteil (10) als Stoßfänger, als Radlaufverkleidung oder als Außenbeplankungsteil für das Kraftfahrzeug (1) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensoranordnung (11) für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Fahrzeugbauteil (10) mit einem Ultraschallsensor (4) verbunden wird, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen, und bei welchem eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals an dem Fahrzeugbauteil (10) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Elementen (16) derart ausgebildet wird, der sich in dem Fahrzeugbauteil (10) ausbreitende Körperschall derart reflektiert wird, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.