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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Schallsignals, insbesondere eines Körperschallsignales, mit mindestens einem aus piezoelektrischer Folie bestehenden Folienabschnitt, wobei der Folienabschnitt mindestens einen Sensorbereich aufweist und wobei auf dem Sensorbereich mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet ist.
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Sensorvorrichtungen zur Erfassung von Schallsignalen, insbesondere von Körperschallsignalen, sind bekannt und kommen beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz. Beispielsweise können gattungsgemäße Sensorvorrichtungen dazu eingesetzt werden, Schwingungen, die sich auf der Fahrzeugaußenhülle ausbreiten, zu erfassen. Zur Auswertung von unterschiedlichen sich auf der Fahrzeugaußenhülle ausbreitenden Wellenformen, wie beispielsweise Longitudinalwellen oder Transversalwellen ist es notwendig, dass die Schwingungen mehrdimensional erfasst werden können. Hierzu können beispielsweise mikroelektromechanische Systeme wie beispielsweise Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Diese hochintegrierten Sensoren sind konstruktiv sehr aufwendig, benötigen sehr tiefgehende mikrosystemtechnische Fertigungstechnologien und sind in der Produktion somit sehr kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Schallsignalen in mehreren Dimensionen vorzuschlagen, bei der eine kostengünstige Produktion ermöglicht ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Schallsignals, insbesondere eines Körperschallsignales, mit mindestens einem aus piezoelektrischer Folie bestehenden Folienabschnitt, wobei der Folienabschnitt mindestens einen Sensorbereich aufweist und wobei auf dem Sensorbereich mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet ist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Folienabschnitt mindestens zwei Sensorbereiche aufweist, dass auf jedem Sensorbereich mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet ist und dass mindestens zwei Sensorbereiche des piezoelektrischen Folienabschnittes zusammen einen Winkel aufspannen.
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Körperschallsensoren können aus piezoelektrischer Folie, beispielsweise aus einer Polyvinylidenfluorid (PVDF) Folie, hergestellt sein. Bei Verformung der piezoelektrischen Folie können elektrische Spannungen aufgrund des piezoelektrischen Effektes auftreten, die mit einem Elektrodenpaar erfasst werden können. Ein möglicher Schichtaufbau eines Körperschallsensors ist beispielsweise, dass eine Seite der PVDF Folie eine negative Elektrode aufweist, die andere Seite der PVDF Folie eine oder mehrere positive Elektroden aufweist und gegebenenfalls noch eine Schutzschicht auf die Folie aufgebracht ist. Zur Erfassung von Schallsignalen, insbesondere von Körperschallsignalen, in mehreren Dimensionen, insbesondere in drei Dimensionen, können mehrere Elektrodenpaare auf die piezoelektrische Folie aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Folie, bzw. kann ein Folienabschnitt, drei Sensorbereiche aufweisen, wobei auf jedem Bereich ein Elektrodenpaar angeordnet ist. Jedes Elektrodenpaar kann somit als selektiver Kanal zur Körperschallerfassung genutzt werden. Zur Erfassung eines Körperschallsignals in mehreren Dimensionen, also in mehreren Raumrichtungen, sind mindestens zwei Sensorbereiche der piezoelektrischen Folie so ausgerichtet, dass sie zusammen einen Winkel aufspannen. Insbesondere können die Sensorbereiche flächig ausgebildet sein und jeweils eine Ebene aufspannen. Zwei jeweils eine Ebene aufspannende Sensorbereiche können so zueinander ausgerichtet sein, dass sie einen Winkel aufspannen, also in unterschiedliche Raumrichtungen weisen. Hierzu kann der Folienabschnitt zwischen den zwei Sensorbereichen eine Faltung, beispielsweise entlang einer Linie zwischen den beiden Sensorbereichen, aufweisen. Hierdurch ist auf einfache Art und Weise eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Schallsignalen in mehreren Raumrichtungen gegeben. Insbesondere können durch eine solche Sensorvorrichtung Wellen in Transversalrichtung sowie in Longitudinalrichtung erfasst werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der piezoelektrische Folienabschnitt mindestens drei Sensorbereiche auf und auf jedem der drei Sensorbereiche ist mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet. Die piezoelektrische Folie, bzw. ein Folienabschnitt, kann drei Sensorbereiche aufweisen, wobei auf jedem Sensorbereiche mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet ist. Hierbei ist in jedem Sensorbereiche einseitig eine negative Elektrode auf die Folienlage aufgebracht. Auf der der negativen Folie abgewandten Seite der Folienlage ist eine positive Elektrode aufgebracht. Die Elektroden können hierbei beispielsweise aufgedruckt sein. Durch die Anordnung von drei Sensorbereichen mit separaten Elektrodenpaaren stehen somit drei Kanäle zur selektiven Erfassung von Körperschallsignalen zur Verfügung. Die Sensorbereiche sind dabei so zueinander gefaltet, dass die Ebenen, die von den Sensorbereichen aufgespannt sind, jeweils einen Winkel miteinander aufspannen. Durch die gewinkelte Anordnung der Sensorbereiche zueinander, ist die Erfassung von Körperschallsignalen aus unterschiedlichen Raumrichtungen ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung spannen die drei Sensorbereiche jeweils eine Ebene auf und die aufgespannten Ebenen zweier Sensorbereiche spannen jeweils zusammen einen 90° Winkel auf. Die drei flächig ausgebildeten Sensorbereiche der piezoelektrischen Folie, die mit separaten Elektrodenpaaren zur Erfassung von Körperschallsignalen versehen sind, spannen jeweils eine Ebene auf. Die Ebenen sind hierbei, insbesondere durch Faltungen des piezoelektrischen Folienabschnittes, so zueinander angeordnet, dass die Ebenen jeweils im 90° Winkel zueinanderstehen. Durch die Anordnung der Ebenen in 90° Winkeln zueinander, ist eine Erfassung von Körperschallsignalen aus allen Raumrichtungen ermöglicht. Insbesondere können durch eine Sensorvorrichtung mit drei zueinander im rechten Winkel stehenden Sensorbereichen sich auf einer Fahrzeugoberseite ausbreitende Longitudinalwellen und Transversalwellen erfasst werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die piezoelektrische Folie mindestens eine Faltung zwischen zwei Sensorbereichen auf. Zwischen den jeweils ein Elektrodenpaar aufweisenden Sensorbereichen kann die piezoelektrische Folie, bzw. der Folienabschnitt, eine Faltung aufweisen. Beispielsweise kann die piezoelektrische Folie entlang einer Linie zwischen zwei Sensorbereichen gefaltet, also geknickt sein, so dass zwischen den Sensorbereichen ein Winkel, insbesondere ein 90° Winkel aufgespannt ist. Somit kann der Folienabschnitt mit den drei Sensorbereichen aus einem Folienstück, also einteilig hergestellt sein und die gewinkelte Anordnung der Sensorbereiche kann durch Faltungen zwischen den Sensorbereichen erreicht werden. Somit ist eine kostengünstige Herstellung der Sensorvorrichtung zur Erfassung von Körperschallsignalen aus mehreren Raumrichtungen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung sind die Sensorbereiche jeweils rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet. Die Sensorbereiche können jeweils eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen. Insbesondere können hierbei die Grundflächen der drei Sensorbereiche einen identischen Flächeninhalt aufweisen. Somit kann eine Vergleichbarkeit der durch die Sensorbereiche erfassten Signalanteile vereinfacht sein. Hierbei kann die Form des Folienabschnittes so gewählt sein, dass der Folienabschnitt drei quadratische Sensorbereiche aufweist, wobei ein Sensorbereich an zwei benachbarten Seitenkanten mit jeweils einem weiteren Sensorbereiche verbunden ist. Es ergibt sich somit eine L-förmige Grundfläche des Folienabschnittes. Auf jedem der drei Sensorbereiche ist ein Elektrodenpaar angeordnet. Hierzu ist einseitig eine negative Elektrode auf jeden der drei Sensorbereiche aufgebracht. Auf der der negativen Elektrode abgewandten Seite der Folienlage ist in jedem Sensorbereiche eine positive Elektrode aufgebracht. Der Folienabschnitt ist an den Verbindungslinien zwischen zwei Sensorbereichen gefaltet, so dass jeder Sensorbereiche einen 90° Winkel zu den benachbarten Sensorbereichen aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorbereiche auf ein, die Anordnung der Sensorbereiche zueinander vorgebendes, Trägerteil aufgebracht. Die piezoelektrische Folie mit den drei Sensorbereichen kann auf ein Trägerteil aufgebracht sein, insbesondere aufgeklebt sein. Das Trägerteil gibt die gewinkelte Anordnung der Sensorbereiche zueinander vor. Das Trägerteil kann hierbei insbesondere drei Flächen aufweisen, wobei jede der Flächen an zwei Kanten in Kontakt zu den jeweils anderen Flächen steht. Die von den Flächen aufgespannten Ebenen stehen jeweils im 90° Winkel zueinander. Durch ein solches Formteil ist die Anordnung der drei Sensorbereiche zueinander vorgegeben, indem jeder Sensorbereich einer Fläche des Trägerteils zugeordnet wird. Beispielsweise kann jeder Sensorbereich auf eine Fläche des Trägerteils aufgebracht, insbesondere aufgeklebt sein. Somit ist auf einfache Art und Weise eine genaue Anordnung der drei Sensorbereiche zueinander erreicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung bilden die zusammenhängenden Sensorbereiche einen Abschnitt eines Würfelnetzes aus. Ein Würfelnetz besteht beispielsweise aus sechs zusammenhängenden quadratischen Flächen, die durch Faltungen zu einem Würfel gefaltet werden können. Die piezoelektrische Folie weist drei Sensorbereiche auf, die jeweils eine Fläche eines Würfelnetzes darstellen. Somit ist durch die Form der piezoelektrischen Folie mit den drei Sensorbereichen ein Abschnitt, insbesondere eine Hälfte eines Würfelnetzes gegeben. Durch Faltung der piezoelektrischen Folie können somit drei Außenflächen eines Würfels dargestellt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die drei Elektrodenpaare in unterschiedliche Raumrichtungen. Dadurch, dass die Elektrodenpaare in unterschiedliche Raumrichtungen weisen, insbesondere dadurch, dass zwischen den Sensorbereichen, auf denen die Elektrodenpaare angeordnet sind, jeweils ein 90° Winkel aufgespannt ist, können Körperschallsignale aus allen Raumrichtungen erfasst werden und die Signalanteile eines Körperschallsignals in Abhängigkeit von der Raumrichtung ausgewertet werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die drei Elektrodenpaare signalleitend mit einer, vorzugsweise mit derselben, Auswerteeinrichtung verbunden. Den drei Elektrodenpaaren kann durch signalleitende Verbindungen, beispielsweise durch Leiterbahnen, insbesondere durch gedruckte Leiterbahnen, eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise eine Recheneinrichtung, zugeordnet sein.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Schallsignals, insbesondere eines Körperschallsignals, mit einer piezoelektrischen Folie, wobei auf der piezoelektrischen Folie mindestens ein Elektrodenpaar angeordnet ist, bei dem erfindungswesentlich vorgesehen ist, dass ein Folienabschnitt einer piezoelektrischen Folie zugeschnitten wird, dass der Folienabschnitt mindestens drei Sensorbereiche aufweist, dass auf jedem Sensorbereich ein Elektrodenpaar aufgebracht wird und dass der Folienabschnitt zwischen den Sensorbereichen gefaltet wird. Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wird ein Folienabschnitt einer piezoelektrischen Folie, beispielsweise einer PVDF Folie, zugeschnitten. Hierbei kann die Form des Folienabschnittes so gewählt sein, dass der Folienabschnitt drei rechteckige, insbesondere quadratische, Sensorbereiche aufweist, wobei ein Sensorbereich an zwei benachbarten Seitenkanten mit jeweils einem weiteren Sensorbereiche verbunden ist. Es ergibt sich somit eine L-förmige Grundfläche des Folienabschnittes. Auf jeden der drei Sensorbereiche wird ein Elektrodenpaar aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Hierzu wird einseitig eine negative Elektrode auf jeden Sensorbereich aufgebracht. Auf der, der negativen Elektrode abgewandten Seite der Folienlage wird in jedem Sensorbereich eine positive Elektrode aufgebracht. Der Folienabschnitt wird an den Verbindungslinien zwischen zwei Sensorbereichen gefaltet, so dass jeder Sensorbereich einen 90° Winkel zu den benachbarten Sensorbereichen aufweist und dass jeder Sensorbereich zwei Verbindungskanten zu den benachbarten Sensorbereichen aufweist. Somit ist jeder Sensorbereich mit dem darauf angeordneten Elektrodenpaar einer Raumrichtung zugeordnet.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der gefaltete Folienabschnitt auf ein Trägerteil aufgebracht, insbesondere aufgeklebt. Der gefaltete Folienabschnitt, wobei die drei Sensorbereiche des Folienabschnittes jeweils einen 90° Winkel zueinander aufweisen, wird auf ein Trägerteil aufgebracht, insbesondere aufgeklebt. Das Trägerteil weist vorzugsweise drei rechteckige, insbesondere quadratische, Flächen auf, die jeweils an zwei Seitenkanten zueinander in Verbindung stehen. Dieses dreidimensionale Trägerteil ist an die Form und Größe des gefalteten Folienabschnittes angepasst. Durch das Trägerteil ist eine stabile Formgebung des Folienabschnittes gegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die Figuren in:
- 1: ein Trägerteil und einen piezoelektrischen Folienabschnitt im nicht zusammengefügten Zustand; und
- 2: ein Trägerteil mit einem gefalteten piezoelektrischen Folienabschnitt im zusammengefügten Zustand.
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In 1 ist ein Folienabschnitt 1 und ein Trägerteil 2 im nicht zusammengefügten Zustand dargestellt. Der Folienabschnitt 1 weist drei Sensorbereiche 3 bis 5 auf, wobei auf jedem Sensorbereich 3 bis 5 jeweils ein Elektrodenpaar angeordnet ist. Die Sensorbereiche 3 bis 5 sind quadratisch ausgebildet, wobei ein Sensorbereich 4 an zwei benachbarten Seitenkanten jeweils eine Verbindung zu einem weiteren Sensorbereich 3, 5 aufweist. Das Trägerteil 2 weist drei Seitenflächen 6 bis 8 auf. Die Seitenflächen 6 bis 8 weisen jeweils an zwei benachbarten Seitenkanten Verbindungen zu den benachbarten Seitenflächen 6 bis 8 auf. Von den insbesondere quadratisch ausgebildeten Seitenflächen 6 bis 8 wird jeweils eine Ebene aufgespannt, wobei die Ebenen jeweils zueinander in einem 90° Winkel angeordnet sind.
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In 2 ist ein Folienabschnitt 1 und ein Trägerteil 2 gemäß 1 im zusammengefügten Zustand dargestellt. Der Folienabschnitt 1 ist an den zwischen den Sensorbereichen 4 und 3 sowie 4 und 5 liegenden Verbindungslinien gefaltet, so dass die von den Sensorbereichen 3 bis 5 aufgespannten Ebenen jeweils einen 90° Winkel zueinander aufspannen. Die Sensorbereiche 3 bis 4 sind auf die Seitenflächen 6 bis 8 des Trägerteils 2 aufgebracht, insbesondere aufgeklebt. Durch das Trägerteil 2 ist somit die Ausrichtung der Sensorbereiche 3 bis 5 zueinander so vorgegeben, dass die Sensorbereiche 3 bis 5 in drei unterschiedliche Raumrichtungen weisen. Somit können die Signalanteile eines Schallsignals, insbesondere eines Körperschallsignals, getrennt voneinander erfasst und ausgewertet werden.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
