DE19507650A1

DE19507650A1 - Ultraschallsensor mit segmentierter Membrane

Info

Publication number: DE19507650A1
Application number: DE19507650A
Authority: DE
Inventors: Gregor Verpoorten
Original assignee: Gregor Verpoorten
Current assignee: VERPOORTEN, GREGOR, 51645 GUMMERSBACH, DE
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-12

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall Sende- und/oder Empfangssensor, zum Erfassen des Abstandes von Objekten nach dem Luftschall-Echo-Laufzeitprinzip mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Solche Ultraschallsensoren dienen gleichzeitig als Sender und/oder Empfänger von Ultraschall, der von einem im Abstand befindlichen Objekt reflektiert wird. Aus der Laufzeit läßt sich der Abstand zu dem Objekt erfassen.

Bei bekannten Sensorelemente dieser Art sind die Detek tionscharakteristiken abhängig von der Dämpfung der Sensor membrane und/oder der Formgebung des Sensorelementes sowie der Kombination spezieller Werkstoffe. Ferner treten bei Ultraschallsensoren mit speziell geformten Dämpfungskörpern, mit als flächig definierter Erfassungscharakteristik meist große Detektionslücken auf. Zusätzlich erreichen die als flächig definierten Sensorelemente ihre Detektionscharakter istik meist nur dadurch, daß deren akustische Eigenschaften durch ebenfalls speziell geformte Schalltrichter schon bereits bei nahen Detektionsweiten unterstützt werden müssen.

Die unvermeidlichen Herstellungstoleranzen- und Verspannun gen und Dosierungsschwankungen des Dämpfungskörpers beein trächtigen die Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit von Sensor zu Sensor.

Die bekannten Sensorelemente lassen einen einheitlichen Aufbau für unterschiedliche Detektionsaufgaben nicht zu.

Die Unterteilung/Segmentierung der Sensormembranenober fläche ist unterschiedlich entsprechend der jeweiligen Detektionsaufgabe. Versuche haben ergeben, daß für flächige Detektionsaufgaben eine Unterteilung/Segmentierung der Sensormembranenoberfläche in drei Segmente, der Primär membrane 14 welche dem innen am Membranenboden 6 befestigten Piezoelement 7 direkt gegenüber liegt und den beiden Sekundärmembranen 12 vorteilhaft ist. Für punktuelle Detektionsaufgaben haben sich je nach Bündelung des Detektionsbereiches drei und mehr Unterteilungen/Segmentier ungen mit jeweils einer Primärmembrane 14 als vorteilhaft erwiesen.

Bei Anlegen von elektrischen Spannungsimpulsen versetzt das Piezoelement 7 den gesamten als Sensormembrane dienenden Boden 6 in Ultraschall-Schwingungen, die über die unter teilten Primär- 14 und Sekundärmembranen 12 in gleicher Intensität wie bei bekannten Sensoren sich in den Luft-/Gas raum verteilen.

Die Unterteilung 13-13′′′ der Sensormembranenoberfläche ermöglicht das Sensorelement mit einer hohen Sendever stärkung zu betreiben, da mögliche Rückkopplungen der Sensormembrane durch Überschwingen derselben durch die Unterteilung/Nutung 13-13′′′ unterdrückt bzw. gebrochen werden.

Die vom Objekt reflektierten Ultraschallimpulse, welche beim Echoempfang die Sensormembrane durchdringen, setzen schon bei geringer Intensität die Primärmembrane 14 in Schwingungen, da sich energieschwache Echoimpulse beim Auftreten auf die Primärmembranenoberfläche 14 nicht über die Sekundärmembranenoberflächen 12 verteilen und diese zu Schwingungen anregen müssen. Zusätzlich verringert sich die Aufschwingzeit der Primärmembrane 14, welches eine Er höhung der Empfangsverstärkung zuläßt und gleichzeitig zu einer Verbesserung des Meßergebnisses führt.

Mit der Erfindung soll ein Ultraschallsensor geschaffen werden, welcher die genannten Nachteile beseitigt.

Diese Aufgabe ist durch Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Ein Ultraschallsensor nach der Erfindung führt zu folgenden Vorteilen:

a.) Die Detektionscharakteristik, flächig, räumlich und punktuell wird durch Unterteilungung 13-13′′′ der äußeren Sensormembranenoberfläche in Primärmembrane 14 und Sekundär membranen 12 bei einheitlichem Aufbau erreicht;
b.) Das Sensorelement kann mit hoher Empfangsverstärkung betrieben werden;
c.) Das Sensorelement kann mit hoher Sendeverstärkung betrieben werden, ohne daß der Sendeimpuls (Burst) ein Überschwingen der Primär- 14 und Sekundärmembranen 12 verursacht und dieses zu Rückkopplungen führt;
d.) Der Sensormembranendämpfungskörper ist einheitlich und beeinflußt nicht die Detektionscharakteristik des Sensor elementes bei unterschiedlichen Detektionsaufgaben;
e.) Gezielte Unterteilungen der äußeren Sensormembranen oberfläche ermöglichen gezielt Detektionscharakteristiken in der Endbehandlung des Sensorelementes und beeinträchtigen nicht dessen Grundaufbau;
f.) Für nahe Detektionsweiten und gewünscht flächige Detektionsanforderungen kann auf Schalltrichter verzichtet werden;
g.) Durch die Unterteilung der äußeren Sensormembranober fläche in einer Primärmembrane 14 und zwei oder mehreren Sekundärmembranen 14 ist eine kompakte Bauweise erzielt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen nicht maßstäblichen Querschnitten an den Ausführungsbeispiel Fig. 1a bis Fig. 2 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1a eine Draufsicht der Sensormembranenoberfläche mit Unterteilung in einer Primärmembrane 14 und zwei Sekundär membranen 12;

Fig. 1b eine Draufsicht der Sensormembranenoberfläche mit einer anderen Ausführung der Erfindung;

Fig. 1c eine Draufsicht der Sensormembranenoberfläche mit einer weiteren Ausführung der Erfindung;

Fig. 1d eine Draufsicht der Sensormembranenoberfläche mit einer zusätzlichen Ausführung der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt in Achsrichtung durch den topf förmigen Ultraschallsensor nach der Erfindung.

Die in den Fig. 1a-2 gezeigten Ultraschallsensoren mit außenseitig unterteilter Membranoberfläche 13-13′′′ in einer Primärmembrane 14 und zwei oder mehreren Sekundär membranen 12 haben ein topfförmiges Gehäuse 2 mit einem als Sensormembrane dienenden Boden 6 auf dem innenliegend eine Piezoelement 7 befestigt ist, welches von einer Silikon schicht 8 und dem Dämpfungskörper 9 überlagert werden, mit einer kreiszylindrischen Seitenwand 10. Diese Seitenwand 10 wird am Öffnungsende des Gehäuses mit einem Deckel 11 verschlossen und/oder mit Silikon verklebt.

Der Innenteil des Gehäuses ist mit der Dämpfungsfüllung 8 und 9 aus Silikonkautschuk, Polyurethan-Schaumstoff oder anderen geeigneten Dämpfungsmaterialien ausgefüllt. Auf dem Dämpfungskörper liegt ein Deckel 11 auf oder wird mit anderen Materialien verschlossen.

Die äußere Membranenaußenfläche 12, d. h. der dem Piezo element 7 gegenüberliegenden Sensorbodenseite, wird mittels Fräsung oder anderen geeigneten Fertigungsverfahren dem Durchmesser parallel verlaufenden Segmentierung 13 Fig. 1a mit einer Nut in eine Primärmembrane 14 und zwei Sekundär membranen 12 unterteilt. Alternativ sind Membranenunter teilungen mit 13′ Fig. 1b mit aufeinander zulaufenden Ellipsen und 13′′ Fig. 1c mit reduzierten Membrankreisunter teilungen sowie mit einem Membrankreiskreuz 13′′′ Fig. 1d dargestellt.

Die Membranunterteilungen/Nutung der Sensormembranenober fläche in eine Primärmembrane 14 und zwei oder mehrere Sekundärmembranen 12 führen bis fast an den Durchmesser des bodenseitig gegenüberliegenden Piezoelementes 7 heran.

Die Tiefe und Breite der Unterteilung der Sensormembranen oberfläche beträgt ca. 1/4 der Sensorbodenstärke/Membranen materialdicke unterschreiten sollte, da dieses ansonsten zur Verschlechterung der Detektionsintensität und/oder der Detektionscharakteristik führen kann.

Der Ultraschallsensor nach der Erfindung wird entsprechend der ausgelegten Detektionscharakteristik bei geometrisch flächig Sende- und/oder Empfangscharakteristik als Abstands detektor für Maschinen und Kraftfahrzeuge eingesetzt und in einem schützenden Gummigehäuse, wahlweise mit oder ohne Trichterform untergebracht, das - weil üblich - nicht dar gestellt ist.

Claims

1. Ultraschalsensor zum Erfassen des Abstandes von Objekten nach dem Luftschallimpuls-Echo-Laufzeitprinzip mit einem topfförmigen Gehäuse, an dessen als Sensormem brane dienenden Boden ein Piezoelement befestigt ist, über lagert von einem Isolations- und Dämpfungskörper, der bei Anlegen von elektrischen Spannungsimpulsen den Boden in Schwingungen versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Sensormembranenoberfläche durch Nutung in eine Primärmembrane und zwei oder mehrere Sekundärmembranen segmentiert bzw. unterteilt ist, welches die geometrische Detektionscharakteristik bestimmt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Nutung der äußeren Sensormembranenoberfläche diese in ihrer Schwingungseigenschaft entkoppeit ist und hohe Sendeverstärkungen zuläßt.

3. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Nutung der äußeren Sensormembranen oberfläche bei einem einheitlichen Grundaufbau die geo metrische Detektionscharakteristik variabel ist.

4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolations-/Dämpfungskörper das Piezoelement über lagert.

5. Sensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Nutung der Sensormembranenoberfläche in eine Primärmembrane und zwei oder mehrere Sekundärmembranen und der Entkopplung dem Membranenoberflächenschwingungen eine Erhöhung der Echoempfangsverstärkung möglich ist.