DE4434692A1 - Ultraschallsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zum Erfassen von Ultraschallwellen mittels einer piezoelektrischen Mem­ bran, und spezieller betrifft sie einen Ultraschallsensor mit verbesserter Struktur zum Führen von Ultraschallwellen zu einer piezoelektrischen Membran.

Ein Ultraschallsensor zum Erfassen des Zerbrechens von Fen­ sterglas ist z. B. als Einbruchssicherungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt. Ein Beispiel für einen solchen Ultraschallsensor wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 be­ schrieben.

Der Ultraschallsensor weist ein Gehäuse 1 mit einer Öffnung an seiner Unterseite und eine Trägerplatte 2 auf, die so am Gehäuse 1 befestigt ist, daß sie die Öffnung verschließt.

Mehrere Durchgangslöcher sind in der Oberseite des Gehäuses 1 ausgebildet, um Ultraschallwellen durch diese hindurch in das Innere des Gehäuses durchzulassen.

An der Oberseite der Trägerplatte 2 sind andererseits Halte­ teile 2a integral mit der Trägerplatte 2 ausgebildet. Eine piezoelektrische Membran 3 ist an den oberen Enden der Hal­ teteile 2a befestigt. Diese piezoelektrische Membran 3 ist als unimorphe piezoelektrische Membran ausgebildet, mit einer Metallplatte 4 und einer piezoelektrischen Keramik­ platte 5, die auf deren Unterseite aufgetragen ist.

An der Unterseite der piezoelektrischen Keramikplatte 5 ist eine Elektrode 6 ausgebildet. Diese Elektrode 6 ist über einen Zuleitungsdraht 7a elektrisch mit einem Anschluß 8 verbunden, während die Metallplatte 4 über einen anderen Zu­ leitungsdraht 7b mit einem anderen Anschluß 9 verbunden ist.

Ein Ausgleichsschwinger 10, der als anderer Schwinger dient, ist auf der Ultraschallwellen empfangenden Seite mit dem mittleren Bereich der piezoelektrischen Membran 3 verbunden. Dieser Ausgleichsschwinger 10 besteht aus einem stabilen Material mit konischer Form, die zur Ultraschallwellen em­ pfangenden Seite hin geöffnet ist.

Beim vorstehend genannten Ultraschallsensor wird eine Span­ nung an die Anschlüsse 8 und 9 gelegt, um die piezoelektri­ sche Membran in Schwingung zu versetzen, wobei Ultraschall­ wellen erzeugt werden. Die Ultraschallwellen werden an einer Auftreffstelle reflektiert, um für Verschiebungen der als Schwinger dienenden piezoelektrischen Membran 3 zu sorgen. Eine auf Grundlage dieser Verschiebungen erzeugte Spannung wird an den Anschlüssen 8 und 9 abgegriffen, wodurch die Ultraschallwellen erfaßt werden können.

Der vorstehend genannte Einbruchssicherungs-Ultraschallsen­ sor für Kraftfahrzeuge muß über Richtungsempfindlichkeit in einem großen Bereich verfügen, um Ultraschallwellen erfassen zu können, wie sie durch ein beliebiges Zerbrechen eines Fensterglases hervorgerufen werden. Der Ultraschallsensor muß auch ein breites Empfindlichkeitsfrequenzband aufweisen, da reflektierte Ultraschallwellen abhängig vom Typ und dem Brechungszustand von Fenstergläsern unterschiedlich sind.

Um die Richtwirkung des vorstehend genannten Ultraschallsen­ sors aufzuweiten, kann die piezoelektrische Membran 3 mit einer kleinen Fläche hergestellt werden. Wenn jedoch die Fläche einer piezoelektrischen Membran verkleinert wird, verschiebt sich das Empfindlichkeitsfrequenzband des Ultra­ schallsensors aus demjenigen, in dem verschiedene Bruchzu­ stände von Fensterglas erfaßt werden können, da die Reso­ nanzfrequenz der piezoelektrischen Membran 3 auch von ihren Abmessungen abhängt. Ferner verengt sich die Bandbreite bei einem vorgegebenen Empfindlichkeitspegel wegen der Auftren­ nung zweier Typen von Kombinationsschwingungsmodi der piezo­ elektrischen Membran 3 und des konischen Ausgleichsschwin­ gers 10. Anders gesagt, ist es unmöglich, ein ausreichend großes Empfindlichkeitsfrequenzband zu erhalten.

Wenn die Fläche der piezoelektrischen Membran 3 verkleinert wird, verringert sich ferner die Empfindlichkeit aufgrund einer Amplitudenverringerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall­ sensor zu schaffen, der über Empfindlichkeit in einem großen Richtungsbereich verfügt, ohne daß die Größe einer piezo­ elektrischen Membran verkleinert wird, wodurch auch ein gro­ ßes Empfindlichkeitsfrequenzband erzielbar ist.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor ist durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gegeben.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen bezeichnet "Schwinger" einen solchen Schwinger, wie z. B. einen koni­ schen Ausgleichsschwinger, der mit einer piezoelektrischen Membran zusammen schwingt, um den Sende- oder Empfangswir­ kungsgrad für Ultraschallwellen zu verbessern. Dieser Schwinger muß nicht notwendigerweise konische Form aufwei­ sen, sondern er kann jede beliebige Form aufweisen.

Beim erfindungsgemäßen Ultraschallsensor ist ein rohrförmi­ ges Teil vor der piezoelektrischen Membran und dem Schwinger angeordnet, wodurch die Richtungswirkung des Ultraschallsen­ sors verbessert wird. Der Grund hierfür wird nun unter Be­ zugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

Es sei angenommen, daß Ultraschallwellen ausgehend von einer Schallquelle A einen Empfangsteil 11 erreichen, der durch eine piezoelektrische Membran und einen Schwinger gebildet wird. Wenn kein rohrförmiges Teil 12 vorhanden ist, kommt es zu einer Phasendifferenz zwischen Ultraschallwellen, die entlang Pfaden B₁ bzw. B₂ übertragen werden, wobei sich diese Ultraschallwellen aufheben, wenn die Phasendifferenz ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist. So verringert sich die Richtungswirkung.

Wenn das rohrförmige Teil 12 vorhanden ist, werden dagegen von der Schallquelle A abgestrahlte Ultraschallwellen zwi­ schen dem Pfad B₁ und einem Pfad B₃ in das rohrförmige Teil 12 geführt. So ist es möglich, Ultraschallwellen von der Schallquelle A zuverlässig zu empfangen, ohne die Fläche des Empfangsteils 11 zu verringern, wodurch sich die Richtwir­ kung aufweitet.

Ferner erreichen auch an der Wandfläche des rohrförmigen Teils 12 reflektierte Ultraschallwellen den Empfangsteil 11, so daß es wegen des vorhandenen rohrförmigen Teils 12 eben­ falls möglich ist, eine Verringerung der Empfindlichkeit zu verhindern. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, die Fläche des Empfangsteils 11 zu verkleinern, wodurch die vor­ stehend genannte breite Richtwirkung realisiert werden kann, ohne daß das Empfindlichkeitsfrequenzband eingeengt wird, und zwar unter Verwendung einer piezoelektrischen Membran und eines Schwingers mit geeigneten Abmessungen für eine je­ weilige Anwendung.

Während die vor stehende Beschreibung unter Bezugnahme auf einen Empfangssensor erfolgte, gilt entsprechendes für einen sendenden Sensor.

Gemäß der Erfindung ist, wie es vorstehend beschrieben wur­ de, ein rohrförmiges Teil zum Führen von Ultraschallwellen vor der piezoelektrischen Membran und dem Schwinger angeord­ net, wodurch es möglich ist, die Richtwirkung extrem aufzu­ weiten. Da die Richtwirkung durch die Wirkung des rohrförmi­ gen Teils aufgeweitet wird, ist es nicht erforderlich, die Fläche der verwendeten piezoelektrischen Membran zu verrin­ gern. So ist es möglich, einen sendenden oder empfangenden Ultraschallsensor mit weiter Richtwirkung zu schaffen, wäh­ rend die Empfindlichkeit der Frequenzcharakteristik erhalten bleibt.

Gemäß der Erfindung ist es daher möglich, einen Ultraschall­ sensor zu schaffen, der sowohl über weite Richtwirkung als auch über ein breites Frequenzband mit hoher Empfindlichkeit verfügt. So ist es möglich, einen Ultraschallsensor zu schaffen, der optimal verwendbar ist, wenn es erforderlich ist, Ultraschallwellen von Auftreffstellen her zu erfassen, die in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, oder Ultra­ schallwellen verschiedener Frequenzen zu erfassen, wie z. B. bei einem Einbruchssicherungs-Glasbruchdetektor für Kraft­ fahrzeuge.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Erschei­ nungsformen und Vorteile der Erfindung werden aus der fol­ genden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der einen herkömmlichen Ultra­ schallsensor zeigt.

Fig. 2 ist ein Modelldiagramm zum Veranschaulichen des Prin­ zips der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Querschnitt, der einen Ultraschallsensor ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist ein Querschnitt, der eine Modifizierung des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 5 ist ein Querschnitt, der eine andere Modifizierung des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt; und

Fig. 6 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen von Richtungs­ mustern von Ultraschallsensoren gemäß dem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung bzw. gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 3 ist ein Querschnitt, der einen Ultraschallsensor 21 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Der Ultraschallsensor 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist ein Gehäuse 22 mit einer Öffnung an einer Seite und eine Trägerplatte 23 auf. Die Trägerplatte 23 ist so am Ge­ häuse 22 angebracht, daß sie dessen Öffnung verschließt. Das Gehäuse 22 und die Trägerplatte 23 können aus einem geeigne­ ten stabilen Material wie z. B. Kunststoff oder Metall her­ gestellt werden.

Mehrere Durchgangslöcher 22a sind an der Oberseite des Ge­ häuses 22 ausgebildet, um Ultraschallwellen in das Innere des Gehäuses 22 zu leiten. Ein zylindrisches, rohrförmiges Teil 24 ist an der Innenseite der Fläche des Gehäuses 22 mit den Durchgangslöchern angebracht, um Ultraschallwellen zu führen. Das rohrförmige Teil 24, das aus stabilem Material wie Kunststoff oder Metall besteht, ist so ausgebildet, daß es Ultraschallwellen, die durch die Durchgangslöcher 22a in das Gehäuse 22 eintreten, zu einer piezoelektrischen Membran und einem Schwinger führen, die später beschrieben werden.

Andererseits sind Halteteile 23a integral an der Oberseite der Trägerplatte 23 vorhanden. Alternativ können die Halte­ teile 23a unabhängig von der Trägerplatte 23 ausgebildet sein.

Eine piezoelektrische Membran 25 ist an den oberen Enden der Halteteile 23a befestigt. Beim vorliegenden Ausführungsbei­ spiel wird die piezoelektrische Membran 25 dadurch herge­ stellt, daß eine piezoelektrische Keramikplatte 27 mittels einer Paste auf die Unterseite einer Metallplatte 26 aufge­ bracht wird.

An der Unterseite der piezoelektrischen Keramikplatte 27 ist eine Elektrode 28 ausgebildet. Diese Elektrode 28 ist über einen Zuleitungsdraht 29a elektrisch mit einem Zuleitungs­ anschluß 30 verbunden, während die Metallplatte 26 über einen anderen Zuleitungsdrahte 29b elektrisch mit einem an­ deren Zuleitungsanschluß 31 verbunden ist. Wenn eine Span­ nung an die Zuleitungsanschlüsse 30 und 31 angelegt wird, schwingt die piezoelektrische Membran 25 in einem Biege­ modus. Um eine solche Schwingung in einem Biegemodus zu rea­ lisieren, sind die oberen Enden der Halteteile 23a mit einem Schwingungsknoten der piezoelektrischen Membran 26 verbun­ den.

Andererseits ist ein Schwinger 32 mit der Oberseite der piezoelektrischen Membran 25 verbunden, um mit dieser zu schwingen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Schwinger 32 aus einem Ausgleichsschwinger mit konischer Form, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieser Schwinger 32 besteht aus einem geeigneten stabilen Material wie Metall, um die Ultraschall-Empfangsempfindlichkeit zu verbessern und das Empfindlichkeitsfrequenzband zu verbreitern.

Das rohrförmige Teil 24 verfügt vorzugsweise über einen Innendurchmesser, der z. B. um das 1,2- bis 1,5-fache größer als der Maximaldurchmesser des konischen Schwingers 32 ist und kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 22.

Der Schwinger 22 muß nicht die in Fig. 3 dargestellte koni­ sche Form aufweisen, sondern er kann über jede beliebige Form verfügen, insoweit diese die vorstehend genannte Wir­ kung herbeiführen kann.

Beim Ultraschallsensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel schwingt die piezoelektrische Membran 25 in einem Biegemo­ dus, wenn eine Wechselspannung an die Zuleitungsanschlüsse 31 und 31 angelegt wird, wodurch der Schwinger 32 auch hori­ zontal schwingt. Demgemäß werden Ultraschallwellen durch die Durchgangslöcher 22a des Gehäuses 22 emittiert und zu Auf­ treffstellen hin gestrahlt. Die von den Auftreffstellen re­ flektierten Ultraschallwellen treten erneut durch die Durch­ gangslöcher 22a in das Gehäuse 22 ein und werden durch das rohrförmige Teil 24 so geführt, daß sie auf den Schwinger 32 und die piezoelektrische Membran 25 übertragen werden. Die piezoelektrische Membran 25 erfährt durch die gesendeten Ultraschallwellen Verschiebungen in einem Biegemodus, und die aufgrund dieser Verschiebungen erzeugte Spannung wird über die Zuleitungsanschlüsse 30 und 31 entnommen, um die Ultraschallwellen zu erfassen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Richt­ wirkung für zu empfangende Ultraschallwellen aufzuweiten, wie oben beschrieben, und zwar wegen des rohrförmigen Teils 24, das vor dem Schwinger 32 angeordnet ist. D. h., daß es möglich ist, zu verhindern, daß sich Ultraschallwellen wegen Phasendifferenzen auslöschen, die von Wegdifferenzen zwi­ schen verschiedenen Ultraschallstrahlen herrühren, wie sie von einer Schallquelle zum Schwinger 32 und zur piezoelek­ trischen Membran 25 übertragen werden, so daß sich also durch das Anordnen des rohrförmigen Teils 12 die Richtwir­ kung verbessert. Ferner verfügt das rohrförmige Teil 12 über einen Innendurchmesser, der im wesentlichen mit der Wellen­ länge der Ultraschallwellen (Wellenlänge × 0,6 bis 1,4) übereinstimmt, und eine axiale Länge, die kürzer als die Wellenlänge ist. Daher ist die Phasendifferenz zwischen den an der Innenseite des rohrförmigen Teils 12 reflektierten Ultraschallwellen so verringert, daß es zu keiner Auslö­ schung kommt. Aufgrund dieser Wirkung ist es möglich, die Richtwirkung für zu empfangende Ultraschallwellen aufzuwei­ ten, während eine Verringerung der Empfindlichkeit dadurch unterdrückt wird, daß die an der Innenseite des rohrförmigen Teils 12 reflektierten Ultraschallwellen wirkungsvoll zur piezoelektrischen Membran 32 geführt werden. Ferner ist es nicht erforderlich, die Fläche der piezoelektrischen Membran 25 speziell zu verringern, da die Richtungswirkung durch die Wirkung des rohrförmigen Teils 24 aufgeweitet werden kann. So ist es möglich, einen Ultraschallsensor zu schaffen, der verbesserte Richtwirkung aufweist, während seine Empfind­ lichkeit in einem breiten Frequenzband aufrechterhalten bleibt.

Während das in Fig. 3 dargestellte rohrförmige Teil 24 ein gesondert hergestelltes zylindrisches Teil ist, das mit der Innenseite der oberen Platte des Gehäuses 22 verbunden ist, kann alternativ ein rohrförmiges Teil 34 verwendet werden, wie in Fig. 4 dargestellt, das mit einem Flanschabschnitt 34b am oberen Ende eines rohrförmigen Teils 34a versehen ist, wobei der Flanschabschnitt 34b mittels einer Paste mit der Innenseite der oberen Platte des Gehäuses 22 verbunden wird, um so das rohrförmige Teil 34 im Gehäuse 22 auszubil­ den.

Statt der Varianten gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 und der Modifizierung von Fig. 4 kann das rohrförmige Teil auch integral mit dem Gehäuse 22 ausgebildet sein.

Bei einer anderen Modifizierung, wie sie in Fig. 5 darge­ stellt ist, ist ein dickes rohrförmiges Teil 24, das bis zur Seitenwand 22b des Gehäuses 22 reicht, an die Innenseite der oberen Platte angeklebt, die die Durchgangslöcher 22a zum Durchlassen von Ultraschallwellen aufweist. Auch in diesem Fall kann das rohrförmige Teil 24 integral mit dem Gehäuse 22 ausgebildet sein.

Auch bei den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Modifizierun­ gen ist die Richtwirkung durch die Wirkung der rohrförmigen Teile 34 und 44 aufgeweitet, ohne daß die Empfindlichkeit in einem breiten Frequenzband verringert ist.

Fig. 6 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Richtwir­ kung beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Eine durchgezogene Linie A zeigt das Richtungsmuster, wie es für dieses Ausführungsbeispiel erhalten wird, während eine ge­ strichelte Linie B das Richtungsmuster für einen herkömmli­ chen Ultraschallsensor ohne rohrförmiges Teil 24 zeigt. Aus dem Vergleich zwischen der durchgezogenen Linie A und der gestrichelten Linie B ist erkennbar, daß es durch Bereit­ stellen des rohrförmigen Teils 24 möglich ist, die Richt­ wirkung extrem aufzuweiten.

Ein Versuch hat ergeben, daß die Empfindlichkeitsdämpfung innerhalb eines Bereichs von ±30° zur Vorderseite des Ul­ traschallsensors bei einem herkömmlichen Sensor -16 dB ist, während beim mit dem rohrförmigen Teil 24 versehenen Ultra­ schallsensor gemäß den Ausführungsbeispielen diese Dämpfung extrem auf -2 dB verringert ist, wobei sich kein Unterschied hinsichtlich der Empfindlichkeit der Frequenzcharakteristi­ ken für die zwei Sensoren zeigte.

Während das Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine unimorphe piezoelektrische Membran beschrieben wurde, ist es möglich, daß die piezoelektrische Membran eine bimorphe Mem­ bran ist.

Während das vor stehend beschriebene Ausführungsbeispiel einen empfangenden Sensor betrifft, ist die Erfindung auch auf einen sendenden Sensor anwendbar.

Claims (7)

1. Ultraschallsensor mit:

• - einem Gehäuse (22), das mit mindestens einem Durchgangs­ loch (22a) in seiner Oberseite versehen ist, um Ultraschall­ wellen zu senden und/oder zu empfangen;
• - einer piezoelektrischen Membran (25), die im Gehäuse ange­ ordnet ist; und
• - einem Schwinger (32), der mit der Oberfläche der piezo­ elektrischen Membran verbunden ist, um zusammen mit der piezoelektrischen Membran zu schwingen und Ultraschallwellen zu empfangen und/oder zu senden;

gekennzeichnet durch

• - ein rohrförmiges Teil (24; 34; 44), das im Gehäuse vor dem Schwinger so angeordnet ist, daß es Ultraschallwellen vom Schwinger zur Außenseite des Gehäuses oder umgekehrt führt.

2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das rohrförmige Teil (24; 34; 44) einen Innendurch­ messer aufweist, der größer als der maximale Außendurchmes­ ser des Schwingers (32) ist.

3. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwinger (32) aus einem Ausgleichsschwinger mit konischer Form besteht und der Innendurchmesser des rohrförmigen Teils das 1,2- bis 1,5-fache des maximalen Außendurchmessers dieses Schwingers ist.

4. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endseite des rohrförmigen Teils (24; 34) an der Innenseite des Gehäuses (22) befestigt ist, um Ultraschallwellen zu empfangen und/oder zu senden.

5. Ultraschallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das rohrförmige Teil (24; 34; 44) so befestigt ist, daß das mindestens eine Durchgangsloch (22a) mit dem Inneren des rohrförmigen Teils in Verbindung steht.

6. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil integral mit dem Gehäuse (22) ausgebildet ist.