EP2031580A1

EP2031580A1 - Ultraschallsensor mit einem Trägerelement und einer Membran, wobei die Membran in das Trägerelement eingebettet ist

Info

Publication number: EP2031580A1
Application number: EP08104810A
Authority: EP
Inventors: Peter Knoll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2008-07-21
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2028-07-21
Also published as: DE102007041850A1; CN101384101B; DE502008001428D1; EP2031580B1; CN101384101A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) mit einem Trägerelement (2) mit einer Membran (3) und mit einem Aktor (8), der mit der Membran verbunden ist, wobei zwischen dem Trägerelement und der Membran ein Verdünnungsbereich (4) zum Ermöglichen der Schwingung der Membran (3) vorhanden ist, wobei die Membran (3) in das Trägerelement eingebettet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen von Distanzen und/oder Bestimmen von Form und Beschaffenheit von zu einem Sensor beabstandeten Objekten mit einem Ultraschallsensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einem Trägerelement, mit einer Membran und mit einem Aktor, der mit der Membran verbunden ist, wobei in dem Trägerelement und der Membran ein Verdünnungsbereich zum Ermöglichen des Schwingens der Membran vorhanden ist.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallsensoren bekannt. Ultraschallsensoren werden in Fahrzeugen verwendet, um den Abstand zu Objekten festzustellen.
Ein Ultraschallsensor ist etwa aus der US 6 639 339 B1 bekannt. Dabei ist eine Membran auf einem porösen Schichtgebilde gelagert und mit metallischen Elektroden besetzt. Zwischen der Membran und der porösen Schichtstruktur ist ein Abstand vorhanden. Die Membran liegt dabei auf der porösen Schichtstruktur auf und ist auf herkömmliche Weise mit ihr verbunden. Die poröse Schichtstruktur ist ihrerseits mit einer Trägerstruktur verbunden. In einer speziellen Ausführungsform ist zwischen der Membran und der porösen Schichtstruktur ein Beabstandungselement vorhanden.
Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallsensoren, die auch als Ultraschallschwinger bezeichnet werden, haben den Nachteil, dass sie lediglich schmalbandig funktionieren, d.h. nur in einem bestimmten, schmalen Frequenzbereich emittierend wirken. Aufgrund entsprechender Anregung ist es zwar möglich, ganzzahlige Vielfache der Eigenfrequenz bei Verwendung von Piezo-Ultraschallsensoren zu verwenden, jedoch ist es nicht möglich, einen breiten Frequenzbereich zu bedienen. Piezo-Ultraschallsensoren weisen eine Membran auf, auf die ein Piezo-Element aufgebracht ist. Die Piezo-Elemente sind im Regelfall aufgeklebt. Ein Piezo-Element weist zwar den Vorteil auf, dass es sehr schnell aufgrund elektrischer Stimulierung eine Bewegung resultieren lässt, allerdings ist ein solches Piezo-Element sehr spröde. Bei starkem Druck, insbesondere bei starkem plötzlichem Druck, wie durch einen Stoß, zerbrechen diese spröden Piezo-Elemente häufig, was zu einem Totalausfall eines solchen Ultraschallsensors führt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Da bestehende Ultraschallsensoren im Regelfall in einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges untergebracht sind, kann bei einem starken Stoß ein Piezo-Ultraschallsensor zerstört werden.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor kann das Erfassen von Objekten nach Form und Beschaffenheit ermöglichen, so dass in Einparksystemen eine komplexere Umgebung modelliert werden kann. Dadurch können Ein- und Ausparkvorgänge für Kraftfahrzeuge deutlich besser gesteuert werden.
Dies wird gattungsgemäß dadurch gelöst, dass die Membran in das Trägerelement eingebettet ist. Dadurch, dass die Membran in das Trägeelement eingebettet ist, ergibt sich ein großer für den Aktor nutzbarer Bereich hinter dem Trägerelement. Bei Anbringung des Trägerelementes an einem Kraftfahrzeug, insbesondere bei Ausführung des Trägerelementes als Stoßfänger, lässt sich der Aktor auf der dem Kraftfahrzeug zugewandten Seite anbringen, so dass dieser vor Stößen geschützt ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
So ist es vorteilhaft, wenn der Aktor eine Spule mit ferromagnetischem Kern umfasst, wobei der Kern derart mit der Membran im Zusammenhang steht, dass eine Bewegung des Kerns eine Bewegung der Membran hervorruft. Eine Ausführung des Aktors als Spule mit ferromagnetischem Kern benötigt zwar mehr Bauraum als ein Piezo-Element, ist jedoch deutlich robuster. Ferner lassen sich unabhängig von der Eigenfrequenz des Aktors unterschiedliche Frequenzen des Ultraschallsensors emittieren. Durch eine entsprechende Ausgestaltung ist es nicht notwendig, auf einen Resonanzschwinger zurückzugreifen, der lediglich ganzzeilige Vielfache einer Eigenfrequenz beim Ultraschallsensor hervorrufen kann.
Um die Bewegung des Aktors verlustarm auf die Membran zu übertragen, ist es von Vorteil, wenn der Kern mit der Membran verbunden ist, vorzugsweise über eine Metallplatte. Die Verwendung einer Metallplatte ermöglicht den Rückgriff auf kostengünstige Baumaterialien, die dazu noch besonders langlebig sind.
Wenn der Verdünnungsbereich durch in das Trägerelement eingebrachte Nuten hervorgerufen ist, so lässt sich ein Schwingen der Membran je nach dem gewünschten Grad einstellen. Das Herstellen des Verdünnungsbereiches kann dabei nicht nur besonders kostengünstig erfolgen, sondern auch unter Zuhilfenahme bekannter und zahlreich vorhandener Werkzeuge erfolgen.
Wenn die Nuten auf der Ober- und Unterseite des Trägerelementes ausgeführt sind, vorzugsweise halbkreisförmig oder kreisförmig zur Realisierung einer kreissymmetrischen Abstrahlcharakteristik, so lässt sich auf symmetrische Weise die Dicke des Verdünnungsbereiches auf einen vorbestimmten Wert einfach einstellen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel wird dann erreicht, wenn die Nuten auf der Ober- und Unterseite des Trägerelementes ausgeführt sind, vorzugsweise kreisförmig zur Realisierung einer kreissymmetrischen Abstrahlcharakteristik.
Die Fertigungszeiten lassen sich deutlich reduzieren, wenn die Membran und das Trägerelement aus einem integralen Bauteil bestehen.
Es ist auch vorteilhaft, wenn zwischen der Membran und dem Trägerelement ringförmig um die Membran zumindest die Membran vom Trägerelement entkoppelnde Entkoppelungselemente vorhanden sind, die ein Übertragen von Körperschall von der Membran auf das Trägerelement und umgekehrt verhindern. Ein ungewolltes Vibrieren des Trägerelementes wird dabei unterbunden.
Die Entkoppelungselemente lassen sich dann besonders kostengünstig herstellen, wenn sie aus Gummi bestehen und vorzugsweise Gummipuffer sind.
Wenn das Trägerelement ein vorzugsweise aus Kunststoff geformter Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges ist, so lässt sich auf zusätzliche Elemente verzichten, was die Fertigungszeiten verringert und die Wartungsfreundlichkeit erhöht.
Entsprechende Vorteile werden auch durch ein Verfahren zum Messen von Distanzen und/oder Bestimmung von Form und Beschaffenheit von zu einem Sensor beabstandeten Objekten mit einem Ultraschallsensor erreicht, der ein Trägerelement, eine Membran und einen Aktor aufweist, der mit der Membran verbunden ist, wobei zwischen Trägerelement und der Membran ein Verdünnungsbereich zum Ermöglichen des Schwingens der Membran vorhanden ist, wobei die Membran in das Trägerelement eingebettet ist. Dadurch lässt sich ein robusterer, langlebigerer Ultraschallsensor in einem Verfahren verwenden, das genauere Ergebnisse liefert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ultraschallsensors der Teil eines Stoßfängers für ein Kraftfahrzeug ist.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Ultraschallsensor 1 mit einem Trägerelement 2 und einer Membran 3. Das Trägerelement 2 ist dabei als Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Die Membran 3 ist auf allen Seiten von einem Verdünnungsbereich 4 umgeben. Der Verdünnungsbereich 4 weist halbreisförmige oder kreisförmige Vertiefungen 5 auf, die auch als Nuten bezeichnet werden.
Die Vertiefungen 5 sind auf der Ober- und Unterseite oder nur auf einer der beiden Seiten des Trägerelementes 2 in dieses eingebracht. Zwischen den Vertiefungen 5 sind Stege 6 vorhanden. Auf der membranfernen Seite des Verdünnungsbereiches 4 ist im Trägerelement 2 ein Dämpfungselement vorhanden. Das Dämpfungselement ist als Entkoppelungselement 7 aufgeführt. Das Entkoppelungselement 7 ist dabei beispielsweise hohlzylinderförmig derart ausgebildet, dass im Inneren des Hohlzylinders der Verdünnungsbereich 4 und die Membran 3 befindlich ist. Es ist jedoch auch möglich, dass zwei Entkopplungselemente 7 einen Bereich des Trägerelementes 2 derart komplett vom restlichen Trägerelement 2 abtrennen, dass innerhalb dieser Entkoppelungselemente 7 die zwei Verdünnungsbereiche 4 und die Membran 3 befindlich sind. Dabei ist es auch möglich, dass die Verdünnungsbereiche 4 voneinander getrennt ausgeformt sind, so dass sich die Membran 3 von einem Ende des Trägerelementes 2 bis zum anderen erstreckt, d.h. in der Schnittebene von vorne bzw. hinten.
Bei Montage des Trägerelementes 2 an einem Kraftfahrzeug ist es wünschenswert, dass die Membran 3 nach außen zeigt und ein Aktor 8 zwischen dem Trägerelement 2 und dem Chassis des Kraftfahrzeuges angebracht wird. Der Aktor 8 umfasst eine Spule 9 und einen ferromagnetischen Kern 10. Der ferromagnetische Kern 10 ist relativ zur Spule 9 beweglich. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kern 10 entlang des Pfeiles A beweglich, derart, dass der Kern 10 in die Spule 9 eindringt, und auch wieder aus ihr herausfahrbar ausgestaltet ist, je nach Beaufschlagung mit elektrischer Energie. Der ferromagnetische Kern 10 ist mit einer Metallplatte 11 verbunden. Auch Platten aus anderem Material, wie etwa steifem Kunststoff, sind verwendbar. Über die Metallplatte 11 wird die Bewegungsenergie an die Membran 3 weitergegeben.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in die Außenhaut eines Stoßfängers ein Kunststoffteil eingesetzt. Das Kunststoffteil ist im vorliegenden Fall als Trägerelement 2 ausgeformt.
Während im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 beiderseits des Trägerelementes 2 ein Verdünnungsbereich 4 ausgebildet ist, so ist es auch möglich, diesen Verdünnungsbereich 4 nur auf einer Seite des Trägerelementes, d.h. links und rechts der Membran auf der Unterseite des Trägerelementes oder auf der Oberseite des Trägerelementes anzubringen. Dadurch ist es möglich, dass die Struktur des Verdünnungsbereiches 4 für einen von außen auf den Stoßfänger schauenden Betrachter nicht sichtbar ist.
Die Membran 3 in Figur 1 ist in Pfeilrichtung A nach oben und unten bewegbar. Dadurch ist es möglich mit diesem Aufbau mehrere Töne gleichzeitig auszusenden und diese zudem noch in ihrer Frequenz zu modulieren. Es ist dadurch ein Ultraschallsensor geschaffen, mit dem die Schallemission einer Fledermaus zum Teil nachgebildet werden kann. Zudem besitzt dieser Ultraschallsensor einige robuste mechanische Eigenschaften und ist gegen die Gefahr von Beschädigungen durch Steinschlag deutlich besser geschützt als dies bei herkömmlichen Ultraschallsensoren mit einer Membran und aufgeklebtem Piezo-Element der Fall ist. Es ist möglich, einen hohen Schalldruck von ca. 120 dB zu nutzen und gleichzeitig drei Harmonische auszusenden. D.h. also Signale über z.B. drei Oktaven.
Ferner ist es möglich, die ausgesendeten Signale im Sinne von Chirp-Signalen zu modullieren, indem zunächst ein CF-FM-Signal ausgestoßen wird, das danach in seiner Frequenz moduliert wird. Unter CF-FM-Signal werden sog. constant frequency - frequency modulated Signale verstanden. Durch einen derartigen Ultraschallwandler ist eine breitbandige Anregung möglich, die es möglich macht, komplexe Systeme nach Form und Beschaffenheit, insbesondere auch nach Dichte, zu klassifizieren. Als Hintergrund zu Chirp-Signalen ist auf die Druckschrift DE 4 232 254 A1 verwiesen.
Über den Frequenzhub lässt sich ferner auf die Form des zu erfassenden Objektes schließen, wobei sich über die unterschiedlichen Frequenzen die Beschaffenheit des im Weg befindlichen Objektes herausfinden lässt.
Über elektrische Anregungen des Aktors 8, insbesondere durch die Bewegung des Kerns 10 in der Spule 9, lässt sich eine Bewegung der Membran 3 resultieren was zum Aussenden von Schallsignalen, insbesondere von Ultraschallsignalen führt. Deren Echo lässt sich über geeignete Sensoren auffangen und mittels Bestimmung der Laufzeit der Abstand zum Objekt bestimmen.

Claims

Ultraschallsensor (1) mit einem Trägerelement (2), mit einer Membran (3) und mit einem Aktor (8), der mit der Membran (3) verbunden ist, wobei zwischen dem Trägerelement (2) und der Membran (3) ein Verdünnungsbereich (4) zum Ermöglichen des Schwingens der Membran (3) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) in das Trägerelement (2) eingebettet ist.
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Aktor (8) eine Spule (9) mit ferromagnetischem Kern (10) umfasst, wobei der Kern (10) derart mit der Membran (3) in Wirkzusammenhang steht, dass eine Bewegung des Kerns (10) eine Bewegung der Membran (3) hervorruft.
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 2, wobei der Kern (10) mit der Membran (3) verbunden ist, vorzugsweise über eine Metallplatte (11).
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Verdünnungsbereich (4) durch in das Trägerelement (2) eingebrachte Nuten hervorgerufen ist.
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 4, wobei die Nuten auf der Ober- und Unterseite des Trägerelementes (2) ausgeführt sind, vorzugsweise halbkreisförmig zur Realisierung einer selektiven Abstrahlcharakteristik mit einem in der vertikalen eingeengten Emissionsbereich zur Vermeidung von Bodenechos.
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 4, wobei die Nuten auf der Ober- und Unterseite des Trägerelementes (2) ausgeführt sind, vorzugsweise kreisförmig zur Realisierung einer kreissymmetrischen Abstrahlcharakteristik.
Ultraschallsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran (3) und das Trägerelement (2) aus einem integralen Bauteil bestehen.
Ultraschalsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen der Membran (3) und dem Trägerelement (2) beidseitig der Membran (3) die Membran (3) vom Trägerelement (2) entkoppelnde Entkopplungselemente (7) vorhanden sind, die ein Übertragen von Körperschall von der Membran (3) auf das Trägerelement (2) und umgekehrt verhindern.
Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 8, wobei die Entkopplungselemente (7) aus Gummi bestehen und vorzugsweise Gummipuffer sind.
Ultraschallsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, soweit das Trägerelement (2) ein vorzugsweise aus Kunststoff geformter Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges ist.
Verfahren zum Messen von Distanzen und/oder Bestimmen von Form und Beschaffenheit von zu einem Sensor beabstandeten Objekten mit einem Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10.