EP3010649A1 - Ultraschallwandleranordnung und kraftfahrzeug mit einer ultraschallwandleranordnung - Google Patents

Ultraschallwandleranordnung und kraftfahrzeug mit einer ultraschallwandleranordnung

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EP3010649A1
EP3010649A1 EP14714704.5A EP14714704A EP3010649A1 EP 3010649 A1 EP3010649 A1 EP 3010649A1 EP 14714704 A EP14714704 A EP 14714704A EP 3010649 A1 EP3010649 A1 EP 3010649A1
Authority
EP
European Patent Office
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transducer elements
membrane
transducer assembly
ultrasonic transducer
transducer
Prior art date
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EP14714704.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3010649B1 (de
Inventor
Andre Gerlach
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3010649A1 publication Critical patent/EP3010649A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3010649B1 publication Critical patent/EP3010649B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer arrangement which is set up
  • Transducer elements which are arranged at a distance from each other and are adapted to transmit and / or to receive ultrasonic signals.
  • the invention also relates to a method for producing such
  • Ultrasonic transducer assembly and a motor vehicle in which such
  • Ultrasonic transducer assembly is provided.
  • transducer arrangements are used for ultrasound-based environment sensing.
  • an acoustic transducer which has a so-called array of transducer elements, which are arranged according to a 1 -3 technique and whose upper and lower ends are encapsulated in rigid polymer plates.
  • the transducer elements are contacted by flexible conductor carriers, which consist of a polyimide material which is coated on both sides with a copper conductor.
  • EP 0 697 257 A2 shows transducer elements having a 2-2 or 1 -3 structure, wherein elements on opposite major surfaces of electrodes are contacted. Passive polymer layers are provided between the piezoelectric elements contacted by the electrodes, resulting in an array structure.
  • an ultrasonic transducer assembly configured to transmit and / or receive ultrasound signals comprises at least two transducer elements, a diaphragm and at least one back mass.
  • the at least two transducer elements are arranged spaced from each other. The least two
  • Transducer elements are indirectly or directly coupled to the membrane on one end face and coupled on an opposite side indirectly or directly to the at least one back mass.
  • a concealed mounted array sensor of a novel type of contacting is proposed, which is applied to an outer skin.
  • the proposed design is very simple, compact and inexpensive implemented.
  • the term of the transducer element is to be understood broadly and includes, for example, electrical-acoustic transducers, which work according to electrostatic, magnetostrictive, piezoelectric effects or combinations of these effects.
  • the transducer element may in particular be a piezoelectric element and the ultrasound transducer arrangement may be referred to as a piezoelectric ultrasound transducer array.
  • the membrane of the ultrasonic transducer assembly is formed for example by an outer skin of a bumper, side mirror or door area of a motor vehicle, wherein the transducer elements are arranged hidden behind the outer skin.
  • the membrane is formed from a thin layer of material, which is made for example of a polymer material.
  • the membrane has a thickness between 0.1 mm and 5 mm, more preferably less than 2 mm or less than 1 mm.
  • the coupling of the transducer elements with the membrane can be indirect or be done directly, but in any case so that an acoustic coupling is sufficiently possible, ie that suitable vibrations can be transmitted.
  • the coupling may, for example, by a press fit, press fit, such as through
  • the coupling can also be done by molding the resonator body with the material of the outer skin, which can also be referred to as embedding.
  • Indirect coupling may mean that another layer of material is provided between the transducer elements and the membrane, for example, a liquid such as a gel or an oil.
  • the further material layer can be provided in particular to the acoustic coupling between the
  • the ultrasonic transducer assembly comprises 2 to 50 transducer elements.
  • Advantageous are thus powerful multi-element sensors, d. H. Arrays with 2 to 50 transducer elements, provided in so-called concealed mounting.
  • the transducer elements are through
  • the Kunststoffkompositiata are arranged between the transducer elements, so that they are electrically and mechanically sufficiently isolated from each other.
  • this type of arrangement of the transducer elements can also be referred to as embedding in a plastic composite material, by which is meant that the transducer elements in
  • the transducer arrangement has at least one
  • Front mass and at least one back mass which are made of different materials. Particularly preferred are front and / or back masses for each
  • Transducer element provided individually.
  • the emitted by the transducer elements for environment sensing electro-acoustic radiation then leaves the transducer assembly preferably in the direction of the front side of the transducer elements, rear radiation is suppressed.
  • the back mass is effective as a so-called inertial mass, ie it allows by their Mass inertia, the introduction of force in the front body and thus also serves to damp the vibration relative to the area in which no radiation is desired.
  • the front mass is made of a thermosetting or thermoplastic polymer or an elastomer and the back mass of a metal, for example, aluminum, steel or brass.
  • a thermosetting or thermoplastic polymer or an elastomer for example, aluminum, steel or brass.
  • the ultrasonic transducer assembly has electrodes for contacting the transducer elements.
  • the transducer elements are contacted individually electrically.
  • a so-called flex foil is used, which is suitable for contacting the transducer elements.
  • the flex foil can be glued to the transducer elements, for example, by means of conductive adhesive.
  • the transducer elements are coupled at the end face to a first electrode.
  • the first electrode is a first flex foil.
  • the first electrode or flex foil is also attached to the membrane.
  • the first electrode or flex foil is glued to the membrane, for example by means of a conductive adhesive.
  • at least one front mass is glued to the first electrode or flex foil and the front mass is arranged between the transducer elements and the first electrode or flex foil.
  • the front mass is preferably designed to be conductive, for example, made of a conductive plastic or of a metal, such as aluminum.
  • a flex foil which contacts the transducer elements on their side surfaces, which is referred to as the so-called 3-1 effect.
  • the transducer elements have electrodes on their side surfaces, which are contacted by the flex foil. Such electrodes can be sputtered onto the transducer elements, for example.
  • the flex foil can at the front of the Transducer elements may be arranged and on the one hand glued to this and on the other hand glued to the membrane, or it may be provided, the flex foil on the
  • the transducer elements on the opposite side are coupled to a second electrode.
  • the second electrode is a second flex foil.
  • the invention can be used in particular in those environmental sensors, which are provided for example in the front and / or rear bumper of the vehicle for the purpose of parking assistance and / or collision avoidance.
  • ultrasound signals are usually transmitted through a medium such as air or water from an emitter to a receiver or transmitted from an emitter into an environment or detected by an object located in the surrounding ultrasonic signals and the transit time and / or differences in runtime and / or other variables such For example, measured amplitudes and phases of the ultrasonic signals.
  • ultrasonic transducers are used which can both emit ultrasonic waves and receive ultrasonic waves. But it can also be provided to use the ultrasonic transducer only as a receiver or only as a transmitter.
  • the ultrasound transducer arrangement can be installed in an ultrasound system which comprises a group of ultrasound sensors, wherein at least one, preferably all ultrasound sensors comprise the features of the ultrasound transducer arrangement.
  • the ultrasound system can be set up, for example, to a
  • Partial environment of the motor vehicle to capture For example, the
  • Ultrasonic sensors in the front region for detecting a front-side vehicle environment and / or the ultrasonic sensors in the side region for detecting a side region of the vehicle and / or the ultrasonic sensors in the rear region for detecting a rear environment of the vehicle are each assigned to such an ultrasound system. Typically, this will be four to six sensors in one
  • sensors are also positioned in the front bumper so that they have their detection range to the left and to the right. Additionally or alternatively, also in Rear bumper sensors are positioned so that they capture an area to the left and right of the motor vehicle.
  • the ultrasound system furthermore has a control device assigned to the respective group and a
  • both ultrasonic sensors installed laterally in the front and rear bumpers can be used, as well as those sensors which are installed in a side mirror or in a door section.
  • the present invention provides an ultrasonic transducer, which is also suitable for use for flow measurement of fluid media, in particular in the intake and / or exhaust and / or in the exhaust gas recirculation and / or turbocharger of internal combustion engines in the automotive field.
  • a method of manufacturing such an ultrasonic transducer assembly configured to transmit and / or receive ultrasound signals.
  • the method of manufacture comprises the following steps: a) Producing an array with at least two transducer elements, which are arranged at a distance from one another and which at one end face
  • the membrane of the ultrasonic transducer assembly is formed by an outer skin of a component, such as a bumper, side mirror or door area of a motor vehicle.
  • the transducer elements are hidden behind the outer skin.
  • a motor vehicle has a bumper, a side mirror or a door section and a previously described
  • Ultrasonic transducer assembly wherein the membrane of the ultrasonic transducer assembly is formed by an outer skin of the bumper, side mirror or door section, and wherein the transducer elements are arranged hidden behind the outer skin. If the thickness of the outer skin of the bumper or side mirror or of the door section in which the ultrasonic transducer assembly is installed does not correspond to the above-mentioned thicknesses preferred for the acoustic transmission, it may be provided that the bumper, the side mirror or the door section of the motor vehicle in the Area in which the ultrasonic transducer assembly is to be installed,
  • FIG. 1 shows an ultrasound transducer arrangement according to a first embodiment
  • Figure 2 shows an ultrasonic transducer assembly according to a second embodiment
  • Figure 3 shows an ultrasonic transducer assembly according to a third embodiment.
  • the ultrasonic transducer assembly 1 illustrated in FIG. 1 in a lateral sectional view according to a first embodiment of the invention comprises, by way of example, eight transducer elements 2 arranged at a distance from one another, which are each coupled at one end face 3 to a membrane 4 and at an opposite side 5 to a back mass 6. Between the eight transducer elements 2 Kunststoffkompositiata 8 are arranged for their mutual spacing.
  • the illustrated embodiment comprises two flex films 10, 12, wherein a first flex foil 10 is disposed between the transducer elements 2 and the membrane 4 and the transducer elements 2 each contacted individually at their end faces 3.
  • the first flex foil 10 is attached to the membrane 4 by means of a conductive adhesive 14.
  • the coupling between the first flex foil 10 and the membrane 4 can be present directly and indirectly, wherein is referred to with an indirect contact, that between the first flex foil 10 and the membrane 4 at least one layer of another material is arranged.
  • the conductive adhesive 14 may be such a layer.
  • liquid layers such as oil or gel may be provided to enhance the acoustic coupling.
  • the second flex foil 12 is arranged between the transducer elements 2 and the back mass 6 and contacts the transducer elements 2 individually on sides 5 which are arranged opposite the end faces 3 with respect to the membrane 4.
  • the second flex foil 12 is fastened to the back mass 6 by means of a further adhesive 20.
  • the transducer elements 2 form a so-called array 15.
  • an array 15 is at least two transducer elements 2, which are arranged at a distance from each other and which are indirectly or directly coupled to at least one back mass 6 on the side 5 opposite the end face 3 ,
  • the array 15 here also includes the plastic composite elements 8, the flex films 10, 12 and the
  • Coupling be present, for example, by a screw or jamming of the array 15 in the membrane 4, wherein suitable means for this purpose are not shown in Fig. 1. It can be provided that the membrane 4 is made thinner in a contact region 32 than outside the contact region 32, so that the array 15 is at least partially sunk in the contact region 32 in the membrane 4. This has the advantage that the ultrasound transducer arrangement 1 on the one hand can be designed to be sufficiently sensitive for receiving ultrasonic waves or to emit sufficiently strong ultrasound waves on the other hand, the membrane 4 outside the contact region 32 can be made sufficiently thick.
  • the ultrasound transducer arrangement 1 shown in FIG. 2 in a lateral sectional view according to a second embodiment of the invention again comprises, by way of example, eight transducer elements 2 arranged at a distance from one another, which are each coupled at their front side 3 to the membrane 4 and at their opposite side 5 to the back mass 6. Between the eight transducer elements 2 Kunststoffkompositiata 8 are arranged for their mutual spacing.
  • the exemplary embodiment illustrated comprises only one flex foil 12, which in the context of the invention is referred to as a second flex foil 12.
  • the second flex foil 12 is arranged between the transducer elements 2 and the back mass 6 and contacts the transducer elements 2 individually on side surfaces 7, 9 which are neither the front sides 3 nor the opposite sides 5, and form the major surfaces of the transducer elements 2.
  • the flex foil 12 contacting surfaces 22, 24, which are guided on the side surfaces 7, 9.
  • the contacting surfaces 22, 24 are coated surfaces of the transducer elements 2, which are contacted by the flex foil 12.
  • the illustrated electrical contact transverse to the main vibration direction of the transducer element 2 is also referred to as so-called 3-1
  • the transducer elements 2 are attached directly to the membrane 4 by means of an adhesive 17.
  • the coupling between the transducer elements 2 and the membrane 4 can be present directly and indirectly, wherein an indirect contact means that at least one layer of another material is arranged between the transducer elements 2 and the membrane 4.
  • the adhesive 17 may be such a layer.
  • liquid layers such as oil or gel may be provided to enhance the acoustic coupling.
  • the second flex foil 12 is fastened to the back mass 6 by means of a further adhesive 20.
  • the array 15 comprises in the embodiment shown in Figure 2 the
  • Transducer elements 2 the Kunststoffkompositiata 8, the second flex foil 12 and the back mass 6.
  • a mechanical coupling for example by a
  • the membrane 4 is made thinner in the contact region 32 than outside the contact region 32, so that the array 15 is at least partially sunk in the contact region 32 in the membrane 4.
  • the ultrasonic transducer assembly 1 illustrated in FIG. 3 in a lateral sectional view according to a third embodiment of the invention again comprises, by way of example, eight transducer elements 2 spaced apart from one another, each with its end face 3 with the membrane 4 and on its opposite side 5 with individual back masses 6 are coupled. Between the eight transducer elements 2 are to their mutual
  • the ultrasonic transducer assembly comprises 1 per
  • Transducer element 2 each have a back mass 6 and a front mass 26, between which the respective transducer element 2 is arranged.
  • the exemplary embodiment illustrated again comprises two flex films 10, 12, wherein the first flex foil 10 is arranged between the transducer elements 2 and the membrane 4 and contacts the transducer elements 2 individually at the front masses 26, which for this purpose have conductor tracks or are made of a conductive material.
  • the first flex foil 10 is in turn secured to the membrane 4 by means of the conductive adhesive 14.
  • the coupling between the first flex foil 10 and the membrane 4 may be present directly and indirectly as described with reference to FIG.
  • the first flex foil 10 is also attached by means of a conductive adhesive to the front masses 26, which is not shown.
  • the second flex foil 12 is arranged between the transducer elements 2 and the back masses 6 and contacts the transducer elements 2 individually over the sides 5 opposite the end faces 3.
  • the second flex foil 12 is fastened to the back masses 6 again by means of a second conductive adhesive 28.
  • the transducer elements 2 are each individually electrically contacted to the back masses 26, which for this purpose
  • the array 15 comprises in the embodiment shown in Figure 3 the
  • the membrane 4 is made thinner in the contact region 32 than outside the contact region 32, so that the array 15 is at least partially sunk in the contact region 32 in the membrane 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung (1), die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, mit zumindest zwei Wandlerelementen (2), einer Membran (4) und zumindest einer Rückmasse (6), wobei die zumindest zwei Wandlerelemente (2) voneinander beabstandet angeordnet und an einer Stirnseite (3) mittelbar oder unmittelbar an die Membran (4) gekoppelt sind und an einer gegenüberliegenden Seite (5) mittelbar oder unmittelbar an die zumindest eine Rückmasse (6) gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Ultraschallwandleranordnung (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Ultraschallwandleranordnung (1), wobei die Membran (4) der Ultraschallwandleranordnung (1) durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türabschnittes gebildet ist und die Wandlerelemente (2) versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.

Description

Beschreibung Ultraschallwandleranordnung und Kraftfahrzeug mit einer Ultraschallwandleranordnung Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung welche eingerichtet ist,
Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen und welche zumindest zwei
Wandlerelemente, aufweist, die voneinander beabstandet angeordnet sind und eingerichtet sind, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Ultraschallwandleranordnung und ein Kraftfahrzeug, in welchem eine derartige
Ultraschallwandleranordnung vorgesehen ist.
Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen, wie zum Beispiel Robotern, Landmaschinen oder Baumaschinen werden Wandleranordnungen zur ultraschallbasierten Umfeldsensierung eingesetzt. Um hohe Sendestärken und/oder
Empfangsempfindlichkeiten zu erzielen, handelt es sich dabei überwiegend um resonante Schwinger, die aus Festkörpern und einem oder mehreren Wandlerelementen bestehen.
Aus der US 5,950,291 ist ein akustischer Wandler bekannt, welcher ein so genanntes Array von Wandlerelementen aufweist, die nach einer 1 -3-Technik angeordnet sind und deren obere und untere Enden in steifen Polymerplatten verkapselt sind. Die Wandlerelemente werden durch flexible Leitungsträger kontaktiert, welche aus einem Polyimidmaterial bestehen, das auf beiden Seiten mit einem Kupferleiter beschichtet ist. EP 0 697 257 A2 zeigt Wandlerelemente mit einer 2-2- oder 1 -3-Struktur, wobei Elemente auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen von Elektroden kontaktiert werden. Zwischen den von den Elektroden kontaktierten piezoelektrischen Elementen sind passive Polymerschichten vorgesehen, so dass sich eine Array-Struktur ergibt. Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Ultraschallwandleranordnung, die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, zumindest zwei Wandlerelemente, eine Membran und zumindest eine Rückmasse. Die zumindest zwei Wandlerelemente sind voneinander beabstandet angeordnet. Die zumindest zwei
Wandlerelemente sind an einer Stirnseite mittelbar oder unmittelbar an die Membran gekoppelt und an einer gegenüberliegenden Seite mittelbar oder unmittelbar an die zumindest eine Rückmasse gekoppelt.
Vorteilhaft wird ein verdeckt montierter Array-Sensor einer neuartigen Kontaktierungsart vorgeschlagen, welcher auf eine Außenhaut aufgebracht wird. Das vorgeschlagene Design ist sehr einfach aufgebaut, kompakt und kostengünstig umgesetzt.
Der Begriff des Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler, welche nach elektrostatischen, magnetostriktiven, piezoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten. Im Rahmen der Erfindung kann das Wandlerelement insbesondere ein piezoelektrisches Element sein und die Ultraschallwandleranordnung als eine piezoelektrische Ultraschallwandleranordnung bezeichnet werden.
Die Membran der Ultraschallwandleranordnung ist beispielsweise durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet, wobei die Wandlerelemente versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegeben
Gegenstands möglich.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Membran aus einer dünnen Materialschicht gebildet ist, die beispielsweise aus einem Polymermaterial gefertigt ist. Bevorzugt weist die Membran eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm auf, besonders bevorzugt kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm. Die Kopplung der Wandlerelemente mit der Membran kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen, in jedem Fall aber so, dass eine akustische Kopplung in ausreichendem Maße ermöglicht ist, d. h. dass geeignete Schwingungen übertragen werden können. Die Kopplung kann beispielsweise durch einen Presssitz, Klemmsitz, wie etwa durch
Einschrauben, oder auch durch eine Klebung bewerkstelligt sein. Die Kopplung kann auch durch Umspritzen des Resonanzkörpers mit dem Material der Außenhaut erfolgen, was auch als Einbetten bezeichnet werden kann. Eine mittelbare Kopplung kann bedeuten, dass eine weitere Materialschicht zwischen den Wandlerelementen und der Membran vorgesehen ist, beispielsweise eine Flüssigkeit, wie ein Gel oder ein Öl. Die weitere Materialschicht kann insbesondere dazu vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zwischen den
Wandlerelementen und der Membran zu optimieren, z. B. um Toleranzen in den
Abmessungen der Bauteile oder die Rauigkeit der Oberflächen der Kopplungspartner auszugleichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ultraschallwandleranordnung 2 bis 50 Wandlerelemente auf. Vorteilhaft werden damit leistungsfähige Vielelementsensoren, d. h. Arrays mit 2 bis 50 Wandlerelementen, in so genannter verdeckter Montage bereitgestellt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wandlerelemente durch
Kunststoffkompositelemente voneinander beabstandet. Die Kunststoffkompositelemente sind zwischen den Wandlerelementen angeordnet, so dass diese elektrisch und mechanisch ausreichend voneinander isoliert vorliegen. Im Rahmen der Erfindung kann diese Art der Anordnung der Wandlerelemente auch als Einbettung in eine Kunststoffkompositmasse bezeichnet werden, wobei hierunter verstanden wird, dass die Wandlerelemente im
Wesentlichen vollständig von der Kunststoffkompositmasse umschlossen sind. Die
Einschränkung„im Wesentlichen" bezieht sich in diesem Zusammenhang beispielsweise auf vorgesehene Kanäle für die notwendige elektrische Kontaktierung der Wandlerelemente.
Nach bevorzugten Ausführungsformen weist die Wandleranordnung zumindest eine
Vordermasse und zumindest eine Rückmasse auf, welche aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Besonders bevorzugt sind Vorder- und/oder Rückmassen für jedes
Wandlerelement einzeln vorgesehen. Die von den Wandlerelementen zur Umfeldsensierung ausgesendete elektroakustische Strahlung verlässt die Wandleranordnung dann bevorzugt in Richtung der Stirnseite der Wandlerelemente, rückwärtige Strahlung wird unterdrückt. Die Rückmasse ist als sogenannte Inertial-Masse wirksam, d. h. sie ermöglicht durch ihre Masseträgheit die Krafteinleitung in den Vorderkörper und dient so auch zur Dämpfung der Schwingung gegenüber dem Bereich, in welchem keine Abstrahlung gewünscht ist.
Bevorzugt ist die Vordermasse aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Polymer oder aus einem Elastomer gefertigt und die Rückmasse aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, Stahl oder Messing. Die Auswahl geeigneter Materialien kann durch
Einschränkungen oder Vorgaben bezüglich der zu erreichenden Empfangsempfindlichkeiten oder Sendesignalstärken der Ultraschallwandleranordnung festgelegt sein. Insbesondere können aber auch weitere Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise die
Umgebungstemperatur oder etwa die mechanische Beanspruchung durch Schütteln, berücksichtigt werden, um geeignete Materialien festzulegen.
Die Ultraschallwandleranordnung weist Elektroden zur Kontaktierung der Wandlerelemente auf. Bevorzugt werden die Wandlerelemente dabei einzeln elektrisch kontaktiert. Besonders bevorzugt wird als zumindest eine Elektrode eine so genannte Flexfolie verwendet, die zur Kontaktierung der Wandlerelemente geeignet ist. Die Flexfolie kann dabei beispielsweise mittels leitfähigem Kleber an die Wandlerelemente geklebt sein.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wandlerelemente an der Stirnseite an eine erste Elektrode gekoppelt sind. Nach einer Ausführungsform ist die erste Elektrode eine erste Flexfolie. Die erste Elektrode, bzw. Flexfolie ist außerdem an der Membran befestigt. Besonders bevorzugt ist die erste Elektrode bzw. Flexfolie dabei an die Membran geklebt, beispielsweise mittels eines leitfähigen Klebers. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Vordermasse an die erste Elektrode bzw. Flexfolie geklebt ist und die Vordermasse zwischen den Wandlerelementen und der ersten Elektrode bzw. Flexfolie angeordnet ist. Dabei ist die Vordermasse bevorzugt leitfähig ausgebildet, beispielsweise aus einem leitfähigen Kunststoff oder aus einem Metall gefertigt, wie etwa Aluminium.
Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform ist eine Flexfolie vorgesehen, die die Wandlerelemente an deren Seitenflächen kontaktiert, was als so genannter 3-1 -Effekt bezeichnet wird. Dazu besitzen die Wandlerelemente Elektroden an deren Seitenflächen, die durch die Flexfolie kontakt werden. Derartige Elektroden können beispielsweise auf die Wandlerelemente gesputtert werden. Die Flexfolie kann dabei an der Stirnseite der Wandlerelemente angeordnet sein und einerseits an diese geklebt sein und andererseits an die Membran geklebt sein, oder es kann vorgesehen sein, die Flexfolie an der
gegenüberliegenden Seite der Wandlerelemente vorzusehen, wodurch sie einerseits an die Wandlerelemente geklebt sind und andererseits an die Rückmasse.
Nach einer Ausführungsform sind die Wandlerelemente an der gegenüberliegenden Seite an eine zweite Elektrode gekoppelt. Nach einer Ausführungsform ist die zweite Elektrode eine zweite Flexfolie. Die Erfindung kann insbesondere bei solchen Umfeldsensoren eingesetzt werden, welche beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger des Fahrzeugs zum Zwecke der Parkassistenz und/oder Kollisionsvermeidung vorgesehen sind. Dabei werden üblicherweise Ultraschallsignale durch ein Medium wie Luft oder Wasser von einem Emitter zu einem Empfänger übermittelt oder von einem Emitter in eine Umgebung übermittelt oder von einem in der Umgebung befindlichen Objekt reflektierte Ultraschallsignale erfasst und die Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenzen und/oder weitere Größen wie beispielsweise Amplituden und Phasen der Ultraschallsignale gemessen. Typischerweise werden dabei Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen emittieren können, als auch Ultraschallwellen empfangen können. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Ultraschallwandler nur als Empfänger oder nur als Sender einzusetzen.
Insbesondere kann die Ultraschallwandleranordnung in einem Ultraschallsystem verbaut sein, welches eine Gruppe von Ultraschallsensoren umfasst, wobei zumindest einer, bevorzugt alle Ultraschallsensoren die Merkmale der Ultraschallwandleranordnung umfassen. Das Ultraschallsystem kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine
Teilumgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise können die
Ultraschallsensoren im Frontbereich zur Erfassung einer vorderseitigen Fahrzeugumgebung und/oder die Ultraschallsensoren im Seitenbereich zur Erfassung eines Seitenbereichs des Fahrzeugs und/oder die Ultraschallsensoren im Heckbereich zur Erfassung einer rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs jeweils einem derartigen Ultraschallsystem zugeordnet sein. Typischerweise werden hierbei vier bis sechs Sensoren in einem
Stoßfänger verbaut, wobei nur maximal vier Sensoren mit ungefähr derselben Blickrichtung montiert sind. Um insbesondere auch den Bereich neben dem Fahrzeug zu erfassen, werden im vorderen Stoßfänger außerdem Sensoren so positioniert, dass sie nach links und nach rechts ihren Erfassungsbereich haben. Zusätzlich oder alternativ können auch im hinteren Stoßfänger Sensoren derart positioniert sein, dass diese einen Bereich links und rechts neben dem Kraftfahrzeug erfassen. Das Ultraschallsystem weist darüber hinaus auch eine der jeweiligen Gruppe zugeordnete Steuereinrichtung und eine
Signalverarbeitungseinrichtung auf. Um den Seitenbereich des Fahrzeugs zu erfassen, können sowohl seitlich im vorderen und hinteren Stoßfänger verbaute Ultraschallsensoren verwendet werden, als auch solche Sensoren, die in einem Seitenspiegel oder in einem Türabschnitt verbaut sind.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Ultraschallwandler bereit, der außerdem für einen Einsatz zur Strömungsmessung fluider Medien, insbesondere im Ansaugtrakt und/oder im Abgastrakt und/oder im Abgasrückführungstrakt und/oder nach einem Turbolader von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich geeignet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Ultraschallwandleranordnung angegeben, die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen. Das Verfahren zur Herstellung umfasst dabei die folgenden Schritte: a) Herstellen eines Arrays mit zumindest zwei Wandlerelementen, welche voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an einer einer Stirnseite
gegenüberliegenden Seite mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine Rückmasse gekoppelt sind, b) Befestigen des Arrays an einer Membran, die durch eine Außenhaut eines Bauteils gebildet ist, wobei die zumindest zwei Wandlerelemente an der Stirnseite mittelbar oder unmittelbar an die Membran gekoppelt werden.
Die Membran der Ultraschallwandleranordnung ist dabei durch eine Außenhaut eines Bauteils, wie eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet. Die Wandlerelemente werden versteckt hinter der Außenhaut angeordnet.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Kraftfahrzeug einen Stoßfänger, einen Seitenspiegel oder einen Türabschnitt auf und eine zuvor beschriebene
Ultraschallwandleranordnung, wobei die Membran der Ultraschallwandleranordnung durch eine Außenhaut des Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türabschnitts gebildet ist, und wobei die Wandlerelemente versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind. Sofern die Dicke der Außenhaut des Stoßfängers oder Seitenspiegels oder des Türabschnitts, in welchen die Ultraschallwandleranordnung verbaut wird, nicht den für die akustische Übertragung bevorzugten, oben genannten Dicken entspricht, kann vorgesehen sein, dass der Stoßfänger, der Seitenspiegel oder der Türabschnitt des Kraftfahrzeugs in dem Bereich, in welchem die Ultraschallwandleranordnung verbaut werden soll,
entsprechend dünner ausgestaltet ist als anderswo. Derartige lokale Verdünnungen können sowohl durch nachträgliche maschinelle Bearbeitung eingearbeitet werden, beispielsweise durch Ausfräsen, oder schon im Herstellungsprozess, beispielsweise beim Spritzgießen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Ultraschallwandleranordnung nach einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine Ultraschallwandleranordnung nach einer zweiten Ausführungsform und Figur 3 eine Ultraschallwandleranordnung nach einer dritten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in Figur 1 dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an einer Stirnseite 3 mit einer Membran 4 und an einer gegenüberliegenden Seite 5 an eine Rückmasse 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst zwei Flexfolien 10, 12, wobei eine erste Flexfolie 10 zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 angeordnet ist und die Wandlerelemente 2 jeweils einzeln an ihren Stirnseiten 3 kontaktiert. Die erste Flexfolie 10 ist mittels eines leitfähigen Klebers 14 an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist.
Beispielsweise kann der leitfähige Kleber 14 eine solche Schicht sein. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu können Flüssigkeitsschichten wie etwa Öl oder Gel vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zu verbessern.
Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und der Rückmasse 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln an Seiten 5, die den Stirnseiten 3 bezüglich der Membran 4 gegenüberliegend angeordnet sind. Die zweite Flexfolie 12 ist mittels eines weiteren Klebers 20 an der Rückmasse 6 befestigt.
Die Wandlerelemente 2 bilden ein so sogenanntes Array 15. Als ein Array 15 werden im Rahmen der Erfindung zumindest zwei Wandlerelemente 2 bezeichnet, welche voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an der der Stirnseite 3 gegenüberliegenden Seite 5 mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine Rückmasse 6 gekoppelt sind. Das Array 15 umfasst hier auch die Kunststoffkompositelemente 8, die Flexfolien 10, 12 und die
Rückmasse 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann eine mechanische
Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Membran 4 in einem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Ultraschallwandleranordnung 1 einerseits ausreichend empfindlich zur Aufnahme von Ultraschallwellen ausgelegt werden kann bzw. ausreichend starke Ultraschallwellen aussenden kann und andererseits die Membran 4 außerhalb des Kontaktbereichs 32 ausreichend dick gestaltet werden kann.
Die in Figur 2 dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst wiederum beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an ihrer Stirnseite 3 mit der Membran 4 und an ihrer gegenüberliegenden Seite 5 an die Rückmasse 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet. Im Unterschied zu Figur 1 umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel nur eine Flexfolie 12, die im Rahmen der Erfindung als zweite Flexfolie 12 bezeichnet wird. Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und der Rückmasse 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln an Seitenflächen 7, 9, die weder die Stirnseiten 3 noch die gegenüberliegenden Seiten 5 sind, und die Hauptflächen der Wandlerelemente 2 bilden. Hierzu weist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Flexfolie 12 Kontaktierflächen 22, 24 auf, die an die Seitenflächen 7, 9 geführt sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Kontaktierflächen 22, 24 beschichtete Oberflächen der Wandlerelemente 2 sind, die von der Flexfolie 12 kontaktiert werden. Die dargestellte elektrische Kontaktierung quer zur Hauptschwingungsrichtung des Wandlerelements 2 wird auch als sogenannte 3-1
Kontaktierung bezeichnet.
Die Wandlerelemente 2 sind mittels eines Klebers 17 direkt an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist. Beispielsweise kann der Kleber 17 eine solche Schicht sein.
Alternativ dazu oder zusätzlich dazu können Flüssigkeitsschichten wie etwa Öl oder Gel vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zu verbessern. Die zweite Flexfolie 12 ist mittels eines weiteren Klebers 20 an der Rückmasse 6 befestigt.
Das Array 15 umfasst in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die
Wandlerelemente 2, die Kunststoffkompositelemente 8, die zweite Flexfolie 12 und die Rückmasse 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann, wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben, eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine
Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel nicht dargestellt sind. Es kann ebenfalls vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Membran 4 in dem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist.
Die in Figur 3 dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst wiederum beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an ihrer Stirnseite 3 mit der Membran 4 und an ihrer gegenüberliegenden Seite 5 an einzelne Rückmassen 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen
Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet. Im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Ultraschallwandleranordnung 1 pro
Wandlerelement 2 jeweils eine Rückmasse 6 und eine Vordermasse 26, zwischen welchen das jeweilige Wandlerelement 2 angeordnet ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst wiederum zwei Flexfolien 10, 12, wobei die erste Flexfolie 10 zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 angeordnet ist und die Wandlerelemente 2 jeweils einzeln an den Vordermassen 26 kontaktiert, welche hierzu Leiterbahnen aufweisen oder aus einem leitfähigen Material gefertigt sind. Die erste Flexfolie 10 ist wiederum mittels des leitfähigen Klebers 14 an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben. Die erste Flexfolie 10 ist außerdem mittels eines leitfähigen Klebers an den Vordermassen 26 befestigt, was nicht dargestellt ist.
Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und den Rückmassen 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln über die den Stirnseiten 3 gegenüberliegenden Seiten 5. Die zweite Flexfolie 12 ist hierzu wiederum mittels eines zweiten leitfähigen Klebers 28 an den Rückmassen 6 befestigt. Die Wandlerelemente 2 werden jeweils einzeln elektrisch an den Rückmassen 26 kontaktiert, welche hierzu
Leiterbahnen aufweisen oder aus einem leitfähigen Material gefertigt sind.
Das Array 15 umfasst in dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die
Wandlerelemente 2, die Kunststoffkompositelemente 8, die Flexfolien 10, 12 und die
Rückmassen 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann, wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben, eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine
Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel nicht dargestellt sind. Es kann wiederum vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Membran 4 in dem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche 1 . Ultraschallwandleranordnung (1 ), die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, mit zumindest zwei Wandlerelementen (2), einer Membran (4) und zumindest einer Rückmasse (6), wobei die zumindest zwei Wandlerelemente (2)
voneinander beabstandet angeordnet und an einer Stirnseite (3) mittelbar oder unmittelbar an die Membran (4) gekoppelt sind und an einer gegenüberliegenden Seite (5) mittelbar oder unmittelbar an die zumindest eine Rückmasse (6) gekoppelt sind.
2. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm aufweist.
3. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandleranordnung (1 ) 2 bis 50 Wandlerelemente (2) aufweist.
4. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) durch Kunststoffkompositelemente (8) voneinander beabstandet sind.
5. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einer Flexfolie (10, 12) zur Kontaktierung der Wandlerelemente (2).
6. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) an der Stirnseite (3) an eine erste Flexfolie (10) gekoppelt sind.
7. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vordermasse (26) an eine erste Flexfolie (10) gekoppelt ist und die
Vordermasse (26) zwischen den Wandlerelementen (2) und der ersten Flexfolie (10) angeordnet ist.
8. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flexfolie (10) die Wandlerelemente (2) an deren Seitenflächen (7, 9) kontaktiert.
9. Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) an der gegenüberliegenden Seite (5) an eine zweite Flexfolie (12) geklebt sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandleranordnung (1 ), die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, insbesondere einer
Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellen eines Arrays (15) mit zumindest zwei Wandlerelementen (2), welche
voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an einer einer Stirnseite (3) gegenüberliegenden Seite (5) mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine
Rückmasse (6) gekoppelt sind, b) Befestigen des Arrays (15) an einer Membran (4), die durch eine Außenhaut eines Bauteils gebildet ist, wobei die zumindest zwei Wandlerelemente (2) an der Stirnseite (3) mittelbar oder unmittelbar an die Membran (4) gekoppelt werden.
1 1. Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und einer
Ultraschallwandleranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Membran (4) der Ultraschallwandleranordnung (1 ) durch eine Außenhaut des Stoßfängers, des
Seitenspiegels oder des Türabschnitts gebildet ist und wobei die Wandlerelemente (2) versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.
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