EP3010652A1 - Umfeldsensiereinrichtung mit ultraschallwandler, und kraftfahrzeug mit einer derartigen umfeldsensiereinrichtung - Google Patents

Umfeldsensiereinrichtung mit ultraschallwandler, und kraftfahrzeug mit einer derartigen umfeldsensiereinrichtung

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Publication number
EP3010652A1
EP3010652A1 EP14727790.9A EP14727790A EP3010652A1 EP 3010652 A1 EP3010652 A1 EP 3010652A1 EP 14727790 A EP14727790 A EP 14727790A EP 3010652 A1 EP3010652 A1 EP 3010652A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensing device
front body
membrane
environment sensing
damping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14727790.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Bartylla
Andre Gerlach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3010652A1 publication Critical patent/EP3010652A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • 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
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    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
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    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0681—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a damping structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device

Definitions

  • the invention also relates to a motor vehicle in which at least one such
  • 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 runtime and / or
  • these sound transducers are predominantly resonant oscillators, which consist of solids and one or more piezo elements.
  • resonant oscillator are, among others, called piezobased as thickness vibrator
  • Ultrasonic transducer known as prior art.
  • a basic structure of a known environment sensing device is shown in Fig. 4, wherein the thickness of the oscillator 91 of
  • Environment sensing device 9 is arranged on an outer skin 92 of a motor vehicle bumper (not shown) and has a flat piezoelectric element 912 as an ultrasonic transducer element, which is embedded in a solid, a so-called resonant body, the is disposed between a front body 91 1 of the resonance body and a rear body 913 of the resonance body and coupled thereto.
  • a specific example of an ultrasonic sensor for a motor vehicle can be found in DE 10 2007 046 031 A1.
  • the ultrasonic sensor described therein is formed with an acoustic tuning layer which is coupled to a vibration element.
  • the vibrating element generates ultrasonic waves that are emitted into the environment of the motor vehicle, and the acoustic tuning layer is reflected by
  • the ultrasonic sensor is here mounted on a bumper or a bumper of the motor vehicle, for example in a hole in the bumper, wherein a receiving surface of the ultrasonic transducer is exposed to the surroundings of the motor vehicle.
  • a disadvantage of the known state of the art in the field of ultrasonic transducers can be found in the fact that they usually provide no or only a complex external damping of the vibration behavior, which usually leads to increased installation costs and additionally required space. However, such a damping is extremely advantageous for the vibration behavior of the ultrasonic transducers in order to achieve adequate for the environment sensing on and Ausschwing , and should be provided in any case, but without bringing structural or constructive disadvantages.
  • An environment sensing device which provides a solution to the problems discussed above has an ultrasonic transducer comprising at least one transducer element and at least one resonator body and a diaphragm for sound transmission, wherein the environmental sensing device is adapted to transmit and transmit ultrasonic signals / or to receive.
  • the resonator body has a front body and a rear body and is at an end face of the front body, ie at a to
  • Membrane-facing portion of the front body coupled to the membrane, wherein the front body and / or the rear body of the resonator made of at least one composite material, also called composite material or composite material, as
  • the front body and the rear body of the resonance body can be made of different composite materials, for example based on a metal material, based on a ceramic material or based on a plastic material, or a combination of these.
  • the acoustic wave emitted by the transducer element for environment sensing leaves the environment sensing arrangement preferably in the direction of the front side of the front body, also referred to as front mass, wherein rearward radiation is completely suppressed in the best case.
  • the back body also referred to as back mass, for damping the vibration relative to the area in which no radiation is desired.
  • transducer element is to be understood broadly and includes, for example, electric-acoustic transducers which operate on electrostatic, magnetostrictive, piezoelectric effects or combinations of these effects.
  • the transducer element may in particular be a piezoelectric element and the
  • Environment sensing device can be understood as a piezoelectric environment sensing device or as a piezoelectric environment sensing device.
  • the so-called membrane of the environmental sensing device is formed for example by an outer skin of a bumper, side mirror or door region of a motor vehicle, wherein the transducer element or the transducer elements and the or
  • the membrane is formed from a thin layer of material, which is made for example from a customary for the outer skin of a motor vehicle polymer material.
  • the membrane preferably has a thickness of between 0.1 mm and 4 mm, particularly preferably less than 1 mm.
  • the coupling of the resonator at the end face with the membrane can be done directly or indirectly, but in any case so that an acoustic coupling is sufficiently possible, so that acoustic radiation patterns can be transmitted.
  • the direct coupling can be accomplished for example by a press fit, press fit, such as by screwing, or by an adhesive.
  • Indirect coupling may mean that another layer of material is provided between the resonator body and the membrane, for example, a liquid such as a gel or an oil. This additional material layer can be provided in particular to the acoustic coupling between the
  • an integration of damping in the resonance body is achieved by using so-called composite materials.
  • the resonator body can by means of various manufacturing methods to such a composite material body or a composite of such
  • Composite material body are made, inter alia, by the following methods:
  • both the front body and the back body can be made by one of the above manufacturing methods.
  • both the front body and the back body may be manufactured by one of the above manufacturing methods.
  • different methods of preparation of the front body and the rear body can be used.
  • various methods of fabrication may be used in one of the front body and the rear body or in both the front body and the rear body.
  • Resonance system is required to achieve adequate for the environment sensing on-and-off, to compensate for component tolerances and the
  • the damping mechanism may be formed by projections on the front body and / or the rear body, which are mounted in a vibration-damping material,
  • a silicone-based material such as a silicone foam or the like.
  • a porous silicone foam can be used, such as the commercially available silicone foam Fermasil.
  • the front side of the front body coupled to the membrane is plate-shaped.
  • the plate shape may have a widthwise dimension greater than a heightwise direction or the height direction, with a preferred height of the plate-shaped end side being between 0.1 mm and 30 mm, and a preferred width of the plate-shaped end side being between 0.5 mm and 0.5 mm 30mm is.
  • the resonance body between its plate-shaped end face and the transducer element at least partially a width dimension which is smaller than the width dimension of the end face. Accordingly, a paragraph or a stage between the
  • plate-shaped end face refers to a part or portion of the front body, which is located directly on its side facing the membrane and which is in the form of a plate, that is called its dimension in width, also called width dimension, greater than its dimension in the height is, too Height dimension called.
  • the resonator body preferably has a double-T-shaped longitudinal section, also called a dumbbell-shaped longitudinal section, or alternatively a T-shaped longitudinal section or a longitudinal section in the form of a triangle, which merges into the plate form at its front-side tip. It can thereby be achieved that the bending stiffness of the membrane, as for example in the case of the outer skin of a motor vehicle
  • Bumpers as a membrane according to the invention not only by the material of the bumper is defined, but also by the ultrasonic transducer or by its structural design, that is, the plate shape of the front side of the front body.
  • the plate shape may have a widthwise dimension greater than a heightwise direction or the height direction, with a preferred height of the plate-shaped end side being between 0.1 mm and 30 mm, and a preferred width of the plate-shaped end side being between 0.5 mm and 0.5 mm 30mm is.
  • this changes the structural characteristics of the bumper this undesirably affects the resonant frequency of the structure.
  • the oscillation behavior of the environmental sensing device according to the invention can be advantageously influenced by the plate of the resonance body.
  • the measure of influence is of the
  • Rigidity ratio of outer skin to front body plate dependent If the ratio is small, the temperature influence by the material of the outer skin is low.
  • the thickness ratio must be chosen so that the influence of the outer skin is sufficiently low.
  • the bumper of the motor vehicle in the area in which the environment sensing device is to be installed designed correspondingly thinner than elsewhere.
  • Such local dilutions can be incorporated both by subsequent machining, for example by milling, or even in the manufacturing process, for example in injection molding.
  • the cross section corresponds to the plate-shaped end face of the front body of a corresponding
  • a selected geometric shape for example: a circular shape, whereby the plate-shaped end face of the front body generally assumes a disk shape;
  • a rectangular shape in particular a square shape or the shape of a rectangle with rounded corners, in particular with different dimensions for different directional characteristics in the horizontal and / or vertical direction; or
  • the environment sensing device of the invention may further be configured such that the transducer element and the resonance body are arranged biased by pressure by at least one tensioning element, preferably in the order rear body,
  • a clamping element can be a screw or the like.
  • Such a design of the ultrasonic transducer is particularly used in power ultrasound, since there high mechanical stresses on the
  • piezoceramic transducer element can act.
  • the arrangement is biased by, for example, a screw on pressure, so that the ultrasonic transducer can be subjected to more stress.
  • the transducer element and the resonance body are coupled together by a press fit or by gluing.
  • the choice of coupling can be determined by the expected field of application, for example by specifying the shake resistance of the arrangement.
  • the adhesion or the clamping contact also additional damping mechanisms can be provided.
  • a resonator manufactured in this way is particularly suitable for all vehicles or moving machines which generally use environmental sensing.
  • the invention can be used in particular in those environmental sensors which, for example, in the front and / or rear bumper of a vehicle for the purpose of parking assistance and / or collision avoidance are provided.
  • ultrasonic transducers are used which can both emit ultrasonic waves and receive ultrasonic waves. But it can also be provided, the
  • a motor vehicle having a bumper, side mirror or door section and a surrounding sensing device as described above, wherein the membrane of the surrounding sensing device is formed by an outer skin of the bumper, the side mirror or the door section, and wherein the ultrasonic transducer, that is, the transducer element and the resonance body , hidden behind the outer skin are arranged.
  • the environment-sensing device can in one
  • Ultrasonic system to be installed which comprises a group of Ultraschallensiinditch, wherein at least one, preferably all Ultraschallensiinditch the previously described features of the environment sensing device comprise.
  • the ultrasound system can be set up, for example, to detect a sub-environment of the motor vehicle.
  • the front-side ultrasonic sensors may detect a vehicle front-end environment and / or the vehicle
  • Ultrasonic sensors in the side area for detecting a side area of the vehicle and / or the ultrasonic sensor devices in the rear area for detecting a rear environment of the vehicle are each assigned to such an ultrasound system. Typically, this will be four to six
  • Ultraschallensiichtonne mounted in a bumper with only a maximum of four Ultraschallensiindonne are mounted with approximately the same direction of view.
  • ultrasonic sensors are also positioned in the front bumper so that they have their detection area to the left and to the right.
  • ultrasonic sensors may also be positioned in the rear bumper so that they detect 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 signal processing device.
  • both ultrasonic sensors used laterally in the front and rear bumpers can be used, as well as those
  • Ultrasonic sensors which are installed in a side mirror or in a door section.
  • the present invention at least in the course of a preferred embodiment of the environmental sensing device according to the invention, further allows a
  • damping components can be avoided, whereby the assembly of the environment sensing device can be simplified by means of the integration of the damping in the components of the resonator, savings of additional vibration damping components are achieved, space for the
  • Inventive environment sensing device can be reduced, and a
  • Fig. 1 is a longitudinal section of a basic structure of a first preferred
  • Fig. 2 is a longitudinal section of a basic structure of a second preferred
  • Fig. 3 is a longitudinal section of a basic structure of a third preferred
  • Embodiment of the environment sensing device according to the invention is a longitudinal section of a basic structure of an ultrasonic transducer according to the prior art.
  • Preferred embodiments of the invention are described in detail below.
  • Fig. 1 shows an environment sensing device 1 according to a first preferred
  • Embodiment of the invention in lateral cross-sectional view in a non-activated state.
  • the environment sensing device 1 comprises an ultrasonic transducer 1 1 and a membrane 12, wherein the ultrasonic transducer 1 1 of a compound of a
  • the front body 1 1 1, the transducer element 1 12 and the rear body 1 13 may alternatively assume a different shape than a cylindrical shape, such as the shape of a cuboid or the like.
  • the front body 1 1 1 is coupled to the membrane 12 with a front side facing the membrane 12. This means that in the illustrated embodiment, the end face forms a contact surface to the membrane 12.
  • the coupling between the front body 1 1 1 and the membrane 12 can be made directly and indirectly, which is referred to with an indirect contact, that between the end face and the membrane 12 at least one layer of another material is arranged, for example, a liquid layer such as oil or Gel to improve the acoustic coupling.
  • a mechanical coupling may be present between the end face and the membrane 12, for example by screwing or jamming the front body 1 1 1 in the membrane 12, or the front body 1 1 1 may also be glued to the membrane 12.
  • the resonator 1 1 1, 1 13 may be constructed in this embodiment of a front body 1 1 1 of a polymer-filled metal foam and a comparable back body 1 13.
  • a Practical embodiment shows a glass fiber filled epoxy as a material for both the front body and the back body. This allows the properties of the
  • Converter such as damping, resonance frequency and sensitivity, as desired.
  • Fig. 2 is an environment sensing device 2 according to a second preferred
  • Embodiment of the invention shown in side sectional view in a non-activated state.
  • the environment sensing device 2 comprises an ultrasonic transducer 21 and a diaphragm 22, the ultrasonic transducer 21 consisting of a combination of a front body 21 1, a transducer element 212 and a rear body 213, in this order.
  • the front body 21 1 is connected to the diaphragm 22 facing end face 21 1 1, also called end portion 21 1 1 or end portion 21 1 1, coupled to the membrane 22. This means that in the illustrated embodiment, the end face 21 1 1 forms a contact surface to the membrane 22.
  • the coupling between the front body 21 1 and the membrane 22 can take place indirectly and directly, wherein an indirect contact means that between the end face 21 1 1 and the membrane 22 at least one layer of another material is arranged, for example, a liquid layer such as Oil or gel to improve the acoustic coupling.
  • an indirect contact means that between the end face 21 1 1 and the membrane 22 at least one layer of another material is arranged, for example, a liquid layer such as Oil or gel to improve the acoustic coupling.
  • Between the end face 21 1 1 and the membrane 22 may alternatively be a mechanical coupling, for example by a screw or a jamming of the front body 21 1 in the membrane 22, or the front body 21 1 may also be glued to the membrane 22.
  • the membrane 22 is formed thinner in this embodiment in a contact area between the end face 21 1 1 and membrane 22 as outside the contact area, so that the
  • Front body 21 1 in the contact area in a recess 221 in the membrane 22 is at least partially sunk.
  • the front body 21 1 is in the second preferred embodiment, as seen in Figure 2, formed in section in a double-T-shape, wherein the end face 21 1 1 of the front body 21 1 is plate-shaped, that is as a plate or plate-like is trained.
  • a diameter of the cross section of the end face 21 1 1 is greater than the cross section of a central portion 21 12 of the front body 21 1 and approximately the same size as the cross section of a back 21 13 of the front body 21, wherein each between the front side 21 1 1 and middle part 21 12 and between the middle part 21 12 and rear 21 13 of the front body 21 1 a paragraph is provided so that the double-T shape of the front body 21 1 comes about.
  • the entire ultrasonic transducer 21 is rotationally symmetrical in this embodiment, which means that both the cross section of
  • Front body 21 1, the cross section of the transducer element 212 and the cross section of the rear body 213 form a circular shape.
  • the cross section of one of these components or all of these components may also have an ellipse shape, a rectangular shape, in particular a square shape or the shape of a rectangle with rounded corners, or a combination of the aforementioned geometric shapes.
  • the end face 21 1 1 or end portion 21 1 1 of the front body 21 1 also has a circular shape, whereby the end face 21 1 1 of the front body 21 1 takes the form of a disc in this embodiment.
  • the recess 221 of the membrane 22 corresponds to the cross-sectional shape of the end face 21 1 1 of the front body 21 1.
  • Front body 21 1 be composed of a polymer-filled honeycomb structure and a back body 213 of a polymer material filled with ceramic particles.
  • honeycomb may be formed of a metal, such as aluminum, and filled with a polymer, such as epoxy. Since the vibration damping at the transition from the metal to the polymer is particularly large, it is preferable to have arrangements which, based on the volume of the total body, have a large total area of this transitional surface.
  • FIG. 3 an environment sensing device 3 according to a third preferred embodiment of the invention in side sectional view in a non-activated state is shown.
  • the environmental sensing device 3 comprises an ultrasonic transducer 31 and a
  • the ultrasonic transducer 31 consists of a compound of a front body 31 1, a transducer element 312 and a rear body 313.
  • the front body 31 1 is coupled to the diaphragm 32 facing end face 31 1 1 with the membrane 32.
  • the membrane 32 is made thinner than in a contact area between the end face 31 1 1 and the membrane 32
  • the front body 31 1 is formed in the third preferred embodiment in section in a basic double T-shape, wherein the end face 31 1 1 of the front body 31 1 is plate-shaped.
  • Ultrasonic transducer 31 has in principle the same structure as the ultrasonic transducer 21st the second preferred embodiment, wherein the diameter of the cross section of the end face 31 1 1 is greater than the cross section of a central portion 31 12 of the front body 31 1 and approximately the same size as the cross section of a back 31 13 of the front body 31, and wherein in each case between the end face 31st 1 1 and middle part 31 12 and between the middle part 31 12 and back 31 13 of the front body 31 1 a paragraph is provided, so that a double T-shape of the front body 31 1 is formed.
  • Front body 31 1 made of aluminum with admixed damping-enhancing materials, such as gel-filled balls, and constructed of a back body 313 of a polypropylene with embedded glass fibers.
  • Damping property of the environment sensing device 3 still reinforce, are in this preferred embodiment further between the end face 31 1 1 and the back 31 13 of the front body 31 1, ie at the central portion 31 12 projections in the form of ribs 31 14 or in the form of a protruding rib structure 31st 14 provided.
  • the rib structure 31 14 is by a damping mechanism 4 within a
  • the damping material container 41 is fixed to the membrane 32, for example by gluing, so that the recess 321 of the membrane 32 is completely enclosed together with the ultrasonic transducer 31.
  • the end face 31 1 1 or end portion 31 1 1 of the front body 31 1 has a circular shape, whereby the end face 31 1 1 of the front body 31 1 takes the form of a disc in this preferred embodiment.
  • the recess 321 of the membrane 32 corresponds to the cross-sectional shape of the end face 31 1 1 of the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Umfeldsensiereinrichtung mit einem Ultraschallwandler, der zumindest ein Wandlerelement und zumindest einen Resonanzkörper aufweist, und einer Membran zur Schallübertragung, wobei die Umfeldsensiereinrichtung eingerichtet ist, um Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen. Der Resonanzkörper hat einen Vorderkörper und einen Rückkörper und ist an einer Stirnseite des Vorderkörpers mit der Membran gekoppelt, wobei der Vorderkörper und/oder der Rückkörper des Resonanzkörpers aus zumindest einem Verbundwerkstoff bestehen. Des Weiteren offenbart die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und zumindest einer derartigen Umfeldsensiereinrichtung, wobei die Membran der Umfeldsensiereinrichtung durch eine Außenhaut des Stoßfängers, des Seitenspiegels oder des Türabschnitts ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.

Description

Beschreibung Umfeldsensiereinrichtung mit Ultraschallwandler, und Kraftfahrzeug mit einer derartigen Umfeldsensiereinrichtung
Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Umfeldsensiereinrichtung zur ultraschallbasierten
Umfeldsensierung unter Einsatz eines Schallwandlers, wie sie unter anderem im
Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen sowie bewegten oder stehenden Maschinen
(beispielsweise Roboter, Landmaschinen oder Baumaschinen) zum Einsatz kommt, so zum Beispiel als Umfelderfassungshilfsmittel für ein entsprechendes Einparkassistenzsystem. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, bei dem zumindest eine derartige
Umfeldsensiereinrichtung an einem Stoßfänger, einem Seitenspiegel oder einem
Türabschnitt des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
In letzter Zeit werden bei Kraftfahrzeugen auf diesem technischen Gebiet in der Regel Umfeldsensoren auf Ultraschallbasis verwendet, bei denen häufig piezobasierte
Schallwandler zum Einsatz kommen. 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. Um ausreichende Sendestärken und hohe
Empfangsempfindlichkeiten zu erzielen, handelt es sich bei diesen Schallwandlern überwiegend um resonante Schwinger, die aus Festkörpern und einem oder mehreren Piezoelementen bestehen. Als ein generelles Beispiel für einen derartigen resonanten Schwinger sind unter anderem als Dickenschwinger bezeichnete piezobasierte
Ultraschallwandler als Stand der Technik bekannt. Ein prinzipieller Aufbau einer bekannten Umfeldsensiereinrichtung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei der Dickenschwinger 91 der
Umfeldsensiereinrichtung 9 an einer Außenhaut 92 eines Kraftfahrzeugstoßfängers (nicht gezeigt) angeordnet ist und ein flaches Piezoelement 912 als Ultraschallwandlerelement aufweist, das in einem Festkörper, einem sogenannten Resonanzkörper eingebettet ist, das heißt zwischen einem Vorderkörper 91 1 des Resonanzkörpers und einem Rückkörper 913 des Resonanzkörpers angeordnet und mit diesen gekoppelt ist.
Ein spezifisches Beispiel für einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug kann der DE 10 2007 046 031 A1 entnommen werden. Der darin beschriebene Ultraschallsensor ist mit einer akustischen Abstimmschicht ausgebildet, die an ein Schwingungselement gekoppelt ist. Das Schwingungselement erzeugt Ultraschallwellen, die in die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben werden, und die akustische Abstimmschicht wird durch rückgeworfene
Ultraschallwellen deformiert, so dass das piezoelektrische Schwingungselement durch die Deformation in Resonanz versetzt wird. Der Ultraschallsensor ist hier auf einer Stoßstange beziehungsweise einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs montiert, so zum Beispiel in einem Loch in dem Stoßfänger, wobei eine Empfangsoberfläche des Ultraschallwandlers zur Umgebung des Kraftfahrzeugs hin freiliegt. Ein Nachteil des bekannten Stands der Technik auf dem Gebiet der Ultraschallwandler ist darin zu finden, dass diese in der Regel keine oder nur eine aufwendige äußere Dämpfung des Schwingungsverhaltens bieten, was üblicherweise zu erhöhtem Montageaufwand und zusätzlich benötigtem Bauraum führt. Eine derartige Dämpfung ist jedoch überaus vorteilhaft für das Schwingungsverhalten der Ultraschallwandler, um ein für die Umfeldsensierung adäquates Ein- und Ausschwingverhalten zu erreichen, und sollte in jedem Fall vorgesehen werden, jedoch ohne strukturelle oder konstruktive Nachteile mit sich zu bringen.
Offenbarung der Erfindung Eine Umfeldsensiereinnchtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Lösung für die vorhergehend diskutierten Probleme bietet, hat einen Ultraschallwandler, der zumindest ein Wandlerelement und zumindest einen Resonanzkörper aufweist, und eine Membran zur Schallübertragung, wobei die Umfeldsensiereinnchtung eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen. Der Resonanzkörper weist dabei einen Vorderkörper und einen Rückkörper auf und ist an einer Stirnseite des Vorderkörpers, also an einem zur
Membran hin zugewandten Abschnitt des Vorderkörpers, mit der Membran gekoppelt, wobei der Vorderkörper und/oder der Rückkörper des Resonanzkörpers aus zumindest einem Verbundwerkstoff, auch Kompositwerkstoff oder Composite-Material genannt, als
Dämpfungsmechanismus besteht. Der Vorderkörper und der Rückkörper des Resonanzkörpers, auch Schwingkörper genannt, können dabei aus unterschiedlichen Kompositwerkstoffen gefertigt sein, so zum Beispiel auf Basis eines Metall Werkstoffs, auf Basis eines Keramikwerkstoffs oder auf Basis eines Kunststoffwerkstoffs, oder einer Kombination aus diesen. Die vom Wandlerelement zur Umfeldsensierung ausgesendete akustische Welle verlässt die Umfeldsensieranordnung bevorzugt in Richtung der Stirnseite des Vorderkörpers, auch als Vordermasse bezeichnet, wobei rückwärtige Strahlung im besten Fall vollständig unterdrückt wird. Dazu dient der Rückkörper, auch als Rückmasse bezeichnet, zur Dämpfung der Schwingung gegenüber dem Bereich, in welchem keine Abstrahlung gewünscht ist.
Der Begriff des Wandlerelements ist weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrischakustische 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
Umfeldsensiereinrichtung als eine piezoelektrische Umfeldsensiereinrichtung oder als Umfeldsensiereinrichtung auf Piezobasis verstanden werden.
Die sogenannte Membran der Umfeldsensiereinrichtung ist beispielsweise durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet, wobei das Wandlerelement oder die Wandlerelemente und der oder die
Resonanzkörper versteckt hinter dieser Außenhaut angeordnet sind. Durch die Kopplung mit dem Ultraschallwandler bildet die Membran eine Resonanzmembran der
Umfeldsensiereinrichtung. Bevorzugt wird die Membran aus einer dünnen Materialschicht gebildet, die beispielsweise aus einem für die Außenhaut eines Kraftfahrzeugs üblichen Polymermaterial gefertigt ist. Bevorzugt weist die Membran eine Dicke zwischen 0,1 mm und 4mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm auf. Die Kopplung des Resonanzkörpers an der Stirnseite mit der Membran kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen, in jedem Fall aber so, dass eine akustische Kopplung in ausreichendem Maße ermöglicht ist, also dass akustische Strahlungsmuster übertragen werden können. Die unmittelbare Kopplung kann beispielsweise durch einen Presssitz, Klemmsitz, wie etwa durch Einschrauben, oder auch durch eine Klebung bewerkstelligt sein. Eine mittelbare Kopplung kann bedeuten, dass eine weitere Materialschicht zwischen dem Resonanzkörper und der Membran vorgesehen ist, beispielsweise eine Flüssigkeit, wie ein Gel oder ein Öl. Diese weitere Materialschicht kann insbesondere dazu vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zwischen dem
Ultraschallwandler und der Membran zu optimieren. Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegeben
Einrichtung möglich.
Gemäß der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung wird eine Integration einer Dämpfung in den Resonanzkörper durch Verwenden von sogenannten Kompositwerkstoffen erreicht. Der Resonanzkörper kann dabei mittels verschiedener Herstellungsmethoden zu einem derartigen Kompositwerkstoffkörper oder einem Verbund derartiger
Kompositwerkstoffkörper gemacht werden, unter anderem durch folgende Methoden:
- Sintern von Metallen, Keramiken, Kunststoffen, oder anderen geeigneten Materialien, gegebenenfalls unter Zumischung dämpfungssteigender anderer Materialien;
Fertigung aus Metallschäumen mit luftgefüllten Hohlräumen oder mit Hohlräumen, die mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen gefüllt sind;
Fertigung unter Vorsehen einer Wabenstruktur, gegebenenfalls mit Auffüllen der Hohlräume mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen;
Fertigung aus zumindest einem Metallgeflecht in voluminöser Form, gegebenenfalls gefüllt mit Polymermaterial, Epoxidharz oder dergleichen, wobei die Füllung formgebend sein kann;
Fertigung aus einem Polymermaterial, das mit Metallteilen, Keramikteilen oder dergleichen gefüllt ist; oder
Fertigung unter Vorsehen von Kanälen oder größeren Hohlräumen, wobei die Kanäle oder Hohlräume mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen gefüllt sind.
Dabei kann nur der Vorderkörper oder nur der Rückkörper durch eine der vorherstehenden Herstellungsmethoden gefertigt sein. Alternativ dazu kann sowohl der Vorderkörper als auch der Rückkörper durch eine der vorherstehenden Herstellungsmethoden gefertigt sein. Ferner können verschiedene Herstellungsmethoden bei Vorderkörper und Rückkörper verwendet werden. Es können aber auch verschiedene Herstellungsmethoden in einem von dem Vorderkörper und dem Rückkörper oder in sowohl in dem Vorderkörper als auch in dem Rückkörper zum Einsatz kommen. Bei der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung ist es weiter vorteilhaft, dass diese zusätzlich einen weiteren Dämpfungsmechanismus zum Dämpfen der Schwingung des Resonanzkörpers aufweist. Die ausreichende Dämpfung des mechanischen
Resonanzsystems ist erforderlich, um ein für die Umfeldsensierung adäquates Ein- und Ausschwingverhalten zu erreichen, Bauteiltoleranzen auszugleichen und das
Zusammenwirken mehrerer Einzelwandler zu gewährleisten. So kann in einer Ausführung der Dämpfungsmechanismus durch Vorsprünge an Vorderkörper und/oder Rückkörper ausgebildet sein, die in einem schwingungsdämpfenden Material gelagert sind,
vorzugsweise ein Material auf Silikonbasis, wie zum Beispiel ein Silikonschaum oder dergleichen. Hier kann unter anderem ein poriger Silikonschaum zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel der im Handel erhältliche Silikonschaum Fermasil. Wird nun beispielsweise der Vorderkörper mit Rippen oder anderen hervorstehenden Geometrien, wie zum Beispiel Noppen oder Flügel oder dergleichen, versehen, so wird bei einer eventuell immer noch vorhandenen Schwingung des Ultraschallwandlers und demnach einer Schwingung des Resonanzkörpers das Dämpfungsmaterial gestaucht und die Schwingung des Vorderkörpers durch das schwingungsdämpfende Material weiter gedämpft. Derartige Rippen oder alternative vorstehende Geometrien können auch an dem Rückkörper angebracht werden. Weiter vorzugsweise sind die mit Rippen oder anderen hervorstehenden Geometrien versehenen Teile des Resonanzkörpers mit dem schwingungsdämpfenden Material umgössen.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung ist die mit der Membran gekoppelte Stirnseite des Vorderkörpers plattenförmig ausgebildet. Die Plattenform kann eine Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen, die größer ist als eine Ausdehnung in Höhenrichtung oder der Höhenrichtung entspricht, wobei eine bevorzugte Höhe der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,1 mm und 30mm liegt, und eine bevorzugte Breite der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,5mm und 30mm liegt. Ferner kann der Resonanzkörper zwischen seiner plattenförmigen Stirnseite und dem Wandlerelement zumindest teilweise eine Breitendimension auf, die geringer als die Breitendimension der Stirnseite ist. Demnach ist ein Absatz beziehungsweise eine Stufe zwischen der
plattenförmigen Stirnseite und dem Rest des Vorderkörpers, also der Vorderkörper ohne die Stirnseite, vorgesehen. Der Begriff„plattenformige Stirnseite" bezeichnet hier einen Teil oder Abschnitt des Vorderkörpers, der direkt an dessen der Membran zugewandten Seite angeordnet ist und der in Form einer Platte vorliegt, das heißt dessen Dimension in der Breite, auch Breitendimension genannt, größer als dessen Dimension in der Höhe ist, auch Höhendimension genannt. Vorzugsweise hat der Resonanzkörper dabei einen Doppel-T- förmigen Längsschnitt, auch hanteiförmiger Längsschnitt genannt, oder alternativ dazu einen T-förmigen Längsschnitt oder einen Längsschnitt in Form eines Dreiecks, das an seiner stirnseitigen Spitze in die Plattenform übergeht. Dadurch kann erreicht werden, dass die Biegesteifigkeit der Membran, wie zum Beispiel im Falle der Außenhaut eines Kfz-
Stoßfängers als erfindungsgemäße Membran, nicht nur durch das Material des Stoßfängers definiert wird, sondern auch durch den Ultraschallwandler beziehungsweise durch dessen konstruktiven Aufbau, das heißt die Plattenform der Stirnseite des Vorderkörpers. Die Plattenform kann eine Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen, die größer ist als eine Ausdehnung in Höhenrichtung oder der Höhenrichtung entspricht, wobei eine bevorzugte Höhe der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,1 mm und 30mm liegt, und eine bevorzugte Breite der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,5mm und 30mm liegt. Verändern sich dadurch jedoch die strukturellen Eigenschaften des Stoßfängers, beeinflusst dies auf unerwünschte Weise die Resonanzfrequenz des Aufbaus. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Resonanzfrequenzbeeinflussung wie vorhergehend beschrieben konstruktiv zu verringern, wie es beispielsweise durch Ausführung des Vorderkörpers im Bereich des Stoßfängers als Platte erreicht werden kann. Auf diese Weise kann das Schwingverhalten der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung durch die Platte des Resonanzkörpers vorteilhaft beeinflusst werden. Das Maß der Beeinflussung ist dabei von dem
Steifigkeitsverhältnis von Außenhaut zu Vorderkörperplatte abhängig. Ist das Verhältnis klein, so ist die Temperaturbeeinflussung durch das Material der Außenhaut gering. Das Dickenverhältnis muss so gewählt werden, dass der Einfluss der Außenhaut ausreichend gering ausfällt. Sofern die Dicke der Außenhaut nicht den vorhergehend beschriebenen, für die akustische Übertragung bevorzugten Dicken entspricht, kann vorgesehen sein, dass der Stoßfänger des Kraftfahrzeugs in dem Bereich, in welchem die Umfeldsensiereinrichtung verbaut werden soll, entsprechend dünner ausgestaltet ist als an anderer Stelle. Derartige lokale Verdünnungen können sowohl durch nachträgliche maschinelle Bearbeitung eingearbeitet werden, beispielsweise durch Ausfräsen, oder schon im Herstellungsprozess, beispielsweise beim Spritzgießen.
Ferner kann die Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung durch die Wahl der Geometrie des Querschnitts der
plattenförmigen Stirnseite beeinflusst werden, die im Kontakt mit der Stoßfängeraußenhaut steht. Im Prinzip kann jede Geometrie gewählt werden. Vorzugsweise entspricht der Querschnitt der plattenförmigen Stirnseite des Vorderkörpers einer entsprechend
ausgewählten geometrischen Form, so zum Beispiel: einer Kreisform, wodurch die plattenförmige Stirnseite des Vorderkörpers generell eine Scheibenform annimmt;
einer Ellipsenform, insbesondere mit unterschiedlichen Achslängen für
unterschiedliche Richtcharakteristiken in horizontaler und/oder vertikaler Richtung; - einer Rechteckform, insbesondere einer Quadratform oder der Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, insbesondere mit unterschiedlichen Abmessungen für unterschiedliche Richtcharakteristiken in horizontaler und/oder vertikaler Richtung; oder
einer Kombination aus den vorhergehend genannten geometrischen Formen.
Die Umfeldsensiereinrichtung der Erfindung kann ferner derart ausgebildet sein, dass das Wandlerelement und der Resonanzkörper durch zumindest ein Spannelement auf Druck vorgespannt angeordnet sind, vorzugsweise in der Reihenfolge Rückkörper,
Wandlerelement, Vorderkörper. Ein Spannelement kann dabei eine Schraube oder dergleichen sein. Eine derartige Gestaltung des Ultraschallwandlers wird besonders im Leistungsultraschall verwendet, da dort hohe mechanische Spannungen auf das
piezokeramische Wandlerelement wirken können. Da aber besonders Zugspannungen zu Schädigungen der Piezokeramik führen können, ist die Anordnung durch beispielweise eine Schraube auf Druck vorgespannt, so dass der Ultraschallwandler stärker beansprucht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind das Wandlerelement und der Resonanzkörper durch einen Presssitz oder durch eine Klebung miteinander gekoppelt. Die Wahl der Kopplung kann durch das voraussichtliche Einsatzgebiet bestimmt sein, beispielsweise durch Vorgaben der Schüttelfestigkeit der Anordnung. Ferner können zusätzlich an den Verbindungsstellen zwischen der Membran und dem Vorderkörper, dem Vorderkörper und dem Piezoelement, und/oder dem Piezoelement und dem Rückkörper in beispielsweise der Klebung oder dem Klemmkontakt ebenfalls zusätzliche Dämpfungsmechanismen vorgesehen sein.
Ein derartig hergestellter Resonanzkörper ist besonders geeignet für alle Fahrzeuge oder bewegte Maschinen, die generell eine Umfeldsensierung einsetzen. Die Erfindung kann insbesondere bei solchen Umfeldsensoren eingesetzt werden, welche beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger eines Fahrzeugs zum Zwecke der Parkassistenz und/oder Kollisionsvermeidung vorgesehen sind. 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 ist dies der Fall bei den fahrzeugtechnikbezogenen Gebieten Antriebselektronik und
Betriebselektronik, auch AE-BE genannt, im Bereich der Robotik, insbesondere für
Transportroboter in der Fertigung, in Krankenhäusern, in Pflegeheimen, in Logistikbereichen, etc., sowie bei der Herstellung von Land- und Baumaschinen. Ferner ist gemäß der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und einer vorhergehend beschriebenen Umfeldsensiereinrichtung vorgesehen, wobei die Membran der Umfeldsensiereinrichtung durch eine Außenhaut des Stoßfängers, des Seitenspiegels oder des Türabschnitts ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler, also das Wandlerelement und der Resonanzkörper, versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind. Insbesondere kann dabei die Umfeldsensiereinrichtung in einem
Ultraschallsystem verbaut sein, welches eine Gruppe von Ultraschallsensiereinnchtungen umfasst, wobei zumindest eine, bevorzugt alle Ultraschallsensiereinnchtungen die vorhergehend beschriebenen Merkmale der Umfeldsensiereinrichtung umfassen. Das Ultraschallsystem kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Teilumgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise können die Ultraschallsensiereinnchtungen im Frontbereich zur Erfassung einer vorderseitigen Fahrzeugumgebung und/oder die
Ultraschallsensiereinnchtungen im Seitenbereich zur Erfassung eines Seitenbereichs des Fahrzeugs und/oder die Ultraschallsensiereinnchtungen im Heckbereich zur Erfassung einer rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs jeweils einem derartigen Ultraschallsystem zugeordnet sein. Typischerweise werden hierbei vier bis sechs
Ultraschallsensiereinnchtungen in einem Stoßfänger verbaut, wobei nur maximal vier Ultraschallsensiereinnchtungen mit ungefähr derselben Blickrichtung montiert sind. Um insbesondere auch den Bereich neben dem Fahrzeug zu erfassen, werden im vorderen Stoßfänger außerdem Ultraschallsensiereinnchtungen so positioniert, dass sie nach links und nach rechts ihren Erfassungsbereich haben. Zusätzlich oder alternativ können auch im hinteren Stoßfänger Ultraschallsensiereinnchtungen 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 Ultraschallsensiereinrichtungen verwendet werden, als auch solche
Ultraschallsensiereinrichtungen, die in einem Seitenspiegel oder in einem Türabschnitt verbaut sind.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, zumindest im Zuge einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung, ermöglicht es weiterhin, eine
Schwingungsdämpfung in die Elemente des Resonanzkörpers durch Verwendung von Kompositwerkstoffkörpern zu integrieren. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen
beziehungsweise separat vorgesehene Dämpfungsbauteile können dabei vermieden werden, wodurch mittels der Integration der Dämpfung in die Bauteile des Resonanzkörpers die Montage der Umfeldsensiereinrichtung vereinfacht werden kann, Einsparungen zusätzlicher schwingungsdämpfender Bauteile erzielt werden, Bauraum für die
erfindungsgemäße Umfeldsensiereinrichtung verringert werden kann, und eine
unerwünschte Schwingungseinleitung in benachbarte Strukturen verhindert werden kann, da aufgrund der Vermeidung zusätzlicher Dämpfungsmaterialien, die um den Resonanzkörper umgössen sind, keine Verbindung zum Gehäuse herstellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung;
Fig. 2 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung;
Fig. 3 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer dritten bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung; und Fig. 4 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus eines Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Umfeldsensiereinrichtung 1 gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Querschnittsansicht in einem nicht aktivierten Zustand. Die Umfeldsensiereinrichtung 1 umfasst einen Ultraschallwandler 1 1 und eine Membran 12, wobei der Ultraschallwandler 1 1 aus einer Verbindung aus einem
zylinderförmigen Vorderkörper 1 1 1 , einem zylinderförmigen Wandlerelement 1 12 und einem zylinderförmigen Rückkörper 1 13, in dieser Reihenfolge, besteht. Der Vorderkörper 1 1 1 , das Wandlerelement 1 12 und der Rückkörper 1 13 können alternativ auch eine andere Gestalt als eine Zylinderform annehmen, wie beispielsweise die Form eines Quaders oder dergleichen. Der Vorderkörper 1 1 1 ist mit einer der Membran 12 zugewandten Stirnseite mit der Membran 12 gekoppelt. Das bedeutet, dass in der dargestellten Ausführungsform die Stirnseite eine Kontaktfläche zur Membran 12 bildet. Die Kopplung zwischen dem Vorderkörper 1 1 1 und der Membran 12 kann mittelbar und unmittelbar erfolgen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der Stirnseite und der Membran 12 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist, beispielsweise eine Flüssigkeitsschicht wie etwa Öl oder Gel, um die akustische Kopplung zu verbessern. Zwischen der Stirnseite und der Membran 12 kann alternativ dazu eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Vorderkörpers 1 1 1 in der Membran 12, oder der Vorderkörper 1 1 1 kann auch an die Membran 12 geklebt sein. Um eine
Dämpfung des Ultraschallwandlers 1 1 zu erreichen, besteht der Resonanzkörper aus
Kompositwerkstoff oder einer Vielzahl von Kompositwerkstoffen. So kann beispielsweise der Resonanzkörper 1 1 1 , 1 13 bei dieser Ausführungsform aus einem Vorderkörper 1 1 1 aus einem polymergefüllten Metallschaum und aus einem vergleichbaren Rückkörper 1 13 aufgebaut sein. Vorzuziehen sind hierbei Füllungen, die die Eigenschaften des Vorder- oder Rückkörpers positiv beeinflussen. Dazu gehören vor allem steifigkeitserhöhende und dichtereduzierende Maßnahmen. Diese sind beispielsweise durch Faserkunststoffverbunde zu erreichen, bei denen Polymere, wie zum Beispiel Epoxidharz, oder Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, mit Glas- oder Kohlefasern vermengt werden. Außerdem sind Einlagen bzw. Einlagerungen von Hohlkugeln oder anderen Partikeln denkbar. Um die Eigenschaften weiter zu beeinflussen, sind auch andere Füllstoffe und Kombinationen möglich. Eine praxisnahe Ausführungsform zeigt ein glasfasergefülltes Epoxidharz als Material für sowohl den Vorderkörper als auch den Rückkörper. Dadurch können die Eigenschaften des
Wandlers, wie Dämpfung, Resonanzfrequenz und die Sensitivität, wie gewünscht gestaltet werden.
In Fig. 2 ist eine Umfeldsensiereinrichtung 2 gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht in einem nicht aktivierten Zustand gezeigt. Die Umfeldsensiereinrichtung 2 umfasst einen Ultraschallwandler 21 und eine Membran 22, wobei der Ultraschallwandler 21 aus einer Verbindung aus einem Vorderkörper 21 1 , einem Wandlerelement 212 und einem Rückkörper 213, in dieser Reihenfolge, besteht. Der Vorderkörper 21 1 ist mit einer der Membran 22 zugewandten Stirnseite 21 1 1 , auch Stirnabschnitt 21 1 1 oder Stirnbereich 21 1 1 genannt, mit der Membran 22 gekoppelt. Das bedeutet, dass in der dargestellten Ausführungsform die Stirnseite 21 1 1 eine Kontaktfläche zur Membran 22 bildet. Die Kopplung zwischen dem Vorderkörper 21 1 und der Membran 22 kann mittelbar und unmittelbar erfolgen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der Stirnseite 21 1 1 und der Membran 22 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist, beispielsweise eine Flüssigkeitsschicht wie etwa Öl oder Gel, um die akustische Kopplung zu verbessern. Zwischen der Stirnseite 21 1 1 und der Membran 22 kann alternativ dazu eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Vorderkörpers 21 1 in der Membran 22, oder der Vorderkörper 21 1 kann auch an die Membran 22 geklebt sein. Die Membran 22 ist bei dieser Ausführungsform in einem Kontaktbereich zwischen Stirnseite 21 1 1 und Membran 22 dünner ausgebildet als außerhalb des Kontaktbereichs, so dass der
Vorderkörper 21 1 im Kontaktbereich in einer Aussparung 221 in der Membran 22 zumindest teilweise versenkt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Umfeldsensiereinrichtung 2 einerseits ausreichend empfindlich zur Aufnahme von Ultraschallwellen ausgelegt werden kann beziehungsweise ausreichend starke Ultraschallwellen aussenden kann, und andererseits die Membran 22 außerhalb des Kontaktbereichs ausreichend dick gestaltet werden kann. Der Vorderkörper 21 1 ist bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Figur 2 zu sehen ist, im Schnitt in einer Doppel-T-Form ausgebildet, wobei die Stirnseite 21 1 1 des Vorderkörpers 21 1 plattenförmig vorliegt, das heißt als Platte beziehungsweise plattenartig ausgebildet ist. Ein Durchmesser des Querschnitts der Stirnseite 21 1 1 ist größer als der Querschnitt eines Mittelteils 21 12 des Vorderkörpers 21 1 und in etwa gleich groß wie der Querschnitt einer Rückseite 21 13 des Vorderkörpers 21 , wobei jeweils zwischen Stirnseite 21 1 1 und Mittelteil 21 12 sowie zwischen Mittelteil 21 12 und Rückseite 21 13 des Vorderkörpers 21 1 ein Absatz vorgesehen ist, so dass die Doppel-T-Form des Vorderkörpers 21 1 zustande kommt. Ferner ist der gesamte Ultraschallwandler 21 in dieser Ausführung rotationssymmetrisch aufgebaut, was bedeutet dass sowohl der Querschnitt des
Vorderkörpers 21 1 , der Querschnitt des Wandlerelements 212 als auch der Querschnitt des Rückkörpers 213 eine Kreisform ausbilden. Alternativ dazu kann der Querschnitt eines dieser Bauteile oder aller dieser Bauteile auch eine Ellipsenform, eine Rechteckform, insbesondere einer Quadratform oder der Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, oder eine Kombination aus den vorhergehend genannten geometrischen Formen aufweisen. Entsprechend weist die Stirnseite 21 1 1 oder Stirnbereich 21 1 1 des Vorderkörpers 21 1 ebenfalls eine Kreisform auf, wodurch die Stirnseite 21 1 1 des Vorderkörpers 21 1 bei dieser Ausführungsform die Form einer Scheibe einnimmt. Die Aussparung 221 der Membran 22 entspricht dabei der Querschnittsform der Stirnseite 21 1 1 des Vorderkörpers 21 1. So kann beispielsweise der Resonanzkörper 21 1 , 213 bei dieser Ausführungsform aus einem
Vorderkörper 21 1 aus einer polymergefüllten Wabenstruktur und aus einem Rückkörper 213 aus einem mit Keramikteilchen gefüllten Polymerwerkstoff aufgebaut sein. Die
Wabenstruktur kann beispielsweise aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium, gebildet und mit ein Polymer, wie zum Beispiel Epoxid, gefüllt werden. Da die Schwingungsdämpfung am Übergang vom Metall zum Polymer besonders groß ist, sind solche Anordnungen zu bevorzugen, die bezogen auf das Volumen des Gesamtkörpers eine große Gesamtfläche dieser Übergangsfläche besitzen.
Schließlich ist in Fig. 3 eine Umfeldsensiereinrichtung 3 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht in einem nicht aktivierten Zustand gezeigt. Die Umfeldsensiereinrichtung 3 umfasst einen Ultraschallwandler 31 und eine
Membran 32, wobei der Ultraschallwandler 31 aus einer Verbindung aus einem Vorderkörper 31 1 , einem Wandlerelement 312 und einem Rückkörper 313 besteht. Der Vorderkörper 31 1 ist mit einer der Membran 32 zugewandten Stirnseite 31 1 1 mit der Membran 32 gekoppelt. Die Membran 32 ist wie in den vorhergehenden Ausführungsformen in einem Kontaktbereich zwischen Stirnseite 31 1 1 und Membran 32 dünner ausgebildet als außerhalb des
Kontaktbereichs, so dass der Vorderkörper 31 1 im Kontaktbereich in einer Aussparung 321 in der Membran 32 zumindest teilweise versenkt ist. Der Vorderkörper 31 1 ist in der dritten bevorzugten Ausführungsform im Schnitt in einer prinzipiellen Doppel-T-Form ausgebildet, wobei die Stirnseite 31 1 1 des Vorderkörpers 31 1 plattenförmig vorliegt. Der
Ultraschallwandler 31 hat dabei prinzipiell denselben Aufbau wie der Ultraschallwandler 21 der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei der Durchmesser des Querschnitts der Stirnseite 31 1 1 größer als der Querschnitt eines Mittelteils 31 12 des Vorderkörpers 31 1 und in etwa gleich groß wie der Querschnitt einer Rückseite 31 13 des Vorderkörpers 31 ist, und wobei jeweils zwischen Stirnseite 31 1 1 und Mittelteil 31 12 sowie zwischen Mittelteil 31 12 und Rückseite 31 13 des Vorderkörpers 31 1 ein Absatz vorgesehen ist, so dass eine Doppel- T-Form des Vorderkörpers 31 1 entsteht. Um eine Dämpfung durch Kompositwerkstoffe zu erreichen, ist der Resonanzkörper 31 1 , 313 bei dieser Ausführungsform aus einem
Vorderkörper 31 1 aus Aluminium mit zugemischten dämpfungssteigernden Materialien, wie zum Beispiel gelgefüllten Kugeln, und aus einem Rückkörper 313 aus einem Polypropylen mit eingebetteten Glasfasern aufgebaut. Um die dadurch bereitgestellte
Dämpfungseigenschaft der Umfeldsensiereinrichtung 3 noch zu verstärken, sind bei dieser bevorzugten Ausführungsform ferner zwischen der Stirnseite 31 1 1 und der Rückseite 31 13 des Vorderkörpers 31 1 , also an dem Mittelteil 31 12 Vorsprünge in Form von Rippen 31 14 beziehungsweise in Form einer hervorstehenden Rippenstruktur 31 14 vorgesehen. Die Rippenstruktur 31 14 ist durch einen Dämpfungsmechanismus 4 innerhalb eines
Dämpfungsmaterialbehälters 41 von einem Dämpfungsmaterial 42 so umschlossen, dass die Rippen 31 14 und damit der gesamte Vorderkörper 31 1 in dem Dämpfungsmaterial 42 schwingungsdämpfend gelagert ist. Der Dämpfungsmaterialbehälter 41 ist an der Membran 32 befestigt, beispielsweise durch Klebung, so dass die Aussparung 321 der Membran 32 zusammen mit dem Ultraschallwandler 31 vollständig eingeschlossen ist. Wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die Stirnseite 31 1 1 oder Stirnbereich 31 1 1 des Vorderkörpers 31 1 eine Kreisform auf, wodurch die Stirnseite 31 1 1 des Vorderkörpers 31 1 bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Form einer Scheibe einnimmt. Die Aussparung 321 der Membran 32 entspricht dabei der Querschnittsform der Stirnseite 31 1 1 des
Vorderkörpers 31 1.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen 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 . Umfeldsensiereinrichtung (1 ; 2; 3) mit einem Ultraschallwandler (1 1 ; 21 ; 31 ), der zumindest ein Wandlerelement (1 12; 212; 312) und zumindest einen Resonanzkörper (1 1 1 , 1 13; 21 1 , 213; 31 1 , 313) aufweist, und einer Membran (12; 22; 32) zur Schallübertragung, wobei die Umfeldsensiereinrichtung (1 ; 2; 3) eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, wobei der Resonanzkörper (1 1 1 , 1 13; 21 1 , 213; 31 1 , 313) einen Vorderkörper (1 1 1 ; 21 1 ; 31 1 ) und einen Rückkörper (1 13; 213; 313) aufweist und an einer Stirnseite (1 1 1 1 ; 21 1 1 ; 31 1 1 ) des Vorderkörpers (1 1 1 ; 21 1 ; 31 1 ) mit der Membran (12; 22; 32) gekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, dass der Vorderkörper (1 1 1 ; 21 1 ; 31 1 ) und/oder der Rückkörper (1 13; 213; 313) des Resonanzkörpers (1 1 1 , 1 13; 21 1 , 213; 31 1 , 313) aus zumindest einem Verbundwerkstoff als Dämpfungsmechanismus besteht.
2. Umfeldsensiereinrichtung (1 ; 2; 3) nach Anspruch 1 , wobei der Vorderkörper (1 1 1 ; 21 1 ; 31 1 ) und/oder der Rückkörper (1 13; 213; 313) des Resonanzkörpers (1 1 1 , 1 13; 21 1 , 213; 31 1 , 313) hergestellt ist wie folgt:
a) durch Metallsintern, Kunststoffsintern oder Keramiksintern, vorzugsweise unter Zumischung dämpfungssteigender Materialien;
b) aus Metallschaum, wobei die Hohlräume des Metallschaums mit Polymer oder Silikon gefüllt sind;
c) aus einer Wabenstruktur, wobei die Hohlräume der Wabenstruktur mit Polymer oder Silikon gefüllt sind;
d) aus Metallgeflecht, wobei die Hohlräume des Metallgeflechts mit Polymer oder Epoxidharz gefüllt sind;
e) aus Polymer, das mit Metallteilchen oder Keramikteilchen gefüllt ist;
f) aus einem Material, in dem Kanäle vorgesehen sind, wobei die Kanäle mit
Polymer oder Silikon gefüllt sind, oder
g) einer oder mehrerer Kombinationen aus a) bis f).
3. Umfeldsensiereinrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umfeldsensiereinrichtung (3) ferner einen zusätzlichen Dämpfungsmechanismus (4) zum weiteren Dämpfen der Schwingung des Resonanzkörpers (31 1 , 313) aufweist.
4. Umfeldsensiereinrichtung (3) nach Anspruch 3, wobei der Dämpfungsmechanismus (4) durch Vorsprünge an Vorderkörper (31 1 ) und/oder Rückkörper (313) ausgebildet ist, die in einem schwingungsdämpfenden Material (42) gelagert sind, vorzugsweise ein Material auf Silikonbasis.
5. Umfeldsensiereinrichtung (2; 3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mit der Membran (22; 32) gekoppelte Stirnseite (21 1 1 ; 31 1 1 ) des Vorderkörpers (21 1 ; 31 1 ) plattenförmig ausgebildet ist.
6. Umfeldsensiereinrichtung (2; 3) nach Anspruch 5, wobei der Resonanzkörper (21 1 , 213; 31 1 , 313) zwischen seiner plattenformigen Stirnseite (21 1 1 ; 31 1 1 ) und dem Wandlerelement (212; 312) zumindest teilweise eine Breitendimension aufweist, die geringer als die
Breitendimension der Stirnseite (21 1 1 ; 31 1 1 ) ist.
7. Umfeldsensiereinrichtung (2; 3) nach Anspruch 5 oder 6, wobei
der Resonanzkörper (21 1 , 213; 31 1 , 313) einen Doppel-T-förmigen Längsschnitt aufweist, und/oder
der Querschnitt der plattenformigen Stirnseite (21 1 1 ; 31 1 1 ) des Vorderkörpers (21 1 ; 31 1 ) einer geometrischen Form entspricht, die die Richtcharakteristik des
Ultraschallwandlers (21 ; 31 ) beeinflusst, vorzugsweise eine Kreisform, eine Quadratform, eine Ellipsenform, eine Rechteckform, eine Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, oder eine Kombination aus diesen.
8. Umfeldsensiereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wandlerelement und der Resonanzkörper durch zumindest ein Spannelement auf Druck vorgespannt angeordnet sind, vorzugsweise in der Reihenfolge Rückkörper,
Wandlerelement, Vorderkörper.
9. Umfeldsensiereinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Spannelement eine Schraube ist.
10. Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und zumindest einer Umfeldsensiereinrichtung (1 ; 2; 3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Membran (12; 22; 32) der Umfeldsensiereinrichtung (1 ; 2; 3) durch eine Außenhaut (12; 22; 32) des Stoßfängers, des Seitenspiegels oder des Türabschnitts ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler (1 1 ; 21 ; 31 ) versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.
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