EP4565894A1 - Gehäuse für ultraschallwandler mit unterschiedlich geneigten bodenflächen - Google Patents

Gehäuse für ultraschallwandler mit unterschiedlich geneigten bodenflächen

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Publication number
EP4565894A1
EP4565894A1 EP23744720.6A EP23744720A EP4565894A1 EP 4565894 A1 EP4565894 A1 EP 4565894A1 EP 23744720 A EP23744720 A EP 23744720A EP 4565894 A1 EP4565894 A1 EP 4565894A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
modulator
bottom wall
side wall
receptacle
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.)
Pending
Application number
EP23744720.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Haag
Hans-Wilhelm Wehling
Joerg Weyland
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.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren 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 Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP4565894A1 publication Critical patent/EP4565894A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • 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
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/22—Mountings; Casings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2420/00—Indexing codes relating to the type of sensors based on the principle of their operation
    • B60W2420/54—Audio sensitive means, e.g. ultrasound

Definitions

  • the present invention relates to a housing for an ultrasonic transducer for detecting an object in the surroundings of a vehicle, further to an ultrasonic transducer for detecting an object in the surroundings of a vehicle and a vehicle.
  • Ultrasonic transducers for detecting an object in the vicinity of a vehicle are used, for example, for parking systems or the like. Such ultrasonic transducers often work according to the pulse-echo principle, with the same ultrasonic transducer being used as a transmitter and receiver. It is therefore particularly difficult to design the smallest possible "blind zone" in the close range from which no echo signal can be received or reliably detected. The size of this "blind zone" is characterized and determined by a reverberation time of the transducer after the pulse is transmitted.
  • ultrasonic transducers are generally based on the bending transducer principle.
  • a piezo transducer disk is applied to a membrane and operated in a resonance mode.
  • a pronounced directional characteristic and a narrow opening angle are generally desired. This can be achieved, for example, through a special membrane geometry.
  • JP 2001 326987 A discloses a pot-like housing for an ultrasonic transducer, the bottom of which has a central circular disk-shaped thickening. This design partially exhibits low electro-acoustic efficiency, which shortens a detection range of the resulting ultrasonic transducer. Furthermore, can This design can provide a long reverberation time after an ultrasound pulse is emitted, thereby increasing a blind area in a near field.
  • JP 2006 174 003 discloses a rotationally symmetrical cup-shaped housing for an ultrasonic transducer.
  • a bottom portion of the housing has a truncated cone shape, the thickness of which increases inwardly with a constant slope from a side wall to a central plateau for a transducer element.
  • Sharp edges on JP 2006 174 003 may be difficult to produce.
  • fluctuations in radius can show strong interactions with a resonance frequency.
  • the described ultrasonic transducer includes a bottomed circular cylindrical housing and a piezoelectric element provided substantially at a center of a bottom of the housing.
  • the bottom of the casing has a slope portion that gradually becomes thinner from a position where the piezoelectric element is provided toward an inner wall surface of the casing, and a flat portion that extends from an outer edge of the slope portion to the inner wall surface of the casing, while maintaining a thickness of the outer edge of the slope portion.
  • the reverberation time can be extended.
  • the disclosed housing tends to show visible burrs on a body exterior when installed.
  • a directional characteristic may be worse and the opening angle widened.
  • the electro-acoustic efficiency may be reduced.
  • Other housings for ultrasonic transducers are known in the prior art:
  • JP 2005 039 689 A discloses a pot-like housing for an ultrasonic transducer with a flat bottom. On one side, the flat floor is provided with a flat step or several flat steps towards the outside of the floor, so that another thinner or several further thinner floor sections result.
  • the one-sidedness leads to a tilting of an ultrasonic detection cone relative to a longitudinal axis of the housing. The tilting results in the ultrasonic detection cone not being symmetrical to the longitudinal axis. Therefore, the orientation of the sensor must be taken into account during installation.
  • This concept may be unsuitable for a version in which an asymmetrical cable connection is provided and/or identical parts are required for the right and left in a body.
  • the housing of JP 2005 039 689 A is unsuitable for embodiments that require a symmetrical overall sensor structure.
  • JP 2017 225 013 A discloses a circular disk-shaped housing for an ultrasonic transducer with a central oval recess.
  • This oval recess has a flat bottom, which has kidney-shaped depressions with a thinner, flat bottom on the short sides. In the cross section along a longitudinal axis of the oval recess, this results in a stepped progression of the floor thickness with flat steps.
  • DE 10 2008 040905 A1 discloses a pot-like housing for an ultrasonic sensor with a bottom surface and a side wall.
  • An electromechanical transducer element such as a cylindrical disk-shaped piezo element, is glued to an otherwise flat inside of the floor surface.
  • an object of the present invention is to provide an improved ultrasonic transducer and in particular a housing therefor.
  • the focus is on an advantageous compromise between directivity, electro-acoustic efficiency and/or short reverberation time.
  • a housing for an ultrasonic transducer for detecting an object in the surroundings of a vehicle is proposed.
  • the housing has a circumferential side wall and a bottom wall.
  • the surrounding side wall defines a main axis of the housing.
  • the bottom wall has a central receptacle for carrying a transducer element or ultrasound element and at least one modulator area.
  • the modulator area extends in a longitudinal sectional plane, which contains the main axis, radially from the receptacle to a transition of the bottom wall into the side wall.
  • a thickness of the bottom wall decreases radially outwards over the entire modulator area.
  • An inside of the bottom wall has at least two different angles of inclination in the modulator area.
  • the housing implements a compromise in the bottom wall.
  • the housing is characterized by a directional characteristic, which is achieved by means of a large aperture in the longitudinal section plane.
  • the bottom wall is characterized by a high electro-acoustic efficiency, which is achieved by appropriately shaping the modulator area.
  • the proposed housing is suitable for a desirably short reverberation time and is ultimately also robust against fluctuations in manufacturing tolerances.
  • the proposed housing is easy to manufacture due to the proposed bottom wall.
  • a thickness of the bottom wall decreases radially outwards over the entire modulator area.
  • the inside of the bottom wall has at least two different angles of inclination in the modulator area, particularly in the longitudinal section plane.
  • the side wall is preferably closed in the circumferential direction, but variants with a wall that is not continuous in the circumferential direction and/or a wall that is not partially continuous are also possible.
  • the bottom wall has an outside which is preferably perpendicular to the main axis. Variants are also conceivable in which the outside is concave and/or convexly curved and/or frustoconical and/or pointed.
  • the inside of the modulator area runs in a convex curve in the longitudinal section plane. This reduces the tendency to reverberate, i.e. improves it. It is conceivable that the entire modulator area is designed as a convex curve and that a region of the modulator area is designed as a convex curve.
  • convex and concave refer to a viewer in an interior space of the housing.
  • Convex means looking outwards from the inside of the housing, especially rounded. In colloquial terms, “convex” can be viewed as a bulge “outwards”. Functionally, a “convex” section of an inside of the bottom wall corresponds to more internal volume of the housing. “Concave” means looking inwards from the inside of the housing, especially rounded. In colloquial terms, “concave” can be thought of as a bulge “inwards”. Functionally, a “concave” section of an inside of the bottom wall corresponds to less internal volume of the housing.
  • a continuously differentiable course of the inside in the longitudinal section plane can be provided.
  • Examples include a parabolic and/or exponential shape. This allows frequency behavior to be improved. It is foreseeable that the inside is continuously differentiable over the entire modulator area. Furthermore, it is conceivable that the inside is continuously differentiable only over part of the modulator area.
  • an outer edge of the curve and/or parabola lies tangentially to an imaginary truncated cone angle.
  • the modulator area contains several truncated cone sections that have at least two different angles of inclination, a shape for the housing can be manufactured relatively easily. If two adjacent truncated cone sections, in particular radially adjacent truncated cone sections, merge into one another through a convex curve, damping can be improved and reverberation reduced. However, it is also conceivable that two adjacent truncated cone sections, in particular radially adjacent truncated cone sections, merge into one another through an edge, so that a natural frequency behavior becomes more pronounced. Depending on the interpretation, both are preferable further training courses.
  • a surface section of the modulator region is arranged further radially outwards, the flatter the respective surface section is.
  • the flatter truncated cone section radially outside of the steeper truncated cone section.
  • Statements such as “flat” and “steep” preferably refer to an imaginary perpendicular to the imaginary main axis.
  • the modulator area or a modulator area in each case extends symmetrically to the main axis in the longitudinal section plane, a directional characteristic of the ultrasonic transducer that is symmetrical to the main axis can be achieved.
  • a horizontally wide and vertically narrow ultrasound cone can be provided.
  • an advantageous directional characteristic can be achieved.
  • an effective aperture can be narrower in the direction of the second longitudinal section plane than in the direction of the first longitudinal section plane, so that a directional characteristic is wider in this direction of the second longitudinal section plane.
  • the side wall has a section that is parallel and/or at least approximately parallel and/or in sections to the longitudinal section plane parallel thickening.
  • an inner wall of the thickening can run concentrically to the receptacle.
  • an angle of inclination inside the modulator area is at least 2°, preferably at least 2.5° and more preferably at least 3°.
  • “Inside” in the modulator area means that a curve that merges into the preferably flat receptacle and/or a curve that merges into the preferably steep side wall can have a lower angle of inclination.
  • An angle of inclination of 0° means a perpendicular to the main axis, and an angle of inclination of 90° means a parallel to the main axis.
  • the housing can contain an anti-twist device. In this way, a desired orientation of a directional characteristic to a vehicle can be set safely.
  • an inside of the bottom wall merges from the modulator area into the receptacle by means of a concave curve. This makes the housing more tolerant of manufacturing fluctuations.
  • an inside of the bottom wall merges from the modulator area into an inside of the side wall by means of a convex curve.
  • an ultrasonic transducer is proposed. This has a housing according to one of the above options and a converter element.
  • the transducer element is carried in and/or on the receptacle, for example by means of gluing, welding and/or a chemical and/or mechanical fastening process.
  • a vehicle which contains at least one such ultrasonic transducer.
  • the vehicle is, for example, a passenger car or a truck.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a vehicle that contains several ultrasonic transducers
  • FIG. 2 shows a schematic perspective sectional view of a housing for an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the invention
  • 3 shows a schematic longitudinal sectional representation of part of a bottom wall and part of a side wall of the housing for an ultrasonic transducer according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal sectional representation of part of a bottom wall and part of a side wall of a housing for an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal sectional representation of part of a bottom wall and part of a side wall of a housing for an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal sectional representation of part of a bottom wall and part of a side wall of a housing for an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal sectional representation of part of a bottom wall and part of a side wall of a housing for an ultrasonic transducer according to a fifth embodiment of the invention.
  • the vehicle 100 is, for example, a car that is arranged in an environment 102.
  • the car 100 has a control unit 104.
  • several ultrasonic transducers 106 are provided on the car 100.
  • the ultrasonic transducers 106 are set up to detect a distance to objects arranged in the environment 102 and to output a corresponding sensor signal.
  • the ultrasonic transducers 106 are with the control unit
  • the figures 2 and 3 show a housing 110 for an ultrasonic transducer 106 according to a first embodiment of the housing 110.
  • the housing 110 has a bottom wall 1 12 and a side wall 1 14.
  • the side wall 114 is closed all around and thus forms an irregularly shaped tube on the inside.
  • the side wall 114 defines a main axis 1 18 at its center.
  • the housing is closed like a pot by the approximately disk-shaped bottom wall 112.
  • An inside 120 of the bottom wall 112 and an inside 122 of the side wall 114 delimit an interior 124 of the housing 110.
  • the housing 110 is cut in a longitudinal sectional plane 126, which contains the main axis 118.
  • Fig. 3 shows a part of the longitudinal section of Fig. 2 in a top view of the cut surface. 3 shows the section of the housing 110 with the longitudinal section plane 126. On the left in the picture is a part of the side wall 114 and on the right in the picture the main axis 118 is shown.
  • the bottom wall 112 has a receptacle 130 and a modulator region 132 radially outwards from the main axis 118.
  • the side wall 1 14 adjoins the modulator area 132 radially on the outside.
  • the receptacle 130 is an area of the bottom wall 112, which is prepared to carry a transducer element (not shown).
  • the converter element here is preferred a piezo element is used to convert between mechanical vibrations and electrical vibrations in the ultrasonic range.
  • An outside 136 of the bottom wall 112 preferably runs perpendicular to the main axis 118.
  • the transducer element is connected to the receptacle 130, such as glued.
  • the inside 120 in the area of the receptacle 130 preferably runs perpendicular to the main axis 118.
  • the receptacle 130 therefore has a thickness A.
  • the modulator region 132 is located in the longitudinal section plane 126 between the receptacle 130 and the side wall 114. In the first embodiment, the modulator region 132 adjoins the receptacle 130 by means of an internal transition 138. In addition, in the first embodiment, the modulator region 132 adjoins the side wall 114 by means of an external transition 140.
  • the bottom wall 112 has a smallest thickness B. This radially outer smallest thickness B is smaller than the radially inner thickness A of the receptacle 130.
  • a thickness C at any point of the modulator region 132 gradually decreases from the receptacle 130 to the transition 140. More specifically, in the first embodiment, the thickness C of the bottom wall 112 gradually decreases from the inner transition 138 to the outer transition 140. In other words: every thickness C of a point inside the modulator region 132 is smaller than the thickness A and larger than the thickness B.
  • the thickness C of the modulator region 132 is equal to the thickness A at the inner edge of the modulator region 132 and equal to the thickness B at the outer edge.
  • the modulator region 132 has two truncated cone sections 150 and 152.
  • a truncated cone section 150 arranged radially on the inside in the modulator region 132 has a relatively large inclination angle D.
  • a truncated cone section 152 arranged radially on the outside in the modulator region 132 has a relatively small inclination angle E.
  • the inclination angle D, E of a truncated cone 150, 152 or cone is the cone angle between a base and a flank of the cone or truncated cone.
  • the inside 120 has a surface section 134 in the area of the truncated cone sections 150, 152.
  • the truncated cone sections 150 and 152 merge into one another by means of a radially central transition 154.
  • the inner transition 138 from the receptacle 130 into the inner truncated cone section 150 is a concave transition 156, i.e. an inwardly curved transition as seen from the interior 124.
  • FIG. 2 illustrates that there are two in the longitudinal section plane 126
  • modulator regions 132 which are arranged symmetrically with respect to the main axis 118.
  • the side wall 114 has a section designed as a collar 160, which is arranged, for example, at an end of the side wall 1 14 that is remote from the bottom wall 112.
  • the collar 160 protrudes radially outwards, but to different extents when viewed in the circumferential direction. 2 shows a narrow collar section 162 and a wide collar section 164.
  • a distance from the main axis 118 to the transition 138 is referred to as a radius F in FIG.
  • a distance from the main axis 118 to the inside 122 of the side wall 114 is referred to as a radius G or a distance G.
  • a difference between thicknesses A and B is referred to as a depth H.
  • the depth H is a depth of a recess formed by the modulator region 132 opposite the receptacle 130, see FIG. 2.
  • an outer radius of the side wall 114 is designated J.
  • the thinnest possible side wall 1 14 is therefore sought in the longitudinal section plane 126.
  • Advantageous G/J ratios are in the range above 0.9, preferably above 0.92.
  • the radius F of the receptacle can be 4.1 mm
  • the distance G can be 7.1 mm
  • the side wall 1 14 can be 0.6 mm thick in the longitudinal section plane 126.
  • the directional characteristic is also largely influenced by the outer radius F of the receptacle 130.
  • 2 shows by way of example that the side wall 114 has a thickening 170 in an area adjoining the bottom wall.
  • the thickening 170 is designed such that it is spaced from the longitudinal section plane 126 by approximately the radius F of the receptacle 130 and runs essentially parallel. “Approximately” in this specific context means in particular a range from +30% to -30% and preferably a range from +5% to -15%.
  • the outer radius F of the receptacle 130 is mainly influenced by the transducer element to be installed. For example, a transducer element with a radius of 4 mm and a matching outer radius F of 4.1 mm are proposed.
  • the directional characteristic is also significantly influenced by a ratio of the depth H to the outer thickness B.
  • the depth H is preferably greater in magnitude than the outer thickness B. According to experiments, a range of the ratio H/B from 1 to 2 and in particular from 1.2 to 1.5 is preferred.
  • the smallest inclination angle E should be at least 2° in order to exhibit behavior that is robust to manufacturing variations.
  • the smallest angle of inclination E is at least 2.5° and particularly preferably at least 3°.
  • the angle of inclination is preferably measured or compared against a perpendicular to the main axis 118.
  • the steepest inclination angle D should be at least 25° and preferably at least 30°. In preferred variants with two truncated cone sections, the steeper angle of inclination D is once 40° and another time 30°.
  • a radial extent of the modulator area 132 is the difference GF.
  • a preferred ratio of the depth H to a radial extent of the modulator region 132, i.e. a ratio H/(GF) is in the range of 0.1 to 0.4 and preferably in the range of 0.15 to 0.25. In other words, the radially wider the modulator region 132 is, the more advantageous is the transmission behavior of the housing 110.
  • the H/B ratio already described must be taken into account.
  • the transition from the thickness A of the receptacle 130 to the thickness B of the bottom wall 112 in the area of the transition 140 into the side wall should be as smooth as possible.
  • the ratio of the inclination angles D, E and the largest possible radius of the convex middle transition 154, 158 are advantageous for this.
  • the middle transition 154 has an exemplary radius of 0.75 mm with a thickness B of 0.4 mm or . a thickness A of 0.94 mm.
  • a radial mode or radial vibration form of the preferred piezo-based transducer element can advantageously be efficiently converted into a bending mode or bending vibration form of the ultrasonic transducer 106.
  • the supple shape of the modulator section 132 ensures that it matches the impedance of the converter element.
  • the interior 124 can be cast or filled with a damping material after the transducer element has been installed. Silicone is preferred for this.
  • modulator area 132 makes the modulator area 132 as smooth as possible prevents burrs, marks and/or markings from appearing during production. ments on the outside 136 of the bottom wall 112 arise, so that customer acceptance is improved.
  • a housing 200 according to a second embodiment of the invention is proposed below. Mainly differences from the first embodiment are discussed.
  • the second embodiment shows, so to speak, an ideal form of the invention.
  • the housing 200 of the second embodiment has a modulator region 132, which has a continuous curvature 202 on the inside 120 between the receptacle 130 and the side wall 114.
  • a side wall-side inclination angle or outer inclination angle E is at least 2°, preferably at least 2.5° and in particular at least 3°.
  • a recording-side or internal inclination angle D is, for example, 60°.
  • the transition 138 is designed as a sharp edge 204.
  • the transition 140 is designed as a sharp edge 206.
  • the continuous curvature 202 follows, for example, a parabola that is open towards the side wall 114, so that the thickness C of the modulator region decreases more strongly near the receptacle 130 than near the side wall 114.
  • the design of the continuous curvature 202 which is based on a horizontal parabola, corresponds to the proposal, that of two truncated cone sections, the flatter one should preferably be arranged radially on the outside.
  • a course based on an exponential function is also preferred.
  • a continuously differentiable course of the inside 120 of the bottom wall 1 14 has the smoothest course and therefore the highest electro-acoustic efficiency.
  • the continuously differentiable course can also be seen as the extreme form of “at least two different angles of inclination”.
  • a housing 210 according to a third embodiment shown in FIG. 5 differs from the housing 200 according to the second embodiment in the transition 138. Instead of the sharp edge 204, the concave rounding 156 is provided. Furthermore, reference is made to the above description, in particular of the second embodiment.
  • a housing 220 according to a fourth embodiment shown in FIG. 6 differs from the housing 210 according to the third embodiment in the transition 140. Instead of the sharp edge 206, the convex rounding 158 is provided. Furthermore, reference is made to the above description, in particular the second and third embodiments.
  • FIG. 7 shows a housing 230 according to a fifth embodiment. This differs from the first embodiment mainly in that instead of the middle transition 154 between the truncated cone sections 150 and 152, a sharp edge 232 is provided.
  • the flattest angle of inclination in each of the figures is at least 2°, even if this fineness is difficult to represent figuratively.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) für einen Ultraschallwandler 5 (106) zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung (102) eines Fahrzeugs (100); aufweisend eine umlaufende Seitenwand (114), welche eine Hauptachse (118) des Gehäuses (110) definiert; und eine Bodenwand (112), die eine zentrale Aufnahme (130) zum Tragen eines Wandlerelements und wenigstens einen Modulatorbereich (132) aufweist; wobei sich der Modulatorbereich (132) in einer Längsschnittebene (126), welche die Hauptachse (118) 10 enthält, radial von der Aufnahme (130) bis zu einem Übergang (140) der Bodenwand (112) in die Seitenwand (114) erstreckt; wobei eine Dicke (C) der Bodenwand (112) über den gesamten Modulatorbereich (132) nach radial außen hin abnimmt; und wobei eine Innenseite (120) der Bodenwand (112) in dem Modulatorbereich (132) wenigstens zwei unterschiedliche Neigungswinkel (E, D) aufweist.

Description

GEHÄUSE FÜR ULTRASCHALLWANDLER MIT UNTERSCHIEDLICH GENEIGTEN
BODENFLÄCHEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Ultraschallwandler zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs, weiters einen Ultraschallwandler zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug.
Ultraschallwandler zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs werden beispielsweise für Parksysteme oder dergleichen eingesetzt. Solche Ultraschallwandler funktionieren häufig nach dem Puls-Echo-Prinzip, wobei derselbe Ultraschallwandler als Sender und Empfänger eingesetzt wird. Daher ist es besonders schwierig, eine möglichst kleine "blinde Zone" im Nahbereich zu entwerfen, aus welcher kein Echosignal empfangen bzw. zuverlässig erkannt werden kann. Die Größe dieser "blinden Zone" wird charakterisiert und bestimmt durch eine Nachhallzeit des Wandlers nach einem Aussenden des Pulses.
Um eine hohe elektro-akustische Umwandlungseffizienz und somit einen weiten Erfassungsbereich und/oder ein niedriges Signal-Rauschen-Verhältnis zu erlangen, basieren Ultraschallwandler im Allgemeinen auf dem Biege-Wandler-Prinzip. Dabei wird eine Piezo- Wandler-Scheibe auf eine Membran aufgebracht und in einer Resonanz-Mode betrieben.
Um dies zu unterstützen und Echos von einer Fahrbahn und/oder sehr hohen Objekten, wie Dächern in Parkhäusern und/oder Brücken, zu vermeiden, werden im Allgemeinen eine ausgeprägte Richtcharakteristik und ein schmaler Öffnungswinkel angestrebt. Dies kann beispielsweise durch eine spezielle Membrangeometrie erreicht werden.
Ein Beispiel dafür ist die JP 2001 326987 A. Diese offenbart ein topfartiges Gehäuse für einen Ultraschallwandler, dessen Boden zentral eine kreisscheibenfömige Verdickung aufweist. Diese Gestaltung zeigt teilweise eine niedrige elektro-akustische Effizienz, welche einen Erkennungsbereich des resultierenden Ultraschallwandlers verkürzt. Ferner kann bei dieser Gestaltung eine lange Nachhallzeit nach einem Aussenden eines Ultraschallpulses gegeben sein, wodurch ein blinder Bereich in einem Nahfeld vergrößert wird.
Eine Gestaltung zum Verbessern der Nachhallzeit lehrt beispielsweise die JP 2006 174 003. Diese offenbart ein rotationssymmetrisches topfförmiges Gehäuse für einen Ultraschallwandler. Ein Bodenabschnitt des Gehäuses hat eine Kegelstumpfform, deren Dicke von einer Seitenwand zu einem zentralen Plateau für ein Wandlerelement nach innen hin mit konstanter Steigung zunimmt.
Scharfe Kanten bei der JP 2006 174 003 können ggf. aufwendig zu fertigen sein. Außerdem können Schwankungen im Radius starke Wechselwirkungen zu einer Resonanzfrequenz zeigen.
Die DE 1 1 2009 003 590 T5 zeigt einen Ultraschallwandler mit verbesserter Stabilität der Resonanzfrequenz. Der beschriebene Ultraschallwandler umfasst ein mit einer Unterseite versehenes kreisförmiges zylindrisches Gehäuse und ein piezoelektrisches Element, das im Wesentlichen an einer Mitte einer Unterseite des Gehäuses vorgesehen ist. Die Unterseite des Gehäuses hat einen Steigungsabschnitt, der von einer Position, an der das piezoelektrische Element vorgesehen ist, zu einer Innenwandoberfläche des Gehäuses hin allmählich dünner wird, und einen flachen Abschnitt, der sich von einer Außenkante des Steigungsabschnitts zu der Innenwandoberfläche des Gehäuses erstreckt, während eine Dicke der äußeren Kante des Steigungsabschnitts beibehalten wird.
Insbesondere bei einer Gestaltung, welche in Fig. 3 der DE 1 1 2009 003 590 T5 gezeigt wird, kann die Nachhallzeit verlängert sein. Das offenbarte Gehäuse neigt dazu, im verbauten Zustand sichtbare Grate auf einer Karosserie-Außenseite zu zeigen. Im Vergleich zu einer Gestaltung gemäß der bereits erwähnten JP 2001 326987 A ist eine Richtcharakteristik möglicherweise verschlechtert und der Öffnungswinkel verbreitert. Außerdem kann die elekt- ro-akustische Effizienz herabgesetzt sein. Im Stand der Technik sind weitere Gehäuse für Ultraschallwandler bekannt:
Die JP 2005 039 689 A offenbart ein topfartiges Gehäuse für einen Ultraschallwandler mit einem flachen Boden. An einer Seite ist der flache Boden mit einer flachen Stufe oder mehreren flachen Stufen zur Außenseite des Bodens hin versehen, sodass sich ein weiterer dünnerer oder mehrere weitere dünnere Bodenabschnitte ergeben. Die Einseitigkeit führt zu einem Verkippen eines Ultraschall-Erfassungskegels zu einer Längsachse des Gehäuses. Das Verkippen führt dazu, dass der Ultraschall-Erfassungskegel nicht symmetrisch ist zu der Längsachse. Daher ist während eines Einbaus eine Orientierung des Sensors zu beachten. Dieses Konzept kann ungeeignet sein für eine Ausführung, in welcher ein unsymmetrischer Kabelanschluss vorgesehen und/oder Gleichteile für rechts und links in einer Karosserie gefordert werden. Mit anderen Worten, das Gehäuse der JP 2005 039 689 A ist für Ausführungsformen ungeeignet, welche einen symmetrischen Gesamtsensoraufbau fordern.
Die JP 2017 225 013 A offenbart ein kreisscheibenförmiges Gehäuse für einen Ultraschallwandler mit einer zentralen ovalen Ausnehmung. Diese ovale Ausnehmung hat einen flachen Boden, der an den kurzen Seiten nierenförmige Vertiefungen mit dünnerem, flachem Boden aufweist. Im Querschnitt entlang einer Längsachse der ovalen Ausnehmung ergibt dies einen stufenförmigen Verlauf der Bodendicke mit flachen Stufen.
Die DE 10 2008 040905 A1 offenbart ein topfartiges Gehäuse für einen Ultraschallsensor mit einer Bodenfläche und einer Seitenwand. Dabei ist ein elektromechanisches Wandlerelement, wie beispielhaft ein zylinderscheibenförmiges Piezoelement, auf eine ansonsten flache Innenseite der Bodenfläche aufgeklebt.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Ultraschallwandler und insbesondere ein Gehäuse dafür bereitzustellen. Dabei steht ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Richtcharakteristik, elektro-akustischer Effizienz und/oder kurzer Nachhallzeit im Vordergrund. Demgemäß wird ein Gehäuse für einen Ultraschallwandler zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Das Gehäuse weist eine umlaufende Seitenwand und eine Bodenwand auf. Die umlaufende Seitenwand definiert eine Hauptachse des Gehäuses. Die Bodenwand weist eine zentrale Aufnahme zum Tragen eines Wandlerelements bzw. Ultraschallelements und wenigstens einen Modulatorbereich auf. Der Modulatorbereich erstreckt sich in einer Längsschnittebene, welche die Hauptachse enthält, radial von der Aufnahme bis zu einem Übergang der Bodenwand in die Seitenwand. Eine Dicke der Bodenwand nimmt über den gesamten Modulatorbereich nach radial außen hin ab. Eine Innenseite der Bodenwand weist in dem Modulatorbereich wenigstens zwei unterschiedliche Neigungswinkel auf.
Das Gehäuse verwirklicht in der Bodenwand einen Kompromiss. Einerseits zeichnet sich das Gehäuse durch eine Richtcharakteristik aus, welche mittels einer großen Apertur in der Längsschnittebene erreicht wird. Andererseits zeichnet sich die Bodenwand durch eine hohe elektro-akustische Effizienz aus, welche durch eine entsprechende Formgebung des Modulatorbereichs erreicht wird. Außerdem eignet sich das vorgeschlagene Gehäuse für eine wünschenswert kurze Nachhallzeit und ist schließlich auch robust gegenüber Schwankungen bei Fertigungstoleranzen. Das vorgeschlagene Gehäuse ist aufgrund der vorgeschlagenen Bodenwand gut fertigbar.
Insbesondere in der Längsschnittebene nimmt eine Dicke der Bodenwand über den gesamten Modulatorbereich nach radial außen hin ab. Die Innenseite der Bodenwand weist in dem Modulatorbereich insbesondere in der Längsschnittebene wenigstens zwei unterschiedliche Neigungswinkel auf.
Die Seitenwand ist vorzugsweise in Umfangsrichtung geschlossen, aber es sind auch Varianten mit einer in Umfangsrichtung nicht durchgehenden Wand und/oder teilweise nicht durchgehenden Wand vorsehbar. Die Bodenwand hat eine Außenseite, welche vorzugsweise zu der Hauptachse senkrecht verläuft. Es sind auch Varianten denkbar, bei denen die Außenseite konkav und/oder konvex gekrümmt und/oder kegelstumpfförmig und/oder spitz verläuft.
Vorzugsweise verläuft die Innenseite des Modulatorbereichs in der Längsschnittebene in einer konvexen Rundung. Dadurch wird eine Neigung zum Nachhallen vermindert, d.h. verbessert. Vorsehbar ist sowohl, dass der gesamte Modulatorbereich als eine konvexe Rundung ausgeführt ist, als auch dass ein Bereich des Modulatorbereichs als eine konvexe Rundung ausgeführt ist.
In dieser Beschreibung beziehen sich die Begriffe "konvex" und "konkav" auf einen Betrachter in einem Innenraum des Gehäuses. "Konvex" bedeutet von innen im Gehäuse gesehen nach außen gerichtet, insbesondere verrundet. Umgangssprachlich kann man "konvex" als eine Ausbeulung "nach außen" betrachten. Funktional entspricht ein "konvexer" Abschnitt einer Innenseite der Bodenwandung mehr Innenvolumen des Gehäuses. "Konkav" bedeutet von innen im Gehäuse gesehen nach innen gerichtet, insbesondere verrundet. Umgangssprachlich kann man "konkav" als eine Ausbeulung "nach innen" betrachten. Funktional entspricht ein "konkaver" Abschnitt einer Innenseite der Bodenwandung weniger Innenvolumen des Gehäuses.
Gemäß einer bevorzugten Option ist ein stetig differenzierbarer Verlauf der Innenseite in der Längsschnittebene vorsehbar. Beispiele umfassen einen parabelförmigen und/oder expo- nentialförmigen Verlauf. Hierdurch kann ein Frequenzverhalten verbessert werden. Vorsehbar ist, dass die Innenseite über den gesamten Modulatorbereich stetig differenzierbar verläuft. Weiterhin ist vorsehbar, dass die Innenseite nur über einen Teil des Modulatorbereichs stetig differenzierbar verläuft.
Aus Gründen der elektro-akustischen Effizienz wird es bevorzugt, dass ein äußerer Rand der Rundung und/oder Parabel tangential an einen gedachten Kegelstumpfwinkel anliegt. Falls der Modulatorbereich mehrere Kegelstumpfabschnitte enthält, die zumindest zwei unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen, kann eine Form für das Gehäuse verhältnismäßig einfach gefertigt werden. Gehen zwei benachbarte Kegelstumpfabschnitte, insbesondere radial benachbarte Kegelstumpfabschnitte, durch eine konvexe Rundung ineinander über, kann eine Dämpfung verbessert und ein Nachhall vermindert werden. Vorsehbar ist aber auch, dass zwei benachbarte Kegelstumpfabschnitte, insbesondere radial benachbarte Kegelstumpfabschnitte, durch eine Kante ineinander übergehen, sodass ein Eigenfrequenzverhalten ausgeprägter wird. Je nach Auslegung sind beides bevorzugbare Weiterbildungen.
Aus Gründen der elektro-akustischen Effizienz ist es wiederum bevorzugt, dass ein Flächenabschnitt des Modulatorbereichs umso weiter radial außen angeordnet ist, je flacher der jeweilige Flächenabschnitt ist. Beispielsweise falls zwei Kegelstumpfabschnitte mit unterschiedlichem Neigungswinkel vorgesehen sind, ist es elektro-akustisch effizienter, den flacheren Kegelstumpfabschnitt radial außerhalb des steileren Kegelstumpfabschnitts anzuordnen. Angaben wie "flach" und "steil" beziehen sich vorzugsweise auf eine gedachte Senkrechte zur gedachten Hauptachse.
Falls sich der Modulatorbereich oder jeweils ein Modulatorbereich in der Längsschnittebene symmetrisch zu der Hauptachse erstreckt, wird eine zu der Hauptachse symmetrische Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers erreichbar. Beispielsweise kann so ein horizontal breiter und vertikal schmaler Ultraschallkegel bereitgestellt werden.
Auch falls in einer zu der Längsschnittebene senkrechten zweiten Längsschnittebene, welche die Hauptachse enthält, die Seitenwand an die Aufnahme heranreicht, kann eine vorteilhafte Richtcharakteristik erreicht werden. Konkret kann eine effektive Apertur in der Richtung der zweiten Längsschnittebene schmaler als in der Richtung der ersten Längsschnittebene sein, sodass in dieser Richtung der zweiten Längsschnittebene eine Richtcharakteristik breiter ist. Gemäß einem bevorzugten Beispiel weist die Seitenwand eine zu der Längsschnittebene parallele und/oder zumindest näherungsweise parallele und/oder abschnittsweise parallele Verdickung auf. Optional kann eine Innenwand der Verdickung konzentrisch zu der Aufnahme verlaufen.
Experimente haben gezeigt, dass bei einem elektro-akustisch effizienten Gehäuse ein Neigungswinkel innen in dem Modulatorbereich zumindest 2°, bevorzugt zumindest 2,5° und bevorzugter zumindest 3° beträgt. "Innen" in dem Modulatorbereich bedeutet, dass eine Rundung, welche in die vorzugsweise flache Aufnahme übergeht, und/oder eine Rundung, welche in die vorzugsweise steile Seitenwand übergeht, einen niedrigeren Neigungswinkel aufweisen kann. Ein Neigungswinkel von 0° bedeutet sinngemäß eine Senkrechte zu der Hauptachse, und ein Neigungswinkel von 90° bedeutet sinngemäß eine Parallele zu der Hauptachse.
Falls die Seitenwand zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung unterbrochen ist und/oder entlang der Umfangsrichtung betrachtet unterschiedlich weit von der Hauptachse auskragt, kann das Gehäuse eine Verdrehsicherung enthalten. Auf diese Weise kann eine gewünschte Orientierung einer Richtcharakteristik zu einem Fahrzeug sicher eingestellt werden.
Vorzugsweise geht eine Innenseite der Bodenwand mittels einer konkaven Rundung von dem Modulatorbereich in die Aufnahme über. So wird das Gehäuse toleranter gegenüber Fertigungsschwankungen.
Um das Gehäuse leichter fertigen zu können, wird als Option vorgeschlagen, dass eine Innenseite der Bodenwand mittels einer konvexen Rundung von dem Modulatorbereich in eine Innenseite der Seitenwand übergeht.
Es ist zum Anbringen eines scheibenförmigen Wandlerelements günstig, wenn die Aufnahme eine konstante Dicke aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschallwandler vorgeschlagen. Dieser weist ein Gehäuse gemäß einer der voranstehenden Optionen und ein Wandlerelement auf. Das Wandlerelement wird in und/oder an der Aufnahme getragen, beispielsweise mittels einer Verklebung, einer Verschweißung und/oder einem chemischen und/oder mechanischen Befestigungsverfahren.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das wenigstens einen solchen Ultraschallwandler enthält.
Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Personenkraftwagen oder auch ein Lastkraftwagen.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Fahrzeug, das mehrere Ultraschallwandler enthält;
Fig. 2 zeigt in einer schematischen perspektivischen Schnittdarstellung ein Gehäuse für einen Ultraschallwandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Teil einer Bodenwand und einen Teil einer Seitenwand des Gehäuses für einen Ultraschallwandler gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Teil einer Bodenwand und einen Teil einer Seitenwand eines Gehäuses für einen Ultraschallwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Teil einer Bodenwand und einen Teil einer Seitenwand eines Gehäuses für einen Ultraschallwandler gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Teil einer Bodenwand und einen Teil einer Seitenwand eines Gehäuses für einen Ultraschallwandler gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 7 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Teil einer Bodenwand und einen Teil einer Seitenwand eines Gehäuses für einen Ultraschallwandler gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 100 aus einer Vogelperspektive. Das Fahrzeug 100 ist beispielsweise ein Auto, das in einer Umgebung 102 angeordnet ist. Das Auto 100 weist ein Steuergerät 104 auf. Zudem sind an dem Auto 100 mehrere Ultraschallwandler 106 vorgesehen. Die Ultraschallwandler 106 sind zum Erfassen eines Abstands zu in der Umgebung 102 angeordneten Objekten und zum Ausgeben eines entsprechenden Sensorsignals eingerichtet. Die Ultraschallwandler 106 sind mit dem Steuergerät
104 verbunden. Die Fign. 2 und 3 zeigen ein Gehäuse 110 für einen Ultraschallwandler 106 gemäß einer ersten Ausführungsform des Gehäuses 1 10.
Dabei zeigt die Fig.2 in einem perspektivischen Längsschnitt den Aufbau des Gehäuses 1 10. Das Gehäuse 110 hat eine Bodenwand 1 12 und eine Seitenwand 1 14.
Die Seitenwand 114 ist umlaufend geschlossen und bildet so eine innen unregelmäßig geformte Röhre. Die Seitenwand 114 definiert in ihrem Zentrum eine Hauptachse 1 18.
An einem axialen Ende der Seitenwand 114 ist das Gehäuse durch die ungefähr scheibenförmige Bodenwand 112 Topf-artig geschlossen. Eine Innenseite 120 der Bodenwand 1 12 und eine Innenseite 122 der Seitenwand 114 begrenzen einen Innenraum 124 des Gehäuses 110.
In der Darstellung der Fig. 2 wird das Gehäuse 110 in einer Längsschnittebene 126 geschnitten, welche die Hauptachse 1 18 enthält.
Die Fig. 3 zeigt einen Teil des Längsschnitts der Fig. 2 in einer Draufsicht auf die Schnittfläche. Die Fig. 3 zeigt also den Schnitt des Gehäuses 110 mit der Längsschnittebene 126. Links im Bild ist ein Teil der Seitenwand 114 und rechts im Bild ist die Hauptachse 118 abgebildet.
Die Bodenwand 1 12 weist von der Hauptachse 118 nach radial außen eine Aufnahme 130 und einen Modulatorbereich 132 auf. An den Modulatorbereich 132 schließt sich radial außen die Seitenwand 1 14 an.
Die Aufnahme 130 ist ein Bereich der Bodenwand 1 12, welcher zum Tragen eines (nicht dargestellten) Wandlerelements vorbereitet ist. Als Wandlerelement kommt hierbei Vorzugs- weise ein Piezo-Element zum Wandeln zwischen mechanische Schwingungen und elektrischen Schwingungen im Ultraschallbereich zum Einsatz.
Eine Außenseite 136 der Bodenwand 1 12 verläuft vorzugsweise senkrecht zu der Hauptachse 118.
Vorzugsweise wird das Wandlerelement mit der Aufnahme 130 verbunden, wie beispielsweise geklebt. Dazu verläuft die Innenseite 120 im Bereich der Aufnahme 130 vorzugsweise senkrecht zu der Hauptachse 118. Die Aufnahme 130 hat somit eine Dicke A.
In der Längsschnittebene 126 befindet sich zwischen der Aufnahme 130 und der Seitenwand 114 der Modulatorbereich 132. Bei der ersten Ausführungsform schließt der Modulatorbereich 132 mittels eines inneren Übergangs 138 an die Aufnahme 130 an. Außerdem schließt der Modulatorbereich 132 bei der ersten Ausführungsform mittels eines äußeren Übergangs 140 an die Seitenwand 1 14 an.
An dem äußeren Übergang 140 hat die Bodenwand 1 12 eine kleinste Dicke B. Diese radial außen liegende kleinste Dicke B ist kleiner als die radial innen liegende Dicke A der Aufnahme 130.
Eine Dicke C an beliebiger Stelle des Modulatorbereichs 132 nimmt von der Aufnahme 130 bis zu dem Übergang 140 allmählich ab. Genauer gesagt, bei der ersten Ausführungsform nimmt die Dicke C der Bodenwand 1 12 von dem inneren Übergang 138 bis zu dem äußeren Übergang 140 hin allmählich ab. Anders formuliert: jede Dicke C einer Stelle innen in dem Modulatorbereichs 132 ist kleiner als die Dicke A und größer als die Dicke B.
Weil bei der ersten Ausführungsform die Übergänge 138, 140 kontinuierlich ausgebildet sind, ist die Dicke C des Modulatorbereichs 132 am inneren Rand des Modulatorbereichs 132 gleich der Dicke A und am äußeren Rand gleich der Dicke B. Bei der ersten Ausführungsform hat der Modulatorbereich 132 zwei Kegelstumpfabschnitte 150 und 152. Ein radial innen in dem Modulatorbereich 132 angeordneter Kegelstumpfabschnitt 150 hat einen verhältnismäßig großen Neigungswinkel D. Ein radial außen in dem Modulatorbereich 132 angeordneter Kegelstumpfabschnitt 152 hat einen verhältnismäßig kleinen Neigungswinkel E.
Durch die unterschiedlichen Neigungswinkel D und E wird mittels des Modulatorbereichs 132 ein vorteilhafter Kompromiss aus Richtcharakteristik und elektro-akustischer Effizienz erzielt.
Der Neigungswinkel D, E eines Kegelstumpfs 150, 152 oder Kegels ist hierbei der Kegelwinkel zwischen einer Basis und einer Flanke des Kegels bzw. Kegelstumpfs.
Die Innenseite 120 hat in dem Bereich der Kegelstumpfabschnitte 150, 152 jeweils einen Flächenabschnitt 134.
Die Kegelstumpfabschnitte 150 und 152 gehen bei der ersten Ausführungsform mittels eines radial mittleren Übergangs 154 ineinander über.
Der innere Übergang 138 von der Aufnahme 130 in den inneren Kegelstumpfabschnitt 150 ist ein konkaver Übergang 156, also ein von dem Innenraum 124 gesehen nach innen gekrümmter Übergang.
Der mittlere Übergang 154 von dem inneren Kegelstumpfabschnitt 150 in den äußeren Kegelstumpfabschnitt 152 und der äußere Übergang 140 von dem äußeren Kegelstumpfabschnitt 152 in die Seitenwand 114 sind jeweils ein konvexer Übergang 158, also ein von dem Innenraum 124 gesehen nach außen gekrümmter Übergang.
Auch wenn die Fig. 3 nur eine Hälfte der Schnittfläche der Längsschnittebene 126 mit der
Bodenwand 112 zeigt, veranschaulicht die Fig. 2, dass es in der Längsschnittebene 126 zwei Modulatorbereiche 132 gibt, welche symmetrisch bezüglich der Hauptachse 1 18 angeordnet sind.
Die Seitenwand 114 hat vorliegend einen als einen Kragen 160 ausgebildeten Abschnitt, welcher beispielhaft an einem von der Bodenwand 112 entfernten Ende der Seitenwand 1 14 angeordnet ist. Der Kragen 160 steht nach radial außen vor, aber in Umfangsrichtung gesehen unterschiedlich weit. So zeigt die Fig. 2 einen schmalen Krag en abschnitt 162 und einen breiten Kragenabschnitt 164. Durch den Wechsel von schmalen und breiten Kragenabschnitten 162, 164 wird nach einem Einsetzen des Gehäuses 1 10 in eine gegengleich gebildete Aussparung, bspw. in einer Stoßstange des Fahrzeugs 100, eine Verdrehsicherung erreicht. Somit kann eine Orientierung der Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers 104 im Fahrzeug 100 kontrolliert und eingestellt werden.
Im Folgenden wird auf konstruktive Vorteile der ersten Ausführungsform eingegangen. Es ist selbstverständlich, dass diese bevorzugten Abmessungen und Verhältnisse auch jeweils einzeln vorteilhaft sind.
Ein Abstand von der Hauptachse 1 18 zu dem Übergang 138 ist in der Fig. 3 als ein Radius F bezeichnet. Ein Abstand von der Hauptachse 118 zu der Innenseite 122 der Seitenwand 114 wird als ein Radius G bzw. als ein Abstand G bezeichnet. Eine Differenz zwischen den Dicken A und B wird als eine Tiefe H bezeichnet. Die Tiefe H ist eine Tiefe einer durch den Modulatorbereich 132 gegenüber der Aufnahme 130 gebildeten Ausnehmung, vgl. Fig. 2. Schließlich wird ein Außenradius der Seitenwand 1 14 mit J bezeichnet.
Ein Verhältnis des Radius G zum Radius J beeinflusst in hohem Maße die Richtcharakteristik. Es wird also in der Längsschnittebene 126 eine möglichst dünne Seitenwand 1 14 angestrebt. Vorteilhafte Verhältnisse G/J liegen im Bereich über 0,9, vorzugsweise über 0,92. Beispielsweise kann der Radius F der Aufnahme 4,1 mm betragen, kann der Abstand G 7,1 mm betragen und/oder kann die Seitenwand 1 14 in der Längsschnittebene 126 0,6 mm dick sein.
Die Richtcharakteristik wird auch in hohem Maße durch den Außenradius F der Aufnahme 130 beeinflusst. Die Fig. 2 zeigt beispielhaft, dass die Seitenwand 114 in einem an die Bodenwand anschließenden Bereich eine Verdickung 170 aufweist. Die Verdickung 170 ist derart gestaltet, dass sie von der Längsschnittebene 126 ungefähr den Radius F der Aufnahme 130 beabstandet ist und im Wesentlichen parallel verläuft. "Ungefähr" bedeutet in diesem konkreten Zusammenhang insbesondere einen Bereich von +30% bis -30% und vorzugsweise einen Bereich von +5% bis -15%. Der Außenradius F der Aufnahme 130 wird hauptsächlich durch das zu installierende Wandlerelement beeinflusst. Beispielsweise werden ein Wandlerelement mit einem Radius von 4 mm und dazu passend ein Außenradius F von 4,1 mm vorgeschlagen.
Die Richtcharakteristik wird außerdem maßgeblich durch ein Verhältnis der Tiefe H zur äußeren Dicke B beeinflusst. Dasselbe gilt für die elektro-akustische Effizienz. Vorzugsweise ist die Tiefe H betragsmäßig größer als die äußere Dicke B. Nach Experimenten wird ein Bereich des Verhältnissens H/B von 1 bis 2 und insbesondere von 1 ,2 bis 1 ,5 bevorzugt.
Experimente haben gezeigt, dass der kleinste Neigungswinkel E wenigstens 2° betragen sollte, um ein Verhalten zu zeigen, das Fertigungsschwankungen gegenüber robust ist. Vorzugsweise beträgt der kleinste Neigungswinkel E wenigstens 2,5° und besonders bevorzugt wenigstens 3°. Der Neigungswinkel wird vorzugsweise gegen eine Senkrechte zur Hauptachse 118 gemessen bzw. verglichen.
Experimente habe auch gezeigt, dass der steilste Neigungswinkel D zumindest 25° und vorzugsweise zumindest 30° betragen sollte. In bevorzugten Varianten mit zwei Kegelstumpfabschnitten beträgt der steilere Neigungswinkel D einmal 40° und ein anderes Mal 30°. Eine radiale Erstreckung des Modulatorbereichs 132 ist die Differenz G-F. Ein bevorzugtes Verhältnis der Tiefe H zu einer radialen Erstreckung des Modulatorbereichs 132, also ein Verhältnis H/(G-F), liegt im Bereich von 0,1 bis 0,4 und vorzugsweise im Bereich 0,15 bis 0,25. Mit anderen Worten, je radial breiter der Modulatorbereich 132 ist, umso vorteilhafter ist ein Übertragungsverhalten des Gehäuses 110.
Für eine hohe elektro-akustische Effizienz ist einerseits auf das bereits beschriebene Verhältnis H/B abzustellen. Andererseits ist ein möglichst geschmeidiger Übergang von der Dicke A der Aufnahme 130 zu der Dicke B der Bodenwand 112 Im Bereich des Übergangs 140 in die Seitenwand anzustreben. Hierfür vorteilhaft sind das Verhältnis der Neigungswinkel D, E und ein möglichst großer Radius des konvexen mittleren Übergangs 154, 158. Im vorliegenden Fall ist der mittlere Übergang 154 mit einem beispielhaften Radius von 0,75 mm bei einer Dicke B von 0,4 mm bzw. eine Dicke A von 0,94 mm ausgeführt. Mittels dieser Maßnahmen kann eine Radial-Mode bzw. Radialschwingungsform des bevorzugten Wandlerelements auf Piezobasis in vorteilhafter Weise effizient in eine Biegemode bzw. Biegeschwingungsform des Ultraschallwandlers 106 umgesetzt werden. Dabei sorgt die geschmeidige Form des Modulatorabschnitts 132 für ein Angleichen an die Impedanz des Wandlerelements.
Um einen Nachhall nach einem Aussenden eines Ultraschallpulses zu verkürzen, werden zwei Maßnahmen vorgeschlagen. Erstens kann der Innenraum 124 nach einer Montage des Wandlerelements mit einem dämpfenden Material vergossen oder gefüllt werden. Hierfür wird Silikon bevorzugt. Zweitens sollten gerade Flächen zwischen dem Wandlerelement bzw. der Aufnahme 130 und der Seitenwand 114 vermieden werden. Indem möglichst gekrümmte Flächen eingesetzt werden, kann ein Energieeintrag in das Dämpfungsmaterial verbessert und gleichmäßiger als bislang verteilt werden.
Schließlich ist anzumerken, dass ein möglichst geschmeidiger Verlauf des Modulatorbereichs 132 vermeidet, dass während einer Fertigung Grate, Abzeichnungen und/oder Markie- rungen an der Außenseite 136 der Bodenwand 112 entstehen, sodass eine Kundenakzeptanz verbessert wird.
Im Folgenden wird ein Gehäuse 200 gemäß einer zweite Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen. Dabei werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten Ausführungsform besprochen.
Die zweite Ausführungsform zeigt gewissermaßen eine Idealform der Erfindung an. Das Gehäuse 200 der zweiten Ausführungsform weist einen Modulatorbereich 132 auf, welcher zwischen der Aufnahme 130 und der Seitenwand 114 eine kontinuierliche Krümmung 202 an der Innenseite 120 aufweist. Ein Seitenwand-seitiger Neigungswinkel bzw. äußerer Neigungswinkel E beträgt zumindest 2°, vorzugsweise zumindest 2,5° und insbesondere zumindest 3°. Ein Aufnahme-seitiger bzw. innerer Neigungswinkel D beträgt vorliegend beispielhaft 60°.
Der Übergang 138 ist als eine scharfe Kante 204 ausgeführt. Der Übergang 140 ist als eine scharfe Kante 206 ausgeführt.
Die kontinuierliche Krümmung 202 folgt beispielsweise einer zu der Seitenwand 114 hin geöffneten Parabel, sodass die Dicke C des Modulatorbereichs nahe der Aufnahme 130 stärker abnimmt als nahe der Seitenwand 114. Insofern korrespondiert die an eine liegende Parabel angelehnte Gestaltung der kontinuierlichen Krümmung 202 mit dem Vorschlag, dass vorzugsweise von zwei Kegelstumpfabschnitten der flachere radial außen anzuordnen sei. Anstelle der Parabel-Form ist auch ein Verlauf nach einer Exponentialfunktion bevorzugt. Allgemeiner formuliert: Experimente haben gezeigt, dass ein stetig differenzierbarer Verlauf der Innenseite 120 der Bodenwand 1 14 den geschmeidigsten Verlauf und daher die höchste elektro-akustische Effizienz aufweist. Man kann den stetig differenzierbaren Verlauf auch als die Extremform von "zumindest zwei unterschiedlichen Neigungswinkeln" auffassen. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform, insbesondere auf die Beschreibung bevorzugter Abmessungen und Verhältnisse verwiesen.
Ein in der Fig. 5 gezeigtes Gehäuse 210 gemäß einer dritten Ausführungsform unterscheidet sich zum Gehäuse 200 gemäß der zweiten Ausführungsform in dem Übergang 138. Anstelle der scharfen Kante 204 ist die konkave Verrundung 156 vorgesehen. Im Übrigen wird auf die voranstehende Beschreibung, insbesondere der zweiten Ausführungsform, verwiesen.
Ein in der Fig. 6 gezeigtes Gehäuse 220 gemäß einer vierten Ausführungsform unterscheidet sich zum Gehäuse 210 gemäß der dritten Ausführungsform in dem Übergang 140. Anstelle der scharfen Kante 206 ist die konvexe Verrundung 158 vorgesehen. Im Übrigen wird auf die voranstehende Beschreibung, insbesondere die zweite und dritte Ausführungsform, verwiesen.
Schließlich zeigt die Fig. 7 ein Gehäuse 230 gemäß einer fünften Ausführungsform. Dieses unterscheidet sich zur ersten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, dass statt des mittleren Übergangs 154 zwischen den Kegelstumpfabschnitten 150 und 152 eine scharfe Kante 232 vorgesehen ist.
Es ist zu den beiliegenden Figuren sicherheitshalber anzumerken, dass der flachste Neigungswinkel in jeder der Figuren wenigstens 2° beträgt, auch wenn diese Feinheit figürlich schwer darstellbar ist.
Die angegebenen Maße beschreiben jeweils eine bevorzugte Ausführungsform. Sie können einzeln oder insgesamt andere Werte annehmen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. BEZUGSZEICHENLISTE
100 Fahrzeug
102 Umgebung
104 Steuergerät
106 Ultraschallwandler
110 Gehäuse
112 Bodenwand
114 Seitenwand
118 Hauptachse
120 Innenseite der Bodenwand
122 Innenseite der Seitenwand
124 Innenraum
126 Längsschnittebene
130 Aufnahme
132 Modulatorbereich
134 Flächenabschnitt
136 Außenseite
138 innerer Übergang
140 äu ßerer Überg ang
150 Kegelstumpfabschnitt
152 Kegelstumpfabschnitt
154 mittlerer Übergang
156 konkaver Übergang
158 konvexer Übergang
160 Kragen
162 Kragenabschnitt
164 Kragenabschnitt
170 Verdickung
200 Gehäuse 202 kontinuierliche Krümmung
204 scharfe Kante
206 scharfe Kante
210 Gehäuse 220 Gehäuse
230 Gehäuse
232 scharfe Kante
A innere Dicke
B äußere Dicke C Dicke des Modulatorbereichs
D innerer Neigungswinkel
E äußerer Neigungswinkel
F Radius
G Radius H Tiefe
J Radius

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) für einen Ultraschallwandler (106) zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung (102) eines Fahrzeugs (100), aufweisend eine umlaufende Seitenwand (114), welche eine Hauptachse (118) des Gehäuses (110) definiert, und eine Bodenwand (112), die eine zentrale Aufnahme (130) zum Tragen eines Wandlerelements und wenigstens einen Modulatorbereich (132) aufweist, wobei sich der Modulatorbereich (132) in einer Längsschnittebene (126), welche die Hauptachse (118) enthält, radial von der Aufnahme (130) bis zu einem Übergang (140) der Bodenwand (112) in die Seitenwand (114) erstreckt, wobei eine Dicke (C) der Bodenwand (112) über den gesamten Modulatorbereich (132) nach radial außen hin abnimmt, und wobei eine Innenseite (120) der Bodenwand (112) in dem Modulatorbereich (132) wenigstens zwei unterschiedliche Neigungswinkel (E, D) aufweist.
2. Gehäuse (200, 210, 220) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsschnittebene (126) die Innenseite (120) des Modulatorbereichs (132) in einer konvexen Rundung (202) verläuft.
3. Gehäuse (200, 210, 220) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (120) in der Längsschnittebene (126) zumindest einmal stetig differenzierbar verläuft.
4. Gehäuse (110, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulatorbereich (132) mehrere Kegelstumpfabschnitte (150, 152) mit unterschiedlichen Neigungswinkeln (D, E) enthält.
5. Gehäuse (110, 230) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei radial benachbarte Kegelstumpfabschnitte (150, 152) durch eine konvexe Rundung (158) ineinander übergehen.
6. Gehäuse (110, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenabschnitt (134) des Modulatorbereichs (132) umso weiter radial außen angeordnet ist, je flacher der jeweilige Flächenabschnitt (134) ist.
7. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Längsschnittebene (126) der Modulatorbereich (132) oder jeweils ein Modulatorbereich (132) symmetrisch zu der Hauptachse (1 18) erstreckt.
8. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (114) eine zu der Längsschnittebene (126) parallele Verdickung (170) aufweist.
9. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel (D, E) innen in dem Modulatorbereich (132) zumindest 2°, bevorzugt zumindest 2,5° und bevorzugter zumindest 3° beträgt.
10. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (114) zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung unterbrochen ist und/oder entlang der Umfangsrichtung betrachtet unterschiedlich weit von der Hauptachse auskragt.
11 . Gehäuse (110, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (120) der Bodenwand (112) mittels einer konkaven Rundung (156) von dem Modulatorbereich (132) in die Aufnahme (130) übergeht.
12. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (120) der Bodenwand (1 12) mittels einer konvexen Rundung (158) von dem Modulatorbereich (132) in eine Innenseite (122) der Seitenwand (114) übergeht.
13. Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (130) eine konstante Dicke (A) aufweist.
14. Ultraschallwandler (106) zum Erkennen eines Objekts in der Umgebung (102) eines Fahrzeugs (100), aufweisend ein Gehäuse (110, 200, 210, 220, 230) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem an und/oder in der Aufnahme (130) getragenen Wandlerelement.
15. Fahrzeug (100) mit einem Ultraschallwandler (106) nach Anspruch 14.
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