WO2001063595A1 - Ultraschallsensor mit einem topfförmigen schwingelement - Google Patents

Ultraschallsensor mit einem topfförmigen schwingelement Download PDF

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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor, in particular for parking aids in motor vehicles, with a cup-shaped oscillating element, the bottom of which serves as a membrane.
  • Such a sensor which functions according to the ultrasound echo principle, is known, for example, from DE 39 39 387 A1.
  • the inside of the membrane of this ultrasonic sensor carries a piezo disk, the membrane and the piezo disk each being designed in the form of a circular disk.
  • the piezo disk is excited to oscillate by an applied electrical voltage, so that ultrasound waves emitted via the outside of the membrane are generated.
  • At least some of these ultrasonic waves are received by the membrane as reflection signals in the subsequent microphone phase of the sensor after reflection from an obstacle, for example another parked vehicle, and are thereby transmitted in the form of vibrations to the piezo disk, due to the piezo effect on the An electrical voltage proportional to the vibrations is generated on the side of the piezo disk, which can be used as a parking aid signal after electronic processing.
  • the ultrasonic sensor known from DE 39 39 387 A1 has a diaphragm which partially covers the outside of the membrane and is designed in the form of a circular section, the chord of which runs parallel to a plane of symmetry of the sensor.
  • the solution according to the invention has the particular advantage that with an increasing number of piezoelectric transducers and thus an increasing asymmetry ratio, for example between the horizontal and vertical central plane of the radiation lobe, the sound power and thus the sensory effect increases
  • Another advantage of the invention is that by using several small piezo disks arranged next to one another, higher ultrasonic frequencies can be achieved than when using only a single large piezo disk. With several small piezo disks, finer and more precise and thus more powerful radiation lobes can also be modeled
  • An advantageous embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention consists in that it is additionally provided with mechanical means for achieving an asymmetrical sound directional diagram. Because of the increased vibration energy available when several piezoelectric transducers are used, a more detailed design of the sound directional diagram is possible, for example in such a way that not only a purely elliptical directional diagram in the XY section is possible, but also, for example, a trapezoidal directional diagram.
  • a directional diagram can be achieved with such a Uitraschai sensor, in which a lower sound power is emitted in the direction of the roadway level, so that accordingly less ground echoes are received, and in which a higher sound power is emitted vertically upwards, so that a correspondingly longer sensor range results or objects which are more difficult to detect, in particular Objects with low reflectivity can be detected Further preferred and advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • FIG. 1 is a plan view of a vibrating element of an ultrasonic sensor according to the invention in a sectional view
  • FIG. 2 is a side view of the vibrating element according to FIG. 1 in a sectional view
  • FIG. 3 shows a typical sound directional diagram of an ultrasonic sensor according to the invention in horizontal section
  • FIG. 5 is a plan view of a vibration element of a conventional ultrasonic sensor in a sectional view
  • FIG. 6 is a side view of the vibrating element according to FIG. 5 in a sectional view
  • FIG. 8 shows the sound directional diagram according to FIG. 7 in vertical section transverse to the longitudinal axis of the ultrasonic sensor.
  • FIGS. 5 and 6 show a vibrating element 1 of a conventional ultrasonic sensor for parking aids in motor vehicles.
  • the vibrating element 1 is cup-shaped and carries a circular piezo disk 3 on the inside of the bottom surface serving as membrane 2.
  • the piezo disk 3 is excited to vibrate for a certain time phase by an applied electrical voltage, so that 2 ultrasonic waves are emitted via the outside of the membrane , After reflection from an obstacle in the subsequent microphone phase of the sensor, these ultrasonic waves are received by the membrane 2 as echo signals and transmitted in the form of vibrations to the piezo disk 3.
  • the distance of the obstacle from the Uitraschaiis sensor being able to be calculated from the time difference between the transmission of the ultrasonic waves and the reception of the echo signals.
  • a Uitraschaiisensor with the construction shown in FIGS. 5 and 6 has an essentially club-shaped sound directional diagram, which has a largely rotationally symmetrical shape in vertical section (Z-section) transverse to the longitudinal axis of the ultrasonic sensor (see FIGS. 7 and 8).
  • a sound directional diagram has the disadvantage that undesirable echo effects, in particular ground echoes, occur with larger lobe shapes. If the lobe-shaped expansion of the sound directional diagram is reduced by a corresponding reduction in the sound power, the detection range of the ultrasonic sensor is also reduced in the horizontal direction, which results in unacceptable detection gaps.
  • the vibrating element 4 of an ultrasonic sensor according to the invention is likewise pot-shaped.
  • the oscillating element 4 has a circumferential cylindrical side wall and a bottom surface serving as a membrane 5.
  • two piezoelectric bending transducers 6, 7 are fastened to the inside of this membrane 5.
  • the transducers 6, 7, which are arranged next to one another in the form of a circular disk, are excited to vibrate in parallel and in the same direction of vibration during the transmission operation of the ultrasound sensor and, in the subsequent microphone phase, reproduce the received echo signals in parallel as an electrical output voltage.
  • the bending transducers 6, 7 are controlled by means of a small electrical transformer (not shown). It can be seen that the two disk-shaped piezoelectric transducers 6, 7 are arranged at a slight distance from one another and from the peripheral side wall of the pot-shaped vibrating element 4.
  • the oscillating element 4 is provided on the inside with two arcuate diaphragms 8, 9 which are arranged at a distance from the membrane 5.
  • the diaphragms 8, 9 are arranged so that they do not cover the piezoelectric transducers 6, 7.
  • the cup-shaped oscillating element can also have one or more recesses and / or ribs, which are preferably arranged on the inside and / or outside of the membrane.
  • FIGS. 3 and 4 show a typical sound directional diagram of an ultrasonic sensor with a vibrating element according to FIGS. 1 and 2, with FIG. 3 a horizontal section (Z section) and FIG. 4 a vertical section (Y section) transverse to Longitudinal axis of the pot-shaped vibrating element.
  • the large asymmetrical effect of the ultrasonic sensor according to the invention can be seen in particular from FIG. 4.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Rather, a number of variants are conceivable.
  • three or more piezoelectric transducers can also be attached to the membrane 5.
  • oval, rectangular or asymmetrical piezoelectric transducers can also be used instead of circular ones.
  • the piezoelectric transducers 6, 7 of the ultrasound sensor according to the invention can not only vibrate in parallel and in the same direction of vibration in the transmission mode.
  • the piezoelectric transducers 6, 7 can also be controlled separately and in particular out of phase. Such control enables the generation of specially designed sound directional diagrams and can therefore bring significant advantages in certain situations.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement (4), dessen Boden als Membran dient. Erfindungsgemäß sind an der Membran (5) mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler (6, 7) nebeneinander befestigt. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor zeichnet sich durch ein Schall-Richtdiagramm mit besonders großer Asymmetrie aus.

Description

ULTRASCHALLSENSOR MIT EINEM TOPFFÖRMIGEN SCHWINGELEMENT .
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement, dessen Boden als Membran dient.
Ein derartiger, nach dem Ultraschall-Echoprinzip funktionierender Sensor ist beispielsweise aus der DE 39 39 387 A1 bekannt. Die Membran dieses Ultraschallsensors trägt innenseitig eine Piezoscheibe, wobei Membran und Piezoscheibe jeweils kreisscheibenförmig ausgebildet sind. Die Piezoscheibe wird in der Sendephase des Sensors durch eine angelegte elektrische Spannung zum Schwingen angeregt, so daß über die Außenseite der Membran abgestrahlte Ultraschallwellen erzeugt werden. Von diesen Ultraschallwellen wird zumindest ein Teil nach Reflexion an einem Hindernis, beispielsweise einem anderen parkenden Fahrzeug, als Echosignale in der anschließenden Mikrofonphase des Sensors von der Membran empfangen und dabei in Form von Schwingungen auf die Piezoscheibe übertragen, wobei aufgrund des Piezo-Effektes an den Scheibenseiten der Piezoscheibe eine den Schwingungen proportionale elektrische Spannung entsteht, die nach elektronischer Aufbereitung als Einparkhilfe-Signal verwertbar ist.
Es wurden bereits verschiedene Konstruktionen für Ultraschallsensoren der hier interessierenden Art vorgeschlagen, die darauf abzielen, den Detektionsbereich des Sensors zu beeinflussen, um unerwünschte Echowirkungen, insbesondere den Empfang von Bodenechos zu vermeiden. Der aus der DE 39 39 387 A1 bekannte Ultraschallsensor weist hierzu eine die Außenseite der Membran teilweise abdeckende Blende auf, die in Form eines Kreisabschnittes ausgebildet ist, dessen Sehne parallel zu einer Symmetrieebene des Sensors verläuft.
Aus der DE 37 32 410 A1 ist ein gattungsgemäßer Uitraschaiisensor bekannt, dessen Membran in wenigstens einer ihrer Oberflächen zueinander parallel verlaufende Rillen aufweist. Diese Rillen bewirken, daß die bei herkömmlichen, solche Rillen nicht aufweisenden Ultraschallsensoren weitgehend symmetrischen Schwingungen der Piezoscheibe bzw. Membran so verzerrt werden, daß sich bezogen auf die Flächennormale der Membran ein asymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm ergibt. Die Herstellung dieser Rillen ist relativ aufwendig, wobei das realisierbare Asymmetrieverhältnis dabei ohnehin begrenzt ist. Hinzu kommt eine Verschlechterung des akustischen und somit sensorischen Wirkungsgrades. Zum Stand der Technik bezüglich der Beeinflussung des Detektionsbereichs gattungsgemaßer Ultraschallsensoren wird ferner auf die deutschen
Offenlegungsschπften DE 44 13 894 AI , DE 34 41 684 AI und DE 31 37 745 A1 verwiesen
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Uitraschaiisensor zu schaffen, der bei hohem Wirkungsgrad ein Schall-Richtdiagramm mit großer Asymmetrie aufweist sowie relativ einfach und auch in Großserie zuverlässig reproduzierbar herzustellen ist
Diese Aufgabe wird bei einem Uitraschaiisensor der eingangs genannten Art erfindungsgemaß dadurch gelost, daß an der Membran mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler nebeneinander befestigt sind
Die erfindungsgemaße Losung hat insbesondere den Vorteil, daß mit steigender Anzahl der piezoelektrischen Wandler und somit steigendem Asymmetneverhaltnis, z B zwischen horizontaler und vertikaler Mittelebene der Strahlungskeule, die Schalleistung und somit die sensorische Wirkung ansteigt
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung von mehreren kleinen, nebeneinander angeordneten Piezoscheiben höhere Ultraschalifrequenzen realisiert werden können als bei der Verwendung lediglich einer einzigen großen Piezoscheibe Mit mehreren kleinen Piezoscheiben können zudem feinere und genauere und somit leistungsfähigere Strahlungskeulen modelliert werden
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors besteht dann, daß dieser zusätzlich mit mechanischen Mitteln zur Erzielung eines asymmetrischen Schall-Richtdiagramms versehen ist Aufgrund der beim Einsatz von mehreren piezoelektrischen Wandlern erhöht zur Verfugung stehenden Schwingungsenergie ist somit eine detailliertere Ausbildung des Schall-Richtdiagramms möglich, zum Beispiel in der Art, daß nicht nur ein rein elliptisches Richtdiagramm im X-Y-Schnitt möglich ist, sondern auch beispielsweise ein trapezförmiges Richtdiagramm Insbesondere kann mit einem derartigen Uitraschaiisensor ein Richtdiagramm erzielt werden, bei welchem in Richtung der Fahrbahnebene eine geringere Schalleistung abgestrahlt wird, so daß entsprechend weniger Bodenechos empfangen werden, und bei dem vertikal nach oben eine höhere Schalleistung abgestrahlt wird, so daß sich eine entsprechend höhere Sensorreichweite ergibt bzw auch schwieriger detektierbare Objekte, insbesondere Objekte mit geringem Reflexionsvermogen erfaßt werden können Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung,
Fig. 2 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 1 in Schnittdarstellung,
Fig. 3 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt,
Fig. 4 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 3 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schwingelement eines herkömmlichen Ultraschallsensors in Schnittdarstellung,
Fig. 6 eine Seitenansicht auf das Schwingelement gemäß Fig. 5 in Schnittdarstellung,
Fig. 7 ein typisches Schall-Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallsensors im Horizontalschnitt, und
Fig. 8 das Schall-Richtdiagramm gemäß Fig. 7 im Vertikalschnitt quer zur Längsachse des Ultraschallsensors.
In den Figuren 5 und 6 ist ein Schwingelement 1 eines herkömmlichen Ultraschallsensors für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen dargestellt. Das Schwingelement 1 ist topfförmig ausgebildet und trägt auf der Innenseite der als Membran 2 dienenden Bodenfläche eine kreisförmige Piezoscheibe 3. Die Piezoscheibe 3 wird für eine bestimmte Zeitphase durch eine angelegte elektrische Spannung zum Schwingen angeregt, so daß über die Außenseite der Membran 2 Ultraschallwellen ausgesandt werden. Diese Ultraschallwellen werden nach Reflexion an einem Hindernis in der anschließenden Mikrofonphase des Sensors von der Membran 2 als Echosignale empfangen und in Form von Schwingungen auf die Piezoscheibe 3 übertragen. An den Scheibenseiten der Piezoscheibe 3 entsteht dabei aufgrund des Piezo-Effektes eine den Schwingungen proportionale elektrische Spannung, wobei aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Ultraschallwellen und dem Empfang der Echosignale der Abstand des Hindernisses von dem Uitraschaiisensor errechnet werden kann.
Ein Uitraschaiisensor mit dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Aufbau besitzt ein im wesentlichen keulenförmiges Schall-Richtdiagramm, das im Vertikalschnitt (Z-Schnitt) quer zur Längsachse des Ultraschallsensors eine weitestgehend rotationssymmetrische Form aufweist (vgl. Figuren 7 und 8). Ein derartiges Schall-Richtdiagramm hat jedoch den Nachteil, daß bei größeren Keulenformen unerwünschte Echowirkungen, insbesondere Bodenechos entstehen. Wird die keulenförmige Ausdehnung des Schall- Richtdiagramm durch entsprechende Verringerung der Schalleistung verkleinert, verkleinert sich auch der Detektionsbereich des Ultraschallsensors in horizontaler Richtung, was inakzeptable Detektionslücken zur Folge hat.
Das in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellte Schwingelement 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist ebenfalls topfförmig ausgebildet. Das Schwingelement 4 weist eine umlaufende zylindrische Seitenwand und eine als Membran 5 dienende Bodenfläche auf. An der Innenseite dieser Membran 5 sind im Gegensatz zu der Membran 2 des in den Figuren 5 und 6 gezeigten Schwingelements 1 zwei piezoelektrische Biegewandler 6, 7 befestigt. Die nebeneinander angeordneten kreisscheibenförmig ausgebildeten Wandler 6, 7 werden während des Sendebetriebs des Ultraschalisensors parallel und in derselben Schwingrichtung zum Schwingen angeregt und geben in der anschließenden Mikrofonphase die empfangenen Echosignale parallel als elektrische Ausgangsspannung wieder. Die Ansteuerung der Biegewandler 6, 7 erfolgt mittels eines kleinen elektrischen Transformators (nicht gezeigt). Es ist zu erkennen, daß die beiden scheibenförmigen piezoelektrischen Wandler 6, 7 mit geringfügigem Abstand zueinander sowie zur umlaufenden Seitenwand des topfförmigen Schwingelements 4 angeordnet sind.
Zur Verstärkung der Asymmetrie des Sensorrichtdiagramms ist das Schwingeiement 4 innenseitig mit zwei bogenförmig ausgebildeten Blenden 8, 9 versehen, die beabstandet zu der Membran 5 angeordnet sind. Die Blenden 8, 9 sind dabei so angeordnet, daß sie die piezoelektrischen Wandler 6, 7 nicht überdecken. Alternativ zu den Blenden oder zusätzlich dazu kann das topfförmige Schwingelement auch eine oder mehrere Ausnehmungen und/oder Rippen aufweisen, die vorzugsweise auf der Innenseite und/oder der Außenseite der Membran angeordnet sind.
In den Figuren 3 und 4 ist ein typisches Schall-Richtdiagramm eines Ultraschallsensors mit einem Schwingelement gemäß den Figuren 1 und 2 dargestellt, wobei die Fig. 3 einen Horizontalschnitt (Z-Schnitt) und Fig. 4 einen Vertikalschnitt (Y-Schnitt) quer zur Längsachse des topfförmigen Schwingelements darstellt. Insbesondere anhand der Fig. 4 läßt sich die große asymmetrische Wirkung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors erkennen.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar. So können beispielsweise auch drei oder noch mehr piezoelektrische Wandler auf der Membran 5 befestigt sein. Des weiteren können anstelle von kreisrunden auch ovale, rechteckige oder unsymmetrische piezoelektrische Wandler zum Einsatz kommen.
Ferner können die piezoelektrischen Wandler 6, 7 des erfindungsgemäßen Ultraschalisensors im Sendebetrieb nicht nur parallel und in der selben Schwingungsrichtung schwingen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können die piezoelektrischen Wandler 6, 7 auch separat und insbesondere phasenverschoben angesteuert werden. Eine solche Ansteuerung ermöglicht die Erzeugung besonders ausgebildeter Schall- Richtdiagramme und kann daher in gewissen Situationen signifikante Vorteile bringen.

Claims

PAT E N TA N S P R U C H E
1. Uitraschaiisensor, insbesondere für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen, mit einem topfförmigen Schwingelement (4), dessen Boden als Membran (5) dient, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membran (5) mindestens zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler (6, 7) nebeneinander befestigt sind.
2. Uitraschaiisensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (6, 7) während des Sendebetriebs des Sensors parallel und in der selben Schwingrichtung schwingen.
3. Uitraschaiisensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Wandlern (6, 7) eine Einrichtung zugeordnet ist, durch die die Wandler (6, 7) separat angesteuert werden.
4. Uitraschaiisensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Wandlern (6, 7) eine Einrichtung zugeordnet ist, durch die die Wandler (6, 7) phasenverschoben angesteuert werden.
5. Uitraschaiisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler (6, 7) kreisscheibenförmig ausgebildet sind.
6. Uitraschaiisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler oval ausgebildet sind.
7. Uitraschaiisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler rechteckig ausgebildet sind.
8. Uitraschaiisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler eine unsymmetrische Form aufweisen.
9. Uitraschaiisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Schwingelement (4) eine oder mehrere Ausnehmungen, Rippen und/oder Blenden (8, 9) aufweist.
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