WO2008125260A1 - Invisible ultrasonic sensor - Google Patents

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WO2008125260A1
WO2008125260A1 PCT/EP2008/002797 EP2008002797W WO2008125260A1 WO 2008125260 A1 WO2008125260 A1 WO 2008125260A1 EP 2008002797 W EP2008002797 W EP 2008002797W WO 2008125260 A1 WO2008125260 A1 WO 2008125260A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoceramic
component
module
ultrasonic transmitter
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/002797
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Knut Schmidt
Hans Ferkel
Thomas Daue
Original Assignee
Volkswagen Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen Aktiengesellschaft filed Critical Volkswagen Aktiengesellschaft
Publication of WO2008125260A1 publication Critical patent/WO2008125260A1/en

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    • 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
    • G10K9/20—Sounding members

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor with the preamble of claim 1 and a component with the preamble of claim 12.
  • ultrasonic sensors are currently used to measure the distance of the motor vehicle from an object.
  • the ultrasonic sensor is used here, for example, in conjunction with a distance display and a parking aid.
  • the ultrasound sensor emits a directed ultrasound signal by means of a vibrating diaphragm or generally an actuator, which is reflected at the object and is subsequently detected by the ultrasound sensor itself or another sensor.
  • the transit time of the ultrasound signal can be used to determine the distance of the object at which the ultrasound signal was reflected.
  • the ultrasonic sensor is usually mounted in a module on or in the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensor is received by a holder which allows attachment, for example, inside the bumper. In the bumper an opening is provided, through which the ultrasonic sensor can emit the ultrasonic signals to the outside.
  • the sensors and their holders are pre-painted in a corresponding body color or chrome-plated.
  • the sensors and their holders are pre-painted in a corresponding body color or chrome-plated.
  • mounting holes punched on painted bumpers glued the pre-painted holder and also pre-painted sensors in the holder (along with a plastic ring for acoustic decoupling of the sensor from the bumper) - clipped.
  • the sensors are therefore not covered, but designed in the same color, so that they are barely visible.
  • the publication describes a method for concealed installation of a sensor in a motor vehicle outer part, characterized in that the sensor at a predetermined location of the motor vehicle outer part, preferably arranged flush with the membrane to the outer surface of the motor vehicle outer part and that at least the location , on which the sensor is located, is provided with a cover adapted to the contour of the motor vehicle outer part:
  • the patent application also describes an associated device.
  • Ultrasonic measuring systems are installed, for example, to perform a distance measurement for parking aids.
  • the measuring systems are based on thin, circular piezoceramic disks, which are applied to the bottom of a barrel-shaped metal cap.
  • an electronics for sensor-related analysis of the signals is additionally installed and encapsulated.
  • An air ultrasonic field is emitted via the circular piezoceramic disks, which is reflected upon impact with an obstacle and sensed by the same piezoceramic disk. From the duration of the reflected signal, the distance of an obstacle can be calculated.
  • the sensors are usually mounted today at the position of the bumper with the largest bulge. Hereby they are usually in the painted area of the bumper. In two-part bumpers, a partial positioning is also possible in the lower, non-painted area. But then a directional mode of action parallel to the roadway is possible here usually still appropriate Hutzen must be formed on the lower bumper section, which affect the visual appearance even more.
  • the object of the invention is advantageously achieved by an ultrasonic transmitter and / or receiver (ultrasonic sensor) with an actuator for transmission and a sensor for receiving vibrations and associated electronics for generating and evaluating the vibrations by advantageously provided that the one component for Swinging ing, emitting actuator and / or receiving sensor is a piezoceramic element with a specifiable actuator and / or sensory performance, is within a piezoceramic module, which is not visible from the outside integrated into the component or can be applied to the component.
  • Ultrasound systems mostly work as resonant systems.
  • the electrical impedance becomes a minimum at the resonance frequency, so that a high mechanical oscillation yield of the ultrasonic transducer is achieved even with small electrical excitation powers.
  • the necessary electrical excitation power to ensure the desired functional.
  • the operation of the measuring system depends on the one hand on the coupling [application or integration of the piezoceramic module as an ultrasonic transducer on the component] of the piezoceramic module. If the piezoceramic module, as in the prior art, is coupled to air, a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency.
  • a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency likewise has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency, but rises due to the coupling of the piezoceramic Module to a component, the neces- table electrical excitation power against a coupled to air piezoceramic ultrasonic transducer.
  • the piezoceramic element and thus the piezoceramic module from the outset depending on the structure on a certain power requirements. Due to the structure of the piezoceramic element and thus of the piezoceramic module, the operation outside a self-resonant point is already expected to increase the power requirement due to the design.
  • the air-coupled ultrasonic transducers in use operate at electrical excitation frequencies in a range of 20 kHz to 200 kHz.
  • a piezoceramic element is simultaneously used both as an actuator and as a sensor in a device.
  • the actuator and sensor it is of course also possible to design the actuator and sensor in different devices and to send them via at least one device and to receive them via at least one other device.
  • actuator and sensor When using the actuator and sensor in separate devices, these can each have the same structure or else have different piezoceramic element designs, in order to make optimum use of, for example, the different transmission or reception characteristics.
  • ultrasonic sensor always means an ultrasonic transmitter and / or receiver.
  • the actuator and / or sensor as piezoceramic element is a composite of at least one piezoceramic fiber and / or at least one piezoceramic rod and / or at least one piezoceramic film (plate) with other materials, such as plastics or metals such as aluminum, educated.
  • This piezoceramic element produced as a composite is formed into a surface module in that flat, thin elements are formed which consist of piezoceramic foils or piezoceramic wands or piezoceramic fibers in combination with other materials. are built and by electrodeposition, contacting and isolation yield a usable piezoceramic module.
  • This piezoceramic element produced as a composite can also be formed into a volume module as a volume element, in that piezoceramic films, piezoceramic rods or piezoceramic fibers are more voluminous in combination with other materials - resulting in a not only flat, thin body - are constructed and result in an insertable piezoceramic module by electrodation, contacting and insulation.
  • the modules can be electrically contacted with a planar electrode or an interdigital electrode.
  • the associated electronics are preferably arranged close to the sensor, but can also be arranged remote sensor in a further embodiment.
  • An ultrasonic sensor thus has at least one piezoceramic element as an actuator and / or sensor and can be integrated in a component or on a back side of the component such that the oscillating piezoelectric ceramic module excites the component to vibrate, which in turn vibrates radiates in / to the environment and / or finally transmits the vibrations arriving from the environment via the excited component to the piezoceramic module.
  • connection between the component and piezoceramic module is designed such that only a part of the component [subregion] in which the piezoceramic module is integrated or applied is excitable by the emitted and / or received vibrations.
  • a mechanical impedance difference between the component and the subregion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations can be achieved by decoupling between piezoceramic module and component itself.
  • the mechanical impedance difference by the variation of stiffness and / or mass of the portion of the component relative to the component is adjustable.
  • the mechanical impedance difference is adjustable in a first embodiment, for example, by the variation of stiffness and / or mass by stiffening layers between piezoceramic module and the portion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, can be arranged.
  • the mechanical impedance difference is adjustable in a second embodiment by the variation of stiffness and / or mass, by at the back in the partial region of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, a ribbed to the component ribbed around the piezoceramic Module is executed around as a mechanical impedance jump.
  • the shape, size and stiffness - e.g. by the variation of area, thickness and curvature - of the piezoceramic module and its shape, size and rigidity of the coupling to the bumper - e.g. by selecting the stiffening position, area, thickness and curvature - be determined.
  • a bumper or the like As a component in or on which an inventive ultrasonic sensor is arranged, for example, a bumper or the like is provided.
  • plastic and fiber-reinforced plastic for example, glass or carbon fibers
  • all attachments made of plastic and fiber-reinforced plastic such as bumpers, bumpers, door guards, side guards, spoilers, license plates, door handles or exterior mirror housings are eligible components.
  • the inventive ultrasonic sensors should be applied in the non-visible region or be constructed of a transparent piezoceramic.
  • the inventive ultrasonic sensor can be applied to the back of the mirror.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is also applied or integrated on or in cast iron or extruded structures of, for example, aluminum or magnesium in the area of the supporting structure of the body or else in the unit or chassis area.
  • the mechanical impedance matching must take place via the variation of stiffness and / or mass or also a corresponding design of a surrounding ribbing.
  • Piezoceramic elements are therefore used as actuators and / or sensors of an ultrasonic sensor for the new technology.
  • These elements also used in ultrasound technology in the underwater area (sonar) produce a thickness vibration in the molding.
  • the piezo fibers are aligned in parallel. When electrically controlled, the position of the fibers changed simultaneously, so that a thickness vibration takes place on a radiation in the fiber longitudinal direction.
  • the frequency of the oscillator can be adjusted via fiber diameter and fiber volume content.
  • piezoceramic modules are constructed either from piezoceramic foils (plates), rods or fibers. These are electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. In planar application of the element, a bending deformation and / or a thickness vibration is introduced into the structural component.
  • the frequency of the radiation can be determined by the basic stiffness of the structural component as well as by size and structure of the piezoelectric element set.
  • Bulky piezoceramic modules are also constructed either from piezoceramic foils or from piezoceramic rods or fibers. However, these are also electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. With voluminous application of the element, a small bending deformation but above all a thickness oscillation is likewise introduced into the structural component. The frequency of the radiation can be adjusted by the basic rigidity of the structure as well as the size and structure of the piezoelectric element.
  • the piezoceramic elements described here or the formed piezoceramic modules can be applied in or behind, for example, a bumper made of a plastic.
  • the piezoceramic elements or piezoceramic modules are not visually visible the assembly (especially in painted bumpers) is significantly simplified there is a higher freedom of design, the elements no longer optical
  • the planar piezoceramic modules for example, integrated in the plastic or applied to the back of the bumper and thus excited the bumper on the piezoceramic modules for emitting the ultrasound.
  • They To decouple the individual modules, they must each be connected in such a way that they excite only a small area of the bumper area to vibrate. This can be set constructively via a mechanical impedance difference (variation of stiffness and / or masses) between the areas where a piezo element is integrated or applied and the remaining area of the bumper.
  • thin stiffening layers for example, thin sheet metal
  • a glued additional ribbing around the element as a mechanical impedance jump is conceivable. Partial weakening in the plastic thickness of the bumper are only possible, as long as they are not visually apparent from the outside.
  • the piezoelectric elements can be electrically driven and operated at the resonance frequency or else outside the resonance frequency.
  • the mechanical structure of the ultrasonic sensor according to the invention and the basic structure is adjusted and adapted in the mechanical impedance so that it resonates at the desired ultrasonic frequency.
  • a high ultrasonic pressure can be generated with low electrical excitation power.
  • the system When designed in non-resonant mode, the system operates at an ultrasonic frequency outside the resonant frequency. Here an adapted higher electrical power is necessary to produce the appropriate range. However, the influence of the above-mentioned disturbances on the quality of the ultrasonic signals is no longer so great.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is used for object detection and distance measurement and can be used in all applications, such as the previous known ultrasonic sensors also.
  • piezoceramic modules could be used to generate an audible warning sound prescribed in some countries when reversing.
  • the elements or modules used would work as speakers in an audible frequency band
  • the ultrasonic sensors distributed on a component can serve as contact force sensor (s) in the event of a crash.
  • a component for example the bumper
  • Such an ultrasonic sensor can be used to detect a crash via the object detection and distance measurement as a precrash sensor and at the same time as a contact force sensor as a crash sensor.
  • FIG. 1 shows an example in a sectional view of the mechanical structure of a Verrip- pung - second embodiment variant - to adapt the mechanical impedance of the piezoceramic module - against the component;
  • FIG. 1 piezoceramic fiber composite (composite) elements
  • FIG. 4 piezoceramic module in d31 design in a schematic representation.
  • Figure 1 shows a second embodiment in which a piezoceramic module 20 on the back of a component 30, for example, on the back of a bumper was applied.
  • a mechanical impedance difference between the remaining region of the bumper 30 and the portion 100 of the bumper 30 ( Figure 1), which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, by a decoupling between the piezoceramic module 20 and the remaining area of the bumper 30 reachable.
  • a size of the mechanical impedance difference is adjustable in the second embodiment by the variation of the rigidity, by at the back in the portion 100 of the bumper 30, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, bonded to the bumper 30 ribbing 50, around the piezoceramic module 20 around, thereby producing a predeterminable mechanical impedance jump in the bumper 30 is executed.
  • an adhesive layer for attaching the ribbing 50, wherein the adhesive layer between the piezoceramic module ⁇ 20 and the ribbing 50 is formed in an adhesive joint 40.
  • the self-shape 60 of the bumper 30 changes in the excitation case of the piezoceramic element 10A, 10B of the piezoceramic module 20 by the glued ribbing 50 only in the partial area 100.
  • the ribbing 50 in this partial area 100 is a mechanical impedance difference or impedance jump around the Piezoceramic module 20 around the remaining area of the bumper is adjustable.
  • the mass of the bumper 30 is changed in this partial region 100, for example by a thicker or thinner design of the material of the bumper 30 (not shown) compared with the material thickness of the bumper 30 in the remaining region This also achieves the desired mechanical impedance difference or impedance jump for adjusting the piezoceramic module 20.
  • the measures stiffness change and mass change of the component 30 can be executed individually or in combination.
  • the ribbing 50 used is, for example, a carbon fiber box which forms a partial ribbing 50 or circumferential ribbing 50 around the piezoceramic module 20, so that the rigidity of the bumper 30 can be changed in this area and thereby the mechanical impedance jump between the bumper 30 in the remaining area and the bumper 30 in the sub-area 100 makes adjustable.
  • the arrangement of stiffening layers (not shown), for changing the rigidity of the component in the partial area 100 relative to the remaining area of the bumper preferred.
  • a thin, planar piezoceramic module 2OA as well as a voluminous piezoceramic module 2OB, can be arranged.
  • the piezoceramic modules 2OA, 2OB differ in terms of the bending deformation and / or thickness vibration (deflection) that can be generated, which is / are introduced into the component 30 predominantly in the partial area 100.
  • FIG. 2 shows such different piezoceramic modules, the piezoceramic modules 2OA shown with the reference numeral 2OA showing thin planar modules and the voluminous piezoceramic modules 2OB representing the reference numeral 2OB.
  • FIG. 2 illustrates, different geometric shapes of the piezoceramic elements 10A, 10B can be produced both for planar and voluminous piezoceramic modules 20A, 20B (not shown in the planar piezoceramic modules 20A).
  • these piezoceramic elements 10A, 10B form the corresponding piezoceramic modules 20A, 20B with the properties desired for piezoceramic modules.
  • FIG. 3 shows that piezoceramic modules 2OA, 2OB are direction-dependent with regard to the piezoelectric effect because of the anisotropic nature of piezoceramic.
  • the axes 1, 2 and 3 are introduced (analogous to the x, y and z axes of the Cartesian coordinate system).
  • the polarization direction (axis 3) is determined during polarization by an electric field (between the polarizing electrodes).
  • the piezo properties in this direction are usually the most important. Here is the biggest deflection.
  • FIG. 3 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d33.
  • D33 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of strain (deflection) parallel to the polarization vector of the ceramic (thickness).
  • an electric field is applied in the direction of polarization (axis 3) and the strain takes place in the same direction (axis 3).
  • FIG. 4 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d31.
  • D31 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of contraction (deflection) as a geometry change orthogonal to the polarization of the ceramic (width).
  • an electric field is applied in the direction (axis 3), but the deflection takes place in the direction of the axis 1 (that is, orthogonal to the polarization axis).
  • the +/- electrodes 80 are in the embodiment of the figure 4 electrically connected via each top and bottom of the piezoceramic module 20 arranged metallic electrode layers 90 together.

Abstract

The invention relates to an ultrasonic transmitter and/or receiver (ultrasonic sensor) comprising an actuator for emitting and/or a sensor for receiving oscillations and an associated electronic system for generating and/or evaluating said oscillations. According to the invention, the emitting actuator that excites a component (30) to oscillate and/or the receiving sensor is a piezoceramic element (10) with a predefinable actuating and/or sensing capacity within a piezoceramic module (20), the latter being invisibly integrated into or attached to the component (30).

Description

Beschreibung description
Nicht sichtbarer UltraschallsensorNon-visible ultrasonic sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit dem Oberbegriff nach Anspruch 1 und ein Bauteil mit dem Oberbegriff nach Anspruch 12.The present invention relates to an ultrasonic sensor with the preamble of claim 1 and a component with the preamble of claim 12.
Bei Kraftfahrzeugen werden derzeit Ultraschallsensoren zur Messung der Entfernung des Kraftfahrzeugs von einem Objekt eingesetzt. Der Ultraschallsensor wird hierbei zum Beispiel in Verbindung mit einer Entfernungsanzeige und einer Einparkhilfe eingesetzt. Für die Entfernungsmessung emittiert der Ultraschallsensor mittels einer schwingenden Membran oder allgemein einem Aktor ein gerichtetes Ultraschallsignal, das an dem Objekt reflektiert wird und daraufhin von dem Ultraschallsensor selbst oder einem anderen Sensor detektiert wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals lässt sich der Abstand des Objekts bestimmen, an dem das Ultraschallsignal reflektiert wurde. Der Ultraschallsensor wird üblicherweise in einem Modul an oder in dem Kraftfahrzeug befestigt. Üblicherweise wird hierbei der Ultraschallsensor von einer Halterung aufgenommen, die eine Befestigung zum Beispiel im Inneren des Stoßfängers erlaubt. In dem Stoßfänger ist eine Öffnung vorgesehen, durch welche der Ultraschallsensor die Ultraschallsignale nach außen emittieren kann.In motor vehicles, ultrasonic sensors are currently used to measure the distance of the motor vehicle from an object. The ultrasonic sensor is used here, for example, in conjunction with a distance display and a parking aid. For the distance measurement, the ultrasound sensor emits a directed ultrasound signal by means of a vibrating diaphragm or generally an actuator, which is reflected at the object and is subsequently detected by the ultrasound sensor itself or another sensor. The transit time of the ultrasound signal can be used to determine the distance of the object at which the ultrasound signal was reflected. The ultrasonic sensor is usually mounted in a module on or in the motor vehicle. Usually, in this case, the ultrasonic sensor is received by a holder which allows attachment, for example, inside the bumper. In the bumper an opening is provided, through which the ultrasonic sensor can emit the ultrasonic signals to the outside.
Solche Ultraschallsensoren oder Ultraschallwandler die sich hinsichtlich Aufbau und verwendeter Technologie unterscheiden sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 197 14 606 A1 , der DE 100 18 807 A1 bekannt.Such ultrasonic sensors or ultrasonic transducers which differ in terms of construction and the technology used are known, for example, from the publications DE 197 14 606 A1, DE 100 18 807 A1.
Neben der Technologie sind in letzter Zeit auch die Ansprüche der Hersteller und Käufer hinsichtlich der Anordnung und des Designs des Bauteiles in einem Endprodukt, in das der Ultraschallsensor integriert werden soll, gestiegen.In addition to the technology, the demands of manufacturers and buyers regarding the arrangement and design of the component in an end product in which the ultrasonic sensor is to be integrated have lately also increased.
Beispielsweise werden die Sensoren und deren Halter in einer entsprechenden Wagenfarbe vorlackiert oder auch verchromt. So werden beispielsweise, wie im Wesentlichen in der Patentschrift DE 100 23 065 B4 beschrieben, Befestigungslöcher an lackierte Stoßfänger ausgestanzt, die vorlackierten Halter eingeklebt und die ebenfalls vorlackierten Sensoren im Halter (zusammen mit einem Kunststoff-Ring zur akustischen Entkopplung des Sensors vom Stoßfänger) ein- geklipst. In der DE 199 23 065 B4 sind die Sensoren also nicht verdeckt, sondern in der gleichen Farbe gestaltet, so dass sie kaum noch sichtbar sind.For example, the sensors and their holders are pre-painted in a corresponding body color or chrome-plated. Thus, for example, as described essentially in the patent DE 100 23 065 B4, mounting holes punched on painted bumpers, glued the pre-painted holder and also pre-painted sensors in the holder (along with a plastic ring for acoustic decoupling of the sensor from the bumper) - clipped. In DE 199 23 065 B4, the sensors are therefore not covered, but designed in the same color, so that they are barely visible.
Eine andere Lösung ist in der DE 44 10 895 A1 vorgesehen. Die Offenlegungsschrift beschreibt ein Verfahren zum verdeckten Einbau eines Sensors in einem Kraftfahrzeug-Außenteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einer vorgegebenen Stelle des Kraftfahrzeug-Außenteils, vorzugsweise mit der Membran flächenbündig zur Außenfläche des Kraftfahrzeug-Außenteils fest angeordnet wird und dass wenigstens die Stelle, an der sich der Sensor befindet, mit einer der Kontur des Kraftfahrzeug-Außenteils angepassten Abdeckung versehen wird: Die Patentanmeldung beschreibt zudem eine zugehörige Vorrichtung.Another solution is provided in DE 44 10 895 A1. The publication describes a method for concealed installation of a sensor in a motor vehicle outer part, characterized in that the sensor at a predetermined location of the motor vehicle outer part, preferably arranged flush with the membrane to the outer surface of the motor vehicle outer part and that at least the location , on which the sensor is located, is provided with a cover adapted to the contour of the motor vehicle outer part: The patent application also describes an associated device.
Ultraschall-Messsysteme werden beispielsweise verbaut, um eine Abstandsmessung für Einparkhilfen durchzuführen. Die Messsysteme basieren auf dünnen, kreisrunden Piezokeramik- Scheiben, die auf den Boden einer tonnenförmigen Metallkappe appliziert werden. In dieser Kappe ist zusätzlich eine Elektronik zur sensornahen Analyse der Signale verbaut und vergossen. Über die kreisförmige Piezokeramik-Scheiben wird ein Luft-Ultraschallfeld abgestrahlt, das beim Auftreffen auf ein Hindernis reflektiert wird und von der gleichen Piezokeramikscheibe sensiert wird. Aus der Laufzeit des reflektierten Signals lässt sich der Abstand eines Hindernisses berechnen.Ultrasonic measuring systems are installed, for example, to perform a distance measurement for parking aids. The measuring systems are based on thin, circular piezoceramic disks, which are applied to the bottom of a barrel-shaped metal cap. In this cap, an electronics for sensor-related analysis of the signals is additionally installed and encapsulated. An air ultrasonic field is emitted via the circular piezoceramic disks, which is reflected upon impact with an obstacle and sensed by the same piezoceramic disk. From the duration of the reflected signal, the distance of an obstacle can be calculated.
Zur optimalen Wirkungsweise sind die Sensoren heute meist an der Position des Stoßfängers mit der größten Ausbauchung montiert. Hiermit liegen sie meist im lackierten Bereich des Stoßfängers. Bei zweigeteilten Stoßfängern ist teilweise eine Positionierung auch im unteren, nicht lackierten Bereich möglich. Damit dann aber eine gerichtete Wirkungsweise parallel zur Fahrbahn möglich ist, müssen hier zumeist noch entsprechende Hutzen an den unteren Stoßfängerabschnitt angeformt werden, die das optische Erscheinungsbild noch stärker beeinträchtigen.For optimal operation, the sensors are usually mounted today at the position of the bumper with the largest bulge. Hereby they are usually in the painted area of the bumper. In two-part bumpers, a partial positioning is also possible in the lower, non-painted area. But then a directional mode of action parallel to the roadway is possible here usually still appropriate Hutzen must be formed on the lower bumper section, which affect the visual appearance even more.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine weitere Lösung anzubieten, dies es erlaubt ein Ultraschall-Messsystem in und/oder an Bauteilen, insbesondere an Kraftfahrzeugbauteilen, unsichtbar anzuordnen.Based on this prior art, it is the object of the invention to offer a further solution, which allows an ultrasonic measuring system in and / or on components, in particular on motor vehicle components to arrange invisible.
Die Aufgabe der Erfindung wird vorteilhaft durch einen Ultraschallsender und/oder Empfänger (Ultraschallsensor) mit einem Aktor zur Aussendung und einem Sensor zum Empfang von Schwingungen und einer zugehörigen Elektronik zur Erzeugung und Auswertung der Schwingungen gelöst, indem vorteilhaft vorgesehen ist, dass der ein Bauteil zum Schwingen anre- gende, aussendende Aktor und/oder empfangende Sensor ein Piezokeramik-Element mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung, innerhalb eines Piezokeramik-Mo- duls ist, das von außen nicht sichtbar in das Bauteil integrierbar oder an dem Bauteil applizierbar ist.The object of the invention is advantageously achieved by an ultrasonic transmitter and / or receiver (ultrasonic sensor) with an actuator for transmission and a sensor for receiving vibrations and associated electronics for generating and evaluating the vibrations by advantageously provided that the one component for Swinging ing, emitting actuator and / or receiving sensor is a piezoceramic element with a specifiable actuator and / or sensory performance, is within a piezoceramic module, which is not visible from the outside integrated into the component or can be applied to the component.
Ultraschallsysteme arbeiten zumeist als resonante Systeme. In der Resonanzfrequenz wird dabei die elektrische Impedanz ein Minimum, so dass bereits mit kleinen elektrischen Erregerleistungen eine hohe mechanische Schwingungsausbeute des Ultraschallwandlers erreicht wird.Ultrasound systems mostly work as resonant systems. In this case, the electrical impedance becomes a minimum at the resonance frequency, so that a high mechanical oscillation yield of the ultrasonic transducer is achieved even with small electrical excitation powers.
Im Gegensatz dazu arbeiteten Ultraschallsysteme auch außerhalb der mechanischen Resonanzfrequenz. Hier können Verstärkungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden. Somit ist hier ein erhöhter Leistungsbedarf zu verzeichnen.In contrast, ultrasound systems also operated outside the mechanical resonance frequency. Reinforcement effects due to the resonance effect can not be used here. Thus, here is an increased power requirement recorded.
Die notwendige elektrische Erregerleistung, zur Sicherstellung des gewünschten funktionsfähi- . gen Betriebes des Meßsystems, hängt hier zum Einen von der Ankopplung [Applikation beziehungsweise Integration des Piezokeramik-Moduls als Ultraschallwandler am Bauteil] des Piezokeramik-Moduls ab. Ist das Piezokeramik-Modul, wie im Stand der Technik an Luft angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt.The necessary electrical excitation power, to ensure the desired functional. The operation of the measuring system depends on the one hand on the coupling [application or integration of the piezoceramic module as an ultrasonic transducer on the component] of the piezoceramic module. If the piezoceramic module, as in the prior art, is coupled to air, a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency.
Ist das Piezokeramik-Modul an ein Bauteil angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschall- wandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt ebenfalls eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt, jedoch steigt durch die Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil die not- ' wendige elektrische Erregerleistung gegenüber einem an Luft angekoppelten Piezokeramik- Ultraschallwandler an.If the piezoceramic module is coupled to a component, a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency likewise has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency, but rises due to the coupling of the piezoceramic Module to a component, the neces- table electrical excitation power against a coupled to air piezoceramic ultrasonic transducer.
Zum Anderen weist das Piezokeramik-Element und damit das Piezokeramik-Modul, von vorn herein je nach Aufbau einen bestimmten Leistungsbedarf auf. Bedingt der Aufbau des Piezoke- ramik-Elementes und damit des Piezokeramik-Moduls den Betrieb außerhalb einer Eigenresonanzstelle ist bereits aufbaubedingt mit einem erhöhten Leistungsbedarf zu rechnen.On the other hand, the piezoceramic element and thus the piezoceramic module, from the outset depending on the structure on a certain power requirements. Due to the structure of the piezoceramic element and thus of the piezoceramic module, the operation outside a self-resonant point is already expected to increase the power requirement due to the design.
Die Erhöhung resultiert also zum Einen aus der erfindungsgemäßen Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil und zum Anderen bei einem bestimmten Aufbau des Piezokeramik- Modul darin, dass bei Piezokeramik-Modulen, die nicht in Eigenresonanz schwingen, Verstär-' kungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden können.The increase thus results on the one hand from the coupling according to the invention of the piezoceramic module to a component and, on the other hand, in the case of a specific structure of the piezoceramic module. Module in the fact that in piezo ceramic modules that do not oscillate in self-resonance, amplification effects due to the resonance effect can not be used.
Im Vergleich zu einem an Luft angekoppelten resonanten Piezokeramik-Ultraschallwandler zu einem an ein Bauteil gekoppelten Ultraschall-Wandler, der aufbaubedingt nicht in Eigenresonanz schwingt ist die elektrische Erregerfrequenz, um mindestens einen Faktor 2-3 höher. Ist bei Piezokeramik-Ultraschallwandler aufbaubedingt am Bauteil eine Schwingung in Eigenresonanz realisierbar liegt der Faktor eher geringer als bei Piezokeramik-Ultraschallwandlem, die am Bauteil nicht in Eigenresonanz schwingen.Compared to a coupled to air resonant piezoceramic ultrasonic transducer to a coupled to a component ultrasonic transducer that does not oscillate in self-resonant construction is the electrical exciter frequency, by at least a factor of 2-3 higher. If, in the case of piezoceramic ultrasonic transducers, a vibration in the self-resonance can be realized on the component, the factor is rather lower than with piezoceramic ultrasonic transducers which do not oscillate in self-resonance on the component.
Die sich im Einsatz befindenden luftangekoppelten Ultraschallwandler arbeiten mit elektrischen Erregerfrequenzen in einem Bereich von 20 kHz bis 200 kHz.The air-coupled ultrasonic transducers in use operate at electrical excitation frequencies in a range of 20 kHz to 200 kHz.
Zumeist wird ein Piezokeramik-Element gleichzeitig sowohl als Aktor und als Sensor in einem Gerät verwendet. Es besteht aber selbstverständlich auch die Möglichkeit Aktor und Sensor in verschiedenen Geräten auszubilden und über mindestens ein Gerät zu senden und über mindestens ein weiteres Gerät zu empfangen.In most cases, a piezoceramic element is simultaneously used both as an actuator and as a sensor in a device. However, it is of course also possible to design the actuator and sensor in different devices and to send them via at least one device and to receive them via at least one other device.
Bei der Verwendung von Aktor und Sensor in getrennten Geräten können diese jeweils gleich aufgebaut sein oder aber auch unterschiedliche Piezokeramik-Elementbauweisen aufweisen, um zum Beispiel die unterschiedlichen Sende- oder Empfangscharakteristiken optimal nutzen zu können.When using the actuator and sensor in separate devices, these can each have the same structure or else have different piezoceramic element designs, in order to make optimum use of, for example, the different transmission or reception characteristics.
Umgangssprachlich spricht man bei Schwingungen im Ultraschallbereich aussendenden und/oder empfangenden Geräten von Ultraschallsensorerr. In dieser Patentanmeldung ist bei dem Gebrauch des Wortes Ultraschallsensor stets ein Ultraschallsender und/oder Empfänger gemeint.Colloquially, one speaks in vibrations in the ultrasonic range emitting and / or receiving devices of Ultraschallearsensorerr. In this patent application, the use of the word ultrasonic sensor always means an ultrasonic transmitter and / or receiver.
Der Aktor und/oder Sensor als Piezokeramik-Element wird als Verbund aus mindestens einer piezokeramischen Faser und/oder aus mindestens einem Piezokeramik-Stäbchen und/oder aus mindestens einer piezokeramische Folie (Platte) mit anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Kunststoffen oder Metallen wie Aluminium, ausgebildet.The actuator and / or sensor as piezoceramic element is a composite of at least one piezoceramic fiber and / or at least one piezoceramic rod and / or at least one piezoceramic film (plate) with other materials, such as plastics or metals such as aluminum, educated.
Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element wird zu einem Flächen-Modul ausgebildet, indem flächige, dünne Elemente ausgebildet werden, die aus Piezokeramik-Folien oder Piezokeramik-Stäbchen oder Piezokeramik-Fasern im Verbund mit anderen Werkstoffen aufge- baut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokera- mik-Modul ergeben.This piezoceramic element produced as a composite is formed into a surface module in that flat, thin elements are formed which consist of piezoceramic foils or piezoceramic wands or piezoceramic fibers in combination with other materials. are built and by electrodeposition, contacting and isolation yield a usable piezoceramic module.
Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element kann aber auch zu einem Volumen-Modul als Volumenelement ausgebildet werden, indem Piezokeramik-Folien, Piezokeramik-Stäb- chen oder Piezokeramik-Fasem im Verbund mit anderen Werkstoffen voluminöser - einen nicht nur flächigen, dünnen Körper ergebend - aufgebaut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokeramik-Modul ergeben.This piezoceramic element produced as a composite can also be formed into a volume module as a volume element, in that piezoceramic films, piezoceramic rods or piezoceramic fibers are more voluminous in combination with other materials - resulting in a not only flat, thin body - are constructed and result in an insertable piezoceramic module by electrodation, contacting and insulation.
Diese Module werden von der Elektronik angesteuert und ausgewertet.These modules are controlled and evaluated by the electronics.
Erfindungsgemäß sind die Module elektrisch mit einer flächigen Elektrode oder einer Interdigi- talelektrode kontaktierbar.According to the invention, the modules can be electrically contacted with a planar electrode or an interdigital electrode.
Die zugehörige Elektronik ist vorzugsweise sensornah angeordnet, kann aber in einer weiteren Ausführungsvariante auch sensorfern angeordnet werden.The associated electronics are preferably arranged close to the sensor, but can also be arranged remote sensor in a further embodiment.
Ein Ultraschallsensor weist also mindestens ein Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor auf und ist in einem Bauteil integrierbar oder auf einer Rückseite des Bauteiles derart a- nordbar, dass das die Schwingungen aussendende Piezokeramik-Modul das Bauteil zum schwingen anregt, welches seinerseits Schwingungen in/an die Umgebung abstrahlt und/oder die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil schließlich an das Piezokeramik-Modul überträgt.An ultrasonic sensor thus has at least one piezoceramic element as an actuator and / or sensor and can be integrated in a component or on a back side of the component such that the oscillating piezoelectric ceramic module excites the component to vibrate, which in turn vibrates radiates in / to the environment and / or finally transmits the vibrations arriving from the environment via the excited component to the piezoceramic module.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anbindung zwischen Bauteil und Piezokeramik-Modul so ausgebildet ist, dass nur ein Teil des Bauteiles [Teilbereich], in dem das Piezokeramik-Modul integriert oder appliziert ist, durch die ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen anregbar ist.In a preferred embodiment of the invention, the connection between the component and piezoceramic module is designed such that only a part of the component [subregion] in which the piezoceramic module is integrated or applied is excitable by the emitted and / or received vibrations.
Dabei ist vorteilhaft einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul und Bauteil selbst erreichbar.In this case, a mechanical impedance difference between the component and the subregion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, can be achieved by decoupling between piezoceramic module and component itself.
Ferner bevorzugt ist der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse des Teilbereiches des Bauteiles gegenüber dem Bauteil einstellbar. Der mechanische Impedanzunterschied ist in einer ersten Ausführungsvariante beispielsweise durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar, indem Versteifungslagen zwischen Piezokeramik-Modul und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, anordbar sind.Further preferably, the mechanical impedance difference by the variation of stiffness and / or mass of the portion of the component relative to the component is adjustable. The mechanical impedance difference is adjustable in a first embodiment, for example, by the variation of stiffness and / or mass by stiffening layers between piezoceramic module and the portion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, can be arranged.
Der mechanische Impedanzunterschied ist in einer zweiten Ausführungsvariante durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar, indem an der Rückseite im Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine am Bauteil verklebte Verrippung um das Piezokeramik-Modul herum als mechanischer Impedanzsprung ausgeführt ist.The mechanical impedance difference is adjustable in a second embodiment by the variation of stiffness and / or mass, by at the back in the partial region of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, a ribbed to the component ribbed around the piezoceramic Module is executed around as a mechanical impedance jump.
Schließlich besteht auch in einer dritten Ausführungsvariante die Möglichkeit den mechanischen Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einzustellen beziehungsweise hervorzurufen, indem in dem Teilbereich, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Schwächung des Materials des Teilbereich des Bauteiles vornehmbar ist.Finally, in a third embodiment variant, it is also possible to set or produce the mechanical impedance difference by varying the stiffness and / or mass by weakening the material of the partial region of the partial region which is to be excited by the emitted and / or received vibrations Component is vornehmbar.
Zur Ausbildung der gewünschten Form der Ultraschall-Abstrahlkeule kann die Form, Größe und Steifigkeit - z.B. durch die Variation von Fläche, Dicke und Krümmung - des Piezokeramik-Mo- duls und dessen Form, Größe und Steifigkeit der Ankopplung an den Stoßfänger - z.B. durch Wahl der Versteifungslage , Fläche, Dicken und Krümmung - festgelegt werden.To form the desired shape of the ultrasonic beam, the shape, size and stiffness - e.g. by the variation of area, thickness and curvature - of the piezoceramic module and its shape, size and rigidity of the coupling to the bumper - e.g. by selecting the stiffening position, area, thickness and curvature - be determined.
Als Bauteil in oder an dem ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor angeordnet ist beispielsweise eine Stoßstange oder dergleichen vorgesehen. Selbstverständlich kommen alle Bauteile in Frage, die einen Zugang zur Umgebung haben und in der Lage sind Schwingungen zu übertragen. Insbesondere sind alle Anbauteile aus Kunststoff und faserverstärktem Kunststoff (zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern) wie Stoßfänger, Stoßleisten, Türschutzleisten, Seitenschutz- leisten, Spoiler, Nummernschilder, Türgriffe oder Außenspiegelgehäuse in Frage kommende Bauteile.As a component in or on which an inventive ultrasonic sensor is arranged, for example, a bumper or the like is provided. Of course, all components are in question, which have access to the environment and are able to transmit vibrations. In particular, all attachments made of plastic and fiber-reinforced plastic (for example, glass or carbon fibers) such as bumpers, bumpers, door guards, side guards, spoilers, license plates, door handles or exterior mirror housings are eligible components.
Aber auch an die metallischen Blechkomponenten, die einen Zugang zur Umgebung haben und Schwingungen übertragen, wie die Karosseriestruktur und angebaute Klappen, Deckel, Türen oder auch der Unterboden können die erfindergemäßen Ultraschallsensoren appliziert werden.But also to the metallic sheet metal components that have access to the environment and transmit vibrations, such as the body structure and attached flaps, lids, doors or even the subfloor erfindergemäßen ultrasonic sensors can be applied.
Gleiches gilt für die Glasflächen von Verscheibungen und Spiegeln. Bei der Fensterverglasung sollten die erfindergemäßen Ultraschallsensoren im nicht sichtbaren Bereich appliziert sein oder aus einer transparenten Piezokeramik aufgebaut sein. Bei der Spiegelverglasung kann der erfindergemäße Ultraschallsensor auf der Spiegelrückseite appliziert sein.The same applies to the glass surfaces of glazing and mirrors. In window glazing, the inventive ultrasonic sensors should be applied in the non-visible region or be constructed of a transparent piezoceramic. In the case of mirror glazing, the inventive ultrasonic sensor can be applied to the back of the mirror.
Außerdem ist denkbar, dass der erfindungsgemäße Ultraschallsensor auch an oder in Gussoder Strangpressstrukturen aus zum Beispiel Aluminium oder Magnesium im Bereich der Trag- werksstruktur der Karosserie oder aber im Aggregate- oder Fahrwerksbereich appliziert beziehungsweise integriert wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit auch hier etwaige Ultraschall-Abstandsmessungen ohne zusätzliche Bohrungen auf der Außenseite der Strukturen zu applizieren oder zu integrieren und somit die Struktur nicht zu schwächen oder aber ohne mögliche Leckstellen in zum Beispiel der Ölwanne eine Ultraschall-Füllstandsmessung zu ermöglichen.In addition, it is conceivable that the ultrasonic sensor according to the invention is also applied or integrated on or in cast iron or extruded structures of, for example, aluminum or magnesium in the area of the supporting structure of the body or else in the unit or chassis area. This results in the possibility also here to apply or integrate any ultrasonic distance measurements without additional holes on the outside of the structures and thus not to weaken the structure or to allow without possible leaks in, for example, the oil pan an ultrasonic level measurement.
Je nach Material der Fahrzeugstruktur, an die der erfindungsgemäße Ultraschallsensor appliziert oder integriert wird, muss die mechanische Impedanzanpassung über die Variation von Steifigkeit und/oder Masse oder auch einer entsprechenden Gestaltung einer umgebenden Ver- rippung erfolgen.Depending on the material of the vehicle structure to which the ultrasound sensor according to the invention is applied or integrated, the mechanical impedance matching must take place via the variation of stiffness and / or mass or also a corresponding design of a surrounding ribbing.
Für die neue Technologie werden als Aktoren und/oder Sensoren eines Ultraschallsensors also Piezokeramik-Elemente verwendet.Piezoceramic elements are therefore used as actuators and / or sensors of an ultrasonic sensor for the new technology.
Bei den Piezokeramik-Elementen werden folgende Bauweisen berücksichtigt:The following construction methods are taken into account in the piezoceramic elements:
Piezokeramikfaser-Composite (Verbund):Piezoceramic fiber composite (composite):
Diese so auch in der Ultraschall-Technik im Unterwasserbereich (Sonar) verwendeten Elemente erzeugen eine Dickenschwingung im Formkörper. Dabei sind die Piezofasem parallel ausgerichtet. Bei elektrischer Ansteuerung verändert sich die Lage der Fasern gleichzeitig, so dass eine Dickenschwingung auf eine Abstrahlung in Faserlängsrichtung erfolgt. Über Faserdurchmesser und Faservolumengehalt lässt sich die Frequenz des Schwingers einstellen.These elements also used in ultrasound technology in the underwater area (sonar) produce a thickness vibration in the molding. The piezo fibers are aligned in parallel. When electrically controlled, the position of the fibers changed simultaneously, so that a thickness vibration takes place on a radiation in the fiber longitudinal direction. The frequency of the oscillator can be adjusted via fiber diameter and fiber volume content.
Flächige Piezokeramik-Module:Flat piezoceramic modules:
Flächige, dünne Piezokeramik-Modul sind entweder aus Piezokeramik-Folien (Platte), Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei flächiger Applikation des Elements wird eine Biegeverformung und/oder eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit des Strukturbauteiles sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.Flat, thin piezoceramic modules are constructed either from piezoceramic foils (plates), rods or fibers. These are electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. In planar application of the element, a bending deformation and / or a thickness vibration is introduced into the structural component. The frequency of the radiation can be determined by the basic stiffness of the structural component as well as by size and structure of the piezoelectric element set.
Voluminöse - nicht flächige - Piezokeramik-Module:Voluminous - non-planar - piezoceramic modules:
Voluminöse Piezokeramik-Module sind ebenfalls entweder aus Piezokeramik-Folien oder aus Piezokeramik- Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden aber ebenfalls über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei voluminöser Applikation des Elements wird ebenfalls eine geringe Biegeverformung aber vor allem eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit der Struktur sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.Bulky piezoceramic modules are also constructed either from piezoceramic foils or from piezoceramic rods or fibers. However, these are also electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. With voluminous application of the element, a small bending deformation but above all a thickness oscillation is likewise introduced into the structural component. The frequency of the radiation can be adjusted by the basic rigidity of the structure as well as the size and structure of the piezoelectric element.
Die Idee der Erfindung besteht darin, dass die hier beschriebenen Piezokeramik-Elemente beziehungsweise die ausgebildeten Piezokeramik-Module im oder hinter beispielsweise einem aus einem Kunststoff bestehenden Stoßfängers appliziert werden können.The idea of the invention is that the piezoceramic elements described here or the formed piezoceramic modules can be applied in or behind, for example, a bumper made of a plastic.
Damit ergeben sich folgende unmittelbare Vorteile: die Piezokeramik-Elemente beziehungsweise Piezokeramik-Module sind optisch nicht sichtbar die Montage (vor allem bei lackierten Stoßfängern) ist deutlich vereinfacht es besteht eine höhere Designfreiheit, das die Elemente nicht mehr aus optischenThis results in the following immediate advantages: the piezoceramic elements or piezoceramic modules are not visually visible the assembly (especially in painted bumpers) is significantly simplified there is a higher freedom of design, the elements no longer optical
Gründen äquidistant über die Stoßfängerbreite verteilt werden müssen die Piezokeramik-Element beziehungsweise Piezokeramik-Modul sind besser vorReasons must be distributed equidistantly over the bumper width the piezoceramic element or piezoceramic module are better before
Verschmutzung und Witterungseinflüssen geschütztPollution and weather conditions protected
Die flächigen Piezokeramik-Module werden beispielsweise im Kunststoff integriert oder auf der Rückseite des Stoßfängers appliziert und somit der Stoßfänger über die Piezokeramik-Module zur Abstrahlung des Ultraschalls angeregt. Zur Entkopplung der einzelnen Module müssen diese jeweils so angebunden werden, dass Sie nur einen kleinen Bereich der Stoßfängerfläche zur Schwingung anregen. Dies kann konstruktiv über einen mechanischen Impedanzunterschied (Variation von Steifigkeit und/oder Massen) zwischen den Bereichen wo ein Piezoelement integriert oder appliziert ist und dem restlichen Bereich des Stoßfängers eingestellt werden. Vor allem bieten sich hier dünne Versteifungslagen (zum Beispiel dünnes Blech) zwischen Element und Kunststoff an. Außerdem ist auch eine aufgeklebte Zusatzverrippung um das Element als mechanischen Impedanzsprung denkbar. Partielle Verschwächungen in der Kunststoffdicke des Stoßfängers sind nur dann möglich, solange sie sich nicht optisch von außen abzeichnen. Über diese integrierten und/oder applizierten flächigen und voluminösen Piezokeramik-Module sind zusätzliche Funktionalitäten über einen Mehrfachnutzen der Elemente denkbar.The planar piezoceramic modules, for example, integrated in the plastic or applied to the back of the bumper and thus excited the bumper on the piezoceramic modules for emitting the ultrasound. To decouple the individual modules, they must each be connected in such a way that they excite only a small area of the bumper area to vibrate. This can be set constructively via a mechanical impedance difference (variation of stiffness and / or masses) between the areas where a piezo element is integrated or applied and the remaining area of the bumper. Above all, here thin stiffening layers (for example, thin sheet metal) between element and plastic offer. In addition, a glued additional ribbing around the element as a mechanical impedance jump is conceivable. Partial weakening in the plastic thickness of the bumper are only possible, as long as they are not visually apparent from the outside. With these integrated and / or applied flat and voluminous piezoceramic modules, additional functionalities are possible through the multiple benefits of the elements.
Die Piezoelemente können elektrisch in der Resonanzfrequenz oder auch außerhalb der Resonanzfrequenz angesteuert und betrieben werden.The piezoelectric elements can be electrically driven and operated at the resonance frequency or else outside the resonance frequency.
Im Resonanzbetrieb wird der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensors und der Grundstruktur so eingestellt und in der mechanischen Impedanz angepasst, so dass er in der gewünschten Ultraschallfrequenz in Resonanz schwingt. Dabei kann mit geringer elektrischer Erregerleistung ein hoher Ultraschalldruck erzeugt werden.In resonance mode, the mechanical structure of the ultrasonic sensor according to the invention and the basic structure is adjusted and adapted in the mechanical impedance so that it resonates at the desired ultrasonic frequency. In this case, a high ultrasonic pressure can be generated with low electrical excitation power.
Geringe Störungen wie unterschiedliche Temperaturen, Fertigungstoleranzen, Verschmutzung, Schnee und Eisbelag führen zu einer Verstimmung des Systems und zur Verschiebung der Resonanzfrequenz und damit auch zu einer erschwerten Auswertung des Abstandsignals.Low disturbances such as different temperatures, manufacturing tolerances, soiling, snow and icing lead to a detuning of the system and to the shift of the resonance frequency and thus also to a more difficult evaluation of the distance signal.
Bei der Auslegung im Nicht-Resonanzbetrieb wird das System mit einer Ultraschallfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz betrieben. Hier ist eine angepasste höhere elektrische Leistung notwendig, um die entsprechende Reichweite zu erzeugen. Dabei ist aber Einfluss der oben aufgeführten Störungen auf die Güte der Ultraschallsignale nicht mehr so groß.When designed in non-resonant mode, the system operates at an ultrasonic frequency outside the resonant frequency. Here an adapted higher electrical power is necessary to produce the appropriate range. However, the influence of the above-mentioned disturbances on the quality of the ultrasonic signals is no longer so great.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Sensor dient der Objekterfassung und Distanzmessung und kann in allen Anwendungen eingesetzt werden, wie die bisherigen bekannten Ultraschall-Sensoren auch.The ultrasonic sensor according to the invention is used for object detection and distance measurement and can be used in all applications, such as the previous known ultrasonic sensors also.
Darüber hinaus könnten die Piezokeramik-Module dazu verwendet werden, dass sie beim Rückwärtsfahrten einen in manchen Ländern vorgeschriebenen hörbaren Warnton erzeugen. Die verwendeten Elemente beziehungsweise Module würden dabei als Lautsprecher in einem hörbaren Frequenzband arbeitenIn addition, the piezoceramic modules could be used to generate an audible warning sound prescribed in some countries when reversing. The elements or modules used would work as speakers in an audible frequency band
Weiterhin ist vorgesehen, dass die an einem Bauteil, beispielsweise der Stoßstange, verteilten Ultraschall-Sensoren als Kontaktkraftsensor/en für den Crashfall dienen können. Hiermit kann im Crashfall Art und Schwere des Aufpralls bestimmt werden und damit die Entscheidung für die Zündung unterschiedlicher Airbagsysteme oder andere Sicherheitssysteme abgeleitet werden. Ein solcher Ultraschall-Sensor ist zur Erfassung eines Crashfalls über die Objekterfassung und Distanzmessung als Precrash-Sensor und gleichzeitig als Kontaktkraftsensor als Crash-Sensor einsetzbar.Furthermore, it is provided that the ultrasonic sensors distributed on a component, for example the bumper, can serve as contact force sensor (s) in the event of a crash. In this way, the type and severity of the impact can be determined in the event of a crash and thus the decision for the ignition of different airbag systems or other safety systems can be derived. Such an ultrasonic sensor can be used to detect a crash via the object detection and distance measurement as a precrash sensor and at the same time as a contact force sensor as a crash sensor.
Durch diese mehreren Verwendungen von der nur eine oder gleichzeitig nutzbar sind ergibt sich ein multifunktionaler Sensor, der hinsichtlich seiner Funktionalität auf die jeweiligen Wünsche des Anwenders ausgelegt und angepasst werden kann.These multiple uses of which can be used only one or simultaneously results in a multifunctional sensor that can be designed and adapted in terms of its functionality to the particular needs of the user.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur 1 bis noch weiter detailliert beschrieben. Die Figuren zeigen:The invention will now be described in more detail with reference to the figure 1 to. The figures show:
Figur 1 ein Beispiel in einer Schnittdarstellung zum mechanischen Aufbau einer Verrip- pung - zweite Ausführungsvariante - zur Anpassung der mechanischen Impedanz des Piezokeramik-Modules - gegenüber dem Bauteil;1 shows an example in a sectional view of the mechanical structure of a Verrip- pung - second embodiment variant - to adapt the mechanical impedance of the piezoceramic module - against the component;
Figur 2 Piezokeramikfaser-Composite (Verbund)-Elemente;Figure 2 piezoceramic fiber composite (composite) elements;
Figur 3 Piezokeramik-Modul in d33-Bauweise in einer schematischen Darstellung undFigure 3 piezoceramic module in d33 design in a schematic representation and
Figur 4 Piezokeramik-Modul in d31 -Bauweise in einer schematischen Darstellung.Figure 4 piezoceramic module in d31 design in a schematic representation.
Figur 1 zeigt eine zweite Ausführungsvariante bei der ein Piezokeramik-Modul 20 auf die Rückseite eines Bauteiles 30, beispielsweise auf die Rückseite eines Stoßfängers, appliziert wurde.Figure 1 shows a second embodiment in which a piezoceramic module 20 on the back of a component 30, for example, on the back of a bumper was applied.
Grundsätzlich ist durch verschiedene Maßnahmen ein mechanischer Impedanzunterschied zwischen dem Restbereich des Stoßfängers 30 und dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30 (Fig.1), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul 20 und dem restlichen Bereich des Stoßfängers 30 erreichbar.Basically, by various measures, a mechanical impedance difference between the remaining region of the bumper 30 and the portion 100 of the bumper 30 (Figure 1), which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, by a decoupling between the piezoceramic module 20 and the remaining area of the bumper 30 reachable.
Ein Größe des mechanischen Impedanzunterschiedes ist in der zweiten Ausführungsvariante durch die Variation der Steifigkeit einstellbar, indem an der Rückseite in dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine am Stoßfänger 30 verklebte Verrippung 50, um das Piezokeramik- Modul 20 herum, unter Erzeugung eines dadurch vorgebbaren mechanischen Impedanzsprunges im Stoßfänger 30 ausgeführt ist. Zwischen dem Piezokeramik-Modul 20 und dem Stoßfänger 30 befindet sich eine Klebeschicht zur Anbringung der Verrippung 50, wobei die Klebeschicht zwischen dem Piezokeramik-Modul ■ 20 und der Verrippung 50 in einer Klebefuge 40 ausbildet ist.A size of the mechanical impedance difference is adjustable in the second embodiment by the variation of the rigidity, by at the back in the portion 100 of the bumper 30, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, bonded to the bumper 30 ribbing 50, around the piezoceramic module 20 around, thereby producing a predeterminable mechanical impedance jump in the bumper 30 is executed. Between the piezoceramic module 20 and the bumper 30 is an adhesive layer for attaching the ribbing 50, wherein the adhesive layer between the piezoceramic module ■ 20 and the ribbing 50 is formed in an adhesive joint 40.
Die Eigenform 60 des Stoßfängers 30 verändert sich im Anregungsfall des Piezokeramik-Ele- mentes 10A, 10B des Piezokeramik-Moduls 20 durch die verklebte Verrippung 50 nur im Teilbereich 100. Durch die Verrippung 50 ist in diesem Teilbereich 100 ein mechanischer Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung um das Piezokeramik-Modul 20 herum zum Restbereich des Stoßfängers hin einstellbar ist.The self-shape 60 of the bumper 30 changes in the excitation case of the piezoceramic element 10A, 10B of the piezoceramic module 20 by the glued ribbing 50 only in the partial area 100. The ribbing 50 in this partial area 100 is a mechanical impedance difference or impedance jump around the Piezoceramic module 20 around the remaining area of the bumper is adjustable.
Wird in diesem Teilbereich 100 noch zusätzlich oder auch statt der Verrippung 50 die Masse des-Stoßfängers-30-verändert, beispielsweise durch eine dickere oder dünnere Ausführung des Materials des Stoßfängers 30 (nicht dargestellt) gegenüber der Materialdicke des Stoßfängers 30 im restlichen Bereich, wird dadurch ebenfalls der gewünschte mechanische Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung zur Einstellung des Piezokeramik-Moduls 20 erreicht.If, in addition to or even instead of the ribbing 50, the mass of the bumper 30 is changed in this partial region 100, for example by a thicker or thinner design of the material of the bumper 30 (not shown) compared with the material thickness of the bumper 30 in the remaining region This also achieves the desired mechanical impedance difference or impedance jump for adjusting the piezoceramic module 20.
Die Maßnahmen Steifigkeitsveränderung und Massenveränderung des Bauteiles 30 sind einzeln oder in Kombination ausführbar.The measures stiffness change and mass change of the component 30 can be executed individually or in combination.
Als Verrippung 50 dient beispielsweise eine Kohlefaserbox, die um das Piezokeramik-Modul 20 herum eine partielle Verrippung 50 oder umlaufende Verrippung 50 ausbildet, so dass die Steifigkeit des Stoßfängers 30 in diesem Bereich veränderbar ist und dadurch der mechanische Impedanzsprung zwischen dem Stoßfänger 30 im restlichen Bereich und dem Stoßfänger 30 im Teilbereich 100 einstellbar macht.The ribbing 50 used is, for example, a carbon fiber box which forms a partial ribbing 50 or circumferential ribbing 50 around the piezoceramic module 20, so that the rigidity of the bumper 30 can be changed in this area and thereby the mechanical impedance jump between the bumper 30 in the remaining area and the bumper 30 in the sub-area 100 makes adjustable.
Statt der Verrippung 50 und/oder der Veränderung des Masse ist alternativ oder zusätzlich, die Anordnung von Versteifungslagen (nicht dargestellt), zur Änderung des Steifigkeit des Bauteiles im Teilbereich 100 gegenüber dem restlichen Bereich des Stoßfängers bevorzugt.Instead of the ribbing 50 and / or the change of the mass is alternatively or additionally, the arrangement of stiffening layers (not shown), for changing the rigidity of the component in the partial area 100 relative to the remaining area of the bumper preferred.
Dabei kann grundsätzlich, wie die Figur 1 , anhand der Bezugszeichen darstellt, ein dünnes, flächiges Piezokeramik-Modul 2OA, als auch ein voluminöses Piezokeramik-Modul 2OB angeordnet werden.In principle, as shown in FIG. 1, by reference numerals, a thin, planar piezoceramic module 2OA, as well as a voluminous piezoceramic module 2OB, can be arranged.
Die Piezokeramik-Module 2OA, 2OB unterscheiden sich dabei hinsichtlich der zur erzeugenden Biegeverformung und/oder Dickenschwingung (Auslenkung), die in das Bauteil 30 vorwiegend im dem Teilbereich 100 einleitbar ist/sind. Figur 2 zeigt solche unterschiedlichen Piezokeramik-Module, wobei die mit dem Bezugszeichen 2OA dargestellten Piezokeramik-Module 2OA dünne flächige Module zeigen und die mit dem Bezugszeichen 2OB voluminöse Piezokeramik-Module 2OB darstellen.The piezoceramic modules 2OA, 2OB differ in terms of the bending deformation and / or thickness vibration (deflection) that can be generated, which is / are introduced into the component 30 predominantly in the partial area 100. FIG. 2 shows such different piezoceramic modules, the piezoceramic modules 2OA shown with the reference numeral 2OA showing thin planar modules and the voluminous piezoceramic modules 2OB representing the reference numeral 2OB.
Wie die Figur 2 verdeutlicht, sind sowohl für flächige als auch voluminöse Piezokeramik-Module 2OA, 2OB (bei den flächigen Piezokeramik-Module 2OA nicht dargestellt) verschiedene geometrische Formen der Piezokeramik-Elemente 10A, 10B herstellbar.As FIG. 2 illustrates, different geometric shapes of the piezoceramic elements 10A, 10B can be produced both for planar and voluminous piezoceramic modules 20A, 20B (not shown in the planar piezoceramic modules 20A).
Nach entsprechenden Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung entstehen aus diesen Pie- zokeramik-Elementen 10A, 10B, die entsprechenden Piezokeramik-Module 2OA, 2OB mit den für Piezokeramik-Module gewünschten Eigenschaften.After appropriate electrodeposition, contacting and insulation, these piezoceramic elements 10A, 10B form the corresponding piezoceramic modules 20A, 20B with the properties desired for piezoceramic modules.
Figur 3 zeigt, dass Piezokeramik-Module 2OA, 2OB wegen der anisotropen Natur von Piezoke- ramik, hinsichtlich des piezoelektrische Effektes richtungsabhängig sind. Zur Festlegung der Richtungen (Fig. 3, 4) werden die Achsen 1, 2 und 3 eingeführt (analog zu den x, y und z-Ach- sen des kartesischen Koordinatensystems).FIG. 3 shows that piezoceramic modules 2OA, 2OB are direction-dependent with regard to the piezoelectric effect because of the anisotropic nature of piezoceramic. To define the directions (FIGS. 3, 4), the axes 1, 2 and 3 are introduced (analogous to the x, y and z axes of the Cartesian coordinate system).
Die Polarisationsrichtung (Achse 3) wird während der Polarisation durch ein elektrisches -Feld (zwischen den Polarisationselektroden) festgelegt. Für Aktor-Anwendungen sind die Piezo-Ei- genschaften in dieser Richtung normalerweise am Wichtigsten. Hier findet die größte Auslenkung statt.The polarization direction (axis 3) is determined during polarization by an electric field (between the polarizing electrodes). For actuator applications, the piezo properties in this direction are usually the most important. Here is the biggest deflection.
Figur 3 zeigt schematisch ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegenden Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d33. D33 beschreibt die Piezokeramik- Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Dehnung (Auslenkung) parallel zum Polarisationsvektor der Keramik (Dicke). Hier wird ein elektrisches Feld in Richtung der Polarisation (Achse 3) angelegt und die Dehnung findet in der gleichen Richtung (Achse 3) statt.FIG. 3 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d33. D33 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of strain (deflection) parallel to the polarization vector of the ceramic (thickness). Here, an electric field is applied in the direction of polarization (axis 3) and the strain takes place in the same direction (axis 3).
Figur 4 zeigt schematische ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegendem Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d31. D31 beschreibt die Piezoke- ramik-Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Kontraktion (Auslenkung) als Geometrieänderung orthogonal zur Polarisation der Keramik (Breite). Hier wird ein elektrisches Feld in der Richtung (Achse 3) angelegt, aber die Auslenkung findet in Richtung der Achse 1 (also orthogonal zur Polarisationsachse) statt. Die +/-Elektroden 80 sind dazu in der Ausführung der Figur 4 elektrisch über jeweils oben und unten des Piezokeramik-Moduls 20 angeordnete metallische Elektrodenschichten 90 miteinander verbunden. FIG. 4 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d31. D31 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of contraction (deflection) as a geometry change orthogonal to the polarization of the ceramic (width). Here, an electric field is applied in the direction (axis 3), but the deflection takes place in the direction of the axis 1 (that is, orthogonal to the polarization axis). The +/- electrodes 80 are in the embodiment of the figure 4 electrically connected via each top and bottom of the piezoceramic module 20 arranged metallic electrode layers 90 together.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Achse 1 Achse 3 0 Piezokeramik-Element 0A dünnes, flächige Piezokeramik-Element 0B voluminöses Piezokeramik-Element 0 Piezokeramik-Modul OA dünnes, flächige Piezokeramik-Modul OB voluminöses Piezokeramik-Modul 0 Bauteil oder Strukturbauteil [Stoßfänger] 0 Klebefuge 0 Verrippung [Kohlefaserbox] 0 Eigenform 0 Verbundmaterial 0 Elektroden 0 Elektrodenschicht 00 Teilbereich Axis 1 Axis 3 0 Piezoceramic element 0A thin, planar piezoceramic element 0B voluminous piezoceramic element 0 piezoceramic module OA thin, planar piezoceramic module OB voluminous piezoceramic module 0 component or structural component [bumper] 0 adhesive joint 0 ribbing [carbon fiber box] 0 Eigenform 0 Composite material 0 Electrodes 0 Electrode layer 00 Subrange

Claims

Patentansprüche claims
1. Ultraschallsender und/oder Empfänger (Ultraschallsensor) mit einem Aktor zur Aussendung und/oder einem Sensor zum Empfang von Schwingungen und einer zugehörigen Elektronik zur Erzeugung und/oder Auswertung der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der ein Bauteil (30) zum Schwingen anregende, aussendende Aktor und/oder empfangende Sensor ein Piezokeramik-Element (10A, 10B) mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung, innerhalb eines Piezokeramik-Moduls (20) ist, das von außen nicht sichtbar in das Bauteil (30) integrierbar oder an dem Bauteil (30) applizierbar ist.1. ultrasonic transmitter and / or receiver (ultrasonic sensor) with an actuator for emitting and / or a sensor for receiving vibrations and associated electronics for generating and / or evaluating the vibrations, characterized in that the one component (30) for vibrating stimulating , Sending actuator and / or receiving sensor is a piezoceramic element (10A, 10B) with a predetermined actuator and / or sensory performance, within a piezoceramic module (20), which is not visible from the outside integrated into the component (30) or can be applied to the component (30).
2. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) und damit das Piezokeramik-Modul (20) durch die Integration beziehungsweise Applikation [Ankopplung] am Bauteil (30) und/oder seinen Aufbau bedingt eine erhöhte aktorische und/oder sensorische Leistung aufweist.2. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 1, characterized in that the piezoceramic element (10) and thus the piezoceramic module (20) by the integration or application [coupling] on the component (30) and / or its construction requires has increased actoric and / or sensory performance.
3. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Elemente (10) aus mindestens einer Piezokeramik-Folie (Platte) und/oder mindestens einem Piezokeramik-Stäbchen und/oder mindestens einer Piezoke- ramik-Faser aufgebaut sind3. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 1, characterized in that the piezoceramic elements (10) of at least one piezoceramic film (plate) and / or at least one piezoceramic rod and / or at least one Piezoke- ramik fiber constructed are
4. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) (Folien, Stäbchen, Fasern) in einem piezokeramischen Verbund zusammen mit einem Verbundwerkstoff, wie einem Kunststoff und/oder einem Metall und/oder Glas und/oder einem faserverstärktem Kunststoff eingebettet ist.4. Ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 1, characterized in that the piezoceramic element (10) (films, rods, fibers) in a piezoceramic composite together with a composite material, such as a plastic and / or a metal and / or glass and / or a fiber-reinforced plastic is embedded.
5. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10A) nach einer Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung als flächiges, dünnes Piezokeramik-Modul (20A) aus Piezokeramik-Folie oder Piezostäb- chen oder Piezofasern ausbildbar ist. 5. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 3, characterized in that the piezoceramic element (10A) after an electrodeization, contacting and insulation as a flat, thin piezoceramic module (20A) of piezoceramic film or Piezostäb- chen or piezo fibers can be formed is.
6. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10B) nach einer Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung zu einem Piezokeramik-Modul als Volumenelement (20B) aus Piezokeramik-Folie oder Piezostäbchen oder Piezofasern ausbildbar ist.6. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 3, characterized in that the piezoceramic element (10B) after an electrodeization, contacting and insulation to a piezoceramic module as a volume element (20B) of piezoceramic film or piezo strands or piezo fibers can be formed.
7. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mit Hilfe einer flächigen Elektrode oder einer Interdigitalelektrode erfolgt.7. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 4 or 5, characterized in that the contacting takes place with the aid of a flat electrode or an interdigital electrode.
8. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik sender- und/oder empfängernah oder sender- und/oder empfängerfern a- nordbar ist.8. ultrasonic transmitter and / or receiver according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the electronics sender- and / or empfängernah or sender- and / or Empfängerfernfern a- nordbar.
9. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und der Empfänger in getrennten Geräten angeordnet ist.9. ultrasonic transmitter and / or receiver according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the transmitter and the receiver is arranged in separate devices.
10. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 9, eine getrennte Anordnung von Sender und Empfänger eine unterschiedliche Piezokeramik-Element (10) - beziehungsweise Piezokeramik-Modul (20)-Bauweise ermöglicht, so dass unterschiedliche Sende- oder Empfangscharakteristiken ausbildbar sind.10. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 9, a separate arrangement of the transmitter and receiver a different piezoceramic element (10) - or piezoceramic module (20) design allows, so that different transmission or reception characteristics can be formed.
11. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , das Piezokeramik-Element (10) bezüglich des mechanischen Aufbaus elektrisch in der11. ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 1, the piezoceramic element (10) with respect to the mechanical structure electrically in the
Resonanzfrequenz oder außerhalb der Resonanzfrequenz ansteuerbar und betreibbar ist. Resonant frequency or outside the resonant frequency can be controlled and operated.
12. Bauteil, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor eines Ultraschallsenders und/oder Empfängers nach Anspruch 1 in und/oder an dem Bauteil (30) integriert und/oder applizierbar ist,12. component, in particular motor vehicle component, characterized in that the at least one piezoceramic element as an actuator and / or sensor of an ultrasonic transmitter and / or receiver according to claim 1 in and / or on the component (30) integrated and / or can be applied,
• wodurch das Schwingungen aussendende Piezokeramik-Element (10) innerhalb eines Piezokeramik-Moduls (20) das Bauteil zum schwingen anregt, welches die Schwingungen in die Umgebung abstrahlt und/oder• whereby the vibrating piezoelectric ceramic element (10) within a piezoceramic module (20) excites the component to vibrate, which radiates the vibrations into the environment and / or
• die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil an das Piezokeramik-Element (10) überträgt.• transmits the vibrations arriving from the environment via the excited component to the piezoceramic element (10).
13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezokeramik-Element (10) als Aktor und/oder Sensor eines Ultraschallsenders und/oder Empfängers in das Bauteil integrierbar oder integriert oder auf einer Rückseite des Bauteiles (30) applizierbar oder appliziert ist.13. The component according to claim 12, characterized in that the at least one piezoceramic element (10) can be integrated or integrated into the component as an actuator and / or sensor of an ultrasonic transmitter and / or receiver or applied or applied to a rear side of the component (30) is.
14. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) aus unverstärktem oder verstärktem Metall, aus unverstärktem oder verstärktem Kunststoff, aus unverstärktem oder verstärktem Glas sowie aus einem Verbund von mindestens zwei oder mehreren dieser Materialien besteht.14. Component according to claim 12, characterized in that the component (30) consists of unreinforced or reinforced metal, unreinforced or reinforced plastic, unreinforced or reinforced glass and a composite of at least two or more of these materials.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Metalls aus keramik-, glas oder kohlenstoffbasierten Fasern und/oder15. Component according to claim 14, characterized in that the gain of the metal from ceramic, glass or carbon-based fibers and / or
Partikeln und die Verstärkung des Kunststoffs aus glas-, kohlenstoff-, oder aramidbasierten Fasern und/oder Partikel und die Verstärkung des Glases aus glas-, kohlenstoff-, metall-, keramikbasierten Fasern und/oder Partikeln besteht.Particles and the reinforcement of the plastic from glass, carbon, or aramid-based fibers and / or particles and the reinforcement of the glass of glass, carbon, metal, ceramic-based fibers and / or particles consists.
16. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) beziehungsweise das Piezokeramik-Modul (20), insbesondere zur Applikation auf Glas- und/oder Spiegelflächen, transparent ist. 16. Component according to claim 14, characterized in that the piezoceramic element (10) or the piezoceramic module (20), in particular for application to glass and / or mirror surfaces, is transparent.
17. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anbindung zwischen Bauteil (30) und ein das Piezokeramik-Element (10) beinhaltende Piezokeramik-Modul (20) so ausgebildet ist, dass nur ein Teil (100) des Bauteiles (30) [Teilbereich], in dem das Piezokeramik-Modul (20) integriert oder appliziert ist, durch die ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen mit der vorgebbaren Charakteristik anregbar ist.17. Component according to one of claims 11 to 16, characterized in that the connection between the component (30) and a piezoceramic element (10) containing piezoceramic module (20) is formed so that only a part (100) of the component (30) [sub-area] in which the piezoceramic module (20) is integrated or applied, can be excited by the emitted and / or received vibrations with the predetermined characteristic.
18. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil (30) und dem Teilbereich (100) des Bauteiles (30), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Entkopplung zwischen Piezokeramik- Modul (20) und Bauteil (30) erreichbar ist.18. Component according to at least one of claims 11 to 17, characterized in that by a mechanical impedance difference between the component (30) and the portion (100) of the component (30), which is to be excited by the emitted and / or received vibrations , a decoupling between piezoceramic module (20) and component (30) can be achieved.
19. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse des Teilbereiches (100) des Bauteiles (30) gegenüber dem Bauteil (30) einstellbar ist.19. Component according to at least one of claims 11 to 17, characterized in that the mechanical impedance difference by the variation of stiffness and / or mass of the portion (100) of the component (30) relative to the component (30) is adjustable.
20. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem Versteifungslagen zwischen Piezokeramik-Modul (20) und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, anordbar sind.20. The component according to claim 11, characterized in that the mechanical impedance difference can be adjusted by varying the stiffness and / or mass by stiffening layers between piezoceramic module (20) and the subregion of the component which is emitted by the components and / or received vibrations to be excited, can be arranged.
21. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17 , dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem an der Rückseite im Teilbereich des Bauteiles (30), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine angeordnete, insbesondere am Bauteil (30) verklebte Verrippung (50) um das Piezokeramik-Modul (20) herum als mechanischer Impedanzsprung ausführbar ist.21. The component according to claim 11, characterized in that the mechanical impedance difference can be adjusted by varying the stiffness and / or mass by means of which at the backside in the partial region of the component (30), which of the emitted and / or received vibrations is to be excited, an arranged, in particular on the component (30) glued ribbing (50) around the piezoceramic module (20) around as a mechanical impedance jump is executable.
22. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem in dem Teilbereich (100), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Schwächung des Materials des Teilbereich (100) des Bauteiles (30) vornehmbar ist.22. Component according to at least one of claims 11 to 17, characterized in that the mechanical impedance difference by the variation of stiffness and / or mass is adjustable by weakening of the material of the portion (100) of the partial region (100), which is to be excited by the emitted and / or received vibrations Component (30) is vornehmbar.
23. Kraftfahrzeugbauteil nach mindestens einen der Ansprüche 11 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) als23. Motor vehicle component according to at least one of claims 11 to 21, characterized in that the component (30) as
• Anbauteil wie ein Stoßfänger, eine Stoßleiste, eine Türschutzleiste, eine Seiten- schutzleiste, ein Spoiler, ein Nummernschild, ein Türgriff oder ein Spiegel selbst, ein Außenspiegelgehäuse, oder• Attachment such as bumper, bumper, door guard, side guard, spoiler, license plate, door handle or mirror itself, exterior mirror housing, or
• eine Komponenten der Karosseriestruktur, wie die Rohkarosse selbst, wie ein Unterboden oder• a body structure component, such as the body shell itself, such as a subfloor or
• Karosserieanbauteil, wie eine Tür, eine Klappe, ein Deckel oder• Body attachment, such as a door, a flap, a lid or
• Verglasung wie eine Scheibe oder• Glazing like a pane or
• eine Komponente des Fahrwerks oder eines Aggregates ausgebildet ist.• a component of the chassis or an aggregate is formed.
24. Verwendung des Ultraschallsenders nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, zur Objekterfassung und/oder Distanzmessung und/oder zur Erzeugung eines Warntons und/oder als Pre-Crash und/oder Crash-Sensor. 24. Use of the ultrasonic transmitter according to at least one of claims 1 to 11, for object detection and / or distance measurement and / or for generating a warning tone and / or as a pre-crash and / or crash sensor.
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