WO2014146828A2 - Sensoranordnung und verfahren zur umfelderfassung eines fahrzeugs - Google Patents

Sensoranordnung und verfahren zur umfelderfassung eines fahrzeugs Download PDF

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WO2014146828A2
WO2014146828A2 PCT/EP2014/052578 EP2014052578W WO2014146828A2 WO 2014146828 A2 WO2014146828 A2 WO 2014146828A2 EP 2014052578 W EP2014052578 W EP 2014052578W WO 2014146828 A2 WO2014146828 A2 WO 2014146828A2
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transducer assembly
sensor
sound transducer
arrangement
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David Bartylla
Thomas Treptow
Dirk Schmid
Michael Schumann
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Robert Bosch Gmbh
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2015/932—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles for parking operations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/13—Acoustic transducers and sound field adaptation in vehicles

Definitions

  • Ultrasonic sensors are used today, for example, to assist the driver of a vehicle during parking operations.
  • the USS simultaneously acts as transmitter and receiver. The sent out
  • Ultrasound signal is reflected by an object.
  • the distance to the object is then determined via runtime calculation.
  • the lateral position of the object is determined by triangulation.
  • Known ultrasonic sensors have a piezoelectric element in the usual way, which is connected to a membrane of the ultrasonic sensor.
  • Ultrasonic sensors are vibrated to emit acoustic signals. For the reception of the reflected signals are the
  • One way to improve the accuracy of angle determination is to use an ultrasound array (USA). This is an arrangement of a plurality of individual sensor elements, ideally spaced less than wavelength / 2 apart are arranged. Since a US generates a smaller sound pressure through the often smaller area than a conventional comparable USS, usually the transmitting and receiving function is divided. This means that additional mounting space is needed and also visible additional elements must be installed on the vehicles.
  • diamond-like carbon is provided with a barrier layer and a piezoelectric layer.
  • a plurality of spatially separated first and second electrodes are formed on the piezoelectric layer
  • the piezoelectric layer By applying an alternating voltage between a first and a second electrode, the piezoelectric layer can be excited to vibrate.
  • the arrangement of the electrodes, the individual regions of the membrane can be separately excited to vibrate, so that a plurality of ultrasonic transducers is housed on the membrane.
  • Ultrasonic receivers are spatially separated from each other in the disclosed device.
  • a signal is emitted in a defined direction via the ultrasound array.
  • the direction can be pivoted in order to gradually scan the vehicle environment with the sound lobe.
  • the ultrasound echoes are picked up by one or more receivers, but the receivers are not prepared to determine the direction.
  • the direction is calculated from the signal transit time and the emission direction.
  • a sensor arrangement which comprises a first sound transducer arrangement with at least one as
  • Such a transducer assembly is also referred to as a flexural resonator and can generate sound waves having a relatively high sound pressure, typically about 103-109 dB, measured at 30 cm distance on the mid-perpendicular.
  • the sensor arrangement has a second acoustic transducer assembly comprising a plurality of
  • the second sound transducer arrangement is arranged on a surface of the first sound transducer arrangement designed as a membrane.
  • Such a sensor arrangement can be designed in particular as an ultrasonic sensor arrangement for detecting the surroundings of a vehicle.
  • the sensor arrangement known from DE 102012205996.2 is developed and improved by providing that the sensor elements that form the second sound transducer arrangement, ie the array, form
  • Elektretwandleriana are formed.
  • An electrifying transducer element according to the invention is understood to mean a transducer which functions according to the electret principle. It has a
  • Sensor element to a cover layer, which is designed as a vibrating membrane.
  • a cover layer which is designed as a vibrating membrane.
  • the cover layer Upon impact of an acoustic signal, for example the sound reflected by an object, the cover layer is moved, causing a change in capacitance which is measurable.
  • the signal is then electrically amplified and evaluated.
  • the internal DC voltage is already introduced into the electret material during the manufacturing process by appropriate charging. This eliminates the Need for an external power supply that provides the DC voltage, resulting in a cost advantage.
  • the electret is located in an electret transducer between two electrodes, so that the charges generate an electric field. In some known constructions, the electret is the membrane and thus actively resonates. In other known constructions, the electret is mounted on the stationary electrode.
  • the favored for the structure of the invention method for charging the electret material are the corona charging and the contact charging.
  • charging options are not limited to the aforementioned methods.
  • An overview of known methods of charging is
  • the sensor arrangement according to the invention has the advantage that the settling time of the first sound transducer arrangement can be shortened by active control and thus active damping. It works
  • the stimulating piezoelectric element as an actuator and the second
  • the evaluation unit can separate these signals and evaluate them separately. According to the invention, therefore, the oscillating membrane assumes the function of a transmitter and the array of the plurality of sensor elements assumes the function of a receiver.
  • the sensor elements which are the second
  • Forming sound transducer arrangement arranged in areas of the surface formed as a membrane of the first sound transducer assembly that experience no or only a slight deflection in a direction perpendicular to the plane of the membrane upon excitation of a vibration of the membrane.
  • Transmitting frequency has a node.
  • This arrangement has the advantage that the transducer elements experience only a small mechanical load and no or only a slight deflection in the direction of vibration of the membrane even with strong vibrations of the membrane. As a result, the vibration of the membrane affects the array elements as little as possible.
  • the center of the membrane represents the area of greatest deflection and thus the greatest influence and the edge area the area with the least influence.
  • the first sound transducer arrangement (the transmitter) is designed as a bending oscillator with a piezoceramic as an actuator.
  • the second sound transducer arrangement with the plurality of sensor elements (the array) uses as a transducer
  • the electret principle In this case, the second
  • the cover layer may cover all sensor elements, ie be common to all sensor elements or cover only certain groups of sensor elements or individual sensor elements.
  • a signal for example, the sound reflected from an object
  • the cover layer is moved and a change in the
  • Capacity caused that is measurable is measurable.
  • the signal is then electrically amplified and can be further processed.
  • the cover layer may for example consist of a metallic material, such as aluminum or stainless steel, or from a fiber-plastic Composite, such as CFRP or GFRP.
  • the cover layer is glued to the membrane of the first sound transducer assembly (the bending transducer).
  • the adhesive may be designed to be electrically conductive in a first embodiment of the invention. If, in an alternative embodiment of the invention, the adhesive is not electrically conductive, then an electrical contact to the cover layer, which must be the electrical contact
  • an electrical line for example, made of strands or a wire.
  • Biegeschwingers on which the array is applied be non-conductive. This can e.g. be achieved by an electrical oxidation (anodizing) of the subregions. As a result, if the membrane is made of electrically conductive aluminum, a non-conductive ceramic is produced. On this ceramic conductor tracks can then be applied, for example by vapor deposition, sputtering, screen printing or other applying method.
  • the electret itself which comprises, for example, FEP, PTFE, or similar materials, if present as a film, can be adhered to the forming electrode with an electrically conductive adhesive.
  • the electret film is preferably vapor-deposited on the side to be contacted (bottom), since FEP or PTFE have very low surface energies, which make bonding virtually impossible. For example, sticking can also be avoided by placing the electret close to a temperature close to it
  • the first sound transducer arrangement comprises a cup-shaped element which has a
  • Bottom surface and an edge surface comprises, wherein the bottom surface is preferably formed as a membrane.
  • a piezoelectric element is disposed in contact with the diaphragm.
  • the first transducer assembly corresponds in this embodiment so a
  • Ultrasonic sensor can be installed without making adjustments
  • the holder are needed.
  • the sensor elements of the second sound transducer arrangement are preferably arranged on the bottom surface of the cup-shaped element designed as a membrane, in particular on the outwardly facing side of the bottom surface.
  • the conductor tracks are preferably applied to the membrane by applying a film vapor-deposited with the conductor tracks to the surface of the first acoustic transducer arrangement designed as a membrane, for example by gluing.
  • the film may in particular be a polyimide film or a Teflon film. Such films are characterized mainly by a high heat resistance and good electrical insulation properties.
  • the second sound transducer assembly is mounted on a flexible printed circuit board, wherein the flexible printed circuit board comprises conductor tracks and electrodes, and wherein the flexible printed circuit board is glued in particular with the membrane.
  • Sound transducer assembly provided with a cover layer having, for example, a fiber-plastic composite.
  • cover layer having, for example, a fiber-plastic composite.
  • For additional sealing and to protect against moisture and other environmental influences may also preferably at least one of the sensor elements of the second
  • Sound transducer assembly of a cover for example, be covered in the form of a cap or a sealing film.
  • the cover element may preferably be pot-shaped and completely cover the first and the second sound transducer arrangement or the second sound transducer arrangement and the membrane of the first sound transducer arrangement.
  • a sensor arrangement according to the invention is suitable for detecting the surroundings of motor vehicles or robots, in particular for parking aid systems or also for autonomously driving platforms. According to the invention, a method for detecting the surroundings, in particular of a vehicle, is provided, in which an inventive
  • the method provides that the first sound transducer arrangement emits an acoustic signal that can be reflected on one or more objects, the second sound transducer arrangement receives the reflected signal and an angle-dependent evaluation of the reflected signal.
  • An angle-dependent evaluation is understood in particular to mean that the arrangement of the sensor elements of the second sound transducer arrangement as a sound transducer array, a position and a shape of the object on which the sound waves were reflected on the basis of time and phase differences between those of the respective
  • Sensor elements received sound waves can be detected.
  • the inventive method provides in a preferred embodiment, that after the emission of the acoustic signal attenuation of the first transducer arrangement is carried out by a, in particular out of phase, control of the first transducer assembly is made.
  • the second sound transducer arrangement is used as a sensor of a control circuit for the control to determine the current phase and / or frequency and / or amplitude of the vibration of the diaphragm of the first sound transducer assembly.
  • the sensor arrangement according to the invention is used, for example, in driver assistance systems for vehicles of everyday road traffic, in vehicles at airports, in harbors, in warehouses, on construction sites, in road construction but also for spacecraft that dock with other spacecraft or for machines and robots.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a first sound transducer arrangement.
  • FIG. 2 shows a sensor arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows a sensor arrangement according to a second embodiment of the invention in section and in plan view.
  • Figure 4 shows a sensor arrangement according to a third embodiment of the invention in section.
  • Figure 5 shows a sensor arrangement according to a fourth embodiment of the invention in section.
  • FIG. 1 shows schematically in perspective view an embodiment of a first transducer assembly 10.
  • the first transducer assembly 10 includes a cup-shaped element 11, which may for example consist of plastic or aluminum.
  • the element 11 comprises a bottom surface 12 formed as a membrane 12 and a peripheral edge surface 14
  • Bottom surface 12 is formed substantially circular.
  • the membrane 12 may for example be formed integrally with the element 11, or be attached as a separate part on the peripheral edge surface 14.
  • the edge surface 14 has a circumferential projection 16 in the direction of its edge facing away from the bottom surface 12.
  • the projection 16 serves for fastening the element 11 in a receptacle of a sensor housing, not shown, for example on a motor vehicle.
  • An unillustrated piezoelectric element is arranged in a known manner on the membrane 12 such that it can excite the membrane 12 to oscillate, whereby an emission of sound waves by the first transducer assembly 10 takes place.
  • the frequency of the radiated sound waves in the range of 40 to 120 kHz, ie in the ultrasonic range.
  • Sound transducer assembly 10 advantageously sound waves with a high sound pressure.
  • the membrane 12 is in Vibration, which is indicated by the central curvature of the membrane 12.
  • the membrane 12 has a central region 12b, which experiences a maximum deflection in a direction perpendicular to the membrane surface 12 when the oscillation mode is excited (oscillation antinode).
  • the membrane 12 has an approximately annular region 12a at its edge, the excitation of the vibration mode shown a minimal or no deflection in a direction perpendicular to the
  • Membrane surface 12 undergoes (vibration node). It is advantageous
  • a sensor arrangement 1 according to the invention is shown schematically in FIG. 2 in a perspective view.
  • the sensor arrangement 1 comprises a first sound transducer arrangement 10, which according to the one shown in FIG.
  • Sound transducer assembly 10 is formed. Identical parts are provided with the same reference numerals.
  • a second sound transducer assembly 20, comprising eight identically constructed sensor elements 22a, 22b, 22c, 22d, 22f, 22g, 22h, 22i, is on the as a membrane
  • Sound transducer assembly 20 is formed as a sound transducer array.
  • the central position on the membrane 12 has no sensor element, since in this region the deflection is strongest in a bending vibration of the membrane, as can be seen from FIG.
  • the sensor elements 22a-22i are arranged in the edge regions of the membrane 12, which experience only a slight deflection in the mode of the flexural vibration of the diaphragm excited in this example in comparison to the maximum deflection in FIG Center of the membrane (as shown in Figure 1).
  • the sensor elements with more or fewer columns or rows and / or a larger or smaller number of sensor elements are conceivable.
  • the distances of the sensor elements 22a-22i in the x and y directions are each preferably half the wavelength of the sound waves for which the sensor arrangement 1 is designed. For a typical frequency of 50 kHz and the application in air, the distance is thus about 3 mm, measured from the center of a sensor element to the center of the farthest sensor element. Deviations lead to losses of accuracy in the spatial separation of reflex points.
  • the sensor arrangement 1 Since reliable detection of the received acoustic signal can only take place after a certain settling time of the sensor arrangement 1, the sensor arrangement 1 is provided after the emission of the acoustic signal
  • Attenuate signal Due to the attenuation, the time duration which is at least between the emission of the acoustic signal by the first
  • Transducer assembly 10 and the detection of the reflected acoustic signal by the second sound transducer assembly 20 must pass to a reliable measurement, especially in a vicinity of the sensor array
  • Used motor vehicle objects can be detected with a small distance from the sensor by this reduction of the so-called dead time.
  • the minimum detectable distance is in a known manner by the
  • Reverberation of the sensor assembly 1 determines.
  • the attenuation of the first sound transducer assembly 10 is preferably carried out by active control of the piezoelectric element of the first transducer assembly, in phase opposition to the vibration of the membrane 11.
  • Sound transducer assembly 20 serves as a sensor for the vibration of the diaphragm 11 and it can be formed a control loop, which allows a fast and efficient damping of the membrane. It is thus possible to reduce the use of damping materials, such as foamed plastics, or to completely dispense with it.
  • damping materials such as foamed plastics
  • FIG. 2 As an alternative to the arrangement of the sensor elements 22a-22i shown in FIG. 2, other arrangements are conceivable, for example an arrangement with varying distances.
  • the sensor elements 22a-22i have a substantially circular surface in the example shown. Alternatively, other shapes are possible, for example, a rectangular, square or polygonal shape.
  • the sensor elements 22a-22i each comprise an electret element and a common cover layer, which is designed as a vibrating membrane. Upon impact of a signal, for example the sound reflected by an object, the cover layer is moved and causes a change in capacitance, which is measurable. As a result, a voltage signal is generated at each of the sensor elements 22a-22i.
  • a position and a shape of the object on which the sound waves are reflected can be detected based on time and phase differences between the sound waves received from the respective sensor elements 22a-22i.
  • FIG. 3 shows a sensor arrangement 1 according to a second exemplary embodiment of the invention in section (FIG. 3A) and in plan view (FIG. 3B), wherein in FIG. 3B the cover layer 125 of the sensor elements 22a-22i is not visible.
  • the first sound transducer arrangement 110 comprises a cup-shaped element 111 with a membrane 112 as the bottom surface.
  • the first sound transducer assembly 110 is formed as a bending oscillator with a piezoceramic 115 as an actuator, which is driven by electrical connections 117.
  • four sensor elements 122 are provided on the membrane 112 of the first sound transducer assembly 110, which act as a sensor array and together the second
  • Sound transducer assembly 120 form.
  • the sensor elements 122 of the second sound transducer arrangement 120 use the electret principle. There is one
  • Cover layer 125 of the array designed as a vibrating membrane.
  • Impact sound waves in particular, the cover layer 125 is moved and a change in capacitance is caused on each sensor element.
  • the change in capacity represents the received signal.
  • the cover layer 125 may be made of both a metallic material, such as e.g. Aluminum or stainless steel, as well as from a fiber-plastic composite, such. CFK or GFK.
  • the cover layer 125 is adhesively bonded to the membrane 112 of the first sound transducer assembly 110 at various splices 128.
  • the adhesive used may be, for example, electrically conductive. If the adhesive is not electrically conductive, then an electrical contact of the cover layer 125, which is the counterelectrode of the second sound transducer assembly 120, to a ground electrode 137, by attachment of strands or a wire 130, as shown in Figure 3. In order not to create a short circuit, portions 114 of the membrane 112 of the first
  • Sound transducer assembly 110 on which the sound transducer assembly 120 is disposed to be non-conductive. This can e.g. by an electric
  • Oxidation (anodization) of the partial regions 114 can be achieved.
  • the membrane 112 is made of electrically conductive aluminum, a non-conductive ceramic is produced.
  • conductor tracks are applied, which are e.g. by vapor deposition, sputtering, screen printing or other applying process can be realized.
  • the membrane 112 is made of electrically conductive aluminum, a non-conductive ceramic is produced.
  • conductor tracks are applied, which are e.g. by vapor deposition, sputtering, screen printing or other applying process can be realized.
  • the membrane 112 is made of electrically conductive aluminum, a non-conductive ceramic is produced.
  • conductor tracks are applied, which are e.g. by vapor deposition, sputtering, screen printing or other applying process can be realized.
  • the vapor deposition, sputtering, screen printing or other applying process can be realized.
  • Conductor tracks 132 by applying a vapor-deposited with the tracks 132 foil, in particular one or a Teflon film, on which as a membrane
  • the electret which forms the sensor elements 122 and which is e.g. FEP, PTFE, if present as a film, may be adhered to the forming electrode with an electrically conductive adhesive.
  • electret foil is preferably vapor-deposited on the side to be contacted (bottom), since FEP or PTFE have very low surface energies, which make bonding virtually impossible. Is that right
  • Electret material in dissolved form such as Teflon AF or Cytop from Asahi Glass, may be applied by other methods such as dripping or spinning.
  • a plug 135 can be connected by means of electrical conductive adhesive 129 with the tracks 132 or by soldering or welding. The plug 135 and the electrical supply line to the plug 135 is through a channel-like recess 138 in the housing 111 passed, and connected to the electronics of an evaluation unit (not shown).
  • the first acoustic transducer assembly 210 includes a cup-shaped member 211 having a membrane 212 as
  • the first sound transducer arrangement 210 is designed as a bending oscillator with a piezoceramic 215 as an actuator, which is controlled by electrical connections 217.
  • a plurality of sensor elements 222 are provided on the membrane 212 of the first sound transducer assembly 210, which act as a sensor array and together form the second sound transducer assembly 220.
  • the sensor elements 222 of the second sound transducer arrangement 220 use the electret principle.
  • a cover layer 225 of the array is designed as a vibrating membrane.
  • the second transducer assembly 220 is applied to the cover layer 225 on a flexible circuit board 232, which already has the necessary elements, such as tracks and electrodes. This is a costly processing of the membrane 212 of the first
  • the printed circuit board 232 has a flexible plug 235 which can be guided in a recess 238 of the diaphragm pot. In this way, eliminates the complicated contact in the
  • the printed circuit board 232 is connected to the membrane by means of an adhesive layer 240.
  • the cover layer 225 is attached by means of splices 228, 229 on the flexible circuit board 232.
  • the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 5 largely corresponds to the example described in connection with FIG.
  • the same elements are provided with the same reference numerals.
  • the difference from the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4 is that a cover layer 326 of the second acoustic transducer arrangement 220 is provided, which is cup-shaped, that is to say has a peripheral edge 330 which runs essentially perpendicular to the membrane 212.
  • This design of the cover layer on the one hand creates an optical continuous surface and on the other hand another way to seal the Sensor arrangement 1 created. The sealing takes place in the illustrated example at the splice 350.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Sensoranordnung (1) vorgeschlagen, die eine erste Schallwandleranordnung (10) mit zumindest einer als Membran (12) ausgebildeten Oberfläche umfasst, wobei die Membran (12) geeignet ist, Schwallwellen abzustrahlen. Eine derartige Schallwandleranordnung (10) wird auch als Biegeschwinger bezeichnet und kann Schallwellen mit einem verhältnismäßig hohen Schalldruck erzeugen. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung (1) weist eine zweite Schallwandleranordnung (20) auf, umfassend eine Mehrzahl von Sensorelementen (22a –22i), die in einem Array angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die zweite Schallwandleranordnung (20) auf einer als Membran (12) ausgebildeten Oberfläche der ersten Schallwandleranordnung (10) angeordnet ist. Erfindungsgemäß umfasst die zweite Schallwandleranordnung (20) Sensorelemente (22a-22i), die als Elektretwandlerelemente ausgebildet sind. Eine derartige Sensoranordnung (1) kann insbesondere als Ultraschallsensoranordnung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs ausgebildet sein.

Description

Beschreibung Titel
Sensoranordnung und Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs Stand der Technik
Ultraschallsensoren (USS) werden heutzutage beispielsweise zur Unterstützung des Fahrers eines Fahrzeugs bei Einparkvorgängen genutzt. Dabei wirkt der USS gleichzeitig als Sender und Empfänger. Das ausgesendete
Ultraschallsignal wird durch ein Objekt reflektiert. Die Entfernung zu dem Objekt wird anschließend über Laufzeitberechnung ermittelt. Die laterale Position des Objekts wird mittels Triangulation bestimmt.
Bekannte Ultraschallsensoren weisen in üblicher Weise ein Piezoelement auf, das mit einer Membran des Ultraschallsensors verbunden ist. Durch
entsprechende Ansteuerung des Piezoelements kann die Membran des
Ultraschallsensors in Schwingung versetzt werden, um akustische Signale auszusenden. Für den Empfang der reflektierten Signale werden die
Schwingungen der Membran durch das Piezoelement in entsprechende
Spannungssignale umgewandelt.
Im Rahmen der Berechnung des Objektabstands mittels Triangulation führen Ungenauigkeiten in der Bestimmung des Einfallwinkels des reflektierten Signals zu Unsicherheiten in der berechneten Entfernung. Dieses Problem tritt insbesondere bei mehreren reflektierenden Objekten auf, so dass eine
Mehrdeutigkeit entsteht, die die genaue Bestimmung der Objektposition nicht mehr ermöglicht. Aus Sicherheitsgründen wird deshalb in der Regel dem Fahrer der kürzest mögliche Abstand angegeben. Eine Möglichkeit, die Genauigkeit der Winkelbestimmung zu verbessern, bietet die Nutzung eines Ultraschallarrays (USA). Dies ist eine Anordnung einer Mehrzahl von einzelnen Sensorelementen, die idealerweise in einem Abstand von weniger als Wellenlänge/2 zueinander angeordnet sind. Da ein USA einen kleineren Schalldruck durch die oft kleinere Fläche erzeugt, als ein konventioneller vergleichbarer USS, wird üblicherweise die Sende- und Empfangsfunktion unterteilt. Dies bedeutet, dass zusätzlicher Montageraum nötig ist und zudem sichtbare Zusatzelemente an den Fahrzeugen installiert werden müssen.
Aus der WO 03/092915 A2 ist ein Array von Ultraschallwandlern auf einer Membran bekannt. Eine Membran, bestehend aus Diamant oder
diamantähnlichem Kohlenstoff, wird mit einer Barriereschicht und einer piezoelektrischen Schicht versehen. Eine Vielzahl von räumlich getrennten ersten und zweiten Elektroden wird auf der piezoelektrischen Schicht
angeordnet. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode kann die piezoelektrische Schicht zum Schwingen angeregt werden. Durch die Anordnung der Elektroden können die einzelnen Bereiche der Membran separat zum Schwingen angeregt werden, so dass auf der Membran eine Vielzahl von Ultraschallwandlern untergebracht ist.
Aus der DE 10 2004 050 794 AI ist die Verwendung eines Ultraschallarrays zum gerichteten Senden eines Ultraschallsignals und mindestens einem Empfänger zum aufnehmen der Ultraschallechos bekannt. Das Ultraschallarray und die
Ultraschallempfänger sind in der offenbarten Vorrichtung räumlich getrennt voneinander angeordnet. Über das Ultraschallarray wird in eine festgelegte Richtung ein Signal abgestrahlt. Die Richtung kann dabei verschwenkt werden, um nach und nach das Fahrzeugumfeld mit der Schallkeule abzutasten. Die Ultraschallechos werden von einem oder mehreren Empfängern aufgenommen, wobei die Empfänger nicht auf die Bestimmung der Richtung vorbereitet sind. Die Richtung wird aus der Signallaufzeit und der Abstrahlrichtung berechnet.
Aus der noch unveröffentlichten DE 102012205996.2 ist eine Sensoranordnung bekannt, die eine erste Schallwandleranordnung mit zumindest einer als
Membran ausgebildeten Oberfläche umfasst, wobei die Membran geeignet ist, Schwallwellen abzustrahlen. Eine derartige Schallwandleranordnung wird auch als Biegeschwinger bezeichnet und kann Schallwellen mit einem verhältnismäßig hohen Schalldruck erzeugen, typischerweise etwa 103-109 dB, gemessen in 30cm Entfernung auf der Mittelsenkrechten. Die Sensoranordnung weist eine zweite Schallwandleranordnung auf, umfassend eine Mehrzahl von
Sensorelementen, die in einem Array angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die zweite Schallwandleranordnung auf einer als Membran ausgebildeten Oberfläche der ersten Schallwandleranordnung angeordnet ist. Eine derartige Sensoranordnung kann insbesondere als Ultraschallsensoranordnung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs ausgebildet sein.
Durch die Integration der beiden Schallwandlerkonzepte in ein Bauteil kann in vorteilhafter Weise durch die erste Schallwandleranordnung ein hoher
Schalldruck und durch die zweite Schallwandleranordnung eine winkelabhängige Detektion der reflektierten Schallwellen erzielt werden, ohne dass zwei separate Bauteile nötig sind, die zusätzlichen Bauraum beanspruchen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die aus DE 102012205996.2 bekannte Sensoranordnung weitergebildet und verbessert, indem vorgesehen ist, dass die Sensorelemente, die die zweite Schallwandleranordnung, also das Array, bilden als
Elektretwandlerelemente ausgebildet sind.
Unter einem Elektretwandlerelement gemäß der Erfindung wird ein Wandler verstanden, der nach dem Elektretprinzip funktioniert. Dabei weist ein
Sensorelement eine Deckschicht auf, welche als schwingende Membran ausgelegt ist. Beim Auftreffen eines akustischen Signals, beispielsweise des von einem Objekt reflektierten Schalls, wird die Deckschicht bewegt und eine Änderung der Kapazität hervorgerufen, die messbar ist. Das Signal wird im Anschluss elektrisch verstärkt und ausgewertet. Durch die Anordnung der Sensorelemente in einem Array können weitere Informationen, beispielsweise die
Als Elektret werden Materialien bezeichnet, die elektrische Ladungen über eine längere Zeit und Temperaturspanne speichern können. Bei einem
Elektretwandler wird - im Gegensatz zu z.B. Kondensatormikrofonen - die interne Gleichspannung schon während des Fertigungsprozesses in das Elektretmaterial durch entsprechende Aufladung eingebracht. Dabei entfällt die Notwendigkeit einer externen Spannungsversorgung, die die Gleichspannung zur Verfügung stellt, was zu einem Kostenvorteil führt. Das Elektret befindet sich in einem Elektretwandler zwischen zwei Elektroden, so dass die Ladungen ein elektrisches Feld erzeugen. In einigen bekannten Aufbauten stellt das Elektret die Membran dar und schwingt somit aktiv mit. In anderen bekannten Aufbauten ist das Elektret auf der unbewegten Elektrode befestigt.
Als Aufladungsmöglichkeiten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die für den erfindungsgemäßen Aufbau favorisierten Verfahren zur Aufladung des Elektretmaterials sind die Korona-Aufladung und die Kontaktaufladung dar. Die
Möglichkeiten zur Aufladung beschränken sich allerdings nicht auf die genannten Verfahren. Ein Überblick über bekannte Verfahren zur Aufladung ist
beispielsweise in„Electrets, G.M. Sessler, Springer-Verlag, 2nd edition, 1987" gegeben.
Die Sensoranordnung gemäß der Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Ausschwingzeit der ersten Schallwandleranordnung durch aktive Regelungen und damit eine aktive Dämpfung verkürzt werden kann. Dabei wirkt
beispielsweise das anregende Piezoelement als Aktor und die zweite
Schallwandleranordnung als Sensor. Somit kann auf Dämpfung durch
entsprechende Materialien entweder weitestgehend verzichtet werden oder ein Dämpfungsmaterial wird nur unterstützend genutzt. Dies bewirkt, dass wesentlich höhere Schalldrücke eingesetzt werden können, ohne den messbaren
Mindestabstand vergrößern zu müssen. Zudem kann gegebenenfalls auf eine zusätzliche, als Übertrager dienende Spule verzichtet werden, die in bekannten
Systemen im Empfangsbetrieb des Ultraschallsensors zur Erzeugung einer Breitbandigkeit und der nötigen elektrischen Spannung an der Piezokeramik genutzt wird. Diese Funktionalität kann bei der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung stattdessen direkt in einer Auswerteeinheit verwirklicht werden. Die Signale werden in der Auswerteeinheit zusammengeführt und verarbeitet. Dies ist nötig, da im Falle der nach dem Senden nicht zur Ruhe gekommenen Membran, zum einen Nachschwingungen der Membran und zum anderen empfangene reflektierte Schwingungen (Echo) durch die zweite
Schallwandleranordnung erkannt werden. Die Auswerteeinheit kann diese Signale separieren und getrennt auswerten. Erfindungsgemäß übernimmt also die schwingende Membran die Funktion eines Senders und das Array aus der Mehrzahl von Sensorelementen die Funktion eines Empfängers.
Besonders bevorzugt sind die Sensorelemente, die die zweite
Schallwandleranordnung bilden, in Bereichen der als Membran ausgebildeten Oberfläche der ersten Schallwandleranordnung angeordnet, die bei Anregung einer Schwingung der Membran keine oder nur eine geringe Auslenkung in eine Richtung senkrecht zur Ebene der Membran erfahren. Dies sind beispielsweise
Bereiche in denen die Membran bei Anregung mit einer bestimmten
Sendefrequenz einen Schwingungsknoten aufweist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Schallwandlerelemente auch bei starken Schwingungen der Membran nur eine geringe mechanische Belastung und keine oder nur eine geringfügige Auslenkung in Schwingungsrichtung der Membran erfahren. Damit ergibt sich, dass die Schwingung der Membran die Arrayelemente so gering wie möglich beeinflusst. Dabei stellt üblicherweise die Mitte der Membran den Bereich der größten Auslenkung und damit der größten Beeinflussung dar und der Randbereich den Bereich mit der geringsten Beeinflussung.
Bevorzugt ist die erste Schallwandleranordnung (der Sender) als Biegeschwinger mit einer Piezokeramik als Aktor ausgelegt. Die zweite Schallwandleranordnung mit der Mehrzahl von Sensorelementen (das Array) nutzt als Wandler
erfindungsgemäß das Elektretprinzip. Dabei weist die zweite
Schallwandleranordnung bevorzugt eine Deckschicht auf, welche als
schwingende Membran ausgelegt ist. Die Deckschicht kann beispielsweise alle Sensorelemente bedecken, also allen Sensorelementen gemeinsam sein oder nur bestimmte Gruppen von Sensorelementen oder einzelne Sensorelemente bedecken. Beim Auftreffen eines Signals, beispielsweise des von einem Objekt reflektierten Schalls, wird die Deckschicht bewegt und eine Änderung der
Kapazität hervorgerufen, die messbar ist. Das Signal wird im Anschluss elektrisch verstärkt und kann weiter verarbeitet werden.
Die Deckschicht kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, wie z.B. Aluminium oder Edelstahl bestehen, oder auch aus einem Faser- Kunststoff- Verbund, wie z.B. CFK oder GFK. Die Deckschicht ist mit der Membran der ersten Schallwandleranordnung (des Biegewandlers) verklebt. Der Kleber kann in einer ersten Ausführung der Erfindung elektrisch leitend ausgebildet sein. Ist der Kleber in einer alternativen Ausführung der Erfindung nicht elektrisch leitend, so muss ein elektrischer Kontakt zur Deckschicht, die die
Gegenelektrode darstellt, durch Anbringung einer elektrischen Leitung, beispielsweise von Litzen oder einem Draht erfolgen. Um keinen Kurzschluss zu erzeugen, müssen in dieser Ausführung Teilbereiche der Membran des
Biegeschwingers, auf der das Array aufgebracht ist, nichtleitend sein. Dies kann z.B. durch eine elektrische Oxidierung (Eloxieren) der Teilbereiche erreicht werden. Dadurch wird, sofern die Membran aus elektrisch leitendem Aluminium besteht, eine nichtleitende Keramik erzeugt. Auf diese Keramik können dann Leiterbahnen aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern, Siebdruck oder einen anderen auftragenden Verfahren.
Das Elektret selbst, das beispielsweise FEP, PTFE, oder ähnliche Materialien aufweist, kann, sofern es als Folie vorliegt, mit einem elektrisch leitendem Kleber auf die formgebende Elektrode aufgeklebt werden. Die Elektretfolie ist in diesem Fall vorzugsweise auf der zu kontaktierenden Seite (unten) bedampft, da FEP bzw. PTFE sehr niedrige Oberflächenenergien aufweisen, die ein Verkleben nahezu unmöglich machen. Ein Verkleben kann beispielsweise auch vermieden werden, indem das Elektret bis zu einer Temperatur nahe seiner
Schmelztemperatur erhitzt wird und anschließend auf die Membran auflaminiert wird. Liegt das Elektret in gelöster Form vor, wie Teflon AF oder Cytop von Asahi
Glass, so kann es durch andere Verfahren, wie Auftropfen oder Spinnen aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst die erste Schallwandleranordnung ein topfförmiges Element, das eine
Bodenfläche und ein Randfläche umfasst, wobei die Bodenfläche bevorzugt als Membran ausgebildet ist. Zur Anregung einer Schwingung der Membran ist ein piezoelektrisches Element in Kontakt mit der Membran angeordnet. Die erste Schallwandleranordnung entspricht in dieser Ausführung also einem
herkömmlichen Ultraschallsensor, so dass die derartig ausgeführte Sensoranordnung in einfacher Weise statt einem herkömmlichen
Ultraschallsensor eingebaut werden kann, ohne dass Anpassungen
beispielsweise der Halterung nötig sind. Die Sensorelemente der zweiten Schallwandleranordnung sind bevorzugt auf der als Membran ausgebildeten Bodenfläche des topfförmigen Elements angeordnet, insbesondere auf der nach außen weisenden Seite der Bodenfläche.
Die Leiterbahnen werden bevorzugt auf die Membran aufgebracht, indem eine mit den Leiterbahnen bedampften Folie, auf die als Membran ausgebildeten Oberfläche der ersten Schallwandleranordnung aufgebracht wird, beispielsweise durch Kleben. Bei der Folie kann es sich insbesondere um eine Polyimidfolie oder eine Teflonfolie handeln. Derartige Folien zeichnen sich vor allem durch eine hohe Hitzebeständigkeit und gute elektrische Isolationseigenschaften aus.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Schallwandleranordnung auf einer flexiblen Leiterplatte aufgebracht ist, wobei die flexible Leiterplatte Leiterbahnen und Elektroden aufweist, und wobei die flexible Leiterplatte insbesondere mit der Membran verklebt ist. Dies ermöglicht sich eine besonders einfache Fertigung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Zum Schutz vor Beschädigungen sind die Sensorelemente der zweiten
Schallwandleranordnung mit einer Abdeckschicht versehen, die beispielsweise einen Faser- Kunststoff- Verbund aufweist. Zur zusätzlichen Abdichtung und zum Schutz vor Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen kann außerdem bevorzugt mindestens eines der Sensorelemente der zweiten
Schallwandleranordnung von einer Abdeckelement, beispielsweise in Form einer Kappe oder einer abdichtenden Folie bedeckt sein.
Das Abdeckelement kann bevorzugt topfförmig ausgebildet sein und die erste und die zweite Schallwandleranordnung bzw. die zweite Schallwandleranordnung und die Membran der ersten Schallwandleranordnung vollständig abdecken.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung eignet sich zur Umfelderfassung von Kraftfahrzeugen oder Robotern, insbesondere für Einparkhilfesysteme oder auch für autonom fahrende Plattformen. Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zur Umfelderfassung, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgesehen, bei dem eine erfindungsgemäße
Sensoranordnung Verwendung findet. Das Verfahren sieht vor, dass die erste Schallwandleranordnung ein akustisches Signal aussendet, das an einem oder mehreren Objekten reflektiert werden kann, die zweite Schallwandleranordnung das reflektierte Signal empfängt und eine winkelabhängige Auswertung des reflektierten Signals erfolgt. Unter einer winkelabhängigen Auswertung wird insbesondere verstanden, dass durch die Anordnung der Sensorelemente der zweiten Schallwandleranordnung als Schallwandler-Array eine Position und eine Form des Objekts, an dem die Schallwellen reflektiert wurden auf der Grundlage von Zeit- und Phasendifferenzen zwischen den von den jeweiligen
Sensorelementen empfangenen Schallwellen, erfasst werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einer bevorzugten Ausführung vor, dass nach dem Aussenden des akustischen Signals eine Dämpfung der ersten Schallwandleranordnung erfolgt, indem eine, insbesondere gegenphasige, Ansteuerung der ersten Schallwandleranordnung vorgenommen wird. Dabei wird die zweite Schallwandleranordnung als Sensor eines Regelkreises für die Ansteuerung genutzt, um die aktuelle Phase und/oder Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung der Membran der ersten Schallwandleranordnung zu bestimmen. Die gewonnene Information über die aktuelle Phase und/oder Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung der Membran der ersten
Schallwandleranordnung wird genutzt, um die erste Schallwandleranordnung derart anzusteuern, dass eine schnelle und effektive Dämpfung einer
Nachschwingung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung findet beispielweise Verwendung in Fahrerassistenzsystemen für Fahrzeuge des täglichen Straßenverkehrs, in Fahrzeugen auf Flughäfen, in Häfen, in Lagerhallen, auf Baustellen, im Straßenbau aber auch für Raumfahrzeuge, die mit anderen Raumfahrzeugen zusammendocken oder für Maschinen und Roboter.
Kurze Beschreibung der Zeich Figur 1 zeigt eine Ausführung einer ersten Schallwandleranordnung.
Figur 2 zeigt eine Sensoranordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3 zeigt eine Sensoranordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt und in Draufsicht.
Figur 4 zeigt eine Sensoranordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt.
Figur 5 zeigt eine Sensoranordnung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel für eine erste Schallwandleranordnung 10. Die erste Schallwandleranordnung 10 umfasst ein topfförmiges Element 11, das beispielsweise aus Kunststoff oder Aluminium bestehen kann. Das Element 11 umfasst eine als Membran 12 ausgebildete Bodenfläche 12 und eine umlaufende Randfläche 14. Die
Bodenfläche 12 ist im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Die Membran 12 kann beispielsweise einteilig mit dem Element 11 ausgebildet sein, oder als separates Teil auf der umlaufenden Randfläche 14 befestigt sein. Die Randfläche 14 weist in Richtung ihrer der Bodenfläche 12 abgewandten Kante einen umlaufenden Vorsprung 16 auf. Der Vorsprung 16 dient zur Befestigung des Elements 11 in einer Aufnahme eines nicht dargestellten Sensorgehäuses, beispielsweise an einem Kraftfahrzeug. Ein nicht dargestelltes Piezoelement ist in bekannter Weise derart an der Membran 12 angeordnet, dass es die Membran 12 zu Schwingungen anregen kann, wodurch eine Abstrahlung von Schallwellen durch die erste Schallwandleranordnung 10 erfolgt. Typischerweise liegt die Frequenz der abgestrahlten Schallwellen im Bereich von 40 bis 120 kHz, also im Ultraschallbereich. Durch den beschriebenen Aufbau strahlt die erste
Schallwandleranordnung 10 in vorteilhafter Weise Schallwellen mit einem hohen Schalldruck aus. In der Darstellung in Figur 1 befindet sich die Membran 12 in Schwingung, was durch die zentrale Wölbung der Membran 12 angedeutet ist. Die Membran 12 weist einen zentralen Bereich 12b auf, der bei Anregung der dargestellten Schwingungsmode eine maximale Auslenkung in einer Richtung senkrecht zu der Membranfläche 12 erfährt (Schwingungsbauch).
Weiterhin weist die Membran 12 einen in etwa ringförmigen Bereich 12a an ihrem Rand auf, der bei Anregung der dargestellten Schwingungsmode eine minimale oder gar keine Auslenkung in einer Richtung senkrecht zu der
Membranfläche 12 erfährt (Schwingungsknoten). Es ist vorteilhaft
Sensorelemente einer erfindungsgemäß vorgesehenen zweiten
Schallwandleranordnung in derartigen Bereichen (12a) anzuordnen, die nur eine geringe oder gar keine Auslenkung erfahren, um mechanische Belastungen der Sensorelemente und/oder durch die Bewegung verursachte Messfehler zu vermeiden. Die hier dargestellte Schwingungsform ist nur ein mögliches Beispiel für eine anregbare Schwingungsform der Membran 12. Schwingungsformen höherer Ordnung weisen in bekannter Weise Schwingungsbäuche bzw.
Schwingungsknoten in anderen Bereichen auf.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist in Figur 2 schematisch in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine erste Schallwandleranordnung 10, die gemäß der in Figur 1 dargestellten
Schallwandleranordnung 10 ausgebildet ist. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine zweite Schallwandleranordnung 20, umfassend acht gleichartig aufgebaute Sensorelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22f, 22g, 22h, 22i, ist auf der als Membran
12 ausgebildeten Bodenfläche des Elements 11 angeordnet. Die zweite
Schallwandleranordnung 20 ist als Schallwandler-Array ausgebildet. Die
Abstände zwischen benachbarten Sensorelementen sind jeweils gleich. Die zentrale Position auf der Membran 12 weist kein Sensorelement auf, da in diesem Bereich die Auslenkung bei einer Biegeschwingung der Membran am stärksten ist, wie aus Figur 1 hervorgeht. Zur Vermeidung von mechanischen Belastungen der Sensorelemente 22a-22i und Messungenauigkeiten sind die Sensorelemente 22a-22i in den Randbereichen der Membran 12 angeordnet, die bei der in diesem Beispiel angeregten Mode der Biegeschwingung der Membran, nur eine geringe Auslenkung erfahren im Vergleich zur Maximalauslenkung im Zentrum der Membran (wie in Figur 1 dargestellt). Alternativ sind auch andere Anordnungen der Sensorelemente mit mehr oder weniger Spalten oder Reihen und/oder einer größeren oder kleineren Anzahl von Sensorelementen denkbar. Die Abstände der Sensorelemente 22a - 22i in x- und y-Richtung betragen jeweils bevorzugt die Hälfte der Wellenlänge der Schallwellen, für die die Sensoranordnung 1 ausgelegt ist. Für eine typische Frequenz von 50 kHz und die Anwendung in Luft beträgt der Abstand also etwa 3 mm, gemessen vom Mittelpunkt eines Sensorelements zum Mittelpunkt des am weitesten entfernten Sensorelements. Abweichungen führen zu Genauigkeitsverlusten bei der räumlichen Trennung von Reflexpunkten.
Da eine zuverlässige Detektion des empfangenen akustischen Signals erst nach einer gewissen Ausschwingzeit der Sensoranordnung 1 erfolgen kann, ist vorgesehen die Sensoranordnung 1 nach dem Aussenden des akustischen
Signals zu dämpfen. Durch die Dämpfung wird die Zeitdauer, die mindestens zwischen dem Aussenden des akustischen Signals durch die erste
Schallwandleranordnung 10 und der Detektion des reflektierten akustischen Signals durch die zweite Schallwandleranordnung 20 vergehen muss, um eine zuverlässige Messung insbesondere in einem Nahbereich der Sensoranordnung
1, zu gewährleisten, reduziert. Wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 zur Objektdetektion in einem Fahr- oder Parkassistenzsystem eines
Kraftfahrzeugs eingesetzt, können durch diese Reduktion der sogenannten Totzeit auch Objekte mit einem geringem Abstand zum Sensor erkannt werden. Der minimale erfassbare Abstand ist in bekannter Weise durch die
Nachschwingdauer der Sensoranordnung 1 bestimmt.
Die Dämpfung der ersten Schallwandleranordnung 10 erfolgt bevorzugt durch aktive Ansteuerung des Piezoelements der ersten Schallwandleranordnung, gegenphasig zur Schwingung der Membran 11. Die zweite
Schallwandleranordnung 20 dient dabei als Sensor für die Schwingung der Membran 11 und es kann ein Regelkreis gebildet werden, der eine schnelle und effiziente Dämpfung der Membran ermöglicht. Es ist damit möglich, den Einsatz dämpfender Materialien, z.B. geschäumte Kunststoffe, zu reduzieren oder gänzlich darauf zu verzichten. Alternativ zu der in Figur 2 dargestellten Anordnung der Sensorelemente 22a - 22i sind auch andere Anordnungen denkbar, beispielsweise eine Anordnung mit variierenden Abständen. Die Sensorelemente 22a - 22i weisen in dem gezeigten Beispiel eine im Wesentlichen kreisförmige Oberfläche auf. Alternativ sind auch andere Formen möglich, beispielsweise eine rechteckige, quadratische oder polygone Form.
Die Sensorelemente 22a - 22i umfassen ein jeweils ein Elektretelement und eine gemeinsame Deckschicht , welche als schwingende Membran ausgelegt ist. Beim Auftreffen eines Signals, beispielsweise des von einem Objekt reflektierten Schalls, wird die Deckschicht bewegt und eine Änderung der Kapazität hervorgerufen, die messbar ist. Dadurch wird an jedem der Sensorelemente 22a - 22i ein Spannungssignal erzeugt. Durch die Anordnung der Sensorelemente 22a - 22i als Schallwandler-Array können eine Position und eine Form des Objekts, an dem die Schallwellen reflektiert wurden auf der Grundlage von Zeit- und Phasendifferenzen zwischen den von den jeweiligen Sensorelementen 22a - 22i empfangenen Schallwellen, erfasst werden. Die gewonnene Information kann beispielsweise durch ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs
weiterverarbeitet werden.
In Figur 3 ist eine Sensoranordnung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt (Figur 3A) und in Draufsicht (Figur 3B) dargestellt, wobei in Figur 3B die Deckschicht 125 der Sensorelemente 22a - 22i nicht sichtbar ist. Die erste Schallwandleranordnung 110 umfasst ein topfförmiges Element 111 mit einer Membran 112 als Bodenfläche. Die erste Schallwandleranordnung 110 ist als Biegeschwinger mit einer Piezokeramik 115 als Aktor ausgebildet, die durch elektrische Anschlüsse 117 angesteuert wird. In dieser Ausführung sind vier Sensorelemente 122 auf der Membran 112 der ersten Schallwandleranordnung 110 vorgesehen, die als Sensorarray wirken und zusammen die zweite
Schallwandleranordnung 120 bilden. Die Sensorelemente 122 der zweiten Schallwandleranordnung 120 nutzen das Elektretprinzip. Dabei ist eine
Deckschicht 125 des Arrays als schwingende Membran ausgelegt. Beim
Auftreffen von Schallwellen, insbesondere wird die Deckschicht 125 bewegt und an jedem Sensorelement eine Änderung der Kapazität hervorgerufen. Die Änderung der Kapazität repräsentiert das empfangene Signal.
Die Deckschicht 125 kann sowohl aus einem metallischen Werkstoff, wie z.B. Aluminium oder Edelstahl bestehen, als auch aus einem Faser- Kunststoff- Verbund, wie z.B. CFK oder GFK. Die Deckschicht 125 ist mit der Membran 112 der ersten Schallwandleranordnung 110 an verschiedenen Klebestellen 128 verklebt. Der verwendete Klebstoff kann beispielsweise elektrisch leitend sein. Ist der Klebstoff nicht elektrisch leitend, so muss ein elektrischer Kontakt der Deckschicht 125, die die Gegenelektrode der zweiten Schallwandleranordnung 120 darstellt zu einer Masseelektrode 137, durch Anbringung von Litzen oder einem Draht 130 erfolgen, wie in Figur 3 dargestellt. Um keinen Kurzschluss zu erzeugen, müssen Teilbereiche 114 der Membran 112 der ersten
Schallwandleranordnung 110, auf der die Schallwandleranordnung 120 angeordnet ist, nichtleitend sein. Dies kann z.B. durch eine elektrische
Oxidierung (Eloxieren) der Teilbereiche 114 erreicht werden. Dadurch wird, sofern die Membran 112 aus elektrisch leitendem Aluminium besteht, eine nichtleitende Keramik erzeugt. Auf diese Keramik werden dann Leiterbahnen aufgebracht, die z.B. durch Aufdampfen, Sputtern, Siebdruck oder einen anderen auftragenden Prozess realisiert werden können. Alternativ können die
Leiterbahnen 132 durch Aufbringen einer mit den Leiterbahnen 132 bedampften Folie, insbesondere einer oder einer Teflonfolie, auf die als Membran
ausgebildeten Oberfläche 112 der ersten Schallwandleranordnung 110 aufgebracht werden. Das Elektret, das die Sensorelemente 122 bildet und das z.B. FEP, PTFE aufweist, kann, sofern es als Folie vorliegt, mit einem elektrisch leitendem Kleber auf die formgebende Elektrode aufgeklebt werden. Die
Elektretfolie ist in diesem Fall vorzugsweise auf der zu kontaktierenden Seite (unten) bedampft, da FEP bzw. PTFE sehr niedrige Oberflächenenergien aufweisen, die ein Verkleben nahezu unmöglich machen. Liegt das
Elektretmaterial in gelöster Form vor, wie z.B. Teflon AF oder Cytop von Asahi Glass, so kann es durch andere Verfahren, wie Auftropfen oder Spinnen aufgebracht werden. Ein Stecker 135 kann mittels elektrischem Leitkleber 129 mit den Leiterbahnen 132 oder durch Löten oder Schweißen verbunden werden. Der Stecker 135 bzw. die elektrische Zuleitung zu dem Stecker 135 wird durch eine kanalartige Aussparung 138 im Gehäuse 111 hindurchgeführt, und mit der Elektronik einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden.
In Figur 4 ist eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 1 im Schnitt dargestellt. Die erste Schallwandleranordnung 210 umfasst ein topfförmiges Element 211 mit einer Membran 212 als
Bodenfläche Die erste Schallwandleranordnung 210 ist als Biegeschwinger mit einer Piezokeramik 215 als Aktor ausgebildet, die durch elektrische Anschlüsse 217 angesteuert wird. In dieser Ausführung sind mehrere Sensorelemente 222 auf der Membran 212 der ersten Schallwandleranordnung 210 vorgesehen, die als Sensorarray wirken und zusammen die zweite Schallwandleranordnung 220 bilden. Die Sensorelemente 222 der zweiten Schallwandleranordnung 220 nutzen erfindungsgemäß das Elektretprinzip. Dabei ist eine Deckschicht 225 des Arrays als schwingende Membran ausgelegt. In dieser Ausführung ist, im Unterschied zur Figur 3, die zweite Schallwandleranordnung 220 bis auf die Deckschicht 225 auf einer flexiblen Leiterplatte 232 aufgebracht, die schon die nötigen Elemente, wie Leiterbahnen und Elektroden aufweist. Dadurch wird eine kostenintensive Bearbeitung der Membran 212 der ersten
Schallwandleranordnung unnötig. Die Leiterplatte 232 verfügt über einen flexiblen Stecker 235, der in einer Aussparung 238 des Membrantopfes geführt werden kann. Auf diese Weise entfällt die komplizierte Kontaktierung im
Vergleich zu der in Figur 3 dargestellten Variante. Die Leiterplatte 232 ist mit der Membran mittels einer Klebstoffschicht 240 verbunden. Die Deckschicht 225 ist mittels Klebestellen 228, 229 auf der flexiblen Leiterplatte 232 befestigt.
Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht weitgehend dem in Zusammenhang mit Figur 4 beschriebenen Beispiel. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zu dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass eine Deckschicht 326 der zweiten Schallwandleranordnung 220 vorgesehen ist, die topfförmig ausgebildet ist, also einen umlaufenden Rand 330 aufweist, der im Wesentlichen senkrecht zu der Membran 212 verläuft. Durch diese Ausbildung der Deckschicht wird zum einen eine optische durchgängige Oberfläche geschaffen und zum anderen eine weitere Möglichkeit zum Abdichten der Sensoranordnung 1 geschaffen. Die Abdichtung erfolgt in dem dargestellten Beispiel an den Klebestellen 350.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung (1), insbesondere Ultraschallsensoranordnung, zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs, umfassend
- eine erste Schallwandleranordnung (10, 110, 210) mit zumindest einer als Membran ausgebildeten Oberfläche (12, 112, 212), wobei die Membran (12, 112, 212) geeignet ist, Schwallwellen abzustrahlen,
- eine zweite Schallwandleranordnung (20, 120, 220), umfassend eine Mehrzahl von Sensorelementen (22a - 22i, 122, 222), die als Array, insbesondere als Ultraschallarray, ausgebildet ist, wobei die zweite Schallwandleranordnung (20, 120, 220) auf einer als Membran ausgebildeten Oberfläche (12, 112, 212) der ersten
Schallwandleranordnung (10, 110, 210) angeordnet ist, und
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensorelemente (22a-22i, 122, 222) als Elektretwandlerelemente ausgebildet sind.
2. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schallwandleranordnung (10, 110, 210) ein topfförmiges Element (11, 111, 211) mit einer Randfläche (14) und einer als Membran (12, 112, 212) ausgebildeten Bodenfläche umfasst, wobei zur Anregung einer Schwingung der Membran (12, 112, 212), ein piezoelektrisches Element (115, 215) in Kontakt mit der Membran (12, 112, 212) angeordnet ist, und wobei die Sensorelemente (22a - 22i, 122, 222) der zweiten Schallwandleranordnung (20, 120, 220) auf einer Außenfläche der als Membran (12, 112, 212) ausgebildeten Bodenfläche angeordnet sind.
3. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die als Membran ausgebildete Oberfläche (12) der ersten Schallwandleranordnung (10) Bereiche (12a) aufweist, die bei Anregung einer Schwingung der Membran (12) eine kleine oder keine Auslenkung erfahren und dass die Sensorelemente (22a-22i) der zweiten Schallwandleranordnung (20) in derartigen
Bereichen (12a) der Membran (12) angeordnet sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (132) zur elektrischen Kontaktierung der Sensorelemente (22a - 22i, 122) der zweiten
Schallwandleranordnung (20, 120) auf der als Membran ausgebildeten Oberfläche (12, 112) der ersten Schallwandleranordnung (10, 110) aufgebracht sind.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (132) durch Aufbringen einer mit den Leiterbahnen (132) bedampften Folie, insbesondere einer Teflonfolie, auf die als Membran ausgebildeten Oberfläche (112) der ersten Schallwandleranordung (110) aufgebracht sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schallwandleranordnung (220) auf einer flexiblen Leiterplatte (232) aufgebracht ist, wobei die flexible Leiterplatte (232) Leiterbahnen und Elektroden aufweist, wobei die flexible
Leiterplatte insbesondere mit der Membran (112) verklebt ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (22a - 22i) der zweiten Schallwandleranordnung (20) eine Deckschicht (125, 225, 326) aufweisen, die als schwingende Membran ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das die Deckschicht (326) topfförmig ausgebildet ist und die zweite
Schallwandleranordnung (220) und die Membran (212) vollständig von der Deckschicht (326) abgedeckt sind.
9. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Sensorelemente (22a - 22i) der zweiten Schallwandleranordnung (20) von einem schützenden Abdeckelement bedeckt ist.
10. Verfahren zur Umfelderfassung, insbesondere eines Fahrzeugs, unter Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Schallwandleranordnung (10) ein akustisches Signal aussendet, das an einem oder mehreren Objekten reflektiert werden kann,
- die zweite Schallwandleranordnung (20) das reflektierte Signal empfängt,
- eine winkelabhängige Auswertung des reflektierten Signals erfolgt.
PCT/EP2014/052578 2013-03-22 2014-02-11 Sensoranordnung und verfahren zur umfelderfassung eines fahrzeugs WO2014146828A2 (de)

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