WO2016008781A1 - Ultraschallsensorvorrichtung für ein kraftfahrzeug, fahrerassistenzsystem sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Ultraschallsensorvorrichtung für ein kraftfahrzeug, fahrerassistenzsystem sowie kraftfahrzeug Download PDF

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WO2016008781A1
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WO
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adjusting device
ultrasonic sensor
sensor device
control electronics
ultrasonic
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PCT/EP2015/065584
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Paul-David Rostocki
Heinrich Gotzig
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Definitions

  • Ultrasonic sensor device for a motor vehicle, driver assistance system and
  • the present invention relates to an ultrasonic sensor device for a motor vehicle with an ultrasonic diaphragm, with an adjusting device, by means of which the
  • Ultrasonic diaphragm for emitting an ultrasonic signal is movable and with an electronic control unit for driving the adjusting device.
  • the invention also relates to a driver assistance system having such an ultrasonic sensor device.
  • the present invention relates to a motor vehicle with such a driver assistance system.
  • Ultrasonic signal generated which is reflected by an object. Based on the transit time of the reflected ultrasound signal, the distance to the object can be determined with the ultrasound sensor device.
  • the ultrasonic sensors that are currently installed in motor vehicles include an ultrasonic membrane, which may be part of a cup-shaped structure, for example.
  • This membrane is excited with an adjusting device, which is usually designed as a piezoelectric actuator, to vibrations in the ultrasonic range.
  • a corresponding control electronics is used, which may include an integrated circuit, a transformer and other components.
  • the adjusting device or the actuator and the control electronics are usually arranged in a housing.
  • a shield plate may be provided for electromagnetic shielding.
  • An ultrasonic sensor comprising a diaphragm and a piezoelectric element disposed close to the diaphragm.
  • the piezoelectric element is contacted with electronics that control the piezoelectric element. Between the electronics and the piezoelectric element, a damping layer is provided. It is an object of the present invention to provide a solution, such as a
  • Ultrasonic sensor device for a motor vehicle space saving and reliable can be configured.
  • control electronics is designed as an integrated circuit and is arranged directly on the adjusting device.
  • the present invention is based on the finding that the installation space of an ultrasonic sensor device for a motor vehicle can be reduced by designing the control electronics as an integrated circuit and directly on the
  • the control electronics is not arranged in particular on an additional board.
  • the control electronics can be formed on a substrate, in particular a semiconductor substrate.
  • the control electronics can be designed as a so-called application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the control electronics can be arranged for example in a separate housing. It can also be provided that the control electronics corresponding electrical contact elements for electrical
  • the adjusting device and the control electronics are connected to each other at least partially cohesively.
  • the control electronics are connected to each other at least partially cohesively.
  • Adjusting device and the control electronics to be interconnected by an adhesive method.
  • a damping layer is arranged between the adjusting device and the control electronics, which serves to transmit mechanical vibrations that occur during operation of the adjusting device to the control electronics.
  • the ultrasound sensor device can be configured in a particularly space-saving and cost-effective manner.
  • the control electronics on electrical contact elements, which are connected by soldering with corresponding connection elements of the adjusting device.
  • the control electronics may, for example, corresponding pins or legs have that can be soldered to corresponding contact pads of the actuator.
  • Ultrasonic sensor device are made more robust, for example, no cable breakage can occur.
  • control electronics electrical
  • connection elements of the actuating device are connected.
  • the adjusting device and the control electronics can be electrically connected to one another, for example, by means of a wire bonding method.
  • the adjusting device and the control electronics can be electrically connected to one another, for example, by means of a wire bonding method.
  • the adjusting device and the control electronics can be electrically connected to one another, for example, by means of a wire bonding method.
  • Control electronics are electrically interconnected by chip bonding or die bonding.
  • the control electronics and the adjusting device are mechanically connected to each other. This can be done for example by a
  • Adhesive connection can be enabled. Thus, a reliable electrical connection
  • Connection between the control electronics and the adjusting device can be provided.
  • the adjusting device comprises a piezoelectric transducer.
  • the piezoelectric transducer can be arranged directly on the ultrasound membrane. On the opposite side of the ultrasonic membrane can then
  • Control electronics are arranged on the piezoelectric transducer.
  • the control electronics can be arranged directly on the piezoelectric transducer or the adjusting device.
  • the piezoelectric transducer can be dispensed with a circuit board.
  • cables that serve the electrical connection between the board and the actuator can be saved.
  • the adjusting device is designed as a micromechanical component.
  • the adjusting device can therefore by a microtechnical
  • the adjusting device may be made of a substrate, in particular a semiconductor material.
  • Adjusting device may in this case have a corresponding movement element which is mechanically coupled to the ultrasound membrane.
  • Movement element can be moved, for example, piezoelectric or electrostatic.
  • the adjusting device may be designed as an electro-thermo-mechanical converter or as an electro-magneto-mechanical converter.
  • Micromechanical components can be manufactured in large quantities and are therefore cost-effective.
  • the adjusting device and the control electronics are formed on a common substrate.
  • the substrate may be, for example, a semiconductor material, in particular silicon.
  • the control electronics and the microelectronic and microtechnical manufacturing process are formed on the substrate.
  • Adjusting device are manufactured. Thus, a particularly space-saving arrangement can be achieved and on the other hand, it requires no additional electrical
  • the setting device is designed to detect a movement of the ultrasound membrane.
  • the ultrasonic membrane is excited to mechanical vibration. This can be detected with the adjusting device.
  • the actuator comprises a piezoelectric element
  • Ultrasonic diaphragm can be directly converted into an electrical signal. Furthermore, it may be provided that the adjusting device additionally comprises a measuring unit for detecting the oscillation of the ultrasonic membrane. In this way, the ultrasonic wave reflected from the object can be reliably detected.
  • the ultrasonic sensor device has a housing in which the adjusting device is arranged, wherein a region of the housing forms the ultrasonic diaphragm. It is also preferably provided that the
  • Control electronics is arranged in the housing.
  • the housing may for example be cup-shaped and made of aluminum.
  • a region of the aluminum pot can form the ultrasound membrane.
  • the ultrasonic sensor device has an electrical connection device, which is electrically connected to the actuating device.
  • This connection device can for example be designed as a socket, which is mechanically connected to the housing of the ultrasonic sensor device.
  • Connection device can also be provided to provide a connection to a data line of the ultrasonic sensor device.
  • the driver assistance system according to the invention comprises an inventive
  • the driver assistance system may be, for example, a distance warning device or support the driver when parking or parking.
  • the motor vehicle according to the invention comprises the inventive
  • the motor vehicle is designed in particular as a passenger car.
  • 1 is a schematic representation of an ultrasonic sensor device according to the prior art; and 2 shows an ultrasonic sensor device according to an embodiment of the present invention in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows an ultrasonic device 1 according to the prior art in a sectional side view.
  • the ultrasonic sensor device 1 is for use in a motor vehicle.
  • the ultrasound sensor device 1 can be part of a driver assistance system that assists the driver when parking.
  • the ultrasonic sensor device 1 comprises an ultrasonic membrane 13.
  • the ultrasonic membrane 13 is part of an aluminum pot 2.
  • the ultrasonic membrane 13 is thus disk-shaped and held by the side walls of the aluminum pot 2.
  • the ultrasonic diaphragm 13 may be formed to have a resonance frequency between 40 kHz and 60 kHz.
  • the ultrasonic sensor device 1 comprises a control device 3.
  • the control device 3 serves to control the ultrasound membrane 13.
  • the ultrasonic sensor device 1 comprises an adjusting device 4.
  • the adjusting device 4 is formed as a piezoelectric element, the a rear side 14 of the ultrasonic membrane 13 is arranged.
  • the piezoelectric element or the adjusting device 4 deforms. This has the consequence that the ultrasonic diaphragm 13 is set into mechanical oscillations. Thus, an ultrasonic signal can be sent out.
  • the ultrasonic sensor device 1 also comprises an electronic control unit 5, which is arranged on a circuit board 6 or a printed circuit board.
  • the circuit board 6 is connected to an electrical connection device 7, which in the present
  • Embodiment is designed as a socket.
  • Connection device 7 can be an electrical connection between the
  • a capacitor 10 which is designed in particular as an electrolytic capacitor, is arranged on the circuit board 6.
  • electrical energy can be stored.
  • a transformer 9 is arranged on the circuit board 6, by means of which the electrical voltage, which is obtained from the motor vehicle electrical system, can be converted to drive the adjusting device 4.
  • the ultrasonic sensor device additionally comprises a housing 8, which may be made of plastic, for example.
  • the electrical connection device 7 is held on the housing 8.
  • a shield plate 1 1 is provided, which serves to prevent the penetration of electromagnetic interference in the housing 8.
  • Fig. 2 shows an ultrasonic sensor device 1 according to an embodiment of the invention.
  • the control device 3 comprises the adjusting device 4 and an electronic control unit 12 which is designed as a chip or integrated circuit.
  • the complete circuit for controlling the adjusting device 4 is designed as an integrated circuit or application-specific integrated circuit.
  • the integrated circuit or the control electronics 12 may be formed on a single substrate, for example a semiconductor substrate.
  • the adjusting device 4 may comprise, for example, a piezoelectric transducer. This piezoelectric transducer is directly on the back 14 of
  • Ultrasonic diaphragm 13 is arranged. On the ultrasound membrane 13
  • control electronics 12 is arranged opposite side of the adjusting device 4, the control electronics 12 is arranged.
  • the control electronics is formed as an integrated circuit, wherein the circuit comprises a plurality of electronic components, which by a microelectronic
  • Manufacturing process are made on a substrate.
  • a substrate material for example, a semiconductor material can be used.
  • the control electronics may have a corresponding housing or a potting compound, in which the chip or integrated circuit is arranged.
  • the control electronics 12 can therefore be used without additional board 6.
  • the control electronics 12 is a separate component.
  • connection elements may be provided, which are for electrical connection to the electrical
  • connection element 7 may be electrically connected to the control electronics by means of appropriate cables or bonding wires.
  • control electronics 12 may have corresponding contact elements which can be soldered directly to corresponding contact elements of the adjusting device 4.
  • connection between the actuator 4 and the control electronics 12 are provided. Instead of a solder joint, a corresponding bond connection can also be provided.
  • the adjusting device 4 and the control electronics 12 may additionally or alternatively be materially interconnected. When the adjusting device 4 is moved during the transmission operation of the ultrasonic sensor device 1, usually amplitudes of a few micrometers, for example 5 micrometers occur.
  • Control electronics 12 are not affected in their operation.
  • the adjusting device 4 can also be designed as a micromechanical component or as a MEMS component.
  • the adjusting device 4 may comprise, for example, a moving element which is designed as a membrane or as a bending beam. This
  • Movement element may be formed, for example, of a semiconductor element.
  • the moving element may be formed of a ceramic, a plastic or other materials.
  • a piezoelectric element may be arranged on this movement element.
  • the piezoelectric element may for example be applied as a layer on the moving element.
  • An electrical voltage can be applied to the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element may deform.
  • the piezoelectric element may be formed such that the longitudinal effect or the transverse effect is used.
  • Movement element has a direct mechanical connection with the
  • Ultrasonic diaphragm 13 whereby it can be moved.
  • the adjusting device 4 is designed as an electrostatic transducer. In this case, for example, two plates or
  • Be provided electrodes of which at least one is designed to be movable and to which an electrical voltage can be applied.
  • an electric field for example, one of the plate can be moved, which is mechanically coupled to the ultrasound membrane.
  • a plate arrangement for example, a corresponding comb structure or the like can be used.
  • the adjusting device 4 is designed as an electro-thermo-mechanical converter.
  • the adjusting device 4 is designed in this case to convert electrical energy, which is applied for example in the form of an electrical voltage to the adjusting device, into thermal energy or heat.
  • the adjusting device can be designed such that, as a result of the heating, a mechanical deformation of a moving element results, which depends on the ultrasonic membrane 13 acts.
  • the adjusting device 4 may in this case, for example, have a bimetal arrangement comprising two different materials having different thermal expansion coefficients.
  • Shape memory alloy includes. such
  • shape memory alloys can assume a predetermined shape upon heating.
  • the adjusting device 4 may be formed as an electro-magnetic-mechanical converter.
  • the force which serves to move the ultrasound membrane 13 can be provided as a result of the Lorenz force.
  • a current through which a current flows can provide a magnetic field in which a
  • Movement element is located, which is moved accordingly.
  • the reluctance principle is used.
  • the adjusting device 4 may also have a corresponding micromechanically manufactured coil which provides a magnetic field through which a moving element can be moved.
  • the adjusting device is designed as a micromechanical motor or drive.
  • the control electronics 12 is in the present embodiment on the
  • Ultrasonic diaphragm 13 opposite side of the adjusting device 4 is arranged. It can also be provided that the adjusting device 4 together with the
  • the adjusting device 4 can in particular also be designed to detect a mechanical movement or oscillation of the ultrasonic diaphragm 13. Thus, the ultrasonic wave reflected from an object can be detected again. It can also be provided that the control electronics 12 to detect or process an electrical signal which is provided by the adjusting device 4 as a result of the movement of the ultrasonic diaphragm 13.
  • control electronics 12 is disposed within the aluminum pot 2, which serves the electromagnetic shielding of the control electronics 12. It is also conceivable that he aluminum pot 2 at least partially as a housing for the
  • Ultrasonic sensor device 1 is used. Thus, for example, can be dispensed with the shielding plate 1 1.
  • Adjustment device 4 are required.
  • the transformer 9 and / or the capacitor 10 can be dispensed with.
  • an adjusting device 4 which is designed as a micromechanical component, are manufactured in large numbers and thus cost.
  • a shorter settling time of the adjusting device 4 or of the composite of adjusting device 4 and ultrasonic diaphragm 13 may result, since the adjusting device 4 is actively activated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Ultraschallmembran (13), mit einer Stelleinrichtung (4), mittels welcher die Ultraschallmembran (13) zum Aussenden eines Ultraschallsignals bewegbar ist und mit einer Steuerelektronik (12) zum Ansteuern der Stelleinrichtung (4), wobei die Steuerelektronik (12) als integrierte Schaltung ausgebildet ist und direkt auf der Stelleinrichtung (4) angeordnet ist.

Description

Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Fahrerassistenzsystem sowie
Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Ultraschallmembran, mit einer Stelleinrichtung, mittels welcher die
Ultraschallmembran zum Aussenden eines Ultraschallsignals bewegbar ist und mit einer Steuerelektronik zum Ansteuern der Stelleinrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrerassistenzsystem mit einer solchen Ultraschallsensorvorrichtung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Fahrerassistenzsystem.
Ultraschallsensoren bzw. Ultraschallsensorvorrichtungen sind aus dem
Kraftfahrzeugserienbau bekannt. Diese dienen dazu, ein Objekt im Umfeld des
Kraftfahrzeugs zu erfassen und insbesondere dazu einen Abstand zu dem Objekt zu bestimmen. Zu diesem Zweck wir mit der Ultraschallsensorvorrichtung ein
Ultraschallsignal erzeugt, welches von einem Objekt reflektiert wird. Anhand der Laufzeit des reflektierten Ultraschallsignals kann mit der Ultraschallsensorvorrichtung der Abstand zu dem Objekt bestimmt werden.
Die Ultraschallsensoren, die heutzutage in Kraftfahrzeuge eingebaut werden, umfassen eine Ultraschallmembran, die beispielsweise Teil einer topfförmigen Struktur sein kann. Diese Membran wird mit einer Stelleinrichtung, die üblicherweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist, zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt. Zum Ansteuern der Stelleinrichtung wird üblicherweise eine entsprechende Steuerelektronik verwendet, die eine integrierte Schaltung, einen Transformator und andere Bauteile umfassen kann. Die Stelleinrichtung bzw. der Aktor und die Steuerelektronik sind üblicherweise in einem Gehäuse angeordnet. Darüber hinaus kann ein Schirmblech zur elektromagnetischen Abschirmung vorgesehen sein.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2008 027 970 B4 einen
Ultraschallsensor, der eine Membran und ein nah an der Membran angeordnetes piezoelektrisches Element aufweist. Das piezoelektrische Element ist mit einer Elektronik kontaktiert, die das piezoelektrische Element steuert. Zwischen der Elektronik und dem piezoelektrischen Element ist eine Dämpfungsschicht vorgesehen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine
Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug Bauraum sparender und zuverlässiger ausgestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallsensorvorrichtung, durch ein Fahrerassistenzsystem sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Ultraschallmembran, eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Ultraschallmembran zum Aussenden eines Ultraschallsignals bewegbar ist und eine Steuerelektronik zum
Ansteuern der Stelleinrichtung, wobei die Steuerelektronik als integrierte Schaltung ausgebildet ist und direkt auf der Stelleinrichtung angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Bauraum einer Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug dadurch reduziert werden kann, dass die Steuerelektronik als integrierte Schaltung ausgebildet wird und direkt auf der
Stelleinrichtung angeordnet wird. Die Steuerelektronik ist insbesondere nicht auf einer zusätzlichen Platine angeordnet. Die Steuerelektronik kann auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat, ausgebildet sein. Die Steuerelektronik kann als sogenannte anwendungssepzifische integrierte Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) ausgebildet sein. Die Steuerelektronik kann beispielsweise in einem separaten Gehäuse angeordnet sein. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Steuerelektronik entsprechende elektrische Kontaktelemente zum elektrischen
Kontaktieren der Steuerelektronik aufweist. Somit kann eine besonders Bauraum sparende Ultraschallsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform sind die Stelleinrichtung und die Steuerelektronik zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise können die
Stelleinrichtung und die Steuerelektronik durch ein Klebeverfahren miteinander verbunden sein. Insbesondere ist zwischen der Stelleinrichtung und der Steuerelektronik eine Dämpfungsschicht angeordnet, welche dazu dient, mechanische Schwingungen, die im Betrieb der Stelleinrichtung auftreten, auf die Steuerelektronik übertragen werden. Auf diese Weise kann die Ultraschallsensorvorrichtung besonders Bauraum sparend und kostengünstig ausgestaltet werden. Bevorzugt weist die Steuerelektronik elektrische Kontaktelemente auf, die durch Löten mit korrespondierenden Anschlusselementen der Stelleinrichtung verbunden sind. Die Steuerelektronik kann beispielsweise entsprechende Pins oder Beinchen aufweisen, die auf korrespondierende Kontaktpads der Stelleinrichtung gelötet werden können. Somit kann sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Verbindung zwischen der Steuerelektronik und der Stelleinrichtung bereitgestellt werden. Somit kann auf Kabel, die beispielsweise als Antennen wirken können, verzichtet werden. Zudem kann die
Ultraschallsensorvorrichtung robuster ausgestaltet werden, da beispielsweise kein Kabelbruch auftreten kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Steuerelektronik elektrische
Kontaktelemente auf, die durch ein Bondverfahren mit korrespondierenden
Anschlusselementen der Stelleinrichtung verbunden sind. Die Stelleinrichtung und die Steuerelektronik können beispielsweise mittels eines Drahtbondverfahrens elektrisch miteinander verbunden werden. Alternativ dazu kann die Stelleinrichtung und die
Steuerelektronik durch Chipbonden oder Die-Bonden miteinander elektrisch verbunden werden. Insbesondere werden hierbei auch die Steuerelektronik und die Stelleinrichtung mechanisch miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine
Klebeverbindung ermöglicht werden. Somit kann eine zuverlässige elektrische
Verbindung zwischen der Steuerelektronik und der Stelleinrichtung bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung einen piezoelektrischen Wandler. Der piezoelektrische Wandler kann unmittelbar auf der Ultraschallmembran angeordnet sein. Auf der der Ultraschallmembran gegenüberliegenden Seite kann dann die
Steuerelektronik auf dem piezoelektrischen Wandler angeordnet werden. Somit kann die Steuerelektronik direkt auf dem piezoelektrischen Wandler bzw. der Stelleinrichtung angeordnet werden. Somit kann auf eine Platine verzichtet werden. Zudem können Kabel, die der elektrischen Verbindung zwischen der Platine und der Stelleinrichtung dienen, eingespart werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stelleinrichtung als mikromechanisches Bauteil ausgebildet. Die Stelleinrichtung kann also durch ein mikrotechnisches
Herstellungsverfahren hergestellt sein. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung aus einem Substrat, insbesondere einem Halbleiter-Werkstoff, gefertigt sein. Die
Stelleinrichtung kann in diesem Fall ein entsprechendes Bewegungselement aufweisen, das mechanisch mit der Ultraschallmembran gekoppelt ist. Ein solches Bewegungselement kann beispielsweise piezoelektrisch oder elektrostatisch bewegt werden. Alternativ dazu kann die Stelleinrichtung als elektro-thermo-mechanischer Wandler oder als elektro-magneto-mechanischer Wandler ausgebildet sein.
Mikromechanische Bauteile können in großen Stückzahlen gefertigt werden und sind damit kostengünstig.
Bevorzugt sind die Stelleinrichtung und die Steuerelektronik auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, sein. Auf dem Substrat können durch mikroelektronische und mikrotechnische Herstellungsverfahren sowohl die Steuerelektronik als auch die
Stelleinrichtung gefertigt werden. Somit kann eine besonders platzsparende Anordnung erreicht werden und andererseits bedarf es keiner zusätzlichen elektrischen
Verbindungen zwischen der Stelleinrichtung und der Steuerelektronik, die beispielsweise durch Drähte ausgebildet ist. Somit kann der Einfluss von elektromagnetischen
Störungen reduziert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Stelleinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Bewegung der Ultraschallmembran zu erfassen. Somit kann nach einer Ausschwingzeit der
Ultraschallmembran die mit der Ultraschallmembran ausgesendete Ultraschallwelle, die von einem Objekt reflektiert wurde, wieder erfasst werden. Durch die reflektierte
Ultraschallwelle wird die Ultraschallmembran zur mechanischen Schwingung angeregt. Diese kann mit der Stelleinrichtung erfasst werden. Wenn die Stelleinrichtung ein piezoelektrisches Element umfasst kann die mechanische Schwingung der
Ultraschallmembran direkt in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung zusätzlich eine Messeinheit zum Erfassen der Schwingung der Ultraschallmembran umfasst. Auf diese Weise kann die von dem Objekt reflektierte Ultraschallwelle zuverlässig erfasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ultraschallsensorvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem die Stelleinrichtung angeordnet ist, wobei ein Bereich des Gehäuses die Ultraschallmembran bildet. Dabei ist es auch bevorzugt vorgesehen, dass die
Steuerelektronik in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse kann beispielsweise topfförmig ausgebildet sein und aus Aluminium gefertigt sein. Dabei kann ein Bereich des Aluminiumtopfes die Ultraschallmembran bilden. Somit kann beispielsweise auf ein zusätzliches Gehäuse verzichtet werden. Wenn das Gehäuse durch einen Aluminiumtopf gebildet ist, dient dieser vorteilhaft zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen. In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ultraschallsensorvorrichtung eine elektrische Anschlusseinrichtung auf, die elektrisch mit der Stelleinrichtung verbunden ist. Diese Anschlusseinrichtung kann beispielsweise als Steckerbuchse ausgebildet sein, die mit dem Gehäuse der Ultraschallsensorvorrichtung mechanisch verbunden ist. Die
Anschlusseinrichtung kann auch dazu vorgesehen sein, einen Anschluss mit einer Datenleitung der Ultraschallsensorvorrichtung bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem umfasst eine erfindungsgemäße
Ultraschallsensorvorrichtung. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise eine Abstandswarneinrichtung sein oder den Fahrer beim Einparken oder Ausparken unterstützen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße
Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem sowie für das erfindungsgemäße
Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung; und Fig. 2 eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Ultraschallvorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 dient der Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Beispielsweise kann die Ultraschallsensorvorrichtung 1 Teil eines Fahrerassistenzsystems sein, welches den Fahrer beim Einparken unterstützt. Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 umfasst eine Ultraschallmembran 13. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ultraschallmembran 13 Teil eines Aluminiumtopfes 2. Die Ultraschallmembran 13 ist somit scheibenförmig ausgebildet und durch die Seitenwände des Aluminiumtopfes 2 gehalten. Die Ultraschallmembran 13 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie eine Resonanzfrequenz zwischen 40 kHz und 60 kHz aufweist.
Darüber hinaus umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 3. Die Steuereinrichtung 3 dient zur Ansteuerung der Ultraschallsmembran 13. Des Weiteren umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung 1 eine Stelleinrichtung 4. In dem vorliegenden Beispiel gemäß dem Stand der Technik ist die Stelleinrichtung 4 als piezoelektrisches Element ausgebildet, das auf einer Rückseite 14 der Ultraschallmembran 13 angeordnet ist. Wenn an die Stelleinrichtung 3 eine elektrische Spannung angelegt wird, verformt sich das piezoelektrische Element bzw. die Stelleinrichtung 4. Dies hat zur Folge, dass die Ultraschallmembran 13 in mechanische Schwingungen versetzt wird. Somit kann ein Ultraschallsignal ausgesendet werden.
Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Steuerelektronik 5, die auf einer Platine 6 bzw. einer Leiterplatte angeordnet ist. Die Platine 6 ist mit einer elektrischen Anschlusseinrichtung 7 verbunden, die in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel als Steckerbuchse ausgebildet ist. Mittels der elektrischen
Anschlusseinrichtung 7 kann eine elektrische Verbindung zwischen dem
Kraftfahrzeugbordnetz und der Platine 6 bereitgestellt werden. Des Weiteren ist auf der Platine 6 ein Kondensator 10, der insbesondere als Elektrolytkondensator ausgebildet ist, angeordnet. In dem Kondensator 10 kann elektrische Energie gespeichert werden. Des Weiteren ist auf der Platine 6 ein Transformator 9 angeordnet, mittels welchem die elektrische Spannung, die von dem Kraftfahrzeugbordnetz bezogen wird, zum Ansteuern der Stelleinrichtung 4 gewandelt werden kann.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung zudem ein Gehäuse 8, welches beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein kann. Vorliegend ist die elektrische Anschlusseinrichtung 7 an dem Gehäuse 8 gehalten. Des Weiteren ist ein Schirmblech 1 1 vorgesehen, welches dazu dient, das Eindringen von elektromagnetischen Störungen in das Gehäuse 8 zu verhindern.
Fig. 2 zeigt eine Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei umfasst die Steuereinrichtung 3 die Stelleinrichtung 4 sowie eine Steuerelektronik 12, die als Chip bzw. integrierte Schaltung ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die komplette Schaltung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 als integrierte Schaltung bzw. anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgebildet. Die integrierte Schaltung bzw. die Steuerelektronik 12 kann auf einem einzigen Substrat, beispielsweise einem Halbleitersubstrat, ausgebildet sein.
Die Stelleinrichtung 4 kann beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler umfassen. Dieser piezoelektrische Wandler ist unmittelbar auf der Rückseite 14 der
Ultraschallmembran 13 angeordnet. Auf der der Ultraschallmembran 13
gegenüberliegenden Seite der Stelleinrichtung 4 ist die Steuerelektronik 12 angeordnet. Die Steuerelektronik ist als integrierter Schaltkreis ausgebildet, wobei der Schaltkreis mehrere elektronische Bauelemente umfasst, die durch ein mikroelektronisches
Herstellungsverfahren auf einem Substrat gefertigt sind. Als Substratmaterial kann beispielsweise ein Halbleiterwerkstoff verwendet werden. Die Steuerelektronik kann ein entsprechendes Gehäuse bzw. eine Vergussmasse aufweisen, in welcher der Chip bzw. integrierte Schaltkreis angeordnet ist. Die Steuerelektronik 12 kann also ohne zusätzliche Platine 6 verwendet werden. Die Steuerelektronik 12 stellt ein eigenes Bauteil dar.
Zur elektrischen Kontaktierung der Steuerelektronik 12 können entsprechende
Kontaktstifte bzw. Beinchen vorgesehen sein. Diese können beispielsweise mittels eines Lötverfahrens kontaktiert werden. So können entsprechende Anschlusselemente vorgesehen sein, die zur elektrischen Verbindung mit der elektrischen
Anschlusseinrichtung 7 bzw. der Steckerbuchse dienen. Wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, kann das elektrische Anschlusselement 7 mittels entsprechender Kabel bzw. Bonddrähte mit der Steuerelektronik elektrisch verbunden sein. Des Weiteren kann die Steuerelektronik 12 entsprechende Kontaktelemente aufweisen, die direkt auf entsprechende Kontaktelemente der Stelleinrichtung 4 gelötet werden können. Somit kann sowohl eine elektrische als auch eine mechanische
Verbindung zwischen der Stelleinrichtung 4 und der Steuerelektronik 12 bereitgestellt werden. Anstelle einer Lötverbindung kann auch eine entsprechende Bond-Verbindung vorgesehen sein. Die Stelleinrichtung 4 und die Steuerelektronik 12 können zusätzlich oder alternativ stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Wenn die Stelleinrichtung 4 im Sendebetrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 bewegt wird, treten üblicherweise Amplituden von einigen Mikrometern, beispielsweise 5 Mikrometer auf. Durch
mechanische Schwingungen, die einer derartige Amplitude aufweisen, wird die
Steuerelektronik 12 nicht in ihrem Betrieb beeinflusst.
Die Stelleinrichtung 4 kann auch als mikromechanisches Bauteil bzw. als MEMS-Bauteil ausgebildet. Die Stelleinrichtung 4 kann beispielsweise ein Bewegungselement umfassen, das als Membran oder als Biegebalken ausgebildet ist. Dieses
Bewegungselement kann beispielsweise aus einem Halbleiterelement gebildet sein. Alternativ dazu kann das Bewegungselement aus einer Keramik, einem Kunststoff oder aus anderen Materialien gebildet sein.
Auf diesem Bewegungselement kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element angeordnet sein. Das piezoelektrische Element kann beispielsweise als Schicht auf das Bewegungselement aufgebracht sein. An das piezoelektrische Element kann eine elektrische Spannung angelegt werden. In Folge der elektrischen Spannung kann sich das piezoelektrische Element verformen. Dabei kann das piezoelektrische Element derart ausgebildet sein, dass der Längseffekt oder der Quereffekt genutzt wird. Das
Bewegungselement weist eine direkte mechanische Verbindung mit der
Ultraschallmembran 13 auf, wodurch diese bewegt werden kann.
Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung 4 als elektrostatischer Wandler ausgebildet ist. In diesem Fall können beispielsweise zwei Platten bzw.
Elektroden vorgesehen sein, von denen zumindest eine beweglich ausgebildet ist und an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Durch die Ausbildung eines elektrischen Feldes kann beispielsweise eine der Platte bewegt werden, die mechanisch mit der Ultraschallmembran gekoppelt ist. Anstelle einer Plattenanordnung kann beispielsweise auch eine entsprechende Kammstruktur oder dergleichen verwendet werden.
Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung 4 als elektro-thermo- mechanischer Wandler ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 4 ist in diesem Fall dazu ausgebildet, elektrische Energie, die beispielsweise in Form einer elektrischen Spannung an die Stelleinrichtung angelegt wird, in thermische Energie bzw. Wärme zu wandeln. Des Weiteren kann die Stelleinrichtung derart ausgebildet sein, dass sich in Folge der Erwärmung eine mechanische Deformation eines Bewegungselements ergibt, welche auf die Ultraschallmembran 13 wirkt. Die Stelleinrichtung 4 kann in diesem Fall beispielsweise eine Bimetall-Anordnung aufweisen, die zwei unterschiedliche Materialien umfasst, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung 4 einen Stoff umfasst, der in Folge der Erwärmung einen Phasenübergang erfährt. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit in Folge der Erwärmung verdampft werden. Durch die dabei entstehende Volumenausdehnung kann ein Bewegungselement bewegt werden, das auf die Ultraschallmembran 13 einwirkt. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung 4 eine
Formgedächtnislegierung (shape memory alloy, SMA) umfasst. Derartige
Formgedächtnislegierungen können beispielsweise bei dem Erwärmen eine zuvor bestimmte Form einnehmen.
Weiterhin kann die Stelleinrichtung 4 als elektro-magnetisch-mechanischer Wandler ausgebildet sein. Hierbei kann die Kraft, die zum Bewegen der Ultraschallmembran 13 dient, in Folge der Lorenz-Kraft bereitgestellt werden. Beispielsweise kann durch einen Strom durchflossenen Leiter ein Magnetfeld bereitgestellt werden, in dem sich ein
Bewegungselement befindet, welches entsprechend bewegt wird. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das Reluktanz-Prinzip genutzt wird. Die Stelleinrichtung 4 kann auch eine entsprechend mikromechanisch gefertigte Spule aufweisen, die ein Magnetfeld bereitstellt, durch welches ein Bewegungselement bewegt werden kann. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Stelleinrichtung als mikromechanischer Motor bzw. Antrieb ausgebildet ist.
Die Steuerelektronik 12 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der der
Ultraschallmembran 13 gegenüberliegenden Seite der Stelleinrichtung 4 angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung 4 gemeinsam mit der
Steuerelektronik 12 auf einem gemeinsamen Substrat, insbesondere Halbleitersubstrat, ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 4 kann insbesondere auch dazu ausgelegt sein, eine mechanische Bewegung bzw. Schwingung der Ultraschallmembran 13 zu erfassen. Somit kann die von einem Objekt reflektierte Ultraschallwelle wieder erfasst werden. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Steuerelektronik 12 ein elektrisches Signal, das von der Stelleinrichtung 4 in Folge der Bewegung der Ultraschallmembran 13 bereitgestellt wird, zu erfassen bzw. zu verarbeiten.
Durch die Ultraschallsensorvorrichtung 1 kann im Vergleich zu der
Ultraschallsensorvorrichtung gemäß Fig. 1 eine Bauraum sparende Anordnung erreicht werden. Zudem ist die Steuerelektronik 12 innerhalb des Aluminiumtopfes 2 angeordnet, welcher der elektromagnetischen Abschirmung der Steuerelektronik 12 dient. Dabei ist es auch denkbar, dass er Aluminiumtopf 2 zumindest teilweise als Gehäuse für die
Ultraschallsensorvorrichtung 1 dient. Somit kann beispielsweise auf das Abschirmblech 1 1 verzichtet werden. Dadurch, dass die Stelleinrichtung 4 als mikromechanisches Bauteil ausgebildet ist, können geringere elektrische Leistungen zum Betreiben der
Stelleinrichtung 4 benötigt werden. Somit kann beispielsweise auf den Transformator 9 und/oder dem Kondensator 10 verzichtet werden. Zudem kann eine Stelleinrichtung 4, die als mikromechanisches Bauteil ausgebildet ist, in großen Stückzahlen und somit kostengünstig gefertigt werden. Zudem kann sich eine kürzere Ausschwingzeit der Stelleinrichtung 4 bzw. des Verbundes aus Stelleinrichtung 4 und Ultraschallmembran 13 ergeben, da die Stelleinrichtung 4 aktiv angesteuert wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Ultraschallmembran (13), mit einer Stelleinrichtung (4), mittels welcher die Ultraschallmembran (13) zum Aussenden eines Ultraschallsignals bewegbar ist und mit einer Steuerelektronik (12) zum Ansteuern der Stelleinrichtung (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerelektronik (12) als integrierte Schaltung ausgebildet ist und direkt auf der Stelleinrichtung (4) angeordnet ist.
2. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (4) und die Steuerelektronik (12) zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
3. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerelektronik (12) elektrische Kontaktelemente aufweist, die durch Löten mit korrespondierenden Anschlusselementen der Stelleinrichtung (4) verbunden sind.
4. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerelektronik (12) elektrische Kontaktelemente aufweist, die durch ein Bondverfahren mit korrespondierenden Anschlusselementen der Stelleinrichtung (4) verbunden sind.
5. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (4) einen piezoelektrischen Wandler umfasst.
6. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (4) als mikromechanisches Bauteil ausgebildet ist.
7. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (4) und die Steuerelektronik (12) auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.
8. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerelektronik (12) dazu ausgelegt ist, eine Bewegung der
Ultraschallmembran (13) zu erfassen.
9. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) ein Gehäuse aufweist, in dem die
Stelleinrichtung (4) angeordnet ist, wobei ein Bereich des Gehäuses die
Ultraschallmembran (13) bildet.
10. Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) eine elektrische Anschlusseinrichtung (7) aufweist, die elektrisch mit der Stelleinrichtung (4) verbunden ist.
1 1 . Fahrerassistenzsystem mit einer Ultraschallsensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Kraftfahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1 1 .
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