WO2018065140A1 - Ultraschallsensor, fahrerassistenzeinrichtung, kraftfahrzeug sowie verfahren zum betreiben eines ultraschallsensors - Google Patents

Ultraschallsensor, fahrerassistenzeinrichtung, kraftfahrzeug sowie verfahren zum betreiben eines ultraschallsensors Download PDF

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ultrasonic sensor
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ultrasonic
motor vehicle
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Serge Tchouaffe
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Valeo Schalter und Sensoren GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor for a motor vehicle with a membrane and a transducer device, wherein the transducer device is adapted to excite the membrane for emitting the ultrasonic waves, and a
  • the membrane between the transducer device and the lens device is arranged such that the ultrasonic waves emitted by the membrane pass through the lens device.
  • a driver assistance system with at least one such ultrasonic sensor.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such
  • the present invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor for a motor vehicle.
  • the interest is directed in the present case in particular to ultrasonic sensors for
  • the ultrasonic sensors may be arranged on the bumpers of the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors may be associated, for example, with a driver assistance system of the motor vehicle and provide information about the surroundings of the motor vehicle. For example, a distance between the motor vehicle and an object or an obstacle in the surroundings of the motor vehicle can be determined with the ultrasonic sensors.
  • the driver assistance system can serve, for example, to assist the driver when parking the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors usually have a membrane.
  • the membrane can be excited with a corresponding transducer means to mechanical vibrations.
  • a mechanical vibration of the membrane can be detected with the transducer device.
  • the ultrasonic sensors are operated in particular in three successive operating phases. During a transmission phase, the membrane of the ultrasonic sensor is excited to mechanical vibrations by means of the transducer device. This has the consequence that with the ultrasonic sensor a
  • Ultrasonic signal or ultrasonic waves are emitted.
  • a subsequent decay phase excites the membrane and the membrane swings out.
  • the ultrasound signal reflected from the object in the environment can strike the membrane again and cause it to vibrate mechanically.
  • the distance between the motor vehicle and the object can be determined.
  • the disadvantage of such a structure is that a directional characteristic of the ultrasonic sensor is determined solely by the nature of the membrane. Depending on how the membrane is designed, the ultrasonic sensor is suitable for
  • Detecting objects near the floor area such as a curb, or rather detecting objects at the height of the built-in ultrasonic sensor, such as road users.
  • the document DE 10 201 1 121 095 A1 proposes an arrangement with a vehicle component and with an ultrasonic sensor arranged on the vehicle component.
  • the ultrasonic sensor has a diaphragm configured to emit and receive ultrasonic waves, and a sensor housing in which the
  • Ultrasonic sensor is arranged at least partially and via which the
  • Ultrasonic sensor is connected to the vehicle component. At least one component of the arrangement is at least partially formed of a sound-absorbing material.
  • the vehicle component is in the region of the membrane of the
  • the ultrasound probe has a piezo oscillator as a transducer device and an acoustic lens for focusing the ultrasound field.
  • Ultrasonic sensor for a motor vehicle of the type mentioned can be operated more efficiently. This object is achieved by an ultrasonic sensor by a
  • An inventive ultrasonic sensor comprises a membrane, which is adapted to emit ultrasonic waves. Furthermore, the ultrasonic sensor comprises a transducer device, wherein the transducer device is adapted to the
  • the ultrasonic sensor comprises a lens device.
  • the membrane is between the
  • Transducer device and the lens device arranged such that the emitted from the membrane ultrasonic waves pass through the lens device.
  • the invention is characterized in that a shape of the lens device is variable and depending on the shape of the lens device, a directional characteristic of the ultrasonic sensor is set.
  • the ultrasonic sensor can be arranged on the motor vehicle.
  • Ultrasonic sensor can be detected an object in an environment of the motor vehicle. Using the ultrasonic sensor, in particular the distance between the
  • the ultrasonic sensor has a membrane which may be made of aluminum. Furthermore, the ultrasonic sensor has a transducer device, with which the membrane can be excited to mechanical vibrations. In this case, the transducer device can be mechanically connected to the membrane.
  • the ultrasonic sensor can be arranged in a corresponding opening of a trim part, in particular of a bumper, of the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensor can also be used for concealed arrangement behind the
  • the ultrasonic sensor has a lens device whose shape can be changed.
  • a structure or extension of the lens device can be adjusted.
  • a directional characteristic of the ultrasonic sensor can be adjusted.
  • the ultrasound waves emitted by the membrane are preferably directed towards the lens device.
  • a shape has the lens device.
  • Main propagation direction of the ultrasonic waves are changed or adjusted.
  • main propagation direction of the ultrasonic waves is meant in particular a direction in which the ultrasonic waves propagate with higher intensity or the direction in which the ultrasonic waves have a higher intensity.
  • the lens device may be configured to focus the ultrasonic waves. This has the advantage that the directional characteristic of the
  • Ultrasonic sensor not fixed, but is variably adjustable. As a result, the ultrasonic sensor is versatile. This enables efficient operation of the ultrasonic sensor.
  • the lens device can be designed, for example, as a lens, in particular as an ultrasound lens or acoustic lens.
  • the lens device or lens has a predetermined lens shape, in particular a biconvex or a
  • the lens device may preferably have a round or oval shape of the outer contour. In other words, the lens device may be formed on an outer circumference round or oval.
  • the ultrasonic sensor comprises an actuator, which is coupled to the lens device, in particular mechanically coupled, and is adapted to change the shape of the lens device such that the lens device is stretched or compressed perpendicular to a main propagation direction of the ultrasonic waves ,
  • the actuator may be configured to exert a force on the lens device so that the lens device is stretched or compressed perpendicular to the main propagation direction of the ultrasonic waves.
  • the actuator can be coupled or connected to a control device which is set up to control the actuator.
  • the control device can provide an electrical signal, for example a time-variable electrical voltage, for driving the actuator.
  • the control device can be formed for example by a control unit of the motor vehicle (ECU - Electronic Control Unit) or by the electronics of the ultrasonic sensor itself.
  • a basic shape or original shape of the lens device can be maintained and an extension of the lens device perpendicular to the main propagation direction of the ultrasonic waves can be changed.
  • a diameter of the lens device can be increased in the original shape as compared with the diameter of the lens device.
  • an expansion of the lens device in the Main propagation direction of ultrasonic waves smaller.
  • a thickness of the lens device can be reduced.
  • a diameter of the lens device can be reduced in size as compared with the diameter of the lens device.
  • Ultrasonic waves are emitted homogeneously or evenly.
  • the detection of objects in the vicinity of the floor area such as
  • Lens device leads in particular to the fact that the ultrasonic waves are focused towards the center of the lens device. As a result, in particular the detection of objects at the level of the built-in ultrasonic sensor, such as
  • the actuator has a piezoelectric element, wherein the piezoelectric element is arranged on an outer periphery of the lens device.
  • the piezoelectric element may be disposed on an edge of the lens device.
  • the lens device may be fixed to a predetermined area on the outer circumference of the lens device, and the piezoelectric element may be disposed opposite to the predetermined region on the outer circumference.
  • the actuator has two
  • piezoelectric elements disposed on the outer periphery of the lens device.
  • the two piezoelectric elements are on the
  • the lens device is formed of an elastic material.
  • the lens device can have a lens wall, which encloses a lens chamber.
  • the lens wall may be formed of an elastic material.
  • a lens fluid may be included in the lens chamber.
  • the lens device may be formed of an electroactive polymer.
  • Electroactive polymers are in particular polymers which are produced by the application of a electrical voltage change shape. Additionally or alternatively, the
  • Lens device may be formed of a transparent or partially transparent material.
  • the ultrasonic sensor has a horn, wherein the lens device is received in the horn, wherein the horn is arranged on the membrane.
  • the horn may be configured to hold or store the lens device.
  • the horn may be configured to enclose the lens device.
  • the horn is preferably used to improve a radiation of the ultrasonic waves in air. Since the lens device is located in the horn or held by the horn, the horn comes one
  • Double function benefit On the one hand, the radiation of the ultrasonic waves in air can be improved and, on the other hand, the lens device can be kept particularly reliable. This results in the advantage that no additional element is needed to fix the lens device.
  • An inventive driver assistance system for a motor vehicle comprises at least one ultrasonic sensor according to the invention. It can also be provided that the driver assistance system has a plurality of ultrasonic sensors. These ultrasonic sensors can be distributed, for example, arranged on the motor vehicle.
  • the driver assistance system can be designed in particular as a so-called parking aid.
  • a motor vehicle according to the invention comprises an inventive
  • the motor vehicle is designed in particular as a passenger car.
  • An inventive method is used to operate an ultrasonic sensor for a motor vehicle.
  • ultrasonic waves are emitted by means of a membrane.
  • the membrane is excited by means of a transducer device.
  • the ultrasound sensor has a lens device, wherein the membrane is arranged between the transducer device and the lens device such that the ultrasound waves emitted by the membrane pass through the lens device.
  • Ultrasonic waves directed to the lens device In the method, a shape of the lens device is changed while adjusting a directivity of the ultrasonic sensor depending on the shape of the lens device. In other words, in the operation of the ultrasonic sensor depending on the shape of the set Lens device, the directional characteristic of the ultrasonic sensor can be changed. By a physical adaptation of the lens device, a shape or geometry of the lens device can be changed.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle according to an embodiment of the present invention, which has a driver assistance system with a plurality of
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 1 according to an embodiment of the present invention in a plan view.
  • the motor vehicle 1 is in the present case as
  • the motor vehicle 1 comprises a
  • the driver assistance system 2 in turn comprises a
  • Ultrasonic sensor device 3 which has a control device 4 and at least one ultrasonic sensor 5.
  • the control device 4 may be formed for example by an electronic control unit (ECU - Electronic Control Unit) of the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic sensor device 3 comprises eight ultrasonic sensors 5.
  • Four ultrasonic sensors 5 are arranged in a front region 6 of the motor vehicle 1 and four ultrasonic sensors 5 in a rear region 7 of the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic sensors 5 are designed to detect an object 8 in an environment 9 of the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic sensors 5 are used to determine a distance between the object 8 and the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic sensors 5 are connected to the control device 4 for data transmission. Corresponding data lines are not shown here for the sake of clarity.
  • Fig. 2 shows an ultrasonic sensor 5 according to an embodiment of the present invention in a sectional side view.
  • the ultrasonic sensor 5 comprises a membrane 10.
  • the membrane 10 may be made of a metal, in particular aluminum, for example.
  • the ultrasonic sensor 5 comprises a
  • the converter device 1 1 is formed as a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is in particular made of a piezoelectric material.
  • the piezoelectric element is connected to the membrane 10, in particular to a rear side 12 of the membrane 10.
  • the converter device 1 1 can also be coupled to the control device 4.
  • the control device 4 can provide an electrical signal, for example a time-variable electrical voltage, for driving the converter device 1 1.
  • the control device 4 may have a pulse generator 13.
  • a lens device 15 or lens is further arranged on a front side 14 of the membrane 10, opposite the back 12 of the membrane.
  • the lens device 15 has a plano-concave shape.
  • the lens device 15 is received in a horn 16, which is arranged on the front side 14 of the membrane 10.
  • the horn 16 is used on the one hand for mounting the lens device 15 and on the other hand for improving the emission of ultrasonic waves 17, which are emitted from the membrane 10.
  • the diaphragm 10, the transducer device 1 1, the pulse generator 13, the lens device 15 and the horn 16 are received or arranged in a housing 18.
  • a directional characteristic of the ultrasonic sensor 5 can be adjusted.
  • Lens device 15 are changed.
  • the lens device 15 can be stretched or compressed perpendicular to a main propagation direction 19 of the ultrasonic waves 17.
  • the lens device 15 is compressed or pulled apart perpendicular to the main propagation direction 19.
  • the lens device 15 is preferably formed from an elastic material.
  • the shape of the lens device 15 can be adjusted or changed by means of an actuator (not shown in FIG. 2).
  • the actuator is adapted to exert a force on the lens device 15, in particular a tensile force or a
  • the actuator can be controlled by a further control device (not shown in FIG. 2).
  • the actuator may comprise a piezoelectric element formed of a piezoelectric material.
  • the lens device 15 can extend or contract perpendicular to the main propagation direction 19.
  • the piezoelectric element may be on an outer periphery or edge of
  • Lens device 15 may be arranged. In order that the shape of the lens device 15 can be changed, the lens device 15 at a predetermined range on
  • Outer periphery of the lens device 15 may be fixed and the piezoelectric element may be disposed opposite to the predetermined region on the outer periphery.
  • the actuator has two piezoelectric elements, which are arranged on the outer periphery of the lens device 15. In particular, the two piezoelectric elements are opposed to each other on the outer circumference
  • the two piezoelectric elements are so on the
  • the lens device 15 may be formed of an electroactive polymer.
  • the lens device 15 directly with the other Be coupled control means, which outputs an electrical signal to the lens device 15 to change the shape of the lens device 15.
  • Control device may be formed by the electronics of the ultrasonic sensor 5 itself.
  • the further control device can likewise be accommodated in the housing 18 of the ultrasonic sensor 5.
  • Lens device 15 is stretched perpendicular to the main propagation direction 19. If the actuator exerts a pressure force on the lens device 15, then the lens device 15 is compressed or compressed perpendicular to the main propagation direction 19.
  • Ultrasonic waves 17 change. If the lens device 15 is stretched, then the lens device 15 is stretched.
  • Diameter of the lens device 15 are increased in the original form.
  • the extension of the lens device 15 in the main propagation direction 19 of the ultrasonic waves becomes smaller.
  • a thickness of the lens device 15 in the direction of the main propagation direction 19 can be reduced.
  • the lens device 15 is compressed or compressed, for example, the diameter of the lens device 15 can be reduced in size compared to the diameter of the lens device 15 in its original form.
  • the extension of the lens device 15 in the main propagation direction 19 of the ultrasonic waves becomes larger.
  • a thickness of the lens device 15 can be increased or increased.
  • a stretching of the lens device leads in particular to the fact that the ultrasonic waves 17 are emitted homogeneously or evenly.
  • upsetting of the lens device 15 causes the ultrasonic waves 17 to be focused toward a center of the lens device 15.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (5) für ein Kraftfahrzeug (1) mit einer Membran (10), wobei die Membran (10) dazu eingerichtet ist, Ultraschallwellen (17) auszusenden. Ferner weist der Ultraschallsensor (5) eine Wandlereinrichtung (11) auf, wobei die Wandlereinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, die Membran (10) zum Aussenden der Ultraschallwellen (17) anzuregen. Des Weiteren umfasst der Ultraschallsensor (5) eine Linseneinrichtung (15), wobei die Membran (10) zwischen der Wandlereinrichtung (11) und der Linseneinrichtung (15) derart angeordnet ist, dass die von der Membran (10) ausgesendeten Ultraschallwellen (17) die Linseneinrichtung (15) passieren. Dabei ist eine Form der Linseneinrichtung (15) veränderbar und in Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung (15) ist eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors (5) eingestellt.

Description

Ultraschallsensor, Fahrerassistenzeinrichtung, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum
Betreiben eines Ultraschallsensors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug mit einer Membran und einer Wandlereinrichtung, wobei die Wandlereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Membran zum Aussenden der Ultraschallwellen anzuregen, und einer
Linseneinrichtung, wobei die Membran zwischen der Wandlereinrichtung und der Linseneinrichtung derart angeordnet ist, dass die von der Membran ausgesendeten Ultraschallwellen die Linseneinrichtung passieren. Zudem betrifft die vorliegende
Erfindung ein Fahrerassistenzsystem mit zumindest einem solchen Ultraschallsensor. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen
Fahrerassistenzsystem. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors für ein Kraftfahrzeug.
Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Ultraschallsensoren für
Kraftfahrzeuge. Derartige Ultraschallsensoren sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und können beispielsweise im Frontbereich und im Heckbereich eines
Kraftfahrzeugs verbaut sein. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren an den Stoßfängern des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Die Ultraschallsensoren können beispielsweise einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein und Informationen über die Umgebung des Kraftfahrzeugs liefern. Beispielsweise kann mit den Ultraschallsensoren ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Objekt beziehungsweise einem Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise dazu dienen, den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.
Die Ultraschallsensoren weisen üblicherweise eine Membran auf. Die Membran kann mit einer entsprechenden Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zudem kann mit der Wandlereinrichtung eine mechanische Schwingung der Membran erfasst werden. Die Ultraschallsensoren werden insbesondere in drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen betrieben. Während einer Sendephase wird die Membran des Ultraschallsensors mittels der Wandlereinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt. Dies hat zur Folge, dass mit dem Ultraschallsensor ein
Ultraschallsignal beziehungsweise Ultraschallwellen ausgesendet werden. In einer anschließenden Ausschwingphase unterbleibt eine Anregung der Membran und die Membran schwingt aus. In einer auf die Ausschwingphase folgenden Empfangsphase kann das von dem Objekt in der Umgebung reflektierte Ultraschallsignal wieder auf die Membran treffen und diese zu mechanischen Schwingungen anregen. Diese
mechanischen Schwingungen können mit dem Piezoelement erfasst und in Form eines elektrischen Signals ausgegeben werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals
beziehungsweise des Echos kann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden.
Der Nachteil eines derartigen Aufbaus besteht darin, dass eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors allein durch die Beschaffenheit der Membran festgelegt ist. Je nachdem wie die Membran ausgestaltet ist, eignet sich der Ultraschallsensor zur
Erfassung von Objekten in der Nähe des Bodenbereichs, wie beispielsweise einer Bordsteinkante, oder eher zur Erfassung von Objekten auf Höhe des eingebauten Ultraschallsensors, wie beispielsweise Verkehrsteilnehmern.
Um die Richtcharakteristik eines Ultraschallsensors zu optimieren, wird in der Druckschrift DE 10 201 1 121 095 A1 eine Anordnung mit einem Fahrzeugbauteil und mit einem an dem Fahrzeugbauteil angeordneten Ultraschallsensor vorgeschlagen. Der
Ultraschallsensor weist eine Membran, die zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet ist, und ein Sensorgehäuse auf, in welchem der
Ultraschallsensor zumindest bereichsweise angeordnet ist und über welches der
Ultraschallsensor mit dem Fahrzeugbauteil verbunden ist. Zumindest eine Komponente der Anordnung ist zumindest bereichsweise aus einem schallabsorbierenden Material gebildet. Dabei ist das Fahrzeugbauteil im Bereich der Membran aus dem
schallabsorbierenden Material gebildet, sodass eine akustische Linse für
Ultraschallwellen gebildet ist.
Darüber hinaus ist in dem Artikel„Mechanische Fokussierung von Ultraschallfeldern" von Andreas Mück, Mark Achtenberg, Werner Kraus, Norman Moritz und Christian Probst ein Ultraschallprüfkopf beschrieben. Der Ultraschallprüfkopf weist einen Piezoschwinger als Wandlereinrichtung und eine akustische Linse zur Fokussierung des Ultraschallfeldes auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein
Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art effizienter betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallsensor, durch ein
Fahrerassistenzsystem, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der
Beschreibung und der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor umfasst eine Membran, welche dazu eingerichtet ist, Ultraschallwellen auszusenden. Ferner umfasst der Ultraschallsensor eine Wandlereinrichtung, wobei die Wandlereinrichtung dazu eingerichtet ist, die
Membran zum Aussenden der Ultraschallwellen anzuregen. Des Weiteren umfasst der Ultraschallsensor eine Linseneinrichtung. Die Membran ist dabei zwischen der
Wandlereinrichtung und der Linseneinrichtung derart angeordnet, dass die von der Membran ausgesendeten Ultraschallwellen die Linseneinrichtung passieren. Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Form der Linseneinrichtung veränderbar ist und in Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors eingestellt ist.
Der Ultraschallsensor kann an dem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Mit dem
Ultraschallsensor kann ein Objekt in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Mithilfe des Ultraschallsensors kann insbesondere der Abstand zwischen dem
Kraftfahrzeug und dem Objekt bestimmt werden. Der Ultraschallsensor weist eine Membran auf, die aus Aluminium gefertigt sein kann. Ferner weist der Ultraschallsensor eine Wandlereinrichtung auf, mit der die Membran zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Dabei kann die Wandlereinrichtung mechanisch mit der Membran verbunden sein. Der Ultraschallsensor kann in einer korrespondierenden Öffnung eines Verkleidungsteils, insbesondere eines Stoßfängers, des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Der Ultraschallsensor kann auch zur verdeckten Anordnung hinter dem
Verkleidungsteil ausgelegt sein.
Vorliegend weist der Ultraschallsensor eine Linseneinrichtung, deren Form veränderbar ist. Mit anderen Worten kann eine Struktur oder Ausdehnung der Linseneinrichtung eingestellt werden. In Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung kann eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors eingestellt werden. Die von der Membran ausgesendeten Ultraschallwellen sind dabei bevorzugt auf die Linseneinrichtung gerichtet. Je nachdem, welche Form die Linseneinrichtung aufweist, kann eine
Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen verändert oder eingestellt werden. Mit Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen ist insbesondere eine Richtung gemeint, in der sich die Ultraschallwellen mit höherer Intensität ausbreiten beziehungsweise die Richtung in welche die Ultraschallwellen eine höhere Intensität aufweisen. Mit anderen Worten kann die Linseneinrichtung dazu eingerichtet sein, die Ultraschallwellen zu fokussieren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Richtcharakteristik des
Ultraschallsensors nicht festgelegt, sondern variabel einstellbar ist. Dadurch ist der Ultraschallsensor vielseitig einsetzbar. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Ultraschallsensors.
Die Linseneinrichtung kann beispielsweise als Linse, insbesondere als Ultraschalllinse oder akustische Linse, ausgebildet sein. Insbesondere weist die Linseneinrichtung oder Linse eine vorbestimmte Linsenform, insbesondere eine bikonvexe oder eine
konkavkonvexe oder eine plankonvexe Form, insbesondere Grundform, auf. Bevorzugt kann die Linseneinrichtung eine runde oder ovale Form der Außenkontur aufweisen. Mit anderen Worten kann die Linseneinrichtung an einem Außenumfang rund oder oval ausgebildet sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Ultraschallsensor einen Aktor aufweist, welcher mit der Linseneinrichtung gekoppelt ist, insbesondere mechanisch gekoppelt ist, und dazu eingerichtet ist, die Form der Linseneinrichtung derart zu verändern, dass die Linseneinrichtung senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen gestreckt oder gestaucht wird. Mit anderen Worten kann der Aktor dazu eingerichtet sein, eine Kraft auf die Linseneinrichtung auszuüben, sodass die Linseneinrichtung senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen gedehnt oder zusammengedrückt wird. Dazu kann der Aktor mit einer Steuereinrichtung gekoppelt oder verbunden sein, welche dazu eingerichtet ist, den Aktor anzusteuern. Die Steuereinrichtung kann zum Ansteuern des Aktors ein elektrisches Signal, beispielsweise eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, bereitstellen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise durch ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs (ECU - Electronic Control Unit) oder durch die Elektronik des Ultraschallsensors selbst gebildet sein.
Beim Strecken oder Stauchen der Linseneinrichtung kann eine Grundform oder ursprüngliche Form der Linseneinrichtung erhalten bleiben und sich eine Ausdehnung der Linseneinrichtung senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen ändern. Wird die Linseneinrichtung gestreckt, so kann ein Durchmesser der Linseneinrichtung im Vergleich zu dem Durchmesser der Linseneinrichtung in der ursprünglichen Form vergrößert werden. Durch das Strecken oder Ausdehnen der Linseneinrichtung senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung wird eine Ausdehnung der Linseneinrichtung in die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen kleiner. Mit anderen Worten kann durch das Strecken der Linseneinrichtung eine Dicke der Linseneinrichtung reduziert werden. Wird die Linseneinrichtung gestaucht oder zusammengedrückt, so kann ein Durchmesser der Linseneinrichtung im Vergleich zu dem Durchmesser der Linseneinrichtung in der ursprünglichen Form verkleinert werden. Durch das Stauchen der Linse senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung wird insbesondere eine Ausdehnung der Linseneinrichtung in die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen größer. Mit anderen Worten kann durch das Stauchen der Linseneinrichtung eine Dicke der Linseneinrichtung erhöht werden. Ein Strecken der Linseneinrichtung führt insbesondere dazu, dass die
Ultraschallwellen homogen oder gleichmäßig ausgesendet werden. Dadurch kann insbesondere das Erfassen von Objekten in der Nähe des Bodenbereichs, wie
beispielsweise einer Bordsteinkante, verbessert werden. Ein Stauchen der
Linseneinrichtung führt insbesondere dazu, dass die Ultraschallwellen zur Mitte der Linseneinrichtung hin fokussiert werden. Dadurch kann insbesondere das Erfassen von Objekten auf Höhe des eingebauten Ultraschallsensors, wie beispielsweise
Verkehrsteilnehmern, verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Aktor ein piezoelektrisches Element aufweist, wobei das piezoelektrische Element an einem Außenumfang der Linseneinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das piezoelektrische Element an einem Rand der Linseneinrichtung angeordnet sein. Damit die Form der Linseneinrichtung verändert werden kann, kann die Linseneinrichtung an einem vorbestimmten Bereich am Außenumfang der Linseneinrichtung fixiert sein und das piezoelektrische Element kann dem vorbestimmten Bereich gegenüber an dem Außenumfang angeordnet sein. Besonders bevorzugt weist der Aktor zwei
piezoelektrische Elemente auf, welche an dem Außenumfang der Linseneinrichtung angeordnet sind. Insbesondere sind die zwei piezoelektrischen Elemente an dem
Außenumfang einander gegenüberliegend angeordnet. Durch den Aktor ergibt sich der Vorteil, dass die Form der Linseneinrichtung auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise eingestellt werden kann.
In vorteilhafter Weise ist die Linseneinrichtung aus einem elastischen Material gebildet. Besonders bevorzugt kann die Linseneinrichtung eine Linsenwand aufweisen, welche eine Linsenkammer einschließt. Die Linsenwand kann aus einem elastischen Material gebildet sein. In der Linsenkammer kann eine Linsenflüssigkeit aufgenommen sein.
Alternativ kann die Linseneinrichtung aus einem elektroaktiven Polymer gebildet sein. Elektroaktive Polymere sind insbesondere Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern. Zusätzlich oder alternativ kann die
Linseneinrichtung aus einem transparenten oder teiltransparenten Material gebildet sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Ultraschallsensor ein Horn aufweist, wobei die Linseneinrichtung in dem Horn aufgenommen ist, wobei das Horn an der Membran angeordnet ist. Das Horn kann dazu eingerichtet sein, die Linseneinrichtung zu halten oder zu lagern. Mit anderen Worten kann das Horn dazu eingerichtet sein, die Linseneinrichtung einzufassen. Bei Ultraschallsensoren dient das Horn bevorzugt dazu, eine Abstrahlung der Ultraschallwellen in Luft zu verbessern. Da die Linseneinrichtung in dem Horn angeordnet ist oder von dem Horn gehalten ist, kommt dem Horn eine
Doppelfunktion zugute. Zum einen kann die Abstrahlung der Ultraschallwellen in Luft verbessert werden und zum anderen kann die Linseneinrichtung besonders zuverlässig gehalten werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzliches Element benötigt wird, um die Linseneinrichtung zu fixieren.
Ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass das Fahrerassistenzsystem eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist. Diese Ultraschallsensoren können beispielsweise verteilt an dem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Das Fahrerassistenzsystem kann insbesondere als sogenannte Einparkhilfe ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes
Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Ultraschallsensors für ein Kraftfahrzeug. Hierbei werden Ultraschallwellen mittels einer Membran ausgesendet. Zum Aussenden der Ultraschallwellen wird die Membran mittels einer Wandlereinrichtung angeregt. Ferner weist der Ultraschallsensor eine Linseneinrichtung auf, wobei die Membran zwischen der Wandlereinrichtung und der Linseneinrichtung derart angeordnet ist, dass die von der Membran ausgesendeten Ultraschallwellen die Linseneinrichtung passieren. Mit anderen Worten sind die von der Membran ausgesendeten
Ultraschallwellen auf die Linseneinrichtung gerichtet. Bei dem Verfahren wird eine Form der Linseneinrichtung geändert und dabei eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors in Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung eingestellt. Mit anderen Worten kann im Betrieb des Ultraschallsensors in Abhängigkeit von Form der eingestellten Linseneinrichtung die Richtcharakteristik des Ultraschallsensors verändert werden. Durch eine physikalische Anpassung der Linseneinrichtung kann eine Form oder Geometrie der Linseneinrichtung verändert werden.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie das
erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die 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 in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Mehrzahl von
Ultraschallsensoren aufweist; und
Fig. 2 einen Ultraschallsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht.
In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 1 ist in dem vorliegenden Fall als
Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein
Fahrerassistenzsystem 2. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst wiederum eine
Ultraschallsensorvorrichtung 3, welche eine Steuereinrichtung 4 sowie zumindest einen Ultraschallsensor 5 aufweist. Die Steuereinrichtung 4 kann beispielsweise durch ein elektronisches Steuergerät (ECU - Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs 1 gebildet sein.
Die Ultraschallsensorvorrichtung 3 gemäß Fig. 1 umfasst acht Ultraschallsensoren 5. Dabei sind vier Ultraschallsensoren 5 in einem Frontbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 und vier Ultraschallsensoren 5 in einem Heckbereich 7 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Ultraschallsensoren 5 sind dazu ausgebildet, ein Objekt 8 in einer Umgebung 9 des Kraftfahrzeugs 1 zu erfassen. Zudem werden die Ultraschallsensoren 5 dazu verwendet, einen Abstand zwischen dem Objekt 8 und dem Kraftfahrzeug 1 zu bestimmen. Die Ultraschallsensoren 5 sind zur Datenübertragung mit der Steuereinrichtung 4 verbunden. Entsprechende Datenleitungen sind vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Ultraschallsensor 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht. Der Ultraschallsensor 5 umfasst eine Membran 10. Die Membran 10 kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt sein. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 5 eine
Wandlereinrichtung 1 1 . Die Wandlereinrichtung 1 1 ist als ein piezoelektrisches Element ausgebildet. Das piezoelektrische Element ist insbesondere aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Dabei ist das piezoelektrische Element mit der Membran 10, insbesondere mit einer Rückseite 12 der Membran 10, verbunden.
Die Wandlereinrichtung 1 1 kann ferner mit der Steuereinrichtung 4 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 4 kann zum Ansteuern der Wandlereinrichtung 1 1 ein elektrisches Signal, beispielsweise eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, bereitstellen. Dazu kann die Steuereinrichtung 4 einen Pulsgenerator 13 aufweisen.
An einer Vorderseite 14 der Membran 10, gegenüber der Rückseite 12 der Membran, ist ferner eine Linseneinrichtung 15 oder Linse angeordnet. Die Linseneinrichtung 15 weist eine plankonkave Form auf. Die Linseneinrichtung 15 ist in einem Horn 16, welches an der Vorderseite 14 der Membran 10 angeordnet ist, aufgenommen. Das Horn 16 dient einerseits zur Lagerung der Linseneinrichtung 15 und andererseits zur Verbesserung der Abstrahlung von Ultraschallwellen 17, welche von der Membran 10 ausgesendet werden. Die Membran 10, die Wandlereinrichtung 1 1 , der Pulsgenerator 13, die Linseneinrichtung 15 und das Horn 16 sind in einem Gehäuse 18 aufgenommen oder angeordnet.
Mit Hilfe der Linseneinrichtung 15 kann eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 5 eingestellt werden. Zum Einstellen der Richtcharakteristik kann eine Form der
Linseneinrichtung 15 verändert werden. Beim Verändern der Form der Linseneinrichtung 15 kann die Linseneinrichtung 15 senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung 19 der Ultraschallwellen 17 gestreckt oder gestaucht werden. Beim Ändern der Form wird die Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 zusammengedrückt oder auseinander gezogen. Bevorzugt ist die Linseneinrichtung 15 dazu aus einem elastischen Material gebildet.
Ferner kann die Form der Linseneinrichtung 15 mit Hilfe eines Aktors (in Fig. 2 nicht dargestellt) eingestellt oder verändert werden. Der Aktor ist dazu eingerichtet eine Kraft auf die Linseneinrichtung 15 auszuüben, insbesondere eine Zugkraft oder eine
Druckkraft. Der Aktor kann durch eine weitere Steuereinrichtung (in Fig. 2 nicht gezeigt) angesteuert werden. Beispielsweise kann der Aktor ein piezoelektrisches Element aufweisen, welches aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Durch die
Ansteuerung des piezoelektrischen Elements kann die Linseneinrichtung 15 sich senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 ausdehnen oder zusammenziehen.
Das piezoelektrische Element kann an einem Außenumfang oder Rand der
Linseneinrichtung 15 angeordnet sein. Damit die Form der Linseneinrichtung 15 verändert werden kann, kann die Linseneinrichtung 15 an einem vorbestimmten Bereich am
Außenumfang der Linseneinrichtung 15 fixiert sein und das piezoelektrische Element kann dem vorbestimmten Bereich gegenüber an dem Außenumfang angeordnet sein. Besonders bevorzugt weist der Aktor zwei piezoelektrische Elemente auf, welche an dem Außenumfang der Linseneinrichtung 15 angeordnet sind. Insbesondere sind die zwei piezoelektrischen Elemente an dem Außenumfang einander gegenüberliegend
angeordnet. Bevorzugt sind die zwei piezoelektrischen Elemente derart an dem
Außenumfang einander gegenüberliegend angeordnet, dass die Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 gestreckt oder gestaucht werden kann.
Anstelle einen Aktor vorzusehen, kann die Linseneinrichtung 15 aus einem elektroaktiven Polymer gebildet sein. Dabei kann die Linseneinrichtung 15 direkt mit der weiteren Steuereinrichtung gekoppelt sein, welche zur Änderung der Form der Linseneinrichtung 15 ein elektrisches Signal, an die Linseneinrichtung 15 ausgibt. Die weitere
Steuereinrichtung kann durch die Elektronik des Ultraschallsensors 5 selbst gebildet sein. Die weitere Steuereinrichtung kann ebenfalls in dem Gehäuse 18 des Ultraschallsensors 5 aufgenommen sein.
Übt der Aktor eine Zugkraft auf die Linseneinrichtung 15 aus, so wird die
Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 gestreckt. Übt der Aktor eine Druckkraft auf die Linseneinrichtung 15 aus, so wird die Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 gestaucht oder zusammengedrückt. Beim Strecken oder Stauchen der Linseneinrichtung 15 kann eine Grundform oder
ursprüngliche Form der Linseneinrichtung 15 erhalten bleiben und sich eine Ausdehnung der Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 der
Ultraschallwellen 17 ändern. Wird die Linseneinrichtung 15 gestreckt, so kann
beispielsweise ein Durchmesser der Linseneinrichtung 15 im Vergleich zu dem
Durchmesser der Linseneinrichtung 15 in der ursprünglichen Form vergrößert werden. Durch das Strecken oder Ausdehnen der Linseneinrichtung 15 senkrecht zur
Hauptausbreitungsrichtung 19 wird die Ausdehnung der Linseneinrichtung 15 in die Hauptausbreitungsrichtung 19 der Ultraschallwellen kleiner. Mit anderen Worten kann durch das Strecken der Linseneinrichtung 15 eine Dicke der Linseneinrichtung 15 in Richtung der Hauptausbreitungsrichtung 19 reduziert werden. Wird die Linseneinrichtung 15 gestaucht oder zusammengedrückt, so kann beispielsweise der Durchmesser der Linseneinrichtung 15 im Vergleich zu dem Durchmesser der Linseneinrichtung 15 in der ursprünglichen Form verkleinert werden. Durch das Stauchen der Linseneinrichtung 15 senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 19 wird die Ausdehnung der Linseneinrichtung 15 in die Hauptausbreitungsrichtung 19 der Ultraschallwellen größer. Mit anderen Worten kann durch das Stauchen der Linseneinrichtung 15 eine Dicke der Linseneinrichtung 15 erhöht oder vergrößert werden. Ein Strecken der Linseneinrichtung führt insbesondere dazu, dass die Ultraschallwellen 17 homogen oder gleichmäßig ausgesendet werden. Ein Stauchen der Linseneinrichtung 15 führt insbesondere dazu, dass die Ultraschallwellen 17 zu einer Mitte der Linseneinrichtung 15 hin fokussiert werden.
Insgesamt ist durch die Erfindung ein Ultraschallsensor mit eingebauter Linseneinrichtung beschrieben.

Claims

Patentansprüche
1 . Ultraschallsensor (5) für ein Kraftfahrzeug (1 ) umfassend:
- eine Membran (10), wobei die Membran (10) dazu eingerichtet ist,
Ultraschallwellen (17) auszusenden;
- eine Wandlereinrichtung (1 1 ), wobei die Wandlereinrichtung (1 1 ) dazu eingerichtet ist, die Membran (10) zum Aussenden der Ultraschallwellen (17) anzuregen; und
- eine Linseneinrichtung (15), wobei die Membran (10) zwischen der
Wandlereinrichtung (1 1 ) und der Linseneinrichtung (15) derart angeordnet ist, dass die von der Membran (10) ausgesendeten Ultraschallwellen (17) die
Linseneinrichtung (15) passieren;
dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Form der Linseneinrichtung (15) veränderbar ist und
- in Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung (15) eine Richtcharakteristik des Ultraschallsensors (5) eingestellt ist.
2. Ultraschallsensor (5) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ultraschallsensor (5) einen Aktor aufweist, wobei der Aktor mit der
Linseneinrichtung (15) gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, die Form der
Linseneinrichtung (15) derart zu verändern, dass die Linseneinrichtung (15) senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung (19) der Ultraschallwellen gestreckt oder gestaucht wird.
3. Ultraschallsensor (5) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor ein piezoelektrisches Element aufweist, wobei das piezoelektrische Element an einem Außenumfang der Linseneinrichtung (15) angeordnet ist.
4. Ultraschallsensor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Linseneinrichtung (15) eine bikonvexe oder eine konkavkonvexe oder eine plankonvexe Form aufweist.
5. Ultraschallsensor (5) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Linseneinrichtung (15) aus einem elastischen Material gebildet ist.
6. Ultraschallsensor (5) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 oder 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Linseneinrichtung (15) aus einem elektroaktiven Polymer gebildet ist.
7. Ultraschallsensor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandlereinrichtung (1 1 ) ein piezoelektrisches Element aufweist.
8. Ultraschallsensor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ultraschallsensor (15) ein Horn (16) aufweist, wobei die Linseneinrichtung (15) in dem Horn (16) aufgenommen ist, wobei das Horn (16) an der Membran (10) angeordnet ist.
9. Fahrerassistenzsystem (2) mit zumindest einem Ultraschallsensor (5) nach einem der vorhergesehen Ansprüche.
10. Kraftfahrzeug (1 ) mit einem Fahrerassistenzsystem (2) nach Anspruch 9.
1 1 . Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (5) umfassend die Schritte:
- Aussenden von Ultraschallwellen (17) mittels einer Membran (10);
- Anregen der Membran (10) zum Aussenden der Ultraschallwellen (17) mittels einer Wandlereinrichtung (1 1 );
gekennzeichnet durch
- Ändern einer Form einer Linseneinrichtung (15) des Ultraschallsensors (5), wobei die Membran (10) zwischen der Wandlereinrichtung (1 1 ) und der Linseneinrichtung (15) derart angeordnet ist, dass die von der Membran (10) ausgesendeten
Ultraschallwellen (17) die Linseneinrichtung (15) passieren und
- Einstellen einer Richtcharakteristik des Ultraschallsensors (5) in Abhängigkeit von der Form der Linseneinrichtung (15).
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