Titel

Akustischer Sensor zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Sensor zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale. In aktuellen akustischen Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren, besteht zumeist eine direkte, luftdurchlässige Verbindung zwischen einer Membran des akustischen Sensors und der jeweiligen Umgebung des Sensors. Solche Ausführungen eines akustischen Sensors weisen jedoch den Nachteil auf, dass durch die Öffnungen, welche zwischen dem akustischen Wandlerelement und der Umgebung des akustischen Sensors besteht, beispielsweise Schmutz in den

Sensor eintreten kann. Ferner ist eine solche Öffnung mit bloßem Auge sichtbar und führt somit zu Nachteilen bei einer optischen Gestaltung von Bauelementen, die einen solchen akustischen Sensor umfassen. Zwar sind aus dem Stand der Technik akustische Sensoren bekannt, die mit einer schützenden Membran abgedeckt sind, diese weisen jedoch zumeist den Nachteil auf, dass diese

Schutzschichten den oftmals widrigen Umgebungsbedingungen, in welchen ein akustischer Sensor eigesetzt wird, nicht gewachsen sind. Als widrige

Umgebungsbedingungen, insbesondere im Fahrzeugumfeld, seien insbesondere Regen, Schnee, Schmutz, verschmutzte Luft, und andere Stoffströme genannt, die sich mit hoher Relativgeschwindigkeit auf das dem akustischen Sensor zugehörige Fahrzeug zubewegen. So müssen akustische Sensoren in einem Fahrzeugumfeld beispielsweise auch dem Wasserstrahl eines

Hochdruckreinigers widerstehen können.

Die DE10201 1084537A1 und die DE102005040081 A1 beschreiben akustische Sensoren, welche mit einer Schutzschicht überdeckt sind. Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße akustische Sensor zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale umfasst ein elektroakustisches Wandlerelement, welches dazu eingerichtet ist, ein akustisches Signal auszusenden und/oder zu empfangen, eine Stützstruktur, welche mehrere Kanäle aufweist und zwischen dem elektroakustischen Wandlerelement und einer Umgebung des akustischen Sensors angeordnet ist, in welche das akustische Signal ausgesendet wird oder aus welcher das akustische Signal empfangen wird, und zumindest ein

Trennelement, welches durchlässig für das akustische Signal ist und die Kanäle der Stützstruktur verschließt. Es wird somit verhindert, dass bedeutende, zumeist verunreinigte Stoffströme aus der Umgebung des Sensors

in den akustischen Sensor eintreten. Zugleicht wird ein mechanischer Schutz des akustischen Sensors, insbesondere des elektroakustischen Wandlerelements, gewährleistet. Insbesondere weist das Trennelement dabei eine gegenüber der

Stützstruktur höhere Durchlässigkeit für das akustische Signal auf.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt ist die Stützstruktur ein Gitter. Durch die gleichmäßige Struktur eines

Gitters werden akustische Verzerrungen des akustischen Signals vermieden. Zudem wird auf einfache Weise ein sich über die gesamte Fläche der

Stützstruktur erstreckender mechanischer Schutz gewährleistet. Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Querschnitt der Kanäle jeweils eine von dessen

Höhe unterschiedliche Breite aufweist und insbesondere eine ovale Form aufweist. Dadurch wird eine Dämpfung des akustischen Signals verringert.

Zudem wird insbesondere bei einer ovalen Form eine hohe Stabilität der

Stützstruktur gewährleistet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Trennelement eine Folie ist, welche die Stützstruktur überspannt. Auf diese Weise wird ein besonders kostengünstiges Trennelement bereitgestellt, welches auf einfache Weise auf der Stützstruktur angebracht werden kann. Zudem wird auf diese Weise auch eine besonders vorteilhafte Oberfläche für den akustischen Sensor bereitgestellt, welche beispielsweise eine Lackierung des akustischen Sensors ermöglicht. Auch ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem zumindest einen Trennelement und der Stützstruktur zumindest ein Dämpfungselement angeordnet ist, welches zumindest teilweise aus einem kompressiblen Material, insbesondere einem Schaumstoff, geformt ist. Auf diese Weise wird ein ungewolltes Nachschwingen des Trennelementes vermieden. Zudem wird ein ungewolltes Einkoppeln von akustischen Störsignalen unterbunden, welche beispielsweise durch eine mechanische Anregung des Trennelementes, beispielsweise durch einen Fahrtwind, verursacht werden können.

Es ist vorteilhaft, wenn die Kanäle der Stützstruktur jeweils eine

Querschnittsänderung über eine Kanallänge der Kanäle hinweg aufweisen. Somit wird ein Schwingen des Trennelementes in Richtung der Stützstruktur bei einer durch das akustische Signal verursachten Schwingung zu ermöglicht.

Insbesondere nimmt ein Querschnitt der Kanäle auf Seiten des Trennelementes zu. Eine Dämpfung des akustischen Signals bei einem Austritt aus dem akustischen Sensor oder einem Eintritt in den akustischen Sensor wird somit minimiert.

Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der akustische Sensor ferner ein luftdurchlässiges Schutzelement umfasst, wobei das Trennelement zwischen der Stützstruktur und dem Schutzelement angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Trennelement von beiden Seiten vor mechanischen Fremdeinflüssen geschützt. Dabei wird insbesondere eine ungewollte Verformung des Trennelementes unterbunden.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Schutzelement das zumindest eine Trennelement derart überspannt, dass zwischen dem Schutzelement und dem zumindest einen Trennelement ein Abstand besteht. Durch diesen Abstand wird ein Schwingen des Trennelementes in Richtung des Schutzelementes bei einer durch das akustische Signal verursachten Schwingung ermöglicht. Somit wird eine ungewollte Dämpfung des akustischen Signals bei einem Austritt aus dem akustischen Sensor oder einem Eintritt in den akustischen Sensor minimiert.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das elektroakustische Wandlerelement zumindest ein mikroelektromechanisches System umfasst. Ein solches mikroelektromechanisches System wird auch als MEMS-Sensor bezeichnet. Bevorzugt umfasst das elektroakustische Wandlerelement mehrere

mikroelektromechanische Systeme. Somit wird eine besonders hohe

Empfindlichkeit des akustischen Sensors erreicht.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der akustische Sensor ein Gehäuse umfasst, welches eine Kavität aufweist, in welcher das elektroakustische Wandlerelement angeordnet ist, wobei die Stützstruktur und das Trennelement die Kavität verschließen und das Gehäuse eine Druckausgleichsöffnung aufweist.

Durch solch eine Druckausgleichsöffnung wird ein Gasaustausch zwischen einem Innenbereich des Gehäuses und der Umgebung des akustischen Sensors ermöglicht. Es wird somit eine Empfindlichkeit des akustischen Sensors erhöht. Es wird vermieden, dass ein in dem akustischen Sensor eingeschlossenes Gasvolumen zu einer Dämpfung des akustischen Signals führt, da eine

Schwingung des Trennelementes nicht durch einen Innendruck des akustischen Sensors verringert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 ein erfindungsgemäßer akustischer Sensor in einer ersten

Ausführungsform,

Figur 2 eine Detailansicht eines beispielhaften Kanals in einer

Stützstruktur eines erfindungsgemäßen akustischen Sensors,

Figur 3 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Stützstruktur

erfindungsgemäßen akustischen Sensors und

Figur 4 ein erfindungsgemäßer akustischer Sensor in einer zweiten

Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen akustischen Sensor 1 zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale in einer ersten Ausführungsform.

Der akustische Sensor 1 weist ein elektroakustisches Wandlerelement 2 auf, welches dazu eingerichtet ist, ein akustisches Signal auszusenden und/oder zu empfangen. Das elektroakustische Wandlerelement 2 umfasst in dieser ersten Ausführungsform drei MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c. Ein MEMS-Sensor ist ein Sensor, welcher ein mikroelektromechanisches System umfasst. Das

Wandlerelement 2 des in Figur 1 gezeigte akustische Sensors 1 umfasst einen ersten MEMS-Sensor 2a, einen zweiten MEMS-Sensor 2b und einen dritten

MEMS-Sensor 2c. Die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c sind auf einer Leiterplatte 9 angeordnet. Die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c sind über die Leiterplatte 9 kontaktiert. Die Leiterplatte 9 umfasst ferner eine in Figur 1 nicht gezeigte Elektronik, welche dazu geeignet ist, die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c derart anzusteuern, dass diese das akustische Signal abgeben oder ein elektrisches

Signal zu verarbeiten, welche von den MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c abgegeben wird, wenn diese durch ein akustisches Signal angeregt werden. Aufgrund der zueinander beabstandeten MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c können

Laufzeitunterschiede separat erfasst werden und es wird ein Sensor-Array geschaffen.

Der akustische Sensor 1 umfasst ferner eine Stützstruktur 3, welche mehrere Kanäle 4 aufweist und zwischen dem elektroakustischen Wandlerelement 2 und einer Umgebung des akustischen Sensors 1 angeordnet ist, in welche das akustische Signal ausgesendet wird oder aus welcher das akustische Signal empfangen wird. Die Stützstruktur 3 ist in dieser ersten Ausführungsform ein flächiges Element, welches parallel zu der Oberfläche der Leiterplatte 9 verläuft, auf welcher die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c angeordnet sind. Die Kanäle 4 der Stützstruktur 3 sind dabei in einem Bereich angeordnet, der oberhalb eines Bereiches der Leiterplatte 9 liegt, in welchem die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c angeordnet sind. Die Stützstruktur 3 wird dabei von einem Gehäuse 6 des akustischen Sensors 1 getragen. In dem in Figur 1 gezeigten Querschnitt durch den akustischen Sensor 1 sind vier Kanäle 4 der Stützstruktur 3 erkenntlich. Werden die MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c dazu angeregt, das akustische Signal abzugeben, so wird dieses von den MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c ausgehend in die Richtung der Stützstruktur 3 ausgesendet. Der akustische Sensor 1 umfasst ferner ein Trennelement 5, welches durchlässig für das akustische Signal ist und die Kanäle der Stützstruktur 3 verschließt. Das Trennelement 5 weist gegenüber der Stützstruktur eine höhere Durchlässigkeit für das akustische Signal auf. Eine höhere Durchlässigkeit bedeutet dabei, dass eine akustische Impedanz der Stützstruktur 3 größer ist als eine akustische

Impedanz des Trennelementes 5. Dies wird in dieser ersten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die Stützstruktur dicker ist als das Trennelement 5, wenn diese in dem in Figur 1 gezeigten Querschnitt betrachtet werden. Die Stützstruktur 3 weist eine höhere mechanische Stabilität als das

Trennelement gegenüber mechanischen Einflüssen auf, welche auf den akustischen Sensor 1 aus der Umgebung des akustischen Sensors 1 einwirken können. Das Trennelement 5 ist in dieser ersten Ausführungsform eine flexible Folie, welche die Stützstruktur 3 auf der den MEMS-Sensoren 2a, 2b, 2c abgewandten Seite überspannt. Das Trennelement 5 ist in einem Bereich der Stützstruktur 3 angeordnet, in dem auch die mehreren Kanäle 4 angeordnet sind. Das

Trennelement 5 ist mit der Stützstruktur 3 verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt.

Der akustische Sensor 1 umfasst ferner ein luftdurchlässiges Schutzelement 10, welches aus einer der Stützstruktur 3 abgewandten Seite des Trennelementes 5 angeordnet ist und das Trennelement 5 überspannt. Das Schutzelement 10 ist in dieser ersten Ausführungsform ein flächiges Element, welches zahlreiche

Durchgangsöffnungen aufweist. In dieser ersten Ausführungsform ist das Schutzelement 10 ein Blech, in welches zahlreiche Öffnungen eingestanzt sind. Das Blech ist an seinem äußeren Rand zumindest stellenweise mit der

Stützstruktur 3 verbunden. Dabei ist das Schutzelement 10 derart mit der Stützstruktur 3 verbunden, dass dieses unter einer mechanischen Spannung steht und es zu einer Wölbung des Schutzelementes 10 kommt. Somit wird zwischen dem Trennelement 5 und dem Schutzelement 10 ein Abstand geschaffen. Wird das Trennelement 5 durch das akustische Signal zu einer Schwingung angeregt, so kollidiert das Trennelement 5 nicht mit dem

Schutzelement 10. Es ergibt sich somit, dass das luftdurchlässige Schutzelement

10 das Trennelement 5 derart überspannt, dass zwischen dem Schutzelement und dem Trennelement 5 ein Abstand besteht, der ein Schwingen des Trennelementes in Richtung des Schutzelementes 10 bei einer durch das akustische Signal verursachten Schwingung ermöglicht.

Da das Schutzelement 10 die zuvor beschriebenen Öffnungen aufweist, ist dieses luftdurchlässig. Das Trennelement 5 liegt zwischen dem Schutzelement

10 und der Stützstruktur 3. Es ergibt sich, dass der akustische Sensor 1 in der gezeigten ersten Ausführungsform ein luftdurchlässiges Schutzelement 10 umfasst, wobei die Stützstruktur 3 auf einer ersten Seite des Trennelementes 5 angeordnet ist und das Schutzelement 10 auf einer zweiten Seite des

Trennelementes 5 angeordnet ist. Das luftdurchlässiges Schutzelement 10 ist dabei auf der Seite des Trennelementes angeordnet, die auf Seiten der

Umgebung des akustischen Sensors 1 liegt und von dem Wandlerelement 2 abgewandt ist.

Jeder der Kanäle 4 der Stützstruktur 3 weist auf der in Richtung des

Trennelementes 5 gelegenen Seite der Stützstruktur 3 einen Durchmesser auf, der mit steigendem Abstand von der Oberfläche der Stützstruktur 3 kleiner wird. Somit weisen die Kanäle 4 der Stützstruktur 3 jeweils eine Querschnittsänderung über eine Kanallänge der Kanäle 4 hinweg auf. Ein trichterförmiger Verlauf der Kanäle 4 bildet eine Ausnehmung 8, die einen Abstand schafft, um ein

Schwingen des Trennelementes 5 in Richtung der Stützstruktur bei einer durch das akustische Signal verursachten Schwingung zu ermöglichen. Eine dem Trennelement 5 abgewandte Seite der Stützstruktur weist möglichst große Trichter auf, die dem auszusendenden Schall einen möglichst geringen

Strömungswiderstand entgegensetzen, und diesen durch die Kanäle 4 leitet.

Optional wird das Trennelement und/oder das Schutzelement mit einer

Farbschicht beschichtet. In einer optionalen Ausführungsform, welche im Wesentlichen der ersten

Ausführungsform entspricht, ist zwischen dem Trennelement 5 und der

Stützstruktur 3 zumindest ein Dämpfungselement 7 angeordnet, welcher zumindest teilweise aus einem kompressiblen Material, insbesondere einem Schaumstoff geformt ist. Ein Ausschnitt des akustischen Sensors 1 in dieser optionalen Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt. Das Dämpfungselement 7 ist derart geformt, dass dieses sich passgenau in die Ausnehmung 8 der

Stützstruktur 3 einfügt. Das Dämpfungselement 7 ist aus einem Schaumstoff geformt, wie er beispielsweise bei Windschutzelementen für Mikrophone genutzt wird. In jedem der Kanäle 4 der Stützstruktur 3 ist ein entsprechendes

Dämpfungselement 7 angeordnet. Eine Steifigkeit des Dämpfungselementes 7 beziehungsweise eine Ausdehnung der Kanäle 4 und ein Ausmaß des Trennelementes 5 ist so gewählt, dass sie im Verhältnis zu der entsprechenden Größe der den Schall abstrahlenden Membran kleiner ist. Eine Tiefe der Ausnehmung 8 ist so gewählt, dass das Trennelement 5 zumindest den größten Zeitraum einer Schwingungsperiode nicht mit der Stützstruktur 3 im Bereich der Kanäle 4 kollidiert. Idealerweise wird die Tiefe so gewählt, dass das Trennelement 5 nie kollidiert, zum Beispiel ist die Tiefe 150% bis 200% so groß wie der im Bereich der Kanäle 4 auftretende maximale Schwingungshub der Luftsäule. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Stützstruktur 3 in einer alternativen

Ausführungsform. In dieser alternativen Ausführungsform weisen die Kanäle 4 der Stützstruktur 3 eine ovale Form auf. Somit weist jede der Kanäle 4 einen Querschnitt auf, der jeweils eine von dessen Höhe unterschiedliche Breite aufweist. Die Kanäle 4 sind gleichmäßig über eine Oberfläche der Stützstruktur 3 verteilt.

Figur 4 zeigt den akustischen Sensor 1 in einer zweiten Ausführungsform. Es ist ersichtlich, dass der akustische Sensor 1 in dieser zweiten Ausführungsform lediglich einen MEMS-Sensor 2 aufweist, welcher das elektroakustische

Wandlerelement 2 bildet. Das Gehäuse 6 des akustischen Sensors 1 ist derart geformt und gegenüber dem elektroakustischen Wandlerelement 2 angeordnet, dass dieses einen Trichter bildet, der auf das elektroakustische Wandlerelement 2 zuläuft. Die Stützstruktur 3 wird aus einem Gitter gebildet, welches die Öffnung des Gehäuses 6 überspannt. Entlang der in Richtung der Umgebung des akustischen Sensors 1 gelegenen Oberfläche der Stützstruktur 3 ist das

Dämpfungselement 7 angeordnet, welches in dieser zweiten Ausführungsform durch eine Schaumstoffschicht gebildet wird. Es sei erwähnt, dass anstelle einer Schaumstoffschicht auch jedes andere kompressible Material verwendet werden kann. Ein kompressibles Material ist ein Material, welches sich nach einer mechanischen Kompression wieder eigenständig in seine ursprüngliche Form ausdehnt. Das Trennelement 5 ist in dieser zweiten Ausführungsform eine Folie, welche das Dämpfungselement 7 auf der der Stützstruktur 3 abgewandten Seite überspannt. Das Dämpfungselement 7 ist somit zwischen der Stützstruktur 3 und dem Trennelement 5 eingeschlossen. Wird der elektroakustische Wandler 2 dazu angeregt, das akustische Signal abzugeben, tritt dieses durch die Kanäle 4 der

Stützstruktur 3 aus und durchläuft das Dämpfungselement 7. Das Trennelement 5 wird zu einer Schwingung angeregt. Dies ist unter anderem deswegen möglich, da das Trennelement 5 aufgrund des kompressiblen Dämpfungselementes 7 eine Bewegungsfreiheit in Richtung der Stützstruktur 3 aufweist.

In allen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn das elektroakustische

Wandlerelement 2 von einem Gehäuse 6 umschlossen ist, wobei die

Stützstruktur 3 und das Trennelement 5 eine akustische Öffnung in dem

Gehäuse 6 bilden und das Gehäuse 6 ferner eine Druckausgleichsöffnung umfasst, die einen Gasaustausch zwischen einem Innenbereich des Gehäuses 6 und der Umgebung des akustischen Sensors 1 ermöglicht. Mit anderen Worten ist es also vorteilhaft, dass der akustische Sensor 1 ein Gehäuse 6 umfasst, welches eine Kavität aufweist, in welcher das elektroakustische Wandlerelement 2 angeordnet ist, wobei die Stützstruktur 3 und das Trennelement 5 die Kavität verschließen und das Gehäuse 6 eine Druckausgleichsöffnung aufweist.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Druckausgleichsöffnung, welche durch einen Kanal 1 1 gebildet wird. Der Kanal 1 1 verbindet den zwischen dem Trennelement 5 und dem elektroakustischen Wandlerelement 2 gelegenen Hohlraum mit einer Umgebung des akustischen Sensors 1. Der Kanal 11 führt dabei zu einer auf einer Rückseite des akustischen Sensors 1 gelegenen Umgebung des akustischen Sensors 1. Dies ist vorteilhaft, da diese Seite bei einem Verbau des akustischen Sensors 1 zumeist derart angeordnet werden kann, dass diese geringeren Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Der Kanal 1 1 ist optional mit einem Ventil versehen, welche einen Stofftransport in den akustischen Sensor 1 hinein erschwert. Bevorzugt ist der Kanal 1 1 derart angeordnet, dass ein Austritt von Stoffen aus dem Sensor von der Schwerkraft unterstützt wird.

Die Stützstruktur 3 ist aus einem schallharten Material gebildet, welche insbesondere formschlüssig mit dem Gehäuse 6 des akustischen Sensors 1 abschließt. So kann die Stützstruktur und/oder das Gehäuse 6 die circa 2 mm bis 4 mm dicke Haut eines Stoßfängers oder eines anderen Karosserieteiles, sein. Die Kanäle 4 der Stützstruktur 3 werden beispielsweise durch Stanzen oder durch Schneiden mittels eines Lasers in die Stützstruktur 3 eingebracht.

Insbesondere durch einen Laser können besonders viele kleine Kanäle 4 in die Stützstruktur eingebracht werden.

Durch die Verwendung mehrerer kleiner Kanäle 4 bekommt das Trennelement 5 im Falle von Kräften aus der Sichtseite, zum Beispiel in Form stumpfer Stöße beziehungsweise Steinschläge, bespritzen mit Hochdruckreinigern oder ähnlichen, eine höhere Stabilität, als wenn lediglich eine Membran über eine Öffnung des akustischen Sensors gespannt wäre. Andererseits wirkt natürlich jede, eine Luftschwingung durch das starre Material der Stützstruktur 3 begrenzende Innenflächen als eine verlustbringende Strömungsbremse. Um einen besonders effizienten Kompromiss zwischen Verlustminimierung und mechanischem Schutz zu erreichen, wird ein Öffnungsmaß der Kanäle 4 von circa 1 mm als vorteilhaft betrachtet. Aber auch Öffnungsmaße im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm sind vorteilhaft. Die Form der Kanäle 4, insbesondere deren Querschnitt, kann beliebig gestaltet werden.