Fortbewegungsmittel und Wandleranordnung zum Aussenden und/oder

Empfangen von akustischen Signalen an einem Fortbewegungsmittel

Stand der Technik

Der heute übliche Aufbau von Elektro-Akustik-Wandlern zur

Ultraschallumfeldvermessung im KFZ ist in der Literatur sehr umfangreich beschrieben. Häufig ist dabei ein piezoelektrischer Elektro-Akustik-Wandler in einem separaten zumeist topfförmigen Gebilde auf dessen Bodenfläche aufgeklebt. Die Bodenfläche bildet zusammen mit dem Elektro-Akustik-Wandler und der Verklebung zwischen Beiden die schallabstrahlende bzw.

schallempfangende Membran. Mit viel Aufwand wird heutzutage verhindert, dass durch Seitenwandschwingungen Schall unkontrolliert in seitliche, neben dem Wandler befindliche Bauteile gelangt bzw. umgekehrt, von diesen Bauteilen in den empfangenden Wandler eingekoppelt wird. Dazu wird der Elektro-Akustik- Wandler auf seiner Rückseite mit schalldämmendem Material belegt und man ist bestrebt, in die Seitenwand des Topfes möglichst wenig Schall einzukoppeln. Darüber hinaus werden die Seitenteile des Topfes mit Mitteln wie z.B.

Entkopplungsringen gedämpft, um zu verhindern, dass Schall in benachbarte Bauteile einkoppelt bzw. von dort in den Wandler eingekoppelt wird. Solche Topfaufbauten sind nicht besonders flach, sondern meist über 10 mm hoch. Das schränkt ihre Verwendung in unterschiedlichen Umgebungen und Designs stark ein.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wandleranordnung zu entwerfen, mit welcher eine sehr geringe Bauhöhe ermöglicht wird.

Offenbarung der Erfindung Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine

Wandleranordnung zum Aussenden und/oder Empfangen von akustischen Signalen an einem Fortbewegungsmittel gelöst. Die akustischen Signale können beispielsweise im Ultraschallfrequenzbereich liegen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (PKW, Motorrad, Transporter, LKW, etc.) sein. Die Wandleranordnung umfasst ein Chassis, welches auch als „Grundträger" der Wandleranordnung aufgefasst werden kann. Das Chassis kann Bestandteil einer Außenhaut des Fortbewegungsmittels sein. Eine

Membran ist dazu vorgesehen, die mechanischen Schwingungen eines ebenfalls vorgesehenen Elektro-Akustik-Wandlers an das Luftschallfeld anzukoppeln. Der

Elektro-Akustik-Wandler kann beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler sein. Erfindungsgemäß weist das Chassis eine Kavität auf, welche die Schwingungen der Membran in eine Richtung entgegengesetzt der Schallabstrahlrichtung ermöglicht. Die Membran schließt die Kavität in Schallabstrahlrichtung ab. Die Kavität ist also in Schallabstrahlrichtung durch die Membran„verdeckt". Der

Elektro-Akustik-Wandler ist mit der Membran verbunden, so dass an ihm angelegte elektrische Signale die Membran zu Schwingungen anregen. Der Elektro-Akustik-Wandler kann beispielsweise innerhalb eines von der Kavität und der Membran abgeschlossenen Volumens angeordnet sein. Das Chassis kann akustisch dicht ausgeführt sein, wodurch eine Einkopplung von Schall in umliegende Strukturen weitgehend vermieden wird. Dies schließt nicht aus, dass eine Öffnung zur Ermöglichung eines Ausgleichs statischer Fluiddrücke (z.B. als Bohrung im Chassis) vorgesehen ist, um den Arbeitspunkt der

Wandleranordnung gegenüber Luftdruckschwankungen zu stabilisieren. Der vorstehend genannte Aufbau ermöglicht eine geringe Bauhöhe der

Wandleranordnung in Schallausbreitungsrichtung, wodurch diese in Produkten mit stark begrenztem Bauraum verwendet werden kann.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Bevorzugt kann der Elektro-Akustik-Wandler flächig mit der Membran verbunden sein. Beispielsweise kann er eine Klebeverbindung zur Membran aufweisen, wodurch er eingerichtet ist, im Ansprechen auf angelegte elektrische Signale eine Biegung der Membran herbeizuführen, indem die elektrischen Signale eine Dilatation/Kontraktion des Elektro-Akustik-Wandlers bewirken. Auf diese Weise kann ein höherer Schallfluss erzeugt werden, als wenn die Kontraktion/Dilatation des Elektro-Akustik-Wandlers selbst den Hub der Membran begrenzt. Der Elektro-Akustik-Wandler kann eine Piezokeramik und/oder einen

Elektretwandler und/oder einen Piezoelektretwandler umfassen. Insbesondere kann der Elektro-Akustik-Wandler im Wesentlichen aus einem der vorgenannten Bauteile bestehen (selbstverständlich exklusive etwaiger elektrischer

Anschlüsse). Auf diese Weise kann eine besonders geringe Abmessung der Wandleranordnung erzielt werden.

Bevorzugt kann die Kavität in eine Oberfläche des Fortbewegungsmittels eingeformt sein. Beispielsweise bieten sich Kunststoffstrukturen nach Art eines Stoßfängers hierfür besonders an. Hierbei kann die Kavität als Positivform im Zuge eines Spritzgussverfahrens vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Kavität durch einen Stanzvorgang in die (spätere) Oberfläche des Fortbewegungsmittels eingeformt werden. Hierbei können auch Positionierhilfen für eine exakte Positionierung der Membran und/oder des Elektro-Akustik- Wandlers vorgesehen werden.

Bevorzugt kann die Kavität einen Dämmstoff enthalten, welcher eingerichtet ist, durch Fluidreibung und/oder Kontakt mit der Membran und/oder dem Elektro- Akustik-Wandler Schwingungsenergie zu dissipieren. Beispielsweise kann der Dämmstoff einen offenporigen Schaumstoff aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Flies- und/oder Gewebematerial vorgesehen sein, um innerhalb der Kavität befindliches Fluid bzw. dessen Strömung zu behindern. Auf diese Weise kann ein unnötig langes Ausschwingen der Membran bzw. des Elektro-Akustik- Wandlers vermieden werden und die Totzeit zwischen zwei Messzyklen kann verringert werden.

Die Membran und der Bodenbereich der Kavität können im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dies verringert bei festgehaltenem Volumen der Kavität die erforderliche Bauhöhe der Wandleranordnung.

Die Membran und der Bodenbereich der Kavität können einen Abstand von kleiner 10 mm, insbesondere in einem Bereich von 2 mm bis 6 mm zueinander aufweisen.

Der Bodenbereich der Kavität kann bezüglich der Membran unterschiedliche Abstände aufweisen. Mit anderen Worten kann der Bodenbereich unterschiedliche Sektionen aufweisen, welche in Richtung der Membran unterschiedlich stark hervorstehend ausgestaltet sind. Auf diese Weise kann der Frequenzgang des Elektro-Akustik-Wandlers ebenso wie seine

Richtcharakteristik gezielt beeinflusst werden. Die Kavität zwischen der Membran und dem Chassis kann in einer Richtung senkrecht zur

Schallausbreitungsrichtung eine Erstreckung aufweisen, welche mindestens doppelt zu groß wie eine entsprechende in Richtung der Hauptschallabstrahlung orientierte Erstreckung ist. Auf diese Weise kann die Bauhöhe in

Schallabstrahlrichtung weiter verringert werden, während die Querstreckung einen technisch erforderlichen Schallfluss ermöglicht.

Die Kavität kann beispielsweise eine Breite (im Falle einer kreisrunden

Wandleranordnung auch„Durchmesser") zwischen 4 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 6 mm und 16 mm aufweisen. Die Breite ist also als Erstreckung in einer Richtung quer zur Richtung der Hauptrichtung der

Schallabstrahlung zu verstehen. Die vorgenannten Abmessungen lassen sich dennoch unproblematisch in die Strukturen heutzutage üblicher Stoßfänger integrieren. Der Elektro-Akustik-Wandler kann beispielsweise in einem Randbereich auf dem

Chassis aufliegen und insbesondere in das Chassis eingespannt sein. Mit anderen Worten umläuft eine Struktur des Chassis den Randbereich des Elektro- Akustik-Wandlers, so dass bereits ohne das Anliegen eines elektrischen Signals am Elektro-Akustik-Wandler derselbe durch das Chassis in einer Richtung quer zur Richtung der Hauptschallabstrahlung komprimiert wird. Auf diese Weise kann ein den Elektro-Akustik-Wandler verbreiterndes elektrisches Signal rascher und stärker eine Wölbung des Elektro-Akustik-Wandlers bzw. der mit ihm

gekoppelten Membran bewirken und höhere Schalldrücke erzeugen bzw. eine höhere Empfindlichkeit im Falle eintreffender Schallsignale bewirken.

Im Randbereich kann der Elektro-Akustik-Wandler bevorzugt in das Chassis eingeklebt sein. Hierzu kann das Chassis im Randbereich einen Sims aufweisen, auf welchem ein Randbereich des Elektro-Akustik-Wandlers aufliegt und verklebt ist. Dies ermöglicht eine fertigungstechnisch günstige und robuste Positionierung des Elektro-Akustik-Wandlers und gleichzeitig eine volumenoptimierte

Anordnung. Um die Möglichkeit der Membran zum Ausführen von Schwingungen im

Ansprechen auf Bewegungen des Elektro-Akustik-Wandlers zu begünstigen, kann ein (zentraler) schwingfähiger Bereich der Membran durch mindestens eine Verjüngung gegenüber einem vernachlässigbar schwingfähigen Bereich im Randbereich der Membran abgegrenzt sein. Solche Bereiche erhöhter Elastizität werden im Lautsprecherbau auch als„Sicke" bezeichnet und können

beispielsweise als Positivform im Zuge eines Spritzgussverfahrens zur

Herstellung der Membran vorgesehen werden und/oder durch ein

anschließendes materialabtragendes Verfahren vorgesehen werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein

Fortbewegungsmittel (z.B. ein PKW, ein Transporter, ein LKW, ein Motorrad, o.ä.) vorgeschlagen, welches ein System zur Umfelderkennung aufweist. Das System zur Umfelderkennung kann eine Wandleranordnung aufweisen, wie sie in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt im Detail beschrieben worden ist. Die Wandleranordnung kann zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale zur Detektion von Umgebungsobjekten eingerichtet sein. Insbesondere kann das Chassis der Wandleranordnung Bestandteil eines Stoßfängers des Fortbewegungsmittels sein. Auch andere Bereiche der

Außenhaut des Fortbewegungsmittels können durch die erfindungsgemäße

Wandleranordnung zur Ausführung der Umfelderkennung eingerichtet sein.

Selbstverständlich können erfindungsgemäß ausgestaltete Wandleranordnungen nach Art eines Arrays angeordnet und miteinander betrieben werden, so dass eine Richtwirkung für ausgesandten Schall erzielt oder eine richtungsselektive

Analyse aus der Umgebung empfangener Signale möglich sind.

Die elektrische Kontaktierung des Elektro-Akustik-Wandlers kann zumindest stellenweise durch ein Material erfolgen, welches in der Display-Technik als „Leitgummi" bezeichnet wird, durch welches starre elektrische Einheiten, wie die

Leiterzüge (Glas) Displays mit einer Leiterplatte verbunden werden können.

Das Chassis kann Leitungsführungen und/oder Bauelemente zur elektrischen Ansteuerung bzw. Auswertung der Signale des Elektro-Akustik-Wandlers enthalten. Beispielsweise kann eine Leiterplatte, insbesondere eine etwas dickere, akustisch relativ starre Platine vorgesehen sein, welche sich gut als Schallreflektor eignet. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist: eine schematische Übersicht über Komponenten eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wandleranordnung; eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Wandleranordnung; eine Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Wandleranordnung; eine Schnittdarstellung durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Wandleranordnung; und eine Schnittdarstellung durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Wandleranordnung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen PKW 10 als Fortbewegungsmittel, in dessen vorderem Stoßfänger 15 eine elektro-akustische Wandleranordnung 100 zur Erkennung eines Umgebungsobjektes 14 eingelassen ist. Die von der Wandleranordnung 100 ausgesandten Ultraschallsignale werden vom Umgebungsobjekt 14 reflektiert und hinsichtlich Laufzeit und Amplitude ausgewertet, um auf einen

Abstand des Umgebungsobjektes 14 vom PKW 10 schließen zu können.

Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wandleranordnung 100, in welcher ein Elektro-Akustik- Wandler 1 („Motor") flächig auf eine Membran 2 geklebt ist. Der zentrale Bereich der Membran 2, welcher den Elektro-Akustik-Wandler 1 aufweist, wird nach außen hin durch eine Sicke 9 in Form einer umlaufenden Verjüngung begrenzt. Der außerhalb der Sicke 9 befindliche und mit dem Chassis 5 verklebte Bereich der Membran 2 ist im Wesentlichen nicht schwingfähig. Im Gegensatz hierzu ist der zentrale Bereich der Membran 2 schwingfähig ausgeführt. Der Elektro- Akustik-Wandler 1 ist innerhalb einer Kavität 8 des Chassis 5 angeordnet, welche eine schallharte Kapselung der Rückseite der Membran 2 darstellt. Beim

Empfang akustischer Umgebungssignale können elektrische Signale über eine elektrische Anschlussleitung 7 vom Elektro-Akustik-Wandler 1 abgegriffen werden bzw. diesem zur Ausstrahlung von Schallereignissen zugeführt werden. In der Hauptrichtung P der Schallabstrahlung wird die Membran 2 von einer Lackschicht 6 überlagert, welchen die Membran 2 nicht nennenswert

schwingungstechnisch behindert. Die Membran 2 liegt auf einem die Kavität 8 umlaufenden Sims des Chassis 5 auf, so dass sich eine einfache und dauerhaft zuverlässige Positionierung der Membran 2 bzw. des Elektro-Akustik-Wandlers 1 ergibt.

Figur 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Wandleranordnung 100, bei welcher sich die relative Positionierung zwischen einem Boden der Kavität 8 innerhalb des Chassis 5 und dem Elektro-Akustik-Wandler 1 über

Stempelstrukturen 11 a, 11 b ergibt, welche im außerhalb der Sicke 9

angeordneten Bereich der Membran 2 ausgebildet sind und auf dem Boden der

Kavität 8 aufliegen. Rückseitig ist der Elektro-Akustik-Wandler 1 mit einem Dämmstoff 4 in Form eines offenporigen Schaumstoffs versehen, welcher für eine rasche Dissipation von Schallenergie in der Kavität 8 sorgt. Die

Stempelstrukturen 1 1a, 1 1 b können in die Kavität 8 eingepresst werden, sodass sich eine im Wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Schallabstrahlung P orientierte Vorspannung der Membran 2 ergibt. Der unterhalb des Elektro- Akustik-Wandlers 1 angeordnete Dämmstoff 4 kann optional zum Abdichten bzw. zum Verguss des Elektro-Akustik-Wandlers 1 gegenüber äußeren Einflüssen (Fluid und Partikel) verwendet werden. Zusammen mit einer optional durch die Stempelstrukturen 11 a, 11 b für die Anschlussleitung 7 des Elektro-Akustik-

Wandlers 1 dargestellten Zugentlastung entsteht so eine aufwandsarme und damit kostengünstige Konstruktion, die leicht montierbar ist.

Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher außerhalb der in Figur 3 gezeigten Stempelstrukturen 11 a, 11 b Rastnasen 12a, 12b vorgesehen sind, welche in Eingriff mit einer konkaven Flankengestalt der Kavität 8 des Chassis 5 korrespondieren. Auf diese Weise kann die Membran 2 in die Kavität 8 eingeklipst werden, wodurch sie auch ohne eine Verklebung oder während eines Aushärtevorgangs einer Verklebung an vordefinierter Stelle gehalten wird.

Figur 5 zeigt eine terrassenförmige Kavität 8 innerhalb des Chassis 5, wobei die Membran 2 in einem äußersten Terrassenbereich der Kavität 8 gelagert ist. In einem sich daran anschließenden, dem Zentrum der Kavität 8 zugewandten zweiten Terrassenbereich ist ein Klebstoff 13 aufgetragen, welcher für eine umlaufende Abdichtung zwischen dem Chassis 5 und der Membran 2 sorgt und die Membran 2 an Ort und Stelle hält. Ein zentraler Bereich der Kavität 8 weist einen im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Membran 2 bzw. des Elektro-

Akustik-Wandlers 1 orientierte Oberfläche mit maximalem Abstand auf, oberhalb welcher der Elektro-Akustik-Wandler 1 vollflächig mit der Membran 2 verbunden (verklebt) ist. In diesem Bereich weist der Boden der Kavität 8 einen Abstand von 4 mm zur Unterseite der Membran 2 auf. Der rücklaufende Schall kann am Chassis 5 reflektiert werden und wenn der Abstand ein Vielfaches von 3/2

Lambda ist, überlagert sich der rücklaufende Schall konstruktiv mit der

Membranbewegung. Bei über der Membranfläche verteilt unterschiedlichen Abständen zu reflektierenden Bereichen des Chassis 5 kann der Frequenzgang ebenso wie die Richtcharakteristik gezielt beeinflusst werden. Die Membran 2 kann in einer bevorzugten Ausführung mittels eines Klebstoffs 13 mit

schalldämmenden Eigenschaften zur Verminderung der Schallleitung in das Chassis 5 eingeklebt werden.

Bevorzugt wird die dargestellte Anordnung wie folgt in zwei Fertigungsschritten gefertigt: Im ersten Fertigungsschritt werden die dargestellten terrassenartigen

Bereiche der Kavität 8 erzeugt. Bei einem Chassis 5 aus Kunststoff kann dies beispielsweise durch Stempel-Pressen mittels eines konturierten Stempels erfolgen. Optional kann auch die Membraneinpassungskavität (der

Terrassenbereich, auf welchem die Membran 2 ruht) zumindest ansatzweise gestempelt werden. In einem zweiten Fertigungsschritt wird der Klebstoff 13 aufgetragen. Beim anschließenden Zusammenbringen von Membran 2 und Chassis 5 könnte ein Walzen oder großflächiges Andrücken zur Anwendung kommen. Durch die Auflage im Bereich der Membraneinpassung kann in einer bevorzugten Ausprägung das Höhenniveau der Membran 2 an das Höhenniveau des Chassis 5 angepasst werden, so dass die Oberfläche der Membran 2 und die Oberfläche des Chassis 5 eine Ebene ergeben, die mit bekannten Mitteln optional verspachtelt, geschliffen und/oder beschichtet (mit Folie und/oder einem Lack) werden kann. Bei entsprechender Beherrschung des Klebe- und Dichtprozesses kann auf die Membraneinpassungsfläche auch verzichtet werden, so dass der Sensoraufbau seitlich mit der Klebe- und Dicht-Kavität endet.