Schallwandler-Arrav mit breitbandigen Empfangselementen

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten mit wenigstens einem Sendeelement und wenigstens einem

Empfangselement, wobei Empfangselement und Sendeelement funktional voneinander getrennt sind.

Stand der Technik

Ultraschallsensorsysteme zur Lokalisierung von Objekten im Fahrzeugumfeld bestehen aus mehreren einzelnen am Fahrzeug verteilt angeordneten

Ultraschallwandlern. Diese Ultraschallwandler übernehmen sowohl die Funktion des Ultraschallsenders als auch die des Ultraschallempfängers. Sie sind als sogenannte Biegewandlerelemente realisiert. Das Design der

Biegewandlerelemente erfolgt auf die Art und Weise, dass die zur Erzeugung und Detektion des Ultraschallsignals genutzte Schwingungsmode der

Mittenfrequenz des Ultraschallsystems entspricht. Eine Frequenzverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Ultraschallsignal, wie sie durch eine Relativbewegung zwischen dem Sensorsystem und dem reflektierenden Objekt aufgrund des Dopplereffekts entsteht, kann nur bis zu einer begrenzten

Relativgeschwindigkeit innerhalb der Frequenzbandbreite der Wandlerelemente ermittelt werden. Diese Frequenzbandbreite kann durch Dämpfungsmaßnahmen erhöht werden. Das reduziert allerdings die Empfindlichkeit des Gesamtsystems. Mit solchen Ultraschallsystemen kann über eine Laufzeitmessung eine

Abstandsermittlung von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs erfolgen. Eine Erweiterung der Funktionalität ergibt sich beim Einsatz der sogenannten Array- Technologie. Hier sind mehrere Ultraschallwandlerelemente im Verbund angeordnet und ermöglichen über die Berücksichtigung unterschiedlicher Phasenlagen der Empfangssignale an den einzelnen Elementen auch die Bestimmung der Richtungsinformation von Objekten.

In der Schrift EP 1231 481 A2 ist ein Ultraschallmultisensor-Array für

Einparkhilfen beschrieben, das Sende- und Empfangseinheiten umfasst. Dabei werden die Trägersignale für die einzelnen, zeitgleich betriebenen

Sendeeinheiten unterschiedlich frequenzmoduliert und mit weiteren Mitteln durch die Empfangseinheit decodiert.

Aus der Schrift DE 10 2011 077 352 AI ist eine Sensoranordnung für ein

Fahrzeug bekannt, die zumindest ein Sendeelement und wenigstens ein von dem zumindest einen Sendeelement funktional getrenntes Empfangselement aufweist. Insbesondere sind das Sendeelement und das Empfangselement als Dickenschwinger ausgelegt. Durch die funktionale Trennung des Sende- und des Empfangselementes ist eine unterschiedliche Verschaltung der beiden

Empfangselemente besonders einfach zu realisieren.

Offenbarung der Erfindung

Das Sensorsystem eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, weist wenigstens ein Sendeelement auf, wobei das wenigstens eine Sendeelement eine Bandbreite mit einer

Sendefrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale mit der Sendefrequenz auszusenden. Desweiteren weist das Sensorelement ein von dem wenigstens einen Sendeelement funktional getrenntes Empfangselement auf, wobei das wenigstens eine Empfangselement eine Bandbreite mit einer Mittenfrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale zu empfangen, die an den das Fahrzeug umgebenden Objekten reflektiert werden. Erfindungsgemäß ist die Bandbreite des Empfangselements größer als die Bandbreite des Sendeelements.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist, dass das Sendelement und das Empfangselement funktional voneinander getrennt sind und somit eine optimale schwingungsmechanische Auslegung des Sende- und

Empfangselements vorliegt. Insbesondere können die genutzten Frequenzbandbreiten unabhängig voneinander auf die Sende- bzw.

Empfangsfunktion hin optimiert werden, was bei einem einzigen Sensorelement, das im Sende- und Empfangsbetrieb arbeitet nicht möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements gleich der Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements sein oder sich in einer vorteilhaften Ausführungsform von dieser um einen bestimmten Frequenzbetrag unterscheiden, insbesondere um mindestens 500 Hz.

Vorteilhaft an dem Unterschied von mindestens 500 Hz zwischen Sendefrequenz des Sendeelements und Mittenfrequenz des Empfangselementes ist, dass sich die Empfindlichkeit des Empfangssystems bei einer Relativbewegung des Fahrzeuges zu umgebenden Objekten verbessert, da die Verschiebung der Sendefrequenz das durch die Dopplerverschiebung entstehende Empfangssignal in den optimalen Frequenzbereich des Empfangselements transferiert.

In einer Weiterbildung weist die Sendefrequenz des wenigstens einen

Sendelements eine Differenz zur Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements im Bereich von 500 Hz - 20 kHz auf.

In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements der Resonanzfrequenz des wenigstens einen

Sendeelements.

Der Vorteil hierbei ist, dass die Reichweite des Systems erhöht wird. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass das Sendeelement mit hoher Güte und damit mit einem erhöhten Schalldruck abgestrahlt wird. Somit ergibt sich ein energieeffizienter Betrieb.

In einer Weiterbildung ist die Sendefrequenz des wenigstens einen

Sendeelements kleiner als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Objekte, die sich auf das Fahrzeug zubewegen vom Sensorsystem besser ausgewertet werden können.

In einer Weiterbildung ist die Sendefrequenz des wenigstens einen

Sendeelements größer als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Objekte, die sich vom Fahrzeug entfernen vom Sensorsystem besser ausgewertet werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das wenigstens eine Empfangselement eine relative Bandbreite von mehr als 10 auf.

In einer Weiterbildung ist das wenigstens eine Empfangselement ein

Dickenschwinger.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Sendeelement ein Biegeschwinger.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und den beschriebenen Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter

Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur la eine Sensoranordnung mit einem Sendelement und mehreren

Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind,

Figur lb eine Sensoranordnung mit zwei Sendeelementen und mehreren

Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind, Figur lc eine Sensoranordnung mit einem Sendeelement und mehreren Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind und sich das Sendeelement innerhalb des Arrays befindet,

Figur 2a Frequenzverläufe des Sendeelements und der

Empfangselemente zur Erläuterung von Begrifflichkeiten und

Figur 2b Frequenzverläufe des Sendeelements und der

Empfangselemente bei Verwendung der Sensoranwendu Umfelderfassung eines Fahrzeugs.

Figur la zeigt eine Sensoranordnung 1 zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs mit einem Sendelement 2 und mehreren Empfangselementen 3. Die

Empfangselemente 3 sind geometrisch in einem Array 4 angeordnet. Sowohl das Sendeelement 2, als auch die Empfangselemente 3 befinden sich auf derselben Trägerstruktur 5. Die Sensoranordnung 1 ist dabei nicht auf ein Sendeelement 2 beschränkt.

In Figur lb ist eine weitere Sensoranordnung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs gezeigt. Sie umfasst zwei Sendeelemente 2, die mit einem vertikalen Versatz zueinander auf einer Linie angeordnet sind und unterschiedliche geometrische Abmessungen aufweisen. Des Weiteren weist die

Sensoranordnung ein Array 4 mit mehreren Empfangselementen 3 auf.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Sendeelemente 2 einen horizontalen Versatz zueinander aufweisen.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können mehrere Sendeelemente 2 vorhanden sein, die horizontal und vertikal zueinander versetzt angeordnet sind.

Die Sendeelemente 2 befinden sich auf einer Trägerstruktur 7 und das Array 4 auf einer anderen Trägerstruktur 6. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die Sendeelemente 2 und das Array 4 auf einer gemeinsamen Trägerstruktur.

Figur lc zeigt eine weitere Sensoranordnung zur Umfelderfassung eines

Fahrzeugs mit einem Sendeelement 2 und mehreren Empfangselementen 3. Die Empfangselemente 3 sind geometrisch in einem Array 4 angeordnet und das Sendeelement 2 befindet sich innerhalb des Arrays 4. Das Sendeelement 2 ist im gezeigten Beispiel zentral in der Mitte angeordnet und von mehreren

Empfangselementen umgeben. Das Sendeelement 2 kann sich aber auch außerhalb der Mitte des Arrays 4 befinden. In beiden Fällen befinden sich das Sendeelement 2 und die Empfangselemente 3 auf derselben Trägerplatte. Diese Sensoranordnung kann auch mehrere Sendeelemente 2 aufweisen.

Als Trägerstruktur können entweder feste oder flexible Trägerplatten verwendet werden.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Sendeelement 2 als Biegewandler realisiert. Der Biegewandler umfasst eine Metallmembran, die an den kurzen Seiten der Metallmembran eingespannt ist. Unterhalb der Membran ist ein piezoelektrisches Element angebracht, beispielsweise eine Piezokeramik. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Piezokeramik wird im Sendeelement 2 ein sogenannter Biegemode angeregt. In diesem Biegemode wird das

Sendeelement 2 senkrecht zu seiner Einspannung ausgelenkt.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Biegewandlerelement eine

Querabmessung von einigen Millimetern auf. Die Dicke der Metallmembran ist kleiner als ein Millimeter. Die Piezokeramik weist ebenfalls eine Dicke kleiner als einen Millimeter auf.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Empfangselemente als Dickenschwinger realisiert. Die Dickenschwinger basieren auf dünnschichtigen Folienwandlern. Es handelt sich dabei um ein- oder mehrschichtige Wandler aus Polymerfolien, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder auch geschäumte oder anderweitig mit Hohlräumen versehene Strukturen, beispielsweise aus

Polypropylen, mit metallisierten Elektroden. Das Funktionsprinzip basiert dabei entweder auf einem piezoelektrischen Verhalten der Polymerschichten, da diese durch das Einbringen elektrischer Ladungen ein piezoelektrisches Verhalten annehmen können oder auf einem elektrostatischen Prinzip, bei dem die Polymerschichten lediglich als Elektret bzw. Abstandshalter zwischen zwei Elektrodenflächen wirken. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die

Elektroden der Folienwandler wird in den Empfangselementen ein Mode angeregt, der die Dicke der Polymerschicht verändert.

In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der einzelnen Polymerschichten einige Mikrometer, im Wesentlichen 150 μηι.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung wird im Wesentlichen zur Bestimmung des Abstandes und der Relativgeschwindigkeit eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs verwendet. Mit Hilfe der Sensoranordnung kann zusätzlich die Position des Objekts bestimmt werden. Von besonderer Bedeutung sind dabei Objekte, die sich auf das Fahrzeug zubewegen, da diese eine potentielle Gefahr für eine Kollision mit dem Fahrzeug darstellen. Die Sensoranordnung findet nicht nur Anwendung im automobilen Umfeld, sondern auch in autonomen Systemen wie Robotern oder Arbeitsmaschinen, beispielsweise Gabelstapler.

Zur Erläuterung der im Folgenden verwendeten Begrifflichkeiten zeigt Figur 2a die Frequenzverläufe des Sendeelements und der Empfangselemente. Die Frequenz fO beschreibt dabei in diesem Beispiel sowohl die Mittenfrequenz der Empfangselemente als auch die Mittenfrequenz des Sendeelements, da die Mittenfrequenzen zu Erläuterungszwecken den gleichen Wert aufweisen. Im Weiteren wird die Mittenfrequenz fO anhand der Empfangselemente erläutert. Die Mittenfrequenz fO ist das geometrische Mittel zwischen der unteren und der oberen Grenzfrequenz des Frequenzbandes 8 in dem die Empfangselemente ein Ultraschallsignal empfangen können. Die absolute Bandbreite der

Empfangselemente ergibt sich aus einer Differenz der oberen und der unteren Grenzfrequenz.

Die absolute Bandbreite der Empfangselemente der Sensoranordnung ist anwendungsbedingt größer als die absolute Bandbreite des Sendeelements der Sensoranordnung. Der Grund dafür ist, dass das Sendeelement im Wesentlichen mit einer Sendefrequenz fl betrieben wird, die seiner Resonanzfrequenz entspricht und somit die gesamte Sendeleistung auf ein schmales Frequenzband 9 verteilt ist. Dadurch weist die Sensoranordnung eine hohe Sendeleistung auf. Die Empfangselemente der Sensoranordnung sind in einem Ausführungsbeispiel passiv, d. h. sie empfangen Signale in einem Frequenzband 8. In einem weiteren

Ausführungsbeispiel sind die Empfangselemente aktiv, d. h. es findet ein

Frequenzsweep in einem Frequenzband 8 statt und sobald ein Empfangssignal auftritt, das einer Frequenz aus dem Frequenzsweep entspricht, ergibt sich eine Schwingung, die erfasst wird. Die Empfangselemente weisen prinzipbedingt einen breitbandigen Charakter auf.

Figur 2b zeigt die Frequenzverläufe des Sendeelements und der

Empfangselemente wie sie zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit eines Objekts gemäß der Erfindung in der Umgebung eines Fahrzeugs verwendet werden. Wie bereits erwähnt, sind die Objekte von besonderer Bedeutung, die sich auf das Fahrzeug zubewegen. Die Relativgeschwindigkeit des Objekts wird mit Hilfe der Dopplerverschiebung bestimmt. Aufgrund der Tatsache, dass sich Fahrzeug und Objekt aufeinander zubewegen, kommt es durch den

Dopplereffekt zu einer Verschiebung der Frequenz des Empfangssignals zu höheren Frequenzen. Daher befindet sich die Sendefrequenz fl des

Sendeelements vorzugsweise unterhalb der Mittenfrequenz fO der

Empfangselemente, damit die Verschiebung der Frequenz des Empfangssignals im Frequenzband 8 der Empfangselemente liegt. Je höher die Differenz zwischen Sendefrequenz fl des Sendeelements und Mittenfrequenz fO der Empfangselemente, desto höhere Relativgeschwindigkeiten können ermittelt werden.

In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Mittenfrequenz fO des

Empfangselements ungefähr 50 kHz. In einem Ausführungsbeispiel weist die Sendefrequenz fl eine Differenz zu dieser Mittenfrequenz fO von bis zur Hälfte dieser Mittenfrequenz fO auf, im vorliegenden Beispiel 25 kHz, sodass sich die Sendefrequenz noch im Frequenzband des Empfangselements befindet.

Vorzugsweise umfasst die Differenz einen Bereich von 1 - 20 kHz. In einem Ausführungsbeispiel weist die Sendefrequenz eine Differenz zu dieser Mittenfrequenz fO von mehr als der Hälfte dieser Mittenfrequenz fO auf, im vorliegenden Beispiel mehr als 25 kHz, sodass sich die Sendefrequenz fl außerhalb des Frequenzband des Empfangselements befindet. Dadurch können höhere Relativgeschwindigkeiten gemessen werden, da das Empfangssignal durch die Dopplerverschiebung in den optimalen Frequenzbereich der

Empfangselemente verschoben wird und sich durch die Verschiebung nicht schon außerhalb des Frequenzbandes der Empfangselemente befindet, wie es der Fall wäre, wenn die Sendefrequenz fl größer wäre.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Sendefrequenz fl größer als die

Mittenfrequenz fO. Durch die Verschiebung der Sendefrequenz zu höheren Frequenzen, können Objekte, die sich vom Fahrzeug wegbewegen vom

Sensorsystem 1 besser erfasst werden, denn die Frequenz des Empfangssignals wird aufgrund des Dopplereffekts zu tieferen Frequenzen verschoben. Dies ist vor allem bei autonomen Systemen wie beispielsweise bei Robotern wichtig, da neben den sich annähernden auch die sich entfernenden Objekte erfasst werden sollen.

In einem Ausführungsbeispiel sind zwei Sendeelemente vorhanden. Die

Bandbreite der Sendeelemente und die Bandbreite der Empfangselemente sind aufeinander abgestimmt. Ein Sendeelement weist eine Sendefrequenz fl innerhalb des Frequenzbands der Mittenfrequenz fO des Empfangsarrays auf und das andere Sendeelement eine Sendefrequenz fl außerhalb des Frequenzbands der Mittenfrequenz fO des Empfangsarrays. Die Sendesignale sind

beispielsweise frequenzmoduliert oder pulsmoduliert. Auf diese Weise können verschiedene Relativgeschwindigkeiten verschiedener Objekte gleichzeitig erfasst werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Empfangsarray eine relative Bandbreite von mehr als 10% auf. Die relative Bandbreite ergibt sich dabei aus dem

Verhältnis der Bandbreite zur Mittenfrequenz fO.