Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Abtastung eines Raumbereichs und / oder zur beruhrungslosen Abstandsmessung mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Senden von Ultraschallimpulsen und / oder Empfangen des Echos der Ultraschallimpulse und einer Einrichtung zum Konzentrieren der Energie der Ultraschallimpulse auf den abzu¬ tastenden Raumbereich bzw der Energie des Echos der Ultraschallimpulse auf den bzw die Ultraschallwandler

Ein Ultraschallsensor umfaßt z B wenigstens einen Ultraschallwandler, der elektri- sehe Energie in Schall und umgekehrt Schall in elektrische Energie überfuhrt, ein den oder die Ultraschallwandler umgebendes Gehäuse, einen elektrischen Anschluß und gegebenen¬ falls eine in das Gehäuse eingebaute elektronische Schaltung für die Signalaufarbeitung

Um einen Raumbereich abzutasten bzw den Abstand zwischen zwei Punkten zu mes¬ sen, wird herkommlicherweise ein Ultraschallsensor an einen geeigneten Punkt angebracht und auf den betreffenden Raumbereich, welcher abzutasten ist bzw in welchem sich ein zu erfassender Korper befindet, dessen Abstand von einem Bezugspunkt zu bestimmen ist, gerichtet Der Ultraschallsensor weist einen Ultraschallwandler auf, welcher Ultra¬ schallimpulse sendet und gegebenenfalls das Echo der von dem Korper reflektierten Ul¬ traschallimpulse empfangt Im Falle des Empfangs eines Echos kann mittels einer Auswer- teschaltung der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und dem in dem abgetasteten Raumbereich befindlichen Korper ermittelt werden (Echolaufzeitmessung) Anstelle eines Ultraschallwandlers können ebenso mehrere Ultraschallwandler verwendet werden, wobei die Funktion der jeweiligen Ultraschallwandler auf das Senden der Ultraschallimpulse bzw auf das Empfangen des Echos der Ultraschallimpulse beschrankt sein kann Ein Ultraschallsensor ist aus der DE 42 18 041 AI bekannt Ein Ultraschallsensor zur

Abstandsmessung weist wenigstens einen Ultraschallwandler zum Senden eines Schall- Arbeitsimpulses und zum Empfangen der Echos auf Der Ultraschallwandler ist von einer Schall-Umlenkflache umgeben, auf welche die Ultraschallimpulse des Ultraschall andlers gestrahlt werden In der Schallumlenkflache ist ein weiterer Ultraschallwandler unterge- bracht Dieser hat in Verbindung mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit die Aufgabe, die Ultraschallwandler auf ihre ordentliche Funktion hin zu überprüfen Bei der dort be-

schriebenen Schallumlenkflache wird das Schallfeld im wesentlichen nur umgelenkt, jedoch wird das Schallfeld nicht definiert geformt und gerichtet

Herkömmliche Ultraschallsensoren weisen für bestimmte Anwendungen den Nachteil auf, daß ihr Schallfeld rotationssymmetrisch ausgebildet ist Derartige Ultraschallsensoren werden z B in oder an den hinteren Stoßfanger von einem Personenkraftwagen montiert, um dem Fahrer beim Rückwärtsfahren mögliche Hindernisse hinter dem Fahrzeug anzu¬ zeigen Hierzu werden die Ultraschall sensoren in der Regel von einem zentralen Steuerge¬ rat angesteuert, welches die Sensoren ansteuert und die Echosignale auswertet Je nach gemessener Entfernung wird dem Fahrer ein optisches und / oder akustisches Signal gege- ben Die Ultraschallsensoren sollen den Bereich hinter dem Fahrzeug über die gesamte Fahrzeugbreite lückenlos bis zu einer Entfernung von z B 180 cm abtasten Da naturlich eine niedrige Bordsteinkante oder eine rauhe Straßendecke keine Signale liefern dürfen, sind wegen des rotationssymmetrischen Schallfeldes herkömmlicher Ultraschallsensoren eine Vielzahl von Ultraschallsensoren erforderlich Um eine möglichst gute Bodenfreiheit zu erhalten, mußten also viele Ultraschallsenso¬ ren mit möglichst schmalen Schallkeulen eingesetzt werden Dem stehen die hohen Kosten für die Ultraschallsensoren und der optische Gesamteindruck am Fahrzeug entgegen Heutige Losungen stellen einen Kompromiß aus lückenloser Abtastung mit ausreichender Bodenfreiheit und Anzahl der hierfür benotigten Ultraschallsensoren dar Um die Anforderungen an einer derartigen Parkhilfe - auch Rangier- Warneinrichtung genannt - zu definieren, wurde vom Deutschen Institut für Normung e V DIN ein Normentwurf für die Anwendung an Nutzfahrzeugen erarbeitet In dem Normentwurf DIN 75 031 vom Mai 1993 wurden insbesondere die Anforderungen an den zu überwa¬ chenden Raumbereich hinter einem Fahrzeug festgelegt Heute sind keine Ultraschallsen- soren am Markt verfügbar, die die dort beschriebenen Anforderungen erfüllen

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor mit definierter asymmetrischer Strahlungscharakteristik und eine Einrichtung zur Prüfung der ordentlichen Funktion der Ultraschallsensoren zu schaffen, sowie sinnvolle Verwendungen der Ultraschallsensoren vorzusehen Dabei sollen die Sende- und die Empfangscharakteristik scharfe Konturen aufweisen

Ebenso ist es erwünscht, daß das von dem Ultraschallsensor im Falle der Raumuberwa-

chung bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei der Außenraumüberwachung, emittierte Schallfeld derart ausgebildet ist, daß der Erfassungsbereich auf seiner der Bodenfläche zu¬ gekehrten Seite im wesentlichen parallel verläuft und genügend Bodenfreiheit ermöglicht Gleichfalls sollte der Ultraschallwandler klein in seinen Abmessungen sein, um einen Ein- bau in verschiedensten Örtlichkeiten zu ermöglichen, ohne daß wie herkömmlicherweise nennenswerte Umgestaltungen oder Anpassungen der Örtlichkeiten an den Ultraschallsen¬ sor erfolgen müssen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Hauptanspruchs sowie der nebengeordneten Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Abtastung eines Raumbereichs und / oder zur berührungslosen Abstandsmessung mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Senden von Ultraschallimpulsen und / oder Empfangen des Echos der Ultraschallimpulse und einer Einrichtung -zum Konzentrieren der Energie der Ultraschallimpulse auf den abzu- tastenden Raumbereich bzw der Energie des Echos der Ultraschallimpulse auf den bzw die Ultraschallwandler, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtung zum Konzentrieren der Energie der Ultraschallimpulse einen Reflektor mit reflektierender Oberfläche aufweist, die aus paraboloiden Flächen n-ter Ordnung, vorzugsweise zweiter Ordnung, ausgebildet ist Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahr¬ zeug, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kraftfahrzeug einen oder mehrere der erfin¬ dungsgemäßen Ultraschallsensoren aufweist

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auf die Verwendung der er¬ findungsgemäßen Ultraschallsensoren als Überwachungsvorrichtung in und / oder außer- halb von Räumlichkeiten von Kraft- oder Nutzfahrzeugen, insbesondere von Flurförder¬ fahrzeugen, und Gebäuden gerichtet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der er¬ findungsgemäßen Ultraschallsensoren als Trittbrettüberwachungsvorrichtung von Kraft- oder Nutzfahrzeugen, insbesondere Müllfahrzeugen, sowie als Überwachungsvorrichtung an Türen und Toren

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Es zeigen aufgrund einer zeichnerischen Vereinfachung in schematischer, stark vergrößerter Weise ohne Anspruch auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe Fig. 1 die perspektivische Darstellung des äußeren Segments des erfindungsgemaßen

Ultraschallsensors

Fig. 2 die schematische Draufsicht des inneren Segments des erfindungsgemaßen Ul¬ traschallsensors

Fig. 3 die schematische Seitenansicht des inneren Segments des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors

Fig. 4 die perspektivische Darstellung des inneren Segments des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors

Fig. 5 die perspektivische Darstellung des Mittelstucks des erfindungsgemaßen Ultra¬ schallsensors Fig. 6 die Draufsicht des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors mit zwei äußeren

Segmenten, einem inneren Segment und einem Ultraschal lwandler

Fig. 7 die perspektivische Darstellung des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors mit zwei äußeren Segmenten, einem inneren Segment und einem Ultraschallwandler

Fig. 8 die Draufsicht des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors mit zwei äußeren Segmenten, zwei inneren Segmenten, einem Mittelstuck und zwei Ultraschallwandlern

Fig. 9 die perspektivische Darstellung des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors mit zwei äußeren Segmenten, zwei inneren Segmenten, einem Mittelstuck und zwei Ultra¬ schallwandlern

Fig. 10 den horizontalen Erfassungsbereich des erfindungsgemaßen Ultraschallsen- sors, ausgemessen mit einem ca 150 cm langen Rohr mit einem Durchmesser von 7 cm

Fig. 11 den vertikalen Erfassungsbereich des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors, ausgemessen mit einem ca 150 cm langen Rohr mit einem Durchmesser von 7 cm

Fig. 12 die horizontalen Erfassungsbereiche von drei erfindungsgemaßen Ultraschall¬ sensors, positioniert für die rückwärtige Absicherung für ein 250 cm breites Fahrzeug, ausgemessen mit einem ca 150 cm langen Rohr mit einem Durchmesser von 7 cm sowie die Prufpunkte nach DIN-Entwurf 75 031 vom Mai 1993

FB Fahrzeugbreite 250 cm BF Bezugsebene Fahrzeugheck US erfindungsgemäßer Ultraschallsensor

EB erlaubter Bereich, in dem der Prüfkörper noch detekiert werden darf (siehe Normentwurf DIN 75 031 vom Mai 1993)

• Rasterposition des senkrecht stehenden Prüfkörpers

(ca 150 cm langes Rohr mit einem Durchmesser von 7 cm) nach DIN-Entwurf 75 031 vom Mai 1993 Fig. 13 Draufsicht, Seitenansicht und aAnsicht von hinten von einem Transporter, ausgestattet mit vier erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren für die Absicherung des rückwärtigen Fahrzeugbereichs in zwei Ebenen nach DIN-Entwurf 75 031 vom Mai 1993 A. Kollisionsbereich 700 mm B: Hauptwarnbereich 1800 mm C: Bezugsebene Fahrzeugheck Fig. 14 Beispiele für die Anbringung der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren an einem Personenkraftwagen zur Absicherung nach vorn, zur Seite und / oder nach hinten

Fig. 15 Beispiele für die Anbringung der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren an einem Personenkraftwagen zur Absicherung nach vorn, zur Seite und / oder nach hinten

Die Einrichtung zum Konzentrieren der Energie der Ultraschallimpulse ist bezüglich des Konzentrierens der Energie der Ultraschallimpulse auf einen abzutastenden Raumbe¬ reich bzw. der Energie des Echos der Ultraschallimpulse auf den bzw die Ultraschallwand¬ ler steuerbar. Durch Variation des Reflektors des Ultraschallsensors wird die Konzentrati¬ on der Energie der abgestrahlten sowie gegebenenfalls der von einem Körper reflektierten Ultraschallimpulse und damit u.U. die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors verändert Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor weist eine derartige asymmetrische Strahlung¬ scharakteristik auf, als das Schallfeld in horizontaler Ebene aufgespreizt und in vertikaler Ebene stark gebündelt wird

Die Einrichtung zum Konzentrieren der Energie der Ultraschallimpulse weist einen Reflektor auf, dessen reflektierende Oberfläche als paraboloide Fläche n-ter Ordnung, vor¬ zugsweise zweiter Ordnung, ausgebildet ist Dadurch wird die Energie der abgestrahlten

sowie gegebenenfalls der von einem Korper reflektierten Ultraschallimpulse auf einen be¬ stimmten Raumbereich konzentriert

Um in Horizontalebene eine symmetrische Abtast-Charakteristik zu erzielen, kann der Reflektor spiegelsymmetrisch ausgebildet sein Die Variation der Breite des Abtastbereichs wird auf wirkungsvolle Weise dadurch erzielt, daß der Reflektor mehrere zueinander be¬ wegliche Segmente aufweist, deren Position zueinander veränderbar sind

Der Hauptvorteil der Erfindung ist das bisher nicht für möglich gehaltene asymmetri¬ sche Schallfeld im Verhältnis horizontale / vertikale Ebene (Fig 10 und Fig 1 1 ) Im Ur¬ sprung des Koordinatensystems ist der erfindungsgemaße Ultraschallsensor angeordnet Eine Auswerteelektronik betreibt den Ultraschallsensor nach der Echollaufzeitmethode Die Auswerteelektronik gibt ein Ausgangssignal, wenn der Reflektorgegenstand (hier ein Rohr 1,50 m lang mit einem Durchmesser von 7 cm) vom Ultraschallsensor erkannt wird Die graue Flache gibt den Bereich an, innerhalb dessen dieser Reflektor vom Ultraschall¬ sensor erkannt wird Bringt man zwei oder drei der erfindungsgemaßen Ultraschallsenso- ren derart hinten an ein Kraftfahrzeug an, daß die horizontalen Erfassungsbereiche die ge¬ samte Fahrzeugbreite vollständig und lückenlos ausleuchten (Fig 12) und die schmalen vertikalen Erfassungsbereiche nahezu parallel zur Bodenoberflache verlaufen, werden Storreflexionen von einem rauhen Boden oder von einer niedrigen Bordsteinkante vermie¬ den (Fig 13) Diese für den Fachmann als unerwartet zu betrachtende Fähigkeit des erfin- dungsgemaßen Ultraschallsensors, i e die asymmetrisch gestaltete Ausbildung des Erfas¬ sungsbereichs, beseitigt das bisherige muhevolle Ausrichten der herkömmlichen Ultra¬ schallsensoren, ohne die Anzahl der für eine lückenlose Absicherung der Fahrzeugbreite zu erhohen

Die Gestaltung des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors ermöglicht darüber hinaus scharfe Konturen sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene der Erfas¬ sungsbereiche, so daß über die Bereiche des asymmetrischen Erfassungsbereichs hinaus Storreflexionen vermieden werden

Werden dann auch noch im Ultraschallsensor statt eines einzelnen Ultraschallwandlers getrennte Ultraschallwandler zum Senden des Schallimpulses und zum Empfang der Echosignale eingesetzt, kann

a) vorteilhaft der typische Nahbereich von Ultraschallsensoren, die im Echo- Impulsbetrieb arbeiten, reduziert werden und b) erfindungsgemaß ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionstuchtigkeit der Ul¬ traschallwandler verwendet werden Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Überwachung der Ultraschallwandler ergibt sich aus der Ausnutzung der breiten Erfassungsbereiche der Ultraschallsensoren in der ho¬ rizontalen Ebene dergestalt, daß bei geeigneter Anordnung von wenigstens zwei erfin¬ dungsgemaßen Ultraschallsensoren eine gegenseitige Überwachung erfolgen kann

Nachfolgend eine Beschreibung eines bevorzugten Aufbaus des erfindungsgemaßen Ultraschall sensors

An ein inneres Segment 17 des Reflektors, dessen reflektierende Oberflache 9 als pa¬ raboloide Flache ausgebildet ist, schließen sich jeweils seitlich äußere Reflektorsegmente 14a, 14b an (Fig 6 und Fig 7), deren reflektierende Oberflachen 2 als rotationsparaboloi- de Flachen ausgebildet sind Die äußeren Segmente 14a, 14b weisen vorteilhafterweise re- flektierende Oberflachen 2 als Ausschnitte von 50 bis 120°, vorzugsweise 90°, im wesent¬ lichen aus einem Rotationsparaboloid mit dem Brennpunkt 4 auf, das durch die Drehung der Parabel mit einem Drehwinkel α um ihre Rotationsachse 1 entsteht, wobei eine senk¬ recht die Rotationsachse 1 im Brennpunkt 4 schneidende Gerade die Parabel im projizier¬ ten Brennpunkt 3 berührt (Fig 1 und Fig 7) In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die reflektierende Oberflache 9 des inneren

Segments 17 der Teil der Flache kann, die durch Drehung einer Parabel um die Achse 10 gebildet ist, die der Geraden entspricht, welche im Brennpunkt 1 1 der Parabel senkrecht auf der Symmetrieachse 15 der Parabel steht und die Parabel im projizierten Brennpunkt 31 schneidet (Fig 2, Fig 3, Fig 4) Von Vorteil ist es, wenn die reflektierende Oberflache 9 ab dem projizierten Brennpunkt 31 der vertikalen Projektion des Brennpunkts 1 1 beginnt und sich in eine Richtung vom Scheitelpunkt weg erstreckt

In einer weiteren Ausgestaltung der reflektierenden Oberflache des inneren Segments 17 des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors kann die Drehung der Parabel um die Achse 10 mit dem Drehwinkel φ erfolgen (Fig 3 und Fig 4) Bei einer bevorzugten Ausgestal- tung entspricht der Drehwinkel φ einem Betrag 8 des Offhungswinkels φ von 0 bis 180",

vorzugsweise von 0 bis 90°, bevorzugterweise von 25 bis 45° Überaus bevorzugt ist der Drehwinkel φ, wenn er dem Betrag 8 des Offhungswinkels φ 30, 35 oder 40° entspricht

Von Vorteil ist es, wenn die äußeren Segmente 14a, 14b mit dem inneren Segment 17 derart angeordnet sind, daß die Brennpunkte 4, 1 1 zusammenfallen und die projizierten Brennpunkte 3, 31 zusammenfallen, wobei die reflektierenden Oberflächen 2, 9 der äuße¬ ren Segmente 14a, 14b und des inneren Segments 17 eine im wesentlichen stetige Flache bilden Stetige Flache bedeutet auch z B eine glatte Fläche ohne die Reflektion störende Unebenheiten Vorteilhaft ist das derartige Anbringen des Ultraschallwandlers 12 mit sei¬ ner aktiven Flache 13 in dem Ultraschallsensor, daß der Mittelpunkt seiner aktiven Flache 13 mit dem Brennpunkt 4, 1 1 zusammenfallt, wobei die Hauptstrahlrichtung des Ultra¬ schallwandlers 12 auf den projizierten Brennpunkt 3, 31 gerichtet sein kann Der Off- nungswinkel der Schallkeule des Ultraschallwandlers 12 betragt 5 bis 120°, vorzugsweise 50 bis 80°, noch mehr bevorzugt 60°

In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des Ultraschallsensors kann das innere Seg- ent 17 aufspreizbar ausgebildet sein, wobei die äußeren Segmente 14a, 14b um eine ge¬ meinsame Achse 85, welche durch die Brennpunkte 4, 1 1 und die projizierten Brennpunk¬ te 3, 31 verlaufen kann, mit einem Drehwinkel ß schwenkbar sind Dabei ist es möglich, wenn der Drehwinkel ß dem Betrag 8 des Offhungswinkels φ des inneren Segments 17 entspricht Dadurch kann der Erfassungsbereichs des Ultraschallsensors beliebig in hori- zontaler Ebene je nach Erfordernis verändert werden (Fig 7)

In Fig 7 stehen die Bezugszeichen 80 für die Rückseite, 82 für die Oberseite und 81 für die Unterseite des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors

In einer noch vorteilhafteren Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Ultraschallsensors kann der Reflektor 90 zwei äußere Segmente 14a, 14b, zwei innere Segmente 17 und ein Mittelstuck 18 aufweisen (Fig 8 und Fig 9), wobei das Mittelstuck 18 eine reflektierende Oberflache 7 aufweist, die als Teil einer paraboloiden Flache ausgebildet ist, welche durch lineare horizontale Verschiebung einer vertikal ausgerichteten Parabel, deren Symmetrie¬ achse 16 sich horizontal erstreckt, gebildet ist (Fig 5) Die Gerade 5 verbindet den Brenn¬ punkt 71 der ursprunglichen -also nicht verschobenen - Parabel mit dem Brennpunkt 71 der horizontal verschobenen Parabel Die Gerade 6 verbindet den projizierten Brennpunkt

32 der ursprunglichen - also nicht verschobenen - Parabel mit dem projizierten Brennpunkt 32 der horizontal verschobenen Parabel

Eine Gerade 70, welche senkrecht auf der Symmetrieachse 16 auf dem Brennpunkt 71 der Parabel steht, schneidet die Parabel in dem projizierten Brennpunkt 32 Es ist möglich, wenn das Mittelstück 18 mit einem der inneren Segmente 17 und einem der äußeren Seg¬ mente 14a derart angeordnet ist, daß die Brennpunkte 4, 11, 71 zusammenfallen und die projizierten Brennpunkte 3, 31, 32 zusammenfallen, wobei die reflektierende Oberflache 2 des äußeren Segments 14a, die reflektierende Oberfläche 9 des inneren Segments 17 und die reflektierende Oberflache 7 des Mittelstücks 18 eine im wesentlichen stetige Flache bilden

Darüber hinaus kann das Mittelstuck 18 mit dem anderen der inneren Segmente 17 und dem äußeren Segmente 14b derart angeordnet sein, daß die Brennpunkte (4, 1 1, 71) zusammenfallen und die projizierten Brennpunkte (3, 31, 32) zusammenfallen, wobei die reflektierende Oberflache 2 des äußeren Segments 14b, die reflektierende Oberflache 9 des inneren Segments 17 und die reflektierenden Oberflache 7 des Mittelstucks 18 eine im we¬ sentlichen stetige Flache bilden

Wenn eine Spreizung des Schallfeldes in der horizontalen Ebene nicht erforderlich ist, wird nur durch Verwendung des Mittelstucks 18 in dem erfindungsgemäßen Ultraschall¬ wandler eine Stauchung des Erfassungsbereichs in der vertikalen möglich Hierbei können das Mittelstück 18 längs der Geraden 6 deutlich verlängert ausgeführt sein und die Lange der Geraden 6 ein Mehrfaches der Lange der Geraden betragen, welche die Punkte 71 und 16 schneidet (Fig. 5).

Vorteilhaft ist es, wenn zwei Ultraschallwandler 12 in einem Ultraschallsensor ange¬ ordnet werden, wobei ein erster Ultraschallwandler 12 die Ultraschallimpulse sendet und ein zweiter Ultraschallwandler 12 das Echo der Ultraschallimpulse empfangt Die funktio¬ nale Spezialisierung der Ultraschallwandler 12 erhöht den akustischen Wirkungsgrad des Ultraschallsensors, da die Ultraschallwandler für die entsprechenden Aufgaben "Senden" und "Empfangen" optimiert sein können, und die typische Totzone von Ultraschallsenso¬ ren verringert werden kann Da z.B. Kraftfahrzeuge unterschiedliche Breiten aufweisen, müssen die Erfassungsbe¬ reiche der Ultraschallsensoren diesen Abmessungen angepaßt werden Diese Vorgabe

kann nunmehr bereits mit zwei Ultraschallsensoren unter entsprechender Einstellung der beiden äußeren Segmente 14a und 14b berücksichtigt werden, ohne daß - wie herkommli- cherweise - ein spezieller Ultraschallsensor gefertigt werden muß

Zudem ist es vorteilhaft, daß dabei die Ultraschallwandler 12 mit ihrer aktiven Flache 13 derart angeordnet sind, daß der Mittelpunkt ihrer aktiven Flachen 13 mit den Brenn¬ punkten 4, 1 1, 71 zusammenfallt, wobei die Hauptstrahlrichtung der Ultraschallwandler 12 auf die projizierten Brennpunkte 3, 31, 32 gerichtet sein kann. Aufgrund dieser Anordnung des bzw der Ultraschallwandler 12 ist eine keulenförmige Ausbildung des Schallfeldes auf seiner der Oberseite 82 zugewandten Seite ausgeschlossen, so daß sich eine Strahlung- scharakteristik ergibt, welche eine sehr starke Bündelung der Schallkeule aufweist, die so¬ nach im wesentlichen asymmetrisch ausgebildet ist Vorteilhaft ist es, wenn die Haupt- strahlrichtung der Ultraschallwandler 12 auf die projizierten Brennpunkte 3, 31, 32 gerich¬ tet ist, wobei vorzugsweise der Offhungswinkel der Schallkeule der Ultraschallwandler 12 5 bis 120°, vorzugsweise 50 bis 80°, noch mehr bevorzugt 60°, betragt Der erfindungsgemaße Ultraschallsensors kann z B an einem Kraftfahrzeug derart gekoppelt werden, daß entweder die Unterseite 81 , also die Seite, welche dem oder den Ultraschallwandlern 12 gegenüberliegt, oder mit der Oberseite 82, also die Seite, auf der sich der oder die Ultraschallwandler 12 befinden, der Bodenflache zugewandt sein Im Falle der Anordnung des erfindungsgemaßen Ultraschall sensors mit der zur Bodenflache zugewandten Oberseite 82 verlauft die untere, der Bodenflache zugewandte Seite der Schallkeule im wesentlichen parallel zur Bodenflache

Möglich ist auch, daß die inneren Segmente 17 aufspreizbar ausgebildet sind, wobei die äußeren Segmente 14a, 14b um eine Achse 86, welche jeweils durch die Brennpunkte 4, 1 1, 71 und die projizierten Brennpunkte 3, 31, 32 verlauft, mit einem Drehwinkel χ schwenkbar sind (Fig 9) Der Drehwinkel χ kann dem Betrag 8 des Offhungswinkels φ des betreffenden inneren Segments 17 entsprechen

Vorzugsweise liegt der Frequenzbereich der verwendeten Ultraschallwandler des er¬ findungsgemaßen Ultraschallsensors zwischen 20 bis 200 kHz, vorzugsweise 30 bis 50 kHz, bevorzugterweise bei 33 und 40 kHz Die Tiefe t der reflektierenden Flache hat einen Wert, der einem Vielfachen der Wel¬ lenlange der verwendeten Ultraschallfrequenz entspricht In einer Ausf hrungsform kann

die Tiefe t der reflektierenden Flache vorzugsweise dem Zwei- bis Zwanzigfachen der Wellenlange der verwendeten Ultraschallfrequenz, vorzugsweise dem Zwei- bis Zehnfa¬ chen, besonders bevorzugt dem Drei- bis Funfachen, entsprechen

Die Tiefe t der reflektierenden Flache ist der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Parabel (Kante 18a in Fig 5) und dem Schnittpunkt der Symmetrieachse 16 mit der Gera¬ den 16a Die Gerade 16a schneidet die untere Kante 18b der paraboloiden Flache (Fig 5)

Die Rauheit der Oberflache des Reflektors 90 sollte derart beschaffen sein, daß sie zumindest unter der Wellenlange liegt, mit der die Ultraschallwandler betrieben werden Auch ist es möglich, die paraboloiden Flachen durch eine Mehrzahl an kleinen Flachen- Segmenten zu approximieren

Durch die Möglichkeit, den Erfassungsbereich des Ultraschallsensors beliebig in hori¬ zontaler Ebene je nach Erfordernis variieren zu können, ohne Veränderung des Aufbaus oder der Einrichtungen als solche, wird ein großes Einsatzfeld unterschiedlichster Natur dem erfindungsgemaßen Ultraschallsensor eröffnet Aufgrund des Umstands, daß es nicht mehr erforderlich ist, daß verschiedene Ultra¬ schallsensoren für verschiedene Zwecke unterschiedliche Bauausführungen, Anordnungen von Ultraschallwandlern etc aufweisen müssen, sondern ein Ultraschallsensor genügt, um alle Anforderungen der verschiedensten Uberwachungsbereiche zu erfüllen, e g Variation des Erfassungsbereichs, Genauigkeit und Konturenscharfe der Sende- und Empfangskeu- len, kleine Abmessungen in der Baugroße etc wird ein ubiquitarer Einsatz auf vielen in¬ dustriellen und privaten Gebieten eröffnet, ganz abgesehen davon, daß die Herstellungs¬ kosten stark verringert werden können, weil sonach ein Ultraschall sensor genügt, um die Bedürfnisse aller betreffenden Bereiche in Hinsicht auf kostengünstige Uberwachungs- moglichkeiten zu erfüllen Folglich kann eine Verwendung der erfindungsgemaßen Ultraschallsensoren als Tritt- brettuberwachungsvorrichtung von Kraft- oder Nutzfahrzeugen, insbesondere Mullfahr¬ zeugen, als Uberwachungsvorrichtung in oder außerhalb von Räumlichkeiten erfolgen, wobei unter Räumlichkeiten z B Gebäude und Fahrgastraume von Kraftfahrzeugen zu verstehen ist Samtliche Segmente des Reflektors sind zu einem Korper mit zusammenhangender innerer Kontur zusammengefügt, dessen stetig nach innen geneigte, innere Oberflache die

aktive Flache des Reflektors bildet. Die inneren Segmente 17 sind aufspreizbar ausgebil¬ det, und die Position der äußeren Segmente 14a, 14b ist bezuglich der Position der inneren Segmente 17 in Abhängigkeit der Aufsprei-zung veränderbar. Beim Aufschwenken oder Zuschwenken der äußeren Segmente 14a, 14b um den Drehwinkel ß bzw. χ bleibt somit die zusammenhangende innere Kontur der nach innen geneigten, inneren Oberflache des Reflektors im wesentlichen erhalten

Selbstverständlich kann der Ultraschallsensor auch mit zueinander fest angeordneten Segmenten aufgebaut werden, wenn der Anbringungsort und der abzutastende Raumbe¬ reich von vornherein bekannt ist. Dies läßt dann eine sehr kostengünstige Ausführung des Ultraschallsensors zu Z B kann ein Kraftfahrzeug einen oder mehrere erfindungsgemäße Ultraschallsensoren aufweisen

Werden im erfindungsgemäßen Ultraschall sensor getrennte Ultraschall wandler zum Senden und zum Empfang der Echosignale eingesetzt, hat dies den Vorteil, daß bereits während des Sendens des Schallimpulses die ersten Echosignale eingelesen und ausgewer- tet werden können. Hierdurch wird die bei herkömmlichen Ultraschallsensoren vorhandene Totzone im Nahbereich drastisch reduziert. Dies ist besonders wichtig bei Ultraschallsen¬ soren, die als Parkhilfe an Kraftwagen eingesetzt werden, weil nur so auch Gegenstande erkannt werden können, die sich sehr nah vor dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor befinden In einer überaus vorteilhaften Ausgestaltung kann der erfindungsgemaße Ultraschall¬ sensor an eine Steuereinrichtung zur Steuerung, Kontrolle der Ultraschallwandler 12 so¬ wie des Empfangs und Verstärkung der Echosignale, Auswerteeinrichtung zur Auswer¬ tung der umgewandelten Impulse der Ultraschall wandler 12, Anzeigeeinrichtung zur Dar¬ stellung der ermittelten Werte und / oder Ubertragungseinrichtung angeschlossen sein Als Anzeigeeinrichtung kann eine akustische und / oder optische verwendet werden Im Falle der Verwendung von mehreren Ultraschallsensoren können diese an eine Nachschaltein- richtung oder zentrale Steuereinrichtung gekoppelt sein, um eine gegenseitige Beeinflus¬ sung der Ultraschallwandler bzw -sensoren zu vermeiden Die Steuereinrichtung syn¬ chronisiert hierbei alle angeschlossenen Ultraschallwandler bzw -sensoren und bereitet die Signale auf.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß es überaus vorteilhaft ist, die sehr schwachen Echosi¬ gnale zunächst direkt am Ultraschallwandler elektronisch aufzuarbeiten und die verstärk¬ ten Echosignale an das zentrale Steuergerat weiterzuleiten Auch ist es sinnvoll, den Sendeimpuls in der Nahe des Ultraschallwandlers zu erzeugen und daß somit das zentrale Steuergerat lediglich einen Triggerimpuls an die angeschlossenen Ultraschallsensoren sen¬ det. Vorteilhafterweise ist also in dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor bereits eine elektronische Schaltung eingebaut, die aus einem externen Triggersignal den Sendeimpuls generiert und die die schwachen Echosignale dergestalt aufbereitet, daß diese problemlos über größere Leitungslangen zu einem zentralen Steuergerat weitergeleitet werden (Elektronische und elektrische Anschlüsse sind in den Zeichnungen der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt)

Der Normentwurf DIN 75 031 vom Mai 1993 schreibt u a vor, daß Rangier- Warneinrichtungen die Ultraschallsensoren fortlaufend überwachen und den Ausfall eines Ultraschallsensors sofort dem Fahrer optisch und akustisch anzeigen müssen Im Zuge der verschärften Produkthaftung durch den Hersteller ist eine Überwachung der Ultraschall¬ sensoren auch an einer Parkhilfe für Personenkraftwagen wünschenswert

Unter Verwendung von zwei Ultraschallwandlern in dem erfindungsgemaßen Ultra¬ schallsensor, bei dem der Reflektor 90 zwei äußere Segmente 14a, 14b, zwei innere Seg¬ mente 17 und ein Mittelstuck 18 aufweist, kann ein Verfahren zur Sensoruberwachung auf folgende Weise erfolgen

Abstrahlen eines Schallimpulses als Prufimpuls durch den ersten Ultraschallwandler 12 zu dem Zeitpunkt, wenn der Verstarker für die Echosignale des zweiten Ultraschallwand¬ lers 12 seine Maximalverstarkung erreicht hat und

Prüfen durch die Auswerteeinrichtung, ob der zweite Ultraschallwandler 12 den von der Schallumlenkflache des Ultraschallwandlers 12 reflektierten Schallimpuls empfangen hat

Bei dem erfindungsgemaßen Ultraschallsensor mit getrennten Ultraschallwandlern zum Senden des Sendeimpulses und zum Empfangen der Echosignale lassen sich die Ul¬ traschallwandler vorteilhaft durch folgendes Verfahren von dem zentralen Steuergerat aus überwachen

Es ist bekannt, daß bei der Echolaufzeitmessung der elektronische Verstarker für die Echosignale mit zunehmender Entfernung zwischen ültraschallsensor und Reflektoren - respektive mit zunehmender Echolaufzeit - seinen Verstärkungsfaktor erhohen muß Des¬ halb werden für derartige Aufgabenstellungen nach dem Stand der Technik laufzeitabhan- gig gesteuerte Verstarker eingesetzt Vorzugsweise sollte der Ültraschallsensor also dann überprüft werden, wenn der Echoverstarker seine maximale Empfindlichkeit erreicht hat

Strahlt nun der Sendewandler bei maximaler Empfindlichkeit des Echoverstarkers ei¬ nen kurzen Ultraschallimpuls ab, kann dieser Sendeimpuls über die erfindungsgemaße Re¬ flektorflache 90 direkt in den Empfangswandler eingestrahlt und empfangen werden Das Steuergerat kann also für jeden Ultraschallwandler einzeln prüfen, ob bei maximaler Em¬ pfindlichkeit der Echoverstarker dieser Prufimpuls von den Empfangswandlern empfangen wurde

Liefert ein Echoverst rker kein Signal nach Absetzen des Prufimpulses, ist entweder ein Fehler im Sendepfad aufgetreten (der Sendewandler hat z B gar keinen Schallimpuls abgestrahlt) oder aber der Empfangspfad ist ausgefallen (der Ültraschallsensor ist nicht mehr in der Lage, Echosignale auszuwerten)

Es bleibt noch anzumerken, daß mit dem erfindungsgemaßen Verfahren auch ein Ka¬ belbruch oder ein Kurzschluß in den Zuleitungen zu den Ultraschallsensoren aufgedeckt werden kann Vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemaße Prüfverfahren in die laufenden Ultraschall¬ messungen eingebunden werden kann Somit ist sichergestellt, daß mit jeder Ultraschall¬ messung die Ultraschallsensoren überprüft werden

Ein noch vorteilhafteres Verfahren zur Überprüfung der Ultraschallsensoren ergibt sich bei folgendem Verfahren Das Verfahren zur Sensoruberwachung unter Verwendung von mindestens zwei erfindungsgemaßen Ultraschallsensoren ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Ultraschallsensoren mit einem oder mehreren Ultraschallwandlern 12 in Kraft- oder Nutzfahrzeugen derart zueinander ausgerichtet werden, daß der Ultraschal¬ limpuls des einen Ultraschallsensors ohne Reflexion im Direktstrahl von dem anderen ül¬ traschallsensor empfangen wird, ein Schallimpuls als Prufimpuls durch einen Ultraschall- wandler 12 des einen Ultraschallsensors abgestrahlt wird und durch eine Auswerteeinrich-

tung geprüft wird, ob ein Ultraschallwandler 12 des anderen Ultraschallsensors den Schal¬ limpuls nach der Schallaufzeit empfangen hat und umgekehrt

Dieses Verfahren ist im Gegensatz zu dem ersten oben beschriebenen Verfahren auch bei Ültraschallsensoren anwendbar, die nur mit einem Ultraschallwandler arbeiten Dieses Verfahren laßt sich besonders bei der Anwendung der Ültraschallsensoren als Parkhilfe oder Rangier- Warneinrichtung für Kraftfahrzeuge einsetzen

Wegen des großen Offhungswinkels in der horizontalen Ebene des erfindungsgema¬ ßen Ultraschallsensors kann nämlich schon mit zwei Ültraschallsensoren der rückwärtige Bereich eines Fahrzeuges vollständig abgetastet werden Hierzu werden z B hinten zwei der erfindungsgemaßen ültraschallsensoren jeweils links und rechts außen an dem Fahr¬ zeug angebracht Die beiden ültraschallsensoren werden vorzugsweise in der Draufsicht auf den horizontalen Erfassungsbereichs (Fig 13) soweit zueinander ausgerichtet, also nach innen geneigt, bis die äußeren Bereiche der Erfassungsbereiche etwa parallel mit der seitlichen Fahrzeugaußenkante verlaufen (Fig 13) Ist nun der horizontale Offnungswinkel der erfindungsgemaßen ültraschallsensoren ausreichend groß gewählt, strahlen sich die ültraschallsensoren jetzt gegenseitig an Das Steuergerat steuert die beiden ültraschallsensoren nun abwechselnd an Wenn dann der linke ültraschallsensor seinen Sendeimpuls abgestrahlt hat, empfangt der rechte Ültra¬ schallsensor diesen Schallimpuls im Direktstrahl Das Steuergerat kann wegen der Schalllaufzeit zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfang des direkt einge¬ strahlten Impulses im rechten ültraschallsensor sogar überprüfen, ob die Sensoren im kor¬ rekten Abstand zueinander am Fahrzeug angebracht sind Wird der direkt eingestrahlte Schallimpuls nicht empfangen, hat entweder der linke Ültraschallsensor gar keinen Impuls abgestrahlt, oder der rechte Ültraschallsensor kann keinen Schallimpuls empfangen, oder aber es befindet sich ein größerer Gegenstand .zwischen den beiden ültraschallsensoren

Die Prüfung wird selbstverständlich auch in entgegengesetzter Richtung durch das Steuergerat durchgeführt Dann strahlt der rechte ültraschallsensor seinen Schallimpuls ab und der linke Ültraschallsensor wird auf Empfang des direkt eingestrahlten Impulses hin überprüft Auch dieses Prüfverfahren deckt einen Kurzschluß und einen Kabelbruch in der Ver¬ kabelung zwischen Steuergerat und angeschlossenen Ültraschallsensoren auf

Dieses Prüfverfahren kann selbstverständlich auch auf drei und mehr Ültraschallsenso¬ ren erweitert werden Wichtig ist, daß sich die gegenseitig zu testenden ültraschallsenso¬ ren im Direktstrahl "sehen"

Desweiteren läßt sich der erfindungsgemäße ültraschallsensor zur Abtastung bzw Erfassung der Raumbereiche um ein Fahrzeug herum an der Heckseite, Frontseite, Fahrer¬ seite und / oder Beifahrerseite anbringen, wobei z.B. sich ein oder mehrere erfindungsge¬ maße ültraschallsensoren in mindestens einem Stoßfänger befinden und beispielsweise die sichtbare Oberflache der ültraschallsensoren mit der sichtbaren Oberfläche des Stoßfan¬ gers eine im wesentlichen stetige Flache bilden Überdies kann der erfindungsgemaße Ul- traschallsensor in mindestens einer Heckleuchte, einer Frontleuchte, in einem Reflektor der Heckleuchte und / oder der Frontleuchte, in und / oder an mindestens einem Vertreter der Kotflügel, Fahrertür, Beifahrertür und Seitenteil z.B. Schweller umfassenden Gruppe an¬ bringbar sein (Fig. 13, Fig. 14 und Fig 15)

Da bereits mit zwei der erfindungsgemäßen Ültraschallsensoren ein Fahrzeug über die gesamte Fahrzeugbreite lückenlos abgesichert werden kann, können die erfindungsgema¬ ßen Ültraschallsensoren ahnlich wie herkömmliche Beleuchtungseinrichtungen auch in das Fahrzeugdesign integriert werden Es ist sogar denkbar, die erfindungsgemäßen ültra¬ schallsensoren z B zusammen mit den Ruckleuchten oder in die Rückleuchten in ein Kraftfahrzeug zu integrieren. Bei einem Kraftfahrzeug kann der erfindungsgemaße ültraschallsensor derart ange¬ ordnet sein, daß der ültraschallsensor mit seiner Rückseite 80 um eine Achse, welche vor¬ zugsweise im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des mit dem Ultraschallwandlers zu versehenen Teils des Kraftfahrzeugs ausgerichtet ist, drehbar gelagert ist Hierbei kann die Unterseite 81 des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors senkrecht oder waagrecht zur Bodenfläche ausgerichtet sein Ausführungsbeispiel

Gemäß Fig. 13 sind an einem Nutzfahrzeug sowohl unterhalb des Stoßfangers als auch in Fahrzeughohe rechts und links erfindungsgemaße Ültraschallsensoren derart ange¬ bracht, daß ihre Oberseiten 82 zu der Bodenflache bzw zu der zur Bodenflache abge- wandten Seite ausgerichtet sind Die untere, der Bodenfläche zugewandten Seite des Er¬ fassungsbereichs der unterhalb des Stoßfangers befindlichen erfindungsgemaßen Ultra-

schallsensoren verlauft nahezu parallel zur Bodenflache Das bedeutet, das niedrige Bord¬ steinkanten oder auf der Bodenflache liegende Gegenstande niedriger Hohe nicht den Ul¬ traschallsendeimpuls reflektieren Zudem zeichnen sich die Sende- und Empfangskeulen durch scharfe Kontur aus Überdies ist festzustellen, daß die zwei erfindungsgemaßen Ul- traschallsensoren bereits ausreichend sind, um den gesamten hinteren Uberwachungsbe- reich des Fahrzeugs abzudecken Im Gegensatz zu herkömmlichen ültraschallsensoren er¬ übrigt sich somit der Einbau von vier bis sechs herkömmlichen Ültraschallsensoren über die gesamte Breite des Fahrzeugs entlang des Stoßfangers oder der Stoßstange

Die erfindungsgemaßen Ultraschallsenoren weisen einen Reflektoren 90 mit reflektie- render Oberflache, die aus paraboloiden Flachen zweiter Ordnung mit zwei äußeren Seg¬ menten 14a, 14b, zwei inneren Segmenten 17 und einem Mittelstuck 18 Die äußeren Segmente 14a, 14b haben als reflektierende Oberflachen 2 Ausschnitte von 90° im wesent¬ lichen aus einem Rotationsparaboloid mit dem Brennpunkt 4, das durch die Drehung der Parabel mit einem Drehwinkel α um ihre Rotationsachse 1 entsteht, wobei eine senkrecht die Rotationsachse 1 im Brennpunkt 4 schneidende Gerade die Parabel im projizierten Brennpunkt 3 berührt Die reflektierende Oberflache 9 der inneren Segmente 17 ist als pa¬ raboloide Flache ausgebildet und ist der Teil der Flache, die durch Drehung einer Parabel um die Achse 10 gebildet ist, die der Geraden entspricht, welche im Brennpunkt 1 1 der Parabel senkrecht auf der Symmetrieachse 15 der Parabel steht und die Parabel im proji- zierten Brennpunkt 31 schneidet Das Mittelstuck 18 hat eine reflektierende Oberflache 7, die als Teil einer paraboloiden Flache ausgebildet ist, welche durch eine lineare horizontale Verschiebung einer vertikal ausgerichteten Parabel, deren Symmetrieachse 16 sich hori¬ zontal erstreckt Das Mittelstuck 18 ist so gestaltet, daß eine Gerade 70, welche senkrecht auf der Symmetrieachse 16 auf dem Brennpunkt 71 der Parabel steht, die Parabel in dem projizierten Brennpunkt 32 schneidet Das Mittelstuck 18 ist mit einem der inneren Seg¬ mente 17 und einem der äußeren Segmente 14a derart angeordnet ist, daß die Brennpunk¬ te 4, 11, 71 zusammenfallen und die projizierten Brennpunkte 3, 31, 32 zusammenfallen, wobei die reflektierenden Oberflachen 2, 9, 7 des äußeren 14a und des inneren 17 Seg¬ ments und des Mittelstucks 18 eine im wesentlichen stetige Flache bilden Das Mittel stuck 18 ist mit dem anderen der inneren Segmente 17 und dem anderen der äußeren Segmente 14b derart angeordnet, daß die Brennpunkte 4, 11, 71 zusammenfallen und die projizierten

Brennpunkte 3, 31, 32 zusammenfallen, wobei die reflektierenden Oberflachen 2, 9, 7 des äußeren 14b und des inneren 17 Segments und des Mittelstucks 18 eine im wesentlichen stetige Flache bilden Die beiden Ultraschallwandler 12 sind mit ihrer aktiven Flache derart angeordnet sind, daß der Mittelpunkt ihrer aktiven Flachen 13 mit den Brennpunkten 4, 1 1, 71 zusammenfallt

Der Drehwinkel α betragt 90° Der Drehwinkel χ, der dem Betrag 8 des Offhungs¬ winkels φ der inneren Segmente 17 entspricht, betragt 17,5° Die zwei äußeren Segmente 14a, 14b, die zwei inneren Segmente 17 und das Mittelstuck 18 sind aus einem Kunst- stoffmaterial hergestellt, hier Polyurethan Als Ultraschallwandler werden Biegeschwinger geschlossener Bauform mit einer Ultraschallfrequenz von 40 kHz verwendet Die Oberfla¬ chenrauhigkeit des Reflektors 90 liegt um mehr als den Faktor 10 unterhalb der Wellen¬ lange λ der verwendeten ültraschallfrequenz

Die in Fahrzeughohe angebrachten erfindungsgemaßen Ültraschallsensoren ermögli¬ chen durch ihren asymmetrischen Erfassungsbereich, daß in geringer Entfernung oberhalb vom Fahrzeugdach sich befindliche Gegenstande nicht die Sendeimpulse reflektieren und sonach nicht dem Benutzer den falschen Eindruck vermitteln, in Fahrzeughohe befanden sich störende Gegenstande Diese als Oberkantenschutz vorgesehenen ültraschallsensoren sind selbstverständlich optional Sie sollen hier verdeutlichen, daß ggf in einer zweiten Ebene weitere Ültraschallsensoren angeordnet werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen