Rahmen für eine Sensoreinheit sowie Sensoreinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rahmen für eine Sensoreinheit sowie eine Sensoreinheit, insbesondere einen Radarsensor für ein Fahrzeug.

Technologischer Hintergrund

Moderne Fortbewegungsmittel, wie z. B. Kraftfahrzeuge oder Motorräder, werden zunehmend mit elektronischen Baugruppen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Fahrerassistenzsystemen die Umgebung erfassen, Verkehrssituationen erkennen und den Fahrer unterstützen, z. B. durch einen Brems- oder Lenkeingriff oder durch die Ausgabe einer optischen oder akustischen Warnung. Zur Umgebungserfassung werden regelmäßig Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren oder dergleichen eingesetzt. Aus den durch die Sensoren ermittelten Sensordaten können anschließend Rückschlüsse auf die Umgebung gezogen werden, womit z. B. eine Objekt- und/oder Umgebungsklassifizierung vorgenommen werden kann. Ferner ist die Umgebungserfassung nahezu unverzichtbar im Bereich des (teil-) autonomen Fahrens. Durch die Verarbeitung der Sensor- und Umfelddaten können dann Assistenzfunktionen ausgeführt werden, durch die z. B. Unfälle mit anderen Verkehrsteilnehmern vermieden oder komplizierte Fahrmanöver erleichtert werden, indem die Fahraufgabe bzw. die Fahrzeugführung unterstützt oder sogar komplett übernommen wird (teil- / vollautomatisiert).

Die Umgebungserfassung mittels Radarsensoren kommt in modernen Fortbewegungsmitteln häufig zur Anwendung. Diese basiert auf der Aussendung von gebündelten elektromagnetischen Wellen (Radarwellen bzw. Radarsignale) und deren Reflexion, z. B. durch andere Verkehrsteilnehmer, Hindernisse auf der Fahrbahn oder die Randbebauung der Fahrbahn. Die Unterscheidung von Hindernissen bzw. Objekten, wie z. B. anderen Verkehrsteilnehmern, Verkehrsschildern, Straßenmarkierungen, Randbebauungen, Leitplanken und dergleichen ist dabei von großer Bedeutung, um zu ermitteln, wann z. B. ein Brems oder Lenkeingriff eingeleitet werden soll.

Ein besonderes Augenmerk liegt bei den Sensoren bzw. Radarsensoren auch auf dem Gehäuse des jeweiligen Sensors. Das Gehäuse muss derart beschaffen sein, dass die Funktion der elektronischen Baugruppe jederzeit gewährleistet wird und dass die elektronische Baugruppe vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt ist. Bei modernen Sensoren werden vermehrt Druckkompensationselemente eingesetzt, um Druckunterschiede im Sensorinnenraum auszugleichen bzw. zu kompensieren, die z. B. umweltseitig durch Einwirken verschiedener Medien, welche eine andere Temperatur als die elektronische Baugruppe aufweisen, z. B. entstehend durch auftretenden Fahrtwind oder durch Wassereintrag, z. B. von einem Hochdruckreiniger. Die Erfahrung hat gezeigt, dass konventionelle Druckkompensationselemente sehr empfindlich gegenüber hohen Wasserdrücken sind. Das Druckausgleichssystem ermöglicht es dabei, die Kraft, die durch einen auftretenden Wasserstrahl entsteht, zu senken.

Druckschriftlicher Stand der Technik

Aus der DE 10 2019 206 331 A1 ist ein Akustiksensor bekannt, der gegen Umgebungsbedingungen, beispielsweise gegen externe Einflüsse, wie zum Beispiel Regenwasser, und gegen Strömungsbedingungen, die beispielsweise durch Wind, zum Beispiel Fahrtwind, verursacht werden, geschützt ist. Hierzu umfasst der Rahmen des Akustiksensors ein Schutzgitter mit mechanischer Schutzfunktion, dass gröbere Fremdkörper, wie Schlammpartikel, Staubpartikel, Rußpartikel, Salzkörner, Steine, Insekten oder ähnliches zurückhält. Sensorseitig ist dahinter eine wasserabweisende Membran angeordnet, die kleinste Partikel, die in der Luft enthalten sind, filtert. Die Membran ist permeabel für Luftschallwellen und schützt den nachgelagerten Sensor zudem vor Feuchtigkeit. Die Membran ist mikroporös und wasserdicht. Zwischen Membran und Schutzgitter verläuft ein Strömungsbypass, der in den Rahmen eingetretene Fluide und/oder Fremdkörper von der ersten Membran weg aus der Vorrichtung herausleitet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nunmehr darin, einen Rahmen für eine Sensoreinheit zur Verfügung zu stellen, bei dem die Schutzfunktion des Sensors in einfacher Weise verbessert und die Haltbarkeit verlängert wird.

Lösung der Aufgabe

Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Der erfindungsgemäße Rahmen für eine Sensoreinheit, insbesondere einen Radarsensor für ein Fahrzeug, umfasst eine in/am Rahmen angeordnete Membrananordnung, wobei die Membrananordnung eine Membran und eine Gitterstruktur aufweist. Die Gitterstruktur ist direkt oder unmittelbar an der Membran angeordnet, d. h. die Gitterstruktur ist im direkten oder unmittelbaren Kontakt mit der Membran. Daraus resultiert der Vorteil, dass der Sensor und zu Rahmen für eine Sensoreinheit sowie Sensoreinheitsätzlich auch die Membran vor mechanischen Einflüssen geschützt werden können. Dabei stellt die Gitterstruktur sozusagen eine Art „Vorfilter“ dar. Ferner dient die Gitterstruktur auch dazu, die Membran vor Verformungen, z. B. auch Verformungen, die während des Einbaus oder während der Verwendung auftreten (z. B. durch mechanische Beanspruchung, Materialmüdigkeit, Vibration oder dergleichen), zu schützen. Die Schutzfunktion des Sensors und die Haltbarkeit werden dadurch in einfacher und kostengünstiger Weise verbessert.

Zweckmäßigerweise kann die Membran eine Gitterstruktur auf einer ersten Seite, insbesondere umweltseitig, und eine Gitterstruktur auf einer zweiten Seite, insbesondere innen- oder sensorseitig, aufweisen. Die Schutzfunktion des Sensors und die Haltbarkeit können dadurch noch zusätzlich verbessert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Gitterstrukturen unterschiedlich beschaffen, um eine unterschiedliche Funktion zu bewirken. Beispielsweise kann eine der Gitterstrukturen eine vornehmlich stützende Wirkung und die andere Gitterstruktur eine vornehmlich filternde bzw. mechanisch rückhaltende Wirkung erzielen. Dadurch kann die Haltbarkeit und zugleich die mechanische Schutzfunktion verbessert werden.

Vorzugsweise besitzt die Gitterstruktur eine Maschenstruktur. Insbesondere sollte die Maschengröße bzw. Maschenweite derart gewählt werden, dass z. B. ein Eindringen von Insekten, insbesondere Ameisen, vermieden wird. Vorzugsweise kann die Maschenweite zwischen 150 pm und 300 pm betragen, bevorzugt kann die Maschenweite auch zwischen 200 pm und 250 pm betragen und besonders bevorzugt kann die Maschenweite zwischen 220 pm und 230 pm betragen. Die Schutzfunktion kann dadurch in besonderem Maße verbessert werden.

Zweckmäßigerweise kann die Gitterstruktur aus Kunststoff, Keramik oder Metall gefertigt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rahmen aus einem Kunststoff gefertigt, vorzugsweise aus einem Kunststoff auf Basis eines Polybutylenterephthalat (PBT) und/oder mit einer Glasfaserverstärkung. Die Haltbarkeit und die weitere Verarbeitung des Rahmens können dadurch in besonderem Maße beeinflusst werden.

Durch einen am Rahmen vorgesehenen Drainageraum kann anstehendes Wasser besser abgeführt werden. Dadurch können die verwendeten Bauteile schneller abtrocknen und den Druckausgleich schneller wieder möglich machen. Somit werden geringere oder nur kürzere Beeinträchtigungen der Sensorfunktionen gewährleistet. Vorzugsweise ist am Übergang zwischen Membrananordnung und Drainageraum ein Ablaufwinkel vorgesehen, der den Ablauf des Wassers bzw. der Feuchtigkeit begünstigt bzw. beschleunigt.

Die Membran und Gitterstruktur können bei der Fierstellung mit dem Material des Rahmens umspritzt werden. Dadurch können Membran und Gitterstruktur in besonders einfacher Weise im Rahmen integriert werden. Ferner zeichnet sich diese Fierstellungsart durch eine besondere Dichtigkeit aus. Ferner müssen Membran und Gitterstruktur nicht mehr extra miteinander verbunden werden, da diese später durch den umspritzten Rahmen aneinandergehalten werden. Alternativ können aber auch andere Techniken des Zusammenbaus gewählt werden, die ermöglichen, dass die Fügepartner wasserdicht verbunden werden, wie z. B. Niederdruckformen (low pressure moulding), Fleiß- oder Laserschmelzen (hot melting or laser melting), Polymergießen (polymer casting), Schweißverfahren oder Kleben.

Neben- oder untergeordnet umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Sensoreinheit, insbesondere einen Radarsensor zur Umgebungserfassung und Objektdetektion für ein Fahrzeug, der einen erfindungsgemäßen Rahmen umfasst, durch den eine Druckkompensation bewirkt werden kann. Ferner kann der erfindungsgemäße Rahmen auch Teil eines Moduls zur Druckkompensation, wobei dieses Modul für jedwede Sensoreinheit oder elektronischen Baugruppe vorgesehen sein kann. Das Modul umfasst dabei neben dem Rahmen eine in/am Rahmen angeordnete Membrananordnung, wobei die Membrananordnung eine Membran und eine Gitterstruktur aufweist, die an der Membran angeordnet ist, d. h. in direktem oder unmittelbarem Kontakt mit der Membran steht.

Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zweckmäßigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeuges, bei dem ein Sensor vorgesehen ist, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung in Draufsicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rahmens;

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung in Richtung A-A des erfindungsgemäßen Rahmens aus Fig. 2 mit einem Ausschnitt X;

Fig. 4 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung des Ausschnitts X aus Fig. 3, sowie

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung einer erfindungsgemäßen Membrananordnung.

Bezugsziffer 1 in Fig. 1 bezeichnet ein Fahrzeug mit einer Steuereinrichtung 2 (ECU, Electronic Control Unit oder ADCU, Assisted and Automated Driving Control Unit), durch die z. B. eine Sensorsteuerung, Sensordatenfusion, Umfeld- und/oder Objekterkennung, Trajektorienplanung und/oder Fahrzeugsteuerung, insbesondere (teil-) autonome Fahrzeugsteuerung, erfolgen kann. Zur Fahrzeugsteuerung kann die Steuereinrichtung 2 auf verschiedenen Aktoren (Lenkung, Motor, Bremse) zugreifen. Zur Umgebungserfassung weist das Fahrzeug 1 zudem einen erfindungsgemäßen Radarsensor 3 auf. Darüber hinaus weist das Fahrzeug 1 zur Umfelderfassung einen Lidarsensor 4 und eine Kamera 5 auf. In vorteilhafter weise können die Sensordaten zur Umfeld- und Objekterkennung genutzt werden, sodass verschiedene Assistenzfunktionen, wie z. B. Notbremsassistent (EBA, Emergency Brake Assist), Abstandsfolgeregelung (ACC, Adaptive Cruise Control), Spurhalteregelung bzw. ein Spurhalteassistent (LKA, Lane Keep Assist) oder dergleichen, realisiert werden können. Ferner kann die Ausführung der Assistenzfunktionen ebenfalls über die Steuereinrichtung 2 oder eine andere, dafür vorgesehene Steuereinheit erfolgen.

Der Radarsensor 3 umfasst einen erfindungsgemäßen Rahmen 10. Die Geometrie des Rahmens 10 kann dabei rund sein, wie in Fig. 2 dargestellt, oder in jeder anderen Umrisslinie ausgelegt werden. In Fig. 2 ist eine Ausgestaltung eines Rahmens 10 dargestellt. Ferner zeigen Fig. 3 einen Schnitt durch den Rahmen 10 entlang der in Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A und Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts X aus Fig. 3. Der erfindungsgemäße Rahmen 10 umfasst einen vorzugsweise umlaufenden Anguss 10a, der zur Befestigung des Rahmens 10 dient. Der Rahmen 10 trägt zudem eine Membrananordnung 12, welche eine Membran 13 und eine daran angeordnete Gitterstruktur 14 umfasst. Die Membrananordnung 11 ist dabei im Rahmen 10 integriert. Die Membran 13 ist durch die Gitterstruktur 14 gegen Umwelteinflüsse geschützt, indem die Gitterstruktur 14 umweltseitig (d. h. in Fahrtrichtung zuerst bzw. zur Fahrzeugfront gerichtet) und die Membran sensorseitig (d. h. in Fahrtrichtung nach der Gitterstruktur und vor dem Sensor bzw. zum Fahrzeugheck gerichtet) im Rahmen 10 orientiert sind.

Die Gitterstruktur 14 weist vorzugsweise eine oder mehrere Maschen bzw. eine Maschenstruktur auf, kann aber auch eine einfache Lochstruktur mit kleinstmöglichen Bohrungen aufweisen. Die Funktion der Maschen/Bohrungen besteht darin, den Luft- und Wasserdruck, z. B. vom Fahrtwind oder einem Dampfstrahlreiniger zu verringern, vor anderen mechanischen Belastungen und Verschmutzungen zu schützen. Die Maschenweite/Bohrungsweite der Gitterstruktur 14 ist derart festzulegen, dass sie den jeweiligen Anforderungen in Hinblick auf die mechanische Schutzwirkung entspricht und in Kombination mit den verwendeten Materialien die Sensorfunktion nicht oder nicht wesentlich beeinflusst. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass bei einem direkten auftreffen eines Wasserstrahls dieser soweit gebrochen wird, dass kein Wasser durch die Membran hindurchtreten kann. Ferner dient die Gitterstruktur als Schutz vor Insekten, wie zum Beispiel Ameisen, die sich durch die Membran „hindurchfressen“ könnten.

Die Gitterstruktur 14 bzw. die Maschen sind vorzugsweise entweder aus Kunststoff oder aus Metall gefertigt. Als Kunststoff für die Gitterstruktur und/oder die Membran kann z. B. ein thermoplastischer Kunststoff wie Polybutylenterephthalat (PBT auch PTMT) verwendet werden. PBT weist ein sehr gutes Abkühl- und Prozessverhalten auf (günstige Herstellungseigenschaften), da es sich sehr für den Spritzguss und den 3D-Druck eignet. Ferner können aber auch andere, insbesondere thermoplastische, Kunststoffe oder Polyestern verwendet werden. Darüber hinaus können auch neben Kunststoffen andere Werkstoffe, wie z. B. Kunstharze, Keramiken, Carbon- und Graphitmaterialien oder Metalle eingesetzt werden.

Bezugsziffer 11 beschreibt einen Drainageraum, der das fließende Wasser von der Membrananordnung 12 wegführt, wobei die Öffnung eine konische Form hat und einen geeigneten Durchmesser, sodass das Wasser abfließen kann. Insbesondere weist die Öffnung einen Durchmesser von vorzugsweise 5 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt 8 mm bis 16 mm, insbesondere bevorzugt 12 mm. Zudem hilft der Ablaufwinkel 15 der Öffnung, dass Wasser von der Membrananordnung 12 abfließen kann.

Zweckmäßigerweise verfügt der Rahmen 10 über eine Verbindungsstelle 16, mit der Rahmen 10 an ein Gegenstück aufgebracht werden kann, z. B. indem flüssiger, halbflüssiger oder fester Kleber auf die Verbindungsstelle 16 aufgebracht wird, um eine Verbindung mit dem Gegenstück zu erzeugen. Je nachdem welche Materialien verwendet werden, können unterschiedliche im Stand der Technik bekannte Kleber verwendet werden. Besonders ist diese Verklebung geeignet bei unterschiedlichen Materialien von Membran und Gitterstruktur, wie z. B. bei der Verklebung von Kunststoff und Metall. Darüber hinaus kann auch Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen als Verbindungstechnik eingesetzt werden, wobei die Verbindungsstelle 16 auch als Verbindungspunkt zum Laserschmelzen oder Elektroschmelzen verwendet wird. Ferner werden die Gitterstruktur und die Membran mit dem Rahmen 10 umspritzt, z. B. mit einem Kunststoff umspritzt, sodass diese im Rahmen 10 gehalten werden. Mit diesem Design können die positiven Aspekte des Kunststoffspritzens bzw. -formens genutzt werden. Eine Überformung bzw. Umspritzung hat dabei den Vorteil, dass die Sicherheit bei der Wasserdichtigkeit und die Haltbarkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen Verklebung erhöht wird. Zudem können Gitterstruktur und Membran auch verbunden sein, z. B. indem diese umspritzt, verklebt oder mittels Laser verbunden wurden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auch eine weitere Schicht von Maschen sensorseitig bzw. eine weitere Gitterstruktur hinter der Membran 12 (d. h. auch auf der anderen Seite bzw. der Rückseite der Membran 12) angeordnet sein, um die Steifigkeit des gesamten Systems zu erhöhen und um die Membran 12 vor Verformungen zu schützen. In Fig. 5 ist eine derartige Ausführung einer Membrananordnung 12 gezeigt, welche eine Membran 13 aufweist, bei der auf beiden Seiten jeweils eine Gitterstruktur 14a bzw. 14b angeordnet ist. Die Gitterstrukturen 14a, 14b können in Hinblick auf Material und Gitterart gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Durch eine stabile Gitterstruktur (z. B. durch eine entsprechende Materialauswahl) wird z. B. die Verformung der Membran 13 verhindert oder zumindest minimiert, wodurch sich die Haltbarkeit des Bauteils und der gesamten Sensoreinheit erhöht. Durch eine besonders engmaschige Gitterstruktur wird die mechanische Rückhaltefähigkeit erhöht.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Steuereinrichtung 3 Radarsensor

4 Lidarsensor

5 Kamera

6a-6d Ultraschallsensor 10 Rahmen 10a Anguss 11 Drainageraum 12 Membrananordnung 13 Membran 14 Gitterstruktur

14a Gitterstruktur 14b Gitterstruktur

15 Ablaufwinkel

16 Verbindungsstelle

X Ausschnitt

A-A Schnittlinie