Ultraschallsensor Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Das Dokument DE 10 2012 209 238 AI beschreibt einen Ultraschallsensor, auf dessen Membran mindestens ein Masseelement derart angeordnet ist, dass sich der Widerstand des Masseelements gegen eine Schwingung der Membran mit steigender Schwingungsfrequenz erhöht. Die Kraft, die durch das mindestens eine Masseelement auf die Membran ausgeübt wird, erhöht sich also mit steigender Frequenz. Ebenso kann sich ein von dem mindestens einen

Masseelement auf die Membran ausgeübtes Drehmoment mit steigender Frequenz erhöhen. Durch die Anordnung des Masseelements oder der

Masseelemente wird der Effekt erzielt, dass bei niederen

Schwingungsfrequenzen der Widerstand des Masseelements oder der

Masseelemente gegen die Schwingung der Membran gering ist, bei höheren Frequenzen jedoch ansteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor mit verbesserten

Eigenschaften für die Schallabstrahlung bei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen zu entwickeln.

Offenbarung der Erfindung

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Ultraschallsensor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Der Ultraschallsensor umfasst erfindungsgemäß ein Gehäuse mit einer umlaufenden Seitenwand. In dem Gehäuse sind unter anderem bekanntermaßen die elektronischen Bauteile des Ultraschallsensors angeordnet. Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor ein Wandlerelement, welches dazu ausgebildet ist, ein ankommendes Ultraschallsignal in ein erfassbares elektrisches Signal zu wandeln oder andersherum, ein elektrisches Signal in ein auszusendendes Ultraschallsignal zu wandeln. Um einen großen elektro-mechanischen

Wandlungseffekt zu erzielen, werden die bekannten Ultraschallsensoren resonant betrieben. Bekannt sind hierbei neben dem piezoelektrischen

Wandlerprinzip, z.B. elektrostatische Wandler, Elektretwandler oder

Piezoelektretwandler. Zusätzlich umfasst der Ultraschallsensor eine mit dem Gehäuse verbundene, schwingungsfähige Membran. Die Membran kann beispielsweise als einzelnes Teil in dem Gehäuse eingespannt sein, sie kann jedoch auch Bestandteil eines Membrantopfs sein. Erfindungsgemäß ist auf einer Oberfläche der Membran eine Mehrzahl von Masseelementen angeordnet.

Alternativ oder zusätzlich ist innerhalb der Membran eine Mehrzahl von

Masseelementen angeordnet.

Diese Masseelemente bilden ein akustisches Metamaterial, welches auch als Stop-Band-Material, Band-Gap-Material oder Phononic-Crystal bekannt ist. Sind nun eine Vielzahl von Masseelementen mit gleichen oder sehr ähnlichen schwingungsmechanischen Eigenschaften auf einer Oberfläche und/oder innerhalb der Membran angeordnet, so ist es möglich, in einem bestimmten Frequenzband die freie Wellenausbreitung abzuschwächen. Die Masseelemente agieren dann als Schwingungstilger, da sie innerhalb dieses Frequenzbandes der Membran Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingungsbewegungen entziehen und sich resonant verhalten. Diese Eigenschaft kann man zur

Beeinflussung der Schwingungsform der Membran nutzen, indem das

beschriebene Frequenzband der Masseelemente mit resonantem Verhalten, auf eine Resonanzfrequenz für Biegeschwingungen des Gesamtsystems, bestehend aus Membran und der Vielzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen, derart abgestimmt wird, dass die

Resonanzfrequenz des Gesamtsystems innerhalb des Frequenzbandes mit resonantem Verhalten der Masseelemente liegt. Grundsätzlich ist es möglich, einen Ultraschallsensor bei verschiedenen

Frequenzen, die seinen Resonanzfrequenzen der Membran-Biegeschwingungen entsprechen, zu betreiben. Die Membran schwingt bei verschiedenen

Frequenzen geometrisch unterschiedlich. So entstehen verschiedene

Schwingungsformen, von denen jedoch nicht alle in gleicher Weise für den Betrieb eines Ultraschallsensors in einem Fahrzeug, insbesondere zur

Abstandsmessung, geeignet sind, da sich durch die unterschiedlichen

Schwingungsformen z. B. unterschiedliche Richtcharakteristiken

(Abstrahlcharakteristiken) und somit unterschiedliche Schalldrücke der abgestrahlten Schallwellen ergeben. Zu hohe Frequenzen, von beispielsweise mehr als 100 kHz, sind für eine Abstandsmessung bei einem Fahrzeug weniger geeignet, da Schallwellen in diesem Frequenzbereich durch Luft sehr stark gedämpft werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es

vorteilhafterweise möglich, Schwingungsformen der Membran mit einem

Knotenkreis bzw. Knotenellipse derart zu ändern, dass sich verbesserte

Eigenschaften hinsichtlich Schallabstrahlung ergeben. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Schwingungsformen unterschiedlicher Resonanzfrequenzen unabhängig voneinander beeinflussen lassen, da das akustische Metamaterial nur in einem bestimmten Frequenzband eine freie Wellenausbreitung

abschwächt bzw. verhindert.

Vorzugsweise sind die Masseelemente in die Membran eingebettet. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Platz für Masseelemente auf einer Oberfläche der Membran benötigt wird. Auch müssen die Masseelemente nicht noch zusätzlich an der Membran befestigt werden. Vorzugsweise repräsentierten die

Masseelemente Kugelresonatoren. Diese können beispielsweise als

silikonbeschichtete Stahlkugeln in einer Epoxidharz-Matrix ausgeführt sein. Das Frequenzband der Masseelemente lässt sich hierbei relativ einfach über das Masse-Steifigkeits-Verhältnis der Kugelresonatoren einstellen. Da die

Kugelresonatoren keinen Platz im Inneren des Gehäuses benötigen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Wandlerelement als ein elektrostatisches Wandlerelement ausgeführt ist. Hierzu ist eine erste Elektrode des

elektrostatischen Wandlerelements auf einer Innenseite der Membran angeordnet und eine zweite Elektrode auf einem Trägerelement angeordnet. Das Trägerelement ist hierbei im Inneren des Gehäuses angeordnet. In einer alternativen Ausführung sind die Masseelemente mit einer Außenfläche der Membran verbunden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die zum Innenraum des Gehäuses gerichtete Innenseite der Membran. Ein Vorteil ist hierbei, dass die Masseelemente relativ einfach als Biegebalken oder als Längsschwinger ausgeführt werden können. Stabresonatoren sind in ihrer Herstellung relativ einfach und in den Eigenschaften durch Länge und

Durchmesser gut einstellbar. Biegebalken sind Stabresonatoren.

Vorzugsweise repräsentiert das Wandlerelement ein Piezoelement, welches mit einer Innenseite der Membran verbunden ist. Das Piezoelement dient der elektro-mechanischen Wandlung. Im Sendebetrieb versetzt das Piezoelement nach Anlegen einer elektrischen Spannung die Membran in Schwingung und im Empfangsbetrieb wandelt das Piezoelement eine Deformation der Membran in ein elektrisches Signal um.

Bevorzugt handelt es sich bei der Resonanzfrequenz, welche sich innerhalb des Frequenzbandes der Masseelemente befindet, um eine Frequenz der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen, bei der sich eine Schwingungsform mit einem Knotenkreis oder einer Knotenellipse der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen ausbildet. Diese Schwingungsform ist vorteilhaft gegenüber beispielsweise einer zweiten Schwingungsform, da diese keine Knotenlinie im Zentrum besitzt. Eine

Knotenlinie ist unvorteilhaft, da unterschiedliche Bereiche der Membran in unterschiedliche Richtungen ausschwingen und sich somit unterschiedliche Schalldrücke bilden, wodurch Ultraschallsignale nicht gerichtet gesendet oder empfangen werden können. Während eine Hälfte der Membran in positiver Richtung ausschwingt, schwingt die andere Hälfte in negativer Richtung aus. Ordnet man die Masseelemente nun im Außenbereich der Membran an, so wird bei dieser Resonanzfrequenz mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis im Außenbereich eine Auslenkung abgeschwächt oder gar verhindert. Dadurch wird die Schwingungsform dahingehend beeinflusst, dass das Zentrum der Membran stark ausgelenkt wird, jedoch die Randbereiche, außerhalb des vom Knotenkreis eingeschlossenen Bereichs, wenig oder nicht ausgelenkt werden. Ultraschallsignale können somit gerichtet empfangen, wie auch gerichtet gesendet werden. Als eine weitere, erste Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann eine Resonanzfrequenz der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran angeordneten Masseelementen verwendet werden, bei der sich eine Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinien der Membran mit der Mehrzahl von auf und/oder innerhalb der Membran

angeordneten Masseelementen Gesamtsystems ausbildet. Somit ergibt sich der Vorteil, den Ultraschallsensor bei zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen betreiben zu können. Vorzugsweise ist der Ultraschallsensor als Abstandssensor ausgebildet. Hierbei wird er vorzugsweise in einem Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet. Solche Abstandssensoren werden beispielsweise zur

Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen und Hindernissen verwendet werden, etwa zur Unterstützung eines Einparkvorgangs.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur la zeigt eine erste Ausführungsform des Ultraschallsensors während der Anregung der Membran mit einer Resonanzfrequenz mit Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinien.

Figur lb zeigt die erste Ausführungsform des Ultraschallsensors während der Anregung der Membran mit einer Resonanzfrequenz mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis/-ellipse.

Figur 2a zeigt eine zweite Ausführungsform des Ultraschallwandlers. Figur 2b zeigt eine dritte Ausführungsform des Ultraschallwandlers. Figur 3a zeigt eine erste Möglichkeit der Anordnung von Stabresonatoren auf der

Membran.

Figur 3b zeigt eine zweite Möglichkeit der Anordnung von Stabresonatoren auf der Membran. Figur 3c zeigt eine erste Möglichkeit der Anordnung von Kugelresonatoren auf der Membran.

Figur 3d zeigt eine zweite Möglichkeit der Anordnung von Kugel resonatoren auf der Membran.

Ausführungen der Erfindung

Die erste Ausführungsform des Ultraschallsensors in Figur la zeigt das Gehäuse 5 des Ultraschallsensors, welches eine umlaufende Seitenwand 10 umfasst. Der

Boden des Gehäuses 5 wird hierbei über die Membran 20 gebildet, welche derart ausgeführt ist, dass sie zu Schwingungen anregbar ist. Auf der Innenseite 20a der Membran 20 ist einerseits in dessen Zentrum 36 ein Piezoelement 30, sowie auf dem äußeren Membranbereich 35 als Masseelemente 40 eine Mehrzahl von Stabresonatoren angeordnet. In der dargestellten Situation in Figur la wird das

Gesamtsystem, bestehend aus dem Gehäuse 5 mit der Membran 20 und der auf der Innenseite der Membran 20 angeordneten Mehrzahl von Masseelementen 40, mit einer ersten Resonanzfrequenz zu einer Schwingung mit einer

Schwingungsform ohne Knotenkreise und ohne Knotenlinie auf der Membran 20 angeregt. Die auf dem äußeren Membranbereich 35 angeordneten

Stabresonatoren als Masseelemente 40 zeigen in diesem Betriebspunkt kein resonantes Verhalten.

Figur lb zeigt im Unterschied zu Figur la eine Situation, bei der das

Gesamtsystem, bestehend aus Membran 20 und den auf der Innenseite 20a angeordneten Stabresonatoren als Masseelemente 40, mit einer

Resonanzfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsform mit einem Knotenkreis/-ellipse auf der Membran angeregt wird. Die Masseelemente 40 sind hierbei so ausgebildet, dass in diesem Fall die Resonanzfrequenz der Membran 20 und das Frequenzband in dem die auf der Membran 20 angeordneten

Masseelementen 40 resonantes Verhalten zeigen, zusammenfallen. Somit kommt es in diesem Fall dazu, dass die Masseelemente 40 während der Schwingung der Membran 20 ebenfalls resonant mitschwingen und der Membran 20 Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingbewegungen entziehen. Auf dem äußeren Membranbereich 35 werden damit eine freie Wellenausbreitung und eine Auslenkung der Membran 20 verhindert. Man erreicht damit eine Schwingungsform, welche keine Knotenlinien und einen Knotenkreis aufweist. Es ergibt sich eine Schwingungsform, die im Membranzentrum eine Auslenkung aufweist, jedoch in den Randbereichen, außerhalb des vom Knotenkreis eingeschlossenen Bereichs, wenig oder keine Auslenkung aufweist. Im Bereich der Membranauslenkung wird die Schwingungsform damit unter

Berücksichtigung einer unterschiedlichen Schwingungsamplitude der

Schwingungsform aus Figur la dahingehend angeglichen, dass sich nur ein Wellenbauch ergibt bzw. 3 Wellenbäuche von denen die 2 äußeren nur eine sehr geringe Auslenkung aufweisen.

Sowohl die Figur la, als auch die Figur lb stellen keine maßstabsgetreue Darstellung dar, sondern die Auslenkung der Membran 20 ist hierbei stark überhöht dargestellt.

Figur 2a zeigt eine zweite Ausführungsform des Ultraschallsensors mit einem Teil der umlaufenden Seitenwand 10 des Gehäuses. Hierbei sind als

Masseelemente 50 Kugel resonatoren in die Membran 20 eingebettet. Die Kugelresonatoren können beispielsweise silikonbeschichtete Stahlkugeln in einer Epoxidharz-Matrix umfassen. In Abhängigkeit einer Anregung des

Gesamtsystems, bestehend aus Membran 20 und Kugelresonatoren, mit einer Resonanzfrequenz, welche sich innerhalb des Frequenzbandes des resonanten Verhaltens der Kugelresonatoren befindet, schwingen die Bleikugeln innerhalb der Matrix ebenfalls mit. Hierdurch wird der Membran 20 Schwingungsenergie für ihre eigenen Schwingbewegungen entzogen und eine Auslenkung der Membran 20 in den äußeren Membranbereichen 37, in denen die Kugelresonatoren eingebettet sind, zumindest vermindert oder sogar ganz verhindert.

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Wandlerelement 30 als

Piezoelement ausgebildet, welches im Zentrum 38 der Membran mit der

Innenseite 20a der Membran 20 verbunden ist.

Bei einer dritten Ausführungsform des Ultraschallsensors in Figur 2b umfasst der Ultraschallsensor im Unterschied zu Figur 2a ein Wandlerelement 60a und 60b, welches als elektrostatischer Wandler ausgeführt ist. Hierbei ist eine erste Elektrode 20a auf der Innenseite 20a der Membran 20 und eine zweite Elektrode 60b auf einer der Innenseite 20a der Membran 20 gegenüberliegenden Seite 80 des Trägerelements 70 angeordnet.

Figur 3a zeigt in der Draufsicht eine erste mögliche Anordnung von

Stabresonatoren als Masseelemente 40 auf der Innenseite 20a der Membran.

Hierbei sind die Stabresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass die Wellenausbreitung sowohl senkrecht als auch parallel zur Membran-Hauptachse abgeschwächt wird. Zentrisch auf der Innenseite 20a der Membran ist ein Piezoelement 30 angeordnet.

Figur 3b zeigt in der Draufsicht eine zweite mögliche Anordnung von

Stabresonatoren als Masseelemente 40 auf der Innenseite 20a der Membran. Hierbei sind die Stabresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass die Wellenausbreitung senkrecht zur Membran-Hauptachse stärker abgeschwächt wird und so die Ausbildung einer Schwingungsform mit einer Knotenellipse unterstützt wird. Ebenfalls zentrisch auf der Innenseite 20a der Membran ist das Piezoelement 30 angeordnet.

Figur 3c zeigt in der Draufsicht eine erste mögliche Anordnung von

Kugelresonatoren als Masseelemente 50 innerhalb der Membran 20. Hierbei sind die Kugelresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass sich im Zentrum der Membran ein ellipsenförmiger, von Masseelementen freier Bereich ergibt. Dadurch wird die Wellenausbreitung senkrecht zur

Membran-Hauptachse stärker abgeschwächt und so die Ausbildung einer Schwingungsform mit Knotenellipse unterstützt.

Figur 3d zeigt in der Draufsicht eine zweite mögliche Anordnung von

Kugelresonatoren als Masseelemente 50 innerhalb der Membran 20. Hierbei sind die Kugelresonatoren in dem äußeren Bereich der Membran derart angeordnet, dass sich im Zentrum der Membran ein kreisförmiger, von Masseelementen freier Bereich ergibt. Dadurch wird die Wellenausbreitung sowohl senkrecht als auch parallel zur Membran-Hauptachse abgeschwächt.