DE102008038225B4

DE102008038225B4 - Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung und Herstellverfahren dafür

Info

Publication number: DE102008038225B4
Application number: DE200810038225
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Daiss; Armin Hollstein; Rudolf Thurn
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: DE102008038225A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem elektrischen Ultraschall-Wandler (2), der an eine Innenseite (4) einer zur Befestigung an der Außenseite einer Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente (2) zur Ausstrahlung nach außen mechanisch gekoppelt ist, ist vorgesehen, dass die Fahrzeug-Komponente (2) als vorgeformte und an ihrer Rückseite mit einer Versteifung versehene Lackfolie (7) ausgebildet ist, wobei an der Innenseite in der Versteifung (8) mindestens eine die Rückseite der Lackfolie (7) freilassende Öffnung (9) ausgebildet ist, und der Ultraschall-Wandler (3) in die Öffnung (9) eingesetzt ist und dort mit der Rückseite der Lackfolie (7) schwingungsübertragend gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem elektrischen Ultraschall-Wandler, der an eine Innenseite einer zur Befestigung an der Außenseite eine Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente zur Ausstrahlung nach außen mechanisch gekoppelt ist. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung, wobei ein elektrischer Ultraschall-Wandler, der an eine Innenseite einer zur Befestigung an der Außenseite eine Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente zur Ausstrahlung nach außen mechanisch gekoppelt wird.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Fahrzeuge mit Distanz- und/oder Parkabstandssensoren auszurüsten. Diese Sensoren umfassen meist piezoelektrische Wandler aus Quarz oder Blei-Zirkonat-Titanat- bzw. PZT-Keramik gebildet und senden i. d. R. ein Messsignal im Ultraschallbereich aus, also zwischen 20 kHz und 1 GHz. Wird das ausgesandte Messsignal von einem Objekt reflektiert, empfängt man ein Reflexsignal, und die Laufzeit zwischen Senden und Empfangen in der Umgebungsluft kann in eine Entfernung umgerechnet werden, womit eine Distanzmessung realisiert ist. Eine so gemessene Distanz wird dem Fahrer z. B. beim Einparken mittels graphischer Darstellungen auf einem Display im Armaturenbrett und/oder durch Piepstöne angezeigt.
Moderne Fahrzeuge sind mit Parkassistenzsystemen ausgerüstet, welche viele dieser Wandler umfassen, die dann im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger des Fahrzeuges angeordnet sind.
Damit die Sensoren den Außenraum abfühlen können, sind sie üblicherweise in Löcher in den Stoßfängern eingesetzt, wie dies beispielsweise in der DE 10 2007 011 170 A1 geschildert ist. Ein wesentlicher Nachteil dieser Bauweise ist die Beeinträchtigung des Fahrzeugdesigns durch die Löcher in der Fahrzeugaußenwand, die für das Einsetzen der Wandler nötig sind. Darüber hinaus müssen die Wandler in der Wagenfarbe lackiert werden, wodurch ein erhöhter Fertigungsaufwand entsteht. Die gleichmäßige Lackierung und die exakte Farbabstimmung ist dabei schwierig. Deshalb gibt es die Bestrebung, die Ultraschallsensoren verdeckt hinter der Karosserie-Außenwand einzubauen, so dass Löcher nicht mehr nötig und die Sensoren von außen unsichtbar sind. Durch den verdeckten Einbau sind die Sensoren zusätzlich vor Beschädigung von außen geschützt.
Eine Schwierigkeit beim verdeckten Einbau der Wandler ist zum einen die Sicherstellung eines effektiven Schalldurchgangs durch das Stoßfängermaterial mit maximaler akustischer Empfindlichkeit. Zum anderen ist das Problem der gegenseitigen Beeinflussung von benachbarten Sensoren zu beachten, bei dem Schall durch das Stoßfängermaterial als Körperschall zum benachbarten Sensor gelangt, wodurch falsche Reflexe vorgetäuscht werden können.
Die gattungsbildende DE 10 2006 038 598 A1 schlägt deshalb zum verdeckten Wandler-Einbau vor, den Ultraschall-Wandler an der Innenseite des Stoßfängers anzukoppeln und die Ultraschallwellen durch den Stoßfänger hindurch zu senden bzw. zu empfangen. Um dabei eine möglichst geringe Dämpfung zu erhalten, sieht diese Veröffentlichung vor, im Bereich des Ultraschall-Wandlers das Stoßfängermaterial dünner zu gestalten, beispielsweise durch eine geeignete Profilfräsung an der Innenseite eines Kunststoffstoßfängers. Ein solcher Stoßfänger ist auch aus der DE 10 2005 046 173 bekannt.
Eine Befestigungskonstruktion für Ultraschallsensoren ist weiterhin in DE 10 2006 044 656 A1 beschrieben. Die Befestigungskonstruktion umfasst einen Ultraschallsensor und ein Wandelelement, an dem der Ultraschallsensor befestigt wird.
Der Ultraschallsensor schließt einen Ultraschallwandler und eine schwingende Oberfläche ein. Eine Innenfläche des Wandelelements weist einen Befestigungsabschnitt auf, an dem der Ultraschallsensor befestigt wird, einen Kontaktabschnitt, mit dem der Ultraschallwandler in Kontakt steht, und einen Abschnitt mit einer Positionierungsmarkierung, die die Position des Befestigungsabschnitts anzeigt. Eine Außenfläche des Wandelelements besitzt einen Schwingungsabschnitt als schwingende Fläche des Ultraschallsensors. Der Schwingungsabschnitt ist dem Kontaktabschnitt gegenüberliegend angeordnet. Der Ultraschallsensor kann exakt in einer gewünschten Position auf dem Wandelelement ohne Reduzierung einer Sensorcharakteristik befestigt werden, weil der Abschnitt mit einer Positionierungsmarkierung den Kontaktabschnitt nicht überlappt.
In DE 44 10 895 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum verdeckten Einbau eines Sensors in einem Kraftfahrzeug-Außenteil beschrieben. Ein Ultraschallsensor wird in einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs eingebaut und die Stoßstange wird wenigstens teilweise zusammen mit dem Sensor durch eine Abdeckung abgedeckt. Die Abdeckung wird aus einem Material mit ausreichender Härte oder Steifigkeit hergestellt, so dass eine möglichst geringe Dämpfung der Signale des Ultraschallsensors auftritt. Die Dämpfung kann durch Mittel zur akustischen Ankopplung des Sensors an die Abdeckung verringert werden. Eine Anwendung ist für eine Einparkhilfe vorgesehen. Durch den verdeckten Einbau ist der Sensor von außen nicht mehr erkennbar, so dass unter anderem das Fahrzeugdesign nicht mehr gestört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung und ein Herstellverfahren für eine solche Vorrichtung anzugeben, die gegenüber dem Verfahren und der Vorrichtung aus der genannten gattungsbildenen Schrift einfacher herzustellen ist, ohne dass Abstriche an der Funktionsfähigkeit gemacht werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem elektrischen Ultraschall-Wandler, der an eine Innenseite einer zur Befestigung an der Außenseite einer Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente zur Ausstrahlung nach außen mechanisch gekoppelt ist, gelöst, bei der die Fahrzeug-Komponente als vorgeformte und an der Rückseite mit einer Versteifung versehene Lackfolie ausgebildet ist, wobei an der Innenseite der Fahrzeug-Komponente in der Versteifung mindestens eine die Rückseite der Lackfolie freilassende Öffnung ausgebildet ist, und der Ultraschall-Wandler in die Öffnung eingesetzt ist und dort mit der Rückseite der Lackfolie schwingungsübertragend gekoppelt ist.
Die Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung, wobei ein elektrischer Ultraschall-Wandler, der an eine Innenseite einer zur Befestigung an der Außenseite eine Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente zur Ausstrahlung nach außen mechanisch gekoppelt wird, wobei eine Lackfolie vorgeformt wird, die vorgeformte Lackfolie zur Ausbildung der Fahrzeug-Komponente an ihrer Rückseite versteift wird, wobei mindestens eine die Rückseite der Lackfolie freilassende Öffnung ausgebildet wird, und der Ultraschall-Wandler in die Öffnung eingesetzt und dort mit der Rückseite der Lackfolie schwingungsübertragend gekoppelt wird.
Die Vorrichtung kann als mindestens einen Ultraschall-Wandler aufweisende Fahrzeug-Komponente aufgefasst werden. Analoges gilt für das Herstellverfahren.
Die Versteifung weist eine Hinterschäumung oder Hinterspritzung auf und sie weist ein Material mit schalldämpfender Eigenschaft auf. Auch kann in einer Wei terbildung ein schalldämpfendes Material, insbesondere Quarzmehl, Aluminiumoxid oder Wolframpulver eingelagert werden.
Die Befestigung des Ultraschall-Wandlers muss sicherstellen, dass eine gute Schallkopplung mit der Lackfolie gegeben ist. Dies kann besonders einfach dadurch erreicht werden, dass der Ultraschall-Wandler mit der Rückseite der Lackfolie verklebt ist. Eine besonders einfache und kostengünstige Variante der Verklebung ist die Verwendung eines Doppelklebebandes.
Die Dicke der Lackfolie sollte eine möglichst gute Schalldurchlässigkeit bei ausreichender Reststabilität der Lackfolie im Bereich der Öffnung gewährleisten. Dies ist bei einer Dicke zwischen 2 und 0,5 mm der Fall. Um eine möglichst gute Schallabstrahlung bzw. Schalldetektion zu erreichen, sollte darüber hinaus die Dicke der Lackfolie zumindest im Bereich der Öffnung möglichst gleichförmig sein.
Die Ausgestaltung des Stoßfängers als versteifte, z. B. hinterschäumte und/oder hinterspritzte Lackfolie hat den Vorteil, dass damit wesentliche akustische Anforderungen erfüllt werden können, die beim verdeckten Einbau von Ultraschall-Wandlern als Parkdistanzsensoren unabdingbar sind.
Deshalb werden beim Versteifen (z. B. durch Hinterspritzen bzw. Hinterschäumen) die für den verdeckten Einbau der Wandler vorgesehenen Montagestellen an der Innenseite der Lackfolie durch entsprechende Werkzeuggestaltung freigehalten bzw. ausgespart von verstärkendem Material. Die Wandler werden direkt an die Rückseite der Lackfolie montiert. Beispielsweise kann der Wandler an der ausgesparten Rückseite der Lackfolie mittels doppelseitigem Klebeband befestigt werden, das sowohl ein gute Schallkopplung als auch eine langzeitbeständige und witterungsfeste Befestigung gewährleistet, die bei Bedarf aber auch leicht und zerstörungsfrei wieder lösbar ist.
Die von dem Wandler ausgehenden Ultraschallwellen müssen nicht den ganzen Stoßfänger durchdringen, sondern nur die relativ dünne Lackfolie, die in der Regel eine konstante Dicke und konstante Materialeigenschaften aufweist. Damit wird sichergestellt, dass der Wandler mit hoher Effektivität und Erkennungssicherheit arbeitet, weil die Ultraschallwellen beim Durchgang durch den Stoßfänger nur gering gedämpft bzw. abgeschwächt werden. Ein Vorteil ist die gleichmäßige und vorab prüfbare Dicke der Lackfolie, wodurch der Wandler mit geringer Exemplarstreuung seiner akustischen Kennwerte und damit sehr gleichmäßig und reproduzierbar arbeitet.
Die Lackfolie weist beispielsweise eine Dicke von ungefähr einem Millimeter auf, wodurch sie einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit und Robustheit des Stoßfängers an der ausgesparten Montagestelle für die Wandler hat und hinreichend dünn ist, um einen effektiven Schalldurchgang zu ermöglichen.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus des Stoßfängers als verstärkte, z. B. hinterspritzte oder hinterschäumte Lackfolie besteht darin, dass damit sehr effektiv eine unvorteilhafte gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Wandlern über Körperschallsignale durch das Stoßfängermaterial vermieden bzw. unterdrückt ist. Durch die Wahl eines geeigneten Kunststoff- bzw. Schaumstoffmaterials sowie durch die geometrische Anordnung dieses Materials im Bauteil ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur effektiven Körperschallunterdrückung. So kann man beispielsweise besonders gut schalldämpfendes Material einsetzen, dessen schalldämpfende Wirkung durch geeignete Füllstoffe wie beispielsweise Quarzmehl, Aluminiumoxidpulver oder Wolframpulver noch verstärkt werden kann. Durch eine vorteilhafte geeignete Kombination von Materialien und Geometrie-Anordnungen dieser Materialien ist die Wirksamkeit der Körperschallunterdrückung zusätzlich verstärkt und gleichzeitig die Anforderung an den Stoßfänger als stoß- und schockabsorbierendes Bauteil erfüllt, denn vie le gut schalldämpfenden Materialien haben gleichzeitig auch gute stoßabsorbierende Eigenschaften.
Die Ultraschall-Wandlereinheit kann auch zusätzlich zur Klebung per Haltevorrichtung entsprechend DE 10 2005 046 173 befestigt sein. Optional kann die US-Wandlereinheit auch von einem konzentrischen Dämpfungsring zur Formung der Schallkeule gemäß DE 10 2005 046 173 umgeben sein. Auf diese Druckschrift wird insoweit vollumfänglich verwiesen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Stoßfängers eines Kraftfahrzeuges, der hier ein Beispiel für eine Fahrzeug-Außen-Komponente ist, die an der Außenseite einer Fahrzeugkarosserie angebracht ist. Die Vorrichtung 1 ist also im Ausführungsbeispiel als Kunststoff-Stoßfänger 2 ausgebildet. Der Stoßfänger 2 weist eine Innenseite 4 auf, welche zur Fahrzeugkarosserie hinweist, und eine Außenseite 5, welche zum Außenraum des Fahrzeugs orientiert ist.
Der Stoßfänger 2 ist dabei Teil eines Parkassistenzsystems, das in Richtung eines Pfeiles 6 Ultraschallwellen aussendet und in entgegengesetzter Richtung laufende Ultraschallwellen, die an Objekten reflektiert wurden, detektiert. Dazu ist an der Innenseite 4 des Stoßfängers 2 mindestens eine (in der Regel mehrere) Ultraschall-Wandlereinheit 3 angeordnet, welche die Ultraschallwellen aussendet bzw. reflektierte Ultraschallwellen detektiert.
Der Stoßfänger 2 ist selbst aus einer Lackfolie 7 aufgebaut, die beispielsweise 1 mm dick ist. In einem Formgebungsverfahren wird die Lackfolie 7 in die gewünschte Form des Stoßfängers 2 gebracht, z. B. durch einen Tiefziehprozess. Anschließend wird die Lackfolie 7 an ihrer Rückseite, also an der Innenseite des Stoßfängers 4 versteift. Dies kann durch Hinterspritzen oder Hinterschäumen erfolgen. Es entsteht somit an der Innenseite 4 des Stoßfängers 2 eine Hinterspritzung oder Hinterschäumung 8, welche die Lackfolie 7 zum Stoßfänger 2 versteift.
Für die Ultraschall-Wandlereinheit 3 ist in der Hinterschäumung 8 eine Öffnung 9 vorgesehen. Die Ultraschall-Wandlereinheit 3 ist mittels eines Koppelelementes 10, das in einem Ausführungsbeispiel als Doppelklebeband ausgebildet sein kann, auf die Rückseite der Lackfolie 7 geklebt. Dadurch ist eine gute Kopplung der auszustrahlenden bzw. zu detektierenden Ultraschallwellen mit der Ultraschall-Wandlereinheit 3 gegeben. Diese weist ein topfartiges Gehäuse 11 auf, in dem am Boden ein piezoelektrischer US-Wandler, insbesondere ein piezoelektrischer Keramikkörper angeordnet ist. Die Außenseite des Bodens des topfartigen Gehäuses ist an der Rückseite der Lackfolie 7 befestigt. Diese Bauweise gewährleistet nicht nur einen guten Schutz für den Wandler 12, eine einfache Möglichkeit, um Stecker zur Kontaktierung des Wandlers 12 anzubringen, sondern erreicht auch eine gute Bündelung der abgegebenen Ultraschallstrahlung.
Da der Ultraschall-Wandler 3 vorzugsweise ausschließlich mit der Rückseite der Lackfolie 7 verbunden ist und keine direkte Verbindung zur Versteifung (Hinterschäumung 8) besteht, ist eine gute Körperschallentkoppelung erreicht. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere Ultraschall-Wandler 3 im Stoßfänger 2 angeordnet sind.
Natürlich ist die vorliegende Beschreibung nicht auf einen Stoßfänger 2 als Fahrzeug-Komponente eingeschränkt. Die Fahr zeug-Komponente der Vorrichtung 1 zur Ultraschallerzeugung kann hingegen jedes beliebige an der Außenseite einer Fahrzeugkarosserie anzubringende Bauteil sein.

1: Vorrichtung
2: Kunststoff-Stoßfänger
3: Ultraschall-Wandlereinheit
4: Innenseite
5: Außenseite
6: Pfeil
7: Lackfolie
8: Hinterschäumung
9: Öffnung
10: Koppelelement
11: Gehäuse
12: Wandler

Claims

Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung mit einem elektrischen Ultraschall-Wandler (3), der an eine Innenseite (4) einer zur Befestigung an einer Außenseite einer Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente (2) zur Ausstrahlung nach außen (6) mechanisch gekoppelt ist, während: – die Fahrzeug-Komponente (2) als vorgeformte und an ihrer Rückseite mit einer Versteifung (8) versehene Lackfolie (7) ausgebildet ist, wobei an der Innenseite (4) der Fahrzeug-Komponente (2) in der Versteifung (8) mindestens eine die Rückseite der Lackfolie (7) freilassende Öffnung (9) ausgebildet ist, und – der Ultraschall-Wandler (3) in die Öffnung (9) eingesetzt ist und dort mit der Rückseite der Lackfolie (7) schwingungsübertragend gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Versteifung eine Hinterschäumung oder Hinterspritzung (8) aufweist, wobei in die Hinterschäumung oder Hinterspritzung (8) mindestens ein schalldämmendes Material einlagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wandler (3) mit der Rückseite der Lackfolie (7) verklebt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wandler (3) mittels eines Doppelklebebandes (10) auf die Rückseite der Lackfolie (7) geklebt ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackfolie (7) zumindest im Bereich der Öffnung (9) gleichförmig eine Dicke zwischen 2 und 0,5 mm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schalldämmende Material Quarzmehl, Aluminiumoxid- oder Wolframpulver ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zur Ultraschallerzeugung, wobei ein elektrischer Ultraschall-Wandler (3), der an eine Innenseite (4) einer zur Befestigung an einer Außenseite eine Fahrzeugkarosserie ausgebildeten Fahrzeug-Komponente (2) zur Ausstrahlung nach außen (6) mechanisch gekoppelt wird, wobei – eine Lackfolie (7) vorgeformt wird, – die vorgeformte Lackfolie (7) zur Ausbildung der Fahrzeug-Komponente (2) an ihrer Rückseite versteift wird, wobei mindestens eine die Rückseite der Lackfolie (7) freilassende Öffnung (9) ausgebildet wird, und – der Ultraschall-Wandler (3) in die Öffnung (9) eingesetzt und dort mit der Rückseite der Lackfolie (7) schwingungsübertragend gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die vorgeformte Lackfolie (7) zur Versteifung hinterschäumt oder hinterspritzt wird, wobei beim Hinterschäumen oder Hinterspritzen mindestens ein schalldämmendes Material einlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wandler (3) mit der Rückseite der Lackfolie (7) verklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wandler (3) mittels eines Doppelklebebandes (10) auf die Rückseite der Lackfolie (7) geklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Lackfolie (7) zumindest im Bereich der Öffnung (9) gleichförmig eine Dicke zwischen 2 und 0,5 mm hat.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das schalldämmende Material Quarzmehl, Aluminiumoxid- oder Wolframpulver ist.