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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Umfeldsensiereinrichtung zur ultraschallbasierten Umfeldsensierung unter Einsatz eines Schallwandlers, wie sie unter anderem im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen sowie bewegten oder stehenden Maschinen (beispielsweise Roboter, Landmaschinen oder Baumaschinen) zum Einsatz kommt, so zum Beispiel als Umfelderfassungshilfsmittel für ein entsprechendes Einparkassistenzsystem. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, bei dem zumindest eine derartige Umfeldsensiereinrichtung an einem Stoßfänger, einem Seitenspiegel oder einem Türabschnitt des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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In letzter Zeit werden bei Kraftfahrzeugen auf diesem technischen Gebiet in der Regel Umfeldsensoren auf Ultraschallbasis verwendet, bei denen häufig piezobasierte Schallwandler zum Einsatz kommen. Dabei werden üblicherweise Ultraschallsignale durch ein Medium wie Luft oder Wasser von einem Emitter zu einem Empfänger übermittelt oder von einem Emitter in eine Umgebung übermittelt oder von einem in der Umgebung befindlichen Objekt reflektierte Ultraschallsignale erfasst und die Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenzen und/oder weitere Größen wie beispielsweise Amplituden und Phasen der Ultraschallsignale gemessen. Um ausreichende Sendestärken und hohe Empfangsempfindlichkeiten zu erzielen, handelt es sich bei diesen Schallwandlern überwiegend um resonante Schwinger, die aus Festkörpern und einem oder mehreren Piezoelementen bestehen. Als ein generelles Beispiel für einen derartigen resonanten Schwinger sind unter anderem als Dickenschwinger bezeichnete piezobasierte Ultraschallwandler als Stand der Technik bekannt. Ein prinzipieller Aufbau einer bekannten Umfeldsensiereinrichtung ist in 4 gezeigt, wobei der Dickenschwinger 91 der Umfeldsensiereinrichtung 9 an einer Außenhaut 92 eines Kraftfahrzeugstoßfängers (nicht gezeigt) angeordnet ist und ein flaches Piezoelement 912 als Ultraschallwandlerelement aufweist, das in einem Festkörper, einem sogenannten Resonanzkörper eingebettet ist, das heißt zwischen einem Vorderkörper 911 des Resonanzkörpers und einem Rückkörper 913 des Resonanzkörpers angeordnet und mit diesen gekoppelt ist.
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Ein spezifisches Beispiel für einen Ultraschallsensor für ein Kraftfahrzeug kann der
DE 10 2007 046 031 A1 entnommen werden. Der darin beschriebene Ultraschallsensor ist mit einer akustischen Abstimmschicht ausgebildet, die an ein Schwingungselement gekoppelt ist. Das Schwingungselement erzeugt Ultraschallwellen, die in die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben werden, und die akustische Abstimmschicht wird durch rückgeworfene Ultraschallwellen deformiert, so dass das piezoelektrische Schwingungselement durch die Deformation in Resonanz versetzt wird. Der Ultraschallsensor ist hier auf einer Stoßstange beziehungsweise einem Stoßfänger des Kraftfahrzeugs montiert, so zum Beispiel in einem Loch in dem Stoßfänger, wobei eine Empfangsoberfläche des Ultraschallwandlers zur Umgebung des Kraftfahrzeugs hin freiliegt.
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Ein Nachteil des bekannten Stands der Technik auf dem Gebiet der Ultraschallwandler ist darin zu finden, dass diese in der Regel keine oder nur eine aufwendige äußere Dämpfung des Schwingungsverhaltens bieten, was üblicherweise zu erhöhtem Montageaufwand und zusätzlich benötigtem Bauraum führt. Eine derartige Dämpfung ist jedoch überaus vorteilhaft für das Schwingungsverhalten der Ultraschallwandler, um ein für die Umfeldsensierung adäquates Ein- und Ausschwingverhalten zu erreichen, und sollte in jedem Fall vorgesehen werden, jedoch ohne strukturelle oder konstruktive Nachteile mit sich zu bringen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Umfeldsensiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Lösung für die vorhergehend diskutierten Probleme bietet, hat einen Ultraschallwandler, der zumindest ein Wandlerelement und zumindest einen Resonanzkörper aufweist, und eine Membran zur Schallübertragung, wobei die Umfeldsensiereinrichtung eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen. Der Resonanzkörper weist dabei einen Vorderkörper und einen Rückkörper auf und ist an einer Stirnseite des Vorderkörpers, also an einem zur Membran hin zugewandten Abschnitt des Vorderkörpers, mit der Membran gekoppelt, wobei der Vorderkörper und/oder der Rückkörper des Resonanzkörpers aus zumindest einem Verbundwerkstoff, auch Kompositwerkstoff oder Composite-Material genannt, als Dämpfungsmechanismus besteht.
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Der Vorderkörper und der Rückkörper des Resonanzkörpers, auch Schwingkörper genannt, können dabei aus unterschiedlichen Kompositwerkstoffen gefertigt sein, so zum Beispiel auf Basis eines Metallwerkstoffs, auf Basis eines Keramikwerkstoffs oder auf Basis eines Kunststoffwerkstoffs, oder einer Kombination aus diesen. Die vom Wandlerelement zur Umfeldsensierung ausgesendete akustische Welle verlässt die Umfeldsensieranordnung bevorzugt in Richtung der Stirnseite des Vorderkörpers, auch als Vordermasse bezeichnet, wobei rückwärtige Strahlung im besten Fall vollständig unterdrückt wird. Dazu dient der Rückkörper, auch als Rückmasse bezeichnet, zur Dämpfung der Schwingung gegenüber dem Bereich, in welchem keine Abstrahlung gewünscht ist.
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Der Begriff des Wandlerelements ist weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrischakustische Wandler, welche nach elektrostatischen, magnetostriktiven, piezoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten. Im Rahmen der Erfindung kann das Wandlerelement insbesondere ein piezoelektrisches Element sein und die Umfeldsensiereinrichtung als eine piezoelektrische Umfeldsensiereinrichtung oder als Umfeldsensiereinrichtung auf Piezobasis verstanden werden.
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Die sogenannte Membran der Umfeldsensiereinrichtung ist beispielsweise durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet, wobei das Wandlerelement oder die Wandlerelemente und der oder die Resonanzkörper versteckt hinter dieser Außenhaut angeordnet sind. Durch die Kopplung mit dem Ultraschallwandler bildet die Membran eine Resonanzmembran der Umfeldsensiereinrichtung. Bevorzugt wird die Membran aus einer dünnen Materialschicht gebildet, die beispielsweise aus einem für die Außenhaut eines Kraftfahrzeugs üblichen Polymermaterial gefertigt ist. Bevorzugt weist die Membran eine Dicke zwischen 0,1mm und 4mm, besonders bevorzugt weniger als 1mm auf. Die Kopplung des Resonanzkörpers an der Stirnseite mit der Membran kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen, in jedem Fall aber so, dass eine akustische Kopplung in ausreichendem Maße ermöglicht ist, also dass akustische Strahlungsmuster übertragen werden können. Die unmittelbare Kopplung kann beispielsweise durch einen Presssitz, Klemmsitz, wie etwa durch Einschrauben, oder auch durch eine Klebung bewerkstelligt sein. Eine mittelbare Kopplung kann bedeuten, dass eine weitere Materialschicht zwischen dem Resonanzkörper und der Membran vorgesehen ist, beispielsweise eine Flüssigkeit, wie ein Gel oder ein Öl. Diese weitere Materialschicht kann insbesondere dazu vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zwischen dem Ultraschallwandler und der Membran zu optimieren.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegeben Einrichtung möglich.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung wird eine Integration einer Dämpfung in den Resonanzkörper durch Verwenden von sogenannten Kompositwerkstoffen erreicht. Der Resonanzkörper kann dabei mittels verschiedener Herstellungsmethoden zu einem derartigen Kompositwerkstoffkörper oder einem Verbund derartiger Kompositwerkstoffkörper gemacht werden, unter anderem durch folgende Methoden:
- – Sintern von Metallen, Keramiken, Kunststoffen, oder anderen geeigneten Materialien, gegebenenfalls unter Zumischung dämpfungssteigender anderer Materialien;
- – Fertigung aus Metallschäumen mit luftgefüllten Hohlräumen oder mit Hohlräumen, die mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen gefüllt sind;
- – Fertigung unter Vorsehen einer Wabenstruktur, gegebenenfalls mit Auffüllen der Hohlräume mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen;
- – Fertigung aus zumindest einem Metallgeflecht in voluminöser Form, gegebenenfalls gefüllt mit Polymermaterial, Epoxidharz oder dergleichen, wobei die Füllung formgebend sein kann;
- – Fertigung aus einem Polymermaterial, das mit Metallteilen, Keramikteilen oder dergleichen gefüllt ist; oder
- – Fertigung unter Vorsehen von Kanälen oder größeren Hohlräumen, wobei die Kanäle oder Hohlräume mit Polymermaterial, Silikon, insbesondere poriger Silikonschaum, oder dergleichen gefüllt sind.
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Dabei kann nur der Vorderkörper oder nur der Rückkörper durch eine der vorherstehenden Herstellungsmethoden gefertigt sein. Alternativ dazu kann sowohl der Vorderkörper als auch der Rückkörper durch eine der vorherstehenden Herstellungsmethoden gefertigt sein. Ferner können verschiedene Herstellungsmethoden bei Vorderkörper und Rückkörper verwendet werden. Es können aber auch verschiedene Herstellungsmethoden in einem von dem Vorderkörper und dem Rückkörper oder in sowohl in dem Vorderkörper als auch in dem Rückkörper zum Einsatz kommen.
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Bei der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung ist es weiter vorteilhaft, dass diese zusätzlich einen weiteren Dämpfungsmechanismus zum Dämpfen der Schwingung des Resonanzkörpers aufweist. Die ausreichende Dämpfung des mechanischen Resonanzsystems ist erforderlich, um ein für die Umfeldsensierung adäquates Ein- und Ausschwingverhalten zu erreichen, Bauteiltoleranzen auszugleichen und das Zusammenwirken mehrerer Einzelwandler zu gewährleisten. So kann in einer Ausführung der Dämpfungsmechanismus durch Vorsprünge an Vorderkörper und/oder Rückkörper ausgebildet sein, die in einem schwingungsdämpfenden Material gelagert sind, vorzugsweise ein Material auf Silikonbasis, wie zum Beispiel ein Silikonschaum oder dergleichen. Hier kann unter anderem ein poriger Silikonschaum zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel der im Handel erhältliche Silikonschaum Fermasil. Wird nun beispielsweise der Vorderkörper mit Rippen oder anderen hervorstehenden Geometrien, wie zum Beispiel Noppen oder Flügel oder dergleichen, versehen, so wird bei einer eventuell immer noch vorhandenen Schwingung des Ultraschallwandlers und demnach einer Schwingung des Resonanzkörpers das Dämpfungsmaterial gestaucht und die Schwingung des Vorderkörpers durch das schwingungsdämpfende Material weiter gedämpft. Derartige Rippen oder alternative vorstehende Geometrien können auch an dem Rückkörper angebracht werden. Weiter vorzugsweise sind die mit Rippen oder anderen hervorstehenden Geometrien versehenen Teile des Resonanzkörpers mit dem schwingungsdämpfenden Material umgossen.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung ist die mit der Membran gekoppelte Stirnseite des Vorderkörpers plattenförmig ausgebildet. Die Plattenform kann eine Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen, die größer ist als eine Ausdehnung in Höhenrichtung oder der Höhenrichtung entspricht, wobei eine bevorzugte Höhe der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,1mm und 30mm liegt, und eine bevorzugte Breite der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,5mm und 30mm liegt. Ferner kann der Resonanzkörper zwischen seiner plattenförmigen Stirnseite und dem Wandlerelement zumindest teilweise eine Breitendimension auf, die geringer als die Breitendimension der Stirnseite ist. Demnach ist ein Absatz beziehungsweise eine Stufe zwischen der plattenförmigen Stirnseite und dem Rest des Vorderkörpers, also der Vorderkörper ohne die Stirnseite, vorgesehen. Der Begriff „plattenförmige Stirnseite“ bezeichnet hier einen Teil oder Abschnitt des Vorderkörpers, der direkt an dessen der Membran zugewandten Seite angeordnet ist und der in Form einer Platte vorliegt, das heißt dessen Dimension in der Breite, auch Breitendimension genannt, größer als dessen Dimension in der Höhe ist, auch Höhendimension genannt. Vorzugsweise hat der Resonanzkörper dabei einen Doppel-T-förmigen Längsschnitt, auch hantelförmiger Längsschnitt genannt, oder alternativ dazu einen T-förmigen Längsschnitt oder einen Längsschnitt in Form eines Dreiecks, das an seiner stirnseitigen Spitze in die Plattenform übergeht. Dadurch kann erreicht werden, dass die Biegesteifigkeit der Membran, wie zum Beispiel im Falle der Außenhaut eines Kfz-Stoßfängers als erfindungsgemäße Membran, nicht nur durch das Material des Stoßfängers definiert wird, sondern auch durch den Ultraschallwandler beziehungsweise durch dessen konstruktiven Aufbau, das heißt die Plattenform der Stirnseite des Vorderkörpers. Die Plattenform kann eine Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen, die größer ist als eine Ausdehnung in Höhenrichtung oder der Höhenrichtung entspricht, wobei eine bevorzugte Höhe der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,1mm und 30mm liegt, und eine bevorzugte Breite der plattenförmigen Stirnseite zwischen 0,5mm und 30mm liegt. Verändern sich dadurch jedoch die strukturellen Eigenschaften des Stoßfängers, beeinflusst dies auf unerwünschte Weise die Resonanzfrequenz des Aufbaus. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Resonanzfrequenzbeeinflussung wie vorhergehend beschrieben konstruktiv zu verringern, wie es beispielsweise durch Ausführung des Vorderkörpers im Bereich des Stoßfängers als Platte erreicht werden kann. Auf diese Weise kann das Schwingverhalten der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung durch die Platte des Resonanzkörpers vorteilhaft beeinflusst werden. Das Maß der Beeinflussung ist dabei von dem Steifigkeitsverhältnis von Außenhaut zu Vorderkörperplatte abhängig. Ist das Verhältnis klein, so ist die Temperaturbeeinflussung durch das Material der Außenhaut gering. Das Dickenverhältnis muss so gewählt werden, dass der Einfluss der Außenhaut ausreichend gering ausfällt. Sofern die Dicke der Außenhaut nicht den vorhergehend beschriebenen, für die akustische Übertragung bevorzugten Dicken entspricht, kann vorgesehen sein, dass der Stoßfänger des Kraftfahrzeugs in dem Bereich, in welchem die Umfeldsensiereinrichtung verbaut werden soll, entsprechend dünner ausgestaltet ist als an anderer Stelle. Derartige lokale Verdünnungen können sowohl durch nachträgliche maschinelle Bearbeitung eingearbeitet werden, beispielsweise durch Ausfräsen, oder schon im Herstellungsprozess, beispielsweise beim Spritzgießen.
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Ferner kann die Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung durch die Wahl der Geometrie des Querschnitts der plattenförmigen Stirnseite beeinflusst werden, die im Kontakt mit der Stoßfängeraußenhaut steht. Im Prinzip kann jede Geometrie gewählt werden. Vorzugsweise entspricht der Querschnitt der plattenförmigen Stirnseite des Vorderkörpers einer entsprechend ausgewählten geometrischen Form, so zum Beispiel:
- – einer Kreisform, wodurch die plattenförmige Stirnseite des Vorderkörpers generell eine Scheibenform annimmt;
- – einer Ellipsenform, insbesondere mit unterschiedlichen Achslängen für unterschiedliche Richtcharakteristiken in horizontaler und/oder vertikaler Richtung;
- – einer Rechteckform, insbesondere einer Quadratform oder der Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, insbesondere mit unterschiedlichen Abmessungen für unterschiedliche Richtcharakteristiken in horizontaler und/oder vertikaler Richtung; oder
- – einer Kombination aus den vorhergehend genannten geometrischen Formen.
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Die Umfeldsensiereinrichtung der Erfindung kann ferner derart ausgebildet sein, dass das Wandlerelement und der Resonanzkörper durch zumindest ein Spannelement auf Druck vorgespannt angeordnet sind, vorzugsweise in der Reihenfolge Rückkörper, Wandlerelement, Vorderkörper. Ein Spannelement kann dabei eine Schraube oder dergleichen sein. Eine derartige Gestaltung des Ultraschallwandlers wird besonders im Leistungsultraschall verwendet, da dort hohe mechanische Spannungen auf das piezokeramische Wandlerelement wirken können. Da aber besonders Zugspannungen zu Schädigungen der Piezokeramik führen können, ist die Anordnung durch beispielweise eine Schraube auf Druck vorgespannt, so dass der Ultraschallwandler stärker beansprucht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind das Wandlerelement und der Resonanzkörper durch einen Presssitz oder durch eine Klebung miteinander gekoppelt. Die Wahl der Kopplung kann durch das voraussichtliche Einsatzgebiet bestimmt sein, beispielsweise durch Vorgaben der Schüttelfestigkeit der Anordnung. Ferner können zusätzlich an den Verbindungsstellen zwischen der Membran und dem Vorderkörper, dem Vorderkörper und dem Piezoelement, und/oder dem Piezoelement und dem Rückkörper in beispielsweise der Klebung oder dem Klemmkontakt ebenfalls zusätzliche Dämpfungsmechanismen vorgesehen sein.
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Ein derartig hergestellter Resonanzkörper ist besonders geeignet für alle Fahrzeuge oder bewegte Maschinen, die generell eine Umfeldsensierung einsetzen. Die Erfindung kann insbesondere bei solchen Umfeldsensoren eingesetzt werden, welche beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger eines Fahrzeugs zum Zwecke der Parkassistenz und/oder Kollisionsvermeidung vorgesehen sind. Typischerweise werden dabei Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen emittieren können als auch Ultraschallwellen empfangen können. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Ultraschallwandler nur als Empfänger oder nur als Sender einzusetzen. Insbesondere ist dies der Fall bei den fahrzeugtechnikbezogenen Gebieten Antriebselektronik und Betriebselektronik, auch AE-BE genannt, im Bereich der Robotik, insbesondere für Transportroboter in der Fertigung, in Krankenhäusern, in Pflegeheimen, in Logistikbereichen, etc., sowie bei der Herstellung von Land- und Baumaschinen.
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Ferner ist gemäß der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und einer vorhergehend beschriebenen Umfeldsensiereinrichtung vorgesehen, wobei die Membran der Umfeldsensiereinrichtung durch eine Außenhaut des Stoßfängers, des Seitenspiegels oder des Türabschnitts ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler, also das Wandlerelement und der Resonanzkörper, versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind. Insbesondere kann dabei die Umfeldsensiereinrichtung in einem Ultraschallsystem verbaut sein, welches eine Gruppe von Ultraschallsensiereinrichtungen umfasst, wobei zumindest eine, bevorzugt alle Ultraschallsensiereinrichtungen die vorhergehend beschriebenen Merkmale der Umfeldsensiereinrichtung umfassen.
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Das Ultraschallsystem kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Teilumgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise können die Ultraschallsensiereinrichtungen im Frontbereich zur Erfassung einer vorderseitigen Fahrzeugumgebung und/oder die Ultraschallsensiereinrichtungen im Seitenbereich zur Erfassung eines Seitenbereichs des Fahrzeugs und/oder die Ultraschallsensiereinrichtungen im Heckbereich zur Erfassung einer rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs jeweils einem derartigen Ultraschallsystem zugeordnet sein. Typischerweise werden hierbei vier bis sechs Ultraschallsensiereinrichtungen in einem Stoßfänger verbaut, wobei nur maximal vier Ultraschallsensiereinrichtungen mit ungefähr derselben Blickrichtung montiert sind. Um insbesondere auch den Bereich neben dem Fahrzeug zu erfassen, werden im vorderen Stoßfänger außerdem Ultraschallsensiereinrichtungen so positioniert, dass sie nach links und nach rechts ihren Erfassungsbereich haben. Zusätzlich oder alternativ können auch im hinteren Stoßfänger Ultraschallsensiereinrichtungen derart positioniert sein, dass diese einen Bereich links und rechts neben dem Kraftfahrzeug erfassen.
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Das Ultraschallsystem weist darüber hinaus auch eine der jeweiligen Gruppe zugeordnete Steuereinrichtung und eine Signalverarbeitungseinrichtung auf. Um den Seitenbereich des Fahrzeugs zu erfassen, können sowohl seitlich im vorderen und hinteren Stoßfänger verbaute Ultraschallsensiereinrichtungen verwendet werden, als auch solche Ultraschallsensiereinrichtungen, die in einem Seitenspiegel oder in einem Türabschnitt verbaut sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung, zumindest im Zuge einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung, ermöglicht es weiterhin, eine Schwingungsdämpfung in die Elemente des Resonanzkörpers durch Verwendung von Kompositwerkstoffkörpern zu integrieren. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen beziehungsweise separat vorgesehene Dämpfungsbauteile können dabei vermieden werden, wodurch mittels der Integration der Dämpfung in die Bauteile des Resonanzkörpers die Montage der Umfeldsensiereinrichtung vereinfacht werden kann, Einsparungen zusätzlicher schwingungsdämpfender Bauteile erzielt werden, Bauraum für die erfindungsgemäße Umfeldsensiereinrichtung verringert werden kann, und eine unerwünschte Schwingungseinleitung in benachbarte Strukturen verhindert werden kann, da aufgrund der Vermeidung zusätzlicher Dämpfungsmaterialien, die um den Resonanzkörper umgossen sind, keine Verbindung zum Gehäuse herstellt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung;
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2 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung;
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3 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umfeldsensiereinrichtung; und
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4 einen Längsschnitt eines prinzipiellen Aufbaus eines Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Umfeldsensiereinrichtung 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Querschnittsansicht in einem nicht aktivierten Zustand. Die Umfeldsensiereinrichtung 1 umfasst einen Ultraschallwandler 11 und eine Membran 12, wobei der Ultraschallwandler 11 aus einer Verbindung aus einem zylinderförmigen Vorderkörper 111, einem zylinderförmigen Wandlerelement 112 und einem zylinderförmigen Rückkörper 113, in dieser Reihenfolge, besteht. Der Vorderkörper 111, das Wandlerelement 112 und der Rückkörper 113 können alternativ auch eine andere Gestalt als eine Zylinderform annehmen, wie beispielsweise die Form eines Quaders oder dergleichen. Der Vorderkörper 111 ist mit einer der Membran 12 zugewandten Stirnseite mit der Membran 12 gekoppelt. Das bedeutet, dass in der dargestellten Ausführungsform die Stirnseite eine Kontaktfläche zur Membran 12 bildet. Die Kopplung zwischen dem Vorderkörper 111 und der Membran 12 kann mittelbar und unmittelbar erfolgen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der Stirnseite und der Membran 12 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist, beispielsweise eine Flüssigkeitsschicht wie etwa Öl oder Gel, um die akustische Kopplung zu verbessern. Zwischen der Stirnseite und der Membran 12 kann alternativ dazu eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Vorderkörpers 111 in der Membran 12, oder der Vorderkörper 111 kann auch an die Membran 12 geklebt sein. Um eine Dämpfung des Ultraschallwandlers 11 zu erreichen, besteht der Resonanzkörper aus Kompositwerkstoff oder einer Vielzahl von Kompositwerkstoffen. So kann beispielsweise der Resonanzkörper 111, 113 bei dieser Ausführungsform aus einem Vorderkörper 111 aus einem polymergefüllten Metallschaum und aus einem vergleichbaren Rückkörper 113 aufgebaut sein. Vorzuziehen sind hierbei Füllungen, die die Eigenschaften des Vorder- oder Rückkörpers positiv beeinflussen. Dazu gehören vor allem steifigkeitserhöhende und dichtereduzierende Maßnahmen. Diese sind beispielsweise durch Faserkunststoffverbunde zu erreichen, bei denen Polymere, wie zum Beispiel Epoxidharz, oder Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, mit Glas- oder Kohlefasern vermengt werden. Außerdem sind Einlagen bzw. Einlagerungen von Hohlkugeln oder anderen Partikeln denkbar. Um die Eigenschaften weiter zu beeinflussen, sind auch andere Füllstoffe und Kombinationen möglich. Eine praxisnahe Ausführungsform zeigt ein glasfasergefülltes Epoxidharz als Material für sowohl den Vorderkörper als auch den Rückkörper. Dadurch können die Eigenschaften des Wandlers, wie Dämpfung, Resonanzfrequenz und die Sensitivität, wie gewünscht gestaltet werden.
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In 2 ist eine Umfeldsensiereinrichtung 2 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht in einem nicht aktivierten Zustand gezeigt. Die Umfeldsensiereinrichtung 2 umfasst einen Ultraschallwandler 21 und eine Membran 22, wobei der Ultraschallwandler 21 aus einer Verbindung aus einem Vorderkörper 211, einem Wandlerelement 212 und einem Rückkörper 213, in dieser Reihenfolge, besteht. Der Vorderkörper 211 ist mit einer der Membran 22 zugewandten Stirnseite 2111, auch Stirnabschnitt 2111 oder Stirnbereich 2111 genannt, mit der Membran 22 gekoppelt. Das bedeutet, dass in der dargestellten Ausführungsform die Stirnseite 2111 eine Kontaktfläche zur Membran 22 bildet. Die Kopplung zwischen dem Vorderkörper 211 und der Membran 22 kann mittelbar und unmittelbar erfolgen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der Stirnseite 2111 und der Membran 22 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist, beispielsweise eine Flüssigkeitsschicht wie etwa Öl oder Gel, um die akustische Kopplung zu verbessern. Zwischen der Stirnseite 2111 und der Membran 22 kann alternativ dazu eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Vorderkörpers 211 in der Membran 22, oder der Vorderkörper 211 kann auch an die Membran 22 geklebt sein. Die Membran 22 ist bei dieser Ausführungsform in einem Kontaktbereich zwischen Stirnseite 2111 und Membran 22 dünner ausgebildet als außerhalb des Kontaktbereichs, so dass der Vorderkörper 211 im Kontaktbereich in einer Aussparung 221 in der Membran 22 zumindest teilweise versenkt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Umfeldsensiereinrichtung 2 einerseits ausreichend empfindlich zur Aufnahme von Ultraschallwellen ausgelegt werden kann beziehungsweise ausreichend starke Ultraschallwellen aussenden kann, und andererseits die Membran 22 außerhalb des Kontaktbereichs ausreichend dick gestaltet werden kann.
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Der Vorderkörper 211 ist bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 2 zu sehen ist, im Schnitt in einer Doppel-T-Form ausgebildet, wobei die Stirnseite 2111 des Vorderkörpers 211 plattenförmig vorliegt, das heißt als Platte beziehungsweise plattenartig ausgebildet ist. Ein Durchmesser des Querschnitts der Stirnseite 2111 ist größer als der Querschnitt eines Mittelteils 2112 des Vorderkörpers 211 und in etwa gleich groß wie der Querschnitt einer Rückseite 2113 des Vorderkörpers 21, wobei jeweils zwischen Stirnseite 2111 und Mittelteil 2112 sowie zwischen Mittelteil 2112 und Rückseite 2113 des Vorderkörpers 211 ein Absatz vorgesehen ist, so dass die Doppel-T-Form des Vorderkörpers 211 zustande kommt. Ferner ist der gesamte Ultraschallwandler 21 in dieser Ausführung rotationssymmetrisch aufgebaut, was bedeutet dass sowohl der Querschnitt des Vorderkörpers 211, der Querschnitt des Wandlerelements 212 als auch der Querschnitt des Rückkörpers 213 eine Kreisform ausbilden. Alternativ dazu kann der Querschnitt eines dieser Bauteile oder aller dieser Bauteile auch eine Ellipsenform, eine Rechteckform, insbesondere einer Quadratform oder der Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, oder eine Kombination aus den vorhergehend genannten geometrischen Formen aufweisen. Entsprechend weist die Stirnseite 2111 oder Stirnbereich 2111 des Vorderkörpers 211 ebenfalls eine Kreisform auf, wodurch die Stirnseite 2111 des Vorderkörpers 211 bei dieser Ausführungsform die Form einer Scheibe einnimmt. Die Aussparung 221 der Membran 22 entspricht dabei der Querschnittsform der Stirnseite 2111 des Vorderkörpers 211. So kann beispielsweise der Resonanzkörper 211, 213 bei dieser Ausführungsform aus einem Vorderkörper 211 aus einer polymergefüllten Wabenstruktur und aus einem Rückkörper 213 aus einem mit Keramikteilchen gefüllten Polymerwerkstoff aufgebaut sein. Die Wabenstruktur kann beispielsweise aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium, gebildet und mit ein Polymer, wie zum Beispiel Epoxid, gefüllt werden. Da die Schwingungsdämpfung am Übergang vom Metall zum Polymer besonders groß ist, sind solche Anordnungen zu bevorzugen, die bezogen auf das Volumen des Gesamtkörpers eine große Gesamtfläche dieser Übergangsfläche besitzen.
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Schließlich ist in 3 eine Umfeldsensiereinrichtung 3 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht in einem nicht aktivierten Zustand gezeigt. Die Umfeldsensiereinrichtung 3 umfasst einen Ultraschallwandler 31 und eine Membran 32, wobei der Ultraschallwandler 31 aus einer Verbindung aus einem Vorderkörper 311, einem Wandlerelement 312 und einem Rückkörper 313 besteht. Der Vorderkörper 311 ist mit einer der Membran 32 zugewandten Stirnseite 3111 mit der Membran 32 gekoppelt. Die Membran 32 ist wie in den vorhergehenden Ausführungsformen in einem Kontaktbereich zwischen Stirnseite 3111 und Membran 32 dünner ausgebildet als außerhalb des Kontaktbereichs, so dass der Vorderkörper 311 im Kontaktbereich in einer Aussparung 321 in der Membran 32 zumindest teilweise versenkt ist. Der Vorderkörper 311 ist in der dritten bevorzugten Ausführungsform im Schnitt in einer prinzipiellen Doppel-T-Form ausgebildet, wobei die Stirnseite 3111 des Vorderkörpers 311 plattenförmig vorliegt. Der Ultraschallwandler 31 hat dabei prinzipiell denselben Aufbau wie der Ultraschallwandler 21 der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei der Durchmesser des Querschnitts der Stirnseite 3111 größer als der Querschnitt eines Mittelteils 3112 des Vorderkörpers 311 und in etwa gleich groß wie der Querschnitt einer Rückseite 3113 des Vorderkörpers 31 ist, und wobei jeweils zwischen Stirnseite 3111 und Mittelteil 3112 sowie zwischen Mittelteil 3112 und Rückseite 3113 des Vorderkörpers 311 ein Absatz vorgesehen ist, so dass eine Doppel-T-Form des Vorderkörpers 311 entsteht. Um eine Dämpfung durch Kompositwerkstoffe zu erreichen, ist der Resonanzkörper 311, 313 bei dieser Ausführungsform aus einem Vorderkörper 311 aus Aluminium mit zugemischten dämpfungssteigernden Materialien, wie zum Beispiel gelgefüllten Kugeln, und aus einem Rückkörper 313 aus einem Polypropylen mit eingebetteten Glasfasern aufgebaut. Um die dadurch bereitgestellte Dämpfungseigenschaft der Umfeldsensiereinrichtung 3 noch zu verstärken, sind bei dieser bevorzugten Ausführungsform ferner zwischen der Stirnseite 3111 und der Rückseite 3113 des Vorderkörpers 311, also an dem Mittelteil 3112 Vorsprünge in Form von Rippen 3114 beziehungsweise in Form einer hervorstehenden Rippenstruktur 3114 vorgesehen. Die Rippenstruktur 3114 ist durch einen Dämpfungsmechanismus 4 innerhalb eines Dämpfungsmaterialbehälters 41 von einem Dämpfungsmaterial 42 so umschlossen, dass die Rippen 3114 und damit der gesamte Vorderkörper 311 in dem Dämpfungsmaterial 42 schwingungsdämpfend gelagert ist. Der Dämpfungsmaterialbehälter 41 ist an der Membran 32 befestigt, beispielsweise durch Klebung, so dass die Aussparung 321 der Membran 32 zusammen mit dem Ultraschallwandler 31 vollständig eingeschlossen ist. Wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die Stirnseite 3111 oder Stirnbereich 3111 des Vorderkörpers 311 eine Kreisform auf, wodurch die Stirnseite 3111 des Vorderkörpers 311 bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Form einer Scheibe einnimmt. Die Aussparung 321 der Membran 32 entspricht dabei der Querschnittsform der Stirnseite 3111 des Vorderkörpers 311.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007046031 A1 [0003]
