DE102022107321A1

DE102022107321A1 - Ultraschallsensor mit kapazitativer Erfassung eines Blindbereichs

Info

Publication number: DE102022107321A1
Application number: DE102022107321.1A
Authority: DE
Inventors: Philipp Maurer; Bastian Hafner; Jose Renan Veliz Argueta; Thomas Frintz
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (12) für ein Fahrzeug (10) mit einem Grundkörper (24), und einem an dem Grundkörper (24) angebrachten Membrantopf (36) mit einer Membran (38) zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos, wobei eine Gehäuseelektrode (50) seitlich neben dem Membrantopf (36) angeordnet ist, die zusammen mit dem Membrantopf (36) als Gegenelektrode einen Messkondensator (52) bildet, und der Ultraschallsensor (12) eine Auswerteelektronik (54) umfasst, die mit einem Referenzkondensator (56) verbunden ist, wobei die Auswerteelektronik (54) eine Änderung der Kapazität des Messkondensators (52) im Vergleich zu dem Referenzkondensator (56) erfasst und beim Überschreiten eines Grenzwertes ein Signal ausgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Fahrzeug mit einem Grundkörper, und einem an dem Grundkörper angebrachten Membrantopf mit einer Membran zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos.
Ultraschallsensoren senden Ultraschallpulse aus und empfangen Reflektionen der ausgesendeten Ultraschalpulse als Ultraschallechos. Anhand der empfangenen Ultraschallechos können Objekte/Hindernisse in der Umgebung erfasst werden. Dabei ist es üblich, dass ein Ultraschallsensor zunächst Ultraschalpulse aussendet und jeweils im Anschluss die Ultraschallechos der von ihm ausgesendeten Ultraschalpulse empfängt. Dabei existiert ein Blindbereich im Ultranahbereich, in dem eine Auswertung von empfangenen Ultraschallechos nicht möglich ist. Dieser Blindbereich erstreckt sich typischerweise in einem Bereich bis ca. 15-20 cm Abstand von dem Ultraschallsensor, im Detail von dessen Membran. Der Blindbereich entsteht durch das Nachschwingen der Membran nach der Anregung eines Ultraschallpulses. In dieser Zeit ist die Schwingungsamplitude der Membran wesentlich größer als die Amplitude beim Empfangen von Signalen, sodass die Empfangsstrecke übersteuert.
Dieses im Stand der Technik auftretende Problem ist in 1 dargestellt. Die 1 zeigt einen Verlauf einer Auslenkung 100 der Membran des Ultraschallsensors beim Senden und Empfangen über die Zeit. Ein Bereich 102 korrespondiert mit dem Aussenden von einem Ultraschallpuls, an den sich eine Abklingzeit 104 der Membran anschließt. Der Bereich 102 und die Abklingzeit 104 ergeben zusammen den Blindbereich, in dem keine Ultraschallechos 106 erkannt werden können. Im Weiteren zeitlichen Verlauf empfängt der Ultraschallsensor Ultraschallechos 106, wobei in 1 mehrere Ultraschallechos 106 empfangen werden. Die Auslenkung der Membran, d.h. die Pegel der Ultraschallechos 106, werden mit Grenzwerten 108 verglichen, und wenn der Pegel eines Ultraschallechos 106 größer als der jeweilige Grenzwert 108 ist, entspricht dies einer Erkennung eines Objekts durch den Ultraschallsensor. Die Zeit bis zum Empfang des jeweiligen Ultraschallechos 106, auch als „time of flight“ bezeichnet, gibt die Zeit vom Aussenden eines Ultraschallpulses bis zum Empfang des jeweiligen Ultraschallechos 106 an, woraus zusammen mit der Schallgeschwindigkeit in Luft der Abstand zu dem Objekt, an dem das Ultraschallecho 106 erzeugt wurde, ermittelt werden kann.
Der Blindbereich ist sehr nachteilig bei der Verwendung von Ultraschallsensoren an Fahrzeugen, da Objekte in unmittelbarer Nähe eines Ultraschallsensors und damit auch in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs nicht erkannt werden können, auch wenn sie relevante Hindernisse für das Fahrzeug darstellen und ein Kontakt damit zu Schäden oder - im Fall von Personen - zu Verletzungen führen kann. Dies ist insbesondere beim Starten des Fahrzeugs relevant, wenn nicht nachverfolgt werden kann, ob sich ein Objekt zunächst an den Ultraschallsensor annähert und dann möglicherweise in den Blindbereich eintritt, sondern sich ein Objekt bereits unkontrolliert im Blindbereich befindet.
Zwar ist es auch bekannt, dass Ultraschallsensoren Ultraschallechos basierend auf von benachbarten Ultraschallsensoren ausgesendeten Ultraschallpulsen empfangen. Aufgrund der typischen Abstände der benachbarten Ultraschallsensoren von oftmals mehr als 30 Zentimetern ist dies aber nicht hilfreich, um Objekte im Ultranahbereich vor Ultraschallsensoren zu erfassen.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor der oben genannten Art anzugeben, der eine Erkennung von Hindernissen in Ultranahbereich ermöglicht bzw. der keinen oder einem möglichst kleinen Blindbereich aufweist, wobei der Ultraschallsensor einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit ein Ultraschallsensor für ein Fahrzeug angegeben mit einem Grundkörper, und einem an dem Grundkörper angebrachten Membrantopf mit einer Membran zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos, wobei eine Gehäuseelektrode seitlich neben dem Membrantopf angeordnet ist, die zusammen mit dem Membrantopf als Gegenelektrode einen Messkondensator bildet, und der Ultraschallsensor eine Auswerteelektronik umfasst, die mit einem Referenzkondensator verbunden ist, wobei die Auswerteelektronik eine Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator erfasst und beim Überschreiten eines Grenzwertes ein Signal ausgibt.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, eine möglichst einfache und vollständige Umgebungserfassung in einem Nahbereich mit einem Ultraschallsensor zu ermöglichen, wobei ein Blindbereich in Bezug auf Ultraschallsignale in einem Ultranahbereich des Ultraschallsensors durch einen in den Ultraschallsensor integrierten kapazitativen Sensor überwacht wird und damit erfasst werden kann. Es ergibt sich eine integrale Bereitstellung des Ultraschallsensors mit einer zusätzlichen kapazitativen Erfassung von Objekten in dem Blindbereich für die Ultraschallsignale. Die Integration des kapazitativen Sensors in den Ultraschallsensor kann besonders einfach durchgeführt werden, wenn der Membrantopf die Gegenelektrode bildet, so dass nur noch eine weitere Elektrode, die Gehäuseelektrode, für den Referenzkondensator zusätzlich bereitgestellt werden muss. Der Membrantopf kann besonders einfach die Gegenelektrode bilden, da er typischerweise aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, hergestellt ist. Allerdings kann der Membrantopf auch aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material hergestellt sein und beispielsweise eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen. Die Gehäuseelektrode wird benachbart zu dem Membrantopf angeordnet, beispielsweise an dem Gehäuse, wobei das Gehäuse einzelne, separate Komponenten aufweisen kann, an denen die Gehäuseelektrode vorgesehen ist, oder welche die Gehäuseelektrode bilden. Die Auswerteelektronik kontaktiert die beiden Elektroden, um die Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator zu erfassen. Die Änderung der Kapazität des Messkondensators bei Vorhandensein eines Objekts basiert darauf, dass das Objekt typischerweise einen anderen Dielektrizitätswert aufweist als die umgebende Luft, wodurch sich die Kapazität des Messkondensators ändert. Dies kann bei einem geladenen Messkondensator erfasst werden, indem er seine Ladung oder seine Spannung ändert, wie auch beim Laden/Entladen des Messkondensators durch entsprechend geänderte Lade-/Entladeströme bzw. Spannungsverläufe beim Laden/Entladen. Die Auswertung kann einfach durchgeführt werden, indem lediglich beim Überschreiten des Grenzwertes für die Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator ein entsprechendes Signal ausgegeben wird. Das Vorhandensein eines Objekts in dem Blindbereich ist ausreichend für die Verarbeitung in einem Fahrzeug. Weitergehende Informationen wie beispielsweise ein Abstand oder eine Größe des Objekts sind nicht erforderlich. Das Fahren des Fahrzeugs in die Richtung, in der ein Objekt in dem Blindbereich erfasst wird, kann somit verhindert werden. Vorliegend ist eine einfache Ausführung der Auswerteelektronik besonders vorteilhaft, um einen einfachen Ultraschallsensor bereitzustellen.
Das Prinzip der Erfassung von Objekten mit Ultraschallsensoren und der Aufbau solcher Ultraschallsensoren sind als solches bekannt und müssen nicht im Detail erläutert werden. Der detaillierte Aufbau der Ultraschallsensoren kann dabei variieren. Vorliegend ist wichtig, dass der Membrantopf mit der Membran die Gegenelektrode bildet, und dass der Ultraschallsensor einen prinzipiell beliebig geformten Grundkörper aufweist, an dem der Membrantopf angebracht ist. Die Membran, über die Ultraschallpulse ausgesendet und Ultraschallechos der ausgesendeten Ultraschallpulse empfangen werden, kann beispielsweise in einen Bodenbereich des Membrantopfes ausgebildet sein. Die Gehäuseelektrode ist seitlich neben dem Membrantopf angeordnet, um den Messkondensator zu bilden. Feldlinien können sich zwischen den Elektroden erstrecken. Insbesondere ein Bereich vor dem Membrantopf ist dabei relevant, da sich dort der Blindbereich des Ultraschallsensors befindet, der durch die kapazitative Erfassung von Objekten überwacht werden soll.
Die Auswerteelektronik ist mit dem Referenzkondensator und dem Messkondensator verbunden, um den Vergleich der Kapazitäten der beiden Kondensatoren durchführen zu können und eine relative Änderung zu erfassen. Der Referenzkondensator ist vorzugsweise innerhalb des Grundkörpers angeordnet, beispielsweise als vorgefertigtes Bauteil. Vorzugsweise weisen der Referenzkondensator und der Messkondensator eine näherungsweise gleiche Kapazität auf, wodurch die Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator einfach erfasst werden kann. Um eine einfache Integration in den Ultraschallsensor zu ermöglichen ist weiterhin bevorzugt, dass der Kapazitätswert des Referenzkondensators klein ist, so dass der Referenzkondensator wenig Bauraum erfordert. Unterschiede zwischen den Kapazitätswerten der Kondensatoren können beispielsweise über den Grenzwert einfach berücksichtigt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umgibt die Gehäuseelektrode den Membrantopf ringförmig. Dabei kann die Gehäuseelektrode eine Form in Übereinstimmung mit einer Grundform des Membrantopfes aufweisen. Beispielsweise kann die Gehäuseelektrode bei einem kreiszylindrischen Membrantopf, d.h. einem Membrantopf mit einer runden Grundform, eine Kreisringform aufweisen. Die Gehäuseelektrode kann den Membrantopf konzentrisch umgeben. Entsprechendes gilt bei einem Membrantopf mit einer quadratischen, rechteckigen oder ovalen Grundform. Eine solche Elektrode kann eine große Elektrodenfläche aufweisen und einfach realisiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Ultraschallsensor einen Sensordeckel auf, mit dem der Membrantopf an dem Grundkörper angebracht ist, wobei der Sensordeckel den Membrantopf zumindest teilweise seitlich umgibt, und die Gehäuseelektrode ist auf dem Sensordeckel angeordnet. Der Sensordeckel kann verwendet werden, um den Membrantopf an dem Grundgehäuse zu fixieren. Der Sensordeckel kann einfach mit der Gehäuseelektrode ausgebildet werden, wobei die Gehäuseelektrode vor oder auch nach der Montage des Sensordeckels darauf angebracht werden kann. Alternativ kann die Gehäuseelektrode durch einen metallischen oder teilweise metallischen Sensordeckel gebildet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Ultraschallsensor zusätzlich eine Schirmelektrode auf, welche bezogen auf den Membrantopf außenseitig von der Gehäuseelektrode angeordnet ist. Die Gehäuseelektrode ist somit zwischen der Schirmelektrode und dem Membrantopf angeordnet. Die Schirmelektrode bewirkt eine außenseitige Abschirmung der Gehäuseelektrode, so dass deren Feldlinien auf einen Bereich vor dem Ultraschallsensor, d.h. dem Blindbereich des Ultraschallsensors, konzentriert werden. Dadurch kann der Messkondensator mit einem kleinen Kapazitätswert bereitgestellt werden. Die Schirmelektrode ist vorzugsweise ebenfalls mit dem Membrantopf elektrisch verbunden, um einen entsprechenden Schirmkondensator zu bilden. Beim Laden bzw. Entladen des Messkondensators wird der Schirmkondensator vorzugsweise auf die gleiche Weise geladen bzw. entladen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseelektrode als Beschichtung auf dem Grundkörper oder dem Sensordeckel ausgeführt, insbesondere durch Bedampfen. Durch eine solche Beschichtung kann mit geringem Materialeinsatz die Gehäuseelektrode bereitgestellt werden. Auch kann die Gehäuseelektrode einfach realisiert werden. Entsprechendes gilt vorzugsweise für die Bereitstellung einer Schirmelektrode, soweit vorhanden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteelektronik ausgeführt, den Messkondensator und den Referenzkondensator an eine Lade- und/oder Entladespannung anzuschließen und durch eine Änderung beim Laden und/oder Entladen des Messkondensators verglichen mit dem Referenzkondensator eine Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator zu erfassen. Vorzugsweise ist eine vorhandene Schirmelektrode bzw. ein mit einer Schirmelektrode gebildeter Schirmkondensator parallel zu der Gehäuseelektrode an die Lade- und/oder Entladespannung angeschlossen. Vorzugsweise werden der Messkondensator und der Referenzkondensator parallel und gleichzeitig an die Lade- und/oder Entladespannung angeschlossen. Vorzugsweise werden der Messkondensator und der Referenzkondensator wiederholend an die Lade- und/oder Entladespannung angeschlossen. Beim Laden bzw. Entladen kann eine Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator einfach erfasst werden. Vorzugsweise werden der Messkondensator und der Referenzkondensator an eine alternierend Lade- und Entladespannung angeschlossen, d.h. es erfolgt ein kontinuierlicher Wechsel zwischen Laden und Entladen der Kondensatoren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Ultraschallsensor einen Ultraschalltreiber zur Erzeugung von Ansteuersignalen zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen auf, und die Auswerteelektronik ist ausgeführt, den Messkondensator und den Referenzkondensator über den Ultraschalltreiber an die Lade- und/oder Entladespannung anzuschließen. Der Ultraschalltreiber kann also zusätzlich zu seiner Funktion zum Erzeugen der Ansteuersignale zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen außerdem zum Laden und/oder Entladen des Messkondensators und des Referenzkondensators verwendet werden. Durch diese doppelte Funktion des Ultraschalltreibers kann der Ultraschallsensor insgesamt sehr einfach und kostengünstig um die Funktion zur kapazitativen Überwachung des Blindbereichs erweitert werden. Außerdem ist eine Integration der kapazitativen Überwachung des Blindbereichs in den bestehenden Ultraschallsensor einfach möglich, da ein Bedarf an zusätzlichem Bauraum reduziert werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist/sind die Auswerteelektronik und/oder der Referenzkondensator als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgeführt. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ermöglicht eine einfache Implementierung der Auswerteelektronik und/oder des Referenzkondensators in dem Ultraschallsensor, wobei die Anzahl an erforderlichen Komponenten auf ein Minimum reduziert werden kann. Solche ASICs sind außerdem kostengünstig verfügbar. Auch eine Realisierung von Kapazitätswerten in der Größenordnung von beispielsweise bis zu 50 pF, beispielsweise etwa 30 pF, für den Referenzkondensator kann mit einem ASIC einfach in integraler Weise realisiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Ultraschallsensor eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung auf, insbesondere zur Ansteuerung der Membran zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen und/oder zur Verarbeitung von über die Membran empfangenen Ultraschallechos, und die anwendungsspezifische integrierte Schaltung weist die Auswerteelektronik und/oder den Referenzkondensator auf. Somit kann eine integrale Bereitstellung der Auswerteelektronik und/oder des Referenzkondensators mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), die der Ultraschallsensor aufweist, durchgeführt werden. Entsprechende ASICs weisen als Standardbausteine oftmals freie Ressourcen auf, die für die Bereitstellung der Auswerteelektronik und/oder des Referenzkondensators verwendet werden können. Dadurch kann der Ultraschallsensor besonders einfach um die Funktion zur kapazitativen Überwachung seines Blindbereichs erweitert werden. Im günstigsten Fall können sowohl die Auswerteelektronik als auch der Referenzkondensator in die anwendungsspezifische integrierte Schaltung des Ultraschallsensors integriert werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung des Ultraschallsensors wird typischerweise zur Realisierung eines Verstärkers und weiterer Komponenten verwendet. Mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung kann eine vollständige Verarbeitungsstrecke zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran empfangene Ultraschallechos realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung beispielsweise eine Treiberschaltung zur Erzeugung der Ultraschallpulse realisiert werden. Diese anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen ermöglichen eine einfache Bereitstellung beispielsweise einer Verstärkerschaltung mit gewünschten Eigenschaften. Die anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen basieren typischerweise auf Standarddesigns, was es ermöglicht, zusätzliche Funktionen einfach bereitzustellen, ohne zusätzliche ASICs verwenden zu müssen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteelektronik integraler Bestandteil einer Verarbeitungsstrecke zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran empfangene Ultraschallechos. Es erfolgt eine weitgehende gemeinsame Nutzung von Komponenten des Ultraschallsensors für die zusätzliche Funktion der kapazitativen Erfassung von Objekten im Ultranahbereich/Blindbereich des Ultraschallsensors, wodurch der Ultraschallsensor besonders einfach um die Funktion zur kapazitativen Überwachung seines Blindbereichs erweitert werden kann. Die Erfassung einer Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator kann einfach mit der Verarbeitungsstrecke oder zumindest Teilen davon durchgeführt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Auswerteelektronik wenigstens einen Schalter oder steuert wenigstens einen Schalter an, wobei der Ultraschallsensor über den wenigstens einen Schalter zwischen einer Erfassung einer Änderung der Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu dem Referenzkondensator und einer Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran empfangene Ultraschallechos umschaltbar ist. Über den wenigstens einen Schalter können verschiedene Funktionen der Auswerteelektronik realisiert werden, beispielsweise zur Erzeugung einer Lade-/Entladespannung mit wechselnden Spannungspegeln, zum Verbinden einer Lade-/Entladespannung mit wechselnden Spannungspegeln mit dem Messkondensator und dem Referenzkondensator und/oder zum Umschalten der Verarbeitungsstrecke zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran empfangene Ultraschallechos für die zusätzliche Funktion der kapazitativen Erfassung von Objekten im Ultranahbereich des Ultraschallsensors. Der wenigstens eine Schalter kann als Multiplexer realisiert sein. Der wenigstens eine Schalter kann Teil der Auswerteelektronik sein, oder von dieser angesteuert werden, um seine Schaltfunktion zu realisieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseelektrode in einer gemeinsamen Ebene mit einer Bodenfläche des Membrantopfes angeordnet. Eine solche Ausgestaltung des Ultraschallsensors ermöglicht eine vorteilhafte Realisierung des Messkondensators, da Feldlinien sich besonders gut in den Blindbereich erstrecken. Dadurch kann der Messkondensator mit einer geringen Kapazität realisiert werden. Die Anordnung der Gehäuseelektrode in der gemeinsamen Ebene mit der Bodenfläche des Membrantopfes kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung des Grundgehäuses oder eines Sensordeckels zur Anbringung des Membrantopfes an dem Grundkörper realisiert werden. Der Membrantopf wird somit zumindest teilweise seitlich von dem Grundgehäuse bzw. dem Sensordeckel eingefasst.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt

1 einen Verlauf einer Auslenkung über die Zeit einer Membran eines Ultraschallsensors aus dem Stand der Technik vom Aussenden eines Ultraschalpulses bis zum Empfang von Ultraschallechos,
2 ein Fahrzeug mit einer Mehrzahl Ultraschallsensoren als Teil eines Umgebungserfassungssystems gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform,
3 ein detaillierte Schnittansicht eines der Ultraschallsensoren aus 2
4 eine seitliche Ansicht des Ultraschallsensors aus 3 mit einem Sensordeckel, mit dem der Membrantopf an dem Grundkörper angebracht ist, und einer auf dem Sensordeckel angeordneten Gehäuseelektrode,
5 eine Frontalansicht des Ultraschallsensors aus 4 mit der auf dem Sensordeckel angeordneten Gehäuseelektrode,
6 eine schematische, seitliche Ansicht des Ultraschallsensors aus 3 mit einem angedeuteten Verlauf von Feldlinien ohne Objekt in dem Blindbereich des Ultraschallsensors,
7 eine schematische, seitliche Ansicht des Ultraschallsensors aus 3 mit einem angedeuteten Verlauf von Feldlinien mit einem Objekt in dem Blindbereich des Ultraschallsensors,
8 eine beispielhafte, schematische Darstellung einer für den Ultraschallsensor aus 3 gebildeten Schaltung mit einem mit der Gehäuseelektrode gebildeten Messkondensator, einem Kapazität-Digitalwandler (CDC) und einer Erregerschaltung, die mit dem Messkondensator gekoppelt ist, in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
9 eine beispielhafte, schematische Darstellung einer für den Ultraschallsensor aus 3 gebildeten Schaltung mit einem mit der Gehäuseelektrode gebildeten Messkondensator, einem Kapazität-Digitalwandler (CDC) und einer Erregerschaltung, wobei der Messkondensator auf eine alternative Weise mit der Erregerschaltung gekoppelt ist,
10 eine beispielhafte, schematische Darstellung einer für den Ultraschallsensor aus 3 gebildeten Schaltung mit zwei mit Gehäuseelektroden gebildeten Messkondensatoren, einem Kapazität-Digitalwandler (CDC) und einer Erregerschaltung, wobei die Messkondensatoren mit der Erregerschaltung gekoppelt sind, gemäß einer weiter alternativen Ausführungsform,
11 einen schematischen Verlauf einer Ladung des Messkondensators mit einer rechteckigen Erregerspannung,
12 eine schematische Darstellung einer Auswerteelektronik des Ultraschallsensors aus 3,
13 eine schematische Darstellung einer Verarbeitungsstrecke des Ultraschallsensors aus 3 zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran empfangene Ultraschallechos, die integral mit der Auswerteelektronik aus 12 ausgeführt ist,
14 eine schematische, seitliche Ansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer Gehäuseelektrode und einer zusätzlichen Schirmelektrode, die auf einem Sensordeckel angeordnet sind,
15 eine Frontalansicht des Ultraschallsensors aus 14 mit der Gehäuseelektrode und der Schirmelektrode, die auf dem Sensordeckel angeordnet sind, und
16 eine schematische, seitliche Schnittansicht eines Ultraschallsensors gemäß einer dritten Ausführungsform mit einer Gehäuseelektrode und einer zusätzlichen Schirmelektrode, die auf einem Sensordeckel angeordnet sind, wobei die Gehäuseelektrode und die Schirmelektrode in einer gemeinsamen Ebene mit einer Bodenfläche des Membrantopfes angeordnet sind.

Die 2 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer Mehrzahl Ultraschallsensoren 12 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform.
Die Ultraschallsensoren 12 sind hier Teil eines Umgebungserfassungssystems 14 mit einer Steuereinheit 16, die über einen Datenbus 18 mit den Ultraschallsensoren 12 verbunden ist, zur Überwachung einer Umgebung 20 des Fahrzeugs 10. Vier Ultraschallsensoren 12 sind hier beispielhaft in einer Gruppe entlang einer Vorderseite 22 des Fahrzeugs 10 angeordnet.
Die Ultraschallsensoren 14 senden ihre Sensorinformationen über den Datenbus 18 an die Steuereinheit 16, welche die Sensorinformationen empfängt und verarbeitet, um die Umgebung 20 des Fahrzeugs 10 zu erfassen. Die Steuereinheit 16 ist eine Datenverarbeitungseinheit mit einem Prozessor und einem Speicher, um ein darin gespeichertes Programm auszuführen. Solche Steuereinheiten 16 sind im Automobilbereich auch als „electronic control unit“ (ECU) bekannt. Für den Datenbus 18 können unterschiedliche Topologien und für die Datenübertragung darüber können unterschiedliche Protokolle verwendet werden, die als solche im Stand der Technik bekannt sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Datenbus 18 beispielsweise nach einem der Standards CAN, FlexRay, oder LIN ausgeführt.
Die Ultraschallsensoren sind identisch ausgeführt. Einer der Ultraschallsensoren 12 ist beispielhaft im Detail in 3 dargestellt. Der Ultraschallsensor 12 umfasst einen Grundkörper 24 mit einem daran seitlich ausgebildeten Stecker 26. Der Stecker 26 weist elektrische Kontakte 28 zum Anschluss des Ultraschallsensors 12 an den Datenbus 18 auf.
In dem Grundkörper 24 ist eine Sensorelektronik 30 angeordnet. Die Sensorelektronik 30 umfasst eine Leiterplatte, auf der einzelne elektrische Komponenten angeordnet sind. Die Sensorelektronik 30 ist mit den elektrischen Kontakten 28 verbunden und kann über die elektrischen Kontakte 18 mit der Steuereinheit 16 des Fahrzeugs 10 kommunizieren. Ein Abschirmblech 32 bewirkt eine elektrische Abschirmung der Sensorelektronik 30. Das Abschirmblech 32 ist mit der Leiterplatte der Sensorelektronik 30 elektrisch verbunden und ebenfalls in dem Grundkörper 24 angeordnet. Der Grundkörper 24 ist rückseitig mit einem Deckel 34 verschlossen.
Der Ultraschallsensor 12 umfasst außerdem einen Membrantopf 36, dessen Boden mit einer Membran 38 zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos ausgeführt ist. Der Membrantopf 36 ist hier beispielhaft aus Aluminium hergestellt. In dem Membrantopf 36 ist innenseitig ein Piezoelement 40 auf die Membran 38 geklebt. Das Piezoelement 40 ist über Kontaktleitungen 42 mit der Sensorelektronik 30 elektrisch verbunden. Der Membrantopf 36 ist mit einem Sensordeckel 44 an dem Grundkörper 24 angebracht, beispielsweise verrastet. An dem Sensordeckel 44 ist ein äußerer Dichtring 46 aus Silikon eingespritzt, der eine Abdichtung zwischen dem Sensordeckel 44 und dem Membrantopf 36 bewirkt und zusätzlich den Membrantopf 36 von dem Sensordeckel 44 mechanisch entkoppelt. Ein in dem Membrantopf 36 ausgebildeter Hohlraum 48 ist mit einem nicht gezeigten Dämpfungsmaterial teilweise verfüllt.
Die Membran 38 dient zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos. Eine Ansteuerung des Piezoelements 40 durch die Sensorelektronik 30 bewirkt eine Wandlung von elektrischer Energie in eine Verformung des Piezoelements 40 zur Abstrahlung der Ultraschallsignale über die Membran 38. Beim Empfangen von Ultraschallechos über die Membran 38 wird umgekehrt eine Verformung des Piezoelements 40 in elektrische Signale gewandelt, welche an die Sensorelektronik 30 übertragen werden. Die Sensorelektronik 30 steuert die Erzeugung und Abstrahlung der Ultraschallpulse und wertet die empfangenen Ultraschallechos aus, beispielsweise durch einen Vergleich mit einem Schwellwert für einen Pegel des empfangenen Ultraschallechos.
Wie sich aus den 4 bis 7 ergibt, ist neben dem Membrantopf 36 auf dem Sensordeckel 44 eine Gehäuseelektrode 50 angeordnet. Die Gehäuseelektrode 50 umgibt den Membrantopf 36 kreisringförmig als konzentrischer angeordneter Ring. Die Gehäuseelektrode 50 ist als Beschichtung auf dem Sensordeckel 44 ausgeführt und durch Bedampfen aufgebracht. Die Gehäuseelektrode 50 bildet zusammen mit dem Membrantopf 36 als Gegenelektrode einen Messkondensator 52, der in den 6 und 7 schematisch dargestellt ist.
Der Ultraschallsensor 12 umfasst unter Bezug auf 12 außerdem eine Auswerteelektronik 54 und einen Referenzkondensator 56, wobei die Auswerteelektronik 54 mit dem Messkondensator 52 und mit dem Referenzkondensator 56 verbunden ist. Der Messkondensator 52 und der Referenzkondensator 56 weisen eine näherungsweise gleiche Kapazität von 30 pF auf.
Die Auswerteelektronik 54 umfasst mehrere Schalter 58, wie in 12 dargestellt ist. Über die Schalter 58 ist der Ultraschallsensor 12 zwischen einer Erfassung einer Änderung der Kapazität des Messkondensators 52 im Vergleich zu dem Referenzkondensator 56 und einer Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran 38 empfangene Ultraschallechos umschaltbar, wie nachstehend im Detail ausgeführt ist. 12 zeigt, dass über die Schalter 58 ausgehend von einer positiven und einer negativen Versorgungsspannung V_REF eine Lade- und Entladespannung wechselweise an den Referenzkondensator 56 angelegt wird in Übereinstimmung mit einer von einer Spannungserzeugungseinheit 60 erzeugten Lade- und Entladespannung. Ein Verlauf der Lade- und Entladespannung U_L ist in 11 schematisch gezeigt, wobei dort auch der Verlauf der Kondensatorspannung U_C beim Laden und Entladen der Kondensatoren 52, 56 schematisch dargestellt ist. Außerdem können der Messkondensator 52 wie auch der Referenzkondensator 56 über Schalter 58 wahlweise mit Masse verbunden werden oder mit einem Eingang eines Integrators 62. Ein Ausgangssignal des Integrators 62 wird einem Komparator 64 zugeführt, dessen Ausgang mit einem digitalen Filter 66 verbunden ist. Von dem Ausgang des Komparators 64 ist außerdem eine Rückkopplung 68 zu der Erzeugung der Lade- und Entladespannung für den Referenzkondensator 56. Die Auswerteschaltung 54 ist hier als Kapazität-zu-digital-Wandler (Capacitance to Digital Converter, CDC) ausgeführt, wobei mit dem Integrator 62 und dem Komparator 64 ein Sigma-Delta-Wandler gebildet wird. Die Auswerteelektronik 54 erfasst beim Laden und/oder Entladen des Messkondensators 52 verglichen mit dem Referenzkondensator 56 eine Änderung der Kapazität des Messkondensators 52 im Vergleich zu dem Referenzkondensator 56 und gibt beim Überschreiten eines Grenzwertes ein entsprechendes Signal aus.
Die 8 bis 10 zeigen Möglichkeiten zur Verbindung der Gehäuseelektrode 50 und des Membrantopfes 36 als Gegenelektrode mit der Auswerteschaltung 54. Ein dort dargestellter CDC-Kern 70 umfasst den Wandler der Auswerteschaltung 54 und den Referenzkondensator 56. In 8 ist der Messkondensator 52 unmittelbar mit der Spannungserzeugungseinheit 60 verbunden. 9 zeigt eine alternative Verbindung des Messkondensators 52 mit Masse, wobei die Spannungserzeugungseinheit 60 über eine Schirmung mit dem Messkondensator 52 zum Laden und Entladen gekoppelt ist. In einer weiter alternativen Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist, ist der Messkondensator 52 ebenfalls mit Masse verbunden, wobei der Messkondensator 52 als Ganzes aus zwei separaten Kondensatoren 52a, 52b gebildet wird, wenn beispielsweise die Gehäuseelektrode 50 zweiteilig durch zwei Ringhälften gebildet wird. Auch hier ist die Spannungserzeugungseinheit 60 über eine Schirmung mit dem Messkondensator 52 zum Laden und Entladen gekoppelt.
In den 6 und 7 sind Verläufe von Feldlinien 72 zwischen der Gehäuseelektrode 50 und dem Membrantopf 36 als Gegenelektrode dargestellt. In 6 erstrecken sich die Feldlinien 72 ungestört durch die Luft zwischen der Gehäuseelektrode 50 und dem Membrantopf 36. In 7 befindet sich ein Objekt 74, beispielsweise ein Kunststoffstoßfänger eines anderen Fahrzeugs, mit einem von Luft verschiedenen Dielektrizitätswert, in dem Blindbereich oberhalb des Ultraschallsensors 12, wodurch die Feldlinien 72 gegenüber 6 einen anderen Verlauf aufweisen. Daraus resultiert eine Änderung der Kapazität des Messkondensators 52, die im Vergleich mit dem Referenzkondensator 56 von der Auswerteelektronik 54 erfasst wird. Sobald die Änderung einen Grenzwert für die Änderung der Kapazität des Messkondensators 52 im Vergleich zu dem Referenzkondensator 56 überschreitet, wird von der Auswerteelektronik 54 ein entsprechendes Signal ausgegeben.
13 zeigt eine Integration der Auswerteelektronik 54 mit dem Referenzkondensator 56 in eine Verarbeitungsstrecke 76 des Ultraschallsensors 12 zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran 38 empfangene Ultraschallechos. Der Ultraschallsensor 12 umfasst weiterhin eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 80, in der die Verarbeitungsstrecke 76 mit der Auswerteelektronik 54 und dem Referenzkondensator 56 integriert ist. Es ergibt sich eine integrale Bereitstellung des Ultraschallsensors 12 mit einer Ultraschallerfassung von Objekten 74 in der Umgebung und einer zusätzlichen kapazitativen Erfassung von Objekten 74 in dem Blindbereich.
Wie in 13 zu erkennen ist, ist die Auswerteelektronik 54 integraler Bestandteil der Verarbeitungsstrecke 76. Es erfolgt eine weitgehende gemeinsame Nutzung von Komponenten des Ultraschallsensors 12 für die zusätzliche Funktion der kapazitativen Erfassung von Objekten 74 im Ultranahbereich/Blindbereich des Ultraschallsensors 12. Im Detail dient die Spannungserzeugungseinheit 60 der Auswerteelektronik 54 gleichzeitig als Ultraschalltreiber 60 zur Erzeugung von Ansteuersignalen zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen. Die Auswerteelektronik 54 kann über die Schalter 58 den Messkondensator 52 und den Referenzkondensator 56 den Ultraschalltreiber / die Spannungserzeugungseinheit 60 an die Lade- und/oder Entladespannung U_L anschließen. Der Ultraschalltreiber / die Spannungserzeugungseinheit 60 dient also einerseits zum Erzeugen der Ansteuersignale zur Abstrahlung der Ultraschallpulse und andererseits zum Laden und/oder Entladen des Messkondensators 52 und des Referenzkondensators 52. Zusätzlich umfasst die Verarbeitungsstrecke 76 eine Verstärker 78 zur Verstärkung von empfangenen Ultraschallechos.
Zusätzlich erfolgt ein Umschalten des Ultraschallsensors 12 zwischen einer Erfassung einer Änderung der Kapazität des Messkondensators 52 im Vergleich zu dem Referenzkondensator 56, um den Blindbereich zu überwachen, und einer Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran 38 empfangene Ultraschallechos. Wie oben bereits ausgeführt wurde, erfolgt zusätzlich über die Schalter 58 ein Erzeugen der Lade- und Entladespannung U_L ausgehend von einem positiven und einem negativen Pegel einer Versorgungsspannung V_REF sowie ein Verbinden der Lade- und Entladespannung U_L mit dem Messkondensator 52 und dem Referenzkondensator 56. Über weitere Schalter 58 und einen Umschalter 82, der hier beispielsweise als Multiplexer ausgeführt ist aber auch durch normale Schalter 58 ersetzt werden kann, kann die Auswerteelektronik 54 mit dem Messkondensator 52, dem Referenzkondensator 56 und dem Verstärker 78 verbunden werden, um die jeweiligen Signale auszuwerten. Dadurch kann die Verarbeitungsstrecke 76 zwischen der Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran 38 empfangene Ultraschallechos und der kapazitativen Erfassung von Objekten 74 im Blindbereich des Ultraschallsensors 12 umgeschaltet werden. Ein A/D-Wandler 84 führt dabei eine Wandlung in ein digitales Ausgabesignal durch, und das digitale Signal wird mit einem Flip-Flop 86, das zusätzlich an einen Takt angeschlossen ist, an das digitale Filter 66 weitergeleitet.
Die 14 und 15 zeigen einen Ultraschallsensor 12 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Ultraschallsensor 12 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 12 der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Ultraschallsensor 12 zusätzlich eine Schirmelektrode 88 aufweist, welche bezogen auf den Membrantopf 36 außenseitig von der Gehäuseelektrode 50 angeordnet ist und diese als konzentrischen Ring umgibt. Die Schirmelektrode 88 bewirkt eine außenseitige Abschirmung der Gehäuseelektrode 50, so dass deren Feldlinien 72 auf einen Bereich vor dem Ultraschallsensor 12, d.h. den Blindbereich des Ultraschallsensors 12, konzentriert werden, wie beispielsweise für den Ultraschallsensor 12 aus 16, der ebenfalls eine Schirmelektrode 88 aufweist, explizit dargestellt ist. Die Schirmelektrode 88 ist vorzugsweise ebenfalls mit dem Membrantopf 36 gekoppelt und bildet mit diesem einen Schirmkondensator, der parallel zu dem Messkondensator 52 angeschlossen ist. Beim Laden bzw. Entladen des Messkondensators 52 wird der Schirmkondensator auf die gleiche Weise geladen bzw. entladen. Entsprechend ist die Auswerteelektronik 54 in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ausgeführt, den Schirmkondensator an die Lade- und/oder Entladespannung U_L anzuschließen.
Im Übrigen entspricht der Ultraschallsensor 12 der zweiten Ausführungsform dem Ultraschallsensor 12 der ersten Ausführungsform.
16 zeigt einen Ultraschallsensor 12 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Ultraschallsensor 12 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 12 der zweiten Ausführungsform durch die Ausgestaltung des Sensordeckels 44, der gegenüber dem Ultraschallsensor 12 der zweiten Ausführungsform eine größere Höhe aufweist, so dass die Gehäuseelektrode 50 und die Schirmelektrode 88 in einer gemeinsamen Ebene mit einer Bodenfläche 90 des Membrantopfes 36 angeordnet sind. Der Membrantopf 36 ist dadurch seitlich von dem Sensordeckel 44 eingefasst.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Ultraschallsensor
14: Umgebungserfassungssystem
16: Steuereinheit
18: Datenbus
20: Umgebung
22: Vorderseite
24: Grundkörper
26: Stecker
28: elektrischer Kontakt
30: Sensorelektronik
32: Abschirmblech
34: Deckel
36: Membrantopf, Gegenelektrode
38: Membran
40: Piezoelement
42: Kontaktleitung
44: Sensordeckel
46: äußerer Dichtring
48: Hohlraum
50: Gehäuseelektrode
52: Messkondensator
54: Auswerteelektronik
56: Referenzkondensator
58: Schalter
60: Spannungserzeugungseinheit, Ultraschalltreiber
62: Integrator
64: Komparator
66: digitales Filter
68: Rückkopplung
70: CDC Kern
72: Feldlinie
74: Objekt
76: Verarbeitungsstrecke
78: Verstärker
80: anwendungsspezifische integrierte Schaltung
82: Umschalter, Schalter
84: A/D-Wandler
86: Flip-Flop
88: Schirmelektrode
90: Bodenfläche
UL: Lade- und Entladespannung
UC: Kondensatorspannung
VREF: Versorgungsspannung
100: Verlauf einer Auslenkung (Stand der Technik)
102: Bereich Aussenden Ultraschallpuls (Stand der Technik)
104: Abklingzeit (Stand der Technik)
106: Ultraschallecho (Stand der Technik)
108: Grenzwert (Stand der Technik)

Claims

Ultraschallsensor (12) für ein Fahrzeug (10) mit einem Grundkörper (24), und einem an dem Grundkörper (24) angebrachten Membrantopf (36) mit einer Membran (38) zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfang von Ultraschallechos, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gehäuseelektrode (50) seitlich neben dem Membrantopf (36) angeordnet ist, die zusammen mit dem Membrantopf (36) als Gegenelektrode einen Messkondensator (52) bildet, und der Ultraschallsensor (12) eine Auswerteelektronik (54) umfasst, die mit einem Referenzkondensator (56) verbunden ist, wobei die Auswerteelektronik (54) eine Änderung der Kapazität des Messkondensators (52) im Vergleich zu dem Referenzkondensator (56) erfasst und beim Überschreiten eines Grenzwertes ein Signal ausgibt.
Ultraschallsensor (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseelektrode (50) den Membrantopf (36) ringförmig umgibt,
Ultraschallsensor (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (12) einen Sensordeckel (44) aufweist, mit dem der Membrantopf (36) an dem Grundkörper (24) angebracht ist, wobei der Sensordeckel (44) den Membrantopf (36) zumindest teilweise seitlich umgibt, und die Gehäuseelektrode (50) auf dem Sensordeckel (44) angeordnet ist.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (12) zusätzlich eine Schirmelektrode (88) aufweist, welche bezogen auf den Membrantopf (36) außenseitig von der Gehäuseelektrode (50) angeordnet ist.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseelektrode (50) als Beschichtung auf dem Grundkörper (24) oder dem Sensordeckel (44) ausgeführt ist, insbesondere durch Bedampfen.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (54) ausgeführt ist, den Messkondensator (52) und den Referenzkondensator (56) an eine Lade- und/oder Entladespannung (U_L) anzuschließen und durch eine Änderung beim Laden und/oder Entladen des Messkondensators (52) verglichen mit dem Referenzkondensator (56) eine Änderung der Kapazität des Messkondensators (52) im Vergleich zu dem Referenzkondensator (56) zu erfassen.
Ultraschallsensor (12) nach dem vorhergehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (12) einen Ultraschalltreiber (60) zur Erzeugung von Ansteuersignalen zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen aufweist, und die Auswerteelektronik (54) ausgeführt ist, den Messkondensator (52) und den Referenzkondensator (56) über den Ultraschalltreiber (60) an die Lade- und/oder Entladespannung (U_L) anzuschließen.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (54) und/oder der Referenzkondensator (56) als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (80) ausgeführt ist/sind.
Ultraschallsensor (12) nach dem vorhergehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (12) eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (80) aufweist, insbesondere zur Ansteuerung der Membran (38) zur Abstrahlung von Ultraschallpulsen und/oder zur Verarbeitung von über die Membran (38) empfangenen Ultraschallechos, und die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (80) die Auswerteelektronik (54) und/oder den Referenzkondensator (56) aufweist.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (54) integraler Bestandteil einer Verarbeitungsstrecke (76) zur Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran (38) empfangene Ultraschallechos ist.
Ultraschallsensor (12) nach dem vorhergehenden Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (54) wenigstens einen Schalter (58) umfasst oder wenigstens einen Schalter (58) ansteuert, wobei der Ultraschallsensor (12) über den wenigstens einen Schalter (58) zwischen einer Erfassung einer Änderung der Kapazität des Messkondensators (52) im Vergleich zu dem Referenzkondensator (56) und einer Ausgabe von Sensorinformationen für über die Membran (38) empfangene Ultraschallechos umschaltbar ist.
Ultraschallsensor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseelektrode (42) in einer gemeinsamen Ebene mit einer Bodenfläche (90) des Membrantopfes (36) angeordnet ist.