EP3010649B1 - Ultraschallwandleranordnung und kraftfahrzeug mit einer ultraschallwandleranordnung - Google Patents
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- EP3010649B1 EP3010649B1 EP14714704.5A EP14714704A EP3010649B1 EP 3010649 B1 EP3010649 B1 EP 3010649B1 EP 14714704 A EP14714704 A EP 14714704A EP 3010649 B1 EP3010649 B1 EP 3010649B1
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
Definitions
- the invention relates to an ultrasonic transducer arrangement which is set up to send and/or receive ultrasonic signals and which has at least two transducer elements which are arranged at a distance from one another and are set up to send and/or receive ultrasonic signals.
- the invention also relates to a method for producing such an ultrasonic transducer arrangement and a motor vehicle in which such an ultrasonic transducer arrangement is provided.
- converter arrangements for ultrasound-based environment sensing are used.
- these are predominantly resonant oscillators, which consist of solid bodies and one or more transducer elements.
- an acoustic transducer which comprises a so-called array of transducer elements arranged according to a 1-3 technique and the upper and lower ends of which are encapsulated in rigid polymer plates.
- the transducer elements are contacted by flexible conductors made of a polyimide material coated on both sides with a copper conductor.
- FIG. 1 shows transducer elements having a 2-2 or 1-3 structure, where elements are contacted on opposite major faces of electrodes. Passive polymer layers are provided between the piezoelectric elements contacted by the electrodes, resulting in an array structure.
- the document EP 0 973 149 A2 discloses an ultrasonic transducer array comprising a plurality of transducer elements and a backmass 84, the transducer elements being spaced apart and coupled to the backmass on one side.
- the transducer elements share a diaphragm.
- the document U.S. 2006/075818 A1 discloses a CMUT array having a plurality of transducer elements, a diaphragm and a back mass, the transducer elements being spaced apart and coupled to the diaphragm at one end. On an opposite side, the transducer elements are coupled to the back ground.
- the document U.S. 8,398,551 B2 1 shows a capacitive ultrasonic transducer array with a plurality of transducer elements, a membrane 9 and a back mass 2, the transducer elements being arranged at a distance from one another and coupled to the membrane at one end. On an opposite side, the transducer elements are coupled to the back ground.
- the documents DE 10 2010 025 194 A1 and US2010/0208553 show an ultrasonic transducer in which the bumper is used as a membrane.
- An ultrasonic transducer array with multiple transducer elements is disclosed in document DE 10 2008 016558 A1 described.
- the invention includes an ultrasonic transducer arrangement that is set up to send and/or receive ultrasonic signals, at least two transducer elements, a membrane and at least one back mass.
- the at least two transducer elements are arranged at a distance from one another.
- the at least two transducer elements are directly or indirectly coupled to the membrane at one end and at one opposite side directly or indirectly coupled to the at least one rear mass.
- a concealed mounted array sensor of a new type of contacting is advantageously proposed, which is applied to an outer skin.
- the proposed design is very simple, compact and inexpensive to implement.
- converter element is to be interpreted broadly and includes, for example, electric-acoustic converters that work according to electrostatic, magnetostrictive, piezoelectric effects or combinations of these effects.
- the transducer element can in particular be a piezoelectric element and the ultrasonic transducer arrangement can be referred to as a piezoelectric ultrasonic transducer arrangement.
- the membrane of the ultrasonic transducer arrangement is formed by an outer skin of a bumper, side mirror or door area of a motor vehicle, with the transducer elements being arranged hidden behind the outer skin.
- the membrane is preferably formed from a thin material layer, which is made from a polymer material, for example.
- the membrane preferably has a thickness of between 0.1 mm and 5 mm, particularly preferably less than 2 mm or less than 1 mm.
- the transducer elements can be coupled to the membrane directly or indirectly, but in any case in such a way that acoustic coupling is made possible to a sufficient extent, ie suitable vibrations can be transmitted.
- the coupling can be accomplished, for example, by means of a press fit, a press fit, such as by screwing in, or by gluing.
- the coupling can also take place by overmoulding the resonance body with the material of the outer skin, which can also be referred to as embedding.
- Indirect coupling can mean that a further layer of material is provided between the transducer elements and the membrane, for example a liquid such as a gel or an oil.
- the further material layer can be provided in particular to the acoustic coupling between the To optimize transducer elements and the membrane, z. B. to compensate for tolerances in the dimensions of the components or the roughness of the surfaces of the coupling partners.
- the ultrasonic transducer arrangement has 2 to 50 transducer elements.
- Efficient multi-element sensors i. H. Arrays of 2 to 50 transducer elements, provided in what is known as concealed mounting.
- the transducer elements are spaced apart by plastic composite elements.
- the plastic composite elements are arranged between the transducer elements so that they are electrically and mechanically sufficiently insulated from one another.
- this type of arrangement of the transducer elements can also be referred to as embedding in a plastic composite mass, meaning that the transducer elements are essentially completely surrounded by the plastic composite mass.
- the restriction “essentially” relates, for example, to channels provided for the necessary electrical contacting of the transducer elements.
- the converter arrangement has at least one front mass in addition to the at least one rear mass.
- the rear mass and the front mass are made of different materials Z.
- Front and/or rear masses are particularly preferably provided individually for each converter element.
- the electro-acoustic radiation emitted by the transducer elements for sensing the surroundings then preferably leaves the transducer arrangement in the direction of the end face of the transducer elements, rearward radiation is suppressed.
- the rear mass is effective as a so-called inertial mass, ie its inertia enables the introduction of force into the front body and thus also serves to dampen the vibrations in relation to the area in which no radiation is desired.
- the front mass is preferably made of a duroplastic or thermoplastic polymer or an elastomer and the back mass is made of a metal, for example aluminum, steel or brass.
- the selection of suitable materials can be determined by limitations or specifications with regard to the reception sensitivities to be achieved or transmission signal strengths of the ultrasonic transducer arrangement. In particular, however, other environmental influences, such as the Ambient temperature or the mechanical stress caused by shaking, must be taken into account in order to determine suitable materials.
- the ultrasonic transducer arrangement has electrodes for contacting the transducer elements.
- the converter elements are preferably individually electrically contacted.
- a so-called flex foil is used as at least one electrode, which is suitable for contacting the transducer elements.
- the flex film can be glued to the transducer elements, for example, by means of conductive adhesive.
- the transducer elements are coupled to a first electrode on the end face.
- the first electrode is a first flex film.
- the first electrode or flex film is also attached to the membrane.
- the first electrode or flex film is particularly preferably glued to the membrane, for example by means of a conductive adhesive.
- the front mass is glued to the first electrode or flex foil and the front mass is arranged between the transducer elements and the first electrode or flex foil.
- the front mass is preferably designed to be conductive, for example made from a conductive plastic or from a metal, such as aluminum.
- a flex film which contacts the transducer elements on their side surfaces, which is referred to as the so-called 3-1 effect.
- the transducer elements have electrodes on their side surfaces, which are in contact through the flexible foil.
- Such electrodes can be sputtered onto the transducer elements, for example.
- the flex foil can be arranged on the end face of the converter elements and can be glued to them on the one hand and to the membrane on the other hand, or it can be provided that the flex foil is provided on the opposite side of the converter elements, as a result of which they are glued to the converter elements on the one hand and on the other hand to the rear mass.
- the transducer elements are coupled to a second electrode on the opposite side.
- the second electrode is a second flex foil.
- the invention can be used in particular in such environment sensors which are provided, for example, in the front and/or rear bumper of the vehicle for the purpose of parking assistance and/or collision avoidance.
- Ultrasonic signals are usually transmitted through a medium such as air or water from an emitter to a receiver or transmitted from an emitter into an environment or ultrasonic signals reflected by an object in the environment are detected and the propagation time and/or propagation time differences and/or other variables such as For example, amplitudes and phases of the ultrasonic signals are measured.
- ultrasonic transducers are used, which can both emit ultrasonic waves and receive ultrasonic waves. However, it can also be provided to use the ultrasonic transducer only as a receiver or only as a transmitter.
- the ultrasonic transducer arrangement can be installed in an ultrasonic system that includes a group of ultrasonic sensors, wherein at least one, preferably all, ultrasonic sensors include the features of the ultrasonic transducer arrangement.
- the ultrasound system can be set up, for example, to record a partial environment of the motor vehicle.
- the ultrasonic sensors in the front area for detecting a front vehicle environment and/or the ultrasonic sensors in the side area for detecting a side area of the vehicle and/or the ultrasonic sensors in the rear area for detecting a rear area of the vehicle can each be assigned to such an ultrasonic system.
- four to six sensors are installed in a bumper, with only a maximum of four sensors being mounted with approximately the same line of sight.
- sensors are also positioned in the front bumper in such a way that they have their detection range to the left and to the right.
- sensors can also be positioned in the rear bumper in such a way that they detect an area to the left and right of the motor vehicle.
- the ultrasound system also has a control device assigned to the respective group and a signal processing device.
- ultrasonic sensors installed on the side of the front and rear bumpers can be used, as well as sensors installed in a side mirror or in a door section.
- the present invention provides an ultrasonic transducer which is also suitable for use in measuring the flow of fluid media, in particular in the intake tract and/or in the exhaust tract and/or in the exhaust gas recirculation tract and/or after a turbocharger of internal combustion engines in motor vehicles.
- the membrane of the ultrasonic transducer arrangement is formed by an outer skin of a component such as a bumper, side mirror or door area of a motor vehicle.
- the transducer elements are hidden behind the outer skin.
- a motor vehicle has a bumper, a side mirror or a door section and an ultrasonic transducer arrangement as described above, the membrane of the ultrasonic transducer arrangement being formed by an outer skin of the bumper, side mirror or door section, and the transducer elements being arranged hidden behind the outer skin are.
- the invention is defined in claim 7.
- the thickness of the outer skin of the bumper or side mirror or the door section in which the ultrasonic transducer arrangement is installed does not correspond to the above-mentioned thicknesses preferred for acoustic transmission, it can be provided that the bumper, the side mirror or the door section of the motor vehicle is designed correspondingly thinner than elsewhere in the area in which the ultrasonic transducer arrangement is to be installed.
- Local thinnings of this type can be incorporated both by subsequent machining, for example by milling, or already during the manufacturing process, for example during injection molding.
- the ultrasonic transducer arrangement 1 shown in a side sectional view according to a first embodiment of the invention comprises, for example, eight transducer elements 2 arranged next to one another at a distance from one another, which are each coupled to a membrane 4 on an end face 3 and to a rear mass 6 on an opposite side 5.
- Plastic composite elements 8 are arranged between the eight transducer elements 2 to space them apart.
- the exemplary embodiment shown comprises two flex foils 10, 12, with a first flex foil 10 being arranged between the converter elements 2 and the membrane 4 according to the invention and contacting the converter elements 2 individually at their end faces 3.
- the first flex film 10 is attached to the membrane 4 by means of a conductive adhesive 14 .
- the coupling between the first flex foil 10 and the membrane 4 can be direct or indirect, with indirect contact denoting that at least one layer of another material is arranged between the first flex foil 10 and the membrane 4 .
- the conductive adhesive 14 can be such a layer.
- layers of liquid such as oil or gel may be provided to improve acoustic coupling.
- the second flex foil 12 is arranged between the converter elements 2 and the back mass 6 and contacts the converter elements 2 individually on sides 5 which are arranged opposite the front sides 3 with respect to the membrane 4 .
- the second flex film 12 is attached to the backing mass 6 by means of a further adhesive 20 .
- the converter elements 2 form what is known as an array 15.
- at least two converter elements 2 are referred to as an array 15, which are arranged at a distance from one another and which are coupled directly or indirectly to at least one back mass 6 on the side 5 opposite the end face 3 .
- the array 15 here also includes the plastic composite elements 8, the flex foils 10, 12 and the backing mass 6.
- the membrane 4 is thinner in a contact area 32 than outside of the contact area 32, so that the array 15 in the contact area 32 in the membrane 4 is at least partially countersunk. This has the advantage that the ultrasonic transducer arrangement 1 can be designed to be sufficiently sensitive to absorb ultrasonic waves or emit sufficiently strong ultrasonic waves, and the membrane 4 outside of the contact area 32 can be made sufficiently thick.
- the ultrasonic transducer arrangement 1 not shown according to the invention in a lateral sectional view serves only for illustration and again comprises, for example, eight transducer elements 2 arranged next to one another at a distance from one another, which are each coupled to the membrane 4 on their front side 3 and to the back mass 6 on their opposite side 5.
- Plastic composite elements 8 are arranged between the eight transducer elements 2 to space them apart.
- the ultrasonic transducer arrangement 1 includes only one flex film 12, which is referred to as the second flex film 12.
- the second flex foil 12 is arranged between the converter elements 2 and the back mass 6 and contacts the converter elements 2 individually on side surfaces 7, 9, which are neither the front sides 3 nor the opposite sides 5, and form the main surfaces of the converter elements 2.
- the flex film 12 has contact surfaces 22, 24, which are guided to the side surfaces 7, 9.
- the contact surfaces 22, 24 are coated surfaces of the transducer elements 2, which are contacted by the flex film 12.
- the illustrated electrical contact transverse to the main vibration direction of the transducer element 2 is also referred to as so-called 3-1 contact.
- the converter elements 2 are attached directly to the membrane 4 by means of an adhesive 17 .
- the coupling between the transducer elements 2 and the membrane 4 can be direct or indirect, with indirect contact denoting that at least one layer of a further material is arranged between the transducer elements 2 and the membrane 4 .
- the adhesive 17 can be such a layer.
- layers of liquid such as oil or gel may be provided to improve acoustic coupling.
- the second flex film 12 is attached to the backing mass 6 by means of a further adhesive 20 .
- the array 15 includes figure 2 the transducer elements 2, the plastic composite elements 8, the second flex foil 12 and the backing mass 6. Between the array 15 and the membrane 4, as with reference to FIG figure 1 described, there is a mechanical coupling, for example by screwing or clamping the array 15 in the membrane 4, suitable means for this purpose not being shown. Provision can likewise advantageously be made for the membrane 4 to be thinner in the contact area 32 than outside the contact area 32, so that the array 15 in the contact area 32 is at least partially countersunk in the membrane 4.
- the ultrasonic transducer arrangement 1 shown in a lateral sectional view according to a second embodiment of the invention again comprises, for example, eight transducer elements 2 arranged next to one another at a distance from one another, which are each coupled to the membrane 4 on their end face 3 and to individual rear masses 6 on their opposite side 5.
- Plastic composite elements 8 are arranged between the eight transducer elements 2 to space them apart.
- the ultrasonic transducer arrangement 1 comprises a rear mass 6 and a front mass 26 for each transducer element 2, between which the respective transducer element 2 is arranged.
- the exemplary embodiment shown again comprises two flex foils 10, 12, the first flex foil 10 being arranged between the transducer elements 2 and the membrane 4 and the converter elements 2 are each individually contacted at the front masses 26, which for this purpose have conductor tracks or are made of a conductive material.
- the first flex film 10 is in turn attached to the membrane 4 by means of the conductive adhesive 14 .
- the coupling between the first flex foil 10 and the membrane 4 can be direct or indirect, as with reference to FIG figure 1 described.
- the first flex foil 10 is also attached to the front masses 26 by means of a conductive adhesive, which is not shown.
- the second flex foil 12 is arranged between the transducer elements 2 and the rear masses 6 and contacts the transducer elements 2 individually via the sides 5 opposite the end faces 3.
- the second flex foil 12 is in turn attached to the rear masses 6 by means of a second conductive adhesive 28.
- the converter elements 2 are each electrically contacted individually on the rear masses 26, which for this purpose have conductor tracks or are made of a conductive material.
- the array 15 includes in the in figure 3 illustrated embodiment, the transducer elements 2, the plastic composite elements 8, the flex foils 10, 12 and the rear masses 6. Between the array 15 and the membrane 4, as with reference to figure 1 described, there is a mechanical coupling, for example by screwing or clamping the array 15 in the membrane 4, suitable means for this purpose not being shown. In turn, it can advantageously be provided that the membrane 4 is thinner in the contact area 32 than outside of the contact area 32, so that the array 15 in the contact area 32 is at least partially countersunk in the membrane 4.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung welche eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen und welche zumindest zwei Wandlerelemente, aufweist, die voneinander beabstandet angeordnet sind und eingerichtet sind, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen.
- Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Ultraschallwandleranordnung und ein Kraftfahrzeug, in welchem eine derartige Ultraschallwandleranordnung vorgesehen ist.
- Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen, wie zum Beispiel Robotern, Landmaschinen oder Baumaschinen werden Wandleranordnungen zur ultraschallbasierten Umfeldsensierung eingesetzt. Um hohe Sendestärken und/oder Empfangsempfindlichkeiten zu erzielen, handelt es sich dabei überwiegend um resonante Schwinger, die aus Festkörpern und einem oder mehreren Wandlerelementen bestehen.
- Aus der
US 5,950,291 ist ein akustischer Wandler bekannt, welcher ein so genanntes Array von Wandlerelementen aufweist, die nach einer 1-3-Technik angeordnet sind und deren obere und untere Enden in steifen Polymerplatten verkapselt sind. Die Wandlerelemente werden durch flexible Leitungsträger kontaktiert, welche aus einem Polyimidmaterial bestehen, das auf beiden Seiten mit einem Kupferleiter beschichtet ist. -
EP 0 697 257 A2 zeigt Wandlerelemente mit einer 2-2- oder 1-3-Struktur, wobei Elemente auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen von Elektroden kontaktiert werden. Zwischen den von den Elektroden kontaktierten piezoelektrischen Elementen sind passive Polymerschichten vorgesehen, so dass sich eine Array-Struktur ergibt. - Das Dokument
EP 0 973 149 A2 offenbart ein Ultraschallwandlerarray, der eine Vielzahl von Wandlerelementen und eine Rückmasse 84 umfasst, wobei die Wandlerelemente voneinander beabstandet angeordnet sind und an einer Seite an die Rückmasse gekoppelt sind. Die Wandlerelemente teilen sich eine Membran. - Das Dokument
US 2006/075818 A1 offenbart einen CMUT Array mit einer Vielzahl von Wandlerelementen, einer Membran und einer Rückmasse, wobei die Wandlerelemente voneinander beabstandet angeordnet und an einer Stirnseite an die Membran gekoppelt sind. An einer gegenüberliegenden Seite sind die Wandlerelemente an die Rückmasse gekoppelt. - Das Dokument
US 8 398 551 B2 zeigt einen kapazitiven Ultraschallwandlerarray mit einer Mehrzahl von Wandlerelementen, einer Membran 9 und einer Rückmasse 2, wobei die Wandlerelemente voneinander beabstandet angeordnet und an einer Stirnseite an die Membran gekoppelt sind. An einer gegenüberliegenden Seite sind die Wandlerelemente an die Rückmasse gekoppelt. - Das Dokument
US 2009/0082673 A1 zeigt einen Ultraschallwandlerarray mit Wandlerelementen, wobei zur Kontaktierung der Wandlerelemente eine Flexfolie eingesetzt wird. - Die Dokumente
DE 10 2010 025 194 A1 undUS 2010/0208553 zeigen einen Ultraschallwandler, bei welcher der Stoßfänger als Membran genutzt wird. Eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen wird in dem DokumentDE 10 2008 016558 A1 beschrieben. - Die Erfindung umfasst eine Ultraschallwandleranordnung, die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, zumindest zwei Wandlerelemente, eine Membran und zumindest eine Rückmasse. Die zumindest zwei Wandlerelemente sind voneinander beabstandet angeordnet. Die zumindest zwei Wandlerelemente sind an einer Stirnseite mittelbar oder unmittelbar an die Membran gekoppelt und an einer gegenüberliegenden Seite mittelbar oder unmittelbar an die zumindest eine Rückmasse gekoppelt. Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
- Vorteilhaft wird ein verdeckt montierter Array-Sensor einer neuartigen Kontaktierungsart vorgeschlagen, welcher auf eine Außenhaut aufgebracht wird. Das vorgeschlagene Design ist sehr einfach aufgebaut, kompakt und kostengünstig umgesetzt.
- Der Begriff des Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische 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 Ultraschallwandleranordnung als eine piezoelektrische Ultraschallwandleranordnung bezeichnet werden.
- Die Membran der Ultraschallwandleranordnung ist durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet, wobei die Wandlerelemente versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind.
- Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegeben Gegenstands möglich.
- Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Membran aus einer dünnen Materialschicht gebildet ist, die beispielsweise aus einem Polymermaterial gefertigt ist. Bevorzugt weist die Membran eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm auf, besonders bevorzugt kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm. Die Kopplung der Wandlerelemente mit der Membran kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen, in jedem Fall aber so, dass eine akustische Kopplung in ausreichendem Maße ermöglicht ist, d. h. dass geeignete Schwingungen übertragen werden können. Die Kopplung kann beispielsweise durch einen Presssitz, Klemmsitz, wie etwa durch Einschrauben, oder auch durch eine Klebung bewerkstelligt sein. Die Kopplung kann auch durch Umspritzen des Resonanzkörpers mit dem Material der Außenhaut erfolgen, was auch als Einbetten bezeichnet werden kann. Eine mittelbare Kopplung kann bedeuten, dass eine weitere Materialschicht zwischen den Wandlerelementen und der Membran vorgesehen ist, beispielsweise eine Flüssigkeit, wie ein Gel oder ein Öl. Die weitere Materialschicht kann insbesondere dazu vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zwischen den Wandlerelementen und der Membran zu optimieren, z. B. um Toleranzen in den Abmessungen der Bauteile oder die Rauigkeit der Oberflächen der Kopplungspartner auszugleichen.
- Erfindungsgemäß weist die Ultraschallwandleranordnung 2 bis 50 Wandlerelemente auf.
- Vorteilhaft werden damit leistungsfähige Vielelementsensoren, d. h. Arrays mit 2 bis 50 Wandlerelementen, in so genannter verdeckter Montage bereitgestellt.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wandlerelemente durch Kunststoffkompositelemente voneinander beabstandet. Die Kunststoffkompositelemente sind zwischen den Wandlerelementen angeordnet, so dass diese elektrisch und mechanisch ausreichend voneinander isoliert vorliegen. Im Rahmen der Erfindung kann diese Art der Anordnung der Wandlerelemente auch als Einbettung in eine Kunststoffkompositmasse bezeichnet werden, wobei hierunter verstanden wird, dass die Wandlerelemente im Wesentlichen vollständig von der Kunststoffkompositmasse umschlossen sind. Die Einschränkung "im Wesentlichen" bezieht sich in diesem Zusammenhang beispielsweise auf vorgesehene Kanäle für die notwendige elektrische Kontaktierung der Wandlerelemente.
- Nach bevorzugten Ausführungsformen weist die Wandleranordnung, neben der zumindest einen Rückmasse, zumindest eine Vordermasse auf. Die Rückmasse und die Vordermasse sind aus unterschiedlichen Materialien Z gefertigt.
- Besonders bevorzugt sind Vorder- und/oder Rückmassen für jedes Wandlerelement einzeln vorgesehen. Die von den Wandlerelementen zur Umfeldsensierung ausgesendete elektroakustische Strahlung verlässt die Wandleranordnung dann bevorzugt in Richtung der Stirnseite der Wandlerelemente, rückwärtige Strahlung wird unterdrückt. Die Rückmasse ist als sogenannte Inertial-Masse wirksam, d. h. sie ermöglicht durch ihre Masseträgheit die Krafteinleitung in den Vorderkörper und dient so auch zur Dämpfung der Schwingung gegenüber dem Bereich, in welchem keine Abstrahlung gewünscht ist. Bevorzugt ist die Vordermasse aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Polymer oder aus einem Elastomer gefertigt und die Rückmasse aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, Stahl oder Messing. Die Auswahl geeigneter Materialien kann durch Einschränkungen oder Vorgaben bezüglich der zu erreichenden Empfangsempfindlichkeiten oder Sendesignalstärken der Ultraschallwandleranordnung festgelegt sein. Insbesondere können aber auch weitere Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur oder etwa die mechanische Beanspruchung durch Schütteln, berücksichtigt werden, um geeignete Materialien festzulegen.
- Die Ultraschallwandleranordnung weist Elektroden zur Kontaktierung der Wandlerelemente auf. Bevorzugt werden die Wandlerelemente dabei einzeln elektrisch kontaktiert. Erfindungsgemäß wird als zumindest eine Elektrode eine so genannte Flexfolie verwendet, die zur Kontaktierung der Wandlerelemente geeignet ist. Die Flexfolie kann dabei beispielsweise mittels leitfähigem Kleber an die Wandlerelemente geklebt sein.
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wandlerelemente an der Stirnseite an eine erste Elektrode gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist die erste Elektrode eine erste Flexfolie. Die erste Elektrode, bzw. Flexfolie ist außerdem an der Membran befestigt. Besonders bevorzugt ist die erste Elektrode bzw. Flexfolie dabei an die Membran geklebt, beispielsweise mittels eines leitfähigen Klebers.
- Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Vordermasse an die erste Elektrode bzw. Flexfolie geklebt ist und die Vordermasse zwischen den Wandlerelementen und der ersten Elektrode bzw. Flexfolie angeordnet ist. Dabei ist die Vordermasse bevorzugt leitfähig ausgebildet, beispielsweise aus einem leitfähigen Kunststoff oder aus einem Metall gefertigt, wie etwa Aluminium.
- In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Flexfolie vorgesehen, die die Wandlerelemente an deren Seitenflächen kontaktiert, was als so genannter 3-1-Effekt bezeichnet wird. Dazu besitzen die Wandlerelemente Elektroden an deren Seitenflächen, die durch die Flexfolie kontakt werden. Derartige Elektroden können beispielsweise auf die Wandlerelemente gesputtert werden. Die Flexfolie kann dabei an der Stirnseite der Wandlerelemente angeordnet sein und einerseits an diese geklebt sein und andererseits an die Membran geklebt sein, oder es kann vorgesehen sein, die Flexfolie an der gegenüberliegenden Seite der Wandlerelemente vorzusehen, wodurch sie einerseits an die Wandlerelemente geklebt sind und andererseits an die Rückmasse.
- Nach einer Ausführungsform sind die Wandlerelemente an der gegenüberliegenden Seite an eine zweite Elektrode gekoppelt. Nach einer Ausführungsform ist die zweite Elektrode eine zweite Flexfolie.
- Die Erfindung kann insbesondere bei solchen Umfeldsensoren eingesetzt werden, welche beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Stoßfänger des Fahrzeugs zum Zwecke der Parkassistenz und/oder Kollisionsvermeidung vorgesehen sind. 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. 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 kann die Ultraschallwandleranordnung in einem Ultraschallsystem verbaut sein, welches eine Gruppe von Ultraschallsensoren umfasst, wobei zumindest einer, bevorzugt alle Ultraschallsensoren die Merkmale der Ultraschallwandleranordnung umfassen. Das Ultraschallsystem kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Teilumgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren im Frontbereich zur Erfassung einer vorderseitigen Fahrzeugumgebung und/oder die Ultraschallsensoren im Seitenbereich zur Erfassung eines Seitenbereichs des Fahrzeugs und/oder die Ultraschallsensoren im Heckbereich zur Erfassung einer rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs jeweils einem derartigen Ultraschallsystem zugeordnet sein. Typischerweise werden hierbei vier bis sechs Sensoren in einem Stoßfänger verbaut, wobei nur maximal vier Sensoren mit ungefähr derselben Blickrichtung montiert sind. Um insbesondere auch den Bereich neben dem Fahrzeug zu erfassen, werden im vorderen Stoßfänger außerdem Sensoren so positioniert, dass sie nach links und nach rechts ihren Erfassungsbereich haben. Zusätzlich oder alternativ können auch im hinteren Stoßfänger Sensoren derart positioniert sein, dass diese einen Bereich links und rechts neben dem Kraftfahrzeug erfassen. 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 Ultraschallsensoren verwendet werden, als auch solche Sensoren, die in einem Seitenspiegel oder in einem Türabschnitt verbaut sind.
- Die vorliegende Erfindung stellt einen Ultraschallwandler bereit, der außerdem für einen Einsatz zur Strömungsmessung fluider Medien, insbesondere im Ansaugtrakt und/oder im Abgastrakt und/oder im Abgasrückführungstrakt und/oder nach einem Turbolader von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich geeignet ist.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Ultraschallwandleranordnung angegeben, die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen. Das Verfahren zur Herstellung umfasst dabei die folgenden Schritte:
- a) Herstellen eines Arrays mit zumindest zwei Wandlerelementen, welche voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an einer einer Stirnseite gegenüberliegenden Seite mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine Rückmasse gekoppelt sind,
- b) Befestigen des Arrays an einer Membran, die durch eine Außenhaut eines Bauteils gebildet ist, wobei die zumindest zwei Wandlerelemente an der Stirnseite mittelbar oder unmittelbar an die Membran gekoppelt werden.
- Die Erfindung ist in Anspruch 6 beschrieben.
- Die Membran der Ultraschallwandleranordnung ist dabei durch eine Außenhaut eines Bauteils, wie eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet. Die Wandlerelemente werden versteckt hinter der Außenhaut angeordnet.
- Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Kraftfahrzeug einen Stoßfänger, einen Seitenspiegel oder einen Türabschnitt auf und eine zuvor beschriebene Ultraschallwandleranordnung, wobei die Membran der Ultraschallwandleranordnung durch eine Außenhaut des Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türabschnitts gebildet ist, und wobei die Wandlerelemente versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind. Die Erfindung ist in Anspruch 7 beschrieben.
- Sofern die Dicke der Außenhaut des Stoßfängers oder Seitenspiegels oder des Türabschnitts, in welchen die Ultraschallwandleranordnung verbaut wird, nicht den für die akustische Übertragung bevorzugten, oben genannten Dicken entspricht, kann vorgesehen sein, dass der Stoßfänger, der Seitenspiegel oder der Türabschnitt des Kraftfahrzeugs in dem Bereich, in welchem die Ultraschallwandleranordnung verbaut werden soll, entsprechend dünner ausgestaltet ist als anderswo. Derartige lokale Verdünnungen können sowohl durch nachträgliche maschinelle Bearbeitung eingearbeitet werden, beispielsweise durch Ausfräsen, oder schon im Herstellungsprozess, beispielsweise beim Spritzgießen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- Figur 1
- eine Ultraschallwandleranordnung nach einer ersten Ausführungsform,
- Figur 2
- eine nicht erfindungsgemäße Ultraschallwandleranordnung und
- Figur 3
- eine Ultraschallwandleranordnung nach einer zweiten Ausführungsform.
- Die in
Figur 1 dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an einer Stirnseite 3 mit einer Membran 4 und an einer gegenüberliegenden Seite 5 an eine Rückmasse 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet. - Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst zwei Flexfolien 10, 12, wobei erfindungsgemäß eine erste Flexfolie 10 zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 angeordnet ist und die Wandlerelemente 2 jeweils einzeln an ihren Stirnseiten 3 kontaktiert. Die erste Flexfolie 10 ist mittels eines leitfähigen Klebers 14 an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist. Beispielsweise kann der leitfähige Kleber 14 eine solche Schicht sein. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu können Flüssigkeitsschichten wie etwa Öl oder Gel vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zu verbessern.
- Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und der Rückmasse 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln an Seiten 5, die den Stirnseiten 3 bezüglich der Membran 4 gegenüberliegend angeordnet sind. Die zweite Flexfolie 12 ist mittels eines weiteren Klebers 20 an der Rückmasse 6 befestigt.
- Die Wandlerelemente 2 bilden ein so sogenanntes Array 15. Als ein Array 15 werden im Rahmen der Erfindung zumindest zwei Wandlerelemente 2 bezeichnet, welche voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an der der Stirnseite 3 gegenüberliegenden Seite 5 mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine Rückmasse 6 gekoppelt sind. Das Array 15 umfasst hier auch die Kunststoffkompositelemente 8, die Flexfolien 10, 12 und die Rückmasse 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel in
Fig. 1 nicht dargestellt sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Membran 4 in einem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Ultraschallwandleranordnung 1 einerseits ausreichend empfindlich zur Aufnahme von Ultraschallwellen ausgelegt werden kann bzw. ausreichend starke Ultraschallwellen aussenden kann und andererseits die Membran 4 außerhalb des Kontaktbereichs 32 ausreichend dick gestaltet werden kann. - Die in
Figur 2 nicht erfindungsgemäß dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht dient lediglich der Veranschaulichung und umfasst wiederum beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an ihrer Stirnseite 3 mit der Membran 4 und an ihrer gegenüberliegenden Seite 5 an die Rückmasse 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet. - Im Unterschied zu
Figur 1 umfasst die Ultraschallwandleranordnung 1 nur eine Flexfolie 12, die als zweite Flexfolie 12 bezeichnet wird. Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und der Rückmasse 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln an Seitenflächen 7, 9, die weder die Stirnseiten 3 noch die gegenüberliegenden Seiten 5 sind, und die Hauptflächen der Wandlerelemente 2 bilden. Hierzu weist die Flexfolie 12 Kontaktierflächen 22, 24 auf, die an die Seitenflächen 7, 9 geführt sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Kontaktierflächen 22, 24 beschichtete Oberflächen der Wandlerelemente 2 sind, die von der Flexfolie 12 kontaktiert werden. Die dargestellte elektrische Kontaktierung quer zur Hauptschwingungsrichtung des Wandlerelements 2 wird auch als sogenannte 3-1 Kontaktierung bezeichnet. - Die Wandlerelemente 2 sind mittels eines Klebers 17 direkt an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wobei mit einem mittelbaren Kontakt bezeichnet wird, dass zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 zumindest eine Schicht eines weiteren Materials angeordnet ist. Beispielsweise kann der Kleber 17 eine solche Schicht sein. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu können Flüssigkeitsschichten wie etwa Öl oder Gel vorgesehen sein, um die akustische Kopplung zu verbessern. Die zweite Flexfolie 12 ist mittels eines weiteren Klebers 20 an der Rückmasse 6 befestigt.
- Das Array 15 umfasst auf
Figur 2 die Wandlerelemente 2, die Kunststoffkompositelemente 8, die zweite Flexfolie 12 und die Rückmasse 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann, wie mit Bezug zuFigur 1 beschrieben, eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel nicht dargestellt sind. Es kann ebenfalls vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Membran 4 in dem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist. - Die in
Figur 3 dargestellte Ultraschallwandleranordnung 1 in seitlicher Schnittansicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst wiederum beispielhaft acht voneinander beabstandet nebeneinander angeordnete Wandlerelemente 2, die jeweils an ihrer Stirnseite 3 mit der Membran 4 und an ihrer gegenüberliegenden Seite 5 an einzelne Rückmassen 6 gekoppelt sind. Zwischen den acht Wandlerelementen 2 sind zu ihrer gegenseitigen Beabstandung Kunststoffkompositelemente 8 angeordnet. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Ausführungsform umfasst die Ultraschallwandleranordnung 1 pro Wandlerelement 2 jeweils eine Rückmasse 6 und eine Vordermasse 26, zwischen welchen das jeweilige Wandlerelement 2 angeordnet ist. - Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst wiederum zwei Flexfolien 10, 12, wobei die erste Flexfolie 10 zwischen den Wandlerelementen 2 und der Membran 4 angeordnet ist und die Wandlerelemente 2 jeweils einzeln an den Vordermassen 26 kontaktiert, welche hierzu Leiterbahnen aufweisen oder aus einem leitfähigen Material gefertigt sind. Die erste Flexfolie 10 ist wiederum mittels des leitfähigen Klebers 14 an der Membran 4 befestigt. Die Kopplung zwischen der ersten Flexfolie 10 und der Membran 4 kann mittelbar und unmittelbar vorliegen, wie mit Bezug zu
Figur 1 beschrieben. Die erste Flexfolie 10 ist außerdem mittels eines leitfähigen Klebers an den Vordermassen 26 befestigt, was nicht dargestellt ist. - Die zweite Flexfolie 12 ist zwischen den Wandlerelementen 2 und den Rückmassen 6 angeordnet und kontaktiert die Wandlerelemente 2 einzeln über die den Stirnseiten 3 gegenüberliegenden Seiten 5. Die zweite Flexfolie 12 ist hierzu wiederum mittels eines zweiten leitfähigen Klebers 28 an den Rückmassen 6 befestigt. Die Wandlerelemente 2 werden jeweils einzeln elektrisch an den Rückmassen 26 kontaktiert, welche hierzu Leiterbahnen aufweisen oder aus einem leitfähigen Material gefertigt sind.
- Das Array 15 umfasst in dem in
Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Wandlerelemente 2, die Kunststoffkompositelemente 8, die Flexfolien 10, 12 und die Rückmassen 6. Zwischen dem Array 15 und der Membran 4 kann, wie mit Bezug zuFigur 1 beschrieben, eine mechanische Kopplung vorliegen, beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verklemmung des Arrays 15 in der Membran 4, wobei zu diesem Zweck geeignete Mittel nicht dargestellt sind. Es kann wiederum vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Membran 4 in dem Kontaktbereich 32 dünner ausgebildet ist als außerhalb des Kontaktbereichs 32, so dass das Array 15 im Kontaktbereich 32 in der Membran 4 zumindest teilweise versenkt ist. - Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele 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.
Claims (7)
- Ultraschallwandleranordnung (1), die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, mit zumindest zwei Wandlerelementen (2), einer Membran (4) und zumindest einer Rückmasse (6), wobei die zumindest zwei Wandlerelemente (2) voneinander beabstandet angeordnet und an einer Stirnseite (3) mittelbar oder unmittelbar an die Membran (4) gekoppelt sind und an einer gegenüberliegenden Seite (5) mittelbar oder unmittelbar an die zumindest eine Rückmasse (6) gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet ist, wobei die Wandlerelemente (2) versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind,
wobei die Ultraschallwandleranordnung (1) 2 bis 50 Wandlerelemente (2) aufweist, wobei eine erste Flexfolie (10) zwischen den Wandlerelementen (2) und der Membran (4) zur Kontaktierung der Wandlerelemente (2) angeordnet ist. - Ultraschallwandleranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm aufweist.
- Ultraschallwandleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) durch Kunststoffkompositelemente (8) voneinander beabstandet sind.
- Ultraschallwandleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vordermasse (26) an die erste Flexfolie (10) gekoppelt ist und die Vordermasse (26) zwischen den Wandlerelementen (2) und der ersten Flexfolie (10) angeordnet ist.
- Ultraschallwandleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) an der gegenüberliegenden Seite (5) an eine zweite Flexfolie (12) geklebt sind.
- Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandleranordnung (1), die eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden und/oder zu empfangen, insbesondere einer Ultraschallwandleranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte:a) Herstellen eines Arrays (15) mit zumindest zwei Wandlerelementen (2), welche voneinander beabstandet angeordnet sind und welche an einer Stirnseite (3) gegenüberliegenden Seite (5) mittelbar oder unmittelbar an zumindest eine Rückmasse (6) gekoppelt sind,b) Befestigen des Arrays (15) an einer Membran (4), die durch eine Außenhaut eines Bauteils gebildet ist, wobei die zumindest zwei Wandlerelemente (2) an der Stirnseite (3) mittelbar oder unmittelbar an die Membran (4) gekoppelt werden,dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) durch eine Außenhaut eines Stoßfängers, Seitenspiegels oder Türbereichs eines Kraftfahrzeugs gebildet ist, wobei die Wandlerelemente (2) versteckt hinter der Außenhaut angeordnet sind, wobei die Ultraschallwandleranordnung (1) 2 bis 50 Wandlerelemente (2) aufweist, wobei eine erste Flexfolie (10) zwischen den Wandlerelementen (2) und der Membran (4) zur Kontaktierung der Wandlerelemente (2) angeordnet ist.
- Kraftfahrzeug mit einem Stoßfänger, Seitenspiegel oder Türabschnitt und einer Ultraschallwandleranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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