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Dokumentenidentifikation DE10139341A1 21.02.2002
Titel Ultraschallsensor mit einer Membran
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Kani, Hiroyuki, Kariya, Aichi, JP;
Kawashima, Yasuhiro, Kariya, Aichi, JP;
Tsuzuki, Takeo, Kariya, Aichi, JP
Vertreter Kuhnen & Wacker Patentanwaltsgesellschaft mbH, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 10.08.2001
DE-Aktenzeichen 10139341
Offenlegungstag 21.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.02.2002
IPC-Hauptklasse H04R 17/00
IPC-Nebenklasse G01S 15/93   G01S 15/08   
Zusammenfassung Ein Ultraschallsensor weist einen Sensorkörper, eine Membran und einen Vibrator zum Erzeugen von Ultraschall auf, wobei der Vibrator an der Membran befestigt ist. die Membran weist einen dünnsten Abschnitt auf. Der dünnste Abschnitt weist eine vorbestimmte Dicke auf, bei welcher ein Nachhall der Membran beschränkt ist. Durch diesen Aufbau des Sensors kann der reflektierte Ultraschall fehlerfrei erfaßt werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor, welcher in einer Hinderniswarnvorrichtung zum Erfassen eines sich in der Nähe eines Fahrzeuges befindlichen Hindernisses verwendet wird, und zum Warnen des Fahrzeugführers vor der Gefahr, daß das Fahrzeug auf das Hindernis trifft, wenn der Fahrer das Fahrzeug parkt bzw. manövriert.

In jüngster Zeit ist ein aktiver Abstandsmesser, der Ultraschall verwendet, vorgeschlagen worden, welcher zum Erfassen eines Abstands zwischen einem Fahrzeug und einem Hindernis sowie zum Warnen des Fahrzeugführers verwendet wird. Ein fallfester (drop-proff type) Ultraschallsensor wird gewöhnlicher Weise bei dieser Art von Sonaren verwendet. Um einen Vibrationsabschnitt des Sensors zur Verbesserung einer Sendeleistung dünner zu machen, sind zahlreiche Ausführungen von dem Ultraschallsensor gemacht worden.

Bei einem derartigen Ultraschallsensor, mit einem dünnen Vibrationsabschnitt (Membran) verändert sich die Vibrationseigenschaft und die Laufzeit der Nachschwingung bzw. des Nachhalls verlängert sich, wenn beispielsweise ein Wassertropfen an der Membran haften bleibt. Somit kann das Abstandssonar das Hindernis nicht korrekt erfassen bzw. kann eine Fehlfunktion aufweisen (z. B., warnt das Sonar den Benutzer auch dann, wenn kein Hindernis vorhanden ist).

Überdies ist ein Abstandssonar vorgeschlagen worden, welches kein Horn bzw. keinen Schalltrichter aufweist, um einen Ultraschallsensor freizugeben. Daher sind Messungen der Wassertröpfchen sogar noch mehr erwünscht.

Diese Erfindung ist in Anbetracht des Hintergrunds, wie er oben beschrieben ist, entwickelt worden und eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor zu schaffen, der in der Lage ist, Änderungen der Vibrationscharakteristik wirksam zu beschränken, auch wenn eine Substanz, wie beispielsweise ein Wassertropfen, an der Membran des Sensors haften bleibt, wodurch eine Nachhallschwingung beschränkt wird, um das Vorhandensein eines Hindernisses exakt zu bestimmen.

Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung, wird die Dicke einer Membran eines Ultraschallsensors aufgrund der Zeitdauer eines Nachhalls bzw. Nachschwingung bestimmt. Genauer gesagt weist die Membran des Ultraschallsensors eine vorbestimmte Dicke auf, um zu verhindern, daß die Zeitdauer des Nachhalls sich verlängert.

Durch Einstellen der Dicke der Membran des Ultraschallsensors dauert das Nachschwingen der Membran nicht bis zum Empfangszeitpunkt des von außerhalb des Sensors reflektierten Ultraschalls an, nachdem eine Aktivierung der Membran gestoppt worden ist, auch wenn ein Wassertropfen an der Membran haftet. Folglich kann ein Ultraschallsonar mit einem darin enthaltenen Ultraschallsensor ein Hindernis korrekt erfassen und eine Fehlfunktion verhindert werden.

Vorzugsweise wird die Dicke der Membran so bestimmt, daß der Nachhall zu einem Zeitpunkt verschwindet, bei dem der ausgesandte Ultraschall, welcher von der Membran ausgesandt wird und durch das Hindernis reflektiert wird, zu der Membran zurückkehrt. D. h., die Zeitdauer des Nachhalls überlappt nicht mit einem Empfangszeitpunkt des zu der Membran zurückkehrenden ausgesandten Ultraschalls.

Vorzugsweise weist die Membran an ihrem dünnsten Abschnitt eine Dicke von 0,4 mm oder mehr auf.

Weiterhin vorzugsweise ist der dünnste Abschnitt an einem Ende der Membran angeordnet.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung besser ersichtlich.

Fig. 1A zeigt eine Vorderansicht eines Ultraschallsensors einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1B zeigt eine Teilquerschnittsansicht des Ultraschallsensors entlang der Linie IB-IB aus Fig. 1A;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallsensors;

Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm, das eine Erfassung- und Warnungssequenz des Ultraschallsensors darstellt;

Fig. 4 zeigt einen Kurvenverlauf einer Schwingung, die durch den Nachhall einer Membran verursacht wird;

Fig. 5 zeigt einen Kurvenverlauf einer Schwingung, die durch den Nachhall einer Membran für den Fall verursacht wird, bei dem der Nachhall lang ist;

Fig. 6A zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Nachhallzeit und der Dicke des dünnsten Abschnitts der Membran darstellt;

Fig. 6B zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Nachhallzeit und einem Dickeverhältnis von dem dünnsten Abschnitt zum dicksten Abschnitt der Membran darstellt;

Fig. 7 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Wahrscheinlichkeitsdichte und der Nachhallzeit für den Fall darstellt, bei dem eine Dicke des dünnsten Abschnitts der Membran 0,3 mm beträgt; und

Fig. 8 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Wahrscheinlichkeitsdichte und der Nachhallzeit für den Fall zeigt, bei dem die Dicke des dünnsten Abschnitts der Membran 0,4 mm beträgt.

Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, bei welcher die gleichen oder ähnlichen Bestandteile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Gemäß Fig. 1A und 1B weist ein Ultraschallsensor eine Membran (Vibrationsplatte) 11, die an einem Ende eines zylindrischen Sensorgehäuses 12 ausgebildet ist, welches typischerweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, Leitungsdrähte 13 zum Übertragen einer elektrischen Leistung, einen piezoelektrischen Vibrator (PZT) 14, der an der inneren Oberfläche der Membran 11 befestigt ist, einen Schwamm 16 zum Absorbieren des zum Inneren des Sensorgehäuses 12 hin emittierten Ultraschalls und ein Harz 17 auf, das typischerweise aus Silikongummi besteht.

Die Membran weist dünnste Abschnitte 15 auf, die an einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt bezüglich eines Mittenabschnitts in Fig. 1A angeordnet sind. Die dünnsten Abschnitte 15 bilden jeweils einen Halbkreis aus und eine Seite bzw. Sehne des Halbkreises ist bei jedem dünnsten Abschnitt 15 mit dem Mittenabschnitt verbunden. Der piezoelektrische Vibrator 14 ist an dem Mittenabschnitt der Membran befestigt, wie es in Fig. 1A gezeigt ist. Dabei weist der Mittenabschnitt der Membran 11 eine Dicke von 0,7 mm auf (dickster Abschnitt der Membran 12).

Bei einer Aktivierung des Ultraschallsensors vibriert der piezoelektrische Vibrator 14 durch Zuführen einer elektrischen Leistung mit einer vorbestimmten Frequenz (beispielsweise 40 kHz), so daß die Membran 11 schwingt. Dementsprechend wird Ultraschall von der Membran 11 emittieren.

Gemäß Fig. 2 weist ein Ultraschallsonar, das den Ultraschallsensor enthält, einen Ultraschallsender/-empfänger 21, eine Sende- und Empfangsschaltvorrichtung 22, einen Treiber 23 zum Ansteuern des Ultraschallsensors, eine Oszillationsschaltung 24 zum Anlegen eines Oszillationssignals an den Treiber 23, einen LPF (Tiefpaßfilter) 25 zum Ausfiltern von Rauschen aus einem Ultraschallempfangssignal, eine Verstärkungsschaltung 26 zum Verstärken des Ultraschallempfangssignals, und eine Erfassungsvorrichtung 27 zum Erfassen einer Störung des Ultraschallempfangssignals auf.

Dabei ist das Ultraschallsonar beispielsweise an dem vorderen oder hinteren Stoßfänger eines Fahrzeuges montiert.

Im Folgenden wird eine Sequenz zum Erfassen des Hindernisses mit dem in Fig. 2 gezeigten Ultraschallsonar unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Bei Schritt 31 wird Ultraschall durch den Ultraschallsender/-empfänger 21 von dem Sonar für eine sehr kurze Zeit nach außen gesendet (beispielsweise Ultraschall mit 40 kHz für 250 µs), während die Sende- und Empfangsschaltvorrichtung 22 in einen Sendemodus geschaltet wird. Bei Schritt 32 wird dann die Aussendung des Ultraschalls gestoppt und anschließend schaltet die Sende-/Empfangsschaltvorrichtung 22 in einen Empfangsmodus. Bei Schritt 33 wird der Ultraschall, der durch ein Objekt (d. h. ein Hindernis) reflektiert wird und zurückkehrt, durch den Sender/Empfänger 21 empfangen. Bei Schritt 34 wird ein elektrisches Rauschen, das in einem durch den empfangenen Ultraschall erzielten Signal enthalten ist, durch den LPF (Tiefpaßfilter) 25 herausgefiltert. Bei Schritt 35 wird das gefilterte Signal des Ultraschalls durch die Verstärkerschaltung 26 auf einen Wert verstärkt, bei dem der Mikrocomputer das verstärkte Signal wahrnehmen kann. Die Erfassungsvorrichtung 27 erfaßt einen Abstand zwischen dem Ultraschallsonar (d. h. dem Fahrzeug) und dem Hindernis auf der Grundlage der Laufzeit (Δt in Fig. 4) von dem Sendeende des Ultraschalls bis zu dem Empfang des empfangenen Ultraschalls, welche höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, durch Verwendung der folgenden numerischen Gleichung 1.





wobei, der ABSTAND den Abstand zwischen dem Ultraschallsonar und dem Hindernis bezeichnet, die Schallgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit bezeichnet und die Zeit die Laufzeit bezeichnet.

Eine Warnung entsprechend dem Abstand wird dem Benutzer mitgeteilt, welche in der Lautstärke oder Tonhöhe aufgrund des Abstands verändert wird.

Als nächstes wird die durch Nachhall erzeugte Schwingung unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.

Das Ultraschallsonar sendet durch Verwendung des einen Ultraschallvibrators das Ultraschallsignal aus und empfängt ein reflektiertes Signal des ausgesandten Ultraschallsignals, und erfaßt das Hindernis durch ein Impulsradarsystem (plus radar system), so daß der Ultraschallvibrator mit der ursprünglichen Vibration (d. h., den Nachhall) fortfährt, nachdem die Aussendung des Ultraschalls gestoppt worden ist. Der Nachhall wird verwendet, um durch ein Erfassen der Länge des Nachhalls, zu ermitteln, ob der Ultraschallvibrator normal arbeitet.

Gemäß Fig. 5 überlappt andererseits der Empfang des reflektierten Signals, wenn der Nachhall zu lang ist, so daß reflektierte Signal durch den Nachhall verdeckt wird. Dementsprechend kann bei Ultraschallsonar das Hindernis nicht erfassen.

Der lange Nachhall wird beispielsweise durch das Haften von Substanzen, beispielsweise einem Wassertropfen, an der Membran 11 verursacht. Durch dieses Haften werden der charakteristische Wert und die Form der Vibration der Membran 11 verändert und verursachen den langen Nachhall.

Die Veränderung des Nachhalls wird nun eingehend beschrieben.

Wenn eine Substanz, wie beispielsweise ein Wassertropfen, nicht an der Membran 11 haften bleibt, wird der Nachhall, auch wenn die Membran 11 in ihrer Dicke variiert wird, nicht so geändert, daß er die Erfassung des Hindernisses beeinflussen 5 wird. Wenn andererseits die Substanz an der Membran 11 haftet, wird der Nachhall aufgrund der Dicke der Membran 11 verändert. Insbesondere der dünnste Abschnitt 15 der Membran 11 kann einen Schwellenwert bezüglich der Veränderung des Nachhalls aufweisen. Daher sollte die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 der Membran 11 in Anbetracht des Einflusses durch die Haftung einer Substanz an der Membran 11 entworfen werden, und die Dicke sollte eine vorbestimmte Mindestdicke aufweisen.

Gemäß Fig. 6A verändert sich die Nachhallzeit, welche die Zeitdauer des Nachhalls darstellt, nicht sehr stark, wenn kein Wassertropfen an der Membran 11 haftet, für den Fall, bei dem die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 variiert wird, wie in Fig. 6A durch die Linie 61 dargestellt. Folglich wird die Nachhallzeit durch die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 nicht beeinflußt, wenn die Substanz (Wassertropfen) nicht daran haftet. Andererseits beeinflußt die Nachhallzeit die Dicke des dünnsten Abschnitts 15, wenn die Substanz (Wassertropfen) daran haftet, wie durch die Linie 62 dargestellt. In diesem Fall verringert sich die Nachhallzeit in einem derartigen Ausmaß, daß sie mit zunehmender Dicke des dünnsten Abschnitts 15 die Nachhallzeit der nicht mit einem Wassertropfen behafteten Membran 11 im wesentlichen erreicht. Dabei zeigen die Kurven 61 und 62 jeweils eine durchschnittliche Nachhallzeit der jeweiligen Proben. Wenn die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 0,30 mm beträgt, beträgt der Unterschied bei der durchschnittlichen Nachhallzeit zwischen dem Fall, bei dem der Wassertropfen an der Membran 11 haftet und dem Fall, bei dem kein Wassertropfen an der Membran 11 haftet, 0,6 ms. Diese Zeit entspricht ungefähr 10 cm, wenn die Zeit unter Verwendung der vorhergehend beschriebenen Gleichung 1 und einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s in einen Abstand umgerechnet wird. Daher ist die Erfassungsfähigkeit um 10 cm im Vergleich mit der Normalbedingung der Membran 11 (kein Wassertropfen haftet an der Membran 11) verringert. Überdies wird dadurch eine falsche Warnung durch Erfassen des Nachhalls als dem reflektierten Signal angezeigt.

Wenn die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 0,40 mm beträgt, beträgt eine Differenz zwischen der durchschnittlichen Nachhallzeit für den Fall, bei dem der Wassertropfen an der Membran 11 haftet, und den Fall, bei dem kein Wassertropfen an der Membran 11 haftet, 0,09 ms. Diese Zeit entspricht ungefähr 3 cm, wenn die Zeit unter Verwendung der vorhergehend beschriebenen Gleichung 1 und einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s in einen Abstand umgerechnet wird. In diesem Fall ist die Differenz von 0,09 ms (3 cm) innerhalb einer Toleranz und beeinflußt bzw. beeinträchtigt die Erfas- Sung nicht. Daher sollte der dünnste Abschnitt 15 der Membran 11 0,4 mm oder mehr betragen, wie auch aus Fig. 6A ersichtlich ist. Wenn die Dicke des dünnsten Abschnitts 15 0,4 mm oder mehr beträgt (z. B. 0,4 mm), kann die Erfassung des Hindernisses in beiden Fällen, in denen die Substanz an der Membran 11 haftet bzw. nicht haftet, normal erzielt werden. In Fig. 6A und 6B ist überdies (wie nachstehend beschrieben) eine Bedingung des Experiments für den Fall, bei dem der Wassertropfen an dem Merkmal 11 haftet, daß ein Wassertropfen mit einem Durchmesser von 0,4 mm an dem dünnsten Abschnitt 15 haftet, welcher kleiner als ein Bereich des dünnsten Abschnitts 15 ist.

Gemäß Fig. 6B ersetzt das Dickenverhältnis des dünnsten Abschnitts zum dicksten Abschnitt der Membran 11, auf welcher der Ultraschallvibrator 14 montiert ist (d. h. der Mittenabschnitt), die Dicke des dünnsten Abschnitts, als eine in Fig. 6A gezeigte horizontale Achse (X-Achse). Wie aus Fig. 6A und 6B ersichtlich, sollte das Dickenverhältnis vorzugsweise mindestens 0,57 und höchstens 1,0 (0,57 < = Dickenverhältnis < 1,0) sein, um den Nachhall wirksam zu beschränken bzw. zu unterdrücken, wodurch eine korrekte Erfassung des reflektierten Ultraschalls möglich wird. Daher ist die Dicke des dicksten Abschnitts und des dünnsten Abschnitts so bestimmt, daß sie die vorhergehend beschriebene Beziehung erfüllt.

Wenn der dünnste Abschnitt 15 0,3 mm dick ist, ist gemäß Fig. 7 die Nachhallzeit bei der Wahrscheinlichkeitsdichte für den Fall, bei dem die Substanz, beispielsweise ein Wassertropfen, an der Membran 11 haftet, erkennbar unterschiedlich zu der, bei dem Fall, bei dem keine Substanz an der Membran 11 haftet. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, beträgt der Unterschied zwischen den Spitzenwerten ungefähr 0,6 ms.

Wenn andererseits der dünnste Abschnitt 15 0,4 mm dick ist, ist gemäß Fig. 8 die Nachhallzeit bei der Wahrscheinlichkeitsdichte für den Fall, daß die Substanz, beispielsweise der Wassertropfen, an der Membran 11 haftet, gleich der, für den Fall, bei dem keine Substanz an der Membrane 11 haftet. In diesem Fall beträgt der Unterschied zwischen den Spitzenwerten ungefähr 0,09 ms.

Die Dicke der Membran kann in Übereinstimmung mit jeder Anordnung in der Membran 11 verändert werden. Wenn der dünnste Abschnitt 15 an den Endabschnitten der Membran 11 angeordnet ist, weist die Membran gute Eigenschaften bezüglich Leistung und Richtung (d. h., die Richtwirkung ist verengt), so daß die Endabschnitte der Membran 11 vorzugsweise auf eine bestimmte Dicke eingestellt wird, bei welcher sich der Nachhall nicht zu stark ändert. Wenn ein Resonanzwert der Membran 11 bezüglich des Nachhalls eingestellt wird, wird es daher bevorzugt, daß die Dicke der Endabschnitte der Membran 11 mindestens so dick wie der vorbestimmte Wert bleiben.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehende bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, daß Änderungen in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. 1. Ultraschallsensor umfassend:

    einen Vibrator (14), der Ultraschall in einem Sensorkörper (12) erzeugt; und

    eine an dem Sensorkörper befestigte Membran (11), an der der Vibrator (14) befestigt ist und die den Ultraschall aussendet,

    wobei eine Dicke der Membran so eingestellt ist, daß eine Laufzeit eines Nachhalls der Membran auf einen vorbestimmten Wert oder weniger eingestellt ist, auch wenn eine Substanz an der Membran haftet.
  2. 2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Membran so eingestellt ist, daß der Nachhall der Membran zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, nachdem die Aussendung des Ultraschalls gestoppt ist und bevor der reflektierte Ultraschall zurückkehrt, verschwindet.
  3. 3. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, wobei ein dünnster Abschnitt 15 der Membran eine Dicke von 0,04 mm oder mehr aufweist.
  4. 4. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, wobei der dünnste Abschnitt der Membran an einem Endabschnitt der Membran angeordnet ist.
  5. 5. Ultraschallsensor nach Anspruch 2, wobei die Membran als Empfänger 21 des reflektierten Ultraschalls dient.
  6. 6. Ultraschallsensor nach Anspruch nach 5, wobei der Vibrator an einem dicksten Abschnitt der Membran befestigt ist.
  7. 7. Ultraschallsensor nach Anspruch 6, wobei der dickste Abschnitt der Membran im wesentlichen in der Mitte der Membran angeordnet ist und wobei ein dünnster Abschnitt der Membran benachbart zu dem dicksten Abschnitt der Membran angeordnet ist und ein anderer dünnster Abschnitt der Membran an einer dem anderen dünnsten Abschnitt gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den Mittenabschnitt angeordnet ist und wobei beide dünnsten Abschnitte jeweils eine Halbkreisform aufweisen.
  8. 8. Ultraschallsensor nach Anspruch 6, wobei ein Dickenverhältnis des dünnsten Abschnitts zum dicksten Abschnitt in einem Bereich zwischen 0,57 und 1,0 liegt.






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