DE3519254A1

DE3519254A1 - Ultraschall-entfernungsmesser

Info

Publication number: DE3519254A1
Application number: DE19853519254
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokohama Kanagawa Kobayashi; Hiroaki Yokosuka Kanagawa Oubayashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-05-29
Filing date: 1985-05-29
Publication date: 1985-12-05
Also published as: GB2185817A; DE3546565C2; GB2160321B; GB2186690B; US4796726A; GB2186690A; GB8513476D0; GB8704174D0; GB8704173D0; DE3519254C2; GB2160321A; US4739860A

Description

1 P 19 612-06/Sü

5 Beschreibung

10 Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Entfernungsmesser, welcher verwendet wird, zum Erfassen des Abstandes von einem Gegenstand ein Ultraschallwellensignal auszu-

¹ senden und zu empfangen, und insbesondere Verbesserungen

j für einen Ultraschall-Entfernungsmesser, um eine Umge-

i 15 hungswelle an der Verringerung der Erfassungsgenauigkeit

I zu hindern,
t

E Es gibt bereits mehrere Ultraschall-Entfernungsmesser,

J wie beispielsweise einen, der in der japanischen, veröf-

I 20 fentlichten Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 57-68 574

ί beschrieben ist. Eine solche Einrichtung sendet Ultra-

\ Schallwellen von einem Ultraschallwellensender aus und

[ empfängt von einem Gegenstand reflektierte Impulse mit

\ einem Ultraschallwellenempfänger. Der Abstand wird aus

j 25 dem Phasenunterschied zwischen dem ausgesandten und dem

\ empfangenen Impuls bestimmt. 1

Wie bereits auf diesem Gebiet der Technik diskutiert wurde, enthalten von einem Empfänger empfangene Wellen eine

30 Umgehungswelle, welche die Erfassungsgenauigkeit bzw.

I Meßgenauigkeit verringert. Bei einem Entfernungsmesser,

ί insbesondere einem Entfernungsmesser, welcher die Fahr-

i zeughöhe (den Abstand von der Unterfläche der Fahrzeug-

■-; körpers zum Boden) mißt, wie esin der veröffentlichten

{ 35 Japanischen Patentanmeldung Sho 57-18 25 44 offenbart

I ist, überlappen sich die reflektierte Welle und die Um-

\ gehungswelle teilweise, da der gemessene Abstand kurz

j (15 bis 40 cm) ist.

Bei einem Fall dieser Art interferieren die sich überlappenden Abschnitte gegenseitig, wodurch eine Änderung des c Signalpegels bewirkt wird. Ferner besteht dann, wenn der Entfernungsmesser auf mit Schnee bedeckten Straßen und Sandboden verwendet wird, wobei besonders zu berücksichtigen ist, daß das reflektierte Wellensignal wegen der Absorption des Ultraschallwellensignals verringert ist, ,Q ein beträchtliches Bedürfnis danach, einen niederen Schwellenpegel einzustellen, und aus diesem Grund ist es besonders einfach, daß der vorhergehend erwähnte Fehler auftritt.

. j. Es wurde vorgeschlagen, wie es in der veröffentlichten, japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 53-21 953 geoffenbart ist, Hörner an einem Wellensender und einem Wellenempfänger vorzusehen, um das Richtvermögen des Wellensenders und Wellenempfängers zu verbessern.

Jedoch wird selbst bei einem bei einem solchen Ultraschall-Entfernungsmesser durch Hörner verbesserten Richtvermögen, wenn ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger nahe beieinander angeordnet sind, eine Umgebe hungswelle mit einem beträchtlichen Pegel, welche unmittelbar von dem Wellensender und nicht von dem Zielgegenstand reflektiert einfällt, zusätzlich zu einer reflektierten Welle empfangen.

Diese Umgehungswelle überlappt insbesondere dann, wenn oü

ein Gegenstand in geringer Entfernung erfaßt werden soll (ein solcher Fall liegt beim Messen der Höhe eines Kraftfahrzeuges vor, wie es vorhergehend erwähnt wurde), teilweise die reflektierte Welle und erzeugt eine Störung,

__ und es kann ein Meßfehler dadurch hervorgerufen werden, ob

daß eine Mischung mit der reflektierten Welle auftritt. Ferner erleidet bei niederer Umgebungstemperatur die Art

von Isolator, die normalerweise zum Dämpfen der Umgehungswelle verwendet wird, welche mechanisch von dem Sender zu dem Empfänger innerhalb des Entfernungsmessers übertragen wird, eine Elastizitätsabnahme, und da die Wirksamkeit der Untergrundunterdrückung stark nachläßt, wird der Pegel der Umgehungswelle höher als bei normalen Temperaturen.

Eine Zielsetzung der Erfindung besteht darin, im Hinblick auf die Nachteile herkömmlicher Einrichtungen, einen Ultraschall-Entfernungsmesser zu schaffen, bei dem die Umgehungswelle wirkungsvoll gedämpft ist.

·

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung besteht darin, die

Erfassungsarbeitsweise eines Ultraschall-Entfernungsmessers zu verbessern, indem die Umgehungswelle durch eine Verbesserung der Form oder Lage der Sender- und/oder Emp- _₀ fängeröffnung des Entfernungsmessers wirkungsvoll gedämpft wird.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung besteht darin, einen Ultraschall-Entfernungsmesser anzugeben, der die Wir-„_e kung der Umgehungswelle selbst bei tiefen Umgebungstemperaturen verhindern kann.

Diese und andere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch näher aus der folgenden Be-

Schreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang 3U

mit den beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahmen auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer elektrischen Ausbildung

^i " 3513254

eines Ultraschall-Entfernungsmessers darstellt,

Fig. 2A+2B Wellenformdiagramme, die die übertragenen und empfangenen Signale bei einem herkömmlichen Entfernungsmesser zeigen,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die das Innere eines herkömmlichen Ultraschall-Entfernungsmessers darstellt,

Fig. 4A+4B Wellenformdiagramme, die eine gesen-15

dete Welle und den erzeugten Zustand

der Umgehungswelle darstellen,

Fig. 5A-5C+

6A-6C Wellenformdiagramme, die die Wellenformen der Umgehungswelle und der re

flektierten Wellen bei deren Überlappung und die Zeitunterschiedsänderung darstellen,

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung, die die

Ausgestaltung einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Öffnungsdurchmesser

des Horns und dem Signal/Untergrundverhältnis eines Ultraschall-Entfernungsmessers, wie es bei einem tatsächlichen Test erhalten wurde, 35

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des geraden

Rohrabschnittes des Homes und dem Signal/Untergrund-Verhältnis, wie es bei einem tatsächlichen Test erhalten

wurde,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Radius der wellen-

,Q sendenden/empfangenden Oberfläche und

der optimalen Länge des geraden Rohr-

\ abschnittes, wie es bei einem tatsäch

lichen Test erhalten wurde,

,,- Fig. 11 eine graphische Darstellung der Ergebnisse tatsächlicher Untersuchungen,

; um die Beziehung zwischen der Wellen-

\ . länge des Ultraschallwellensignals und

der optimalen Länge des geraden Rohr-, ₂₀ abschnittes zu bestimmen,

''· Fig. 12 ein Diagramm der Richteigenschaften

' der Wellensendeeinrichtung der ersten

Ausführungsform nach der Erfindung,

25

Fig. 13 ein Diagramm der Richteigenschaften

der Wellenempfangseinrichtung der ersten Ausführungsform nach der Erfindung,

30

Fig. 14 eine Schnittdarstellung, die die Ausgestaltung einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt,

_.. Fig. 15 eine Draufsicht, die die obere Ober-

OO

fläche der zweiten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt,

Fig. 16 eine Schnittdarstellung, die die Ausbildung einer dritten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt,

Fig. 17 eine Schnittdarstellung,die die Ausbildung einer vierten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt,

;

Fig. 18 ein Kenndiagramm der vierten Ausfüh- \

rungsform nach der Erfindung, welches j

die Änderung der Steifigkeit in bezug !

auf die Temperatur für Isolatoren *

zeigt, die die Sende- und Empfangsein-15

richtung enthalten, I

Fig. 19 ein Kenndiagramm der vierten Ausfüh-

fungsform nach der Erfindung, welches Dämpfungswirkung auf die Umgehungswel-Ie in bezug auf die Temperaturänderung zeigt, und

Fig. 20 eine Schnittdarstellung, die die Ausgestaltung einer fünften Ausführungs-25

form nach der Erfindung zeigt.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird der herkömmliche Ultraschall-Entfernungsmesser kurz erörtert.

Die Ausbildung der elektrischen Teile eines solchen Ultraschall-Entfernungsmessers ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein Sperrschwinger 1, wie es Fig. 1 zeigt, erzeugt ein Hochfrequenzsignal S₁ während eines festgelegten Zeit-'

Intervalls t. bei jeder Periode tp und versorgt eine Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2. Als Ergebnis hiervon

ι AA

wird ein Ultraschallwellenimpulssignal von der Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 in Richtung zu einem Zielgegenstand D gesendet.

Dann wird das Ultraschallwellenimpulssignal von dem Zielgegenstand D reflektiert, tritt in eine Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung 3 ein, woraufhin das empfangene SigjQ nal in einem Verstärker 4 verstärkt und daraufhin das verstärkte Signal S₂ dem Eingang eines Zeitunterschiedmeßkreises 5 zugeführt wird.

Dieser Zeitunterschiedmeßkreis 5 bestimmt das Zeitinter-, ρ· vall t_ (in Fig. 2B dargestellt) von dem Startpunkt des

Hochfrequenzwellensignals S., welches von dem Sperrschwinger 1 abgegeben worden ist, bis zu dem Startpunkt des vorhergehend erwähnten, Empfangssignals S_? nach dessen Verstärkung, und verarbeitet jenes als eine Dateninformation, 2Q die den Abstand zu dem Zielgegenstand angibt.

Der Startpunkt des Empfangssignals S₂ wird als derjenige Punkt eingestellt, bei dem der Pegel des Empfangssignals S₂ einen festgelegten Schwellenpegel A überschreitet.

Die Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 und die Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung 3 sind, wie es Fig. 3 zeigt, in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebracht.

„-> Das Gehäuse 8 besteht aus einem Kunststoff, wie z.B. aus einem Kunstharz. Dieses Gehäuse 8, in dem die Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 und die Empfangseinrichtung 3 untergebracht sind, ist so ausgebildet, daß eine Sendeöffnung Kp und eine Empfangsöffnung K^ vorhanden sind,

_oe die beide hornförmig sind und zu einer Senderoberfläche 2a bzw. eine Empfangsoberfläche 2b führen.

Die Umgehungswelle enthält eine Welle, welche innerhalb des Entfernungsmessers von der Sendeeinrichtung 2 zu der Empfangseinrichtung 3 schallmäßig übertragen wird, sowie eine die von dem Senderteil K. ausgeht und zu dem Empfängerteil K, durch die Luft hindurch umgeleitet wird.

Eine Vielzahl Isolatoren 7A und 7B aus Gummi oder irgend-,Q einem solchen elastischen Material sind zwischen dem Gehäuse 8 und der Sende- und Empfängereinrichtung 2 bzw. 3 angeordnet, um zu verhindern, daß ausgesendete Signale innerhalb des Gehäuses 8 in die Empfangseinrichtung gelangen.

Wenn, wie es Fig. 3 zeigt, die Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 und die Ultraschallwellen-Empfängereinrichtung 3 nahe beieinander angeordnet und in dem Gehäuse 8 untergebracht sind, werden, wie es Fig. 4B zeigt, die Schwingungen von der Wellensendereinrichtung in das Gehäuse 8 übertragen und als Empfangssignal von der Empfängereinrichtung 3 zusätzlich zu dem von dem Zielgegenstand D reflektierten Wellensignal S~ empfangen, und der Empfangspegel der Umgehungswelle S-,, die bei der Wellenemp-

_oc fängereinrichtung 3 ankommt, kann nicht vernachlässigt werden.

Insbesondere überlappen sich die reflektierte Welle S- und die Umgehungswelle S, teilweise in der Vorrichtung

_or. zum Bestimmen der Fahrzeughöhe (dem Abstand von der Untero U

fläche des Fahrzeugkörpers zum Boden), da der erfaßte Abstand kurz (15 bis 40 cm) ist.

In einem Falle dieser Art interferieren bzw. stören sich

_otr die überlappenden Bereiche gegenseitig, wodurch sich der ob

Signalpegel verändert.

Ferner wird die Impulsbreite t^ der Umgehungswelle S_ gemäß dem Weg gestört, über den sie die Wellenempfangseinrichtung 3 von der Sendeeinrichtung 2 erreicht.

Insbesondere dann, wenn die Umgehungswelle S, und die reflektierte Welle S_ mit der gleichen Phase empfangen werden (dies ist in Fig. 5A gezeigt), addieren sich die Pe-,Q gel ihrer Wellenanteile, wie es Fig. 5B zeigt, und der Startpunkt der reflektierten Welle S~ (der Punkt, bei dem der Schwellenpegel A überschritten wird) eilt vor (um Δ t¹, wie es Fig. 5C zeigt).

,c Wenn die Signale mit entgegengesetzten Phasen (dies ist in Fig. 6a gezeigt) empfangen werden, werden die Pegel ihrer Teilwellen voneinander subtrahiert, wie es Fig. 6B zeigt, und der Startpunkt der reflektierten Welle S» wird verzögert (um Δ t", wie es Fig. 6C zeigt).

Demgemäß gibt es bei einer derartigen Startstelle für die

reflektierte Welle S_? eine Überlappung, und, wie es Fig. 5C und Fig. 6F zeigen, wird ein Fehlerbereich von Δ t' oder At" beim Zeitunterschied t_ erzeugt, und die Meßge-2g nauigkeit bzw. Erfassensgenauigkeit nimmt ab.

Im folgenden werden einige Ausführungsformen nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Teile „-. wie in den Fig. 1 und 3 verwendet werden.

Eine erste Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Gemäß der Fig. sind die Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 und die Ultraschallwellen-Empfangsein_oc richtung 3 nebeneinander in einer Aufnahmekammer eines

Gehäuses 10 untergebracht, welches aus einem Kunstharz wie z.B. einem Kunststoff hergestellt ist. Eine Vielzahl von Isolierungen 11 und 12, welche aus einem Material

hergestellt sind, welches wirkungsvoll Schall isoliert, wie z.B. elastischer Gummi, ist zwischen dem Gehäuse 10 und der Senoe- und Empfangseinrichtung 2 bzw. 3 mit Ausnahme einer Senderoberfläche 2a und einer Empfängeroberfläche 3a angeordnet.

An der Bodenfläche des Gehäuses 10 ist eine Vielzahl Hör-•jo ner 13 und 1M angeordnet, die als öffnungen ausgebildet sind, welche mit der Senderoberfläche 2a bzw. der Empfängercberflache 3a in Verbindung stehen.

Die Hörner 13 und 14 umfassen gerade Rohrabschnitte 13a jr und 1üa, die als Zylinderform ausgebildet sind und von der Außenfläche der Senderoberfläche 2a bzw. Empfängeroberfläche 3a nach unten weisen, sowie konische Abschnitte 13b und 14b in der Form eines Konus, die sich nach unten von den Unterkanten der geraden Rohrabschnitte 13a und 14a in Richtung zu der Bodenfläche des Gehäuses 10 öffnen.

Die Länge χ der geraden Rohrabschnitte 13a und 14a ist so bestimmt, daß die Beziehung erfüllt wird:

χ = .1.5 r²/* (1)

mit r dem Radius der Sender- und Empfängeroberfläche 2a und 3a und >. der Wellenlänge des Ultraschallsignals, Q₀ welches von der Wellensendeeinrichtung 3 erzeugt wird.

Auch der Durchmesser y der Hörner 13,14 wird so festgelegt, daß gilt:

Υ = 2X (2)

Wenn die Hörner 13,1^ so geformt sind, daß sie die durch die Gleichungen (1)und(2) festgelegten Beziehungen erfül

len, wird die Umgehungswelle beträchtlich gedämpft, und es ist möglich, deren Wirkung zu vermeiden.

Die Ergebnisse von Untersuchungen, die von den Erfindern der Erfindung durchgeführt wurden, um die vorstehenden Gleichungen (T) und (2) abzuleiten, werden nun angegeben.

^q Die bei diesen Untersuchungen verwendete Wellensender- und Empfängereinrichtung- 2,3 hatten eine Mittenfrequenz von 40 KHz (Wellenlänge >. =8,5 mm), und der Radius r der Sender- und Empfängeroberflächen 2a, 3a betrug 5,4 mm. Es wird darauf hingewiesen, daß, da der normale Schwingungs-

■jc modus der Sender- und Empfängereinrichtung der Biegemodus ist und der effektive Radius der Schwingungsoberflächen als mit 5,0 mm angenommen wird.

Die in Fig. 8 gezeigten Versuchsergebnisse geben die finde-2Q rungen des Signal/Untergrundverhältnisses in bezug auf Änderungen des Öffnungsdurchmessers y der Hörner 13,14 an, wobei das Signal/Untergrundverhältnis die Vergleichsstärke der reflektierten Welle und der Umgehungswelle mit einer Aluminiumplatte ist, die 30 cm von der Öffnungsfläche 2g entfernt angeordnet ist.

Aus der gleichen Darstellung kann festgestellt werden, daß das Signal/Untergrundverhältnis maximal ist, wenn der Öffnungsdurchmesser y 18,5 mm beträgt, was ungefähr das „λ Doppelte der Wellenlänge X ist.

Die in Fig. 9 gezeigten Versuchsergebnisse geben das Signal/Untergrundverhältnis für unterschiedliche Werte von x, der Länge des geraden Rohrabschnittes, an, wobei die Hörner 13,14 einen Öffnungsdurchmesser von 18,5 mm aufwiesen, welcher aufgrund der Versuchsergebnisse der Fig.8 als der optimale Durchmesser bestimmt wurde.

-rf-

Aus der gleichen Darstellung läßt sich entnehmen, daß das Signal/Untergrundverhältnis maximal ist, wenn die Länge c des geraden Rohrabschnittes χ ungefähr 4,5 mm beträgt.

Als nächstes soll der Radius r der Sender- und Empfängeroberflächen und die Wellenlänge "X des Ultraschallwellensignals als Parameter betrachtet werden, die mit dem opti-,Q malen Wert der Länge χ des geraden Rohrabschnittes in Beziehung stehen, und es wird der folgenden Ausdruck erhalten:

x= f (r, λ ) (3)

Die in Fig. 10 gezeigten Versuchsergebnisse geben die Länge χ des geraden Rohrabschnittes an, wobei das Signal/Untergrundverhältnis bei einem Maximum liegt (welches die optimale gerade Rohrabschnittlänge ist), wenn der Radius r

_on der Sender- und Empfängeroberflächen verändert wird, wobei die Wellenlänge >. bei einem festen Wert (8,5mm) gehalten wird.

Die in Fig. 11 dargestellten Versuchsergebnisse zeigen _c die Länge χ des geraden Rohrabschnittes, wenn die Wellenlänge "λ verändert wird, während der Radius r bei einem festen Wert (5 mm) gehalten wird.

Aus diesen Kurven läßt sich feststellen, daß die optima- _an Ie Länge χ des geraden Rohrabschnittes dem Quadrat des Radius proportional und der Wellenlänge *\ umgekehrt proportional ist.

Demgemäß kann die Gleichung (3) ausgedrückt werden als 35

χ = k · r²/^ (4)

mit k einer Konstanten.

Wenn hier die optimale Länge des geraden Rohrabschnittes, der mit den in Fig. 9 dargestellten Versuchsergebnissen zu χ = 4,5 mm bestimmt wird ,und "X= 8,5 (mm) und r = 5 (mm) in Gleichung (4) eingesetzt werden, berechnet sich der Wert der Konstanten k zu k = 1,5 und die Gleichung (1) wird erhalten.

^q In ähnlicher Weise kann der optimale Wert für die Länge χ der geraden Rohrabschnitte 13a,14a aus der Gleichung (1) für verschiedene Werte von X und r erhalten werden.

Die Ergebnisse dieser Versuche bei der Dämpfung der Umge-,c hungswelle, die durch die Form der Hörner erhalten wird, sind in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Fig. 12 zeigt die Richtcharakteristik der Wellensendeeinrichtung 2, während Fig. 13 die Richtcharakteristik der Wellenempfangseinrichtung 3 darstellt. In dem Diagramm bezeichnet P die 2Q Kennlinie gemäß der Erfindung und Q die Kennlinie bei einer Einrichtung ohne Verwendung der Hörner.

Aus diesen beiden Diagrammen ergibt sich, daß im Falle dieser Ausführungsform nach der Erfindung die Dämpfungs-2g größe der Einrichtung mit den Hörnern zur Seite hin groß ist. Insbesondere erkennt man, daß eine adäquate Dämpfung der Umgehungswelle bewirkt wird.

Ferner führt bei dieser Ausführungsform das Vorsehen der ₃q Isolierungen 11 und 12 zu der Untergrund ausschließenden Wirkung. Auch wird durch Einschließen bzw. Unterbringen der Wellensende- und Empfängereinrichtung 2,3 der Positionierungsfehler als Ergebnis der Elastizität der Isolierungen 11,12 durch das Gehäuse gesteuert.

Ferner kann selbstverständlich bei der Erfindung, wie es Fig. 7 zeigt, die Wellensende- und Empfängereinrichtung 2,3 auch bei einem Entfernungsmesser mit nebeneinander

angeordneten, getrennten Gehäusen verwendet werden.

Wie im einzelnen vorhergehend erörtert wurde, kann erfindungsgemäß die Umgehungswelle äußerst stark dadurch gedämpft werden, daß die Form des Hornes verbessert wird, und die Erzeugung eines Hindernisses beim Erfassen der reflektierten Welle kann verhindert werden.

Zusätzlich ermöglicht der hohe Wirkungsgrad des Hornes

beim Dämpfen der Umgehungswelle, die Wellensende- und Empfängereinrichtung in unmittelbarer Nähe anzuordnen, so daß die Größe des Ultraschall-Entfernungsmessers ins-,,-gesamt verringert werden kann.

Die Fig. 14 und 15 zeigen eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung. Ein aus einem Kunstharz, wie z.B. einem Kunststoff, gebildetes Gehäuse 20 umfaßt einen eine WeI- _nr. lensendeeinrichtung aufnehmenden Abschnitt 2OA, der eine Wellensendeeinrichtung 2 enthält, einen eine Wellenempfängereinrichtung aufnehmenden Abschnitt 2OB, der eine WeI-lenempfängereinrichtung 3 enthält, einen Verbindungsabschnitt 2OC, der die aufnehmenden Abschnitte 20a und 20b

_Or- verbindet, und einen einen Schaltkreis aufnehmenden Ab- Zo '

schnitt 2OD.

Eine Sendersignalöffnung K_?, durch welche ein von der Wellensendeeinrichtung 2 erzeugtes Ultraschallsignal überaß tragen wird, ist in dem eine Wellensendeeinrichtung aufnehmenden Abschnitt 2OA ausgebildet, und eine Empfangssignalöffnung K-, durch die das Ultraschallsignal der reflektierten Welle eintritt ist in dem die Wellenempfangseinrichtung aufnehmenden Abschnitt (20B) ausgebildet. Die Öffnungsflächen der Sendersignalöffnung K_ und der Empfangssignalöffnung K, sind auf der gleichen Höhe angeordnet .

Ein Signalverarbeitungskreis 21 ist von dem Verbindungsj abschnitt 2OC aufgenommen. Ferner ist ein konkaver Ab-

j 5 schnitt 2OE vorgesehen, welcher so ausgebildet ist, daß ; seine Oberfläche konkaver als die Öffnungsoberflächen so

wohl von der Sendersignalöffnung K_? oder der Empfangssignalöffnung K-, ist. Die Bodenfläche und die Wandflächen

. des konkaven Abschnittes 2OE sind ungefähr unter rechten

iQ Winkeln gebildet.

Ein Signalverarbeitungskreis 23 ist von dem Schaltkreisabschnitt 2OD aufgenommen. Ferner ist die gesamte obere Oberfläche des Gehäuses 20 mit einem Deckel 24 überdeckt ,g und der Deckel 24 ist über seinen Umfang mit dem Umfangsrand des Gehäuses 20 abgedichtet.

Eine Isolierung 22 aus Gummi oder einem Kunststoff ist zwischen dem Seiten Umfang und den oberen" Oberflächen 2Q von sowohl der Wellensendeeinrichtung 2 und der Empfangseinrichtung 3 angeordnet.

Fig. 15 zeigt eine Aufsicht auf die zweite Ausführungsform nach der Erfindung.

25

Als Ergebnis dieser Ausgestaltungsart bei dieser Ausführungsform nach der Erfindung wird durch die Trennung der Sendersignalöffnung K- und der Empfangssignalöffnung K-, durch den Verbindungsabschnitt 2OC und zusammen mit der QQ Verwendung des konkaven Abschnittes 2OE eine Dämpfung der Umgehungswelle erzielt, und es ist möglich, die Umgehungswelle daran zu hindern, in die Empfängereinrichtung 3 einzutreten.

Der Grund dafür, daß der konkave Abschnitt 2OE die Umgehungswelle dämpft, besteht darin, daß eine Dämpfung in einer Vielzahl von Winkelabschnitten 2OF und 2OG als Ergebnis der Streuung der Umgehungswelle auftritt, die an

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der Bodenkante der Wandoberfläche des konkaven Abschnittes 2OE ausgebildet sind. Die Dämpfung aufgrund dieser Streuung ist groß und tritt zuerst an dem Winkelabschnitt 2OF der Sendersignalöffnung K_? und dann bei dem Winkelabschnitt 2OG der Empfangssignalöffnung K^ auf.

Eine Dämpfungswirkung wird auch durch die Interferenz be-2Q wirkt, welche auftritt, wenn die Umgehungswelle in den konkaven Abschnitt 2OE eintritt.

Eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 16 dargestellt. In der gleichen Weise wie bei der

jr zweiten Ausführungsform ist ein Gehäuse 30 mit einem Verbindungsabschnitt 30C, einem eine Wellenempfangseinrichtung aufnehmenden Abschnitt 30B und einem einen Schaltkreis aufnehmenden Abschnitt 30D zusätzlich zu einem eine Wellensendeeinrichtung aufnehmenden Abschnitt 30A ver-

2Q sehen, der mit einer Sendersignalöffnung Kp ausgebildet ist, deren Öffnungsoberfläche auf einer unterschiedlichen Höhe als die Empfangssignalöffnung K, liegt.

Eine konkaver Abschnitt 30E ist an der Bodenoberfläche des Verbindungsabschnittes 30C in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform ausgebildet.

Bei dieser Art von Ausgestaltung bei der Ausführungsform nach der Erfindung wird die gleiche Wirkung wie

_ΟΛ bei der zweiten Ausführungsform erhalten. Ferner ist es als Ergebnis der unterschiedlichen Höhen der Sendesignalöffnung K₂ und der Empfangssignalöffnung K- möglich, die Umgehungswelle daran zu hindern, in die Empfangseinrichtung 3 aufgrund von Brechung einzutreten, und es ist möglieh, sogar eine größere Dämpfung der Umgehungswelle zu erhalten.

ZA

Bei diesem Fall ist es wünschenswert, die Öffnungsoberfläche der Empfangssignalöffnung K- hinter der öffnungsg oberfläche der Sendesignalöffnung K~ anzuordnen, wie es in der Fig. dargestellt ist. Es ist auch annehmbar, den konkaven Abschnitt 3OE, der in Fig. 16 gezeigt ist, fortzulassen und die Bodenoberfläche des Verbindungsabschnittes 3OC auf der gleichen Höhe wie die Öffnungsoberfläche ,Q der Empfangssignalöffnung K-, anzuordnen. Andererseits kann die Bodenoberfläche des Verbindungsabschnittes 30C auf halber Höhe zwischen der Öffnungsoberfläche der Sendesignalöffnung Kp und der Öffnungsoberfläche der Empfangsignalöffnung K_ angeordnet werden.

Wie vorhergehend im einzelnen erläutert wurde, ist es bei

der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform nach der Erfindung möglich, das Umgehungssignal zu dämpfen ,welches von dem durch die Wellensendeeinrichtung erzeugten Ultra-„« Schallwellensignal hervorgerufen wird, durch den Raum läuft und in die Empfangseinrichtung eintritt und das Umgehungssignal daran zu hindern, von der Empfangseinrichtung empfangen zu werden, so daß eine genaue Erfassung bzw. Messung durchgeführt werden kann.

Es wird nun auf die Fig. 17 bezuggenommen, die eine vierte Ausführungsform nach der Erfindung zeigt.

Diese Ausführungsform wurde ausgelegt, um Schwingungen zu dämpfen, welche akustisch von einer Sendeeinrichtung auf eine Empfangseinrichtung durch das Innere der Einrichtung übertragen werden.

Bei dem Ultraschall-Entfernungsmesser dieser Ausführungsform nach der Erfindung überdecken eine Vielzahl Isolierungen 37A und 37B die schwingenden Oberflächen einer Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung 2 und einer Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung 3 mit Ausnahme einer Wellen-

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senderoberfläche 2a und einer Wellenempfangsoberfläche 2b. Diese Isolierungen 37A und 37B sind zwischen einem Gehäuse se 8 und der Ultraschallwellen-Sende- und Empfangseinrichtung 2 bzw. 3 angeordnet.

Das Material, aus dem die Isolierungen 37A und 37B hergestellt sind, ist ein geschäumter, elastischer Körper, der aus unabhängigen Luftblasen und einem Träger aus einem Äthylen-Propylen-Gummi wie z.B. Äthylen-Propylen-Terpolymer (EPDM) oder Ä'htylen-Propylen-Copolymer (EPM) besteht.

Die Isolierungen 37A und 37B aus dieser Art Material, wie p. es Fig. 18 zeigt, weisen eine geringere Härteänderung bei einer Temperaturänderung als Isolierungen aus einem ungeschäumten fithylen-Propylen-Gummi auf. Selbst bei niederen Temperaturen verlieren sie nicht ihre untergrundverringernde bzw. -verhindernde Wirkung. In Fig. 18 ist die Kennlinie der Isolierungen 37A und 37B nach der Erfindung als Kurve I₁ dargestellt, während die Kennlinie von Isolierungen aus ungeschäumtem Äthylen-Propylen-Gummi als Kurve-Ip dargestellt ist. Die Modulus-Temperatur TN zum Vergleich ist eine Temperatur, bei der die Steifigkeit das N-fache ^Wird·

Fig. 19 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Signal/Untergrundverhältnis, d.h. dem Verhältnis des Spitzenpegels der reflektierten Welle S₂ zu dem Spitzenpegel der Umgehungswelle S,. Die Kennlinie bei dieser Ausführungsform nach der Erfindung ist mit M.. und jene bei einer herkömmlichen Einrichtung gemäß Fig. 3 mit M₂ bezeichnet.

__ Aus dieser graphischen Darstellung ergibt sich, daß die 35

Dämpfungswirkung der Umgehungswelle bei dieser Ausführungsform groß ist und daß diese Wirkung auch bei niederen Temperaturen nicht verschwindet bzw. stark abnimmt.

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Demgemäß kann mit dieser Ausführungsform nach der Erfindung eine gute Dämpfungswirkung bei der Umgehungswelle S^ c erhalten werden, und die reflektierte Welle Sp wird stets mit guter Genauigkeit innerhalb eines großen Temperaturbereiches (-30° bis +8O⁰C) erfaßt.

Ferner weist der vorhergehend erwähnte Ä'thylen-Propylen-Gummi eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Wettereinflüssen und Chemiekalien auf und ist für Kraftfahrzeugteile geeignet.

Der für die Isolierungen 37A und 37B verwendete, geschäumte, elastische Körper saugt sich wegen der Struktur mit unabhängigen Luftblasen nicht mit Wasser voll, wenn er in einer Umgebung verwendet wird, wo er Regenwasser ausgesetzt ist, im Gegensatz zu einem durchgehend geschäumten Material, und somit wird eine schlechte Arbeitsweise _9n aufgrund von Frost bzw. Frieren verhindert.

Für das Schäumungsverhältnis der Isolierungen 37A und 37B wird ein relativ höherer Wert, ungefähr 20%, als bei Schaummaterialien gewählt, welche weitläufig verwendet _OK werden. Zusätzlich ist es durch Verwendung eines eine geringe Kältehärtung aufweisenden Mittels möglich, das Hartwerden der Isolierungen bei niederen Temperaturen weiter zu verringern.

_or. Eine fünfte Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 20 dargestellt und wird nun erläutert.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Isolierung 37, die die Ultraschallwellen-Sende- und Empfangseinrichtung 3 bzw. 2 überdeckt, als eine einstückige Einheit ausgebildet.

Das für diese Isolierung 37 verwendete Material ist identisch mit demjenigen, welches bei der vierten Ausführungs-

form nach der Erfindung verwendet wurde, die in Fig. 17 gezeigt ist.

Bei dieser Ausgestaltungsart wird die gleiche Wirkung wie

bei der vierten Ausführungsform erhalten, und zusätzlich ist es möglich, den Zusammenbauaufwand zu verringern und Positionierungsschwankungen der Sendeeinrichtung 2 und -Q der Empfangseinrichtung 3 auszuschließen.

Bei der vierten und fünften Ausführungsform nach der Erfindung wird Ä'thylen-Propylen-Gummi als Träger für die Isolierungen verwendet, jedoch sind für diese Anwendung auch andere Materialien mit einer untergrund.vernichtenden Wirkung geeignet, wie z.B. Urethan-Gummi.

Mehrere Ausführungsformen sind vorhergehend beschrieben worden, die verschiedene konstruktive Merkmale aufweisen. _on Irgendein konstruktives Merkmal einer Ausführungsform kann bei einer anderen Ausführungsform angewandt werden, so daß die Kombination eine wirkungsvollere Ausgestaltung gegenüber einer Störung durch Umgehungswellen erhält.

Es wird darauf hingewiesen, daß sich die vorstehende Beschreibung selbstverständlich nur auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bezieht und daß eine Vielzahl Abänderungen oder Abwandlungen vorgenommen werden kann,

_ ohne von dem Gedanken und dem Bereich der Erfindung abzu-30

weichen.

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NISSAN MOTOR CO., LTD.
2 Takara-cho, Kanagawa-ku
Yokohama-shi
5 Kanagawa-ken 3519254

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JAPAN

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BOOC- VUNCHEN 22

10 29. Mai 1985

P 19 612-06/ps

Ultraschall-Entfernungsmesser

15 Patentansprüche

1. Ultraschall-Entfernungsmesser mit einer Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung (2) und mit einer Ultraschall- \ wellen-Empfangseinrichtung (3), gekennzeichnet durch

I ' eine Einrichtung, um zu verhindern, daß von der ^

Sendeeinrichtung (2) ausgesandte Wellen unmittel- x bar von der Empfangseinrichtung empfangbar sind.

25

! 2. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, da-

\ durch gekennzeichnet, daß die Wellensendeeinrichtung

j (2) und/oder die Wellenempfangseinrichtung (3) eine

• Sende- und/oder Empfangsoberfläche, ein Horn (13b

, bzw. 14b) und einen geraden, rohrförmigen Abschnitt

• 30

j (13a bzw. 14a), der zwischen der Oberfläche und

dem Horn vorgesehen ist, aufweisen, und daß die Abmessungen der Sende- und/oder Empfangseinrichtung

(2 bzw. 3) so gewählt sind, daß die Bedingung erfüllt ist

35

Ϊ - χ = k r /Λ

'> 1 mit χ der Länge des geraden, rohrförmigen Abschnit- ■

tes (13a bzw. 14a), r dem Radius der Sendeober- !

fläche oder Empfangsoberfläche, X der Wellenlänge :

des Ultraschallwellensignals und k einer Konstanten. j 5

3. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 2, da- ! durch gekennzeichnet, daß die Konstante k ungefähr ;

1,5 beträgt. :

4. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 2, da- ·'

durch gekennzeichnet, daß der Öffnungsdurchmesser ]

des Hörnes nahezu gleich einem ganzteiligen Viel- I

fachen der Wellenlänge ist. j

5. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, da- \ durch gekennzeichnet, daß die Endöffnung einen Durch- j

messer von etwa dem Doppelten der Wellenlänge auf- ; weist. ι

6. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, da- ί durch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind eine J

/ We-llensendegehäuseeinrichtung, die die Wellensende- j

einrichtung enthält und mit einer Sendesignalöffnung ι

für ein Ultraschallwellensignal versehen ist," welches durch die Wellensendeeinrichtung (2) erzeugbar ist, j eine Wellenempfangsgehäuseeinrichtung, welqhe I

die Wellenempfangseinrichtung (3) enthält und mit einer Empfangssignalöffnung ausgebildet ist, durch die eine zu der Ultraschallempfangseinrichtung re- j flektierte Welle eintreten kann, 1

und einen Verbindungsabschnitt, der die zwei Gehäuseeinrichtungen verbindet, wobei die Oberfläche zwischen den Gehäusen konkaver als die öffnungs- ;

oberfläche der Sendesignalöffnung und/oder die j

Öffnungsoberfläche der Empfangssignalöffnung für j

die reflektierte Welle ist. ;

_% . ORIGINAL 1NSPSCTK5 I

: 1 7. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 6, da-. durch gekennzeichnet, daß die Öffnungsoberfläche

der Sendesignalöffnung und die Öffnungsoberfläche der Empfangssignalöffnung für die reflektierte WeI- ϊ 5 Ie auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.

8. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbindungsabschnitt ein Signalverarbeitungskreis untergebracht ist.

9. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner vorgesehen sind, eine Wellensendegehäuseeinrichtung, die die Wellensendeeinrichtung enthält und mit einer Sendesignalöffnung für ein Ultraschall-Wellensignal ausgebildet ist, welches von der Wellensendeeinrichtung erzeugbar ist, und

eine Wellenerapfangsgehäuseeinrichtung, welche die Wellenempfangseinrichtung enthält und mit einer

Empfangssignalöffnung zum Eintritt einer reflektierten Welle zu der Ultraschall-Empfangseinrichtung versehen ist, wobei die Öffnungsoberfläche der Sendesignalöffnung und die Öffnungsoberfläche der Empfangssignalöffnung für die reflektierte Welle auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.

10. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsabschnitt vorgesehen ist, der die zwei Gehäuseeinrichtungen verbindet.

11. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verbindungsabschnittes konkaver als die öffnungsober-

fläche der Sendesignalöffnung und/oder die Öffnungsoberfläche der Empfangssignalöffnung für die reflektierte Welle ist.

12. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen-Sende- und -Empfangseinrichtung in einem Gehäuse untergebracht sind, und daß ein geschäumter, elastischer Körper in dem Gehäuse vorgesehen ist, um wenigstens die Ultraschallwellen-Sende- und -Empfangseinrichtung mit Ausnahme der Wellensendeoberflache und der Wellenempfangsoberfläche zu bedecken.

13. Ultraschall-Entfernungsmesser nach; Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung ein geschäumter, elastischer Körper ist, der aus unabhängigen Luftblasen gebildet ist.

14. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,.daß die Isolierung, die die Ultraschallwellen-Sendeeinrichtung und die -Empfangseinrichtung überdeckt, als eine einstückige Einheit ausgebildet ist.

15. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Schaumkörper aus einem Äthylen-Propylen -Gummi hergestellt ist.

16. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 15, da- j durch gekennzeichnet, daß der Athylen-Propylen- ; Gummi ein Äthylen-Propylen-Terpolimer ist.

j

17. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 15, da- \

durch gekennzeichnet, daß der Äthylen-Propylen- j

Gummi ein Äthylen-Propylen-Kopolimer ist. \