WO2008125260A1 - Nicht sichtbarer ultraschallsensor - Google Patents

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WO2008125260A1
WO2008125260A1 PCT/EP2008/002797 EP2008002797W WO2008125260A1 WO 2008125260 A1 WO2008125260 A1 WO 2008125260A1 EP 2008002797 W EP2008002797 W EP 2008002797W WO 2008125260 A1 WO2008125260 A1 WO 2008125260A1
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WO
WIPO (PCT)
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piezoceramic
component
module
ultrasonic transmitter
sensor
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2008/002797
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English (en)
French (fr)
Inventor
Knut Schmidt
Hans Ferkel
Thomas Daue
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/20—Sounding members

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor with the preamble of claim 1 and a component with the preamble of claim 12.
  • ultrasonic sensors are currently used to measure the distance of the motor vehicle from an object.
  • the ultrasonic sensor is used here, for example, in conjunction with a distance display and a parking aid.
  • the ultrasound sensor emits a directed ultrasound signal by means of a vibrating diaphragm or generally an actuator, which is reflected at the object and is subsequently detected by the ultrasound sensor itself or another sensor.
  • the transit time of the ultrasound signal can be used to determine the distance of the object at which the ultrasound signal was reflected.
  • the ultrasonic sensor is usually mounted in a module on or in the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensor is received by a holder which allows attachment, for example, inside the bumper. In the bumper an opening is provided, through which the ultrasonic sensor can emit the ultrasonic signals to the outside.
  • the sensors and their holders are pre-painted in a corresponding body color or chrome-plated.
  • the sensors and their holders are pre-painted in a corresponding body color or chrome-plated.
  • mounting holes punched on painted bumpers glued the pre-painted holder and also pre-painted sensors in the holder (along with a plastic ring for acoustic decoupling of the sensor from the bumper) - clipped.
  • the sensors are therefore not covered, but designed in the same color, so that they are barely visible.
  • the publication describes a method for concealed installation of a sensor in a motor vehicle outer part, characterized in that the sensor at a predetermined location of the motor vehicle outer part, preferably arranged flush with the membrane to the outer surface of the motor vehicle outer part and that at least the location , on which the sensor is located, is provided with a cover adapted to the contour of the motor vehicle outer part:
  • the patent application also describes an associated device.
  • Ultrasonic measuring systems are installed, for example, to perform a distance measurement for parking aids.
  • the measuring systems are based on thin, circular piezoceramic disks, which are applied to the bottom of a barrel-shaped metal cap.
  • an electronics for sensor-related analysis of the signals is additionally installed and encapsulated.
  • An air ultrasonic field is emitted via the circular piezoceramic disks, which is reflected upon impact with an obstacle and sensed by the same piezoceramic disk. From the duration of the reflected signal, the distance of an obstacle can be calculated.
  • the sensors are usually mounted today at the position of the bumper with the largest bulge. Hereby they are usually in the painted area of the bumper. In two-part bumpers, a partial positioning is also possible in the lower, non-painted area. But then a directional mode of action parallel to the roadway is possible here usually still appropriate Hutzen must be formed on the lower bumper section, which affect the visual appearance even more.
  • the object of the invention is advantageously achieved by an ultrasonic transmitter and / or receiver (ultrasonic sensor) with an actuator for transmission and a sensor for receiving vibrations and associated electronics for generating and evaluating the vibrations by advantageously provided that the one component for Swinging ing, emitting actuator and / or receiving sensor is a piezoceramic element with a specifiable actuator and / or sensory performance, is within a piezoceramic module, which is not visible from the outside integrated into the component or can be applied to the component.
  • Ultrasound systems mostly work as resonant systems.
  • the electrical impedance becomes a minimum at the resonance frequency, so that a high mechanical oscillation yield of the ultrasonic transducer is achieved even with small electrical excitation powers.
  • the necessary electrical excitation power to ensure the desired functional.
  • the operation of the measuring system depends on the one hand on the coupling [application or integration of the piezoceramic module as an ultrasonic transducer on the component] of the piezoceramic module. If the piezoceramic module, as in the prior art, is coupled to air, a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency.
  • a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates at a resonant frequency likewise has a lower electrical excitation power than a piezoceramic ultrasonic transducer which oscillates outside the resonant frequency, but rises due to the coupling of the piezoceramic Module to a component, the neces- table electrical excitation power against a coupled to air piezoceramic ultrasonic transducer.
  • the piezoceramic element and thus the piezoceramic module from the outset depending on the structure on a certain power requirements. Due to the structure of the piezoceramic element and thus of the piezoceramic module, the operation outside a self-resonant point is already expected to increase the power requirement due to the design.
  • the air-coupled ultrasonic transducers in use operate at electrical excitation frequencies in a range of 20 kHz to 200 kHz.
  • a piezoceramic element is simultaneously used both as an actuator and as a sensor in a device.
  • the actuator and sensor it is of course also possible to design the actuator and sensor in different devices and to send them via at least one device and to receive them via at least one other device.
  • actuator and sensor When using the actuator and sensor in separate devices, these can each have the same structure or else have different piezoceramic element designs, in order to make optimum use of, for example, the different transmission or reception characteristics.
  • ultrasonic sensor always means an ultrasonic transmitter and / or receiver.
  • the actuator and / or sensor as piezoceramic element is a composite of at least one piezoceramic fiber and / or at least one piezoceramic rod and / or at least one piezoceramic film (plate) with other materials, such as plastics or metals such as aluminum, educated.
  • This piezoceramic element produced as a composite is formed into a surface module in that flat, thin elements are formed which consist of piezoceramic foils or piezoceramic wands or piezoceramic fibers in combination with other materials. are built and by electrodeposition, contacting and isolation yield a usable piezoceramic module.
  • This piezoceramic element produced as a composite can also be formed into a volume module as a volume element, in that piezoceramic films, piezoceramic rods or piezoceramic fibers are more voluminous in combination with other materials - resulting in a not only flat, thin body - are constructed and result in an insertable piezoceramic module by electrodation, contacting and insulation.
  • the modules can be electrically contacted with a planar electrode or an interdigital electrode.
  • the associated electronics are preferably arranged close to the sensor, but can also be arranged remote sensor in a further embodiment.
  • An ultrasonic sensor thus has at least one piezoceramic element as an actuator and / or sensor and can be integrated in a component or on a back side of the component such that the oscillating piezoelectric ceramic module excites the component to vibrate, which in turn vibrates radiates in / to the environment and / or finally transmits the vibrations arriving from the environment via the excited component to the piezoceramic module.
  • connection between the component and piezoceramic module is designed such that only a part of the component [subregion] in which the piezoceramic module is integrated or applied is excitable by the emitted and / or received vibrations.
  • a mechanical impedance difference between the component and the subregion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations can be achieved by decoupling between piezoceramic module and component itself.
  • the mechanical impedance difference by the variation of stiffness and / or mass of the portion of the component relative to the component is adjustable.
  • the mechanical impedance difference is adjustable in a first embodiment, for example, by the variation of stiffness and / or mass by stiffening layers between piezoceramic module and the portion of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, can be arranged.
  • the mechanical impedance difference is adjustable in a second embodiment by the variation of stiffness and / or mass, by at the back in the partial region of the component, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, a ribbed to the component ribbed around the piezoceramic Module is executed around as a mechanical impedance jump.
  • the shape, size and stiffness - e.g. by the variation of area, thickness and curvature - of the piezoceramic module and its shape, size and rigidity of the coupling to the bumper - e.g. by selecting the stiffening position, area, thickness and curvature - be determined.
  • a bumper or the like As a component in or on which an inventive ultrasonic sensor is arranged, for example, a bumper or the like is provided.
  • plastic and fiber-reinforced plastic for example, glass or carbon fibers
  • all attachments made of plastic and fiber-reinforced plastic such as bumpers, bumpers, door guards, side guards, spoilers, license plates, door handles or exterior mirror housings are eligible components.
  • the inventive ultrasonic sensors should be applied in the non-visible region or be constructed of a transparent piezoceramic.
  • the inventive ultrasonic sensor can be applied to the back of the mirror.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is also applied or integrated on or in cast iron or extruded structures of, for example, aluminum or magnesium in the area of the supporting structure of the body or else in the unit or chassis area.
  • the mechanical impedance matching must take place via the variation of stiffness and / or mass or also a corresponding design of a surrounding ribbing.
  • Piezoceramic elements are therefore used as actuators and / or sensors of an ultrasonic sensor for the new technology.
  • These elements also used in ultrasound technology in the underwater area (sonar) produce a thickness vibration in the molding.
  • the piezo fibers are aligned in parallel. When electrically controlled, the position of the fibers changed simultaneously, so that a thickness vibration takes place on a radiation in the fiber longitudinal direction.
  • the frequency of the oscillator can be adjusted via fiber diameter and fiber volume content.
  • piezoceramic modules are constructed either from piezoceramic foils (plates), rods or fibers. These are electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. In planar application of the element, a bending deformation and / or a thickness vibration is introduced into the structural component.
  • the frequency of the radiation can be determined by the basic stiffness of the structural component as well as by size and structure of the piezoelectric element set.
  • Bulky piezoceramic modules are also constructed either from piezoceramic foils or from piezoceramic rods or fibers. However, these are also electrically contacted via a planar electrode or interdigital electrode. With voluminous application of the element, a small bending deformation but above all a thickness oscillation is likewise introduced into the structural component. The frequency of the radiation can be adjusted by the basic rigidity of the structure as well as the size and structure of the piezoelectric element.
  • the piezoceramic elements described here or the formed piezoceramic modules can be applied in or behind, for example, a bumper made of a plastic.
  • the piezoceramic elements or piezoceramic modules are not visually visible the assembly (especially in painted bumpers) is significantly simplified there is a higher freedom of design, the elements no longer optical
  • the planar piezoceramic modules for example, integrated in the plastic or applied to the back of the bumper and thus excited the bumper on the piezoceramic modules for emitting the ultrasound.
  • They To decouple the individual modules, they must each be connected in such a way that they excite only a small area of the bumper area to vibrate. This can be set constructively via a mechanical impedance difference (variation of stiffness and / or masses) between the areas where a piezo element is integrated or applied and the remaining area of the bumper.
  • thin stiffening layers for example, thin sheet metal
  • a glued additional ribbing around the element as a mechanical impedance jump is conceivable. Partial weakening in the plastic thickness of the bumper are only possible, as long as they are not visually apparent from the outside.
  • the piezoelectric elements can be electrically driven and operated at the resonance frequency or else outside the resonance frequency.
  • the mechanical structure of the ultrasonic sensor according to the invention and the basic structure is adjusted and adapted in the mechanical impedance so that it resonates at the desired ultrasonic frequency.
  • a high ultrasonic pressure can be generated with low electrical excitation power.
  • the system When designed in non-resonant mode, the system operates at an ultrasonic frequency outside the resonant frequency. Here an adapted higher electrical power is necessary to produce the appropriate range. However, the influence of the above-mentioned disturbances on the quality of the ultrasonic signals is no longer so great.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is used for object detection and distance measurement and can be used in all applications, such as the previous known ultrasonic sensors also.
  • piezoceramic modules could be used to generate an audible warning sound prescribed in some countries when reversing.
  • the elements or modules used would work as speakers in an audible frequency band
  • the ultrasonic sensors distributed on a component can serve as contact force sensor (s) in the event of a crash.
  • a component for example the bumper
  • Such an ultrasonic sensor can be used to detect a crash via the object detection and distance measurement as a precrash sensor and at the same time as a contact force sensor as a crash sensor.
  • FIG. 1 shows an example in a sectional view of the mechanical structure of a Verrip- pung - second embodiment variant - to adapt the mechanical impedance of the piezoceramic module - against the component;
  • FIG. 1 piezoceramic fiber composite (composite) elements
  • FIG. 4 piezoceramic module in d31 design in a schematic representation.
  • Figure 1 shows a second embodiment in which a piezoceramic module 20 on the back of a component 30, for example, on the back of a bumper was applied.
  • a mechanical impedance difference between the remaining region of the bumper 30 and the portion 100 of the bumper 30 ( Figure 1), which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, by a decoupling between the piezoceramic module 20 and the remaining area of the bumper 30 reachable.
  • a size of the mechanical impedance difference is adjustable in the second embodiment by the variation of the rigidity, by at the back in the portion 100 of the bumper 30, which is to be excited by the emitted and / or received vibrations, bonded to the bumper 30 ribbing 50, around the piezoceramic module 20 around, thereby producing a predeterminable mechanical impedance jump in the bumper 30 is executed.
  • an adhesive layer for attaching the ribbing 50, wherein the adhesive layer between the piezoceramic module ⁇ 20 and the ribbing 50 is formed in an adhesive joint 40.
  • the self-shape 60 of the bumper 30 changes in the excitation case of the piezoceramic element 10A, 10B of the piezoceramic module 20 by the glued ribbing 50 only in the partial area 100.
  • the ribbing 50 in this partial area 100 is a mechanical impedance difference or impedance jump around the Piezoceramic module 20 around the remaining area of the bumper is adjustable.
  • the mass of the bumper 30 is changed in this partial region 100, for example by a thicker or thinner design of the material of the bumper 30 (not shown) compared with the material thickness of the bumper 30 in the remaining region This also achieves the desired mechanical impedance difference or impedance jump for adjusting the piezoceramic module 20.
  • the measures stiffness change and mass change of the component 30 can be executed individually or in combination.
  • the ribbing 50 used is, for example, a carbon fiber box which forms a partial ribbing 50 or circumferential ribbing 50 around the piezoceramic module 20, so that the rigidity of the bumper 30 can be changed in this area and thereby the mechanical impedance jump between the bumper 30 in the remaining area and the bumper 30 in the sub-area 100 makes adjustable.
  • the arrangement of stiffening layers (not shown), for changing the rigidity of the component in the partial area 100 relative to the remaining area of the bumper preferred.
  • a thin, planar piezoceramic module 2OA as well as a voluminous piezoceramic module 2OB, can be arranged.
  • the piezoceramic modules 2OA, 2OB differ in terms of the bending deformation and / or thickness vibration (deflection) that can be generated, which is / are introduced into the component 30 predominantly in the partial area 100.
  • FIG. 2 shows such different piezoceramic modules, the piezoceramic modules 2OA shown with the reference numeral 2OA showing thin planar modules and the voluminous piezoceramic modules 2OB representing the reference numeral 2OB.
  • FIG. 2 illustrates, different geometric shapes of the piezoceramic elements 10A, 10B can be produced both for planar and voluminous piezoceramic modules 20A, 20B (not shown in the planar piezoceramic modules 20A).
  • these piezoceramic elements 10A, 10B form the corresponding piezoceramic modules 20A, 20B with the properties desired for piezoceramic modules.
  • FIG. 3 shows that piezoceramic modules 2OA, 2OB are direction-dependent with regard to the piezoelectric effect because of the anisotropic nature of piezoceramic.
  • the axes 1, 2 and 3 are introduced (analogous to the x, y and z axes of the Cartesian coordinate system).
  • the polarization direction (axis 3) is determined during polarization by an electric field (between the polarizing electrodes).
  • the piezo properties in this direction are usually the most important. Here is the biggest deflection.
  • FIG. 3 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d33.
  • D33 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of strain (deflection) parallel to the polarization vector of the ceramic (thickness).
  • an electric field is applied in the direction of polarization (axis 3) and the strain takes place in the same direction (axis 3).
  • FIG. 4 schematically shows a piezoceramic module 20 made of piezoceramic elements 10 and interposed composite material 70 with the tensor d31.
  • D31 describes the piezoceramic modulus material properties in terms of contraction (deflection) as a geometry change orthogonal to the polarization of the ceramic (width).
  • an electric field is applied in the direction (axis 3), but the deflection takes place in the direction of the axis 1 (that is, orthogonal to the polarization axis).
  • the +/- electrodes 80 are in the embodiment of the figure 4 electrically connected via each top and bottom of the piezoceramic module 20 arranged metallic electrode layers 90 together.

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Abstract

Ultraschallsender und/oder Empfänger (Ultraschallsensor) mit einem Aktor zur Aussendung und/oder einem Sensor zum Empfang von Schwingungen und einer zugehörigen Elektronik zur Erzeugung und/oder Auswertung der Schwingungen. Es ist vorgesehen, dass der ein Bauteil (30) zum Schwingen anregende, aussendende Aktor und/oder empfangende Sensor ein Piezokeramik-Element (10) mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung innerhalb eines Piezokeramik-Moduls (20) ist, das von außen nicht sichtbar in das Bauteil (30) integrierbar oder an dem Bauteil (30) applizierbar ist.

Description

Beschreibung
Nicht sichtbarer Ultraschallsensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit dem Oberbegriff nach Anspruch 1 und ein Bauteil mit dem Oberbegriff nach Anspruch 12.
Bei Kraftfahrzeugen werden derzeit Ultraschallsensoren zur Messung der Entfernung des Kraftfahrzeugs von einem Objekt eingesetzt. Der Ultraschallsensor wird hierbei zum Beispiel in Verbindung mit einer Entfernungsanzeige und einer Einparkhilfe eingesetzt. Für die Entfernungsmessung emittiert der Ultraschallsensor mittels einer schwingenden Membran oder allgemein einem Aktor ein gerichtetes Ultraschallsignal, das an dem Objekt reflektiert wird und daraufhin von dem Ultraschallsensor selbst oder einem anderen Sensor detektiert wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals lässt sich der Abstand des Objekts bestimmen, an dem das Ultraschallsignal reflektiert wurde. Der Ultraschallsensor wird üblicherweise in einem Modul an oder in dem Kraftfahrzeug befestigt. Üblicherweise wird hierbei der Ultraschallsensor von einer Halterung aufgenommen, die eine Befestigung zum Beispiel im Inneren des Stoßfängers erlaubt. In dem Stoßfänger ist eine Öffnung vorgesehen, durch welche der Ultraschallsensor die Ultraschallsignale nach außen emittieren kann.
Solche Ultraschallsensoren oder Ultraschallwandler die sich hinsichtlich Aufbau und verwendeter Technologie unterscheiden sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 197 14 606 A1 , der DE 100 18 807 A1 bekannt.
Neben der Technologie sind in letzter Zeit auch die Ansprüche der Hersteller und Käufer hinsichtlich der Anordnung und des Designs des Bauteiles in einem Endprodukt, in das der Ultraschallsensor integriert werden soll, gestiegen.
Beispielsweise werden die Sensoren und deren Halter in einer entsprechenden Wagenfarbe vorlackiert oder auch verchromt. So werden beispielsweise, wie im Wesentlichen in der Patentschrift DE 100 23 065 B4 beschrieben, Befestigungslöcher an lackierte Stoßfänger ausgestanzt, die vorlackierten Halter eingeklebt und die ebenfalls vorlackierten Sensoren im Halter (zusammen mit einem Kunststoff-Ring zur akustischen Entkopplung des Sensors vom Stoßfänger) ein- geklipst. In der DE 199 23 065 B4 sind die Sensoren also nicht verdeckt, sondern in der gleichen Farbe gestaltet, so dass sie kaum noch sichtbar sind.
Eine andere Lösung ist in der DE 44 10 895 A1 vorgesehen. Die Offenlegungsschrift beschreibt ein Verfahren zum verdeckten Einbau eines Sensors in einem Kraftfahrzeug-Außenteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einer vorgegebenen Stelle des Kraftfahrzeug-Außenteils, vorzugsweise mit der Membran flächenbündig zur Außenfläche des Kraftfahrzeug-Außenteils fest angeordnet wird und dass wenigstens die Stelle, an der sich der Sensor befindet, mit einer der Kontur des Kraftfahrzeug-Außenteils angepassten Abdeckung versehen wird: Die Patentanmeldung beschreibt zudem eine zugehörige Vorrichtung.
Ultraschall-Messsysteme werden beispielsweise verbaut, um eine Abstandsmessung für Einparkhilfen durchzuführen. Die Messsysteme basieren auf dünnen, kreisrunden Piezokeramik- Scheiben, die auf den Boden einer tonnenförmigen Metallkappe appliziert werden. In dieser Kappe ist zusätzlich eine Elektronik zur sensornahen Analyse der Signale verbaut und vergossen. Über die kreisförmige Piezokeramik-Scheiben wird ein Luft-Ultraschallfeld abgestrahlt, das beim Auftreffen auf ein Hindernis reflektiert wird und von der gleichen Piezokeramikscheibe sensiert wird. Aus der Laufzeit des reflektierten Signals lässt sich der Abstand eines Hindernisses berechnen.
Zur optimalen Wirkungsweise sind die Sensoren heute meist an der Position des Stoßfängers mit der größten Ausbauchung montiert. Hiermit liegen sie meist im lackierten Bereich des Stoßfängers. Bei zweigeteilten Stoßfängern ist teilweise eine Positionierung auch im unteren, nicht lackierten Bereich möglich. Damit dann aber eine gerichtete Wirkungsweise parallel zur Fahrbahn möglich ist, müssen hier zumeist noch entsprechende Hutzen an den unteren Stoßfängerabschnitt angeformt werden, die das optische Erscheinungsbild noch stärker beeinträchtigen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine weitere Lösung anzubieten, dies es erlaubt ein Ultraschall-Messsystem in und/oder an Bauteilen, insbesondere an Kraftfahrzeugbauteilen, unsichtbar anzuordnen.
Die Aufgabe der Erfindung wird vorteilhaft durch einen Ultraschallsender und/oder Empfänger (Ultraschallsensor) mit einem Aktor zur Aussendung und einem Sensor zum Empfang von Schwingungen und einer zugehörigen Elektronik zur Erzeugung und Auswertung der Schwingungen gelöst, indem vorteilhaft vorgesehen ist, dass der ein Bauteil zum Schwingen anre- gende, aussendende Aktor und/oder empfangende Sensor ein Piezokeramik-Element mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung, innerhalb eines Piezokeramik-Mo- duls ist, das von außen nicht sichtbar in das Bauteil integrierbar oder an dem Bauteil applizierbar ist.
Ultraschallsysteme arbeiten zumeist als resonante Systeme. In der Resonanzfrequenz wird dabei die elektrische Impedanz ein Minimum, so dass bereits mit kleinen elektrischen Erregerleistungen eine hohe mechanische Schwingungsausbeute des Ultraschallwandlers erreicht wird.
Im Gegensatz dazu arbeiteten Ultraschallsysteme auch außerhalb der mechanischen Resonanzfrequenz. Hier können Verstärkungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden. Somit ist hier ein erhöhter Leistungsbedarf zu verzeichnen.
Die notwendige elektrische Erregerleistung, zur Sicherstellung des gewünschten funktionsfähi- . gen Betriebes des Meßsystems, hängt hier zum Einen von der Ankopplung [Applikation beziehungsweise Integration des Piezokeramik-Moduls als Ultraschallwandler am Bauteil] des Piezokeramik-Moduls ab. Ist das Piezokeramik-Modul, wie im Stand der Technik an Luft angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt.
Ist das Piezokeramik-Modul an ein Bauteil angekoppelt, weist ein Piezokeramik-Ultraschall- wandler, der in einer Resonanzfrequenz schwingt ebenfalls eine geringere elektrische Erregerleistung auf, als ein Piezokeramik-Ultraschallwandler, der außerhalb der Resonanzfrequenz schwingt, jedoch steigt durch die Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil die not- ' wendige elektrische Erregerleistung gegenüber einem an Luft angekoppelten Piezokeramik- Ultraschallwandler an.
Zum Anderen weist das Piezokeramik-Element und damit das Piezokeramik-Modul, von vorn herein je nach Aufbau einen bestimmten Leistungsbedarf auf. Bedingt der Aufbau des Piezoke- ramik-Elementes und damit des Piezokeramik-Moduls den Betrieb außerhalb einer Eigenresonanzstelle ist bereits aufbaubedingt mit einem erhöhten Leistungsbedarf zu rechnen.
Die Erhöhung resultiert also zum Einen aus der erfindungsgemäßen Ankopplung des Piezokeramik-Moduls an ein Bauteil und zum Anderen bei einem bestimmten Aufbau des Piezokeramik- Modul darin, dass bei Piezokeramik-Modulen, die nicht in Eigenresonanz schwingen, Verstär-' kungseffekte infolge der Resonanzwirkung nicht genutzt werden können.
Im Vergleich zu einem an Luft angekoppelten resonanten Piezokeramik-Ultraschallwandler zu einem an ein Bauteil gekoppelten Ultraschall-Wandler, der aufbaubedingt nicht in Eigenresonanz schwingt ist die elektrische Erregerfrequenz, um mindestens einen Faktor 2-3 höher. Ist bei Piezokeramik-Ultraschallwandler aufbaubedingt am Bauteil eine Schwingung in Eigenresonanz realisierbar liegt der Faktor eher geringer als bei Piezokeramik-Ultraschallwandlem, die am Bauteil nicht in Eigenresonanz schwingen.
Die sich im Einsatz befindenden luftangekoppelten Ultraschallwandler arbeiten mit elektrischen Erregerfrequenzen in einem Bereich von 20 kHz bis 200 kHz.
Zumeist wird ein Piezokeramik-Element gleichzeitig sowohl als Aktor und als Sensor in einem Gerät verwendet. Es besteht aber selbstverständlich auch die Möglichkeit Aktor und Sensor in verschiedenen Geräten auszubilden und über mindestens ein Gerät zu senden und über mindestens ein weiteres Gerät zu empfangen.
Bei der Verwendung von Aktor und Sensor in getrennten Geräten können diese jeweils gleich aufgebaut sein oder aber auch unterschiedliche Piezokeramik-Elementbauweisen aufweisen, um zum Beispiel die unterschiedlichen Sende- oder Empfangscharakteristiken optimal nutzen zu können.
Umgangssprachlich spricht man bei Schwingungen im Ultraschallbereich aussendenden und/oder empfangenden Geräten von Ultraschallsensorerr. In dieser Patentanmeldung ist bei dem Gebrauch des Wortes Ultraschallsensor stets ein Ultraschallsender und/oder Empfänger gemeint.
Der Aktor und/oder Sensor als Piezokeramik-Element wird als Verbund aus mindestens einer piezokeramischen Faser und/oder aus mindestens einem Piezokeramik-Stäbchen und/oder aus mindestens einer piezokeramische Folie (Platte) mit anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Kunststoffen oder Metallen wie Aluminium, ausgebildet.
Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element wird zu einem Flächen-Modul ausgebildet, indem flächige, dünne Elemente ausgebildet werden, die aus Piezokeramik-Folien oder Piezokeramik-Stäbchen oder Piezokeramik-Fasern im Verbund mit anderen Werkstoffen aufge- baut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokera- mik-Modul ergeben.
Dieses als Verbund hergestellte Piezokeramik-Element kann aber auch zu einem Volumen-Modul als Volumenelement ausgebildet werden, indem Piezokeramik-Folien, Piezokeramik-Stäb- chen oder Piezokeramik-Fasem im Verbund mit anderen Werkstoffen voluminöser - einen nicht nur flächigen, dünnen Körper ergebend - aufgebaut sind und durch Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung ein einsetzbares Piezokeramik-Modul ergeben.
Diese Module werden von der Elektronik angesteuert und ausgewertet.
Erfindungsgemäß sind die Module elektrisch mit einer flächigen Elektrode oder einer Interdigi- talelektrode kontaktierbar.
Die zugehörige Elektronik ist vorzugsweise sensornah angeordnet, kann aber in einer weiteren Ausführungsvariante auch sensorfern angeordnet werden.
Ein Ultraschallsensor weist also mindestens ein Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor auf und ist in einem Bauteil integrierbar oder auf einer Rückseite des Bauteiles derart a- nordbar, dass das die Schwingungen aussendende Piezokeramik-Modul das Bauteil zum schwingen anregt, welches seinerseits Schwingungen in/an die Umgebung abstrahlt und/oder die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil schließlich an das Piezokeramik-Modul überträgt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anbindung zwischen Bauteil und Piezokeramik-Modul so ausgebildet ist, dass nur ein Teil des Bauteiles [Teilbereich], in dem das Piezokeramik-Modul integriert oder appliziert ist, durch die ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen anregbar ist.
Dabei ist vorteilhaft einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul und Bauteil selbst erreichbar.
Ferner bevorzugt ist der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse des Teilbereiches des Bauteiles gegenüber dem Bauteil einstellbar. Der mechanische Impedanzunterschied ist in einer ersten Ausführungsvariante beispielsweise durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar, indem Versteifungslagen zwischen Piezokeramik-Modul und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, anordbar sind.
Der mechanische Impedanzunterschied ist in einer zweiten Ausführungsvariante durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar, indem an der Rückseite im Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine am Bauteil verklebte Verrippung um das Piezokeramik-Modul herum als mechanischer Impedanzsprung ausgeführt ist.
Schließlich besteht auch in einer dritten Ausführungsvariante die Möglichkeit den mechanischen Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einzustellen beziehungsweise hervorzurufen, indem in dem Teilbereich, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Schwächung des Materials des Teilbereich des Bauteiles vornehmbar ist.
Zur Ausbildung der gewünschten Form der Ultraschall-Abstrahlkeule kann die Form, Größe und Steifigkeit - z.B. durch die Variation von Fläche, Dicke und Krümmung - des Piezokeramik-Mo- duls und dessen Form, Größe und Steifigkeit der Ankopplung an den Stoßfänger - z.B. durch Wahl der Versteifungslage , Fläche, Dicken und Krümmung - festgelegt werden.
Als Bauteil in oder an dem ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor angeordnet ist beispielsweise eine Stoßstange oder dergleichen vorgesehen. Selbstverständlich kommen alle Bauteile in Frage, die einen Zugang zur Umgebung haben und in der Lage sind Schwingungen zu übertragen. Insbesondere sind alle Anbauteile aus Kunststoff und faserverstärktem Kunststoff (zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern) wie Stoßfänger, Stoßleisten, Türschutzleisten, Seitenschutz- leisten, Spoiler, Nummernschilder, Türgriffe oder Außenspiegelgehäuse in Frage kommende Bauteile.
Aber auch an die metallischen Blechkomponenten, die einen Zugang zur Umgebung haben und Schwingungen übertragen, wie die Karosseriestruktur und angebaute Klappen, Deckel, Türen oder auch der Unterboden können die erfindergemäßen Ultraschallsensoren appliziert werden.
Gleiches gilt für die Glasflächen von Verscheibungen und Spiegeln. Bei der Fensterverglasung sollten die erfindergemäßen Ultraschallsensoren im nicht sichtbaren Bereich appliziert sein oder aus einer transparenten Piezokeramik aufgebaut sein. Bei der Spiegelverglasung kann der erfindergemäße Ultraschallsensor auf der Spiegelrückseite appliziert sein.
Außerdem ist denkbar, dass der erfindungsgemäße Ultraschallsensor auch an oder in Gussoder Strangpressstrukturen aus zum Beispiel Aluminium oder Magnesium im Bereich der Trag- werksstruktur der Karosserie oder aber im Aggregate- oder Fahrwerksbereich appliziert beziehungsweise integriert wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit auch hier etwaige Ultraschall-Abstandsmessungen ohne zusätzliche Bohrungen auf der Außenseite der Strukturen zu applizieren oder zu integrieren und somit die Struktur nicht zu schwächen oder aber ohne mögliche Leckstellen in zum Beispiel der Ölwanne eine Ultraschall-Füllstandsmessung zu ermöglichen.
Je nach Material der Fahrzeugstruktur, an die der erfindungsgemäße Ultraschallsensor appliziert oder integriert wird, muss die mechanische Impedanzanpassung über die Variation von Steifigkeit und/oder Masse oder auch einer entsprechenden Gestaltung einer umgebenden Ver- rippung erfolgen.
Für die neue Technologie werden als Aktoren und/oder Sensoren eines Ultraschallsensors also Piezokeramik-Elemente verwendet.
Bei den Piezokeramik-Elementen werden folgende Bauweisen berücksichtigt:
Piezokeramikfaser-Composite (Verbund):
Diese so auch in der Ultraschall-Technik im Unterwasserbereich (Sonar) verwendeten Elemente erzeugen eine Dickenschwingung im Formkörper. Dabei sind die Piezofasem parallel ausgerichtet. Bei elektrischer Ansteuerung verändert sich die Lage der Fasern gleichzeitig, so dass eine Dickenschwingung auf eine Abstrahlung in Faserlängsrichtung erfolgt. Über Faserdurchmesser und Faservolumengehalt lässt sich die Frequenz des Schwingers einstellen.
Flächige Piezokeramik-Module:
Flächige, dünne Piezokeramik-Modul sind entweder aus Piezokeramik-Folien (Platte), Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei flächiger Applikation des Elements wird eine Biegeverformung und/oder eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit des Strukturbauteiles sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.
Voluminöse - nicht flächige - Piezokeramik-Module:
Voluminöse Piezokeramik-Module sind ebenfalls entweder aus Piezokeramik-Folien oder aus Piezokeramik- Stäbchen oder Fasern aufgebaut. Diese werden aber ebenfalls über eine flächige Elektrode oder Interdigitalelektrode elektrisch kontaktiert. Bei voluminöser Applikation des Elements wird ebenfalls eine geringe Biegeverformung aber vor allem eine Dickenschwingung in das Strukturbauteil eingeleitet. Die Frequenz der Abstrahlung lässt sich durch die Basissteifigkeit der Struktur sowie durch Größe und Aufbau des Piezoelementes einstellen.
Die Idee der Erfindung besteht darin, dass die hier beschriebenen Piezokeramik-Elemente beziehungsweise die ausgebildeten Piezokeramik-Module im oder hinter beispielsweise einem aus einem Kunststoff bestehenden Stoßfängers appliziert werden können.
Damit ergeben sich folgende unmittelbare Vorteile: die Piezokeramik-Elemente beziehungsweise Piezokeramik-Module sind optisch nicht sichtbar die Montage (vor allem bei lackierten Stoßfängern) ist deutlich vereinfacht es besteht eine höhere Designfreiheit, das die Elemente nicht mehr aus optischen
Gründen äquidistant über die Stoßfängerbreite verteilt werden müssen die Piezokeramik-Element beziehungsweise Piezokeramik-Modul sind besser vor
Verschmutzung und Witterungseinflüssen geschützt
Die flächigen Piezokeramik-Module werden beispielsweise im Kunststoff integriert oder auf der Rückseite des Stoßfängers appliziert und somit der Stoßfänger über die Piezokeramik-Module zur Abstrahlung des Ultraschalls angeregt. Zur Entkopplung der einzelnen Module müssen diese jeweils so angebunden werden, dass Sie nur einen kleinen Bereich der Stoßfängerfläche zur Schwingung anregen. Dies kann konstruktiv über einen mechanischen Impedanzunterschied (Variation von Steifigkeit und/oder Massen) zwischen den Bereichen wo ein Piezoelement integriert oder appliziert ist und dem restlichen Bereich des Stoßfängers eingestellt werden. Vor allem bieten sich hier dünne Versteifungslagen (zum Beispiel dünnes Blech) zwischen Element und Kunststoff an. Außerdem ist auch eine aufgeklebte Zusatzverrippung um das Element als mechanischen Impedanzsprung denkbar. Partielle Verschwächungen in der Kunststoffdicke des Stoßfängers sind nur dann möglich, solange sie sich nicht optisch von außen abzeichnen. Über diese integrierten und/oder applizierten flächigen und voluminösen Piezokeramik-Module sind zusätzliche Funktionalitäten über einen Mehrfachnutzen der Elemente denkbar.
Die Piezoelemente können elektrisch in der Resonanzfrequenz oder auch außerhalb der Resonanzfrequenz angesteuert und betrieben werden.
Im Resonanzbetrieb wird der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensors und der Grundstruktur so eingestellt und in der mechanischen Impedanz angepasst, so dass er in der gewünschten Ultraschallfrequenz in Resonanz schwingt. Dabei kann mit geringer elektrischer Erregerleistung ein hoher Ultraschalldruck erzeugt werden.
Geringe Störungen wie unterschiedliche Temperaturen, Fertigungstoleranzen, Verschmutzung, Schnee und Eisbelag führen zu einer Verstimmung des Systems und zur Verschiebung der Resonanzfrequenz und damit auch zu einer erschwerten Auswertung des Abstandsignals.
Bei der Auslegung im Nicht-Resonanzbetrieb wird das System mit einer Ultraschallfrequenz außerhalb der Resonanzfrequenz betrieben. Hier ist eine angepasste höhere elektrische Leistung notwendig, um die entsprechende Reichweite zu erzeugen. Dabei ist aber Einfluss der oben aufgeführten Störungen auf die Güte der Ultraschallsignale nicht mehr so groß.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Sensor dient der Objekterfassung und Distanzmessung und kann in allen Anwendungen eingesetzt werden, wie die bisherigen bekannten Ultraschall-Sensoren auch.
Darüber hinaus könnten die Piezokeramik-Module dazu verwendet werden, dass sie beim Rückwärtsfahrten einen in manchen Ländern vorgeschriebenen hörbaren Warnton erzeugen. Die verwendeten Elemente beziehungsweise Module würden dabei als Lautsprecher in einem hörbaren Frequenzband arbeiten
Weiterhin ist vorgesehen, dass die an einem Bauteil, beispielsweise der Stoßstange, verteilten Ultraschall-Sensoren als Kontaktkraftsensor/en für den Crashfall dienen können. Hiermit kann im Crashfall Art und Schwere des Aufpralls bestimmt werden und damit die Entscheidung für die Zündung unterschiedlicher Airbagsysteme oder andere Sicherheitssysteme abgeleitet werden. Ein solcher Ultraschall-Sensor ist zur Erfassung eines Crashfalls über die Objekterfassung und Distanzmessung als Precrash-Sensor und gleichzeitig als Kontaktkraftsensor als Crash-Sensor einsetzbar.
Durch diese mehreren Verwendungen von der nur eine oder gleichzeitig nutzbar sind ergibt sich ein multifunktionaler Sensor, der hinsichtlich seiner Funktionalität auf die jeweiligen Wünsche des Anwenders ausgelegt und angepasst werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur 1 bis noch weiter detailliert beschrieben. Die Figuren zeigen:
Figur 1 ein Beispiel in einer Schnittdarstellung zum mechanischen Aufbau einer Verrip- pung - zweite Ausführungsvariante - zur Anpassung der mechanischen Impedanz des Piezokeramik-Modules - gegenüber dem Bauteil;
Figur 2 Piezokeramikfaser-Composite (Verbund)-Elemente;
Figur 3 Piezokeramik-Modul in d33-Bauweise in einer schematischen Darstellung und
Figur 4 Piezokeramik-Modul in d31 -Bauweise in einer schematischen Darstellung.
Figur 1 zeigt eine zweite Ausführungsvariante bei der ein Piezokeramik-Modul 20 auf die Rückseite eines Bauteiles 30, beispielsweise auf die Rückseite eines Stoßfängers, appliziert wurde.
Grundsätzlich ist durch verschiedene Maßnahmen ein mechanischer Impedanzunterschied zwischen dem Restbereich des Stoßfängers 30 und dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30 (Fig.1), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, durch eine Entkopplung zwischen Piezokeramik-Modul 20 und dem restlichen Bereich des Stoßfängers 30 erreichbar.
Ein Größe des mechanischen Impedanzunterschiedes ist in der zweiten Ausführungsvariante durch die Variation der Steifigkeit einstellbar, indem an der Rückseite in dem Teilbereich 100 des Stoßfängers 30, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine am Stoßfänger 30 verklebte Verrippung 50, um das Piezokeramik- Modul 20 herum, unter Erzeugung eines dadurch vorgebbaren mechanischen Impedanzsprunges im Stoßfänger 30 ausgeführt ist. Zwischen dem Piezokeramik-Modul 20 und dem Stoßfänger 30 befindet sich eine Klebeschicht zur Anbringung der Verrippung 50, wobei die Klebeschicht zwischen dem Piezokeramik-Modul ■ 20 und der Verrippung 50 in einer Klebefuge 40 ausbildet ist.
Die Eigenform 60 des Stoßfängers 30 verändert sich im Anregungsfall des Piezokeramik-Ele- mentes 10A, 10B des Piezokeramik-Moduls 20 durch die verklebte Verrippung 50 nur im Teilbereich 100. Durch die Verrippung 50 ist in diesem Teilbereich 100 ein mechanischer Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung um das Piezokeramik-Modul 20 herum zum Restbereich des Stoßfängers hin einstellbar ist.
Wird in diesem Teilbereich 100 noch zusätzlich oder auch statt der Verrippung 50 die Masse des-Stoßfängers-30-verändert, beispielsweise durch eine dickere oder dünnere Ausführung des Materials des Stoßfängers 30 (nicht dargestellt) gegenüber der Materialdicke des Stoßfängers 30 im restlichen Bereich, wird dadurch ebenfalls der gewünschte mechanische Impedanzunterschied beziehungsweise Impedanzsprung zur Einstellung des Piezokeramik-Moduls 20 erreicht.
Die Maßnahmen Steifigkeitsveränderung und Massenveränderung des Bauteiles 30 sind einzeln oder in Kombination ausführbar.
Als Verrippung 50 dient beispielsweise eine Kohlefaserbox, die um das Piezokeramik-Modul 20 herum eine partielle Verrippung 50 oder umlaufende Verrippung 50 ausbildet, so dass die Steifigkeit des Stoßfängers 30 in diesem Bereich veränderbar ist und dadurch der mechanische Impedanzsprung zwischen dem Stoßfänger 30 im restlichen Bereich und dem Stoßfänger 30 im Teilbereich 100 einstellbar macht.
Statt der Verrippung 50 und/oder der Veränderung des Masse ist alternativ oder zusätzlich, die Anordnung von Versteifungslagen (nicht dargestellt), zur Änderung des Steifigkeit des Bauteiles im Teilbereich 100 gegenüber dem restlichen Bereich des Stoßfängers bevorzugt.
Dabei kann grundsätzlich, wie die Figur 1 , anhand der Bezugszeichen darstellt, ein dünnes, flächiges Piezokeramik-Modul 2OA, als auch ein voluminöses Piezokeramik-Modul 2OB angeordnet werden.
Die Piezokeramik-Module 2OA, 2OB unterscheiden sich dabei hinsichtlich der zur erzeugenden Biegeverformung und/oder Dickenschwingung (Auslenkung), die in das Bauteil 30 vorwiegend im dem Teilbereich 100 einleitbar ist/sind. Figur 2 zeigt solche unterschiedlichen Piezokeramik-Module, wobei die mit dem Bezugszeichen 2OA dargestellten Piezokeramik-Module 2OA dünne flächige Module zeigen und die mit dem Bezugszeichen 2OB voluminöse Piezokeramik-Module 2OB darstellen.
Wie die Figur 2 verdeutlicht, sind sowohl für flächige als auch voluminöse Piezokeramik-Module 2OA, 2OB (bei den flächigen Piezokeramik-Module 2OA nicht dargestellt) verschiedene geometrische Formen der Piezokeramik-Elemente 10A, 10B herstellbar.
Nach entsprechenden Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung entstehen aus diesen Pie- zokeramik-Elementen 10A, 10B, die entsprechenden Piezokeramik-Module 2OA, 2OB mit den für Piezokeramik-Module gewünschten Eigenschaften.
Figur 3 zeigt, dass Piezokeramik-Module 2OA, 2OB wegen der anisotropen Natur von Piezoke- ramik, hinsichtlich des piezoelektrische Effektes richtungsabhängig sind. Zur Festlegung der Richtungen (Fig. 3, 4) werden die Achsen 1, 2 und 3 eingeführt (analog zu den x, y und z-Ach- sen des kartesischen Koordinatensystems).
Die Polarisationsrichtung (Achse 3) wird während der Polarisation durch ein elektrisches -Feld (zwischen den Polarisationselektroden) festgelegt. Für Aktor-Anwendungen sind die Piezo-Ei- genschaften in dieser Richtung normalerweise am Wichtigsten. Hier findet die größte Auslenkung statt.
Figur 3 zeigt schematisch ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegenden Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d33. D33 beschreibt die Piezokeramik- Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Dehnung (Auslenkung) parallel zum Polarisationsvektor der Keramik (Dicke). Hier wird ein elektrisches Feld in Richtung der Polarisation (Achse 3) angelegt und die Dehnung findet in der gleichen Richtung (Achse 3) statt.
Figur 4 zeigt schematische ein Piezokeramik-Modul 20 aus Piezokeramik-Elementen 10 und dazwischen liegendem Verbundmaterial 70 mit dem Tensor d31. D31 beschreibt die Piezoke- ramik-Modulmaterialeigenschaften hinsichtlich der Kontraktion (Auslenkung) als Geometrieänderung orthogonal zur Polarisation der Keramik (Breite). Hier wird ein elektrisches Feld in der Richtung (Achse 3) angelegt, aber die Auslenkung findet in Richtung der Achse 1 (also orthogonal zur Polarisationsachse) statt. Die +/-Elektroden 80 sind dazu in der Ausführung der Figur 4 elektrisch über jeweils oben und unten des Piezokeramik-Moduls 20 angeordnete metallische Elektrodenschichten 90 miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste
Achse 1 Achse 3 0 Piezokeramik-Element 0A dünnes, flächige Piezokeramik-Element 0B voluminöses Piezokeramik-Element 0 Piezokeramik-Modul OA dünnes, flächige Piezokeramik-Modul OB voluminöses Piezokeramik-Modul 0 Bauteil oder Strukturbauteil [Stoßfänger] 0 Klebefuge 0 Verrippung [Kohlefaserbox] 0 Eigenform 0 Verbundmaterial 0 Elektroden 0 Elektrodenschicht 00 Teilbereich

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallsender und/oder Empfänger (Ultraschallsensor) mit einem Aktor zur Aussendung und/oder einem Sensor zum Empfang von Schwingungen und einer zugehörigen Elektronik zur Erzeugung und/oder Auswertung der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der ein Bauteil (30) zum Schwingen anregende, aussendende Aktor und/oder empfangende Sensor ein Piezokeramik-Element (10A, 10B) mit einer vorgebbaren aktorischen und/oder sensorischen Leistung, innerhalb eines Piezokeramik-Moduls (20) ist, das von außen nicht sichtbar in das Bauteil (30) integrierbar oder an dem Bauteil (30) applizierbar ist.
2. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) und damit das Piezokeramik-Modul (20) durch die Integration beziehungsweise Applikation [Ankopplung] am Bauteil (30) und/oder seinen Aufbau bedingt eine erhöhte aktorische und/oder sensorische Leistung aufweist.
3. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Elemente (10) aus mindestens einer Piezokeramik-Folie (Platte) und/oder mindestens einem Piezokeramik-Stäbchen und/oder mindestens einer Piezoke- ramik-Faser aufgebaut sind
4. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) (Folien, Stäbchen, Fasern) in einem piezokeramischen Verbund zusammen mit einem Verbundwerkstoff, wie einem Kunststoff und/oder einem Metall und/oder Glas und/oder einem faserverstärktem Kunststoff eingebettet ist.
5. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10A) nach einer Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung als flächiges, dünnes Piezokeramik-Modul (20A) aus Piezokeramik-Folie oder Piezostäb- chen oder Piezofasern ausbildbar ist.
6. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10B) nach einer Elektrodierung, Kontaktierung und Isolierung zu einem Piezokeramik-Modul als Volumenelement (20B) aus Piezokeramik-Folie oder Piezostäbchen oder Piezofasern ausbildbar ist.
7. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mit Hilfe einer flächigen Elektrode oder einer Interdigitalelektrode erfolgt.
8. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik sender- und/oder empfängernah oder sender- und/oder empfängerfern a- nordbar ist.
9. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und der Empfänger in getrennten Geräten angeordnet ist.
10. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 9, eine getrennte Anordnung von Sender und Empfänger eine unterschiedliche Piezokeramik-Element (10) - beziehungsweise Piezokeramik-Modul (20)-Bauweise ermöglicht, so dass unterschiedliche Sende- oder Empfangscharakteristiken ausbildbar sind.
11. Ultraschallsender und/oder Empfänger nach Anspruch 1 , das Piezokeramik-Element (10) bezüglich des mechanischen Aufbaus elektrisch in der
Resonanzfrequenz oder außerhalb der Resonanzfrequenz ansteuerbar und betreibbar ist.
12. Bauteil, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezokeramik-Element als Aktor und/oder Sensor eines Ultraschallsenders und/oder Empfängers nach Anspruch 1 in und/oder an dem Bauteil (30) integriert und/oder applizierbar ist,
• wodurch das Schwingungen aussendende Piezokeramik-Element (10) innerhalb eines Piezokeramik-Moduls (20) das Bauteil zum schwingen anregt, welches die Schwingungen in die Umgebung abstrahlt und/oder
• die aus der Umgebung ankommenden Schwingungen über das angeregte Bauteil an das Piezokeramik-Element (10) überträgt.
13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezokeramik-Element (10) als Aktor und/oder Sensor eines Ultraschallsenders und/oder Empfängers in das Bauteil integrierbar oder integriert oder auf einer Rückseite des Bauteiles (30) applizierbar oder appliziert ist.
14. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) aus unverstärktem oder verstärktem Metall, aus unverstärktem oder verstärktem Kunststoff, aus unverstärktem oder verstärktem Glas sowie aus einem Verbund von mindestens zwei oder mehreren dieser Materialien besteht.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Metalls aus keramik-, glas oder kohlenstoffbasierten Fasern und/oder
Partikeln und die Verstärkung des Kunststoffs aus glas-, kohlenstoff-, oder aramidbasierten Fasern und/oder Partikel und die Verstärkung des Glases aus glas-, kohlenstoff-, metall-, keramikbasierten Fasern und/oder Partikeln besteht.
16. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezokeramik-Element (10) beziehungsweise das Piezokeramik-Modul (20), insbesondere zur Applikation auf Glas- und/oder Spiegelflächen, transparent ist.
17. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anbindung zwischen Bauteil (30) und ein das Piezokeramik-Element (10) beinhaltende Piezokeramik-Modul (20) so ausgebildet ist, dass nur ein Teil (100) des Bauteiles (30) [Teilbereich], in dem das Piezokeramik-Modul (20) integriert oder appliziert ist, durch die ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen mit der vorgebbaren Charakteristik anregbar ist.
18. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen mechanischen Impedanzunterschied zwischen dem Bauteil (30) und dem Teilbereich (100) des Bauteiles (30), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Entkopplung zwischen Piezokeramik- Modul (20) und Bauteil (30) erreichbar ist.
19. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse des Teilbereiches (100) des Bauteiles (30) gegenüber dem Bauteil (30) einstellbar ist.
20. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem Versteifungslagen zwischen Piezokeramik-Modul (20) und dem Teilbereich des Bauteiles, welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, anordbar sind.
21. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17 , dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem an der Rückseite im Teilbereich des Bauteiles (30), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine angeordnete, insbesondere am Bauteil (30) verklebte Verrippung (50) um das Piezokeramik-Modul (20) herum als mechanischer Impedanzsprung ausführbar ist.
22. Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Impedanzunterschied durch die Variation von Steifigkeit und/oder Masse einstellbar ist, indem in dem Teilbereich (100), welcher von den ausgesendeten und/oder empfangenen Schwingungen angeregt werden soll, eine Schwächung des Materials des Teilbereich (100) des Bauteiles (30) vornehmbar ist.
23. Kraftfahrzeugbauteil nach mindestens einen der Ansprüche 11 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) als
• Anbauteil wie ein Stoßfänger, eine Stoßleiste, eine Türschutzleiste, eine Seiten- schutzleiste, ein Spoiler, ein Nummernschild, ein Türgriff oder ein Spiegel selbst, ein Außenspiegelgehäuse, oder
• eine Komponenten der Karosseriestruktur, wie die Rohkarosse selbst, wie ein Unterboden oder
• Karosserieanbauteil, wie eine Tür, eine Klappe, ein Deckel oder
• Verglasung wie eine Scheibe oder
• eine Komponente des Fahrwerks oder eines Aggregates ausgebildet ist.
24. Verwendung des Ultraschallsenders nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, zur Objekterfassung und/oder Distanzmessung und/oder zur Erzeugung eines Warntons und/oder als Pre-Crash und/oder Crash-Sensor.
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