超声传感器以及用于测量车辆与障碍物之间的距离的装置和方法

摘要

根据本发明提出一种超声传感器100，其包括具有环绕的侧壁102和底面104的壳体101，即基本罐状地构造。底面104通过已知的方式构造为膜片。在所述底面104上设置有例如构造为压电元件的转换元件106，其用于产生和检测超声振动。根据本发明，在所述底面104上如此设置至少一个质量元件，使得所述质量元件140a、140b抵抗膜片的振动的阻力随着振动频率的上升而增大。

说明书

技术领域

本发明从一种按照主权利要求分类的超声传感器出发。

背景技术

从现有技术中已知了用于车辆与障碍物之间的距离测量的超声传感 器，例如用于辅助泊车过程。传感器具有可振动的膜片，所述膜片通常通 过压电元件以谐振激励至振动。由此产生的声信号由超声传感器的膜片发 射、由障碍物反射并且由相同的或相邻的超声传感器接收。由声信号的传 播时间可以确定传感器与障碍物之间的距离。通过使用所谓的三边测量原 理，通过比较由发射传感器本身接收的信号(直接回波)和由相邻传感器 接收的信号(交叉回波)，除距离以外也可以确定传感器平面内的障碍物的 位置。

压电元件通常设置在罐状构造的壳体的底部上，所述底部例如装配在 车辆的保险杠中，其中压电元件与分析处理电子装置如此连接，使得装置 的整体形成相应的超声传感器。为了使由压电元件产生的声可以相应地发 射或者接收，壳体如此成型，使得其在所使用的超声波的频率范围内具有 谐振。谐振在此通过壳体的尺寸和振动特性确定，尤其通过膜片的构造确 定。这种超声传感器例如在DE 10 2008 040 905 A1中描述。

通常在车辆的尾部装配有至少四个这种传感器。为了可靠且精准地确 定与障碍物的距离，首先这些传感器中的一个发射超声信号。所有传感器 接收回波信号。所述过程然后借助这些传感器中的每一个以确定的顺序实 施，直至出现测量的最终结果并且工作周期可以从头开始。测量的时间分 辨率受工作周期持续时间限制。

发明内容

为了改进用于借助超声传感器的测量距离的装置的时间分辨率，可以 设想使用具有不同频率的超声信号。由此不同的传感器可以同时或以非常 短的时间间隔发射信号，所述信号然后例如可以借助带通滤波器分离。在 此期望的是使用结构相同的超声传感器。

汽车工业中常用的超声传感器发射具有确定的频率的声信号，所述频 率相应于超声传感器的谐振频率并且通常位于50kHz的范围内。原则上超 声传感器可以在相应于其不同阶的固有频率的不同频率下运行。膜片在不 同频率下几何形状不同地振动。这样产生不同的振动模式，但其中不是所 有都以相同的方式适于车辆中的超声传感器的运行，尤其距离测量，因为 通过不同的振动模式产生例如不同的方向特性(发射特性)并且因此产生 所发射的声波的不同声压。例如超过100kHz的过高频率不适于车辆中的 距离测量，因为所述频率范围内的声波通过空气极大地衰减。

在这里将以下振动模式视为超声传感器的膜片的基本振动或第一振动 模式：其偏移可以基本通过半个正弦振荡描述。如果观察具有整个正弦振 荡形式的振动模式，则可以说是第二振动模式。如果描述第三振动模式， 则膜片/板的偏移具有大致一个半正弦振荡的走向(参见图7)。所述描述通 常适用于铰接支承的振动板。如果板的夹紧是固定的，则边缘区域中的振 动模式由于更少的偏移而不同。但保留振动模式的定性走向。

通常，激励膜片的振动模式的转换元件在中央固定在膜片上。表示正 弦振荡的整数倍的所谓的对称振动模式——例如第二振动模式，不可以通 过在中央设置的转换元件激励，因为在此所施加的能量完全消失。如果转 换元件没有精确地设置在中央，则所述对称的振动模式虽然可以激励但导 致小的偏移并且因此导致更小的声压。出于所述原因，以下主要观察基本 振动或者第一振动模式和第三振动模式。

膜片在本发明的范畴内是具有一定抗弯强度的薄板。

因此，根据本发明提出一种超声传感器，其包括具有环绕的侧壁和底 面的壳体，即基本上罐状地构造。底面通过已知的方式构造为膜片。在底 面上设置有例如构造为压电元件的转换元件，其用于产生和检测超声振动。 根据本发明，在底面上如此设置至少一个质量元件，使得质量元件抵抗膜 片的振动的阻力(阻抗Z)随着振动频率的上升而增大。通过至少一个质 量元件施加到膜片上的力因此随着频率的上升而增大。同样地，由至少一 个质量元件施加到膜片上的转矩随着频率的上升而增大。在此，频率f与 阻抗Z__纵向之间存在已知的关系Z＝2·π·m·f，其中m是振动质量。所述公式 严格来说仅适用于质量的纵向运动。在质量的附加旋转运动中还要补充附 加分量Z__旋转：Z__旋转＝θ·2·π·f，其中θ表示质量的旋转惯性。从中通过质量元 件的影响总阻抗Z的几何形状变型产生阻抗的附加的构型可能性。

因此，通过设置至少一个质量元件实现膜片的夹紧，其根据频率改变 其特性。通过设置一个或多个质量元件实现了在低振荡频率下一个或多个 质量元件抵抗膜片的振动的阻力是小的，然而在高频率下增大。这种效应 的原因在于，不同的谐振频率引起膜片的不同振动模式。因此，质量元件 优选设置在以下区域中：在具有低谐振频率的第一振动模式(基本振动) 中仅仅经历小的偏移，而在具有更高频率的第三振动模式时更强地偏移。

因此，在更高阶的振动的激励时实现与基本频率相比更低的谐振频率， 好像不存在质量元件。因此，例如可以在位于30至60kHz的范围内基本 振动的第一谐振频率f₁时达到分配给第三振动模式的、可激励的、100kHz 或更少的第二谐振频率f₃。谐振频率的比例通常通过质量元件的设置、质 量和形式以及几何形状以及所选择的膜片材料确定。

通过质量元件的定义的定位，优选如此改变第三振动模式，使得第三 振动模式在其形式和方向特性方面接近基本振动。由此第三振动模式的频 率和方向特性有利地适于借助根据本发明的超声传感器如同基本振动那样 确定距离。质量元件在其施加的位置上减小膜片的偏移。因此实现在第三 振动模式的激励时也主要质量元件之间的区域偏移。由此缩小整体振动面 积，这导致方向特性的扩宽。与基本振动相比更高的频率同时导致方向特 性的收缩。最终两种效应是相反的并且在理想情况下完全消除。因此，通 过根据本发明在膜片上设置至少一个质量元件，可以借助第三振动模式实 现与基本振动时类似的方向特性。

在根据本发明的超声传感器一种优选实施例中，在底面上设置有多个 质量元件。因为转换元件优选在中央固定在底面上，所以质量元件优选以 规则的间距和/或对称地环绕转换元件地设置。质量元件此外优选具有尤其 部分圆柱形的外表面，其与壳体的环绕的侧壁同心地定向。

在一种特别有利的实施方式中，超声传感器具有两个质量元件，它们 关于至少一个垂直于底面延伸的中间面彼此镜面对称地设置。因此有利地 实现膜片的对称振动。

为了制造根据本发明的超声传感器特别有利的是，质量元件中的至少 一个具有基本上空心圆柱体的或空心圆柱体段状的结构。在所述情形中例 如能够构造所述一个或多个质量元件，其中壳体的环绕侧壁的加厚部通过 开设缝隙与侧壁分离并且因此构造一个或多个质量元件。因为底面优选圆 形地构造并且因此环绕的侧壁基本上圆柱形地构造，所以因此产生所述一 个或多个质量元件的空心圆柱体的或空心圆柱体段状的结构。优选地，所 述质量元件具有壳体的总高度的30至80％的高度。但也可以设想更小或更 大高度的质量元件。

本发明还提出一种用于制造超声传感器的方法，所述方法包括以下步 骤：

a.提供壳体，所述壳体具有环绕的侧壁和构造为膜片的底面，在所述 底面上施加有用于产生超声振动的转换元件，其中侧壁具有：

-下侧壁区段，在所述下侧壁区段中侧壁在与底面平行的平面中具 有旋转对称的轮廓；

-上侧壁区段，在所述上侧壁区段中侧壁朝向侧壁的上边缘过渡到 基本上旋转对称的轮廓

b.在下侧壁区段中如此开设缝隙，使得形成至少一个设置在底面上的 质量元件。

在步骤a中提供的壳体(相应于超声转换器壳体)如通常已经使用的 那样。在DE 10 2008 040 905 A1中描述了这种壳体。通过根据本发明的方 法可以由这种壳体通过简单方式制造根据本发明的超声传感器的壳体。通 过开设一个或多个尤其轴向地或者垂直于底面延伸的缝隙，将侧壁在下侧 壁区段中设置的加厚部与侧壁分离。因此产生设置在底面上并且对超声传 感器的谐振频率施加根据本发明的作用的质量元件。

在此，优选由下侧壁区段形成至少一个基本上空心圆柱体段状的质量 元件。

替代地，根据本发明的超声传感器也可以通过任意形状的质量元件与 膜片的接合来制造。常用的方法例如是粘接。

此外，在本发明的范畴内提供一种用于测量车辆与障碍物之间的距离 的装置。所述装置包括至少两个设置在车辆上的声传感器，其中传感器构 造为根据本发明的超声传感器并且因此可以在至少两种不同的谐振频率下 运行。

所述装置适于实施以下描述的用于确定车辆与障碍物之间的距离的方 法：

-第一超声传感器发射第一频率的声信号，

-第二超声传感器同时或在确定的发射周期时间内发射与第一频率 不同的第二频率的声信号，

-由至少一个超声传感器检测第一声信号的第一回波信号，

-由至少一个超声传感器检测第二声信号的第二回波信号，

-根据所检测的量计算车辆与障碍物之间的距离。

确定的发射周期时间理解为以下时间间隔：在所述时间间隔内距离的 确定已经结束。在现有技术中，即在使用具有相同发射频率的超声传感器 的情况下，在发射周期时间内仅仅一个传感器可以发射信号。所述限制在 根据本发明的测量方法中不再需要，因为两个不同的发射频率可供使用。 理想的是，第一传感器和第二传感器同时发射声信号。

如很容易理解的那样，在本发明的范畴内，对于这种方法使用多于两 个——例如四个或六个传感器。例如分别同时在不同频率下进行发射的分 别两个传感器可以形成分组。因此测量持续时间与传统的系统相比理想地 降低了因数2。

优选地，由一个传感器接收第一声信号的回波信号和第二声信号的回 波信号，其中进行信号的分离，尤其借助带通滤波器。

附图说明

以下借助优选的实施方式和附图阐述本发明。附图示出：

图1A示出根据本发明的一个实施方式的超声传感器的俯视图；

图1B示出图1A中的超声传感器的剖面图；

图2示出根据本发明的第二实施方式的超声传感器的俯视图；

图3示出根据本发明的第三实施方式的具有第一激励振动模式的超声 传感器的剖面图；

图4示出根据本发明的第三实施方式的具有第二激励振动模式的超声 传感器的剖面图；

图5示出用于制造根据图1的超声传感器的根据本发明的方法；

图6示意性地示出具有根据本发明的用于距离测量的装置的车辆；

图7示意地示出膜片的不同振动模式。

具体实施方式

图1A以俯视图示出超声传感器100，其适于在机动车的泊车辅助系统 中使用。超声传感器包括罐状的壳体101，所述壳体具有底面104和环形环 绕所述底面的侧壁102。壳体101由金属材料——例如铝成型或铣削并且为 了防腐蚀涂覆以底漆。

所述示图的观察者从上方看到壳体101的内部，从而底面104的内侧 朝向观察者。机电转换元件106——例如这里示例性的圆柱盘形的压电元件 施加、例如粘接在底面104的内侧上并且接通。出于概览的原因，取消了 接通的示图。壳体101内部的剩余空间以同样未示出的阻尼材料填充。此 外，所示的壳体101由其他包封物、例如柔软的弹性体包围。

侧壁102在其上边缘上(观察者在图1A中看到其上边缘)具有平行于 图平面和底面104的边缘面，其由两条同心的圆线限界，其中心位于对称 轴线134上，壳体101的外轮廓120相对于所述对称轴线旋转对称地构造。

在底面104上构造有两个质量元件140a和140b。质量元件140a和140b 具有环段形的底面并且彼此相对置地并且相对于对称平面132镜面对称地 设置，其中对称平面132垂直于底面104并且包含对称轴线134。质量元件 140a和140b分别具有圆柱形的外轮廓面144a和144b，它们与侧壁102的 内表面130分别通过间隙或者缝隙124a和124b分离或者间隔开。质量元 件140a和140b如此设置在底面104上，使得质量元件抵抗膜片的振动的 阻力(阻抗)随着振动频率的上升而增大。质量元件140a和140b可以与 壳体101整体地构造或作为单独的部件施加在底面104上。

图1B示出图1A中的超声传感器100的沿在图1A中借助B-B标注的 剖平面的剖面图，所述剖平面穿过外轮廓120的对称轴线134。外轮廓120 在壳体101的总高度118的绝大部分上延伸地以具有外直径136的圆柱体 形式形成，其中圆柱体轴线位于对称轴线134上。外轮廓120如下程度地 不同于圆柱体形状：在壳体101的上边缘116上通过已知的方式构造有充 当稳定环的加厚部122并且此外侧壁102的下棱边138是倒圆的，侧壁102 在所述下棱边上与底面104的外侧相接。

综合图1A和1B清楚地看到，质量元件140a和140b分别基本上具有 空心圆柱段的形状，其中质量元件的端面144在所述实施例中分别具有斜 面。也可以设想其他构型，例如端面144的平坦的、平行于底面延伸的构 造或凹的走向或凸的走向。

图2以俯视图示出根据本发明的超声传感器200的一种替代构型。结 构基本上相应于在图1中示出的超声传感器100。相同的元件设有相同的附 图标记。与在图1中示出的实施方式的区别在于，在所示的超声传感器100 中，在底面104上设置有三个质量元件240a、240b和240c。质量元件240a、 240b和240c具有矩形的底面并且基本上立方体地构造。它们规则地环绕压 电转换元件106设置，其中质量元件240a、240b和240c的中轴线232在 对称轴线134上相交并且相邻的中轴线232彼此分别呈120°的角度。

图3以剖面图示出根据本发明的超声传感器300的一种替代构型。结 构基本上相应于在图1中示出的超声传感器100。相同的元件设有相同的附 图标记。在所选择的示图中，夸大地示出了第一振动模式的激励时底面104 的偏移。出于概览的原因，取消了在底面104上在中央设置的转换元件106 的示图。在底面104上设置有两个质量元件340a和340b。质量元件340a 和340b基本上构造为空心圆柱体段，它们彼此相对置地设置在底面104上。 质量元件340a和340b的端面344在所述实施例中参考超声传感器300的 非振动状态平行于底面104地构造。

如从在所示出的第一振动模式中底面104的偏移的示图中看到的那样， 在底面的设置有质量元件340a和340b的区域中存在相对较小的偏移。

图4示出图3中的超声传感器300的剖面图，其中在所述附图中夸大 地示出第三振动模式的激励时底面104的偏移。如从在所示的振动模式中 底面104的偏移的示图中看到的那样，在底面的设置有质量元件340a和 340b的区域中在第三振动模式的激励时与第一振动模式相比存在大的偏 移。质量元件340a和340b逆着底面104的振动施加的阻力因此比第一振 动模式时更强。由此，第三振动模式的谐振频率向更低的频率移动。此外， 两种振动模式通过质量元件340a和340b的设置具有所发射的超声波的类 似方向特性。

同样在图4中可以明显看到的是，在通过未示出的转换元件106激励 超声传感器300时不仅底面104进行振动。侧壁102也经历明显更弱的变 形。

图5示出根据本发明的用于制造超声传感器100的方法，所述超声传 感器在所述示例中相应于在图1中示出的超声传感器100。为此首先提供壳 体400。壳体400具有环绕的侧壁102和构造为膜片的底面104。在底面104 上施加有用于产生超声振动的转换元件106。侧壁102具有下侧壁区段408， 在所述下侧壁区段中侧壁102在与底面104平行的平面中具有旋转对称的 轮廓。这通过两个加厚的区域440a和440b实现，它们构造为侧壁102在 下侧壁区段408中和过渡区段410中的相对置的加厚部。侧壁102此外具 有上侧壁区段412，在所述上侧壁区段中侧壁102朝向侧壁102的上边缘 116过渡到基本上旋转对称的轮廓。在过渡区段410中区域440a和440b 中的加厚部的内轮廓344相反在以下区段中沿着向下收缩的椎体的侧面 344延伸：这些区段在沿着对称轴线134的投影中位于底面104的轮廓外， 所述椎体的尖端位于对称轴线134上。

借助这里仅仅示意示出的适当工具450，在过渡区段410中并且在下侧 壁区段408中开设两个垂直的缝隙124a和124b，由此由两个通过区域440a 和440b形成的相对置的加厚部构造两个质量元件140a和140b，如在图5 的下部中示出的那样。

通过由质量元件140a和140b提高振动膜片104的总质量，与开设缝 隙124a和124b之前的壳体400相比，第一固有振动的频率降低。更低的 频率虽然原本可以导致所发射的声的张角的增大。然而通过出现共同振动 的更大面积，发生所发射的声的声聚焦，从而超声传感器100的方向特性 在壳体400的方向特性方面没有经受大的变化。

图6示出具有根据本发明的用于测量机动车500与障碍物520之间的 距离的装置501的车辆500。装置501例如可以是泊车辅助系统的一部分。 所述装置包括设置在车辆500的后保险杠505上的四个超声传感器510、 512、514和516。超声传感器510、512、514和516根据本发明构造，例 如按照图1至4中的实施例之一。优选地，所有超声传感器相同类型地构 造。替代地或附加地，超声传感器510、512、514和516可以施加在车辆 500的前保险杠或侧面上。同样可以使用更多或更少的超声传感器。

借助装置501可以实施根据本发明的用于距离测量的方法。在测量的 第一阶段中，第一超声传感器510发射例如50kHz的第一频率下的声信号。 这相应于超声传感器510的1-1振动模式的激励。同时，第二超声传感器 512发射例如80kHz的第二频率下的声信号。这相应于超声传感器512的 3-1振动模式的激励。两个声信号在障碍物520上反射。回波信号由所有超 声传感器510、512、514和516接收。在此，每一个超声传感器510、512、 514和516通过回波信号的不同频率可以识别由哪一个超声传感器510或 512发射了输出信号，例如通过借助带通滤波器的信号分离。由回波信号的 传播时间以及超声传感器510、512、514和516相互间的已知距离，借助 分析处理电子装置(未示出)可以通过已知的方式确定障碍物520相对于 车辆500的距离和位置。

在测量的第二阶段中，第三超声传感器514发射例如50kHz的第一频 率下的声信号。同时，第四超声传感器516发射例如80kHz的第二频率下 的声信号。两个声信号又在障碍物520上反射并且回波信号由所有超声传 感器510、512、514和516接收。如在测量的第一阶段中已经通过频率分 离那样，进行信号的分离，例如通过带通滤波器。测量的第二阶段用于确 认和提高第一测量的精确度。

通过始终两个超声传感器510和512以及514和514可以同时或以非 常短的时间间隔进行发射，整个测量持续时间缩短了大约因数2。

原则上也可设想，在本发明的范畴内设有一个超声传感器，其具有三 个或更多个可激励的谐振频率，这些谐振频率位于可用于距离测量的小于 100kHz，优选小于80kHz的频率范围内。在所述情形中，根据本发明的 测量方法可以设有三个或更多个同时发射的超声传感器。

图7示意性地示出膜片104以及在基本上相应于半个正弦振荡的最大 偏移状态中膜片的第一振动模式(基本模式)10。此外示出基本上相应于 一个整正弦振荡的第二振动模式20。第二振动模式20是所谓的对称振动模 式，其相应于一个正弦振荡的整数倍。第二振动模式20不能通过在中央设 置在膜片104上的转换元件(未示出)激励。此外示出了第三振动模式30， 其基本上相应于一倍半的正弦振荡。