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CN102565801A - 具有衰减装置的超声传感器及其应用 - Google Patents

具有衰减装置的超声传感器及其应用 Download PDF

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CN102565801A CN2011104040593A CN201110404059A CN102565801A CN 102565801 A CN102565801 A CN 102565801A CN 2011104040593 A CN2011104040593 A CN 2011104040593A CN 201110404059 A CN201110404059 A CN 201110404059A CN 102565801 A CN102565801 A CN 102565801A
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Abstract

本发明涉及一种超声传感器(10)，其具有可振动的膜片(13)和振动激励装置(14)以及具有衰减装置(20)，其中，所述衰减装置(20)包含相变材料。

Description

具有衰减装置的超声传感器及其应用
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分所述的超声传感器及其应用。
背景技术
超声传感器在机动车技术中用于例如在泊车过程中监视机动车与机动车周围环境中的障碍物的距离并且通过相应的显示装置光学地或声学地显示与探测到的障碍物的距离。为此，例如在车辆前部或者在车辆尾部上在车辆车身的外部区域上设置超声传感器。
例如可以从DE 103 46 620 A1中获知适于所述目的的超声传感器。所述超声传感器包括可振动的膜片和与所述膜片接触的压电元件，所述压电元件激励膜片在超声范围内振动。为了使在传感器的发射模式中通过压电元件激励膜片所需的能量最小化，在谐振范围中运行所述膜片。这意味着，压电元件以相应于膜片的谐振频率的频率振动，以便以尽可能小的能量消耗实现膜片的最大振幅。
然而，因为膜片在发射模式中在谐振频率范围内运行时在通过压电元件激励之后出现一定程度的过渡振动时间(Nachschwingzeit)，则在所述过渡振动阶段期间不基于反射的超声波进行机动车周围环境中的障碍物的探测。这意味着，不再可以根据膜片的回声时间(Nachklingzeit)探测小于与所涉及机动车的最小距离的障碍物。
为了可以减小膜片的过渡振动阶段，已知的是，将超声传感器的膜片耦合到一个衰减装置上，所述衰减装置导致振动的膜片的快速衰减。
当机动车首先停泊在相对温暖的车库中而随后例如被驾驶到室外并且在那里与冷的冬季空气接触时，在基于超声的泊车引导系统的系统特性中出现另一个问题。只要在车辆的超声传感器与周围环境之间还未调节出热平衡，则在传感器外部与传感器内部之间出现大的温度梯度。在此，例如超声传感器的振动激励的间隔——如膜片以及例如压电元件由于其与外部周围环境良好的热连接比超声传感器的例如位于超声传感器内部的衰减装置或者例如通常嵌入在浇注材料中的电子控制装置明显更快地调节到新的外部温度上。
由于这种热效应，在实践中会导致超声传感器的波动的衰减或导致波动的过渡振动，直到在超声传感器内部出现热平衡。
所述效应的原因例如可能是电振荡回路与机械振动回路之间暂时的失配。此外，在传感器的膜片、作为振动激励装置的压电元件或设置在传感器膜片与压电元件之间的粘接层之间会出现机械应力，所述机械应力也可能导致谐振频率的偏移或者导致空气声衰减、传感器内部的衰减与之前调节的传感器灵敏度之间的失配。
因此，例如可能出现暂时的超距
Figure BDA0000117057170000021
可能伴随着对不存在的障碍物的报警或者传感器自诊断的错误结果。
在现有技术中，关于温度交变问题例如由DE 103 47 518 A1公开，电子部件装配有蓄热器，所述蓄热器例如可以包括相变材料。但没有提出在声学传感器中的应用。
发明内容
本发明的任务是，提供一个超声传感器，所述超声传感器即使在温度快速交变时也显示出在很大程度上恒定的较高性能。
本发明的优点
本发明所基于的任务通过具有权利要求1特征部分的特征的超声传感器解决。
这基本上基于，所述超声传感器包括蓄热器
Figure BDA0000117057170000022
所述蓄热器的作用在于在超声传感器的周围环境中出现快速的、即在几分钟或者若干分钟上的温度交变时将之前存储在蓄热器中的热能输出给超声传感器的技术结构组件，由此实现与超声传感器的外部周围环境的温度水平的延缓的并且对于超声传感器的不同结构组件而言均匀的温度匹配。通过所述方式，可以基本上完全避免或者至少减弱超声传感器否则在所述条件下通常出现的故障。
本发明的其他有利实施方式是从属权利要求的主题。
有利的是，超声传感器的蓄热器具有相变材料(也称作“phase changematerial”)。“相变材料”理解为在一个温度范围内显示出相变的材料，蓄热器的工作范围位于所述温度范围中。由于相变，一旦外部温度超过或低于相变温度，则可以释放或吸收相对大量的热能。
此外有利的是，蓄热器的相变材料被构造成聚合物空心球的形式，真正的相变材料存放在所述聚合物空心球的内部。所述聚合物空心球在其方面可以散布在另一介质中，例如散布在聚合物泡沫中。
如果例如超声传感器的衰减元件部分地或完全地实施为蓄热器，则所述聚合物空心球例如可以散布在所述衰减元件的聚合物泡沫基体(Schaum-matrix)中，相变材料存放在所述聚合物空心球内。
如果衰减元件在其方面与超声传感器的振动激励装置或用于控制所述振动激励装置的导体电路结构物理接触和/或与超声传感器的壳体区段物理接触，则超声传感器的所有重要组件在用作蓄热器的衰减装置上的温度交变的情况下由于由蓄热器释放或吸收的热能以延缓的方式并且由此在避免热应力的情况下导向新的温度水平。
附图说明
在附图中示出并且在以下说明中详细阐述本发明的实施方式。附图示出：
图1：根据本发明的第一实施方式的超声传感器的示意性截面图。
具体实施方式
在图1中，在截面图中示出了超声传感器10的一个优选实施方式。所述超声传感器10包括可振动的膜片13，所述膜片用于发出声波并且优选地也附加地用于探测反射的声波。振动激励装置14用于激励膜片13，所述振动激励装置例如可以以压电元件的形式实现。所述振动激励装置14在此与膜片13物理连接。电导线15用于振动激励装置14的能量供给。
优选在其谐振频率范围内运行膜片13，在图1中通过双箭头U清楚地示出了所述振动模式。在此，膜片优选发送超声范围内的声波或者探测所述声波。
为了能够实现超声传感器10从发送模式到接收模式的快速切换，优选通过衰减装置20来衰减膜片13的振动，其中，在所述发送模式中向传感器周围环境发出超声波，在所述接收模式中探测在周围环境中反射的超声波。在图1中，所述衰减装置20包括衰减块25，所述衰减块也可以定位成与振动激励装置14或膜片13直接接触，并且所述衰减块例如由聚合物泡沫形成。
根据一个未示出的替代实施方式，衰减装置20还可以具有金属片，所述金属片例如借助于粘接层与振动激励装置14或替换地也与膜片13物理接触。通过膜片13的振动来激励所述金属片进行固有振动。所述金属片如此定位在超声传感器10内，使得其至少部分地由衰减体25的材料包围。
通过所述方式实现：膜片13的振动在膜片13通过振动激励装置14激励结束之后由于通过衰减块25的衰减而快速衰减，并且紧接着可探测到抵达膜片13的超声波。
根据本发明，例如在衰减块25的区域中设有蓄热器，所述蓄热器例如整合在衰减块25中。根据一个替代的实施方式，如其在图1中所示出的那样，所述衰减块25本身用作蓄热器。在这两种情形中，优选设有相变材料作为蓄热器的组成部分。相变材料具有以下特性：在加热或冷却时在释放或吸收更大量热能的情况下经历相变。例如聚合物空心球适合作为相变材料，所述聚合物空心球的壁例如由聚丙烯酸化物(Polyacryl)构成并且在其内部免受环境影响地存放有相变材料。所述聚合物空心球28例如可以散布在衰减块25的衰减材料中。在此，聚合物空心球28例如可以由以下材料实现：如由BASF SE或Fraunhofer Institut ISE销售的
Figure BDA0000117057170000041
由于其以石蜡(Parafinwachs)填充，所述聚合物空心球的相变可以在21与26℃之间的温度范围内发生。
聚合物空心球28例如可以均匀地散布在衰减块25的材料中。在衰减块25的材料处聚合物空心球28的含量越高，则其温度平衡作用越显著。
根据一个替代的实施方式，也可以将聚合物空心球28不均匀地添加到衰减块25的材料中，其中，例如衰减块25的与超声传感器10的快速冷却或加热的组件物理接触的区域具有更高浓度的聚合物空心球。所述浓度例如可以是衰减块25的其他区域中的两倍至例如四倍。
因为衰减块25优选除聚合物空心球28之外还具有孔隙29，所述衰减块除温度平衡特性之外也显示出良好的热特性或振动吸收特性。为了构造衰减块25的多孔的基底材料，例如硅酮泡沫——如
Figure BDA0000117057170000051
或聚氨酯泡沫是适合的，其中，聚合物空心球28散布在所述衰减块25中。
此外有利的是，在超声传感器10的剩余结构空间中填充以潜热蓄热材料
Figure BDA0000117057170000052
加强的填充材料，例如在所有情形中，如此选择相应的潜热蓄热材料的体积组成、颗粒形状或颗粒大小，使得衰减块25的衰减特性或泡沫结构在很大程度上得以保留，从而不会出现针对超声传感器10的过渡振动或长期稳定性的负作用。
因为尤其是超声传感器10的壳体外侧16或者膜片13和振动激励装置14在超声传感器的外部温度变化时经受快速冷却或加热，包括用作潜热蓄热单元的聚合物空心球28的衰减块25与所述组件优选物理接触。此外所述衰减块25也可以与在图1中未示出的电路板物理接触，所述电路板例如用于振动激励装置14的供电和控制。所述电路板可以附加地以浇注材料浇注。
本发明的应用不限于机动车技术领域中的超声传感器。而是，根据本发明的超声传感器也可以在医学领域中用作在那里常用的成像方法的基础以及用于基于非超声波范围内的音频实现的声学传感器。

Claims (9)

1.超声传感器，尤其是用于机动车的环境检测，所述超声传感器具有可振动的膜片、具有与所述膜片接触的振动激励装置以及具有衰减装置，其特征在于，所述衰减装置(20)包括一蓄热器。
2.根据权利要求1所述的超声传感器，其特征在于，所述蓄热器包含相变材料。
3.根据权利要求1或2所述的超声传感器，其特征在于，所述衰减装置(20)实现为蓄热器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声传感器，其特征在于，所述相变材料由聚合物空心球(28)构成，所述聚合物空心球以相变材料填充。
5.根据以上权利要求中任一项所述的超声传感器，其特征在于，所述衰减装置(20)与所述振动激励装置(14)和/或膜片(13)物理接触。
6.根据以上权利要求中任一项所述的超声传感器，其特征在于，所述衰减装置(20)与用于控制所述振动激励装置(14)的电路板物理接触。
7.根据以上权利要求中任一项所述的超声传感器，其特征在于，所述衰减装置(20)与所述超声传感器(10)的壳体内壁(16)物理接触。
8.根据权利要求4所述的超声传感器，其特征在于，所述聚合物空心球(28)散布在聚合物泡沫中。
9.根据以上权利要求中任一项所述的超声传感器在机动车中的应用，用于确定机动车与障碍物的距离。
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