DE102024202876A1

DE102024202876A1 - Ultrasonic sensor for a vehicle

Info

Publication number: DE102024202876A1
Application number: DE102024202876.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias RUTSCH
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-03-26
Filing date: 2024-03-26
Publication date: 2025-10-02
Also published as: WO2025201939A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Unterschallsensor (20) für ein Fahrzeug (10), aufweisend ein Gehäuse (21), eine Membran (22) und ein Piezoelement (26), welches an der Membran (22) angeordnet ist, wobei die Membran (22) schwingfähig in dem Gehäuse (21) angeordnet ist, wobei das Piezoelement (26) ein Masseelektrode (23), eine erste Elektrode (24a) und eine zweite Elektrode (24b) aufweist, wobei die Masseelektrode (23) auf einer ersten Oberfläche des Piezoelements (26) angeordnet ist und wobei die erste Elektrode (24a) und die zweite Elektrode (24b) auf einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche (25) des Piezoelements (26) angeordnet sind.The present invention relates to a subsonic sensor (20) for a vehicle (10), comprising a housing (21), a membrane (22) and a piezoelectric element (26) which is arranged on the membrane (22), wherein the membrane (22) is arranged in the housing (21) in a way that can vibrate, wherein the piezoelectric element (26) has a ground electrode (23), a first electrode (24a) and a second electrode (24b), wherein the ground electrode (23) is arranged on a first surface of the piezoelectric element (26) and wherein the first electrode (24a) and the second electrode (24b) are arranged on a second surface (25) of the piezoelectric element (26) opposite the first surface.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ultraschallsensor.The present invention relates to an ultrasonic sensor for a vehicle and a vehicle with such an ultrasonic sensor.

Gegenwärtig weisen Fahrzeuge zur Erkennung der Umgebung Ultraschallsensoren auf. Diese Ultraschallsensoren weisen eine Membran auf, auf welcher ein piezoelektrisches Element angeordnet ist. Mittels des piezoelektrischen Elements kann die Membran in Schwingung versetzte werden, so dass ein Ultraschallstrahl in die Umgebung ausgesendet wird. Trifft eine Reflexion des Ultraschallstrahls auf die Membran auf, wird die Membran in Schwingung versetzt. Durch die Schwingung der Membran verändert sich eine an dem piezoelektrischen Element anliegende elektrische Spannung. Mittels einer Auswertung der an dem piezoelektrischen Element anliegenden Spannung kann auf eine Schwingung der Membran geschlossen werden. Mittels der Auswertung der Schwingungen der Membran kann auf eine Distanz eines Objekts in der Umgebung, an welchem der Ultraschallstrahl reflektiert wurde, zu dem Ultraschallsensor ermittelt werden. Werden mehrere Ultraschallsensoren als Verbund gleichzeitig betrieben, können durch die Auswertung der Signale der Ultraschallsensoren des Verbundes zusätzliche Informationen über die Objekte in der Umgebung ermittelt werden.Currently, vehicles are equipped with ultrasonic sensors for detecting the environment. These ultrasonic sensors have a membrane on which a piezoelectric element is arranged. The piezoelectric element can cause the membrane to vibrate, so that an ultrasonic beam is emitted into the environment. If a reflection of the ultrasonic beam hits the membrane, the membrane vibrates. The vibration of the membrane changes an electrical voltage applied to the piezoelectric element. By evaluating the voltage applied to the piezoelectric element, it can be determined whether the membrane is vibrating. By evaluating the vibrations of the membrane, the distance between an object in the environment, from which the ultrasonic beam was reflected, and the ultrasonic sensor can be determined. If several ultrasonic sensors are operated simultaneously as a network, additional information about the objects in the environment can be determined by evaluating the signals from the ultrasonic sensors in the network.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, dass zusätzlich zu einer Distanz eines Objektes zu der Membran auch die Ausrichtung des Objektes zur Membran erkannt werden kann. Dies hat zur Folge, dass es anhand des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors möglich ist, einen Winkel der auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Zudem ist hierfür kein Verbund einer Vielzahl von Ultraschallsensors nötig.The ultrasonic sensor according to the invention for a vehicle with the features of claim 1 has the advantage over the known device that, in addition to the distance of an object to the membrane, the orientation of the object to the membrane can also be detected. This means that, using the ultrasonic sensor according to the invention, it is possible to determine the angle of the incident ultrasonic wave. Furthermore, this does not require a network of multiple ultrasonic sensors.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ultraschallsensor für ein Fahrzeug ein Gehäuse, ein Membran und ein Piezoelement aufweist. Das Piezoelement ist auf der Membran angeordnet. Die Membran ist schwingungsfähig in dem Gehäuse angeordnet. Das Piezoelement weist eine Masseelektrode, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die Masseelektrode ist auf einer ersten Oberfläche des Piezoelements angeordnet. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind auf der zweiten Oberfläche des Piezoelements angeordnet. Die zweite Oberfläche ist der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet.This is achieved according to the invention in that the ultrasonic sensor for a vehicle comprises a housing, a membrane, and a piezoelectric element. The piezoelectric element is arranged on the membrane. The membrane is arranged in the housing in a manner capable of oscillation. The piezoelectric element comprises a ground electrode, a first electrode, and a second electrode. The ground electrode is arranged on a first surface of the piezoelectric element. The first electrode and the second electrode are arranged on the second surface of the piezoelectric element. The second surface is arranged opposite the first surface.

Mit anderen Worten können durch ein solches piezoelektrisches Element zwei Spannungen, jeweils eine Spannung an der ersten Elektrode und eine Spannung an der zweiten Elektrode, gemessen werden. Hierbei ist jeder Elektrode ein Bereich auf der Membran zuzuordnen. Somit werden zwei Spannungswerte bestimmt, die jeweils zwei Abschnitten auf der Membran zuzuordnen sind. Durch eine Auswertung der ersten Spannung und der zweiten Spannung kann auf die Richtung einer Reflektion einer ausgesendeten Ultraschallwelle geschlossen werden.In other words, such a piezoelectric element can measure two voltages: one at the first electrode and one at the second electrode. Each electrode is assigned to a region on the membrane. This determines two voltage values, each of which corresponds to two sections on the membrane. By evaluating the first voltage and the second voltage, the direction of reflection of an emitted ultrasonic wave can be determined.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt weist der Ultraschallsensor eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist zum Signalaustausch mit der Masseelektrode, mit der ersten Elektrode und mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden. Die Steuerelektrode ist eingerichtet, ein erstes eingefangenes Signal der ersten Elektrode mit einem zweiten empfangenen Signal der zweiten Elektrode zu vergleichen. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Differenz des ersten Signals zu dem zweiten Signal eine Richtung einer auf eine Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Ein Vorteil dieses Ausführungsform kann sein, dass eine Richtung einer auftreffenden Ultraschallwelle auf einfache Weise bestimmt werden kann. Dies verringert den Auswertungsaufwand.The subclaims show preferred developments of the invention. The ultrasonic sensor preferably has a control unit. The control unit is electrically connected to the ground electrode, the first electrode, and the second electrode for signal exchange. The control electrode is configured to compare a first captured signal from the first electrode with a second received signal from the second electrode. The control unit is configured to determine a direction of an ultrasonic wave impinging on a membrane based on the difference between the first signal and the second signal. An advantage of this embodiment can be that a direction of an impinging ultrasonic wave can be determined in a simple manner. This reduces the evaluation effort.

Bevorzugt ist die Steuerelektrode eingerichtet, eine Signaldifferenz mittels einer Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zu ermitteln. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Signaldifferenz einen Winkel auf der auf die Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mittels des Winkels eine präzisere Bestimmung der umgebenden Objekte vor dem Ultraschallsensor erreicht werden kann. Zugleich kann eine aufwandarme Ermittlung des Winkles der empfangenen Ultraschallwellen ein Vorteil dieser Ausführungsform sein.Preferably, the control electrode is configured to determine a signal difference by subtracting the second signal from the first signal. The control unit is configured to determine an angle of the ultrasonic wave impinging on the membrane based on the signal difference. One advantage of this embodiment can be that the angle can be used to more precisely determine the surrounding objects in front of the ultrasonic sensor. At the same time, a low-effort determination of the angle of the received ultrasonic waves can be an advantage of this embodiment.

Bevorzugt liegt der ermittelte Winkel innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs. Besonders bevorzugt liegt der ermittelte Winkel der empfangenen Ultraschallwelle in einem Winkelbereich von ± 20 Grad. Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass eine Ermittlung des Winkels der empfangenen Ultraschallwelle in diesem Winkelbereich besonders zuverlässig ist. Zugleich ist der Winkelbereich von ± 20 Grad ein bevorzugter Kompromiss zwischen dem Herstellungsaufwand des Ultraschallsensors und der Erfassung der Umgebung.The determined angle preferably lies within a predetermined angular range. Particularly preferably, the determined angle of the received ultrasonic wave lies within an angular range of ±20 degrees. The advantage of this embodiment may be that determining the angle of the received ultrasonic wave is particularly reliable within this angular range. At the same time, the angular range of ±20 degrees represents a preferred compromise between the manufacturing effort of the ultrasonic sensor and the detection of the surroundings.

Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, um ein positives Vorzeichen der Signaldifferenz beim Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen auf der ersten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der zweiten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit eingerichtet, bei negativem Vorzeichen der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf den der zweiten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der ersten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, zu ermitteln. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Anordnung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und dem Vorzeichen der Signaldifferenz eine Richtung der auftretenden Ultraschallwelle zu bestimmen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Richtung der auftreffenden Ultraschallwelle auf die Membran sein.Preferably, the control unit is configured to provide a positive sign of the signal difference when the ultrasonic wave impinges on a region of the Membrane, before the ultrasonic wave strikes a region of the membrane assigned to the second electrode. Furthermore, the control unit is configured to determine, if the signal difference has a negative sign, whether the ultrasonic wave strikes the region of the membrane assigned to the second electrode, before the ultrasonic wave strikes a region of the membrane assigned to the first electrode. The control unit is configured to determine a direction of the occurring ultrasonic wave based on the arrangement of the first electrode and the second electrode and the sign of the signal difference. An advantage of this embodiment can be a simple and reliable determination of the direction of the incident ultrasonic wave on the membrane.

Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, mittels einer mathematischen Gleichung und/oder einer Tabelle und/oder einer Grafik, basierend auf dem Betrag der Signaldifferenz, einen Betrag des Winkels der auftretenden Ultraschallwelle zu bestimmen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann eine präzisere Bestimmung des Betrags des Winkels der empfangenen Ultraschallwelle sein.Preferably, the control unit is configured to determine the magnitude of the angle of the occurring ultrasonic wave based on the magnitude of the signal difference using a mathematical equation and/or a table and/or a graph. An advantage of this embodiment can be a more precise determination of the magnitude of the angle of the received ultrasonic wave.

Bevorzugt bedecken die erste Elektrode und die zweite Elektrode zusammen eine Mehrheit, insbesondere 90 %, der zweiten Oberfläche. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mit dem Bedecken einer Mehrheit der Oberfläche der zweiten Oberfläche eine Zuverlässigkeit der Schalldetektion verbessert wird. Insbesondere wird bei einem Abdeckungsgrad von 90 % der zweiten Oberfläche, durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode, eine Zuverlässigkeit und Qualität der Schalldetektion maximiert, ohne jedoch dabei eine Herstellbarkeit des Piezoelements über Gebühr einzuschränken. Somit stellt die Bedeckung der zweiten Oberfläche zu 90% einen optimalen Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit und Qualität der Schalldetektion und dem Herstellungsaufwand des Ultraschallsensors dar.Preferably, the first electrode and the second electrode together cover a majority, in particular 90%, of the second surface. One advantage of this embodiment can be that covering a majority of the second surface improves the reliability of sound detection. In particular, with a coverage of 90% of the second surface by the first electrode and the second electrode, the reliability and quality of sound detection are maximized without, however, unduly restricting the manufacturability of the piezo element. Thus, 90% coverage of the second surface represents an optimal compromise between the reliability and quality of sound detection and the manufacturing effort of the ultrasonic sensor.

Bevorzug ist die Masseelektrode seitlich an die erste Oberfläche zugeführt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass diese einfach herzustellen ist.Preferably, the ground electrode is connected laterally to the first surface. One advantage of this embodiment may be that it is easy to manufacture.

Besonders bevorzugt ist die Masseelektrode durch die Mitte der zweiten Oberfläche hindurch zur ersten Elektrode geführt. Hierbei berührt die Masseelektrode weder die zweite Oberfläche noch die erste Elektrode noch die zweite Elektrode, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen der Masseelektrode der zweiten Oberfläche und/oder der ersten und zweiten Elektrode besteht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass hierdurch eine besonders platzsparende Bauweise ermöglicht wird.Particularly preferably, the ground electrode is routed through the center of the second surface to the first electrode. In this case, the ground electrode touches neither the second surface nor the first electrode nor the second electrode, so that there is no electrical contact between the ground electrode of the second surface and/or the first and second electrodes. One advantage of this embodiment may be that it enables a particularly space-saving design.

Bevorzugt ist das Piezoelement drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Bevorzugt kann das Piezoelement als elliptische Form abgebildet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch eine drehsymmetrische Ausgestaltung des Piezoelements eine einfache Herstellbarkeit erreicht wird. Ein Vorteil der rotationssymmetrischen Ausgestaltung ist die besonders einfache Herstellbarkeit des Piezoelements.The piezoelectric element is preferably designed to be rotationally symmetrical, in particular rotationally symmetrical. The piezoelectric element can preferably be designed as an elliptical shape. An advantage of this embodiment can be that a rotationally symmetrical design of the piezoelectric element allows for easy manufacturing. An advantage of the rotationally symmetrical design is the particularly easy manufacturing of the piezoelectric element.

Bevorzugt weist das Piezoelement eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode auf. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind auf der zweiten Oberfläche angeordnet. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode bedecken dabei zusammen eine Mehrheit der zweiten Oberfläche, insbesondere 90 %. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind zum Signalaustausch mit der Steuereinheit elektrisch verbunden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass es möglich ist, zwei unterschiedliche Richtungen eines empfangenen Signals zu bestimmen. Dies erlaubt eine präzisere Bestimmung des Winkels der auftreffenden Ultraschallwelle. Dies wiederum erlaubt eine genauere Bestimmung der Umgebungsobjekte des Ultraschallsensors.The piezoelectric element preferably has a third electrode and a fourth electrode. The third electrode and the fourth electrode are arranged on the second surface. The first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode together cover a majority of the second surface, in particular 90%. The third electrode and the fourth electrode are electrically connected to the control unit for signal exchange. An advantage of this embodiment may be that it is possible to determine two different directions of a received signal. This allows a more precise determination of the angle of the incident ultrasonic wave. This, in turn, allows a more accurate determination of the objects surrounding the ultrasonic sensor.

Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug aufweisend einen Ultraschallsensor nach einem der vorherigen Ausführungsformen.Furthermore, the invention comprises a vehicle having an ultrasonic sensor according to one of the previous embodiments.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Ultraschallsensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2a eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2b eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2c eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2d eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem vierten Ausführungsformen der Erfindung,
2e eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2f eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 eine schematische Darstellung einer grafischen Zuordnung einer Signaldifferenz zu einem Winkel.

Embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing:

1 a schematic representation of a vehicle with an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the invention,
2a a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the invention,
2b a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a second embodiment of the invention,
2c a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a third embodiment of the invention,
2d a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a fourth embodiment of the invention,
2e a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a fifth embodiment of the invention,
2f a schematic representation of an ultrasonic sensor according to a sixth embodiment of the invention, and
3 a schematic representation of a graphical assignment of a signal difference to an angle.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Bevorzugt weisen alle Elemente, Einheiten und/oder Baugruppen in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen auf.Preferably, all elements, units and/or assemblies in all figures have the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 mit einer Vielzahl von Ultraschallsensor 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensoren 20 weisen gemeinsam eine Steuereinheit 27 auf. Die Ultraschallsensor 20 sind eingerichtet eine Umgebung 1 des Fahrzeuge 10 zu erfassen. 1 shows a schematic representation of a vehicle 10 with a plurality of ultrasonic sensors 20 according to a first exemplary embodiment of the invention. The ultrasonic sensors 20 jointly have a control unit 27. The ultrasonic sensors 20 are configured to detect an environment 1 of the vehicle 10.

2a zeigt einen Ultraschallsensor 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Ultraschallsensor 20 weist ein Gehäuse 21, ein Membran 22 und ein Piezoelement 26 auf. Das Piezoelement 26 ist an der Membran 22 angeordnet. Die Membran 22 ist schwingfähig in dem Gehäuse 21 angeordnet. Das Piezoelement 26 weist eine Massenelektrode 23, eine erste Elektrode 24a und eine zweite Elektrode 24b auf. Die Massenelektrode 23 ist auf einer ersten Oberfläche des Piezoelements 26 angeordnet. Die erste Elektrode 24a und die zweite Elektrode 24b sind auf einer zweiten Oberfläche 25 des Piezoelements 26 angeordnet. Die zweite Oberfläche 25 liegt der ersten Oberfläche gegenüber. 2a shows an ultrasonic sensor 20 according to a first embodiment of the invention. The ultrasonic sensor 20 has a housing 21, a membrane 22, and a piezoelectric element 26. The piezoelectric element 26 is arranged on the membrane 22. The membrane 22 is arranged in the housing 21 so that it can vibrate. The piezoelectric element 26 has a ground electrode 23, a first electrode 24a, and a second electrode 24b. The ground electrode 23 is arranged on a first surface of the piezoelectric element 26. The first electrode 24a and the second electrode 24b are arranged on a second surface 25 of the piezoelectric element 26. The second surface 25 is opposite the first surface.

Der Ultraschallsensor 20 weist eine Steuereinheit 27 auf. Die Steuereinheit 27 ist zum Signalaustausch mit der Massenelektrode 23, der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, ein erstes empfangenes Signal der ersten Elektrode 24a mit einem zweiten empfangenen Signal der zweiten Elektrode 24b zu vergleichen. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, basierend auf einem Unterschied des ersten Signals zum zweiten Signal, eine Richtung der auf die Membran 22 aus der Umgebung 1 auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln.The ultrasonic sensor 20 has a control unit 27. The control unit 27 is electrically connected to the ground electrode 23, the first electrode 24a, and the second electrode 24b for signal exchange. The control unit 27 is configured to compare a first received signal from the first electrode 24a with a second received signal from the second electrode 24b. The control unit 27 is configured to determine a direction of the ultrasonic wave impinging on the membrane 22 from the environment 1 based on a difference between the first signal and the second signal.

Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, eine Signaldifferenz mittels einer Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zu ermitteln. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, basierend auf der Signaldifferenz einen Winkel der auf der Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln.The control unit 27 is configured to determine a signal difference by subtracting the second signal from the first signal. The control unit 27 is configured to determine an angle of the ultrasonic wave impinging on the membrane based on the signal difference.

Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, anhand des positiven Vorzeichens der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf den der ersten Elektrode 24a zugeordneten Bereich der Membran 22, vor dem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der zweiten Elektrode 24b zugeordneten Bereich der Membran 22, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit 27 eingerichtet, bei einem negativen Vorzeichen der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen auf dem der zweiten Elektrode 24b zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der ersten Elektrode 24a zugeordneten Bereich der Membran 22, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit 27 eingerichtet, basierend auf der Anordnung der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b und dem Vorzeichen der Signaldifferenz eine Richtung der auftreffenden Ultraschallwelle zu bestimmen.The control unit 27 is configured to use the positive sign of the signal difference to determine whether the ultrasonic wave strikes the region of the membrane 22 assigned to the first electrode 24a before the ultrasonic wave strikes a region of the membrane 22 assigned to the second electrode 24b. Furthermore, if the signal difference has a negative sign, the control unit 27 is configured to determine whether the ultrasonic wave strikes a region of the membrane assigned to the second electrode 24b before the ultrasonic wave strikes a region of the membrane 22 assigned to the first electrode 24a. Furthermore, the control unit 27 is configured to determine a direction of the impinging ultrasonic wave based on the arrangement of the first electrode 24a and the second electrode 24b and the sign of the signal difference.

Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, mittels einer Grafik basierend auf dem Betrag der Signaldifferenz und den Betrag des Winkels der auftreffenden Ultraschallwelle zu bestimmen.The control unit 27 is configured to determine the magnitude of the signal difference and the magnitude of the angle of the incident ultrasonic wave using a graphic.

Die erste Elektrode 24a bedeckt zusammen mit der zweiten Elektrode 24b eine Mehrheit der zweiten Oberfläche 25. Die Masseelektrode 23 ist seitlich an die erste Oberfläche des Piezoelements 26 herangeführt.The first electrode 24a, together with the second electrode 24b, covers a majority of the second surface 25. The ground electrode 23 is laterally brought to the first surface of the piezo element 26.

Das Piezoelement ist rotationssymmetrisch bzw. rund ausgebildet.The piezo element is rotationally symmetrical or round.

2b zeigt eine schematische Darstellung des Ultraschallsensors 20 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. 2b shows a schematic representation of the ultrasonic sensor 20 according to a second embodiment of the invention. The second embodiment of the invention has similar features to the first embodiment of the invention.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Masseelektrode 23 durch die Mitte der zweiten Oberfläche 25 hindurch zur ersten Oberfläche geführt. Hierbei befindet sich die Masseelektrode 23 weder mit der ersten Elektrode 24a noch mit der zweiten Elektrode 24b in direktem elektrischen Kontakt.In the second embodiment of the invention, the ground electrode 23 is guided through the center of the second surface 25 to the first surface. In this case, the ground electrode 23 is not in direct electrical contact with either the first electrode 24a or the second electrode 24b.

2c zeigt eine schematische Darstellung des Ultraschallsensors 20 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste und zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. 2c shows a schematic representation of the ultrasonic sensor 20 according to a third embodiment of the invention. The third embodiment of the invention has similar features to the first and second embodiments of the invention.

Das Piezoelement 26 ist in dem dritten Ausführungsbeispiel elliptisch ausgebildet. Entsprechend sind die erste Elektrode 24a und die zweite Elektrode 24b als Halbellipse ausgebildet. In dem dritten Ausführungsbeispiel wird die zweite Oberfläche 25 zu 90 % von der ersten Elektrode 24a zusammen mit der zweiten Elektrode 24b bedeckt.In the third embodiment, the piezo element 26 is elliptical. Accordingly, the first electrode 24a and the second electrode 24b are semi-ellipses. In the third embodiment, the second surface 25 is covered by 90% of the first electrode 24a together with the second electrode 24b.

2d zeigt eine schematische Ansicht eines Ultraschallsensors 20 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale auf wie das erste bis dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2d shows a schematic view of an ultrasonic sensor 20 according to a fourth embodiment of the invention. The fourth embodiment of the invention has similar features to the first to third embodiments of the invention.

In dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Piezoelement 26 eine dritte Elektrode 24c und eine vierte Elektrode 24d auf. Die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d sind ebenfalls auf der zweiten Oberfläche 25 des Piezoelements 26 angeordnet. Die erste Elektrode 24a, die zweite Elektrode 24b, die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d bedecken zusammen eine Mehrheit der zweiten Oberfläche 25. Die erste Elektrode 24a, die zweite Elektrode 24b, die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d sind zum Signalaustausch elektrisch mit der Steuereinheit 27 verbunden. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, aus der Differenz des ersten bis vierten Spannungssignals der ersten bis vierten Elektrode 24a bis 24d zwei Richtungen zu bestimmen und damit eine präzisere Bestimmung des Winkels zu erreichen.In the fourth embodiment of the invention, the piezoelectric element 26 has a third electrode 24c and a fourth electrode 24d. The third electrode 24c and the fourth electrode 24d are also arranged on the second surface 25 of the piezoelectric element 26. The first electrode 24a, the second electrode 24b, the third electrode 24c, and the fourth electrode 24d together cover a majority of the second surface 25. The first electrode 24a, the second electrode 24b, the third electrode 24c, and the fourth electrode 24d are electrically connected to the control unit 27 for signal exchange. The control unit 27 is configured to determine two directions from the difference between the first to fourth voltage signals of the first to fourth electrodes 24a to 24d, thus achieving a more precise determination of the angle.

2e zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 20 nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste bis dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. 2e shows a schematic representation of an ultrasonic sensor 20 according to a fifth embodiment of the invention. The fifth embodiment of the invention has similar features to the first to third embodiments of the invention.

Das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass die Masseelektrode 23, anstatt wie in dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung seitlich an der zweiten Oberfläche 25 vorbeigeführt, durch die Mitte der zweiten Oberfläche 25 hindurchgeführt wird. Hierbei berührt die Masseelektrode 23 weder die zweite Oberfläche 25 noch eine der ersten der vier Elektroden 24a bis 24d. Das Piezoelement 26 sowie die erste Oberfläche und zweite Oberfläche 25 sind rund ausgebildet.The fifth embodiment of the invention differs from the fourth embodiment of the invention in that the ground electrode 23, instead of being guided laterally past the second surface 25 as in the fourth embodiment of the invention, is guided through the center of the second surface 25. In this case, the ground electrode 23 touches neither the second surface 25 nor any of the first of the four electrodes 24a to 24d. The piezo element 26 as well as the first surface and second surface 25 are round.

2f zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 20 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das sechste Ausführungsbeispiel weist ähnliche Merkmale wie das erste bis fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. 2f shows a schematic representation of an ultrasonic sensor 20 according to a sixth embodiment of the invention. The sixth embodiment has similar features to the first to fifth embodiments of the invention.

Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom fünften Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Piezoelement 26, die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche 25 elliptisch ausgestaltet sind. Folglich sind die erste bis vierte Elektrode 24a bis 24d jeweils als Viertelellipsen ausgestaltet. Die erste bis zur vierten Elektrode 24a bis 24d bedecken 90 % der zweiten Oberfläche 25.The sixth embodiment differs from the fifth embodiment in that the piezo element 26, the first surface, and the second surface 25 are elliptical in shape. Consequently, the first to fourth electrodes 24a to 24d are each configured as quarter-ellipses. The first to fourth electrodes 24a to 24d cover 90% of the second surface 25.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Grafik, welche eine Zuordnung einer gemessenen Spannungsdifferenz zu einem Winkel darstellt. 3 shows a schematic representation of a graph which represents an assignment of a measured voltage difference to an angle.

Die X-Achse der Grafik 31 führt den gemessenen Spannungswert auf. Die Y-Achse 32 der Grafik führt den jeweiligen Winkel einer auftreffenden Ultraschallwelle auf die Membran auf. Die Kurve 30 in der Grafik der 3 stellt eine Zuordnung einer gemessenen Spannungsdifferenz zwischen der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b zu einem Winkel dar. Der Nullgradwinkel 32a auf der Mitte der Y-Achse 32 aufgezeigt. Die Spannungsdifferenz mit dem Betrag von Null Volt 31a ist auf der Mitte der X-Achse 31 dargestellt. Wie dem Kurvenverlauf 30a zu entnehmen ist, zeigt sich um die Spannungsdifferenz von Null 31a herum ein lineares Verhalten zwischen der Spannungsdifferenz und dem Winkel. Die Randbereiche der Grafik zeigen ein Sättigungsverhalten zwischen der Spannungsdifferenz und dem Winkel. Somit ist besonders um den um die Spannungsdifferenz von Null 31a herum eine einfache und präzise Bestimmung eines Winkels aufgrund einer Spannungsdifferenz zu bestimmen.The X-axis of graph 31 shows the measured voltage value. The Y-axis 32 of the graph shows the respective angle of an incident ultrasonic wave on the membrane. Curve 30 in the graph of 3 represents an assignment of a measured voltage difference between the first electrode 24a and the second electrode 24b to an angle. The zero degree angle 32a is shown in the center of the Y-axis 32. The voltage difference with the amount of zero volts 31a is shown in the center of the X-axis 31. As can be seen from the curve 30a, a linear behavior between the voltage difference and the angle is evident around the voltage difference of zero 31a. The edge areas of the graph show a saturation behavior between the voltage difference and the angle. Thus, a simple and precise determination of an angle based on a voltage difference is possible, especially around the voltage difference of zero 31a.

Claims

A subsonic sensor (20) for a vehicle (10), comprising: - a housing (21) - a membrane (22) and - a piezoelectric element (26) arranged on the membrane (22), - wherein the membrane (22) is arranged in the housing (21) in a vibratable manner, - wherein the piezoelectric element (26) has a ground electrode (23), a first electrode (24a), and a second electrode (24b), - wherein the ground electrode (23) is arranged on a first surface of the piezoelectric element (26), and - wherein the first electrode (24a) and the second electrode (24b) are arranged on a second surface (25) of the piezoelectric element (26) opposite the first surface.

Subsonic sensor (20) according to Claim 1 , characterized by a control unit (27), - wherein the control unit (27) is connected to the measuring electrode (23), to the first electrode (24a) and to the second electrode (24b) for signal exchange, - wherein the control unit (27) is arranged to compare a first received signal of the first electrode (24a) with a second received signal of the second electrode (24b), and - wherein the control unit (27) is arranged to to determine a direction of an ultrasonic wave from the environment (1) impinging on the membrane (22) based on the difference between the first signal and the second signal.

Subsonic sensor (20) according to Claim 2 , characterized in that the control unit (27) is arranged to determine a signal difference by means of a subtraction of the second signal from the first signal, wherein the control unit (27) is arranged to determine an angle of the ultrasonic wave impinging on the membrane based on the signal difference.

Subsonic sensor (20) according to Claim 3 , characterized in that the control unit (27) is set up to determine a positive sign of the signal difference when the ultrasonic wave strikes a region of the membrane assigned to the first electrode (24a) when the ultrasonic wave strikes a region of the membrane assigned to the second electrode (24b), wherein the control unit (27) is set up to determine a direction of the occurring ultrasonic wave based on the arrangement of the first electrode (24a) and the second electrode (24b) and the sign of the signal difference.

Subsonic sensor (20) according to one of the Claims 3 or 4 , characterized in that the control unit (27) is arranged to determine the amount of the angle of the occurring ultrasonic wave by means of a mathematical equation and/or a table and/or a graphic based on the amount of the signal difference.

Subsonic sensor (20) according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (24a) together with the second electrode (24b) cover a majority, in particular 90%, of the second surface (25).

Subsonic sensor (20) according to one of the preceding claims, characterized in that the ground electrode (23) is fed laterally to the first surface and/or the ground electrode (23) is led through the center of the second surface (25) to the first surface.

Subsonic sensor (20) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element (26) is rotationally symmetrical, in particular rotationally symmetrical.

Subsonic sensor (20) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element (26) has a third electrode (24c) and a fourth electrode (24d), - wherein the third electrode (24c) and the fourth electrode (24d) are arranged on the second surface (25), - wherein the first electrode (24a), the second electrode (24b), the third electrode (24c) and the fourth electrode (24d) together cover a majority of the second surface, in particular 90% of the second surface, and - wherein the third electrode (24c) and the fourth electrode (24d) are electrically connected to the control unit for signal exchange.

Vehicle (10) comprising an ultrasonic sensor (20) according to one of the preceding claims.