用于車(chē)輛的周?chē)h(huán)境檢測(cè)的傳感器裝置和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于車(chē)輛的周?chē)h(huán)境檢測(cè)的傳感器裝置和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 當(dāng)今，超聲傳感器（USS)例如用于在泊車(chē)過(guò)程中支持車(chē)輛的駕駛員。在此，USS同 時(shí)充當(dāng)發(fā)送器和接收器。所發(fā)送的超聲信號(hào)由對(duì)象反射。隨后通過(guò)傳播時(shí)間計(jì)算來(lái)求取與 對(duì)象的距離。對(duì)象的橫向位置借助于三角測(cè)量法確定。
[0002] 已知的超聲傳感器通常具有壓電元件，所述壓電元件與超聲傳感器的膜片連接。 通過(guò)壓電元件的相應(yīng)控制可以使超聲傳感器的膜片振動(dòng)，以便發(fā)送聲學(xué)信號(hào)。為了接收反 射信號(hào)，將膜片的振動(dòng)通過(guò)壓電元件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。
[0003] 在借助三角測(cè)量法的對(duì)象間距計(jì)算的范疇內(nèi)，反射信號(hào)入射角確定方面的不精確 性導(dǎo)致所計(jì)算的距離的不可靠性。該問(wèn)題尤其出現(xiàn)在多個(gè)反射對(duì)象的情況下，從而產(chǎn)生多 義性，該多義性不再能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)象位置的準(zhǔn)確確定。因此，出于安全性原因，通常向駕駛員 說(shuō)明最短可能間距。超聲陣列（USA)的使用提供了一種改善角度確定精度的可能性。這是 多個(gè)單個(gè)的傳感器元件的布置，所述多個(gè)單個(gè)的傳感器元件理想情況下以小于1/2波長(zhǎng)的 相互間距布置。因?yàn)閁SA通過(guò)與傳統(tǒng)的可比的USS相比通常更小的面積產(chǎn)生更小的聲壓， 所以通常劃分發(fā)送功能和接收功能。這意味著需要附加的裝配空間，此外必須在車(chē)輛上安 裝可見(jiàn)的附加元件。
[0004] 由WO03/092915A2已知一種膜片上的超聲換能器陣列。由金剛石或類(lèi)金剛石碳 制成的膜片設(shè)有阻擋層和壓電層。多個(gè)在空間上分離的第一和第二電極布置在壓電層上。 通過(guò)在第一電極和第二電極之間施加交流電壓可以激勵(lì)壓電層進(jìn)行振動(dòng)。通過(guò)布置電極可 以單獨(dú)地激勵(lì)膜片的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)，從而在膜片上安置有多個(gè)超聲換能器。
[0005] 由DE10 2004 050 794Al已知一種用于定向地發(fā)送超聲信號(hào)的超聲陣列的和用 于接收超聲回波的接收器的應(yīng)用。超聲陣列和超聲接收器在已公開(kāi)的設(shè)備中在空間上相互 分離地布置。通過(guò)超聲陣列沿確定的方向發(fā)射信號(hào)。該方向在此可以擺動(dòng)，以便逐漸地以 聲瓣掃描車(chē)輛周?chē)h(huán)境。超聲回波由一個(gè)或多個(gè)接收器接收，其中接收器不是為方向確定 而準(zhǔn)備的。方向由信號(hào)傳播時(shí)間和發(fā)射方向計(jì)算。
[0006] 由還未公開(kāi)的DE102012205996. 2已知一種傳感器裝置，該傳感器裝置包括第一 聲換能器裝置，所述第一聲換能器裝置具有至少一個(gè)構(gòu)造為膜片的表面，其中該膜片適于 發(fā)射聲波。這樣的聲換能器裝置也稱(chēng)作彎曲振動(dòng)器并且可以產(chǎn)生具有相對(duì)較高的聲壓的聲 波，在中垂線上30cm的距離處測(cè)量，通常為約103-109dB。傳感器裝置具有第二聲換能器裝 置，該第二聲換能器裝置包括多個(gè)傳感器元件，所述多個(gè)傳感器元件布置成一陣列。在此提 出，第二聲換能器裝置布置在第一聲換能器裝置的構(gòu)造為膜片的表面上。這樣的聲換能器 裝置尤其可以構(gòu)造為用于車(chē)輛的周?chē)h(huán)境檢測(cè)的超聲傳感器裝置。
[0007] 通過(guò)兩個(gè)聲換能器方案整合成一個(gè)部件，可以以有利的方式通過(guò)第一聲換能器裝 置實(shí)現(xiàn)高的聲壓并且通過(guò)第二聲換能器裝置實(shí)現(xiàn)反射聲波的與角度相關(guān)的探測(cè)，而不需要 兩個(gè)分離的部件，所述兩個(gè)分離的部件要求附加的構(gòu)造空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明擴(kuò)展和改進(jìn)由DE102012205996. 2已知的傳感器裝置，其方式是提出 構(gòu)成第二聲換能器裝置、即陣列的傳感器元件構(gòu)造為駐極體換能器元件。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的駐極體換能器元件理解為按照駐極體原理工作的換能器。在此，傳 感器元件具有蓋層，所述蓋層設(shè)計(jì)為振動(dòng)膜片。當(dāng)聲學(xué)信號(hào)、例如由對(duì)象反射的聲到達(dá)時(shí)， 蓋層運(yùn)動(dòng)并且引起電容的變化，該電容的變化可測(cè)量。隨后通過(guò)電的方式放大和分析處理 該信號(hào)。通過(guò)將傳感器布置成一陣列，可以其他信息，例如
[0010] 可以在較長(zhǎng)的時(shí)間和溫度范圍上存儲(chǔ)電荷的材料稱(chēng)作駐極體。在駐極體換能器 中一一不同于例如電容器式麥克風(fēng)一一已經(jīng)在制造工藝期間將內(nèi)部直流電壓通過(guò)相應(yīng)的 充電施加到駐極體材料中。在此省去了提供直流電壓的外部電壓源的必要性，這引起成本 優(yōu)勢(shì)。駐極體在駐極體換能器中位于兩個(gè)電極之間，從而電荷產(chǎn)生電場(chǎng)。在一些已知的構(gòu) 造中，駐極體是膜片并且因此主動(dòng)一起振動(dòng)。在其他已知的構(gòu)造中，駐極體固定在不運(yùn)動(dòng)的 電極上。
[0011] 作為充電可能性，不同的方法可供使用。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造而言偏愛(ài)的、用于 對(duì)駐極體材料進(jìn)行充電的方法是電暈充電和接觸充電。但用于充電的可能性不限于所述方 法。關(guān)于用于充電的已知方法的概述例如在《Electrets》(G.M.Sessler，Springer-Verlag， 第二版，1987年）中給出。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一聲換能器裝置的振動(dòng)衰減時(shí)間可以 通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)和因此主動(dòng)衰減來(lái)縮短。在此，進(jìn)行激勵(lì)的壓電元件例如用作執(zhí)行器并且第 二聲換能器裝置用作傳感器。因此，可以或者在很大程度上放棄通過(guò)相應(yīng)材料的衰減或者 僅僅支持性地利用衰減材料。這引起可以使用顯著更高的聲壓，而不必增大可測(cè)量的最小 間距。此外，必要時(shí)可以放棄附加的、充當(dāng)變壓器（Obertmgef)的線圈，所述線圈在已知 的系統(tǒng)中在超聲傳感器的接收運(yùn)行中用于產(chǎn)生大帶寬和壓電陶瓷上的所需要的電壓。該功 能性例如可以在根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置中取而代之地直接在分析處理單元中實(shí)現(xiàn)。在分 析處理單元中合并并且處理這些信號(hào)。這是必需的，因?yàn)樵诎l(fā)送之后膜片沒(méi)有靜止的情況 下一方面識(shí)別膜片的暫態(tài)振動(dòng)并且另一方面識(shí)別通過(guò)第二聲換能器裝置接收的反射振動(dòng) (回波）。分析處理單元可以分離并且單獨(dú)地分析處理這些信號(hào)。
[0013] 因此，根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)膜片承擔(dān)發(fā)送器的功能，由多個(gè)傳感器元件組成的陣列承 擔(dān)接收器的功能。
[0014] 特別優(yōu)選地，構(gòu)成第二聲換能器裝置的傳感器元件布置在第一聲換能器裝置的構(gòu) 造為膜片的表面的以下區(qū)域中：所述區(qū)域在激勵(lì)膜片振動(dòng)時(shí)沿垂直于膜片平面的方向不經(jīng) 受偏移或僅僅經(jīng)受小的偏移。這例如是以下區(qū)域：在所述區(qū)域中膜片在以確定的發(fā)送頻率 激勵(lì)時(shí)具有振動(dòng)波節(jié)。該布置具有以下優(yōu)點(diǎn)：聲換能器元件在膜片的強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)也僅僅經(jīng) 受小的機(jī)械負(fù)荷并且沿膜片的振動(dòng)方向不經(jīng)受偏移或僅僅經(jīng)受微小的偏移。由此得出，膜 片的振動(dòng)盡可能小地影響陣列元件。在此，膜片的中心通常是最大偏移的并且因此最大影 響的區(qū)域，并且邊緣區(qū)域是具有最小影響的區(qū)域。
[0015] 優(yōu)選地，第一聲換能器裝置（發(fā)送器）設(shè)計(jì)為具有壓電陶瓷作為執(zhí)行器的彎曲振 動(dòng)器。根據(jù)本發(fā)明，具有多個(gè)傳感器元件（陣列）的第二聲換能器裝置作為換能器利用駐 極體原理。在此，第二聲換能器裝置優(yōu)選具有蓋層，所述蓋層設(shè)計(jì)為振動(dòng)膜片。所述蓋層例 如可以覆蓋所有傳感器元件、即對(duì)于所有傳感器元件是公共的或僅僅覆蓋確定組的傳感器 元件或單個(gè)傳感器元件。當(dāng)信號(hào)、例如由對(duì)象反射的聲到達(dá)時(shí)，蓋層運(yùn)動(dòng)并且引起電容的變 化，該電容的變化可測(cè)量。隨后可以通過(guò)電的方式放大和分析處理該信號(hào)。
[0016] 蓋層例如可以由金屬材料--例如鋁或高品質(zhì)鋼制成，或者也可以由纖維塑料復(fù) 合物一一例如CFK或GFK制成。粘接劑可以在本發(fā)明的第一實(shí)施中導(dǎo)電地構(gòu)造。
[0017] 如果在本發(fā)明的替代實(shí)施中粘接劑是不導(dǎo)電的，則必須通過(guò)施加電線--例如絞 合線或金屬線來(lái)實(shí)現(xiàn)與蓋層的電接觸，所述蓋層是對(duì)應(yīng)電極。為了不產(chǎn)生短路，在該實(shí)施中 彎曲振動(dòng)器的膜片的施加有陣列的部分區(qū)域必須是不導(dǎo)電的。這例如可以通過(guò)所述部分區(qū) 域的電氧化（陽(yáng)極氧化）實(shí)現(xiàn)。由此，只要膜片由導(dǎo)電鋁制成，則產(chǎn)生不導(dǎo)電的陶瓷。然后， 在陶瓷上可以施加印制導(dǎo)線，例如通過(guò)汽化滲鍍、濺射、絲網(wǎng)印刷或其他涂覆方法。
[0018] 例如具有FEP、PTFE或類(lèi)似材料的駐極體自身（只要其作為薄膜存在）則借助導(dǎo) 電粘接劑粘接到成型電極上。駐極體薄膜在該情況下優(yōu)選（向下）蒸鍍?cè)诖佑|的一側(cè)上， 因?yàn)镕EP或者PTFE具有很低的表面能量，其使得粘接幾乎不可能。粘接例如也可以通過(guò)以 下方式避免：將駐極體加熱直至接近其熔化溫度的溫度并且隨后層壓到膜片上。如果駐極 體以溶解的形式存在，如TeflonAF(無(wú)定形氟聚物）或AsahiGlass公司的Cytop(氟樹(shù) 脂），則也可以通過(guò)其他方法，如點(diǎn)涂（Auftropfen)或紡織（Spinnen)來(lái)施加所述駐極體。
[0019] 在根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施中，第一聲換能器裝置包括罐形元件，所 述罐形元件包括底面和邊緣面，其中所述底面優(yōu)選構(gòu)造為膜片。為了激勵(lì)膜片振動(dòng)，設(shè)有與 所述膜片接觸的壓電元件。因此，第一聲換能器裝置在該實(shí)施中相應(yīng)于常規(guī)的超聲換能器， 從而如此實(shí)施的傳感器裝置可以簡(jiǎn)單地替代常規(guī)的超聲傳感器安裝，而不需要匹配