用于车辆的周围环境检测的传感器装置和方法
【专利说明】用于车辆的周围环境检测的传感器装置和方法
【背景技术】
[0001] 当今，超声传感器（USS)例如用于在泊车过程中支持车辆的驾驶员。在此，USS同 时充当发送器和接收器。所发送的超声信号由对象反射。随后通过传播时间计算来求取与 对象的距离。对象的横向位置借助于三角测量法确定。
[0002] 已知的超声传感器通常具有压电元件，所述压电元件与超声传感器的膜片连接。 通过压电元件的相应控制可以使超声传感器的膜片振动，以便发送声学信号。为了接收反 射信号，将膜片的振动通过压电元件转换成相应的电压信号。
[0003] 在借助三角测量法的对象间距计算的范畴内，反射信号入射角确定方面的不精确 性导致所计算的距离的不可靠性。该问题尤其出现在多个反射对象的情况下，从而产生多 义性，该多义性不再能够实现对象位置的准确确定。因此，出于安全性原因，通常向驾驶员 说明最短可能间距。超声阵列（USA)的使用提供了一种改善角度确定精度的可能性。这是 多个单个的传感器元件的布置，所述多个单个的传感器元件理想情况下以小于1/2波长的 相互间距布置。因为USA通过与传统的可比的USS相比通常更小的面积产生更小的声压， 所以通常划分发送功能和接收功能。这意味着需要附加的装配空间，此外必须在车辆上安 装可见的附加元件。
[0004] 由WO03/092915A2已知一种膜片上的超声换能器阵列。由金刚石或类金刚石碳 制成的膜片设有阻挡层和压电层。多个在空间上分离的第一和第二电极布置在压电层上。 通过在第一电极和第二电极之间施加交流电压可以激励压电层进行振动。通过布置电极可 以单独地激励膜片的各个区域进行振动，从而在膜片上安置有多个超声换能器。
[0005] 由DE10 2004 050 794Al已知一种用于定向地发送超声信号的超声阵列的和用 于接收超声回波的接收器的应用。超声阵列和超声接收器在已公开的设备中在空间上相互 分离地布置。通过超声阵列沿确定的方向发射信号。该方向在此可以摆动，以便逐渐地以 声瓣扫描车辆周围环境。超声回波由一个或多个接收器接收，其中接收器不是为方向确定 而准备的。方向由信号传播时间和发射方向计算。
[0006] 由还未公开的DE102012205996. 2已知一种传感器装置，该传感器装置包括第一 声换能器装置，所述第一声换能器装置具有至少一个构造为膜片的表面，其中该膜片适于 发射声波。这样的声换能器装置也称作弯曲振动器并且可以产生具有相对较高的声压的声 波，在中垂线上30cm的距离处测量，通常为约103-109dB。传感器装置具有第二声换能器装 置，该第二声换能器装置包括多个传感器元件，所述多个传感器元件布置成一阵列。在此提 出，第二声换能器装置布置在第一声换能器装置的构造为膜片的表面上。这样的声换能器 装置尤其可以构造为用于车辆的周围环境检测的超声传感器装置。
[0007] 通过两个声换能器方案整合成一个部件，可以以有利的方式通过第一声换能器装 置实现高的声压并且通过第二声换能器装置实现反射声波的与角度相关的探测，而不需要 两个分离的部件，所述两个分离的部件要求附加的构造空间。
【发明内容】
[0008] 根据本发明扩展和改进由DE102012205996. 2已知的传感器装置，其方式是提出 构成第二声换能器装置、即阵列的传感器元件构造为驻极体换能器元件。
[0009] 根据本发明的驻极体换能器元件理解为按照驻极体原理工作的换能器。在此，传 感器元件具有盖层，所述盖层设计为振动膜片。当声学信号、例如由对象反射的声到达时， 盖层运动并且引起电容的变化，该电容的变化可测量。随后通过电的方式放大和分析处理 该信号。通过将传感器布置成一阵列，可以其他信息，例如
[0010] 可以在较长的时间和温度范围上存储电荷的材料称作驻极体。在驻极体换能器 中一一不同于例如电容器式麦克风一一已经在制造工艺期间将内部直流电压通过相应的 充电施加到驻极体材料中。在此省去了提供直流电压的外部电压源的必要性，这引起成本 优势。驻极体在驻极体换能器中位于两个电极之间，从而电荷产生电场。在一些已知的构 造中，驻极体是膜片并且因此主动一起振动。在其他已知的构造中，驻极体固定在不运动的 电极上。
[0011] 作为充电可能性，不同的方法可供使用。对于根据本发明的构造而言偏爱的、用于 对驻极体材料进行充电的方法是电晕充电和接触充电。但用于充电的可能性不限于所述方 法。关于用于充电的已知方法的概述例如在《Electrets》(G.M.Sessler，Springer-Verlag， 第二版，1987年）中给出。
[0012] 根据本发明的传感器装置具有以下优点：第一声换能器装置的振动衰减时间可以 通过主动调节和因此主动衰减来缩短。在此，进行激励的压电元件例如用作执行器并且第 二声换能器装置用作传感器。因此，可以或者在很大程度上放弃通过相应材料的衰减或者 仅仅支持性地利用衰减材料。这引起可以使用显著更高的声压，而不必增大可测量的最小 间距。此外，必要时可以放弃附加的、充当变压器（Obertmgef)的线圈，所述线圈在已知 的系统中在超声传感器的接收运行中用于产生大带宽和压电陶瓷上的所需要的电压。该功 能性例如可以在根据本发明的传感器装置中取而代之地直接在分析处理单元中实现。在分 析处理单元中合并并且处理这些信号。这是必需的，因为在发送之后膜片没有静止的情况 下一方面识别膜片的暂态振动并且另一方面识别通过第二声换能器装置接收的反射振动 (回波）。分析处理单元可以分离并且单独地分析处理这些信号。
[0013] 因此，根据本发明，振动膜片承担发送器的功能，由多个传感器元件组成的阵列承 担接收器的功能。
[0014] 特别优选地，构成第二声换能器装置的传感器元件布置在第一声换能器装置的构 造为膜片的表面的以下区域中：所述区域在激励膜片振动时沿垂直于膜片平面的方向不经 受偏移或仅仅经受小的偏移。这例如是以下区域：在所述区域中膜片在以确定的发送频率 激励时具有振动波节。该布置具有以下优点：声换能器元件在膜片的强烈振动时也仅仅经 受小的机械负荷并且沿膜片的振动方向不经受偏移或仅仅经受微小的偏移。由此得出，膜 片的振动尽可能小地影响阵列元件。在此，膜片的中心通常是最大偏移的并且因此最大影 响的区域，并且边缘区域是具有最小影响的区域。
[0015] 优选地，第一声换能器装置（发送器）设计为具有压电陶瓷作为执行器的弯曲振 动器。根据本发明，具有多个传感器元件（阵列）的第二声换能器装置作为换能器利用驻 极体原理。在此，第二声换能器装置优选具有盖层，所述盖层设计为振动膜片。所述盖层例 如可以覆盖所有传感器元件、即对于所有传感器元件是公共的或仅仅覆盖确定组的传感器 元件或单个传感器元件。当信号、例如由对象反射的声到达时，盖层运动并且引起电容的变 化，该电容的变化可测量。随后可以通过电的方式放大和分析处理该信号。
[0016] 盖层例如可以由金属材料--例如铝或高品质钢制成，或者也可以由纤维塑料复 合物一一例如CFK或GFK制成。粘接剂可以在本发明的第一实施中导电地构造。
[0017] 如果在本发明的替代实施中粘接剂是不导电的，则必须通过施加电线--例如绞 合线或金属线来实现与盖层的电接触，所述盖层是对应电极。为了不产生短路，在该实施中 弯曲振动器的膜片的施加有阵列的部分区域必须是不导电的。这例如可以通过所述部分区 域的电氧化（阳极氧化）实现。由此，只要膜片由导电铝制成，则产生不导电的陶瓷。然后， 在陶瓷上可以施加印制导线，例如通过汽化渗镀、溅射、丝网印刷或其他涂覆方法。
[0018] 例如具有FEP、PTFE或类似材料的驻极体自身（只要其作为薄膜存在）则借助导 电粘接剂粘接到成型电极上。驻极体薄膜在该情况下优选（向下）蒸镀在待接触的一侧上， 因为FEP或者PTFE具有很低的表面能量，其使得粘接几乎不可能。粘接例如也可以通过以 下方式避免：将驻极体加热直至接近其熔化温度的温度并且随后层压到膜片上。如果驻极 体以溶解的形式存在，如TeflonAF(无定形氟聚物）或AsahiGlass公司的Cytop(氟树 脂），则也可以通过其他方法，如点涂（Auftropfen)或纺织（Spinnen)来施加所述驻极体。
[0019] 在根据本发明的传感器装置的优选实施中，第一声换能器装置包括罐形元件，所 述罐形元件包括底面和边缘面，其中所述底面优选构造为膜片。为了激励膜片振动，设有与 所述膜片接触的压电元件。因此，第一声换能器装置在该实施中相应于常规的超声换能器， 从而如此实施的传感器装置可以简单地替代常规的超声传感器安装，而不需要匹配