用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元的制作方法

本发明涉及一种用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元，其具有至少三个分立的并且可单独操控的超声换能器，用于检测物体、轮廓或间距。

背景技术：

与工作区域或危险状况相协调地，用于距离测量的超声换能器安置在车辆的后侧和/或侧面和/或前侧。

用于识别人员和物体的主动警告系统使用各种传感系统。除了光学摄像系统、无线电和雷达外，也使用向气态介质、也就是空气中进行耦出的超声换能器。

由wo2008/135004a1已知一种用于在气态介质中应用的超声换能器阵列。该阵列具有分层结构，该分层结构具有在两个电极结构之间由电介体构成的层，其中，一个电极结构包括多个可独立寻址的电极元件，由此产生电介体层的局部厚度振动。

由us2013/0283918a1已知一种具有改进的近场分辨率的1.5维超声换能器阵列。在us2014/0283611a1和us6,310,831b1中说明了相控的超声换能器阵列和自适应或进行补偿的控制方法。

视车辆的应用领域而定，超声换能器相对于恶劣的环境影响(例如灰尘、湿气、腐蚀性化学品)并且相对于机械冲击或相对于机械划伤必须是稳健的。

为了实现高探测范围，使用压电陶瓷、例如锆钛酸铅(pzt)，其与其他压电材料例如石英、电介体或pvfd相比具有较高的耦合系数。在此，耦合系数是针对机械存储能量和电存储能量之间的转换效率的量度。对于pzt来说，视激发方向而定，这些耦合系数例如在0.3到约0.75的范围内。

视压电材料的极化方向而定，可以借助交变电压在压电体中产生共振的机械振动，这些共振的机械振动视几何传播方式而定被称为平面振动、厚度振动或剪切振动。对于这些振动形式，可以由材料特定的频率常数来估计压电体的典型尺寸，这些频率常数对于预给定频率下的共振振动来说是必需的。对于pzt，视振动类型而定，这些频率常数通常在1300khz*mm至2600khz*mm之间。

因此，由适用于传感装置的pzt组成的薄盘针对在平面模式下20khz至500khz的激发频率具有约为4mm至100mm的直径。由于这种薄盘的电容特性，在相应地极化时能良好地实现低的激发电压。

不值得追求压电盘的更大厚度。一方面，随着压电材料的厚度增加，针对同一频率范围必须施加更高的电压，其很快也处于千伏的范围内，这意味着更高的安全性耗费。另一方面，压电体的刚度也随其厚度改变，这对声波的接收情况具有直接影响。

在将多个超声换能器应用在相控的至少一维的阵列(phasedarray)中的情况下，还应注意，相邻的超声换能器之间的间距不允许大于超声波的波长，或者优选不大于波长的一半。通过这种间距条件相应地限制了单个换能器的结构尺寸或限制了以超声换能器的确定的结构形式/尺寸能够实现的频率范围。

对于20khz与500khz之间的频率范围和向空气中的耦出，例如得出，相邻换能器之间的最大间距例如在约8.5mm至约0.3mm的量级中。

然而，具有由适用于传感装置的pzt构成的薄盘的前述换能器由于压电盘直径而具有平均大了超过10倍的直径。

技术实现要素：

在该背景下，本发明的任务在于，给出一种扩展现有技术的设备。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的内容。

根据本发明的主题，提供一种用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元。该一维超声换能器单元包括壳体、至少三个超声换能器和控制单元，其中，控制单元设计成用于单独地操控每个超声换能器，壳体安置在车辆上，每个超声换能器分别具有换能器壳体、布置在该换能器壳体中的压电体和布置在换能器壳体的敞开端部处的、用于向气态介质中进行耦出的声耦出层，并且每个超声换能器布置在壳体中的固定位置。

每个超声换能器设计成用于辐射和/或接收具有一致的工作频率的声波，其中，声波的工作频率处于20khz至400khz的范围内。在壳体中各两个直接相邻的超声换能器从一声耦出层的中心到一声耦出层的中心具有最高为10cm或最高为5cm或最高为2cm的间距。

一维超声换能器单元对于每个超声换能器具有声通道，其中，每个声通道具有输入开口和输出开口，每个声耦出层配属有输入开口中的恰好一个输入开口并且这些输出开口沿着直线布置。输出开口分别布置在壳体的未与车辆贴靠的壁中，或者声通道穿过壳体的壁，其中，从一个输出开口的中心到直接相邻的输出开口的中心的间距最高相当于气态介质中的波长或最高相当于气态介质中的波长的一半，并且两个直接相邻的输出开口之间的间距分别小于配属于相应输入开口的超声换能器之间的间距。输出开口的面积与输入开口的面积之商具有在0.30和1.2之间的值，并且每个声通道至少具有相当于输入开口的直径的长度。

显然，一维超声换能器单元的超声换能器是单个的分立构件，其中，每个超声换能器布置在壳体中并与该壳体连接并因此相对于所有其他超声换能器具有固定的间距。在此，其间未布置另外的超声换能器的、并列布置的两个超声换能器直接相邻。

显然，各个声通道构造为管状或杆状的，其中，例如管直径减小，和/或横截面的形状改变，和/或声通道的走向构造为弧形的。有利地，声通道在其从声耦出层直至其输出开口的整个长度上不具有棱边。

声通道将由各个超声换能器产生的声波从壳体中导出或将反射的声波导回超声换能器。因此，在壳体壁上的或壳体外部的输出开口处通过叠加产生波前。

利用多个可单独操控的超声换能器，能通过时移或相移的操控产生具有可调整的主传播方向的波前。通过将声通道布置在各个超声换能器前方，在叠加成共同的波前时或为了叠加成共同的波前，将各个声源移位到声通道的对应端部或输出开口处。这使得能够与各个超声换能器的尺寸、例如直径无关地或与各个超声换能器之间的间距无关地调整各个声源之间的间距。尤其地，能够与各个换能器之间的间距相比减小声源之间的间距。

然而，在单个超声换能器的壳体直径例如为7mm的情况下，两个换能器之间的间距至少为14mm。因此，在没有声通道的情况下，仅能实现具有频率最高为22khz(λ≥14mm)或最高11khz(λ/2≥14mm)的波前。利用同一超声换能器仅在借助根据本发明的声通道的情况下才能产生具有较高频率、即较小波长的波前，因为在叠加时各个“声源”的间距不是由换能器壳体的尺寸确定，而是仅由声通道输出开口的尺寸和间距来确定。

此外，通过声通道确保了精确的、定向的探测。

压电换能器的辐射孔径、例如具有由压电体预给定的直径的圆形孔径借助声通道这样改变，使得其在至少一个维度上满足所希望的阵列布置的条件。这使得能够在相控阵列布置中使用稳健、可靠和/或低成本的分立超声换能器，所述相控阵列布置又能够实现大视野角度并因此能够实现对车辆的危险区域的可靠监控。不一定要使用特别小的、例如集成的超声换能器，例如mems。也不需要安置、读取多个传感器单元并且不需要在必要时使它们相互协调。

根据一个扩展方案，壳体具有可运动的遮盖设备，其中，该遮盖设备设计成用于封闭所有声通道的输出开口。如果不使用一维超声换能器单元，则可以借助遮盖设备来封闭声通道，由此可以防止污物侵入。为了打开和关闭声通道或为了使遮盖设备运动，一维超声换能器单元例如包括调节器件。替代地，调节器件是车辆的一部分。例如，按照标准借助遮盖设备封闭声通道，其中，一旦车辆倒车行驶或挂上倒档，则遮盖设备被移开。

根据另一扩展方案，第二横截面的面积与第一横截面的面积之间的商具有在0.5和1.5之间或在0.9和1.1之间的值。根据本发明，输入面的面积可以增大、减小或保持不变，其中，同时相比于输入开口至少减小输出开口的宽度。

根据另一实施方式，每个声通道具有从每个超声换能器的声耦出层到配属的声通道的输出开口的长度，其中，所述长度为声频的波长的八分之一的整数倍或声频的波长的一半的整数倍。

根据另一实施方式，所有声通道的输出开口位于共同的平坦平面中或弯曲的面中。通过布置在弯曲的面、例如凹面中，例如能产生聚焦的波前。

在另一实施方式中，每个声通道由金属或塑料构成。替代地，每个声通道包括金属或塑料。

根据另一实施方式，每个超声换能器在耦出层和换能器壳体之间具有声脱耦层。

在另一实施方式中，控制单元全部或部分地布置在壳体中。替代地，控制单元安置在车辆中或车辆上并且通过合适的通信接口与一维超声换能器单元连接。

根据另一实施方式，一维超声换能器单元的壳体至少相应于ip40防护等级地构造。

在另一扩展方案中，壳体具有至少一个信号接口，用于传输测量信号和/或控制信号。例如，该信号输出部构造为通信接口，以便借助一般的总线系统或协议之一与车辆进行通信。

根据另一实施方式，每个超声换能器以声耦出层在前伸入到配属的输入开口中，其中，在另一扩展方案中，每个声通道配合精确地接收配属的超声换能器的至少一部分。换句话说，根据该实施方式，声通道在输入开口的区域中的内部形状尽可能精确地相应于相应超声换能器的外部形状。

在另一实施方式中，每个超声换能器的壳体具有至少为7mm的直径。例如，每个超声换能器的壳体构造为柱形的金属杯。根据该实施方式的一个扩展方案，声耦出层的表面、金属杯的边缘和例如每个单个超声换能器的布置在它们之间的声脱耦层分别撑开一平坦平面。

在另一实施方式中，每个超声换能器具有位于参考电势上的电磁屏蔽部。显然，电磁屏蔽部也可以完全或至少部分地由壳体、尤其被用作壳体的金属杯构成。替代地，一维超声换能器单元也可以具有用于所有超声换能器的共同的屏蔽部，例如共同的壳体。

在另一实施方式中，每个声通道具有至少为0.5mm或至少为1mm的壁厚。根据另一扩展方案，各两个声通道在这两个声通道的总长度上彼此间具有至少为0.5mm或至少为1mm的间距。

根据另一实施方式，壳体包括平坦的后壁和平行于该后壁延伸的前壁。由此，能特别简单且可靠地将一维超声换能器单元在车辆上安置和定向。超声换能器优选安置在后壁上并且声通道优选终止在前壁上或在前壁中。特别优选的是，不仅声通道的输出开口，而且超声换能器以及声通道的输入开口沿着直线布置。例如，由声通道的输入端撑开的直线明显比由输出开口撑开的直线更长。

附图说明

下面参照附图详细阐述本发明。在此，类似的部件以相同的附图标记标注。所示出的实施方式是强烈示意性的，也就是说，间距以及横向延伸和纵向延伸不是按比例的，除非另有说明，否则相互之间不具有可推导的几何关系。附图示出：

图1a一维超声换能器单元的根据本发明的第一实施方式的侧视图；

图1b一维超声换能器单元的根据本发明的第一实施方式的俯视图；

图2一维超声换能器单元的壳体的根据本发明的实施方式的剖视图；

图3声通道的另一根据本发明的实施方式的视图；

图4声通道的另一根据本发明的实施方式的视图；

图5单个声通道的另一实施方式的视图；

图6声通道的输出面的各种实施方式的示意图。

具体实施方式

图1a的图示示出根据本发明的一维超声换能器单元10在车辆100上的第一实施方式的视图。在图1b的图示中示出具有一维超声换能器单元10的车辆100的俯视图。一维超声换能器单元10居中地安置在车辆100的后侧102上并且安置在下部区域中，使得通过一维超声换能器单元10产生的声波11远离车辆的后侧102地传播并且被位于传播区域、尤其是所谓的声波锥中的物体13反射。

根据一个替代的实施方式，两个一维超声换能器单元10安置在车辆100的后侧102的上角部处(以虚线示出)，并且这样定向，使得声波基本上向下沿着后侧和/或与后侧成小角度地传播。

在图1b的俯视图中还示出，一维超声换能器单元10的声波11是可摆转的或所产生的声波的主传播方向是可调整的。

在图2的图示中示出超声换能器单元10的壳体14的剖视图。在壳体14中，沿着壳体14的平坦的后壁16布置三个分立的超声换能器12。每个超声换能器12具有自身的换能器壳体18和声耦出层20。每个超声换能器12相对于直接相邻的超声换能器12具有从声耦出层20的中心到声耦出层20的中心的间距a1。

每个超声换能器12配属有声通道22，其中，每个声通道22具有输入开口24和输出开口26。这些输入开口24分别这样布置在超声换能器12之一前方或周围，使得相应的超声换能器12辐射到声通道22中。声通道22的输出开口26沿着壳体14的与后壁对置的平坦前壁30布置或穿过前壁30。

各两个相邻的输出开口26具有一从输出开口26的中心到一输出开口26的中心的间距a2。根据本发明，输出开口26的间距a2分别小于或等于所配属的或所属的超声换能器12的间距a1。

从每个声耦出层20直至所属声通道22的输出开口26的长度l1是声频的波长的八分之一的整数倍。

壳体14还包括可运动的遮盖设备32。在所示出的实施例中，遮盖设备32处于关闭状态中。为此，遮盖设备布置在壳体14的具有输出开口26的前壁30前方，使得声通道22被封闭。在打开的状态下，遮盖设备32例如通过翻转或滑动而不再位于前壳体壁30和输出开口26前方，并且暴露出输出开口26。

在图3中示出的实施例中，声通道22这样延伸，使得所有声通道22的输出开口26位于共同的平坦平面e1中。在所示出的实施例中，一维超声换能器单元10的壳体14的前壁30在平面e1内延伸。每个声通道22的仍位于相应的声通道22的输入开口24前方的区域34这样构造，使得相应配属的超声换能器12精确地配合到声通道22中。为此，每个声通道22在该区域中具有与外径d1相应的内径并且具有被用作止挡部的棱边36。

未示出的控制单元设计成用于单个地操控每个超声换能器12。通过以时移或相控的方式操控各个超声换能器12，一维超声换能器单元10产生具有主传播方向(箭头)的平面式超声波，其中，主传播方向或主传播方向与第一平面e1之间的角度可以借助从各个声通道的输出开口26中射出的声波之间的相偏移来调整。

在图4中所示出的实施例中，所有声通道36的输出开口40位于凹形弯曲的面f1中。

在图5的图示中，示意性地示出单个声通道22，其中，下面阐述与图1至4的区别。

输入开口24具有带有宽x1和高y1的横截面，输出开口26具有带有宽x2和高y2的横截面。

输入开口24构造为圆形，也就是说，横截面的宽度x1和高度y1具有相同的值。而输出开口26具有椭圆形状，使得横截面的宽度x2小于宽度y2。

优选地，输出开口26的宽度x2小于输入开口26的宽度x1。而输出开口26的高度y2优选大于输入开口24的高度y1。特别优选地，声通道22的高度增大补偿了声通道22的宽度减小，使得输入开口24的横截面的面积相当于输出开口26的横截面的面积。

显然，每个输出开口26的宽度x2必须小于声频的波长，以便能够实现从输出开口26的中心到直接相邻的输出开口26的中心的间距最多为声频的波长。

在图6的图示中，示意性地示出输出开口26的横截面的多个根据本发明的实施例。为了使输出开口26的横截面的面积相当于输出开口24的横截面的面积，宽度x2相对于高度y2的比例约为1.5的形状尤其合适。