DE19626344A1 - Bundling lens for vehicle sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Linse zur Bündelung von Millimeterwellen, insbesondere für Abstandssensoren für Kraftfahrzeuge.The invention relates to a lens for bundling Millimeter waves, especially for distance sensors for Motor vehicles.
Für Abstandssensoren, die mit Millimeterwellen arbeiten, werden Linsen benötigt, die eine Bündelung des Radarstrahls in der gewünschten Halbwertsbreite ermöglichen. Der in der Regel mehrstrahlige Abstandssensor dient vorzugsweise zur Messung der Abstände und Differenzgeschwindigkeiten zu vorausfahrenden Fahrzeugen nach dem FMCW-Verfahren. Für diese Anwendungen kommen vorzugsweise Frequenzen im Bereich von 76 bis 77 GHz in Frage.For distance sensors that work with millimeter waves, you need lenses that focus the radar beam enable in the desired half-value range. The Indian Rule multi-beam distance sensor is preferably used for Measurement of the distances and differential speeds too vehicles in front using the FMCW method. For these applications preferably come in the range frequencies from 76 to 77 GHz in question.
Bekannte Linsen, beispielsweise solche für linsenkorrigierte Hornantennen, bestehen aus hochvernetzten Kunststoffen wie Polyethylen oder Polyacryl. Diese Werkstoffe haben jedoch eine niedrige Dielektrizitätskonstante von 2 bis 3, so daß für eine hohe Strahlbündelung mit beispielsweise einer Halbwertsbreite von 2,5° sehr dicke Linsen benötigt werden. Dieses führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der Herstellung.Known lenses, for example those for lens corrected lenses Horn antennas consist of highly cross-linked plastics such as Polyethylene or polyacrylic. However, these materials have a low dielectric constant of 2 to 3, so that for high beam focusing with, for example, one Half-width of 2.5 ° very thick lenses are required. However, this leads to manufacturing difficulties.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Linse zur Bündelung von Millimeterwellen vorzuschlagen, welche die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Linse mindestens teilweise aus einem keramischen Werkstoff besteht.The object of the present invention is to provide a lens Propose bundling of millimeter waves which the does not have the aforementioned disadvantages. This task will solved according to the invention in that the lens at least partially consists of a ceramic material.
Die erfindungsgemäße Linse hat den Vorteil, daß ihre Dicke im Vergleich zu Kunststofflinsen sehr klein gehalten werden kann, ohne dabei auf Fresnel-Strukturen zurückgreifen zu müssen, die in Folge von Abschattungen zu hohen Verlusten führen.The lens of the invention has the advantage that its thickness compared to plastic lenses can be kept very small can, without resorting to Fresnel structures must result in high losses as a result of shadowing to lead.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Linse besteht in ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, so daß sie vorzüglich für den Einsatz im Kraftfahrzeug geeignet ist, bei dem je nach Einbauort im einzelnen Maximaltemperaturen von 90° bis 120° auftreten können. Je nach Erfordernissen kann die erfindungsgemäße Linse praktisch ausschließlich aus keramischen Werkstoff oder gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aus mit dem keramischen Werkstoff gefüllten Kunststoff, beispielsweise Polypropylen oder Polycarbonat, bestehen. Es kommen jedoch auch andere Kunststoffe in Frage wie aromatisches Polycarbonat, Polyätherimid, Polymethyl- Pentane, cyclo-olefines Polyimid, Polyacryl oder Polystyrol.Another advantage of the lens according to the invention is that their high temperature resistance, so that they are excellent is suitable for use in the motor vehicle, in which depending on the installation location, individual maximum temperatures of 90 ° to 120 ° can occur. Depending on the requirements, the lens according to the invention practically exclusively ceramic material or according to a training of Invention from filled with the ceramic material Plastic, for example polypropylene or polycarbonate, consist. However, other plastics are also possible such as aromatic polycarbonate, polyetherimide, polymethyl Pentanes, cyclo-olefin polyimide, polyacrylic or polystyrene.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Linse stehen bewährte Verfahren zum Verpressen, Tempern und Sintern von keramischen Werkstoffen zur Verfügung. Bei mit keramischem Werkstoff gefüllten Kunststofflinsen kann eine preiswerte Massenproduktion im Spritzgußverfahren erfolgen. Die Höhe des Keramikanteils ist für den jeweiligen Anwendungsfall vom Fachmann festzulegen.Proven are available for the production of the lens according to the invention Process for pressing, tempering and sintering ceramic materials available. With with ceramic Material filled plastic lenses can be an inexpensive Mass production by injection molding. The height of the ceramic portion is for the respective application from Specialist to be determined.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Linse besteht darin, daß auf mindestens einer Oberfläche der Linse eine Schutzschicht aufgebracht ist. Bei der Verwendung in einem Abstandssensor eines Kraftfahrzeugs kann dadurch zumindestens die nach außen gerichtete Oberfläche vor Witterungseinflüssen geschützt werden.Another development of the lens according to the invention is that on at least one surface of the lens a protective layer is applied. When using in a distance sensor of a motor vehicle can thereby at least the outward surface Weather influences are protected.
Insbesondere bei mit keramischen Werkstoff gefüllten Kunststofflinsen kommt für die Schutzschicht Hexamethyl disiloxan in Frage. Außer mechanischen Beschädigungen und Eindringen von Wasser in Poren der Linse wird durch eine solche hydrophobe Schicht die Bildung eines geschlossenen Wasserfilms verhindert. Im Falle der keramischen Linse kann als Schutzschicht eine dünne, etwa 1 µm bis 2 µm starke Glasur aufgebracht werden, wie sie bei anderen keramischen Produkten üblich ist. Dadurch werden die Poren auf der Linsenoberfläche eingeebnet, so daß sich in diesen Poren keine störenden Schmutzpartikel ablagern können und der Wasserfilm ähnlich wie bei der Hexamethyldisiloxan-Be schichtung abläuft.Especially when filled with ceramic material Plastic lenses come for the protective layer of hexamethyl disiloxane in question. Except mechanical damage and Penetration of water in pores of the lens is prevented by a such a hydrophobic layer the formation of a closed Water film prevented. In the case of the ceramic lens can a thin, about 1 µm to 2 µm thick protective layer Glaze can be applied as with other ceramic Products is common. This will keep the pores on the Lens surface is leveled so that these pores no annoying dirt particles can deposit and the Water film similar to the Hexamethyldisiloxan-Be stratification expires.
Bei Linsen mit nach außen gewölbten Oberflächen (Aplanate, Meniskuslinsen) kann der Fahrtwind die bei einer hydrophoben Beschichtung entstehenden Wassertropfen von der Linse wegblasen. Bei plankonvexen Linsen mit der planen Seite nach außen verteilt der Luftstrom einen durch eine hydrophile Beschichtung erzeugten Wasserfilm gleichmäßig auf der Linsenoberfläche. Solange dieser Wasserfilm sehr viel dünner als die Wellenlänge ist, kann die Wasserdämpfung vernachlässigt werden.In the case of lenses with convex surfaces (aplanates, Meniscus lenses) the head wind can be a hydrophobic Coating water drops from the lens blow away. With plano-convex lenses with the flat side behind outside the airflow distributes one through a hydrophilic one Water film generated evenly on the coating Lens surface. As long as this water film is much thinner than the wavelength is, the water attenuation be ignored.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der keramische Werkstoff Aluminiumoxid ist, vorzugsweise mit Magnesiumoxid- und Kalziumoxidanteilen. Dieser Werkstoff hat sich in vielfältiger Weise in der Technik bewährt, beispielsweise als Isolierkörper von Zündkerzen, und liegt als preiswerter Rohstoff vor, der durch bewährte Herstellungsverfahren verarbeitet werden kann, wie Verpressen, Tempern und Sintern, und sich durch eine hervorragende Maßhaltigkeit nach dem Sintern auszeichnet. Ferner erfüllt dieser Werkstoff hohe Anforderungen an Temperaturstabilität und Sandstrahl festigung und ist resistent gegen Benzin und Öl. Außerdem haben Linsen aus Aluminiumoxid-Keramik einen zehnmal kleineren Verlustwinkel als Kunststofflinsen.In an advantageous embodiment of the invention provided that the ceramic material is aluminum oxide, preferably with magnesium oxide and calcium oxide components. This material has been used in many different ways Technology has proven itself, for example as an insulating body from Spark plugs, and is available as an inexpensive raw material processed using proven manufacturing processes can, like pressing, tempering and sintering, and through excellent dimensional stability after sintering distinguished. This material also meets high requirements Requirements for temperature stability and sandblasting strengthening and is resistant to petrol and oil. Furthermore have alumina ceramic lenses a ten times smaller loss angle than plastic lenses.
Bei anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Linse können als keramischer Werkstoff Bariumpolytitanat oder Titandioxid verwendet werden, die sich durch hohe Dielektrizitätskonstanten auszeichnen.In other configurations of the lens according to the invention can be used as ceramic material or bariumpolytitanate Titanium dioxide can be used, which is characterized by high Mark dielectric constants.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer konvexplanen Ausbildung, wobei wahlweise die konvexe oder die plane Oberfläche im eingebauten Zustand Witterungseinflüssen ausgesetzt ist. Bei der Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, die jeweils den Witterungseinflüssen ausgesetzte Oberfläche mit einer Quarzschicht der Stärke von etwa einem Viertel der Wellenlänge zu vergüten. Diese Vergütung dient als Schutzschicht vor den Witterungseinflüssen.Another advantageous embodiment of the invention exists in a convex plan, optionally the convex or the flat surface when installed Is exposed to the weather. In the invention can be provided in an advantageous manner, each of the Surface exposed to weather conditions with a Quartz layer about a quarter of the thickness Remuneration wavelength. This remuneration serves as Protective layer against the weather.
Zur Verringerung von Reflexionsverlusten kann bei der erfindungsgemäßen Linse auch vorgesehen sein, daß mindestens eine Oberfläche der Linse mit Gräben, die ringförmig oder geradlinig verlaufen können, zur Impedanztransformation versehen ist. Vorzugsweise ist dabei das Profil der Gräben zur Impedanztransformation V-förmig oder trapezförmig.To reduce reflection losses, the lens according to the invention can also be provided that at least a surface of the lens with trenches that are annular or can run in a straight line for impedance transformation is provided. Preferably, the profile of the trenches for V-shaped or trapezoidal impedance transformation.
Um einer Linse mit einem Grabenprofil eine plane Oberfläche zu verleihen, werden die Gräben mit einem Dielektrikum gefüllt. Dabei kann das Dielektrikum in Richtung der optischen Achse der Linse und/oder quer dazu eine inhomogene Verteilung der Dielektrizitätskonstanten aufweisen.A flat surface around a lens with a trench profile to lend the trenches with a dielectric filled. The dielectric can be in the direction of optical axis of the lens and / or transverse to it an inhomogeneous Have distribution of dielectric constant.
Für den Fall einer plankonvexen Linse wird eine Ausrichtung der konvex gewölbten Seite nach außen bevorzugt. Um in diesem Fall und bei einer zweifach konvexen Linse eine Ableitung von Wasser bei Linsen mit Profilen zur Impedanztransformation zu ermöglichen, kann gemäß einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß zu den Profillinien senkrecht verlaufende Gräben zur Entwässerung vorgesehen sind.In the case of a plano-convex lens, an alignment the convex side is preferred to the outside. To in in this case and with a double convex lens Drainage of water with lenses with profiles for To enable impedance transformation, according to one Training of the invention should be provided that the Profile lines with vertical trenches for drainage are provided.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Schnitt und eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 1 is a section and a view of a first embodiment,
Fig. 2 einen Schnitt und eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 shows a section and a view of a second embodiment,
Fig. 3a, b zwei Beispiele für Profile von Gräben zur Impedanztransformation und Fig. 3a, b two examples of profiles of trenches for impedance transformation and
Fig. 4a, b, c drei Beispiele für die Füllung der Gräben mit einem Dielektrikum. Fig. 4a, b, c three examples of the filling of the trenches with a dielectric.
Fig. 1 stellt eine zweifach konvexe Linse 1 dar, die beidseitig mit ringförmig verlaufenden Gräben 2 zur Impedanztransformation versehen ist. Die Gräben 2 weisen eine Tiefe und Breite von jeweils etwa einem halben Millimeter bzw. allgemeiner gesagt von etwa einem Viertel der Wellenlänge auf. Entsprechend dem zum Rand hin größer werdenden Einstrahlwinkel nimmt die Größe der Gräben vom Zentrum zum Rand der Linse 1 ab, was jedoch in den Figuren nicht sichtbar ist. Fig. 1 shows a double convex lens 1 , which is provided on both sides with annular trenches 2 for impedance transformation. The trenches 2 each have a depth and width of approximately half a millimeter or more generally of approximately a quarter of the wavelength. The size of the trenches decreases from the center to the edge of the lens 1 in accordance with the angle of incidence which increases toward the edge, but this is not visible in the figures.
Die plankonvexe Linse nach Fig. 2 ist an der hyperbolisch gewölbten Seite 4 ebenfalls mit Gräben 5 zur Impedanz transformation versehen, die jedoch geradlinig verlaufen. Die plane Seite der Linse 3 trägt eine Schicht 6, die je nach Erfordernissen im einzelnen als Vergütung, als Schutzschicht oder als Vergütung und Schutzschicht ausgebildet sein kann. Eine Optimierung des Maßes 8d kann anstelle einer Vergütung mit der Schicht 6 oder kombiniert damit durchgeführt werden.The plano-convex lens according to FIG. 2 is also provided on the hyperbolic curved side 4 with trenches 5 for impedance transformation, which, however, run in a straight line. The flat side of the lens 3 carries a layer 6 which, depending on the requirements, can be embodied individually as a coating, as a protective layer or as a coating and protective layer. The dimension 8 d can be optimized instead of a coating with the layer 6 or combined therewith.
Die in Fig. 2 dargestellte Linse weist eine ovale Form auf, wodurch bei entsprechendem Einbau der vertikale Öffnungswinkel - beispielsweise auf 3,5° - vergrößert wird. The lens shown in Fig. 2 has an oval shape, whereby the vertical opening angle - for example to 3.5 ° - is increased with appropriate installation.
Dieses dient dazu, daß auch bei Wippen des Fahrzeugs Ziele vom Radarstrahl erfaßt werden. Die vertikale Ausdehnung der Linse ist in der Ansicht gemäß Fig. 3 horizontal darge stellt.This serves to ensure that targets are detected by the radar beam even when the vehicle is rocking. The vertical extent of the lens is horizontal Darge in the view of FIG. 3.
Die Verpressung des Keramikpulvers erfolgt in einer Preßform, in der die Gräben negativ eingearbeitet sind. Die Maße der Preßform sind so gewählt, daß nach Tempern und Sintern die endgültigen Linsenabmessungen gewährleistet sind. Die plankonvexe oder konvexplane (aplanatische) Linse läßt sich mit der planen Seite auf der Brennauflage einfach und präzise sintern.The ceramic powder is pressed in one Press mold in which the trenches are incorporated negatively. The Dimensions of the mold are chosen so that after annealing and Sintering ensures the final lens dimensions are. The plano-convex or convex-plane (aplanatic) lens is easy with the flat side on the burning surface and sinter precisely.
Fig. 3 zeigt in vergrößerter ausschnittsweiser Darstellung zwei Profile der Gräben, nämlich Fig. 3a ein V-förmiges und Fig. 3b ein trapezförmiges Profil, wobei die Kanten fertigungsgerecht verrundet sind. Fig. 3 shows an enlarged detail of two profiles of the trenches, namely Fig. 3a a V-shaped and Fig. 3b a trapezoidal profile, the edges being rounded to suit the manufacturing process.
Wie der Fig. 4a zu entnehmen ist, können die Gräben mit einem Dielektrikum 7 ausgefüllt werden, um der Linse trotz des Grabenprofils eine plane Oberfläche zu verleihen. Dabei kann das Dielektrikum die Gräben bis an die Oberkante ausfüllen oder aber auch - wie Fig. 4a zeigt - eine Schichtdicke aufweisen, die größer ist als die Tiefe der Gräben.As can be seen from FIG. 4a, the trenches can be filled with a dielectric 7 in order to give the lens a flat surface despite the trench profile. The dielectric can fill the trenches up to the upper edge or else - as shown in FIG. 4a - have a layer thickness that is greater than the depth of the trenches.
Das Dielektrikum 7 ist z. B. ein Kunststoff, dessen Dielektrizitätskonstante sich von der des Linsenkörpers 1, 3 unterscheidet. Vorzugsweise hat das Dielektrikum 7 eine kleinere Dielektrizitätskonstante als der Linsenkörper 1, 3. Jedenfalls hat das Dielektrikum 7 je nach seiner geometrischen Verteilung und/oder seiner Dielektrizitäts konstanten einen Einfluß auf die Strahlformung der Linse 1, 3. So kann zur Realisierung einer gewünschten Verteilung der Dielektrizitätskonstanten das Dielektrikum entweder, wie Fig. 4b zeigt, aus mehreren in Richtung der optischen Achse der Linse 1, 3 aufeinander liegenden Schichten 7.1, 7.2, 7.3 mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten bestehen oder das Dielektrikum setzt sich, wie Fig. 4c zeigt, aus mehreren quer zur optischen Achse der Linse 1, 3 nebeneinander liegenden Schichten 7.4, 7.5, 7.6, 7.7 mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten zusammen. Ebenso ist eine kontinuierliche inhomogene Verteilung der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums 7 möglich.The dielectric 7 is, for. B. a plastic, the dielectric constant of which differs from that of the lens body 1 , 3 . The dielectric 7 preferably has a smaller dielectric constant than the lens body 1 , 3 . In any case, the dielectric 7, depending on its geometric distribution and / or its dielectric constant, has an influence on the beam shaping of the lens 1 , 3 . To achieve a desired distribution of the dielectric constant, the dielectric can either consist, as shown in FIG. 4b, of several layers 7.1 , 7.2 , 7.3 lying on top of one another in the direction of the optical axis of the lens 1 , 3 with different dielectric constants, or the dielectric settles, as Fig. 4c shows a plurality of, transverse to the optical axis of the lens 1, 3 adjacent layers 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, together with different dielectric constants. A continuous inhomogeneous distribution of the dielectric constant of the dielectric 7 is also possible.
Das Dielektrikum 7 kann durch Spritz-, Gieß- oder Schleuderprozesse auf den Linsenkörper aufgebracht werden.The dielectric 7 can be applied to the lens body by spraying, casting or spinning processes.
Ein praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel weist als plankonvexe Linse aus Aluminiumoxid einen Durchmesser von 105 mm und eine Dicke von 7,7 mm auf und stellt bereits ohne Gräben zur Impedanztransformation eine Verbesserung gegenüber einer 31 mm dicken Linse aus Polyethylen gleichen Durchmessers dar.A tried and tested embodiment shows as Plano-convex lens made of aluminum oxide with a diameter of 105 mm and a thickness of 7.7 mm and already without Trenches for impedance transformation an improvement compared to a 31 mm thick lens made of polyethylene Diameter.
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Also Published As
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| DE19626344C2 (en) | 1999-05-27 |
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