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Dokumentenidentifikation DE10136628B4 20.04.2006
Titel Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels einer Membran, Verfahren und Steuergerät zum Betrieb des Ultraschallwandlers, sowie Verwendung des Ultraschallwandlers
Anmelder Valeo Schalter und Sensoren GmbH, 74321 Bietigheim-Bissingen, DE
Erfinder Lill, Anton, 74348 Lauffen, DE;
Kiemes, Jochen, 70499 Stuttgart, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 26.07.2001
DE-Aktenzeichen 10136628
Offenlegungstag 20.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.2006
IPC-Hauptklasse H04R 17/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01S 7/52(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60Q 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60R 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G08G 1/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels einer Membran. Zum Aussenden von Ultraschallwellen wird die Membran für eine vorgebbare Zeitdauer erregt. Nach dem Aussenden von Ultraschallwellen werden die Membranschwingungen gedämpft. Im Rahmen der Dämpfung werden die Membranschwingungen erfasst, und die Membran wird phasenrichtig, aber mit entgegengesetzter Amplitude zu den erfassten Schwingungen erregt. Zum Empfangen von Ultraschallwellen werden die Membranschwingungen erfasst. Das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs wird zeitlich versetzt zueinander durchgeführt.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem einen Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels einer Membran. Der Ultraschallwandler weist eine Membran, Mittel zum Aussenden von Ultraschallwellen durch Erregen der Membran für eine vorgebbare Zeitdauer, Mittel zum anschließenden Dämpfen der Membranschwingungen und Mittel zum Empfangen von Ultraschallwellen durch Erfassen der Membranschwingungen auf. Das Dämpfen der Membranschwingungen erfolgt durch Erfassen der Membranschwingungen und Ansteuern der Membran phasenrichtig, aber mit entgegengesetzter Amplitude zu den erfassten Schwingungen. Das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs wird zeitlich versetzt zueinander durchgeführt.

Des weiteren betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines solchen Ultraschallwandlers. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Steuergerät für einen solchen Ultraschallwandler.

Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler bekannt, bei denen eine schallgebende Membran auch zum Empfang von reflektierten Schallwellen eingesetzt wird. Derartige Ultraschallwandler werden bspw. im Kraftfahrzeugbereich für Einrichtungen zum Messen des Abstands eines Kraftfahrzeugs zu einem Objekt (sog. Einparksysteme) eingesetzt. Dabei wird aus der Laufzeit eines Signals vom Aussenden bis zum Empfang des an einem Objekt reflektierten Signals der Abstand des Kraftfahrzeugs zu dem Objekt ermittelt.

Der bekannte Ultraschallwandler ist in einem topfförmigen Gehäuse aus Metall angeordnet, wobei die Membran als eine Metallmembran bspw. aus Aluminium ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Membran ist ein scheibenförmiges Piezoelement befestigt, das mit zwei Anschlusselektroden versehen ist. Die Elektroden werden bspw. durch zwei Kupferlitzen kontaktiert, die jeweils auf eine Anschlusselektrode gelötet sind. Die Kontaktierung der zweiten Elektrode erfolgt entweder direkt auf der zweiten Elektrode oder indirekt über den metallischen Topf. Die dem Topf zugewandte Elektrodenseite führt Masse, und zwischen dieser Elektrode und dem Topf besteht ein niederohmiger Kontakt. Der so geerdete Topf bietet einen wirksamen Schutz vor Funkenentladung (electrostatic discharge, ESD) im Bereich von etwa 25 kV und vor der Einkopplung elektrischer Felder.

Derartige Ultraschallwandler, bei denen die schallgebende Membran auch zum Empfang von reflektierten Schallwellen eingesetzt wird, werden alternierend als Sender und als Empfänger betrieben. Zum Aussenden von Ultraschall-Signalen wird das Piezoelement mit einer Erregungsspannung im Bereich von einigen 10 Volt erregt, wodurch die Membran des Ultraschallwandlers in hochfrequente Schwingungen versetzt wird und infolgedessen Ultraschallwellen aussendet. Nach einer vorgebbaren Sendezeitdauer wird die Erregung des Piezoelements beendet und der Ultraschallwandler in den Empfangsbetrieb umgeschaltet. Dabei versetzen reflektierte Schallwellen die Membran in Schwingungen, wodurch sich zwischen den Anschlusselementen des Piezoelements eine Empfangsspannung im Bereich von einigen 100 Mikrovolt ausbildet, die von einer Auswerteeinheit erfasst, verstärkt und ausgewertet wird.

Ein Problem bei den bekannten Ultraschallwandlern ist das Nachschwingverhalten der Membran im Anschluss an das Aussenden von Ultraschallwellen. Da die Erregungsspannung wesentlich größer als die Empfangsspannung ist, führt ein Nachschwingen der Membran zu einer starken Verfälschung der Empfangsspannung. Aus diesem Grund müssen die Membranschwingungen im Anschluss an das Aussenden von Ultraschallwellen so weit gedämpft werden, dass sie deutlich unterhalb der Schwingungen liegen, die von reflektierten Schallwellen hervorgerufen werden.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Verringerung des Nachschwingverhaltens der Membran bekannt. Zum einen kann nach dem Beenden der Erregung des Piezoelements eine vorgebbare Abklingzeitdauer abgewartet werden, bevor der Ultraschallwandler in den Empfangsbetrieb umgeschaltet wird. Während dieser Abklingzeitdauer sollten die Amplituden der von der Erregung der Membran hervorgerufenen Schwingungen so weit abgeklungen sein, dass sie deutlich geringer als die von den reflektierten Schallwellen hervorgerufenen Schwingungen sind und eine Störung der Empfangsspannung möglichst vermieden wird.

Um die Abklingzeitdauer zu reduzieren, ist es des weiteren bekannt, die Membran mechanisch und/oder elektrisch zu dämpfen. Für eine mechanische Dämpfung wird ein Schaumstoff oder ein ähnlich dämpfendes Material in das Innere des Topfes auf die Membran eingebracht. Die Membran kann jedoch nicht beliebig stark gedämpft werden, da eine Erhöhung der mechanischen Dämpfung der Membran zu einer verringerten Empfangsspannung und damit zu einer geringeren Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers führt.

Eine elektrische Dämpfung wird durch Parallelschaltung einer Induktivität (z. B. eine Sekundärspule eines Transformators) und eines Widerstands erzielt. Das Ersatzschaltbild der Membran entspricht einem Serienschwingkreis. Durch die Induktivität wird die Parallelkapazität in dem Ersatzschaltbild kompensiert und dem Schwingkreis durch den Widerstand Energie entzogen, was zu einer Dämpfung der Membranschwingungen führt. Dazu muss die Resonanzfrequenz des gebildeten Parallelschwingkreises entsprechend gewählt werden. Die dazu benötigte Spule (Induktivität) macht den Ultraschallwandler jedoch empfindlich für magnetische Störfelder.

Des weiteren ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Membran in eine rückgekoppelte Schaltung zur aktiven Schwingungsdämpfung einzubinden. Dabei kann jedoch keine der beiden Anschlusselektroden des Piezoelements auf Masse gelegt werden. Somit ist der Topf nicht mit Masse verbunden und dessen Schutzfunktion gegen ESD und EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) ist nicht mehr gegeben.

Weiterhin ist es bekannt, den Strom durch einen Serienschwingkreis, der einem Ersatzschaltbild der Membran entspricht, über einen Stromshunt (Messwiderstand) zu messen und die Membrankapazität durch eine Brückenschaltung zu kompensieren. Mit dem gemessenen Strom kann die Schwingung der Membran aktiv und phasenrichtig gegengesteuert und diese dadurch gedämpft werden. Im Rahmen der Gegensteuerung wird das Piezoelement derart erregt, dass es die Membran in Schwingungen versetzt, die den erfassten Schwingungen entgegengerichtet sind. Dabei kann jedoch keine der beiden Piezoelektroden niederohmig auf Masse gelegt werden. Somit kann der Topf nicht direkt mit Masse verbunden werden und dessen Schutzfunktion gegen ESD besteht nicht mehr. Ein EMV-Schutz bei niederohmiger Anbindung ist lediglich mit reduzierter Wirkung gegeben.

Schließlich ist es bekannt, die Auslenkung bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit der Membran durch einen zusätzlichen Kontakt der Piezoelektrode zu messen. Mit diesem Signal kann die Schwingung der Membran aktiv und phasenrichtig gegengesteuert und dadurch gedämpft werden. Durch den zusätzlichen Kontakt an der Elektrode erhöhen sich jedoch die Fertigungs- und Materialkosten (u.U. zusätzlicher empfindlicher Verstärker notwendig) und insbesondere die Anforderungen an die Qualität der Verbindungen im Hinblick auf die Belastung durch mechanische Schwingungen und die Empfindlichkeit auf mechanische Resonanzen.

Eine phasenrichtige Gegensteuerung, die versucht diesen zusätzlichen dritten Kontakt zu vermeiden, indem die beiden vorhandenen Kontakte verwendet werden, ist kaum realisierbar, da derartige Schaltungen zu Oszillationen neigen. Diese entstehen, da die Signale zur phasenrichtigen Gegensteuerung die Messung der Membranschwingungen verfälschen und somit die phasenrichtige Lage der Gegensteuerung nicht eingehalten werden kann. Diese nicht phasenrichtige Lage führt in der Regel zu Oszillationen, die den Empfang von Ultraschallsignalen unmöglich machen.

Ultraschallwandler der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der DE 195 48 161 C1 bekannt. In der Druckschrift wird jedoch auf das Piezoelement des Ultraschallwandlers Bezug genommen und nicht explizit auf die mit dem Piezoelement verbundene Membran. Aus der DE 197 27 877 A1 sind Ultraschallsensoren mit einem topfähnlichen Gehäuse sowie einer Membran und einem Piezoelement bekannt, welche für den Einsatz in Abstandssensoren eines Kraftfahrzeugs bestimmt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ultraschallwandler die Störanfälligkeit zu reduzieren, wobei der Wandler eine möglichst hohe Empfindlichkeit aufweisen soll, eine kurze Abklingzeit der Membran nach der Erregung sichergestellt werden soll und gleichzeitig die Schaltung gegen ESD geschützt sein soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß Anspruch 1, einen Ultraschallwandler gemäß Anspruch 8, die Verwendung eines Ultraschallwandlers gemäß Anspruch 10 und ein Steuergerät für einen Ultraschallwandler gemäß Anspruch 11.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachgeführt wird, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhandenen Membranschwingung anzupassen.

Zur Dämpfung der Membranschwingungen wird also eine aktive Dämpfung eingesetzt, bei der die Membran derart erregt wird, dass sie zu Schwingungen veranlasst wird, die zwar phasengleich zu den zu dämpfenden Membranschwingungen aber mit invertierter Amplitude ausgebildet sind. Die Dämpfung erfolgt durch Gegensteuern der Membranschwingungen im Rahmen einer Regelung, wodurch eine besonders kurze Ausschwingzeit der Membran im Anschluss an das Aussenden von Ultraschallwellen sichergestellt wird. Dabei wird die Methode der kontinuierlichen Gegensteuerung, d. h. dem zeitgleichen Erfassen der zu dämpfenden Membranschwingungen und Gegensteuern, aufgegeben. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran vielmehr zeitlich versetzt zueinander. Das hat den Vorteil, dass die Gefahr von Oszillationen durch eine geeignete Steuerung des Ultraschallwandlers deutlich verringert und sogar eliminiert werden kann.

Bei einer aktiven Gegensteuerung wird von einem Steuergerät im Rahmen eines Dämpfungsvorgangs ein Ansteuersignal ausgegeben, wobei der Wert der Amplitude und/oder die Dauer des Ansteuersignals der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachgeführt werden, um die Stärke der Gegensteuerung der tatsächlichen Stärke der noch vorhandenen Membranschwingungen anzupassen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass zum Erfassen der Membranschwingungen im Rahmen der Dämpfung ein von den Membranschwingungen abhängiges Strom- oder Spannungssignal erzeugt und in einer Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers erfasst wird. Das schwingungsabhängige Strom- oder Spannungssignal kann bspw. durch ein auf der Membran befestigtes Piezoelement erzeugt werden. Es kann bspw. die von dem Piezoelement in Abhängigkeit von den Membranschwingungen zwischen zwei Anschlusselektroden aufgebaute Spannung gemessen werden.

Statt einer Spannungsmessung kann aber auch eine Strommessung durchgeführt werden, wobei die Membran dann in einem kurzgeschlossenen Zustand betrieben wird. Deshalb wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass zum Erfassen der Membranschwingungen im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der durch einen Serienschwingkreis als Ersatzschaltbild der Membran fließende Strom über einen Messwiderstand gemessen wird. Die Membran bzw. das Piezoelement wird im Empfangsfall im kurzgeschlossenen Zustand betrieben, und über einen Stromshunt wird eine Strommessung durchgeführt. Durch den Kurzschlussbetrieb wird die Dämpfung durch die Kapazität der Membran eliminiert, was zu einer höheren Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers beim Empfang führt, da die Empfangsleistung optimal ausgenutzt wird. Darüber hinaus ermöglicht der Kurzschlussbetrieb der Membran die direkte Messung des Stromes durch den Serienkreis (Ersatzschaltbild der Membran) ohne einen zusätzlichen Kontakt (Anschlusselektrode) an dem Piezoelement. Dadurch ergeben sich geringere Herstellungs- und Fertigungskosten für den Ultraschallwandler.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Strom- oder Spannungssignal zum Erregen der Membran mit Hilfe eines Operationsverstärkers aus einer niedrigeren Versorgungsspannung erzeugt wird. Beim Einsatz eines Piezoelements zum Erregen der Membran eines Ultraschallwandlers, der in einem Einparksystem eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt, ist eine Erregungsspannung von einigen 10 Volt, insbesondere 80 bis 100 Volt, erforderlich. Der Operationsverstärker muss also aus der Versorgungsspannung von z. B. 12, 24 oder 42 Volt die erforderliche Erregungsspannung erzeugen. Durch den Einsatz eines Operationsverstärkers kann auf einen Transformator zur Erzeugung der Erregungsspannung verzichtet werden. Da die Spulen eines Transformators, insbesondere die Sekundärspule, die Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers mit störenden Signalen beaufschlagen und somit zu einer Verfälschung der Empfangsspannung führen, falls sie einem magnetischen Störfeld (bspw. von einem Elektromotor eines Kühlers eines Kraftfahrzeugs) ausgesetzt sind, ist die Schaltung des Ultraschallwandlers beim Einsatz eines Operationsverstärkers und unter Verzicht auf den Transformator unempfindlich gegen magnetische Störfelder. Der Operationsverstärker kann in einem Steuergerät oder direkt in dem Ultraschallwandler angeordnet sein.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass ein Strom- oder Spannungssignal zum Erregen der Membran mit Hilfe eines Transformators aus einer niedrigeren Versorgungsspannung erzeugt wird, wobei eine Sekundärspule des Transformators von einer Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers entkoppelt wird. Durch die vorgeschlagene Entkopplung ist die Schaltung des Ultraschallwandlers unempfindlich gegen magnetische Störfelder.

Vorteilhafterweise wird die Sekundärspule des Transformators von der Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers durch ein antiparalleles Diodenpaar entkoppelt. Da Dioden eine Sperrspannung von etwa 0,6 Volt haben und induzierte Spannungen infolge magnetischer Störfelder in der Regel geringer als 0,6 Volt sind, ist die Schaltung des Ultraschallwandlers durch die Entkopplung mittels eines antiparallelen Diodenpaars unempfindlich gegen magnetische Störfelder. Höhere Spannungen bspw. die Erregungsspannung, können die Dioden problemlos passieren.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Ultraschallwandler der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachführbar ist, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhandenen Membranschwingung anzupassen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallwandler Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Es wird des weiteren eine besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in einem Einparksystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Insbesondere dort kommen die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, nämlich eine hohe Empfindlichkeit beim Empfang und eine geringe Anfälligkeit gegen magnetische Störfelder, zum Tragen. Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler kann der Abstand eines Kraftfahrzeugs zu einem Objekt besonders genau, zuverlässig und bis zu sehr kurzen Abständen ermittelt werden.

Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Steuergerät der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät die Mittel zum Erfassen der Membranschwingungen und die Mittel zum Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs zeitlich versetzt zueinander ansteuert. Das Steuergerät umfasst eine fest verdrahtete Logik oder ein Rechengerät, vorzugsweise einen Mikroprozessor, auf dem ein Steuerprogramm ablauffähig ist, das auf einem Speicherelement, vorzugsweise auf einem Flash-Speicher, abgespeichert ist. Zum Abarbeiten des Steuerprogramms auf dem Mikroprozessor wird das Programm entweder als ganzes oder abschnittsweise aus dem Speicherelement ausgelesen und an den Mikroprozessor übertragen. In dem Steuerprogramm ist u.a. das erfindungsgemäße Verfahren, nämlich die alternierende Ansteuerung der Mittel zum Erfassen der Membranschwingungen und der Mittel zum Gegensteuern, realisiert.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;

2 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; und

3 Vergleich einer Strommessung in einem Serienkreis der Schaltung aus 1 oder 2 und Strom in dem Serienschwingkreis multipliziert mit dem Widerstandswert von einem Widerstand R S der Schaltung;

4 Ausgangssignal einer Steuerung der Schaltung aus 1 oder 2; und

5 in einem Serienkreis der Schaltung aus 1 oder 2 gespeicherte Energie bei einer aktiven Dämpfung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In 1 ist eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers dargestellt. Der Ultraschallwandler wird bspw. in Einparksystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Der Ultraschallwandler umfaßt eine Membran mit einem darauf befestigten Piezoelement. Ein Ersatzschaltbild der Membran ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Ersatzschaltbild umfaßt einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L_S, einer Kapazität C_S und einem ohmschen Widerstand R_S und dazu parallelgeschaltet eine Kapazität C_0. Um ein besseres Temperaturverhalten infolge des Temperaturganges der Kapazität C_0 zu erzielen, kann eine weitere Kapazität C_3 parallel zu dem Serienschwingkreis angeordnet werden. Durch Erregen des Piezoelements wird die Membran in Schwingungen versetzt und sendet Ultraschallwellen 2 aus. An einem Objekt reflektierte Ultraschallwellen 3 versetzen die Membran in Schwingungen, die von dem Piezoelement in eine entsprechende Spannung bzw. einen entsprechenden Strom umgewandelt wird. Aus der Laufzeit der Ultraschallwellen (2) vom Aussenden bis zum Empfangen der reflektierten Wellen (3) kann der Abstand des Ultraschallwandlers und damit des Kraftfahrzeugs zu dem Objekt ermittelt werden.

Die Schaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers umfasst einen Transformator mit einer Primärspule L_1 und einer Sekundärspule L_2, um eine Versorgungsspannung U_V von z. B. 12, 24 oder 42 Volt in eine Erregungsspannung U_Err zu transformieren. Die Erregungsspannung liegt bei einem Ultraschallwandler für den Einsatz in Einparksystemen etwa zwischen 85 und 100 Volt. Die in der Schaltung durch die empfangenen Ultraschallwellen 3 erzeugte Spannung liegt im Bereich von einigen 100 Mikrovolt. Die empfangene Spannung ist also um Größenordnungen kleiner als die Erregerspannung.

Da zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallwellen die gleiche Membran verwendet wird, wird der Wandler von einem Steuergerät 4 zwischen Sendemodus und Empfangsmodus hin- und hergeschaltet. Um die Membranschwingungen nach dem Aussenden von Ultraschallwellen zu dämpfen, ist eine aktive Dämpfung vorgesehen. Das bedeutet, dass im Anschluß an den Sendemodus die Membranschwingungen erfasst werden und die Membran phasengleich aber mit entgegengesetzter Amplitude zu den erfassten Schwingungen erregt (d. h. gegengesteuert) wird. Dadurch ergibt sich ein besonders schnelles Abklingen der Schwingungen und die Membran steht bereits nach kurzer Zeit zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen 3 bereit.

In 5 ist der Verlauf der in dem Serienschwingkreis enthaltenen Energie E dargestellt. Je stärker die Schwingungen der Membran sind, desto größer ist die in dem Schwingkreis enthaltene Energie E. Zum Dämpfen der Schwingungen muß die in dem Schwingkreis enthaltene Energie möglichst schnell abgebaut werden. In 5 ist deutlich zu erkennen, dass durch die aktive Dämpfung bereits nach etwa 1,3 Millisekunden nahezu die gesamte Energie E aus dem Serienschwingkreis entnommen wurde. Der Wert der Energie E nach 1,3 Millisekunden entspricht in etwa der Empfindlichkeitsgrenze E_grenz der Schaltung. Zu beachten ist hierbei, dass bereits nach ca. 0,9 Millisekunden die aktive Dämpfung durch Gegensteuerung beendet wurde und die erforderliche Restdämpfung durch eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Dämpfung erfolgt, die zu einer im wesentlichen linearen Abnahme der Energie E führt. Die hohe Wirksamkeit der aktiven Dämpfung ist an dem steilen Abfall des Verlaufs der Energie E innerhalb dieser 0,9 Millisekunden zu erkennen. Der Zeitpunkt zum Beenden der aktiven Dämpfung hängt unter anderem von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Schaltung ab sowie von der zu erzielenden maximalen Restschwingung der Ultraschallmembran, die die gewünschte Echomessung von reflektierten Ultraschallwellen nicht mehr stört.

Die aktive Dämpfung der Membranschwingungen wird von dem Steuergerät 4 gesteuert. Bei der aktiven Dämpfung erfolgt das Erfassen der Membranschwingungen und das Gegensteuern erfindungsgemäß zeitlich versetzt zueinander. In 4 ist der Verlauf eines entsprechenden Ansteuersignals U_B des Steuergeräts 4 zum Umschalten zwischen Erfassen und Gegensteuern dargestellt. Das Ansteuersignal U_B wechselt zwischen LOW bzw. 0 Volt (keine Gegensteuerung bzw. aktive Erfassung der Membranschwingungen) und HIGH bzw. etwa 550 Millivolt (aktive Gegensteuerung bzw. keine Schwingungserfassung). Der Wert von 550 Millivolt und/oder die Einschaltdauer kann der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachgeführt werden, um die Stärke der Gegensteuerung der tatsächlichen Stärke der noch vorhandenen Membranschwingungen anzupassen.

In 3 ist ein Vergleich der dem gemessenen Strom I_S des Serienschwingkreises proportionalen Spannung U_A der Membran 1 mit dem in dem Serienschwingkreis tatsächlich fließenden Strom I_S multipliziert mit dem Widerstandswert des Widerstands R_S des Serienschwingkreises dargestellt. Diese Multiplikation ist nur erforderlich, um gleiche Größen – in diesem Fall Spannungen – vergleichen zu können. Es ist deutlich eine Übersteuerung des Ausgangssignals U_A der Strommessschaltung während der Gegensteuerung (Signal aus 4 auf HIGH) zu erkennen. Während der Erfassung der Membranschwingungen (keine Gegensteuerung, Signal aus 4 auf LOW) stimmt das Ausgangssignal U_A der Strommessschaltung mit dem Strom I_S bzw. der Spannung I_S*R_S an dem Widerstand R_S weitgehend überein. In diesem Beispiel kann die Amplitude des Stroms I_S durch den Serienschwingkreis also unbeeinflußt von der Gegensteuerung in der negativen Halbwelle gemessen werden.

Die Sekundärspule L_2 des Transformators ist mittels eines antiparallel geschalteten Diodenpaars D_1, D_2 von einer Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers entkoppelt. Da Dioden eine Sperrspannung von etwa 0,6 Volt haben und die induzierten Spannungen von magnetischen Störfeldern in der Regel geringer als 0,6 Volt sind, ist die Schaltung des Ultraschallwandlers durch die Entkopplung mittels des antiparallelen Diodenpaars D_1, D_2 besonders unempfindlich gegen magnetische Störfelder. Höhere Spannungen, bspw. die Erregungsspannung U_Err, können die Dioden D_1, D_2 problemlos passieren.

In der Schaltung aus 2 wird auf einen Transformator verzichtet. Statt dessen wird die Erregungsspannung U_Err durch einen Operationsverstärker 5 aus der Versorgungsspannung U_V erzeugt. Auch durch einen vollständigen Verzicht auf einen Transformator wird die Schaltung wesentlich robuster gegenüber magnetischen Störfeldern.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen (2; 3) mittels einer Membran, wobei zum Aussenden von Ultraschallwellen (2) die Membran für eine vorgebbare Zeitdauer erregt wird, danach die Membranschwingungen gedämpft werden und zum Empfangen von Ultraschallwellen (3) die Membranschwingungen erfasst werden, wobei zur Dämpfung die Membranschwingungen erfasst werden und die Membran phasenrichtig entgegengesetzt zu den erfassten Schwingungen erregt wird, wobei das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs zeitlich versetzt zueinander durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachgeführt wird, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhandenen Membranschwingung anzupassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Membranschwingungen im Rahmen des Dämpfungsvorgangs ein von den Membranschwingungen abhängiges Strom- oder Spannungssignal erzeugt und in einer Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Membranschwingungen im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der durch einen Serienschwingkreis als Ersatzschaltbild der Membran fließende Strom über einen Messwiderstand gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom- oder Spannungssignal (U_Err) zum Erregen der Membran mit Hilfe eines Operationsverstärkers (5) aus einer niedrigeren Versorgungsspannung (U-V) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom- oder Spannungssignal (U_Err) zum Erregen der Membran mit Hilfe eines Transformators aus einer niedrigeren Versorgungsspannung (U_V) erzeugt wird, wobei eine Sekundärspule (L_2) des Transformators von einer Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers entkoppelt wird.
  6. verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom- oder Spannungssignal (U_Err) zum Erregen der Membran mit Hilfe eines Transformators aus einer niedrigeren Versorgungsspannung (U_V) erzeugt wird, wobei eine Sekundärspule (L_2) des Transformators von der Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers entkoppelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (L_2) des Transformators von der Empfangsschaltung des Ultraschallwandlers durch ein antiparalleles Diodenpaar (D_1, D_2) entkoppelt wird.
  8. Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen (2; 3) mittels einer Membran, wobei der Ultraschallwandler die Membran, Mittel zum Aussenden von Ultraschallwellen (2) durch Erregen der Membran für eine vorgebbare Zeitdauer, Mittel zum anschließenden Dämpfen der Membranschwingungen durch Erfassen der Membranschwingungen und Ansteuern der Membran phasenrichtig entgegengesetzt zu den erfassten Schwingungen und Mittel zum Empfangen von Ultraschallwellen (3) durch Erfassen der Membranschwingungen aufweist, wobei das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs zeitlich versetzt zueinander durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Dämpfungsvorgangs der Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachführbar ist, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhandenen Membranschwingung anzupassen.
  9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 7 aufweist.
  10. Verwendung eines Ultraschallwandlers nach Anspruch 8 oder 9 in einem Einparksystem für ein Kraftfahrzeug.
  11. Steuergerät (4) für einen Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen (2; 3) mittels einer Membran, wobei der Ultraschallwandler die Membran, Mittel zum Aussenden von Ultraschallwellen (2) durch Erregen der Membran für eine vorgebbare Zeitdauer, Mittel zum anschließenden Dämpfen der Membranschwingungen durch Erfassen der Membranschwingungen und Ansteuern der Membran phasenrichtig entgegengesetzt zu den erfassten Schwingungen und Mittel zum Empfängen von Ultraschallwellen (3) durch Erfassen der Membranschwingungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) die Mittel zum Erfassen der Membranschwingungen und die Mittel zum Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs zeitlich versetzt zueinander ansteuert.
  12. Steuergerät (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) im Rahmen des Dämpfungsvorgangs den Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingung nachführt, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhandenen Membranschwingung anzupassen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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