Titel

Ultraschallwandler, Ultraschallsensor und Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, einen Ultraschallsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors.

Ultraschallsensoren nutzen einen Ultraschallwandler, um ein elektrisches Anregungssignal in einen Ultraschallpuls umzuwandeln. Aufgrund der mechanischen Trägheit des Ultraschallwandlers schwingt der Ultraschallwandler auch nach einem Ende eines elektrischen Anregungssignals weiter und strahlt einen gegenüber der elektrischen Anregung verlängerten Ultraschallpuls ab. Diese zusätzliche Dauer wird als Nachschwingzeit bezeichnet.

Die Ultraschallwandler werden auch zum Empfangen von Echos der Ultraschallpulse verwendet. Da ein Echo von einem Nachschwingen nicht unterschieden werden kann, wird während der Nachschwingzeit kein elektrisches Signal ausgewertet.

Die Nachschwingzeit unterliegt vielfältigen Einflüssen, z.B. Verschmutzung, Alterung, Vereisung im Winter, Materialermüdung, Beschädigung durch Steinschlag, nachträgliche Lackierung.

Aus der JP 2003-248050 ist ein Verfahren bekannt, das während des Betriebs eines Ultra- schallsensors die Nachschwingzeit der Ultraschallwandler in einem Lernmodus bei jedem Betriebsstart neu bestimmt. Aus dem ermittelten Nachschwingverhalten wird auf ein Fehlverhalten der Ultraschallwandler geschlossen. Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler beinhaltet einen integrierten Speicher zum Speichern mindestens einer Nachschwingzeit des unverbauten Ultraschallwandlers.

Diese Nachschwingzeit ist unabhängig von später einwirkenden Einflüssen, z.B. Lackieren, Verbau in einem Stoßfänger, Verbau in einem Fahrzeug, Temperaturschwankungen, Alterung. Auf Grund der Kenntnis der reinen Nachschwingzeit bedingt durch den Aufbau des Ultraschallwandlers können die Einflüsse der Umgebung bzw. des Einbaus bestimmt wer- den. Die Speicherung kann vor oder/und nach dem Lackieren und/oder weiteren Montageschritten statt finden. Gegebenenfalls sind eine entsprechende Anzahl von Speichern vorgesehen, in die die einzelnen Nachschwingzeiten abgelegt werden können.

Die Nachschwingzeit ist individuell für jeden Ultraschallwandler auslesbar. Ein Ultraschall- sensor bzw. das Auswertesystem (System könnte Speicher auslesen und anhand der Zeit das Empfangsfenster angepasst freischalten) kann einen Beginn der Entfernungsmessung nach dem Aussenden eines Ultraschallpulses individuell für jeden Ultraschallwandler einstellen. Hierdurch kann die kürzest erfassbare Distanz verringert werden. Das Auswertungssystem kann die Nachschwingzeit einmalig einlesen oder regelmäßig neu einlesen, z.B. bei ei- nem Systemstart oder beim Starten der Messung. Alternativ kann ein Einlesen der Nachschwingzeit durch einen Neueinbau eines einzelnen Ultraschallwandlers, z.B. beim Austausch eines defekten Ultraschallwandlers, erfolgen. Somit ist eine stete Anpassung des Auswertungssystems an die Nachschwingzeit der aktuell verbauten Sensoren möglich. Die Anpassung berücksichtigt somit sowohl sensorseitige Änderungen (Umgebungseinflüsse etc.) sowie Sensortausch.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor. Dieser beinhaltet wenigstens einen Ultraschallwandler, der einen integrierten Speicher aufweist, in welchem eine erste Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers im unverbauten Zustand gespeichert ist. Eine Ausleseeinrichtung dient zum Auslesen der ersten Nachschwingzeit aus dem Speicher. Eine Messeinrichtung dient zum Bestimmen einer zweiten Nachschwingzeit des in den Ultraschallsensor eingebauten Ultraschallwandlers und eine Auswertungseinrichtung dient zum Deaktivieren des Ultraschallwandlers, wenn die zweite Nachschwingzeit von der ersten Nachschwingzeit um mehr als einen Toleranzbereich abweicht und/oder dient zum Setzen eines Flags in dem Speicher, wenn die zweite Nachschwingzeit von der ersten Nachschwingzeit um mehr als einen Toleranzbereich abweicht. Die Nachschwingzeit der Ultraschallwandler kann durch vielfältige Einflüsse permanent erhöht werden. Da die Nachschwingzeit eines Loses einer Serie von Ultraschallwandlern nur mit einer Toleranz angegeben werden kann, lassen sich aus aktuellen Messungen der Nachschwingzeit im Betrieb nur bedingt Rückschlüsse auf eine mögliche Verschlechterung ziehen. Der Vergleich des individuellen Werts der Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers und einer aktuellen Messung ermöglichen eine genauere Erkennung einer Degradation.

Die Nachschwingzeit der Ultraschallwandler kann durch Einflüsse wie z.B. Steinschlag auch verringert werden. Da die Nachschwingzeit eines Loses einer Serie von Ultraschallwandlern nur mit einer Toleranz angegeben werden kann, lassen sich aus aktuellen Messungen der Nachschwingzeit im Betrieb nur bedingt Rückschlüsse auf eine mögliche Verschlechterung ziehen. Der Vergleich des individuellen Werts der Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers und einer aktuellen Messung ermöglichen eine genauere Erkennung einer relevanten Änderung. Die Folge des Steinschlags kann zum Verlust in der Sensorempfindlichkeit bis zum Totalausfall führen..

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors mit den Schritten: Auslesen einer ersten Nachschwingzeit aus einem integrierten Speicher von Ultraschallwandlern des Ultraschallsensors; Bestimmen einer zweiten Nach- schwingzeit der Ultraschallwandler eingebaut in den Ultraschallsensor; und Deaktivieren der Ultraschallwandler, deren zweite Nachschwingzeit von der ersten Nachschwingzeit um mehr als einen Toleranzbereich abweicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers und

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Ultraschallsensors. Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschallwandler 1 im Querschnitt. Ein Membrantopf 2 ist zum Beispiel durch eine oben offene Röhre gebildet, deren eine Öffnung von einer Membran 3 überspannt ist.

Die Membran 3 ist mit einem elektro-mechanischer Wandler 4 mechanisch gekoppelt, der ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzt. Beispiele für einen elektro- mechanischen Wandler 4 sind piezoaktive Keramikstapel oder eine Spule im magnetischen Feld eines Permanentmagneten.

Der Innenraum des Membrantopfs 2 kann mit einem Schaumstoff 5 ausgespritzt sein. Der Schaumstoff 5 führt zu einer mechanischen Kopplung des elektro-mechanischen Wandlers 4 mit dem Membrantopf 2. Der Schaumstoff 5 wirkt dämpfend auf die Schwingbewegung der Membran 3. Anstelle eines Schaumstoffs 5 können auch andere dämpfende Füllstoffe verwendet werden.

Der elektro-mechanische Wandler 4 kann mit einem elektrischen periodischen Signal angeregt werden, wodurch die Membran 3 in eine Schwingung entsprechender Frequenz versetzt wird. Nach dem Abschalten des elektrischen periodischen Signals schwingt die Membran 3 für eine Nachschwingzeit nach. Die Dauer der Nachschwingzeit ist durch die Trägheit der Membran 3, des elektro-mechanischen Wandlers 4 und die Dämpfungseigenschaften des Schaumstoffs 5 sowie den (dämpfenden) Eigenschaften der angeschlossenen elektrischen Schaltung 20 am Wandler 4 vorgegeben. Die elektrische Schaltung 20 stellt das Signal zur Anregung des Ultraschallwandlers 4 zur Verfügung und wertet die Ultraschallsignale der Membran aus. Die elektrische Schaltung 20 besteht wenigstens aus einer Schnittstelle 15 und einer Messeinrichtung 13. Sie kann in einer Ausführung auch den Speicher 6 beinhalten. Es gibt mindestens eine elektrische Schaltung 20, die einen oder mehrere Wandler 4 anregen bzw. auswerten kann.

Nach der Fertigstellung des Ultraschallwandlers 1 kann die Nachschwingzeit in einer Prüfumgebung oder unter anderen bekannten Bedingungen ausgemessen werden. Die Nachschwingzeit kann individuell für jeden Ultraschallwandler 1 inklusive oder exklusive der zugehörigen Elektronik 20 ermittelt werden oder es werden Stichproben für ein Los von Ultra- schallwandlern 1 mit/ohne Elektronik genommen. Ist der Wandler 4 zusammen mit der elektrischen Schaltung 20 als Einheit verbaut, so ergibt sich die Nachschwingzeit aus der Ge- samteinheit. Bei getrennt angeordneten Einheiten aus Wandler 4 und elektrischer Schaltung 20 bezieht sich die Nachschwingzeit auf den Wandler 4. Die Kombination Wandler 4 und separate elektrische Schaltung 20 ergibt eine größere Streuung in der gesamten Nachschwingzeit.

Nachfolgende Erläuterungen beziehen sich zur einfacheren Beschreibung nur auf eine der oben aufgezeigten Kombinationen, nämlich einen Wandler 4 mit separater Elektronik 20.

In dem Ultraschallwandler 1 , z.B. innerhalb des Membrantopfs 2 oder in dem elektro- mechanischen Wandler 4 oder in der Elektronik 20 ist ein Speicher 6 integriert. Beispiele für den Speicher 6 sind EEPROMs, Flash-Speicher. Die zuvor ermittelte Nachschwingzeit des einzelnen, unverbauten Ultraschallwandlers 1 wird in dem Speicher 6 des Ultraschallwandlers 1 z.B. als Nachschwingzeit 21 abgespeichert.

Die in dem Speicher 6 festgehaltene Nachschwingzeit (z.B. gemessen im lackierten Zustand, mit Entkopplungsing, ...) ist eine charakteristische Eigenschaft des Ultraschallwandlers 1. Sie ist nicht oder nur in vernachlässigbarem Umfang durch eine weitere Verarbeitung beein- flusst. Der Verbau des Sensors in den Stoßfänger kann die Nachschwingzeit verändern. Dies soll aber nur in geringem Maße erfolgen, sofern der Verbau korrekt statt findet. Bei ei- ner Fehlmontage können die Einflüsse größer werden und zu signifikanten Abweichungen der Ultraschallwandler 1 von ihren unverbauten Eigenschaften und auch zueinander führen. Genau an diesem Punkt wird aufgrund der individuellen Nachschwingzeit eine Prüfung bei der Erstmontage oder aber auch im Reparaturfall (Tausch des Wanders) möglich. Die Nachschwingzeit des Wandlers 4 kann alternativ nach dem ersten korrekten Verbau z.B. im Stoß- fänger wieder unter definierten Messbedingungen an einer zweiten Stelle im Speicher 6 als Nachschwingzeit 22 gespeichert werden. Ein Vergleich der Nachschwingzeit 21 und 22 erfolgt mit einem aktuellen Messwert Eine Auswertung kann einen Einfluss der Temperatur auf das Schwingungsverhalten berücksichtigen. Aus Langzeitmessungen kann eine zeitliche Änderung, Alterung ermittelt werden. Ein Modell kann die typische Alterung in Abhängigkeit einer Betriebsdauer und/oder einer Kilometerleistung eines Fahrzeuges festlegen. Dieses Modell kann beim Vergleich einer aktuellen Messung mit den gespeicherten Nachschwingzeiten 21 , 22 berücksichtigt werden.

Fig. 2 zeigt einen Ultraschallsensor 10 im Teilschnitt. In dem Ultraschallsensor 10 sind meh- rere, beispielhaft zwei, Ultraschallwandler 1 eingebaut. In einem Speicher 6 der Ultraschallwandler 1 ist die jeweilige Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1 gespeichert. Die Ultraschallwandler 1 sind beispielsweise über Entkopplungsringe 11 mit einem Gehäuse 12 des Ultraschallsensors 10 verbunden. Das Gehäuse des Ultraschallsensors 10 kann teilweise durch einen Stoßfänger gebildet werden. Das Gehäuse 12 kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein z.B. einem Gehäuse zur Aufnahme des Wandlers 1 und einem zwei- ten Teil in Form des Stoßfängers.

Die Entkopplungsringe 1 1 sollen ein Übersprechen der Schwingung der Membran 3 auf das Gehäuse 12 verhindern. Die Materialeigenschaften und die Geometrie des Gehäuses 12 beeinflussen unter Anderem die Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1. Die Gehäuse 12 können für jede Sensorposition unterschiedlich ausgeführt sein. Ein Übersprechen ist von der Ausführung des Einbaus der Ultraschallwandler 1 und der Entkopplungsringe 11 abhängig. Daher kann sich die Nachschwingzeit für identische Ultraschallwandler 1 nach dem Einbau in den Ultraschallsensor 10 bzw. das Gehäuse 12 verschieden sein.

Nachträglich am Wandler vorgenommene Lackierarbeiten können die Nachschwingzeit verändern. Hierbei nimmt sowohl die zusätzliche Masse des Lacks auf der Membran als auch die Wärmebehandlung zum Trocknen des Lacks auf die Nachschwingzeit Einfluss.

Der Ultraschallsensor 10 weist eine Messeinrichtung 13 auf. Die Messeinrichtung 13 dient im Standardbetrieb, um eine Entfernung anhand einer Laufzeit von Ultraschallpulsen zu bestimmen. Die Messeinrichtung 13 kann einen elektrischen Anregungspuls an die Ultraschallwandler 1 abgeben, worauf die Membran 3 zum Schwingen angeregt wird. Ferner erfasst die Messeinrichtung 13 elektrische Signale der Membran 3, wenn diese durch ein eingehendes Ultraschallecho mechanisch angeregt wird. Die Messeinrichtung 13 kann mittels einer Ad- ressiereinrichtung und einer Multiplexereinrichtung mehrere Wandler 4 ansprechen. Alternativ wird jedem Wandler 4 eine eigene Messeinrichtung 13 zugeordnet. Diese Messeinrichtung 13 kann beispielsweise auch in dem Gehäuse des Wandlers 4 integriert sein.

Die Messeinrichtung 13 kann in einem Testbetrieb zum Ermitteln der Nachschwingzeit der Ultraschallwandler 1 eingebaut in den Ultraschallsensor 10 verwendet werden. Das durchgeführte Messverfahren sieht im Wesentlichen die folgenden Schritte vor. Der Ultraschallwandler 1 wird durch einen elektrischen Anregungspuls angeregt. Unmittelbar nach Beendigung des elektrischen Anregungspulses wird ein elektrisches Signal aufgezeichnet, das von dem Ultraschallwandler 1 abgegeben wird. Anfänglich sind noch keine Ultraschallechos zu erwar- ten, weshalb angenommen werden kann, dass das elektrische Signal von einem Nachschwingen der Membran 3 herrührt. Dies ist durch die Messanordnung oder den Messzeit- punkt sicher zu stellen. Ausgewertet wird eine Dauer zwischen dem Ende des elektrischen Anregungspulses und dem Zeitpunkt, wenn das elektrische Signal von dem Ultraschallwandler 1 unterhalb einer Erfassungsschwelle liegt. Die Auswertung kann mehrfach wiederholt werden, insbesondere wenn das Fahrzeug zwischenzeitlich bewegt wird oder wurde, um Fehlmessungen aufgrund naher reflektierender Objekte zu vermeiden. Die Dauer wird einer Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1 im eingebauten Zustand zugeordnet.

Eine Auswertungseinrichtung 14 liest aus dem Speicher 6 des Ultraschallwandlers 1 z.B. dessen Nachschwingzeit im unverbauten Zustand aus. Hierzu sind entsprechende Schnitt- stellen 15 vorgesehen. Die beiden Nachschwingzeiten im unverbauten und verbauten Zustand werden miteinander verglichen. Ergibt sich eine Abweichung, die größer als ein Toleranzwert ist, erkennt die Auswertungseinrichtung 14 den Ultraschallwandler 1 als defekt oder fehlerhaft eingebaut. Der Ultraschallwandler 1 wird deaktiviert oder alternativ wird der Messeinrichtung 13 dieser Ultraschallwandler 1 als defekt mitgeteilt, so dass er bei weiteren Ab- Standsmessungen nicht mehr berücksichtigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann in dem

Speicher 6 ein Flag gesetzt werden, das das Erkennen als defekt festhält. Eine nachträgliche Änderung des Flags kann vorteilhafterweise durch eine entsprechende Maßnahmen verhindert werden. Eine nachträgliche Reparatur oder ein Vertuschen eines fehlerhaften Einbaus kann somit verhindert werden. Maßnahmen zum Verhindern eines nachträglichen Korrigie- rens umfassen eine einmal beschreibbare Speicherzelle, eine kodiertes Abspeichern etc.

Der Toleranzwert kann der Auswertungseinrichtung 14 fest vorgegeben sein.

Alternativ kann der Toleranzwert von der Auswertungseinrichtung 14 ermittelt werden. Hierzu bestimmt die Auswertungseinrichtung 14 für jeden Ultraschallwandler 1 die Abweichung der Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1 im verbauten und unverbauten Zustand. Die Abweichung kann beispielsweise als Differenz oder Quotient ermittelt werden. Der Median der Abweichung wird als Richtwert ermittelt. Unterscheidet sich die Abweichung eines Ultraschallwandlers 1 um mehr als einen Toleranzfaktor von dem Median, wird dieser Ultra- schallwandler 1 als defekt erkannt.

Zusätzlich kann die Umgebungstemperatur zur Auswertung mit herangezogen werden. Die fortlaufend bestimmte Nachschwingzeit im eingebauten Zustand kann in einer Ausführungsform im Speicher 6 als Nachschwingzeit 23, 24,... der Ultraschallwandler 1 abgespei- chert werden. Hierdurch ist es möglich ein Langzeitverhalten der einzelnen Ultraschallwand- ler 1 nachzu verfolgen. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Speicherung in Abhängigkeit der Kilometerleistung und/oder der Temperatur (Witterungsbedingungen) möglich.

Eine Ausgestaltung ermittelt den Toleranzwert aus dem Langzeitverhalten. Während einer ersten Betriebszeit, z.B. den ersten 100 Betriebsstunden oder den ersten 1000 km des Kraftfahrzeugs, wird das Nachschwingen im eingebauten Zustand bestimmt. Der ermittelte Wert wird festgehalten und gilt als Richtgröße für das Nachschwingen bzw. den Toleranzwert. Der Toleranzwert bzw. die Richtgröße kann in dem Speicher 6 abgelegt werden. Anhand dieser Richtgröße können beispielsweise kleine Beschädigungen durch Steinschlag etc. durch Ver- gleich ermittelt werden.

Eine Ausgestaltung ermittelt den Toleranzwert aus dem Langzeitverhalten z.B. während eines Jahreszyklus. Es wird das Nachschwingen über den typischen Verlauf eines Umweltzyklus (Sommer/Winter) erfasst. Über die Auswerteeinheit 14 und elektrische Schaltung 20 wird die Ermittlung der Nachschwingzeit über den Zeitraum veranlasst. Die kürzeste und die längste Nachschwingzeit mit den zugehörigen Bedingungen, z.B. Temperatur, werden im Speicher 6 abgelegt. Zusätzlich kann die minimale und maximale Temperatur, bei der ein Nachschwingtest durchgeführt wurde mit gespeichert werden. (Tiefe oder hohe Temperatur müssen nicht min. oder max. Nachschwingzeiten produzieren). Aus diesen Werten kann die Auswerteeinrichtung die erwartete Nachschwingzeit ermitteln. Über den Vergleich aktuelle Nachschwingzeit mit gespeicherten Werten, lässt sich beim Über-/Unterscheiten einer Grenze eine Beeinflussung der Messeinrichtung (Verschmutzung, Vereisung, Beschädigung,...) erkennen.

Der Speicher 6 kann ein Permanentspeicher sein, dessen Werte nicht mehr geändert werden können. Dies ermöglicht eine nachträgliche Kontrolle am einzelnen Ultraschallwandler 1 , ob dieser ordnungsgemäß eingebaut wurde.

Die Nachschwingzeit des unverbauten Ultraschallwandlers 1 kann für verschiedene Tempe- raturen, Abstrahlleistungen etc. ermittelt werden. Die ermittelten Abhängigkeiten der Nachschwingzeit kann ebenfalls in dem Speicher 6 in Form von Korrekturgrößen oder als Tabelle mit entsprechenden Nachschwingzeiten abgespeichert werden. Die Auswertungseinrichtung 13 des Ultraschallsensors 10 kann den Betriebsbedingungen entsprechende Nachschwingzeit bestimmen. Die Pausen zwischen dem Aussenden des Ultraschallpulses und dem Emp- fangen der Echos kann entsprechend angepasst werden. Ferner kann eine Fehlerdiagnose der einzelnen Ultraschallwandler 1 mit einer erhöhten Verlässlichkeit durchgeführt werden.