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DE102012204638A1 - Ultraschallsensor und Verfahren zur Messung eines Objektabstands - Google Patents

Ultraschallsensor und Verfahren zur Messung eines Objektabstands Download PDF

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DE102012204638A1
DE102012204638A1 DE102012204638A DE102012204638A DE102012204638A1 DE 102012204638 A1 DE102012204638 A1 DE 102012204638A1 DE 102012204638 A DE102012204638 A DE 102012204638A DE 102012204638 A DE102012204638 A DE 102012204638A DE 102012204638 A1 DE102012204638 A1 DE 102012204638A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
segment
membrane
piezoceramic
ultrasonic sensor
vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102012204638A
Other languages
English (en)
Inventor
David Bartylla
Thomas Treptow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102012204638A priority Critical patent/DE102012204638A1/de
Priority to EP13707138.7A priority patent/EP2828681A1/de
Priority to PCT/EP2013/053326 priority patent/WO2013139550A1/de
Priority to CN201380015759.0A priority patent/CN104204844B/zh
Publication of DE102012204638A1 publication Critical patent/DE102012204638A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521Constructional features
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (10) zum Erfassen eines Abstands eines Objekts, mit einem Gehäuse (20) und eine Dämpfungsmasse (21). Diese füllt das Gehäuse (20) zumindest teilweise aus. Der Ultraschallsensor (10) umfasst ferner eine Membran (30), eine Piezokeramik (40) und eine elektrischen Kontaktierung (22). Die elektrische Kontaktierung (22) umfasst mindestens eine Elektrode (23) und eine Masseelektrode (25). Des weiteren ist die Piezokeramik (40) in mindestens drei Segmente (41, 42, 43) geteilt, wobei ein erstes Segment (41) mit der Masseelektrode (25) verbunden ist und ein zweites (42) und drittes Segment (43) jeweils über separate Elektroden (23, 24) kontaktiert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors (10) mit einer Piezokeramik (40), deren Rückseite (31) ein erstes Segment (41), ein zweites Segment (42) und ein drittes Segment (43) aufweist. Das Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt, in dem mittels des zweiten Segments (42) in die schwingende Membran (30) eine Gegenschwingung eingebracht wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zum Erfassen eines Abstands eines Objekts und ein Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors.
  • DE 195 07 650 A1 offenbart ein Ultraschallsensor, der geeignet ist Ultraschallsignale auszusenden und zu empfangen. Der Ultraschallsensor weist hierbei eine Sensormembran auf, die in eine Primärmembran und zwei oder mehrere Sekundärmembranen eingeteilt ist. Die Primär- und Sekundärmembrane sind hierbei an die jeweilige Detektionsaufgabe angepasst. Die Segmentierung der Sensormembran bestimmt hierbei das Dämpfungsverhalten der Sensormembran, und damit die Detektionscharakteristik des Ultraschallsensors.
  • Aus US 3,698,051 ist ein Ultraschallsensor zur Werkstoffprüfung bekannt, der scheibenförmig ausgebildet ist und mit radialen Schlitzen versehen ist. Ferner sind metallische Polarisationsschichten in Umfangsrichtung konzentrisch ausgebildet, die den Bogensegmenten des polykristallinen Materials der Kristalloberfläche mit Piezo-Eigenschaften versehen. Der Sensor gemäß US 3,698,051 wird des weiteren bei einer Resonanzfrequenz von 10 kHz–500 kHz betrieben.
  • DE 196 05 502 C1 offenbart einen Ultraschallwandler zur Abstandsmessung, der er Dämpfungsglied aufweist, das als Piezoelement ausgebildet sein kann. Der Ultraschallwandler schwingt zunächst während eines Aussendes von Ultraschallsignalen ungedämpft. Nach dem Aussenden der Ultraschallsignale wird das Dämpfungsglied an eine Membran herangeführt und bringt diese gesteuert zum Stillstand.
  • Nachteilig an Ultraschallsensoren gemäß dem Stand der Technik ist, dass diese auf ein Erfassen von Objekten in einer Reichweite von mehreren Metern auslegt sind und nicht geeignet sind, mit gleicher Genauigkeit geringe Objektabstände, insbesondere solche von unter 20 cm, zuverlässig und exakt zu detektieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor zum Erfassen eines Abstands eines Objekts weist ein Gehäuse auf, das teilweise mit einer Dämpfungsmasse gefüllt ist. Des Weiteren weist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor eine Membran auf, die in der Lage ist, durch Schwingung einen Ultraschallpuls zu erzeugen. Ferner ist die Membran dazu geeignet, das Echo eines Ultraschallpulses zu detektieren. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor ist mit einer Piezokeramik ausgestattet, die mit der Membran in Verbindung steht, und elektrisch kontaktiert ist. Die elektrische Kontaktierung der Piezokeramik umfasst mindestens eine Elektrode und eine Masseelektrode. Die elektrische Verbindung mit der Piezokeramik kann durch einen leitfähigen Klebstoff hergestellt werden. Die Kontaktierung erstreckt sich hierbei durch die Dämpfungsmasse, die das Gehäuse des Ultraschallsensors zumindest teilweise ausfüllt. Die Piezokeramik des Ultraschallsensors ist in mindestens drei Segmente eingeteilt, wobei ein erstes Segment mit der Masseelektrode verbunden ist. Ein zweites und ein drittes Segment ist jeweils über eine separate Elektrode elektrisch kontaktiert.
  • Das zweite Segment der Piezokeramik ist zum Reduzieren einer Schwingung der Membran ausgebildet. Ferner ist das dritte Segment zum Erfassen einer Schwingung der Membran ausgebildet.
  • Die Piezokeramik kann mindestens ein weiteres Segment umfassen, welches zum Erfassen einer Schwingung und/oder zum Reduzieren einer Schwingung der Membran ausgebildet ist. Das erste, das zweite und das dritte Segment können sich des Weiteren jeweils konzentrisch umschließen.
  • Dabei können die Segmente mechanisch derart zueinander gekoppelt sein, so dass diese als Mess- und Steuerglieder eines Regelkreises dienen. Die Segmente können in der Piezokeramik derart ausgebildet sein, dass in der Oberfläche der Piezokeramik eine gelaserte Unterbrechnung eingebracht ist. Die Unterbrechung kann ferner durch ein Ritzen der Piezokeramik oder durch ein Siebdruckverfahren hergestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung eines Objektabstandes wird mittels eines Ultraschallsensors durchführt, der eine Membran und eine Piezokeramik umfasst. Dabei ist die Piezokeramik in mindestens drei Segmente eingeteilt, wobei ein erstes Segment als Trägerelement für ein zweites und drittes Segment dient. Ferner entsteht im ersten Segment ein elektrisches Feld zum zweiten und dritten Segment. Das erste Segment ist über eine Masseelektrode elektrisch verbunden und das zweite und dritte Segment jeweils über eine separate Elektrode. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt, wonach das zweite und/oder dritte Segment elektrisch über die Elektroden zu einer Piezo-Deformation angeregt werden und eine Schwingung der Membran bewirkt wird. Die Schwingung der Membran erzeugt einen Ultraschallpuls, der ausgesandt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Schwingungszustand der Membran durch das dritte Segment erfasst und die Auslenkung der Membran vermessen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das zweite Segment angeregt, um eine Gegenschwingung zu erzeugen, welche die Auslenkung der Membran reduziert. Eine Intensität des Schwingungszustands wird durch mindestens einen physikalische Parameter einer Schwingung, beispielsweise Amplitude oder Frequenz einer Auslenkung der Membran, charakterisiert. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird das Echo des im oben beschriebenen ersten Verfahrensschritt ausgesandten Ultraschallimpulses über die Membran aufgenommen und mittels des zweiten und/oder dritten Segments der Piezokeramik erfasst. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die zwischen der Aussendung des Ultraschallpulses und der Erfassung des Ultraschallpuls vergangene Laufzeit des Ultraschallpulses erfasst. Anhand der ermittelten Laufzeit wird der zu messende Objektabstand ermittelt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung können der Verfahrensschritt, in dem die Auslenkung der Membran durch das dritte Segment erfasst wird, und der Verfahrensschritt, in dem mittels des zweiten Segments eine Gegenschwingung erzeugt wird, in einer Abgleichschleife durchgeführt werden. Dabei wird erfasst, wenn die Auslenkung der Membran einen Schwellwert unterschreitet. Wird der Schwellwert unterschritten, so wird der Verfahrensschritt, in dem eine Gegenschwingung erzeugt wird, beendet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in der Piezokeramik ein weiteres Segment ausgebildet sein, das mit dem zweiten und dritten Segment gekoppelt ist. Das weitere Segment ist hierbei mit dem zweiten und dritten Segment derart verbunden, dass diese Mess- und/oder Steuerglieder in einem Regelkreis, der die Auslenkung der Membran reduziert, darstellen.
  • Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann insbesondere in einem Fahrassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs zur Messung eines Objektabstandes eingesetzt werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor weist eine Piezokeramik auf, die in mindestens drei Segmente eingeteilt ist. In vorteilhafter Weise sind die Segmente der Piezokeramik funktional voneinander entkoppelt und können unabhängig vom Betriebszustand eines anderen Segments eine separate Funktion erfüllen. Die segmentierte Piezokeramik erlaubt, unmittelbar nach Aussenden eines Ultraschallpulses durch Anregung des zweiten und/oder dritten Segments, über das dritte Segment die Auslenkung der Membran zu erfassen. Ferner kann das zweite Segment gezielt angeregt werden, um eine Gegenschwingung zu erzeugen, welche die bereits vorhandende Schwingung der Membran teilweise tilgt und somit die Auslenkung der Membran herabsetzt. Im erfindungsgemäßen Ultraschallsensor kann einem Nachschwingen der Membran unmittelbar nach Aussenden eines Ultraschallpulses entgegengewirkt werden. Durch die funktionale Trennung des zweiten und dritten Segments können eine Vermessung der Auslenkung der Membran und ein Gegenwirken ununterbrochen und gleichzeitig durchgeführt werden. Das Erfassen der Auslenkung der Membran und das Erzeugen von Gegenschwingungen kann hierbei permanent über eine Abgleichschleife koordiniert werden. Das zweite und dritte Segment der Piezokeramik wirken als Mess- und Steuerglieder eines Regelkreises, der ein Nachschwingen der Membran schnell minimiert.
  • Das schnelle Minimieren der Auslenkung der Membran beim Nachschwingen bewirkt, dass die Membran nach kurzer Zeit wieder in der Lage ist, ein Ankommen eines Echos eines Ultraschallpulses an der Membran zu erfassen. Hierdurch können auch Ultraschallpulse, die nur eine geringe Laufzeit aufweisen, zuverlässig und exakt für eine Messung eines Objektabstandes eingesetzt werden. Die Erfindung erlaubt somit, die Mindestreichweite eines Ultraschallsensors zu verringern. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann als Sensor für niedrige Objektabstände eingesetzt werden. Hierdurch können bei Anwendungen, in denen sowohl hohe als auch niedrige Objektabstände gemessen werden müssen, beispielsweise bei einem Fahrassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges, separate Nahdistanzsensoren eingespart werden.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors kann ein weiteres Segment in der Piezokeramik vorgesehen sein, welches zum Erfassen einer Schwingung und/oder zum Reduzieren einer Schwingung der Membran geeignet ist. Ein weiteres Segmentieren der Piezokeramik erlaubt, eine Vielzahl von messenden Segmenten auszubilden, deren Messsignale miteinander verglichen werden können und somit die Genauigkeit der Messung der Auslenkung der Membran erhöhen. Ferner erlaubt eine weitere Segmentierung der Piezokeramik, gleichmäßig verteilte Anregungssegmente auszubilden, die in der Lage sind, schnell eine Nachschwingung der Membran zu reduzieren. Hierdurch wird die Zeit, bis die Membran wieder in der Lage ist, ein Echo eines Ultraschallpulses zu erfassen, weiter reduziert.
  • Ferner erlaubt die Erfindung, die Bedämpfung der Membran zu reduzieren, wodurch bei gleichbleibender Anregung der Membran eine höhere Auslenkung der Membran erzeugt wird. Dies ermöglicht das Erzeugen hoher Schalldrücke, wodurch hohe Sensorreichweiten möglich sind. Ferner erlaubt eine reduzierte Bedämpfung der Membran, mit dieser schwache Anregungen zu detektieren und mittels der Piezokeramik zu erfassen. Der Erfassungsbereich von Abstandssensoren in Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen, die zu Side-View-Assist-Anwendungen gehören, wird durch die Erfindung verbessert.
  • Ferner sind die Segmente vorteilhafterweise mechanisch miteinander gekoppelt und sind als Mess- und Steuerglieder eines Regelkreises ausgebildet. Die Segmente sind Teile der gleichen Piezokeramik und beruhen als Messfühler und Aktoren auf dem gleichen physikalischen Prinzip Wird während des Nachschwingens der Membran ein Ultraschallecho erfasst, kann durch das Sensieren mittels des dritten Segments das Nachschwingen aus der erfassten Auslenkung der Membran nach dem Eintreffen des Ultraschallechos rechnerisch herausgefiltert werden. Hierdurch wird die Messgenauigkeit des Ultraschallsensors verbessert. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor erlaubt des Weiteren eine regelungstechnisch einfache Umsetzung. Des Weiteren erlaubt die Einbindung des zweiten und dritten Segments in einen Regelkreis, dass das Regelungsverhalten der Segmente in einfacher Art und Weise an unterschiedliche Einsatzerfordernisse angepasst werden kann. Die Erfindung verbessert folglich das Einsatzspektrum von Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung.
  • Ferner können die Segmente auf einer Oberfläche der Piezokeramik durch gelaserte Unterbrechungen ausgearbeitet werden. Eine Laserbearbeitung kann mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden und kann einfach in eine Fertigungskette eingefügt werden. Alternativ können die Unterbrechungen durch Ritzen oder ein Siebdruckverfahren hergestellt werden. Ritzen und Siebdruckverfahren sind Fertigungsschritte, die einfach in eine Fertigungskette integriert werden können. Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor erlaubt somit, eine Reduzierung der Mindestreichweite mit relativ einfachen Mitteln zu erreichen. Gleichermaßen erfordert der erfindungsgemäße Ultraschallsensor, dass jedes Segment über eine separate Elektrode angesteuert wird. Elektroden können in einfacher Art und Weise in einem Herstellungsverfahren eingebracht werden.
  • Des weiteren erlaubt die Erfindung durch das aktive Einleiten von Gegenschwingungen der Membran, die elektrischen Beanspruchungen der Membran während des Betriebs zu reduzieren. Hierdurch wird die Lebensdauer des Ultraschallsensors erhöht. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor infolge der geringen Dämpfung der Membran auf einen Übertrager verzichtet werden. Dabei wird die Anzahl an Bauelementen des Ultraschallsensors reduziert, dessen Fertigung vereinfacht und Bauraum eingespart.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1: Draufsicht auf eine Piezokeramik nach dem Stand der Technik
  • 2: Schematische Darstellung eines Ultraschallsensors im Querschnitt
  • 3: Schematische Darstellung einer Piezokeramik eines erfindungsgemäßen
  • Ultraschallsensors
  • 4: Schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Piezokeramik eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
  • 5: Schematische Darstellung einer Piezokeramik eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
  • 6: Schematische Darstellung einer Piezokeramik eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
  • 7: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung eines Objektabstands
  • In 1 ist eine Piezokeramik 40 gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Die Piezokeramik 40 weist eine Oberfläche 60 auf, die durch den Rand 70 begrenzt ist. Die Piezokeramik 40 ist auf ihre Oberfläche 60 in ein erstes Segment 41 und ein zweites Segment 42 eingeteilt. Dabei umschließt das erste Segment 41 das zweite Segment 42 ringartig. Das erste Segment 41 ist elektrisch über eine Masseelektrode 25, die Teil der elektrischen Kontaktierung 22 ist, elektrisch angeschlossen. Das zweite Segment 42 ist über eine separate Elektrode 23 elektrisch kontaktiert.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 2 ist ein Ultraschallsensor im Querschnitt dargestellt. Der Ultraschallsensor 10 umfasst ein Gehäuse 20, welches teilweise mit einer Dämpfungsmasse 21 gefüllt ist. An einem Ende des Gehäuses 20 ist eine Membran 30 ausgebildet, die in der Lage ist, durch Schwingung Ultraschallpulse zu erzeugen. Ferner ist die Membran 30 geeignet, Echos von Ultraschallpulsen aufzunehmen und zu erfassen. Auf einer Rückseite 31 der Membran 30 ist eine Piezokeramik 40 angebracht, welche in der Lage ist, durch elektrische Anregung die Membran 30 zu Schwingungen anzuregen. Ferner ist die Piezokeramik 40 geeignet, Schwingungen der Membran 30 zu detektieren und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Dämpfungsmasse 21, die das Gehäuse 20 teilweise ausfüllt, schließt hierbei die Piezokeramik 40 ein. Die Piezokeramik 40 ist über eine elektrische Kontaktierung 22 verbunden, welche es erlaubt, den Ultraschallsensor 10 elektrisch anzuschließen und anzusteueren. Die elektrische Kontaktierung 22 erstreckt sich hierbei durch die Dämpfungsmasse 21.
  • In 3 ist eine Draufsicht einer Piezokeramik einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors abgebildet. Die Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 ist durch einen Rand 70 begrenzt. Das erste Segment 41 auf der Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 umschließt das zweite 42 und dritte Segment 43 ringartig. Das zweite Segment 42 und das dritte Segment 43 sind benachbart angeordnet und dienen jeweils zum Reduzieren einer Schwingung der Membran 30 des Ultraschallsensors 10 oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran 30. Hierzu sind das zweite Segment 42 und das dritte Segment 43 jeweils über separate Elektroden 23, 24 elektrisch kontaktiert. Der Masseanschluss der Piezokeramik 40 erfolgt über eine Masseelektrode 25, die in einem Masseanschlussbereich 45 mit der Piezokeramik 40 verbunden ist. Das erste Segment 41, das zweite Segment 42 und das dritte Segment 43 sind jeweils durch gelaserte Unterbrechungen 50 voneinander getrennt, welche auf der Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 ausgebildet sind.
  • In 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Piezokeramik 40 des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 10 dargestellt. Darin weist die Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 ein erstes Segment 41, eine zweites Segment 42 und ein drittes Segment 43 auf. Dabei umschließt das erste Segment 41 das dritte Segment 43 ringförmig, welches wiederum das zweite Segment 42 ringförmig umschließt. Die Segmente 41, 42, 43 sind hierbei im Wesentlichen konzentrisch angeordnet. Das zweite Segment 42 ist im Wesentlichen im Zentrum der Piezokeramik 40 angeordnet, wo die Schwingung der Membran 30 die größte Amplitude aufweist. Gegenschwingungen, die durch das zweite Segment 42 eingeleitet werden, reduzieren die Auslenkung der Membran 30 stark. Das dritte Segment 43 ist ein einem Bereich der Oberfläche 60 der Piezokeramik angebracht, in den die Schwingung der Membran 30 eine mittlere Amplitude aufweist. Bei einer mittleren Amplitude werden vom dritten Segment 43 derart hohe Messausschläge registriert, die eine hohe Messgenauigkeit gewährleisten, dabei jedoch nicht den gesamten Arbeitsbereich des dritten Segments 43 ausschöpfen. Das erste Segment 41 dient als Massenanschluss der Piezokeramik 40, welcher über eine Masseelektrode 25 gewährleistet wird, die in einem Masseanschlussbereich 45 mit der Piezokeramik 40 verbunden ist.
  • In 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Piezokeramik 40 eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 20 dargestellt. Die Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 ist in ein erstes Segment 41, ein zweites Segment 42, ein drittes Segment 43 und ein weiteres Segment 44 eingeteilt, das weitere Segment 44 ist über eine zusätzliche Elektrode 26 elektrisch angeschlossen. Das zweite Segment 42 und das weitere Segment 44 sind im Wesentlichen kongruent und erstrecken sich vom Zentrum der Piezokeramik 40 in einen Randbereich 70, der durch das erste Segment 41 definiert ist. Hierdurch können das zweite Segment 42 und das weitere Segment 44 die Membran 30 in einem weiten radialen Bereich sensieren bzw. anregen. Werden sowohl das zweite Segment 42 als auch das weitere Segment 44 zum Erfassen einer Schwingung der Membran 30 eingesetzt, erlaubt die kongruente Form des zweiten Segments 42 und des weiteren Segments 44, einen unmittelbaren Vergleich derer Messsignale.
  • 6 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Piezokeramik 40 des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. Darin ist die Oberfläche 60 einer Piezokeramik 40 in ein erstes Segment 41, ein zweites Segment 42, ein drittes Segment 43 und ein weiteres Segment 44 eingeteilt. Die Segmente 41, 42, 43, 44 sind durch gelaserte Unterbrechungen 50 auf der Oberfläche 60 der Piezokeramik 40 gebildet. Das erste Segment 41 umschließt ringförmig das dritte Segment 43, welches wiederum ringförmig das zweite Segment 42 und das weitere Segment 44 umschließt. Das zweite Segment 42 und das weitere Segment 44 sind im Wesentlichen kongruent ausgebildet. Ferner ist das erste Segment 41 mit einer Masseelektrode 25 elektrisch kontaktiert, und das zweite Segment 42, das dritte Segment 43 und das weitere Segment 44 jeweils über separate Elektroden 23, 24, 26 elektrisch angeschlossen. Das zweite Segment 42, welches sich im wesentlichen im Zentrum der Piezokeramik 40 befindet, ist in der Lage, im Bereich der größten Schwingungsamplitude der Membran 30 eine Gegenschwingung einzuleiten, und dadurch die Schwingung der Membran 30 schnell zu tilgen. Das dritte Segment 43 umschließt im Wesentlichen ringförmig das Zentrum der Piezokeramik 40 und erstreckt sich bis in einen Randbereich 70 der Piezokeramik 40, welcher durch das erste Segment 41 definiert ist. Das dritte Segment 43 erlaubt, die Schwingung der Membran 30 in einen Bereich zu sensieren, in dem die Schwingungsamplitude der Membran 30 eine Größenordnung erreicht, in der eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist, jedoch nicht der vollständige Arbeitsbereich des dritten Segments 43 ausgeschöpft wird. Wird das weitere Segment 44 als Messglied eingesetzt, so kann die Auslenkung der Membran 30 exakter erfasst werden als nur mit einem einzigen Messglied. Wird das weitere Segment 44 als Steuerglied eingesetzt, so können im Zusammenspiel mit dem zweiten Segment 42 effizient Gegenschwingungen in die Membran 30 eingebracht werden. Hierdurch wird die Zeit, in der die Auslenkung der Membran 30 minimiert wird, reduziert.
  • In 7 ist schematisch der Ablauf des einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors abgebildet. In einem ersten Verfahrensschritt 110 wird die Membran 30 durch Anregen des zweiten 42 und/oder dritten Segments 43 zu einer Schwingung angeregt und ein Ultraschallpuls erzeugt. Darauf wird in einem zweiten Verfahrensschritt 120 die Auslenkung der Membran 30 durch das dritte Segment 43 der Piezokeramik 40 erfasst. In einem weiteren Verfahrensschritt 130 wird das zweite Segment 42 zum Erzeugen einer Gegenschwingung angeregt, welcher die Schwingung der Membran 30 tilgt. Hierbei wird die Auslenkung der Membran 30 reduziert. Der zweite Verfahrensschritt 120 und der dritte Verfahrensschritt 130 sind durch eine Abgleichschleife 160 miteinander gekoppelt. In der Abgleichschleife 160 wird überprüft, ob die Auslenkung der Membran 30 einen Schwellwert unterschreitet. Wird der Schwellwert unterschritten, so ist die Schwingung der Membran 30 derart niedrig, dass diese in der Lage ist, ein Echo eines Ultraschallpulses zu registrieren. Der zweite Verfahrensschritt 120 und der dritte Verfahrensschritt 130 werden durch die Abgleichschleife solange wiederholt, bis der Schwellwert unterschritten ist. Der zweite 120 und der dritte Verfahrensschritt 130 bilden zusammen mit der Abgleichschleife 160 einen Regelkreis 170. Nach Ausleiten des dritten Verfahrensschrittes 130 wird in einem vierten Verfahrensschritt 140 das Echo des im ersten Verfahrensschritt ausgesandten Ultraschallpulses 110 über die Membran 30 erfasst.
  • Das von der Membran 30 aufgenommene Echo des im ersten Verfahrensschritt ausgesandten Ultraschallpulses wird durch das zweite 42 und/oder dritte Segment 43 der Piezokeramik 40 hierbei in einen Messwert umgewandelt. In einem darauf folgenden fünften Verfahrensschritt 150 wird die verstrichene Zeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallpulses im ersten Verfahrensschritt 110 und dem Aufnehmen des Echos des Ultraschallpulses im vierten Verfahrensschritt 140 ermittelt. Aus der verstrichenen Zeit ergibt sich eine Laufzeit des Ultraschallpulses, anhand der der Abstand eines Objektes ermittelt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19507650 A1 [0002]
    • US 3698051 [0003, 0003]
    • DE 19605502 C1 [0004]

Claims (11)

  1. Ultraschallsensor (10) zum Erfassen eines Abstands eines Objekts, mit einem Gehäuse (20) und eine Dämpfungsmasse (21), die das Gehäuse (20) zumindest teilweise ausfüllt, mit einer Membran (30) und einer Piezokeramik (40) und einer elektrischen Kontaktierung (22) mit mindestens einer Elektrode (23) und einer Masseelektrode (25), dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramik (40) in mindestens drei Segmente (41, 42, 43) geteilt ist, wobei ein erstes Segment (41) mit der Masseelektrode (25) verbunden ist und ein zweites (42) und drittes Segment (43) jeweils über separate Elektroden (23, 24) kontaktiert sind.
  2. Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Segment (42) zum Reduzieren einer Schwingung der Membran (30) ausgebildet ist.
  3. Ultraschallsensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Segment (43) zum Erfassen einer Schwingung der Membran (30) ausgebildet ist.
  4. Ultraschallsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Segment (44) zum Erfassen einer Schwingung und/oder zum Reduzieren einer Schwingung der Membran (30) in der Piezokeramik (40) ausgebildet ist.
  5. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (41) Segment, das zweite Segment (42) und das dritte Segment (43) sich konzentrisch umschließen.
  6. Ultraschallsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (41, 42, 43, 44) mechanisch zueinander gekoppelt als Mess- und Steuerglieder eines Regelkreises (170) ausgebildet sind.
  7. Ultraschallsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (41, 42, 43) durch eine gelaserte Unterbrechung (50) auf einer Oberfläche (60) der Piezokeramik (40) ausgebildet sind.
  8. Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors (10), der eine Membran (30) und eine Piezokeramik (40) umfasst, wobei die Piezokeramik (40) in mindestens drei Segmente (41, 42, 43) geteilt ist, wobei ein erstes Segment (41), das ein zweites (42) und ein drittes Segment (43) trägt, mit einer Masseelektrode (25) verbunden ist und das zweite (42) und das dritte Segment (43) jeweils über eine separate Elektrode (23, 24) kontaktiert ist, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Erzeugen einer Schwingung der Membran (30) zum Aussenden eines Ultraschallpulses durch Anregen des zweiten (42) und/oder dritten Segments (43), b) Erfassen einer Auslenkung der Membran (30) durch das dritte Segment (43), c) Anregen des zweiten Segments (42) zum Erzeugen einer Gegenschwingung, die geeignet ist, die Auslenkung der Membran (30) zu reduzieren, d) Erfassen des Echos des in Schritt a) ausgesandten Ultraschallpulses über die Membran (30) mittels des zweiten (42) und/oder dritten Segments (43) der Piezokeramik (40), und e) Erfassen einer zwischen Schritt a) und Schritt d) abgelaufenen Laufzeit des Ultraschallpulses und Ermitteln des Objektabstandes anhand der ermittelten Laufzeit.
  9. Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) in einer Abgleichschleife (160) durchgeführt werden, wobei Schritt c) beendet wird, wenn in Schritt b) ein Unterschreiten eines Schwellwerts der Auslenkung der Membran (30) erfasst wird.
  10. Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Segment (44) in der Piezokeramik (40) ausgebildet ist, wobei das weitere Segment (44) mit dem zweiten (42) und dritten Segment (43) als Mess- und/oder Steuerglieder in einem Regelkreis (170) gekoppelt ist, der die Auslenkung der Membran (30) in Schritt c) reduziert.
  11. Verwendung eines Ultraschallsensors (10) gemäß einem der Ansprüchee 1 bis 7 zur Messung eines Objektabstandes in einem Fahrassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs.
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