DE102012204638A1 - Ultrasonic sensor and method for measuring an object distance - Google Patents
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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.The invention relates to an ultrasonic sensor (10) for detecting a distance of an object, having a housing (20) and a damping mass (21). This fills the housing (20) at least partially. The ultrasonic sensor (10) further comprises a membrane (30), a piezoceramic (40) and an electrical contact (22). The electrical contact (22) comprises at least one electrode (23) and a ground electrode (25). Furthermore, the piezoceramic (40) is divided into at least three segments (41, 42, 43), wherein a first segment (41) is connected to the ground electrode (25) and a second (42) and third segment (43) each over separate electrodes (23, 24) are contacted. The invention further relates to a method for measuring an object distance by means of an ultrasonic sensor (10) having a piezoceramic (40) whose rear side (31) has a first segment (41), a second segment (42) and a third segment (43). The method comprises a method step in which a counter-vibration is introduced into the oscillating membrane (30) by means of the second segment (42).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zum Erfassen eines Abstands eines Objekts und ein Verfahren zur Messung eines Objektabstands mittels eines Ultraschallsensors. The invention relates to an ultrasonic sensor for detecting a distance of an object and a method for measuring an object distance by means of an ultrasonic sensor.
Aus
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.A disadvantage of ultrasonic sensors according to the prior art is that they are designed to detect objects in a range of several meters and are not suitable to reliably and accurately detect small object distances, in particular those of less than 20 cm, with the same accuracy.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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. The ultrasonic sensor according to the invention for detecting a distance of an object has a housing which is partially filled with a damping mass. Furthermore, the ultrasonic sensor according to the invention has a membrane which is capable of generating an ultrasonic pulse by oscillation. Furthermore, the membrane is suitable for detecting the echo of an ultrasound pulse. The ultrasonic sensor according to the invention is equipped with a piezoceramic, which is in communication with the membrane, and is electrically contacted. The electrical contacting of the piezoceramic comprises at least one electrode and a ground electrode. The electrical connection with the piezoceramic can be produced by a conductive adhesive. The contacting extends through the damping mass, which at least partially fills the housing of the ultrasonic sensor. The piezoceramic of the ultrasonic sensor is divided into at least three segments, wherein a first segment is connected to the ground electrode. A second and a third segment are each electrically contacted via a separate electrode.
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. The second segment of the piezoceramic is designed to reduce a vibration of the membrane. Further, the third segment for detecting a vibration of the diaphragm is formed.
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.The piezoceramic may comprise at least one further segment, which is designed to detect a vibration and / or to reduce a vibration of the membrane. The first, the second and the third segments may each further surround concentrically.
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.In this case, the segments can be mechanically coupled to one another in such a way that they serve as measuring and control members of a control loop. The segments may be formed in the piezoceramic such that a lasered interruption is introduced in the surface of the piezoceramic. The interruption can also be produced by scratching the piezoceramic or by a screen printing process.
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. The method according to the invention for measuring an object distance is carried out by means of an ultrasound sensor comprising a membrane and a piezoceramic. In this case, the piezoceramic is divided into at least three segments, wherein a first segment serves as a carrier element for a second and third segment. Furthermore, an electric field is produced in the first segment for the second and third segments. The first segment is electrically connected via a ground electrode and the second and third segments each have a separate electrode. The method according to the invention comprises a first method step, according to which the second and / or third segment are electrically excited via the electrodes to a piezo-deformation and a vibration of the membrane is effected. The vibration of the membrane generates an ultrasonic pulse that is emitted. In a further method step, a vibration state of the membrane is detected by the third segment and the deflection of the membrane is measured. In a further method step, the second segment is excited, to create a counter-vibration that reduces the deflection of the diaphragm. An intensity of the vibration state is characterized by at least one physical parameter of a vibration, for example amplitude or frequency of deflection of the diaphragm. In a subsequent method step, the echo of the ultrasound pulse emitted in the above-described first method step is received over the membrane and detected by means of the second and / or third segment of the piezoceramic. In a subsequent method step, the transit time of the ultrasound pulse which elapsed between the emission of the ultrasound pulse and the detection of the ultrasound pulse is detected. Based on the determined running time, the object distance to be measured is determined.
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 one embodiment of the invention, the method step, in which the deflection of the diaphragm is detected by the third segment, and the method step, in which a counter-vibration is generated by means of the second segment, can be carried out in a balancing loop. It is detected when the deflection of the membrane falls below a threshold value. If the threshold value is undershot, then the method step in which a countervibration is generated ends.
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.In a further embodiment of the invention, a further segment can be formed in the piezoceramic, which is coupled to the second and third segments. The further segment is in this case connected to the second and third segments such that these measuring and / or control elements in a control loop, which reduces the deflection of the membrane represent.
Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann insbesondere in einem Fahrassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs zur Messung eines Objektabstandes eingesetzt werden. The ultrasonic sensor according to the invention can be used in particular in a driver assistance system of a motor vehicle for measuring an object distance.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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. The ultrasonic sensor according to the invention has a piezoceramic, which is divided into at least three segments. Advantageously, the segments of the piezoceramic are functionally decoupled from each other and can fulfill a separate function regardless of the operating state of another segment. The segmented piezoceramic allows, immediately after emitting an ultrasonic pulse by excitation of the second and / or third segment, to detect the deflection of the membrane via the third segment. Furthermore, the second segment can be excited in a targeted manner in order to generate a countervibration which partially eliminates the already existing vibration of the diaphragm and thus reduces the deflection of the diaphragm. In the ultrasonic sensor according to the invention, a ringing of the membrane can be counteracted immediately after the emission of an ultrasonic pulse. Due to the functional separation of the second and third segments, a measurement of the deflection of the membrane and counteracting can be carried out continuously and simultaneously. The detection of the deflection of the membrane and the generation of countervibrations can hereby be permanently coordinated via a balancing loop. The second and third segments of the piezoceramic act as measuring and control elements of a control loop, which quickly minimizes ringing of the membrane.
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.The rapid minimization of the deflection of the membrane during ringing causes the membrane after a short time is again able to detect an arrival of an echo of an ultrasonic pulse to the membrane. As a result, it is also possible to use ultrasonic pulses which have only a short transit time reliably and accurately for a measurement of an object distance. The invention thus makes it possible to reduce the minimum range of an ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor according to the invention can be used as a sensor for low object distances. As a result, in applications in which both high and low object distances must be measured, for example in a driver assistance system of a motor vehicle, separate proximity sensors are saved.
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.In one embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention, a further segment may be provided in the piezoceramic, which is suitable for detecting a vibration and / or for reducing a vibration of the membrane. Further segmentation of the piezoceramic allows to form a plurality of measuring segments whose measuring signals can be compared with each other and thus increase the accuracy of the measurement of the deflection of the membrane. Furthermore, a further segmentation of the piezoceramic makes it possible to form uniformly distributed excitation segments which are capable of rapidly reducing reverberation of the membrane. As a result, the time until the membrane is again able to detect an echo of an ultrasonic pulse, further reduced.
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. Furthermore, the invention allows to reduce the damping of the membrane, whereby a higher deflection of the membrane is produced with constant excitation of the membrane. This allows the generation of high sound pressure, whereby high sensor ranges are possible. Furthermore, a reduced attenuation of the membrane allows to detect with this weak excitations and to detect them by means of the piezoceramic. The range of detection of distance sensors in motor vehicles, in particular those which are used for side-view Applications include improved by the invention.
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.Furthermore, the segments are advantageously mechanically coupled together and are designed as measuring and control elements of a control loop. The segments are parts of the same piezoceramic and are based on the same physical principle as sensors and actuators If an ultrasonic echo is detected during the ringing of the membrane, the ringing from the detected deflection of the membrane after the arrival of the ultrasonic echo can be calculated by the sensing by means of the third segment be filtered out. As a result, the measurement accuracy of the ultrasonic sensor is improved. The ultrasonic sensor according to the invention further allows a simple control technology implementation. Furthermore, the integration of the second and third segments in a control loop allows the control behavior of the segments to be easily adapted to different application requirements. The invention thus improves the range of use of ultrasonic sensors for distance measurement.
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.Furthermore, the segments on a surface of the piezoceramic can be prepared by lasered interruptions. Laser processing can be performed at high speed and can easily be incorporated into a manufacturing chain. Alternatively, the breaks may be made by scribing or screen printing. Cracks and screen printing processes are production steps that can be easily integrated into a production chain. The ultrasonic sensor according to the invention thus makes it possible to achieve a reduction of the minimum range with relatively simple means. Similarly, the ultrasonic sensor according to the invention requires that each segment is driven by a separate electrode. Electrodes can be easily incorporated in a manufacturing process.
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.Further, by actively introducing counter vibrations of the membrane, the invention allows to reduce the electrical stresses on the membrane during operation. As a result, the life of the ultrasonic sensor is increased. Furthermore, in the case of an ultrasonic sensor according to the invention, a transformer can be dispensed with as a result of the low attenuation of the diaphragm. In this case, the number of components of the ultrasonic sensor is reduced, simplifies its manufacture and saves installation space.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ultraschallsensorsultrasonic sensor
In
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
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In
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Das von der Membran
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