EP4688292A1 - Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung - Google Patents

Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung

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EP4688292A1
EP4688292A1 EP24724127.6A EP24724127A EP4688292A1 EP 4688292 A1 EP4688292 A1 EP 4688292A1 EP 24724127 A EP24724127 A EP 24724127A EP 4688292 A1 EP4688292 A1 EP 4688292A1
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EP
European Patent Office
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damping
signal
membrane
ultrasonic transducer
excitation
Prior art date
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Pending
Application number
EP24724127.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes KOFLER
Michael PIROLT
Abdelouahid Zakriti
Martina LUCCHI
Amira HEDHILI
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Publication date
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    • B06B2201/55—Piezoelectric transducer

Definitions

  • the ultrasonic transducer serves both as a transmitting element for an ultrasonic wave and as a detecting element for an ultrasonic signal reflected by the object to be measured.
  • the distance measurement method can be used to measure objects at a distance of between 4 centimetres and 2 metres inclusive.
  • Figure 1 shows an ultrasonic transducer according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic illustration of a method for operating an ultrasonic transducer according to a first embodiment
  • the ultrasonic transducer 1 has an excitation means 21, a damping means 22, a detection means 23 and an adaptation means 24.
  • the excitation means 21, the damping means 22 and the detection means 23 are formed with a piezoelectric element 2.
  • the adaptation means 24 is formed with control electronics 3.
  • the control electronics 3 are designed to excite a membrane 4 coupled to the piezoelectric element 2. Due to an excitation, the membrane 4 can carry out a movement 60.
  • the piezoelectric element 2 and the membrane 4 are arranged in a housing 11. It is possible that the control electronics 3 are also arranged in the housing 11.
  • the control electronics 3 is, for example, a microcontroller.
  • the number 51 of the damping pulses 50 is determined by the control electronics and a sequence
  • the sequence 53 of the damping pulses 50 indicates the temporal sequence in which the attenuation points 50 occur in the attenuation signal 5. Furthermore, the sequence 53 indicates after which waiting time 54 a first attenuation pulse 50 occurs in the attenuation signal 5.
  • Figure 10 shows a signal 90 of an ultrasonic signal which was reflected by an object to be measured and is received by the ultrasonic transducer 1.
  • the reflected ultrasonic signal generates a membrane movement 60 which can be represented as a voltage 101 in mV via the piezoelectric effect.
  • the signal 90 contains a signal with the frequency 91 of the excitation signal 6 and the damping mode 55. which can be represented from the signal 90 in a similar way to Figure 9.
  • the attenuation mode 55 only has a small proportion in the signal 90.
  • the attenuation mode 55 only has an insignificant influence on the result of a distance measurement.
  • a maximum of an envelope of the signal 90 can be seen, with which a distance of the object can be determined.
  • the distance of the object from the ultrasonic transducer is 15 cm.

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Abstract

Ultraschallwandler, Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und Verfahren zur Distanzmessung Ein Ultraschallwandler (1) umfasst ein Anregungsmittel (21), ein Dämpfungsmittel (22), ein Erfassungsmittel (23) und ein Anpassungsmittel (24) sowie eine Membran (4). Das Anregungsmittel (21) ist dazu eingerichtet, die Membran (4) zum Aussenden eines Ultraschallsignals (7) anzuregen. Das Dämpfungsmittel (23) ist dazu eingerichtet, eine nach erfolgter Anregung auftretende Nachschwingung (40) der Membran (4) mittels eines Dämpfungssignals (5) zu dämpfen. Das Erfassungsmittel (24) ist dazu eingerichtet, die Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (4) zu erfassen. Das Anpassungsmittel (24) ist dazu eingerichtet, das Dämpfungssignal (5) in Abhängigkeit der von erfassten Amplitude der Nachschwingung (40) festzulegen.

Description

Beschreibung
Ultraschallwandler, Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und Verfahren zur Distanzmessung
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers und ein Verfahren zur Distanzmessung.
Piezoelektrische Ultraschallwandler werden sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallsignalen eingesetzt und finden beispielsweise als Abstandssensoren in Kraftfahrzeugen Anwendung. Derartige Ultraschallwandler senden allerdings herkömmlicherweise weiterhin Ultraschall aus, selbst nachdem sämtliche Anregungen der Aussendung von Ultraschallsignalen beendet wurden. Grund dafür ist insbesondere ein Nachschwingen einer Membran des Ultraschallwandlers, mittels derer die Ultraschallsignalen erzeugt werden. Dieses Nachschwingen wird im Englischen auch als „ringing" bezeichnet und erschwert die Erfassung eines Ultraschallsignals mit derselben Membran.
Aus den Druckschriften US 4,580,251, US 6,731,596 B2, sowie Lio et al. „Reducing ring-down time of pMUTs with phase shift of driving Waveform". Sensors and Actuators A 281 (2018) 100 - 107, und Wu et al. „A Novel Transfer Function Based Ring- Down Suppressionsystem for PMUTs". Sensors 2021, 21, 6414 sind Ultraschallwandler und Verfahren zum Betrieb von Ultraschallwandlern bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen verbesserten Ultraschallwandler und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers anzugeben. Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst .
Es wird ein Ultraschallwandler vorgeschlagen, der ein Anregungsmittel , ein Dämpfungsmittel , ein Erfassungsmittel und ein Anpassungsmittel sowie eine Membran aufweist . Das Anregungsmittel ist dazu eingerichtet , die Membran zum Aussenden eines Ultraschallsignals anzuregen . Das Dämpfungsmittel ist dazu eingerichtet , eine nach erfolgter Anregung auftretende Nachschwingung der Membran mittels eines Dämpfungssignals zu dämpfen . Das Erfassungsmittel ist dazu eingerichtet , die Amplitude der Nachschwingung der Membran zu erfassen . Das Anpassungsmittel ist dazu eingerichtet , das Dämpfungssignal in Abhängigkeit der von erfassten Amplitude der Nachschwingung festzulegen .
Durch Erfassen der Amplitude der Nachschwingung ist es insbesondere möglich, mittels des Anpassungsmittels das Dämpfungssignal derart festzusetzen, dass die Nachschwingung der Membran ef fektiv gedämpft werden kann . Da die Amplitude der Nachschwingung expli zit gemessen wird, kann so auf Veränderungen von beispielsweise Umgebungsbedingungen oder Anwendungsanforderungen dynamisch reagiert werden und eine Dämpfung der Nachschwingung der Membran günstig gewählt werden .
Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ultraschallwandlers kann das Anregungsmittel die Membran zum Aussenden ein Ultraschallsignal anregen . Eine Nachschwingung der Membran, das insbesondere nach einem Ende des Anregens der Membran auftritt , kann durch das Dämpfungsmittel gedämpft werden, wobei das Dämpfungssignal beispielsweise an die Membran angelegt wird . Insbesondere nachdem das Dämpfungssignal angelegt wurde , kann mittels dem Erfassungselement eine Amplitude der Nachschwingung erfasst werden . Mit anderen
Worten, die Amplitude der Nachschwingung kann gemessen werden . Zum Beispiel wird die Nachschwingung der Membran mittels des piezoelektrischen Ef fekts in eine Spannung umgewandelt , aus der die Amplitude der Nachschwingung der Membran ableitbar ist .
Durch das Anpassungselement kann das Dämpfungssignal festgelegt werden . Wird im Betrieb zum Beispiel die Amplitude der Nachschwingung der Membran vor dem Festlegen des Dämpfungssignals gemessen, kann vorteilhafterweise das Dämpfungssignal derart festgelegt werden, dass die Amplitude der Nachschwingung der Membran reduziert oder minimiert wird . Das heißt , der Ultraschallwandler kann aufgrund des Erfassens der Amplitude der Nachschwingung der Membran das Dämpfungssignal möglichst optimal festlegen, sodass die Nachschwingung der Membran möglichst minimiert wird . Somit kann der Ultraschallwandler dynamisch an veränderte Umgebungsbedingungen, Anwendungsanf orderungen, Messbedingungen oder der gleichen reagieren und die Dämpfung entsprechend günstig festlegen . Damit ist vorteilhafterweise der Ultraschallwandler bei einer Viel zahl von äußeren Bedingungen und bei Messung von Entfernungen in einem vergleichsweise weiten Bereich einsetzbar .
Insbesondere umfassen das Anregungsmittel , das Dämpfungsmittel und das Erfassungsmittel ein piezoelektrisches Element . Zum Beispiel sind das Anregungsmittel und das Dämpfungsmittel und/oder das Erfassungsmittel durch das piezoelektrische Element gebildet . Insbesondere sind das Anregungsmittel , das Dämpfungsmittel und das Erfassungsmittel durch dasselbe piezoelektrische
Element gebildet . Das heißt , der Ultraschallwandler umfasst insbesondere ein piezoelektrisches Element , welches als das
Anregungsmittel , das Dämpfungsmittel und das Erfassungsmittel agiert und bevorzugt Funktionen des Anregungsmittels , des Dämpfungsmittels und des Erfassungsmittels erfüllt . Das piezoelektrische Element kann eine piezoelektrische Scheibe sein .
Es ist möglich, dass zumindest eines der Mittel aus Anregungsmittel , Dämpfungsmittel und Erfassungsmittel eine Steuerungselektronik umfasst . Die Steuerungselektronik stellt zum Beispiel im Falle des Anregungselement und des Dämpfungselements ein Signal für das piezoelektrische Element zur Verfügung oder wertet im Falle des Erfassungsmittels ein Signal des piezoelektrischen Elements aus .
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Element mit einer Steuerungselektronik des Ultraschallwandlers verbunden ist . Beispielsweise umfasst die Steuerungselektronik mindestens eines der folgenden elektronischen Bauelemente : einen Mikrokontroller, eine anwendungsspezi fische integrierte Schaltung, aus dem Englischen auch als „application-speci fic integrated circuit" kurz „AS IC" bekannt , eine feidfprogrammierbares Gatearray, aus dem Englischen auch als „Field Programmable Gate Array" kurz „FPGA" bekannt .
Mittels der Steuerungselektronik wird beispielsweise das Dämpfungssignal dem Dämpfungsmittel bereitgestellt . Beispielsweise ist das Dämpfungsmittel mit der Steuerungselektronik elektrisch leitfähig verbunden . Insbesondere ist das Anregungsmittel dazu eingerichtet , die Membran mittels eine Anregungssignals anzuregen . Das Anregungssignal ist beispielsweise von der Steuerungselektronik bereitgestellt . Das Anregungssignal bestimmt bevorzugt im Wesentlichen das Ultraschallsignal , die von der Membran und damit von dem Ultraschallwandler ausgesendet wird . Durch Festlegen des Anregungssignals kann somit zum Beispiel Form, Länge , Frequenzen und so weiter des Ultraschallsignals festgelegt werden .
Das Dämpfungssignal kann um 180 ° phasenverschoben zu dem Anregungssignal sein . Durch die Phasenverschiebung des Dämpfungssignals ist eine ef fi ziente Dämpfung möglich .
Das Anregungssignal und das Dämpfungssignal können die gleiche Amplitude aufweisen . Damit ist ein besonders einfacher Betrieb des Ultraschallwandlers möglich, da das Anregungssignal und das Dämpfungssignal im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise erzeugt werden können .
Es ist möglich, dass das Dämpfungssignal mindestens einen Dämpfungspuls umfasst . Das Anpassungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , mindestens einen der folgenden Parameter des Dämpfungssignals in Abhängigkeit der erfassten Amplitude der Nachschwingung festzulegen : Anzahl der Dämpfungspulse , Breite des mindestens einen Dämpfungspulses , Abfolge des mindestens einen Dämpfungspulses .
Es ist beispielsweise möglich, dass das Dämpfungssignal einen oder auch mehrere Dämpfungspulse aufweist . Eine Breite des mindestens einen Dämpfungspulses wird insbesondere anhand der Zeit bestimmt , in der das Dämpfungssignal den Dämpfungspuls aufweist . Beispielsweise sind die Dämpfungspulse Rechteckspulse . Das heißt , während der Zeit , in der das Dämpfungssignal den Dämpfungspuls zeigt , weist das Dämpfungssignal eine vorgegebene Spannung ungleich Null auf . Die Zeitspanne , in der das Dämpfungssignal diese Spannung aufweist , bestimmt insbesondere die Breite des Dämpfungspulses .
Weist beispielsweise das Dämpfungssignal nur einen Dämpfungspuls auf , so kann die Abfolge des einen Dämpfungspulses angeben, nach welcher Zeitspanne nach Beendigung der Anregung der Membran mit dem Anregungsmittel der Dämpfungspuls auftritt . In dem Fall , dass das Dämpfungssignal mehrere Dämpfungspulse umfasst , gibt die Abfolge beispielsweise alternativ oder zusätzlich an, in welcher zeitlichen Abfolge die Dämpfungspulse in dem Dämpfungs signal auf einander folgen .
Das Dämpfungssignal umfasst beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich 20 Dämpfungspulse . Eine Breite des mindestens einen Dämpfungspulses kann zum Beispiel zwischen einschließlich 0 , 002 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden betragen .
Beispielsweise beträgt ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Dämpfungspulsen zwischen einschließlich 0 , 002 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden . In diesem Fall weist das Dämpfungssignal insbesondere mindestens zwei Dämpfungspulse auf .
Eine Wartezeit zwischen einem Ende der Anregung der Membran mit dem Anregungsmittel und einem ersten Dämpfungspuls des Dämpfungssignals kann zwischen einschließlich 0 , 02 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden betragen . Die Wartezeit bemisst sich also zum Beispiel aus einer Zeit zwischen dem Ende des Anregungssignals und dem ersten Auftreten eines Dämpfungspulses des Dämpfungssignals . Durch die Wartezeit und den zeitlichen Abstand zwischen den Dämpfungspulsen ist insbesondere die Abfolge der Dämpfungspulse festgelegt .
In dem Fall , dass das Dämpfungssignal mindestens zwei Dämpfungspulse umfasst weisen die Dämpfungspulse des Dämpfungssignals eine gleiche Amplitude auf . Beispielsweise werden die Dämpfungspulse mittels Ein- und Ausschalten einer Dämpfungsspannung erzeugt . Die Dämpfungsspannung ist dabei konstant und variiert zum Beispiel lediglich im Vorzeichen . Damit ist das Dämpfungssignal besonders einfach und damit kostengünstig zu erzeugen, da keine Anpassung der Amplitude notwendig ist .
Alternativ oder zusätzlich weisen die Dämpfungspulse eine gleiche Puls form auf . Zum Beispiel handelt es sich bei den Dämpfungspulsen um Rechteckspulse . Die Dämpfungspulse unterscheiden sich untereinander bevorzugt lediglich in ihrer Breite und in ihrem Vorzeichen .
Bevorzugt umfasst das Anpassungsmittel einen auf der Steuerungselektronik ausgeführten Optimierungsalgorithmus . Der Optimierungsalgorithmus ist insbesondere dazu eingerichtet , ein angepasstes Dämpfungssignal in Abhängigkeit von der erfassten Amplitude der Nachschwingung festzulegen .
Insbesondere sind alle für das Dämpfungssignal of fenbarte Merkmale analog ebenso für das angepasste Dämpfungssignal of fenbart und umgekehrt . Durch den Optimierungsalgorithmus ist es möglich, das Dämpfungssignal anzupassen . Der Optimierungsalgorithmus erhält dazu die Amplitude der Nachschwingung der Membran zu mindestens einen Zeitpunkt dem Dämpfen mittels des Dämpfungsmittels als Fitnessparameter . Der Optimierungsalgorithmus erstellt im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ultraschallwandlers zum Beispiel aus dem Dämpfungssignal , anhand dessen das Dämpfungsmittel betrieben wird und der von dem Erfassungsmittel erfassten Amplitude der Nachschwingung der Membran ein angepasstes Dämpfungssignal . Insbesondere ist die Erfassung der Amplitude der Nachschwingung der Membran Voraussetzung dafür, dass eine Anpassung des Dämpfungssignals mittels des Anpassungsmittels möglich ist .
Bei einer erneuten Dämpfung, beispielsweise nach einem erneuten Aussenden eines Ultraschallsignals durch den Ultraschallwandler, lässt sich die Dämpfung der Nachschwingung der Membran mit dem angepassten Dämpfungssignal durchführen .
Durch ein erneutes Erfassen der Amplitude der Nachschwingung der Membran durch das Erfassungselement kann nachfolgend das angepasste Dämpfungssignal mittels des Anpassungselements beziehungsweise des Optimierungsalgorithmus weiter angepasst beziehungsweise optimiert werden . Somit kann vorteilhafterweise , insbesondere aufgrund der Erfassung der Amplitude der Nachschwingung der Membran, der Ultraschallwandler die Dämpfung stets anpassen und verbessern, womit eine besonders ef fektive Dämpfung erreicht werden kann . Das Dämpfungssignal ist insbesondere an mehrere Schwingungsmodi der Membran anpassbar und eine Dämpfung der Nachschwingung ist ef fi zient möglich . Insbesondere weist eine mittels des angepassten Dämpfungssignals gedämpfte Amplitude der Nachschwingung der Membran einen geringeren Wert auf als eine mittels des Dämpfungssignals gedämpften Amplitude der Nachschwingung der Membran . Durch Aus führen des Optimierungsalgorithmus lässt sich vorteilhafterweise die Dämpfung der Amplitude der Nachschwingung verbessern . Wird der Optimierungsalgorithmus beispielsweise mehrfach ausgeführt , zum Beispiel nach j edem Anregen der Membran durch das Anregungsmittel und anschließender Dämpfung durch das Dämpfungsmittel , lässt sich im Betrieb des Ultraschallwandlers vorteilhafterweise die Dämpfung immer weiter verbessern .
Die Membran des Ultraschallwandlers kann eine frei schwingende Oberfläche von mindestens einem Quadratmillimeter aufweisen . Damit ist die Membran robuster und der Ultraschallwandler kann unter ungünstigeren äußeren Bedingungen eingesetzt werden, als beispielsweise ein piezoelektrischer mikromechanischer Ultraschallwandler, der eine Membran mit einer Oberfläche von kleiner als einem Quadratmillimeter aufweist .
Das Dämpfungsmittel ist bevorzugt dazu eingerichtet eine Dämpfungsmode der Membran anzuregen . Das Dämpfungssignal ist dabei vorzugsweise durch das Anpassungsmittel derart festgelegt , dass die Dämpfungsmode die Nachschwingung der Membran möglichst ef fektiv reduziert . Vorteilhafterweise bewirkt das Anregen einer Dämpfungsmode eine signi fikant höhere Dämpfung als bekannte Dämpfungsmethoden .
Es wird des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines
Ultraschallwandlers angegeben . Der hier beschriebene
Ultraschallwandler lässt sich insbesondere mit dem Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers betreiben . Das heißt , sämtliche für den Ultraschallwandler of fenbarte Merkmale sind auch für das Verfahren of fenbart und umgekehrt .
Das Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers , der zum Beispiel ein Anregungsmittel , ein Dämpfungsmittel , ein Erfassungsmittel und ein Anpassungsmittel aufweist , umfasst insbesondere die folgenden Schritte :
Anregen der Membran zum Aussenden einer Ultraschallwelle mittels des Anregungsmittels .
Dämpfen einer Amplitude der Nachschwingung der Membran mittels des Dämpfungsmittels .
Erfassen der Amplitude der Nachschwingung der Membran zu mindestens einem Zeitpunkt nach der Dämpfung durch das Dämpfungsmittel mittels des Erfassungsmittels .
Festlegen eines angepassten Dämpfungssignals anhand der von dem Erfassungsmittel erfassten Amplitude der Nachschwingung mittels des Anpassungsmittels .
Diese Schritte werden insbesondere in der angegeben Reihenfolge ausgeführt . Bevorzugt werden diese Schritte mehrfach hintereinander ausgeführt . Beispielsweise wird bei j edem Durchführen der Schritte das im vorhergehenden Durchführen Schritt bestimmte angepasste Dämpfungssignal verwendet . Damit wird bei j edem Durchführen der Schritte das Dämpfungssignal weiter angepasst . Beispielsweise wird das Dämpfungssignal mittels des Optimierungsalgorithmus angepasst . Das heißt , das Dämpfungssignal wird stetig verbessert und/oder an beispielsweise veränderte Umgebungsbedingungen, Anwendungsanforderungen oder Messbedingungen angepasst . Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist also eine besonders ef fektive Dämpfung der Nachschwingung der Membran möglich .
Das Anregungsmittel kann die Membran mit einem Anregungssignal anregen und das Dämpfungsmittel kann die Membran mittels des Dämpfungssignals und/oder des angepassten Dämpfungssignals dämpfen . Das Dämpfungssignal und/oder das angepasste Dämpfungssignal folgt dabei dem Anregungssignal bevorzugt ohne Wartezeit nach . Das heißt , nachdem das Anregungsmittel die Membran angeregt hat , dämpft das Dämpfungsmittel unmittelbar nachfolgend die Nachschwingung der Membran .
Es wird des Weiteren eine Verfahren zur Distanzmessung angegeben . Bei dem Verfahren zur Distanzmessung wird ein hier beschriebener Ultraschallwandler verwendet , der insbesondere mit einem hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers betrieben wird . Das heißt , sämtliche für das Verfahren zum Betrieb des Ultraschallwandlers of fenbarte Merkmale und für den Ultraschallwandler of fenbarte Merkmale sind auch für das Verfahren zur Distanzmessung of fenbart und umgekehrt .
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur Distanzmessung genau ein Ultraschallwandler eingesetzt . Das heißt , der Ultraschallwandler dient sowohl als Sendeelement für eine Ultraschallwelle als auch als Detektionselement für ein von dem zu messenden Obj ekt reflektierte Ultraschallsignal .
In einem Sendebetrieb wird bei dem Verfahren zur
Distanzmessung beispielsweise ein Ultraschallsignal als Puls vom Ultraschallwandler ausgesandt . Nachdem der Puls auf ein Obj ekt tri f ft wird dieser zumindest teilweise wieder zurück reflektiert . In einem Empfangsbetrieb wird dieser zurückreflektierte Puls detektiert , wodurch eine Lauf zeit ermittelt werden kann . Da Ultraschallsignale sich in Luft aber auch in Wasser mit bekannten Schallgeschwindigkeiten ausbreiten, kann mit Hil fe der Lauf zeit die Distanz zu dem zu messenden Ziel berechnet werden .
I st die Entfernung zu dem Obj ekt kurz , beispielsweise unter 10 Zentimeter, so ist bei herkömmlichen Ultraschallwandlern eine Nachschwingung der Membran nach Aussenden des Pulses typischerweise noch nicht abgeklungen, weshalb derartige Ultraschallwandler häufig nicht gleichzeitig als Sendeelement und als Empfangselement eingesetzt werden können .
Bei dem hier beschriebenen Ultraschallwandler, ist es möglich auch besonders kurze Lauf zeiten des Pulses , das heißt besonders kurze Entfernungen mit nur einem einzigen Ultraschallwandler zu messen, da eine ef fektive Dämpfung der Nachschwingung der Membran erreicht wird .
Insbesondere können mit dem Verfahren zur Distanzmessung Obj ekte in einer Entfernung zwischen einschließlich 4 Zentimeter und einschließlich 2 Meter gemessen werden .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und des Ultraschallwandlers ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispielen . Gleiche , gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für ein besseres Verständnis übertrieben groß dargestellt sein . Es zeigen :
Figur 1 einen Ultraschallwandler gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 2 eine schematische I llustration eines Verfahrens zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 3 ein Beispiel eines Anregungssignals und eines Dämpfungssignals , wie es in dem hier beschriebenen Verfahren Verwendung findet ,
Figur 4 ein Beispiel eines Dämpfungssignals , wie es in dem hier beschriebenen Verfahren Verwendung findet ,
Figur 5 eine grafische Darstellung einer Nachschwingung einer Membran, die mit einem hier beschriebenen
Dämpfungssignal gedämpft wird, im Vergleich zu einer Membran ohne Dämpfungssignal ,
Figur 6 eine grafische Darstellung einer Frequenzanalyse einer Nachschwingung einer Membran, die mit einem hier beschriebenen Dämpfungssignal gedämpft wird, im Vergleich zu einer Membran ohne Dämpfungssignal ,
Figuren 7 und 8 grafische Darstellungen eines Ergebnisses einer Distanzmessung mittels einem hier beschriebenen Verfahren, Figur 9 eine grafische Darstellung eines Signals einer gedämpften Membranbewegung,
Figuren 10 und 11 grafische Darstellungen eines Signals eines Ultraschallsignals , das von einem zu messenden Obj ekt reflektiert wurde und von dem Ultraschallwandler empfangen wird .
Der Ultraschallwandler 1 gemäß Figur 1 weist ein Anregungsmittel 21 , ein Dämpfungsmittel 22 , ein Erfassungsmittel 23 und ein Anpassungsmittel 24 auf . Das Anregungsmittel 21 , das Dämpfungsmittel 22 und das Erfassungsmittel 23 sind mit einem piezoelektrischen Element 2 gebildet . Das Anpassungsmittel 24 ist mit einer Steuerungselektronik 3 gebildet . Die Steuerungselektronik 3 ist dazu eingerichtet , eine mit dem piezoelektrischen Element 2 gekoppelte Membran 4 anzuregen . Aufgrund einer Anregung kann die Membran 4 eine Bewegung 60 aus führen . Das piezoelektrische Element 2 und die Membran 4 sind in einem Gehäuse 11 angeordnet . Es ist möglich, dass auch die Steuerungselektronik 3 in dem Gehäuse 11 angeordnet ist . Bei der Steuerungselektronik 3 handelt es sich zum Beispiel um einen Mikrokontroller .
Das Anregungsmittel 21 kann die Membran 4 mit einem Anregungssignal 6 anregen, sodass ein Ultraschallsignal 7 ausgesendet wird . Nach dem Aussenden des Ultraschallsignals 7 schwingt die Membran 4 typischerweise nach, führt also weiterhin eine Nachschwingung 40 aus .
Figur 2 illustriert ein Verfahren zum Betrieb des Ultraschallwandlers 1 der Figur 1 . Das Anregungsmittel 21 regt die Membran 4 zum Aussenden eines Ultraschallsignals 7 an . Das Dämpfungsmittel 22 dämpft das Nachschwingen 40 der Membran 4 mittels eines Dämpfungssignals 5 . Insbesondere nach der Dämpfung erfasst das Erfassungsmittel 23 eine Amplitude der Nachschwingung 40 . Das Anpassungsmittel 24 legt in Abhängigkeit von der von dem Erfassungsmittel 23 erfassten Amplitude der Nachschwingung 40 das Dämpfungssignal 5 fest . Dazu umfasst das Anpassungsmittel 24 einen auf der Steuerungselektronik 3 ausgeführten Optimierungsalgorithmus . I st bereits ein Dämpfungssignal 5 bekannt , beispielsweise aus einem vorherigen Durchlauf der Schritte des Verfahrens , so kann das Anpassungsmittel das Dämpfungssignal 5 anpassen und ein angepasstes Dämpfungssignal 5a festlegen . Das angepasste Dämpfungssignal 5a ist durch den Optimierungsalgorithmus vorzugsweise optimiert . Mittels des angepassten Dämpfungssignals 5a kann das Dämpfungsmittel 22 insbesondere eine ef fektivere Dämpfung der Nachschwingung 40 der Membran 4 durchführen .
Das Verfahren zum Betrieb kann im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ultraschallwandlers 1 bevorzugt mehrfach ausgeführt werden, beispielsweise j edes Mal , wenn ein Ultraschallsignal 7 ausgesendet wird, wie es in Figur 2 angedeutet ist . Dabei kann das Dämpfungssignal 5 , 5a stetig optimiert werden, womit eine besonders ef fektive Dämpfung der Nachschwingung 40 möglich ist . Ferner kann durch das Anpassungsmittel 24 auf veränderte Umgebungsbedingungen, Messbedingungen oder Anwendungserfordernisse reagiert werden, um mit einem angepassten Dämpfungssignal 5a auf derartige Veränderungen reagieren zu können .
Figur 3 illustriert ein Anregungssignal 6 , mit dem die
Membran 4 mittels dem Anregungsmittel 21 angeregt wird . Das
Anregungsmittel 6 umfasst Rechteckspulse , die in zeitlicher Abfolge 102 mit einer Spannung 101 angelegt werden . Die Spannung 101 weist eine feste Amplitude auf , wobei ein Vorzeichen nach j edem Rechteckspuls wechselt .
Um die Nachschwingung 40 der Membran 4 zu dämpfen, wird mittels der Steuerungselektronik 3 ein Dämpfungssignal 5 für das Dämpfungsmittel 22 bereitgestellt . Das Dämpfungssignal 5 umfasst mindestens einen Dämpfungspuls 50 . Die Steuerungselektronik 3 ist dazu eingerichtet , mindestens einen Parameter des Dämpfungssignals aus den folgenden Parametern festzulegen, Anzahl 51 der Dämpfungspulse , Breite
52 der Dämpfungspulse 50 sowie Sequenz 53 des Dämpfungspulses 50 . Das Dämpfungssignal 5 folgt insbesondere unmittelbar auf das Anregungssignal 6 . Das heißt , zwischen dem Anregungssignal 6 und dem Dämpfungssignal 5 ist keine Wartezeit .
Figur 4 illustriert ein Dämpfungssignal 5 , wie es bei dem hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers 1 verwendet wird . Das Dämpfungssignal 5 umfasst eine Viel zahl von Dämpfungspulsen 50 , die alle eine gleiche Amplitude aufweisen . Vorzeichen der Dämpfungspulse 50 können variieren und werden beispielsweise durch die Steuerungselektronik 3 festgelegt .
Durch die Steuerungselektronik 3 wird beispielsweise die Breite 52 der Dämpfungspulse 50 festgelegt . Die Breite 52 ergibt sich aus der Zeit 102 , in der die Spannung 101 anliegt .
Ferner wird zum Beispiel die Anzahl 51 der Dämpfungspulse 50 durch die Steuerungselektronik festgelegt sowie eine Abfolge
53 der Dämpfungspulse 50 . Die Abfolge 53 der Dämpfungspulse 50 gibt an, in welcher zeitlichen Abfolge die Dämpfungspunkte 50 in dem Dämpfungssignal 5 auftreten . Ferner gibt die Abfolge 53 an, nach welcher Wartezeit 54 ein erster Dämpfungspuls 50 im Dämpfungssignal 5 auf tritt .
Figur 5 zeigt das Signal einer Membranbewegung 62 einer Membran 4 , die mit einem hier beschriebenen Dämpfungssignal 5 gedämpft wird, im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel eines Membranbewegungs-Signals 63 , das nicht gedämpft wird . Die Membranbewegungen 60 , 61 lässt sich über den piezoelektrischen Ef fekt in eine Spannung 101 ( angegeben in V) umwandeln, die in Figur 4 als Funktion der Zeit 102 ( angegeben in ms ) aufgetragen ist . Während der Anregung mit dem Anregungsmittel 24 , beträgt eine mit beiden Membranbewegungen 60 , 61 assoziierte Spannung 101 über 10 V . Das Anregungssignal 6 liegt etwa 0 , 1 ms an .
Unmittelbar auf das Anregungssignal 6 folgt im Fall der Membranbewegung 60 das Dämpfungssignal 5 . Das Dämpfungssignal 5 liegt etwa 0 , 1 ms an . Ein Vergleich des Verlaufs der Spannungen 101 der gedämpften Membranbewegung 60 und der ungedämpften Membranbewegung des Vergleichsbeispiels 61 zeigt , dass die Spannung 101 der gedämpften Membranbewegung 60 ab etwa 0 , 4 ms circa zwei Größenordnungen geringer ist als die Spannung 101 des Vergleichsbeispiels 61 . Durch das Dämpfungssignal 5 wird also die Membranbewegung 60 ef fektiv gedämpft .
Gestichelte vertikale Linien in Figur 5 illustrieren Zeiten, an denen nach Aussenden eines Ultraschallsignals 7 von dem Ultraschallwandler 1 zu 5 cm oder 10 cm entfernten Obj ekt ein von dem Obj ekt reflektiertes Ultraschallsignal den Ultraschallwandler 1 wieder erreicht . Ein Zusammenhang zwischen Entfernung und Zeit ergibt aus der
Schallgeschwindigkeit des Ultraschallsignals 7 . Sowohl bei einem Obj ekt in 5 cm Entfernung und in 10 cm Entfernung ist die mit der gedämpften Membranbewegung 60 assoziierte Spannung 101 um etwa zwei Größenordnungen kleiner als die mit der ungedämpften Membranbewegung 61 assoziierte Spannung 101 . Damit kann die Entfernung zu diesen Obj ekten mit einer gedämpften Membranbewegung 60 mittels des Ultraschallwandlers ef fektiv bestimmt werden .
Figur 6 illustriert , welche Frequenzanteile in der Nachschwingung 40 der Membran 4 bei Anlegen des Dämpfungssignals 5 und bei einem Vergleichsbeispiel , in dem kein Dämpfungssignal 5 angelegt wird, vorhanden sind . Dabei ist eine Amplitude 103 eines Schwingungssignals , das insbesondere aus den Membranbewegung 60 , 61 erhalten wird, als Funktion der Frequenz 104 ( angegeben in kHz ) dargestellt . Bei Dämpfung der Nachschwingung 40 (vergleiche Kurve 70 ) wird eine Dämpfungsmode 55 angeregt . Die Dämpfungsmode 55 ist in dem Vergleichsbeispiel 71 nicht vorhanden . Durch die Dämpfungsmode 55 wird die gedämpfte Membranbewegung 60 ef fektiv gedämpft (vergleiche Figur 4 ) .
Figur 7 illustriert eine Hilbert-Einhüllende für verschiedene Signale , die bei einer Distanzmessung mittels dem Ultraschallwandler 1 gemessen werden . Die Signale korrespondieren zu Membranbewegungen 60 , aus der eine assoziierte Spannung 101 ( angegeben in mV) über eine Zeit 102 ( angeben in ms ) erhalten wird . Bei einem Maximum der Hilbert- Einhüllenden dieser Signale ergibt sich aus der Lauf zeit eines ausgesandten Ultraschallsignals 7 und einer von dem zu messenden Obj ekt reflektierten Ultraschallsignals zusammen mit der Schallgeschwindigkeit des Ultraschallsignals die Entfernung des Obj ekts .
Figur 8 zeigt eine grafische Darstellung, bei der eine Zeit 102 ( angegeben in ms ) , zu der das reflektierte Ultraschallsignal detektiert wird als Funktion der Entfernung 105 ( angegeben in cm) der zugehörigen Obj ekte .
Aus den Figuren 7 und 8 ist zu erkennen, dass Entfernungen bis zu 5 cm von dem Ultraschallwandler 1 gemessen werden können . Insbesondere wird bei der Distanzmessung nur ein einziger Ultraschallwandler verwendet .
Figur 9 zeigt ein Signal 80 einer gedämpften Membranbewegung 60 als Spannung 101 angegeben in mV als Funktion der Zeit 102 angegeben in ms . Das Signal 80 ist beispielsweise nach der Dämpfung mit dem Dämpfungsmittel 22 durch das Erfassungsmittel 23 erfasst . Ferner illustriert Figur 9 , dass in dem Signal 80 eine Frequenz 81 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 enthalten ist . Dazu wurde das Signal 80 mit einem schmalbandigen Bandpass filter um die Frequenz 81 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 gefiltert . Wie in Figur 9 zu erkennen ist , sind in dem Signal 80 sowohl das Anregungssignal 6 als auch die Dämpfungsmode 55 enthalten .
Figur 10 zeigt ein Signal 90 eines Ultraschallsignals , die von einem zu messenden Obj ekt reflektiert wurde und von dem Ultraschallwandler 1 empfangen wird . Das reflektierte Ultraschallsignal erzeugt eine Membranbewegung 60 , die über den piezoelektrischen Ef fekt als Spannung 101 in mV darstellbar ist . Das Signal 90 enthält j e ein Signal mit der Frequenz 91 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 , die analog zu Figur 9 aus dem Signal 90 darstellbar sind . Wie in Figur 10 zu erkennen ist , hat die Dämpfungsmode 55 in dem Signal 90 nur einen geringen Anteil . Somit beeinflusst die Dämpfungsmode 55 ein Ergebnis einer Distanzmessung nur unwesentlich . Des Weiteren ist ein Maximum einer Einhüllenden des Signals 90 erkennbar, womit eine Entfernung des Obj ekts ermittelt werden kann . In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Entfernung des Obj ekts von dem Ultraschallwandler 15 cm .
Figur 11 zeigt im Unterschied zu Figur 10 ein Vergleichssignal 95 eines von dem zu messenden Obj ekt reflektierten Ultraschallsignals , ohne das eine Nachschwingung der Membran 4 durch das Dämpfungssignal 5 erfolgt ist . Wie in Figur 11 zu erkennen ist , ist das Vergleichssignal 95 im wesentlich durch eine Frequenz 96 des Anregungssignals 6 bestimmt und eine einhüllende des Vergleichssignals 95 nimmt kontinuierlich ab . Damit lässt sich die Entfernung des Obj ekts zu dem Ultraschallwandler nicht ermitteln .
Ferner zeigt sich aus dem Vergleich mit Figur 10 , dass das Vergleichssignal 95 um eine Größenordnung höhere Amplitude aufweist als das Signal 90 . Das heißt , sämtliche Information des Vergleichssignals 95 , aus der sich eine Entfernung des Obj ekts bestimmen lassen könnte , werden durch die Nachschwingung der Membran 4 überdeckt , sodass sich die Entfernung des Obj ekts nicht ermitteln lässt . Be zugs Zeichen
1 Ultraschallwandler
2 piezoelektrisches Element
3 Steuerungselektronik
4 Membran
5 Damp fungs signal
5a angepasstes Dämpfungssignal
6 Anregungs signal
7 Ultraschall signal
11 Gehäuse
21 Anregungsmittel
22 Dämpfungsmittel
23 Erfassungsmittel
24 Anpassungsmittel
40 Nachschwingung der Membran
50 Dämpfungspuls
51 Anzahl von Dämpfungspulsen
52 Breite des Dämpfungspulses
53 Abfolge von Dämpfungspulsen
54 Wartezeit
55 Dämpfungsmode
60 Membranbewegung
61 Vergleichsbeispiel einer Membranbewegung
62 Signal einer Membranbewegung
63 Vergleichsbeispiel eines Membranbewegungs-
Signals
70 Frequenz der Membranbewegung
71 Frequenz des Vergleichsbeispiels
80 Signal der gedämpften Membranbewegung
81 , 91 , 96 Frequenz des Anregungssignals
90 Signal der von einem zu messenden Obj ekt reflektierten Ultraschallsignal 95 Vergleichs signal
101 Spannung
102 Zeit
103 Amplitude 104 Frequenz
105 Entfernung

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler (1) umfassend ein Anregungsmittel (21) , ein Dämpfungsmittel (22) , ein Erfassungsmittel (23) , ein Anpassungsmittel (24) und eine Membran (4) , wobei
- das Anregungsmittel (21) dazu eingerichtet ist, die Membran (4) zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) anzuregen,
- das Dämpfungsmittel (22) dazu eingerichtet ist, eine nach erfolgter Anregung auftretende Nachschwingung (40) der Membran (4) mittels eines Dämpfungssignals (5) zu dämpfen,
- das Erfassungsmittel (23) dazu eingerichtet ist, die Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (4) zu erfassen, und
- das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, das Dämpfungssignal (5) in Abhängigkeit der von erfassten Amplitude der Nachschwingung (40) festzulegen.
2. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Anregungsmittel (21) , das Dämpfungsmittel (22) und das Erfassungsmittel (23) ein piezoelektrisches Element (2) umfassen .
3. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungssignal (5) von einer Steuerungselektronik (3) bereitgestellt ist.
4. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 3, wobei das Anregungsmittel (21) dazu eingerichtet ist, die Membran
(4) mittels eines Anregungssignals (6) anzuregen und das Anregungssignal (6) von der Steuerungselektronik (3) bereitgestellt ist.
5. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 4, wobei das Dämpfungssignal (5) um 180° phasenverschoben zu dem Anregungssignal (6) ist.
6. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Dämpfungssignal (5) und das Anregungssignal (6) die gleiche Amplitude aufweisen.
7. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungssignal (5) mindestens einen Dämpfungspuls (50) umfasst und das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, mindestens einen der folgenden Parameter des Dämpfungssignals (5) in Abhängigkeit der erfassten Amplitude der Nachschwingung (40) festzulegen: Anzahl (51) der Dämpfungspulse (50) , Breite (52) des mindestens einen Dämpfungspulses (50) , Abfolge (53) des mindestens einen Dämpfungspulses (50) .
8. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 7, wobei das
Dämpfungssignal (5) eine Anzahl (51) von einschließlich
2 bis einschließlich 10 Dämpfungspulsen (50) umfasst.
9. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei eine Breite (52) des mindestens einen Dämpfungspulses (5) zwischen einschließlich 0,02 und einschließlich 0,1
Millisekunden beträgt.
10. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Dämpfungssignal (5) mindestens zwei Dämpfungspulse (50) aufweist und eine Zeitspanne (53) zwischen zwei aufeinander folgenden Dämpfungspulsen (50) zwischen einschließlich 0,02 und einschließlich 0,1 Millisekunden beträgt.
11. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis
10, wobei eine Wartezeit (54) zwischen einem Ende der Anregung durch die Membran (6) mittels des Anregungsmittels (21) und einem ersten Dämpfungspuls
(50) des Dämpfungssignals (5) zwischen einschließlich 0,02 und einschließlich 0,1 Millisekunden beträgt.
12. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis
11, wobei das Dämpfungssignal (5) zumindest zwei Dämpfungspulse (50) umfasst und die Dämpfungspulse (50) des Dämpfungssignals (5) eine gleiche Amplitude und/oder eine gleiche Pulsform aufweisen.
13. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anpassungsmittel (24) einen auf einer Steuerungselektronik (3) ausgeführten Optimierungsalgorithmus umfasst und der Optimierungsalgorithmus dazu ausgebildet ist, ein angepasstes Dämpfungssignal (5a) in Abhängigkeit von der erfassten Amplitude der Nachschwingung (40) festzulegen.
14. Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 13, wobei eine mittels des angepassten Dämpfungssignals (5a) gedämpfte Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (6) einen geringeren Wert aufweist als eine mittels des Dämpfungssignals (5) gedämpften Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (6) .
15. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (4) eine frei schwingende Oberfläche von mindestens einem Quadratmillimeter aufweist .
16. Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungsmittel (22) dazu eingerichtet ist, eine Dämpfungsmode (55) der Membran (6) anzuregen.
17. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers (1) umfassend ein Anregungsmittel (21) , ein Dämpfungsmittel (22) , ein Erfassungsmittel (23) und ein Anpassungsmittel (24) , mit den folgenden Schritten:
- Anregen der Membran (6) zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) mittels des Anregungsmittels (21) ,
- Dämpfen einer Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (4) mittels des Dämpfungsmittels (22) ,
- Erfassen der Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (4) zu mindestens einem Zeitpunkt nach der Dämpfung durch das Dämpfungsmittel mittels des Erfassungsmittels (23) , und
- Festlegen eines angepassten Dämpfungssignals (5a) anhand der von dem Erfassungsmittel erfassten Amplitude der Nachschwingung (40) mittels des Anpassungsmittels (24) .
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Schritte in der angegeben Reihenfolge mehrfach hintereinander ausgeführt werden und wobei in jedem Durchführen der Schritte das im vorhergehenden Durchführen Schritt bestimmte angepasste Dämpfungssignal verwendet wird.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem
- das Anregungsmittel (21) die Membran (4) mit einem Anregungssignal (6) anregt,
- das Dämpfungsmittel (22) die Amplitude der Nachschwingung (40) der Membran (4) mittels des
Dämpfungssignals (5) dämpft, und
- das Dämpfungssignal (5) dem Anregungssignal (6) ohne eine Wartezeit nachfolgt. 20. Verfahren zur Distanzmessung, bei dem genau ein
Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 verwendet wird und ein zu messendes Objekt in einer Entfernung zwischen einschließlich 4 cm und einschließlich 2 m gemessen wird.
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