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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Schallwandlers, der dazu ausgebildet ist, in einem Sendebetrieb zumindest ein Schallwellenpaket einer vorgegebenen Frequenz auszusenden. Vorzugsweise wird die Vorrichtung zum Betreiben eines Schallwandlers in einem Parksensor eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Schallwandler können beispielsweise als Ultraschallwandler ausgebildet sein und in Ultraschallmesssystemen eingesetzt werden, bei denen Laufzeitmessungen zur Bestimmung von Entfernungen genutzt werden. Beispiele für Schallwandler sind piezoelektrische Schallwandler, die die Eigenschaften bestimmter Materialien, wie z. B. Quarz, Piezokeramik, etc. nutzen, um bei mechanischer Verformung proportionale Signale abzugeben oder umgekehrt sich bei geeignetem angelegtem elektrischem Feld mechanisch zu verformen. Schallwandler werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen in Parksensorsystemen zur Entfernungsermittlung zu anderen Objekten eingesetzt.
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Aus der
DE 101 36 628 B4 ist ein Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mittels einer Membran, ein Verfahren und Steuergerät zum Betrieb des Ultraschallwandlers, sowie Verwendung des Ultraschallwandlers bekannt. Zum Aussenden von Ultraschallwellen wird die Membran für eine vorgebbare Zeitdauer erregt, danach die Membranschwingungen gedämpft und zum Empfangen von Ultraschallwellen werden die Membranschwingungen erfasst. Zur Dämpfung werden die Membranschwingungen erfasst und die Membran wird phasenrichtig entgegensetzt zu den erfassten Schwingungen erregt. Das Erfassen der Membranschwingungen und das Erregen der Membran im Rahmen des Dämpfungsvorgangs wird zeitlich zersetzt zueinander durchgeführt. Im Rahmen des Dämpfungsvorgangs wird der Wert der Amplitude und/oder die Dauer der Erregung der Membran der Amplitude der erfassten Membranschwingungen nachgeführt, um die Dämpfung der Stärke der noch vorhanden Membranschwingung anzupassen.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Schallwandlers anzugeben, das bzw. die einen erweiterten Erfassungsbereich bei Entfernungsermittlungen zu anderen Objekten ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schallwandlers, der mit einer Spule gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, in einem Sendebetrieb zumindest ein Schallwellenpaket einer vorgegebenen Frequenz auszusenden. Nach dem Sendebetrieb wird der Schallwandler mit einer Gleichspannung mit vorgegebenem Wert beaufschlagt. Der Wert der Gleichspannung wird verkleinert, bis der Wert der Gleichspannung einen Neutralwert erreicht, so dass Schwingungen des Schallwandlers nach dem Sendebetrieb vermieden werden.
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Vorzugsweise ist der Schallwandler dazu ausgebildet, in einem Sendebetrieb zumindest ein Schallwellenpaket der vorgegebenen Frequenz auszusenden und in einem Empfangsbetrieb zumindest ein reflektiertes Schallwellenpaket der vorgegebenen Frequenz als Echosignal zu empfangen. Durch eine Vermeidung von Schwingungen nach dem Sendebetrieb, kann eine Ausschwingdauer, die typischerweise eine Zeitdauer zwischen dem Sende- und einem Empfangsbetrieb bezeichnet, nach einem Sendebetrieb des Schallwandlers minimiert werden. Dies hat den Vorteil, dass Objekte mittels eines mit dem Schallwandler ausgestatteten Parksensors in einem erweiterten Bereich, insbesondere in einem erweiterten Nahbereich, vor dem Parksensor erfasst werden können. Der Wert der Gleichspannung wird dann bis zu einem Neutralwert verringert, der beispielsweise einem Spannungswert von 0 V entspricht oder vorzugsweise einem Spannungswert, ab dem ein Empfang und eine Detektion zuvor versendeter und reflektierter Schallwellenpakete im Empfangsbetrieb möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung, ist der Schallwandler mit einer Spule gekoppelt. Zeitgleich oder vor der Beaufschlagung mit der Gleichspannung wird die Spule von dem Schallwandler entkoppelt.
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Dies hat den Vorteil, dass ein Kurzschluss während der Beaufschlagung der Gleichspannung zur Dämpfung des Schallwandlers vorzugsweise vermieden wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, wird der Wert der Gleichspannung innerhalb einer derartig kurzen Zeitdauer verkleinert, dass Schwingungen des Schallwandlers vermieden werden.
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Dies hat den Vorteil, dass der Neutralwert innerhalb einer minimalen Ausschwingdauer erreicht wird, ohne dass Schwingungen des Schallwandlers auftreten. Die Schwingungen beziehen sich im Wesentlichen auf ein Ausschwingen oder Überschwingen des Schallwandlers. Eine derartige Dämpfung des Schallwandlers nach dem jeweiligen Sendebetrieb kann auch als aperiodische Dämpfung bezeichnet werden.
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Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Schallwandlers, der dazu ausgebildet ist, in einem Sendebetrieb zumindest ein Schallwellenpaket einer vorgegebenen Frequenz auszusenden. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, den Schallwandler mit einer Gleichspannung mit vorgegebenem Wert zu beaufschlagen. Ferner ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, den Wert der Gleichspannung zu verkleinern, bis der Wert der Gleichspannung einen Neutralwert erreicht, so dass Schwingungen des Schallwandlers nach dem Sendebetrieb derart vermieden werden, dass keine Schwingungen des Schallwandlers erfolgen. Die vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens treffen analog auch auf die vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung zu.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein als steuerbarer Widerstand ausgebildetes Schaltelement. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, das Schaltelement derart anzusteuern, dass der Widerstandswert des Schaltelements kontinuierlich vergrößerbar ist und somit der Wert der Gleichspannung kontinuierlich verkleinerbar ist.
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Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Dämpfung des Schallwandlers. Das Schaltelement kann beispielsweise als Halbleiterschaltelement ausgebildet sein, so z. B. als Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor. Mittels der Widerstandserhöhung des Schaltelements wird eine Spannung über dem Schaltelement in dem Maße vergrößert, wie sich der Wert der Gleichspannung über dem Schallwandler verkleinert. Bevorzugt weist eine vorgegebene Eingangsspannung, die dem als steuerbarer Widerstand ausgebildeten Schaltelement zugeordnet ist, einen Spannungswert auf, der größer oder gleich einem Scheitelwert einer vorgegebenen Spannung, die zum Ansteuern des Schallwandlers während des Sendebetriebs benötigt wird, ist. Dabei wird das Schaltelement mittels der Vorrichtung derart angesteuert, dass sein Widerstand derart vergrößert wird, dass die Gleichspannung über dem Schallwandler gemäß einer e-Funktion verkleinert wird. Dies hat den Vorteil, dass Schwingungen des Schallwandlers nach dem Sendebetrieb besonders schnell gedämpft werden.
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Ferner zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Parksensor in einem Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines Schallwandlers.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der einzigen schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Schaltungsanordnung mit einem Schallwandler.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Vorzugsweise werden das Verfahren oder die Vorrichtung zum Betreiben des Schallwandlers bevorzugt in Parksensoren eines Kraftfahrzeugs zur Ermittlung von Entfernungen zwischen dem Kraftfahrzeug und vorhandenen Objekten verwendet. Dabei ist der Schallwandler bevorzugt als piezoelektrischer Ultraschallwandler ausgebildet und weist eine Resonanzfrequenz von beispielsweise 100 kHz auf. Dabei wird der Schallwandler in einem Sendebetrieb betrieben, in dem dieser Schallwellenpakete, so z. B. Ultraschallwellenpakete, aussendet. Ist beispielsweise ein Objekt vor dem Schallwandler vorhanden, werden die mittels des Schallwandlers ausgesendeten Schallwellenpakete reflektiert. Im Anschluss an den Sendebetrieb wird der Schallwandler in einem Empfangsbetrieb betrieben, in dem die reflektierten der zuvor versendeten Schallwellenpakete mittels des Schallwandlers empfangen werden und als Echosignale detektiert werden. Dabei werden empfangene Signale nur dann als den zuvor versendeten Schallwellenpaketen zugeordnete Echosignale detektiert, wenn diese die Frequenz des versendeten Schallwellenpaketes aufweisen. Die Entfernung zum Objekt wird anhand einer Laufzeitmessung des ausgesendeten Schallwellenpaketes zum Objekt und zurück zum Schallwandler bestimmt. Dabei ist eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallwellenpaketes, insbesondere eines Ultraschallwellenpaketes, vorgegeben und die Laufzeit kann der Entfernung zwischen Kraftfahrzeug und Objekt zugeordnet werden.
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Bevor allerdings der Schallwandler im Empfangsbetrieb betrieben werden kann, muss der Schallwandler zunächst ausschwingen. Das Ausschwingen beeinflusst im Wesentlichen eine Erfassung von Objekten im Nahbereich des Schallwandlers bzw. des Kraftfahrzeugs, da hier die Laufzeit zum Objekt und zurück zum Schallwandler besonders klein ist.
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In 1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schallwandlers SC dargestellt, der mit einer Sekundärwicklung L2, die auch als Spule bezeichnet werden kann, des Übertragers TR über ein erstes Schaltelement T1 elektrisch gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise Bestandteil eines Parksensors, der in dem Kraftfahrzeug verwendet wird. Der Schallwandler SC ist mit seinem ersten Anschluss dem ersten Schaltelement T1 zugeordnet und mit seinem zweiten Anschluss einem Bezugspotential GND, das beispielsweise als Masse des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das erste Schaltelement T1 ist mit seinem dem Schallwandler SC abgewandten Anschluss einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung L2 des Übertragers TR zugeordnet. Der zweite Anschluss des Übertragers TR ist mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Ferner ist dem Schallwandler SC an seinem ersten Anschluss ein zweites Schaltelement T2 zugeordnet, das mit seinem dem Schallwandler SC abgewandten Anschluss mit einer Gleichspannungsquelle gekoppelt ist, die eine Eingangsspannung V_DC mit vorgegebenem Wert vorgibt. Das erste und zweite Schaltelement T1 und T2 sind beispielsweise als Halbleiterschaltelemente ausgebildet, so z. B. als Bipolartransistoren. Ein erstes Schaltsignal S_T1 ist einem Steueranschluss des ersten Schaltelements T1 zugeordnet und ein zweites Schaltsignal S_T2 ist einem Steueranschluss des zweiten Schaltelements T2 zugeordnet. Das erste und zweite Schaltsignal S_T1 und S_T2 werden mittels einer Steuereinheit CTRL vorgegeben.
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Die Steuereinheit CTRL kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein oder entsprechend einer einem Fachmann bekannten Ausführung.
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Der Übertrager TR umfasst ferner eine Primärwicklung L1, die magnetisch mit der Sekundärwicklung L2 gekoppelt ist, so z. B. mittels eines Eisenkerns. Die Primärwicklung L1 weist einen Mittelabgriff auf, dem eine Versorgungsspannung VCC zugeordnet ist, die vorzugsweise als Gleichspannung ausgebildet ist, so z. B. als Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs. Da der Schallwandler SC bevorzugt mit einer Hochspannung, so z. B. 100 V, betrieben wird, wird der Übertrager TR als Kopplung des Schallwandlers SC an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs verwendet. Einem ersten Anschluss der Primärwicklung L1 ist ein drittes Schaltelement T3 zugeordnet und einem zweiten Anschluss der Primärwicklung L1 ist ein viertes Schaltelement T4 zugeordnet. Dem jeweils der Primärwicklung L1 abgewandten Anschluss des dritten und vierten Schaltelements T3 und T4 ist das Bezugspotential GND zugeordnet. Das dritte und vierte Schaltelement T3 und T4 werden bevorzugt mittels eines dritten und vierten Schaltsignals S_T3 und S_T4 angesteuert. Während des Sendebetriebs des Schallwandlers SC werden das dritte und vierte Schaltelement T3 und T4 im Gegentakt angesteuert, so z. B. jeweils mit einem pulsförmigen Schaltsignal mit einer Frequenz von 100 kHz. Während eines Ausschwingens und während des Empfangsbetriebs des Schallwandlers SC sind das dritte und vierte Schaltelement T3 und T4 vorzugsweise ausgeschaltet. Das dritte und vierte Schaltsignal S_T3 und S_T4 können beispielsweise mittels der Steuereinheit CTRL vorgegeben werden.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird nach einem Sendebetrieb des Schallwandlers SC das erste Schaltelement T1 mittels des ersten Schaltsignals S_T1 derart angesteuert, dass der Schallwandler SC von der Sekundärwicklung L2 entkoppelt wird. Zeitgleich zu oder nach der Entkoppelung der Sekundärwicklung L2 von dem Schallwandler SC, wird dieser mittels Ansteuerung des zweiten Schaltelements T2 mit der Gleichspannung U_SC beaufschlagt. Vorzugsweise entspricht in einem ersten Moment nach der Ansteuerung des zweiten Schaltelements T2 der Wert der Gleichspannung U_SC über dem Schallwandler SC dem Wert der vorgegebenen Eingangsspannung V_DC am zweiten Schaltelement T2. Mittels der Entkoppelung des Schallwandlers SC von der Sekundärwicklung L2 während der Beaufschlagung der Gleichspannung U_SC kann ein Kurzschluss vermieden werden.
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Der Schallwandler SC weist bevorzugt Schwingkreiseigenschaften auf, d. h. induktive, kapazitive und ohmsche Eigenschaften. Nach einem Sendebetrieb des Schallwandlers SC, d. h. nach dem Ausschalten des dritten und vierten Schaltelements T3 und T4 schwingt der Schallwandler SC für eine vorgegebene Ausschwingdauer aufgrund der ohmschen Verluste gedämpft aus. Die in diesem Fall relativ lange Ausschwingdauer wirkt allerdings dem Empfang zuvor ausgesendeter und reflektierter Schallwellpakete entgegen, weil während des Ausschwingens reflektierte Schallwellenpakete nicht eindeutig detektiert und identifiziert werden können. Somit ist eine Entfernungsmesseinrichtung mit Schallwandlern für eine vorgegebene Zeitdauer, nämlich der Ausschwingdauer, nach dem Sendebetrieb „blind”. Objekte, deren Hin- und Rücklaufzeit eines Schallwellenpaketes kürzer ist als die Ausschwingdauer, können somit nicht erfasst werden. Die Ausschwingdauer kann somit einem nicht erfassbaren Objektabstand zum Kraftfahrzeug von beispielsweise 0,3 m entsprechen.
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Der Eingangsspannung V_DC am zweiten Schaltelement T2 ist abhängig von einer ihr zugeordneten Polarität zum Zeitpunkt der Vorgabe der Eingangsspannung V_DC eine maximale „Auslenkung” des Schallwandlers SC zugeordnet. Das heißt, die Eingangsspannung V_DC weist einen Spannungswert auf, der größer oder gleich einem Scheitelwert einer Spannung ist, die zur zuverlässigen Ansteuerung des Schallwandlers SC während des Sendebetriebs benötigt wird. Diesem Scheitelwert der Spannung, die mittels der Sekundärwicklung L2 des Übertragers TR dem Schallwandler SC zugeführt wird, ist vorzugsweise dieser maximalen „Auslenkung” des Schallwandlers SC zugeordnet.
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Im Weiteren wird der Wert der Gleichspannung U_SC über dem Schallwandler SC verkleinert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Wert der Eingangsspannung V_DC am zweiten Schaltelement T2 verkleinert wird, so z. B. kontinuierlich verkleinert wird. Ist das zweite Schaltelement T2 beispielsweise als Halbleiterschaltelement ausgebildet, so z. B. als Bipolartransistor, kann alternativ der Wert der Eingangsspannung V_DC am zweiten Schaltelement T2 konstant vorgegeben werden, während das zweite Schaltelement T2 als steuerbarer Widerstand betrieben wird. Dazu kann das zweite Schaltsignal S_T2 derart mittels der Steuereinheit CTRL vorgegeben werden, dass der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Schaltelements T2 vergrößert wird und sich der Wert der Spannung über dem zweiten Schaltelement T2 in dem Maße vergrößert, wie sich der Wert der Gleichspannung U_SC über dem Schallwandler SC verkleinert. Bevorzugt erfolgt die Vorgabe der Gleichspannung U_SC mittels des zweiten Schaltelements T2 gemäß einer e-Funktion. Dadurch wird die „Auslenkung” des Schallwandlers SC durch die Verringerung der Gleichspannung U_SC über ihm verringert. Vorzugsweise wird die Gleichspannung U_SC bis zu einem Neutralwert verringert, der vorzugsweise dem Spannungswert 0 V und einer Nullauslenkung des Schallwandlers SC entspricht. Alternativ kann der Neutralwert auch derart vorgegeben werden, dass ein empfangenes Schallwellenpaket eindeutig als zuvor ausgesendetes Schallwellenpaket detektiert werden kann.
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Die Verringerung der Gleichspannung U_SC von einem maximalen Wert zu dem Neutralwert kann innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgen. Die Zeitdauer ist vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Neutralwert schnellstmöglich erreicht wird, aber zugleich ein Ausschwingen oder Überschwingen des Schallwandlers SC vermieden wird. Eine derartige Dämpfung des Schallwandlers SC kann als aperiodische Dämpfung bezeichnet werden, in dem die Dämpfung mittels der Vorgabe der Eingangsspannung V_DC am zweiten Schaltelement T2 derart erfolgt, dass idealerweise keinerlei Schwingungen des Schallwandlers SC erfolgen, während der Wert der Gleichspannung U_SC über dem Schallwandler SC schnellstmöglich dem vorgegebenen Neutralwert angenähert wird.
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Grundsätzlich kann das erste Schaltelement T1 auch derart mit der Sekundärwicklung L2 des Übertragers gekoppelt sein, dass sein erster Anschluss der Sekundärwicklung L2 zugeordnet ist und sein zweiter Anschluss dem Bezugspotential GND. Dies hat den Vorteil, dass das in diesem Fall als Low-Side-Schalter ausgebildete erste Schaltelement T1 besonders einfach angesteuert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- CTRL
- Steuereinheit
- GND
- Bezugspotential
- L1
- Primärwicklung
- L2
- Sekundärwicklung
- S_T1
- erstes Schaltsignal
- S_T2
- zweites Schaltsignal
- S_T3
- drittes Schaltsignal
- S_T4
- viertes Schaltsignal
- SC
- Schallwandler
- T1
- erstes Schaltelement
- T2
- zweites Schaltelement
- T3
- drittes Schaltelement
- T4
- viertes Schaltelement
- TR
- Übertrager
- U_SC
- Gleichspannung über Schallwandler
- V_DC
- Eingangsspannung
- VCC
- Versorgungsspannung