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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Abstandserkennung für Fahrzeuge und insbesondere einen Ultraschallsensor mit integrierter Blockadeerfassung.
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Für Fahrerassistenzsysteme werden auf dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik Ultraschall basierte Sensoren eingesetzt, die ein Pulsechoverfahren verwenden, um das Objekt bzw. die Fahrzeugumgebung anhand des reflektierten Ultraschallpulses zu ermitteln.
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Da die zugehörigen Ultraschallwandler notwendigerweise an der Fahrzeugaußenseite angeordnet sind, ergeben sich Witterungsbedingte Problemsituationen. Ist der Wandler auf der Außenseite durch Eis, Schnee oder anderen festen Materialien bedeckt, wird kein Echosignal erfasst und die Auswertung schließt auf einen objektfreien Außenraum.
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Bei nicht aktiv unterstützenden Fahrerassistenzsystemen kann dies zu Unfällen führen, wenn sich der Fahrer des Fahrzeugs auf diese Angabe verlässt. Aktiv unterstützende Fahrerassistenzsysteme bestimmen die Fahrrichtung und gegebenenfalls auch die Fahrgeschwindigkeit selbst, so dass eine Fehleinschätzung basierend auf dem oben genannten Sensorfehler weitreichende Folgen haben kann. Insbesondere die Verwendung in aktiv unterstützenden Fahrerassistenzsystemen erfordert daher eine hohe Verlässlichkeit.
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Ein Sensortest mit aktiver Auslösung vor Fahrbeginn ist aus mehreren Gründen nicht praktikabel.
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Diese Verlässlichkeit wird durch übliche Sensoren nach dem Stand der Technik nicht gewährt, da diese bei Blockaden, bsp. durch Schneematsch, einen Ultraschallpuls reflektiert von einem Objekt nicht erkennen und auch fälschlicherweise davon ausgehen, dass ein Ultraschallpuls abgestrahlt wird, obwohl durch die Blockade nur ein geringer Teil der Energie, wenn überhaupt, in die Umgebung abgestrahlt wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallsensor und ein Verfahren vorzusehen, mit dem die Verlässlichkeit der Sensoren wesentlich erhöht wird, insbesondere durch Erkennung einer derartigen Blockade bzw. Blindheit des Sensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Sensor, die Erfassungsvorrichtung und durch das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen.
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Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept ist es, von dem Zustand einer Oberfläche auf oder nahe der Wandleraußenfläche des Sensors zu schließen und so eine Blockierung der Wandleraußenfläche selbst zu erfassen. Da das Material, das eine Blockierung hervorruft, üblicherweise nicht ausschließlich auf dem Wandler des Sensors selbst vorliegt, sondern auch umgebende Flächen bedeckt, kann von Material an bzw. neben der Wandleraußenfläche darauf geschlossen werden, dass auch die Wandleraußenfläche zumindest zum Teil bedeckt und somit blockiert ist. Eine Blockadesensorfläche eines Blockadesensors kann somit auf der Wandleraußenfläche oder an der Wandleraußenfläche angeordnet sein, d. h. am Rand oder an einem Teil des Randes der Wandleraußenfläche, oder, insbesondere bei spezifischen Ausführungen, auf der Wandleraußenfläche oder einem Teil der Wandleraußenfläche. Erfindungsgemäß wird die Blockade bzw. das Material, das die Wandleraußenfläche hinsichtlich der akustischen Abstrahlung (und der Sensitivität) behindert, anhand einer elektrischen Eigenschaft oder anhand der Temperatur oder Wärmeabstrahlung oder anhand optischer Eigenschaften, insbesondere einer (optischen) Absorptionseigenschaft, die charakteristisch für das Blockadematerial ist, erkannt.
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Die elektrische Eigenschaft ist insbesondere die Dielektrizität bzw. Permittivität, beispielsweise in Form der Dielektrizitätszahl, der Permittivitätszahl, der Dielektrizitätskonstanten oder der Permittivitätskonstanten. Die Blockadesensorfläche bildet einen Kondensator, dessen Kapazität von den dort vorliegenden Materialien abhängt, wobei die Kapazität durch Anlegen einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms abgefragt werden kann, und die Kapazität sich aus dem erfassten Strom bzw. der Spannung ergibt. Mit anderen Worten wird die Wechselstromimpedanz des Blockadesensors (d. h. die Wechselstromimpedanz des Materials auf der Blockadesensorsfläche) abgefragt.
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Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit ist es, dass als elektrische Eigenschaft die Gleichstromimpedanz des Blockadesensors abgefragt wird, d. h. die Gleichstromimpedanz des Materials, das an der Blockadesensorfläche vorliegt. Das Material bildet mit der Blockadesensorfläche einen ohmschen Widerstand, der durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms (Wechselsignal oder Gleichsignal) abgefragt werden kann, wobei sich der elektrische Widerstand bzw. der elektrische Leitwert aus dem erfassten Strom bzw. der Spannung ergibt.
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Die obenstehenden Beispiele zur Erfassung der elektrischen Eigenschaft betreffen die Erfassung des spezifischen Widerstands bzw. der Permittivität des Materials, das an der Blockadesensorfläche vorliegt. Erfasst wird die materialspezifische Impedanz, d. h. der Realteil hiervon (als ohmscher Widerstand) oder der Imaginärteil hiervon (Permittivität), wobei auch generell die komplexe Impedanz erfasst werden kann, da diese allgemein vom Material bestimmt wird. Bei blockadefreiem Zustand liegt Luft an dem Blockadessensor vor, die eine andere elektrische Eigenschaft als Material aufweist, das die Wandleraußenfläche bei einer Blockade belegt. Als elektrische Eigenschaft wird die Impedanz erfasst, bzw. dessen Realteil (ohmscher Widerstand) oder deren Imaginärteil oder die komplexe Impedanz als solche (d. h. Dielektrizitätszahl als Imaginärteil der Impedanz oder als komplexe Impedanz). Das Material ist insbesondere Schnee, Schneematsch, Eis oder eine Mischung hiervon. Insbesondere kann aufgrund der elektrischen Eigenschaft erfasst werden, ob Wasser oder Wasser mit Eisanteilen oder Eis bzw. Schnee vorliegt, um feste Bestandteile zu erfassen, die Wesentlichen Einfluss die akustischen Eigenschaften des Wandlers haben, wenn diese auf der Wandleraußenfläche vorliegen.
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Die Blockade bzw. das Material, das die Wandleraußenfläche hinsichtlich der akustischen Abstrahlung (und der Sensitivität) behindert, kann ferner anhand der Temperatur oder einer Temperaturdifferenz bzw. eines Temperaturgradienten erkannt werden.
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Der Ultraschallsensor bzw. der Wandler wird insbesondere zur Umfelderfassung im Pulsechoverfahren verwendet, wobei der Ultraschallsensor an einer Außenseite eines Fahrzeugs anzuordnen ist. Der Ultraschallsensor ist zur offenen Umgebung ausgerichtet. Die Reichweite beträgt mehr als einen Meter oder mehr als zwei Meter in der offenen Umgebung. Der Ultraschallsensor ist eingerichtet, an einer Fahrzeugaußenseite angeordnet zu werden (typischerweise an einer Fahrzeugverkleidung oder einem Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs), um Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen. Der Ultraschallsensor ist ferner eingerichtet, den Abstand zu einem oder mehreren Objekten in der Fahrzeugumgebung anzugeben, wobei üblicherweise der Ultraschallsensor eine ausgeprägte Richtcharakteristik aufweist und typischerweise an einer Fahrzeugaußenseite mehrere erfindungsgemäße Ultraschallsensoren angeordnet werden.
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor eingerichtet zur Abstandserfassung. Der Ultraschallsensor umfasst eine Wandleraußenfläche, wobei an dieser Wandleraußenfläche ein Blockadesensor vorgesehen ist, der eine Blockadesensorfläche an der Wandleraußenfläche aufweist. Der Blockadesensor ist empfindlich für eine elektrische Eigenschaft oder ist empfindlich für eine Temperatur, die an der Blockadesensorfläche vorliegt. Der Blockadesensor ist eingerichtet, die elektrische Eigenschaft oder die Temperatur zu messen und als Signal abzugeben, das die elektrische Eigenschaft oder die Temperatur wiedergibt.
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Die Wandleraußenfläche ist integriert mit der Blockadesensorfläche vorgesehen, insbesondere sind beide Flächen in einem Gehäuse integriert, beispielsweise das Gehäuse des Ultraschallsensors In dem Gehäuse ist ferner der Blockadesensor angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Bauform erreicht, die der Bauform üblicher Abstandssensoren gleicht, um den erfindungsgemäßen Sensor kompatibel mit üblichen Sensoren vorzusehen. Vorzugsweise schließt die Oberfläche des Blockadesensors mit der Wandleraußenfläche ab.
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Gemäß einer Ausführung, die, wie oben beschrieben, zur Impedanzerfassung eingerichtet ist, ist der Blockadesensor als Kapazitätssensor ausgebildet ist, der zur Erfassung von dielektrischen Eigenschaften eingerichtet ist, die an der Blockadesensorfläche anliegen. Alternativ (oder in Kombination hiermit) ist der Blockadesensor als Widerstandssensor ausgebildet ist, der zur Erfassung des elektrischen Widerstands eingerichtet ist, der an der Blockadesensorfläche anliegt. Der als Kapazitätssensor oder Widerstandssensor ausgebildete Sensor weist zumindest eine Elektrode auf, die sich an einem Außenrand der Wandleraußenfläche erstreckt und sich entlang des gesamten Umfangs oder entlang eines Teils des Umfangs der Wandleraußenfläche erstreckt. Die elektrischen Eigenschaften werden entweder von Umgebungsluft an der Wandleraußenfläche oder von Material an der Wandleraußenfläche vorgesehen, das den Ultraschallwandler blockiert. Die Erfassung der elektrischen Eigenschaften kann auf einfache Weise implementiert werden, d. h. durch Anlegen eines entsprechenden Stroms einer Spannung und Erfassung der zugehörigen Spannung, die sich beim anliegenden Strom ergibt, oder durch Erfassung des zugehörigen Stroms, der sich bei angelegter Spannung ergibt. Zur Erfassung des Widerstands können Wechsel- oder Gleichströme beziehungsweise -spannungen verwendet werden, und zur Erfassung der kapazitiven Eigenschaften (dielektrische Eigenschaften) Wechselströme bzw. -Spannungen verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der als Kapazitätssensor oder Widerstandssensor ausgebildete Blockadesensor zwei Elektroden aufweist, die sich konzentrisch an dem Außenrand der Wandleraußenfläche erstrecken, insbesondere vollumfänglich, oder die an unterschiedlichen Seiten der Wandleraußenfläche angeordnet sind. Der Verlauf der Elektroden (oder der Elektrode) folgt dem Verlauf des Rands der Wandleraußenfläche mit einem konstanten Radialabstand. Bei einer kreisrunden Wandleraußenfläche werden Elektroden (wird mindestens eine Elektrode) mit kreisförmigem Verlauf verwendet. Die mindestens eine Elektrode ist in dieser Ausführungsform am Rand der Wandleraußenfläche angeordnet.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass sich mindestens eine Elektrode auf der Wandleraußenfläche erstreckt des Ultraschallsensors erstreckt. Hierbei weist der als Kapazitätssensor oder Widerstandssensor ausgebildete Blockadesensor eine Elektrode auf.
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Die mindestens eine Elektrode kann sich konzentrisch an dem Außenrand der Wandleraußenfläche erstrecken, insbesondere vollumfänglich, oder ist an einer Seite der Wandleraußenfläche angeordnet. Als weitere Alternative erstreckt sich die mindestens eine Elektrode auf der Wandleraußenfläche. Eine der Elektroden kann als Gegenelektrode vorgesehen sein. Diese Gegenelektrode wird gebildet durch eine leitende Komponente eines Wandlers des Ultraschallsensors, wobei der Wandler die Wandleraußenfläche vorsieht. Der Wandler kann durch ein Piezoelement vorgesehen sein, das ein Metallblech und eine gegenüberliegende dünne Metallschicht umfasst, zwischen denen piezoelektrisch aktives Material vorgesehen ist. Das Metallblech und/oder die Metallschicht können die zumindest eine Elektrode bzw. eine Gegenelektrode vorsehen.
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Wenn der Blockadesensor als elektrische Eigenschaft eine Kapazität erfasst (kapazitiver Sensor) kann die zumindest eine Elektrode (oder können mindestens zwei Elektrode) am Rand der Wandleraußenfläche vorgesehen sein oder auf der Wandleraußenfläche vorgesehen sein. Wenn eine Elektrode oder mehrere Elektroden auf der Wandleraußenfläche vorgesehen sind, können diese von einer weiteren isolierenden Schicht bedeckt sein, beispielsweise von einer Lackschicht. Die mindestens eine Elektrode ist aus elektrisch leitendem Material gefertigt, d. h. aus einem Metall oder einem anderen elektrisch leitendem Material. Insbesondere wenn keine Lackschickt die Elektroden abdeckt sind die Elektroden aus im sichtbaren Bereich des Lichts im Wesentlichen transparentem Material gefertigt, beispielsweise aus Indiumzinnoxid dotiert mit Zinn(IV)-oxid (ITO), SnO2:F (Zinn(IV)-oxid dotiert mit Fluor, FTO), ZnO:Al (Zinkoxid dotiert mit Aluminium, AZO) oder SnO2:Sb (Zinn(IV)-oxid dotiert mit Antimon, ATO). Wenn auf der mindestens einen Elektrode eine Deckschicht (bsp. eine Lackschicht) angeordnet ist, dann werden deren elektrische Eigenschaften vorzugsweise bei der Erfassung des Material berücksichtigt, beispielsweise bei der Erstellung bzw. Wahl des Schwellwerts.
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Wenn der Blockadesensor als elektrische Eigenschaft einen elektrischen Widerstand erfasst (resistiver Sensor) kann die zumindest eine Elektrode (oder können mindestens zwei Elektrode) am Rand der Wandleraußenfläche vorgesehen sein oder auf der Wandleraußenfläche vorgesehen sein. Wenn eine Elektrode oder mehrere Elektroden auf der Wandleraußenfläche vorgesehen sind, grenzen diese vorzugsweise unmittelbar (ohne weitere Deckschicht) an die Umgebung an. Die mindestens eine Elektrode ist aus elektrisch leitendem Material gefertigt, d. h. aus einem Metall oder einem anderen elektrisch leitendem Material. Die Elektroden können insbesondere aus im sichtbaren Bereich des Lichts im Wesentlichen transparentem Material gefertigt sein, beispielsweise aus Indiumzinnoxid dotiert mit Zinn(IV)-oxid (ITO), SnO2:F (Zinn(IV)-oxid dotiert mit Fluor, FTO), ZnO:Al (Zinkoxid dotiert mit Aluminium, AZO) oder SnO2:Sb (Zinn(IV)-oxid dotiert mit Antimon, ATO).
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Bei der Verwendung mindestens einer Elektrode, die auf der Wandleraußenfläche vorliegt, kann diese kammartig verlaufen oder einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen. Insbesondere wenn zwei Elektroden auf der Wandleraußenfläche vorliegen, können diese ineinander verschränkt verlaufen, beispielsweise als ineinander verschachtelte Kämme oder Mäanderbahnen. Dadurch wird die Erfassungsfläche des Blockadesensors vergrößert. Die Elektroden sind nicht unmittelbar miteinander elektrisch verbunden.
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In einer temperaturbasierten Ausführungsform ist der Blockadesensor als Temperatursensor ausgebildet, der zur Erfassung der Temperatur eingerichtet ist, die an der Blockadesensorfläche anliegt. Der Temperatursensor ist seitlich neben der Blockadesensorfläche oder unter dieser angeordnet. Der Temperatursensor ist mit der Wandleraußenfläche wärmeleitend verbunden oder ist zumindest in der Lage, die Temperatur unmittelbar neben der Wandleraußenfläche zu erfassen. Der Temperatursensor kann als Halbleiterelement, NTC- oder PTC-Temperaturfühler, Peltierelement oder Seebeckelement ausgebildet sein oder mittels einer weiteren Temperaturerfassungsvorrichtung, die eine Temperatur in ein elektrisches Signal umwandelt. Insbesondere kann der Temperatursensor eine Temperaturdifferenz erfassen, beispielsweise durch Ausbildung als Thermopile oder Seebeck-Element (oder auch Peltierelement). Die (mindestens) zwei Temperatur erfassenden Stellen des Temperatursensors werden dann an unterschiedlichen Stellen des Wandlers angeordnet, beispielsweise beide an der Wandleraußenfläche oder an einer Stelle an der Wandleraußenfläche sowie an einer weiteren Stelle (seitlich) außerhalb der Wandleraußenfläche. Anstatt der Anordnung der temperaturempfindlichen Stellen an diesen Orten können diese auch mit den betreffenden Stellen wärme leitend verbunden sein.
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Die Erfindung wird ferner realisiert durch eine Erfassungsvorrichtung mit einem Ultraschallsensor, der einen als Temperatursensor ausgebildeten, erfindungsgemäßen Blockadesensor umfasst. Die Erfassungsvorrichtung ist zur Erfassung eines Blockadebelags auf der Wandleraußenfläche eingerichtet. Die Erfassungsvorrichtung hat eine Temperaturschnittstelle zum Anschluss eines weiteren Temperatursensors. Alternativ kann die Erfassungsvorrichtung einen derartigen, an die Erfassungsvorrichtung angeschlossenen, weiteren Temperatursensor umfassen. Der weitere Temperatursensor der Erfassungsvorrichtung oder daran anschließbare weitere Temperatursensor ist an einer von der Wandleraußenfläche entfernt gelegenen Stelle angeordnet. Die Erfassungsvorrichtung umfasst eine Differenzschaltung, die eingerichtet ist, einen Unterschied zwischen der von dem Wandler erfassten Temperatur, die die Wandleraußenfläche oder eine daran unmittelbar angrenzende Stelle aufweist, und der Temperatur als Differenzergebnis vorzusehen, die von dem weiteren Wandler erfasst wird. Der weitere Temperatursensor erfasst die Umgebungstemperatur, jedoch an einer anderen Stelle, vorzugsweise an einer geschützten Stelle, und sieht eine Referenztemperatur vor. Unterscheidet sich die Temperatur an der Wandleraußenfläche von der Referenztemperatur (in Höhe oder in zeitlichem Verlauf), dann kann festgestellt werden, dass die Wandleraußenfläche einen Belag (beispielsweise eine Eisbelag) aufweist, der die (geschützte) Erfassung der Außentemperatur verfälscht. Anhand dieser Erfassung kann auf die Präsenz des Belags geschlossen werden, der den Ultraschallsensor in akustischer Hinsicht blockiert.
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Die Erfindung wird ferner umgesetzt mittels eines Verfahrens zur Erfassung einer Blockierung an einer Wandleraußenfläche eines zur Abstandserfassung vorgesehenen Ultraschallsensors. Eine elektrische Eigenschaft oder eine Temperatur an einer Blockadesensorfläche eines Blockadesensor wird von diesem erfasst wird. Die Blockadesensorfläche ist an der Wandleraußenfläche vorgesehen. Anhand der elektrischen Eigenschaft oder der Temperatur an der Blockadesensorfläche wird verfahrensgemäß auf eine Blockierung der Wandleraußenfläche geschlossen, die von Blockadematerial vorgesehen wird, das die elektrische Eigenschaft oder Temperatur aufweist. Somit wird von der elektrischen Eigenschaft bzw. Temperatur, die an (oder auf) der Wandleraußenfläche vorliegt oder in unmittelbarer Nähe von dieser vorliegt, auf Material geschlossen, das den Ultraschallsensor akustisch blockiert.
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Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die elektrische Eigenschaft erfasst wird in Form einer Kapazität oder in Form eines elektrischen Widerstands (allgemein: elektrische Impedanz). Von einer Blockierung wird ausgegangen, wenn die Kapazität größer als ein vorgegebener Kapazitätsschwellwert ist. Alternativ wird von einer Blockierung ausgegangen, wenn der elektrische Widerstand kleiner als ein vorgegebener Widerstandsschwellwert ist. Die Schwellwerte entsprechen einer blockadefreien Blockadesensorfläche, d. h. einer Blockadesensorfläche bzw. Wandleraußenfläche, die unmittelbar an Umgebungsluft angrenzt. Ein Blockadesignal wird vorgesehen oder angezeigt, wenn aufgrund der Erfassung von einer Blockade auszugehen ist. Das Blockadesignal wird von einer Auswerteschaltung bzw. von einem Signalgenerator erzeugt.
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Eine alternative Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, die Temperatur an der Blockadesensorfläche zu erfassen (mittels eines Temperatursensors an, unter oder in unmittelbarer Nähe der Wandleraußenfläche). Vorzugsweise wird ferner eine weitere Temperatur als Umgebungstemperatur bzw. Referenztemperatur an einer Stelle erfasst, die von der Wandleraußenfläche entfernt gelegenen ist. Diese Variante, welche die Temperaturerfassung an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen (zumindest eine davon an der Wandleraußenfläche) vorsieht, entspricht der Erfassung als Temperaturdifferenz. Von einer Blockierung wird ausgegangen, wenn die Temperatur an der Blockadesensorfläche sich von der weiteren Temperatur um mehr als einen vorgegebenen Temperaturdifferenzwert unterscheidet. Ferner wird von einer Blockierung ausgegangen, wenn der zeitliche Verlauf der Temperatur an der Blockadesensorfläche sich von dem zeitlichen Verlauf der weiteren Temperatur (d. h. Referenztemperatur) unterscheidet. Ein Blockadesignal wird vorgesehen oder angezeigt, wenn aufgrund der Erfassung der Temperaturen bzw. der Temperaturdifferenz von einer Blockade auszugehen ist. Durch Verwertung der Temperaturdifferenz anstatt einer einzelnen Temperatur an der Wandleraußenfläche kann eine blockadefreie Situation mit Temperaturen (deutlich) unter dem Gefrierpunkt von Wasser unterschieden werden von eine Situation, in der die Wandleraußenfläche von einer Eisschicht (o. ä.) bedeckt ist und deshalb eine andere Temperatur als die (eisfrei erfasste) Umgebungstemperatur aufweist. Die geschützt und deshalb blockadefrei erfasste Umgebungstemperatur dient als Referenztemperatur. Die Referenztemperatur kann geschützt durch einen Vorsprung oder auf andere Weise gebildeten, nach in die Umgebung offenen Raum erfasst werden mittels eines Referenztemperatursensors mit einer Sensorstelle, die derart geschützt vorgesehen ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird lediglich der Temperaturverlauf an der Wandleraußenfläche erfasst und mit einem vorgegebenen Temperaturverlauf verglichen, vorzugsweise einem vorgegebenen Temperaturverlauf, der gemäß erfassten Fahrbedingungen (bsp. Fahrzeuggeschwindigkeit = 0 oder > 0) vorgegeben wird. Bei Fahrzeuggeschwindigkeit > 0 sollten sich (aufgrund der Fahrtwinds) Temperaturverläufe mit zeitlich variierender Temperatur ergeben, wenn der Wandler blockadefrei ist; wird daher beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit > 0 erfasst und die erfasste Temperatur ist im Wesentlichen konstant (bzw. zeigt eine maximale Änderungsrate, die kleiner als eine für den Fahrbetrieb typischen, vorgegebene Mindestrate ist), dann kann von einer Blockierung durch Eis o. ä. (d. h. von einer Störung) ausgegangen werden.
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Die auf Temperaturmessung basierende Ausführungsformen können passive Temperaturmessung oder aktive Temperaturmessung verwenden. Bei aktiver Temperaturmessung wird eine IR-Quelle verwendet, und deren Strahlung nach Ausbreitung an der Wandlerfläche erfasst und gemäß vorgegebener typischer Werte ausgewertet wird. Ferner kann eine Wärmequelle vorgesehen werden, die in Wärme leitendem Kontakt mit der Wandleraußenfläche steht. Wird ein Wärmesensor, der sich nahe der Wärmequelle befindet, mit einem hohen Temperaturanstieg bei Aktivierung der Wärmequelle erwärmt, geht man von einem blockadefreiem Zustand aus, bei einem Anstieg unterhalb einer vorgegebenen, typische Temperaturanstiegsrate kann von Eisbelag oder Schneematschbelag ausgegangen werden. Wird eine Blockade erfasst, kann die Wärmequelle aktiviert werden, um die Wandlerfläche deutlich über 0°C zu erwärmen und um den Belag abzuschmelzen.
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Weitere Ausführungsformen betreffen eine optische Abtastung, entweder passiv oder aktiv. Insbesondere kann mit einem optischen Sensor (an der Wandleraußenfläche oder auf diese gerichtet) das Spektrum erfasst werden und mit einem typischen Spektrum verglichen werden. Da Eis oder Schneematsch eine charakteristische Frequenz selektive Streuung von Licht aufweist, können insbesondere frequenzselektive (d. h. wellenlängenselektive) Filter verwendet werden, um das Spektrum abzuschätzen. Ferner kann die Lichtintensität ausgewertet werden. Bei passiver optische Abtastung werden vorzugsweise zwei optische Sensoren verwendet, einer ausgerichtet zur Erfassung der Wandleraußenfläche (oder einer nahe gelegenen Stelle), und ein weiterer, entfernt gelegener zur Referenz. Bei Unterschieden zwischen den erfassten Sensorwerten größer als ein vorgegebener Unterschied wird auf eine Blockierung der Wandleraußenfläche geschlossen. Bei aktiver optischer Erfassung wird durch eine Lichtquelle Licht auf oder in die Nähe der Wandleraußenfläche gestrahlt, das an der Wandleraußenfläche oder in der Nähe hiervon reflektierte oder transmittierte Licht wird von einem an oder in der Nähe der Wandleraußenfläche angeordneten Lichtempfänger erfasst und ausgewertet. Die Auswertung kann die Intensität oder das Spektrum betreffen; bei Auswertung des Spektrums kann ein frequenzselektiver (d. h. wellenlängenselektive) Filter verwendet werden. Zur Unterdrückung von Störeinflüssen kann das abgestrahlte Licht moduliert sein, wobei der Empfänger das modulierte Licht von anderem Licht unterscheiden kann. Ebenso ist eine Filterung am Empfänger möglich, wenn das abgestrahlte Licht eine bestimmt Wellenlänge aufweist, wobei die Filterung diese Wellenlänge passieren lässt und andere Wellenlängen abblockt. Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor in der Draufsicht.
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2 zeigt den in 1 dargestellten Ultraschallsensor in Schnittdarstellung.
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Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor 10 mit einer Wandleraußenfläche 12 und einem Blockadesensor 20, 22 dargestellt. In der kreisförmigen Wandleraußenfläche 12 sind zwei konzentrische, kreisförmige Elektroden 20, 22 angeordnet, die den Blockadesensor bilden. Die Elektroden 20, 22 sind als Leiterbahnen ausgebildet, wobei jede Elektrode einen elektrischen Anschluss aufweist (nicht dargestellt), beispielsweise ebenso in Form einer Leiterbahn. Die Elektroden 20, 22 sind mit einer nichtleitenden Schutzschicht abgedeckt (nicht dargestellt). Die Elektroden selbst und die Fläche zwischen den Elektroden bildet eine Blockadesensorfläche 30, die gemäß dem Verlauf der Elektroden 20, 22 ringförmig ist. Die Elektroden 20, 22 und somit die Blockadesensorfläche 30 sind in der Wandleraußenfläche 12 integriert und erfassen mittels eines elektrischen Wechselfeldes die kapazitiven Eigenschaften des Raums, der sich über der Zeichenebene (d. h. über den Elektroden 20, 22) von der Wandleraußenfläche (und von den Wandlern) weg erstreckt.
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Die Elektroden bilden einen kapazitiven Blockadesensor, ggf. zusammen mit einer Anregungsschaltung (nicht dargestellt), die das elektrische Wechselfeld über den Elektroden 20, 22 erzeugt, und ggf. zusammen mit einer Auswertungsschaltung (nicht dargestellt), die den Strom bzw. die Spannung zwischen den Elektroden 20, 22 auswertet. Eine derartige Auswertungsschaltung kann beispielsweise ein analoges Schwellwertglied umfassen, das ermittelt, ob ein erfasstes Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet oder nicht. Eine Auswertungsschaltung (d. h. das Schwellwertglied) sowie die Anregungsschaltung (bsp. ein Wechselsignalgenerator, insbesondere ein Flip-Flop) können mit dem Ultraschallwandler integriert sein, d. h. in demselben Gehäuse wie der Ultraschallwandler untergebracht sein.
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Die Elektrode 24 liegt außerhalb des Seitenrands der Wandleraußenfläche 10 (mit dicker Linie dargestellt) und umgreift diese konzentrisch. Der Abstand zwischen Elektrode 24, die im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Wandleraußenfläche 10 liegt, und dem Seitenrand der Wandleraußenfläche 10 beträgt typischerweise wenige Millimeter, vorzugsweise weniger als 2, 1, 0.5 oder 0.1 mm. Die Elektrode 24 kann auf einem Träger oder einem Gehäuseabschnitt liegen in dem auch der Wandler vorgesehen ist. Die Elektrode 24 umgreift Wandleraußenfläche 10 vollumfänglich. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Elektrode 24 zweiteilig sein, d. h. an zwei Stellen unterbrochen, und so zwei voneinander isolierte Elektrodenstücke bilden, die jeweils als Elektrode verwendet werden. Weiterhin kann in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform die Elektrode 24 zweiteilig sein in Form von zwei voneinander elektrisch isolierten konzentrischen Ringen, die ein Elektrodenpaar bilden. In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird Elektrode 24 als eine Elektrode eines Elektrodenpaars verwendet, wobei eine Metallfläche des Wandlers (die eine Komponente, bsp. eine Anregungselektrode des Wandlers darstellt) als die andere Elektrode des Elektrodenpaars darstellt.
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Eine Ausführungsform, die die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung darstellt, entspricht der in 1 dargestellten Variante, wobei als Elektroden die Elektrode 24 und eine Metallfläche (als Funktionskomponente des Wandlers) dienen, der zur Elektrode 24 ausgerichtete Rand der Metallfläche als Gegenelektrode verwendet wird, der Rand der Metallfläche dem Außenrand der Wandleraußenfläche 12 entspricht oder konzentrisch zu diesem innerhalb der Wandleraußenfläche 12 verläuft, und die Elektroden durch eine kapazitive Erfassung ausgewertet werden. Alternativ kann eine andere Metallkomponente des Fahrzeugs als Gegenelektrode zur Elektrode 24 verwendet werden.
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Die 2 zeigt den Ultraschallsensor von 1 in Schnittdarstellung. Die Bezugszeichen der 2 entsprechen den Bezugszeichen der 1 mit einem vorgestellten Ziffer 1. Der in 2 dargestellte Ultraschallsensor 110 eine Wandleraußenfläche 120 zur Abstrahlung und zum Empfang von Ultraschallwellen. Der Ultraschallsensor 110 umfasst einen Ultraschallwandler 114, mit zwei flächigen Wandlerelektroden 116a, b, zwischen denen eine Schicht 118 aus piezoelektrisch aktivem Material vorgesehen ist. Die Wandlerelektroden 116a, b erzeugen ein elektrisches Feld, das die Schicht 118 zu einer Kontraktion veranlasst, wenn ein Ultraschallpuls gesendet wird. Beim Empfang erzeugen die Elektroden 116a, b ein Signal gemäß der empfangenen Ultraschallwelle. Über der oberen, nach außen gerichteten Wandlerelektrode 116b ist eine Isolationsschicht 140 vorgesehen, die die Wandlerelektrode 116b elektrisch von den darüber liegenden Elektroden 120, 122 (des Blockadesensors) zu trennen. Zwischen den Elektroden 120, 122 (des Blockadesensors) wird ein elektrisches Wechselfeld 150 angeregt, dessen Störung durch eine darüber liegende Blockadeschicht (nicht dargestellt) erfindungsgemäß erfasst wird. Auf der Isolationsschicht 140 und auf den Elektroden 120,122 (des Blockadesensors) ist eine Schutzschicht 160 angeordnet, beispielsweise eine Lackschicht. Die Schutzschicht 160 ist nichtleitend und hat vorzugsweise eine geringe elektrische Dielektrizitätskonstante, beispielsweise < 20 oder < 10 oder < 5, um das Feld 150 nicht zu deformieren. Ferner ist die Schutzschicht 160 dünn ausgebildet, vorzugsweise dünner als 1 mm oder dünner als 200 μm.
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Die Elektroden 120, 122 definieren somit einen Blockadesensorbereich 130, der von dem Wandler 110 weg gerichtet ist und in den Raum über der Schutzschicht 160 hineinragt. Der Blockadesensorbereich 130 ist in seiner räumlichen Orientierung durch den Verlauf der Feldlinien 150 definiert.
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Die elektrischen Eigenschaften, insbesondere bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors als kapazitiver Sensor, werden anhand von Anstiegszeiten des Elektrodensignals der Elektroden 120, 122 (oder eines anderen Elektrodenpaars) erfasst, insbesondere bei der Anregung mit einem Rechtecksignal. Alternativ werden der Maximalamplitudenwert oder ein gleichgerichtetes Signal der Elektroden 120, 122 (oder eines anderen Elektrodenpaars) zur Auswertung verwendet. Lange Anstiegszeiten bedeuten eine hohe Kapazität durch die Elektroden 120, 122 (oder eines anderen Elektrodenpaars), so dass Anstiegszeiten, die über einem Schwellwert liegen, auf einen Belag hinweisen. Zur Anregung werden vorzugsweise Signale verwendet, deren Frequenz einer Frequenz entspricht, bei der Eis eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Aufgrund der polaren Natur von Eis sind dies relative niedrige Frequenzen < 100 kHz oder < 20 kHz. Ferner kann eine Wasserschicht von einem Eisbelag anhand der verschiedenen Dielektrizitätszahlen unterschieden werden oder anhand der unterschiedlichen Abhängigkeiten der jeweiligen Dielektrizitätszahl von der Frequenz. Es können beispielweise ein Punkt oder mehrere Punkte des Cole-Cole-Diagramms erfasst werden und mit Sollwerten für Eis bzw. für Wasser verglichen werden. Es können somit mindestens zwei zur Anregung verwendeten Frequenzen zur Auswertung herangezogen werden, um Wasserbelag von Eisbelag unterscheiden zu können. Zur Auswertung verwendete Schwellwerte orientieren sich vorzugsweise an den Werten, die bei einem Eisbelag zu erwarten sind. Wasserschichten können als blockadefreie Situation eingestuft werden zumal diese üblicherweise nicht kontinuierlich und vergleichsweise dünn sind.
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Die Schichtdicken sind in 2 nicht maßstäblich dargestellt; insbesondere die Dicke der Schichten 120 122 und 160 ist gering (weniger als 500 μm bzw. weniger als 100 μm), um die elektrische oder akustische Anregung des Ultraschallwandlers nicht zu beeinträchtigen. Diese Schichten sind ferner vorzugsweise aus Materialien, die elastisch sind und die Schallerzeugung bzw. Schallaufnahme nicht beeinträchtigen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Schutzschicht nicht über die gesamte Wandleraußenfläche, sondern nur über der Blockadesensorfläche oder bedeckt auch nur die Elektroden (diese jedoch vollständig, ggf. inklusive eines schmalen Rands, der sich seitlich von den Elektroden erstreckt). Aufgrund der Kreisform der Elektroden verzerren diese das erzeugte (oder empfangene) Schallsignal nicht, da sich bei Anregung der Ultraschallwandler (ebenso kreisförmig) Wellen kreisförmig von Zentrum aus ausbreiten und diese Ausbreitungsbewegung durch die konzentrischen, kreisförmigen Elektroden gleichförmig mitgetragen wird.
