DE102021114989A1

DE102021114989A1 - Verfahren zum bestimmen einer temperatur einer membran eines ultraschallsensors, computerprogrammprodukt, ultraschallsensor und fahrzeug

Info

Publication number: DE102021114989A1
Application number: DE102021114989.4A
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Bariant; Tobias Geiger; Wolfgang Hamm; Anto Michael; Radhakrishna Chivukula; Jan Haberny
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-12-15

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran (3) eines in einem Fahrzeug (100) angeordneten Ultraschallsensors (1), wobei der Ultraschallsensor (1) die Membran (3), ein Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3) und ein das Anregungselement (4) aufnehmendes Gehäuse (2) aufweist; wobei das Verfahren umfasst:Messen (S1) einer Temperatur in einem Inneren (12) des Gehäuses (2) und einer Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100);Bestimmen (S2) der Temperatur der Membran (3) auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) und der gemessenen Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran eines Ultraschallsensors, ein Verfahren zum Steuern des Ultraschallsensors, ein Computerprogrammprodukt, einen Ultraschallsensor und ein Fahrzeug.
Ultraschallsensoren können in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Abstände zwischen dem Fahrzeug und Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, zu bestimmen. Solche Ultraschallsensoren können ein Gehäuse und eine Ultraschallmembran aufweisen, die in einer Öffnung des Gehäuses angeordnet ist. Mit den Ultraschallsensoren kann ein Abstand zu einem Objekt in der Fahrzeugumgebung nach dem Impuls-Echo-Verfahren gemessen werden. Dabei sendet die Ultraschallmembran, angeregt durch ein an ihr angebrachtes Anregungselement, Energie in Form eines Ultraschallsignals aus. Das Anregungselement detektiert dann Schwingungen der Ultraschallmembran, die aus einem aus der Fahrzeugumgebung zurückkommenden Echosignal resultieren. Anhand der Signallaufzeit wird die Entfernung zum Objekt bestimmt. Solche Messungen werden zum Beispiel von einem Einparkhilfesystem des Kraftfahrzeugs genutzt. Es ist bekannt, dass die Temperatur der Membran die Empfindlichkeit von Ultraschallsensoren beeinflussen kann.
Die DE 10 2012 002979 A1 zeigt einen zuvor beschriebenen Ultraschallsensor. Als Anregungselement wird ein temperaturabhängiger Oszillator verwendet, um die Signallaufzeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Ultraschallsensors zu kompensieren.
In der DE 10 2009 039 083 A1 wird die Umgebungstemperatur des Ultraschallsensors durch Beobachtung der Ultraschallschwingungen der Membran und Vergleich derselben mit Referenzwerten ermittelt.
Der in der DE 10 2012 215 493 A1 beschriebene Ultraschallsensor enthält einen Temperatursensor. Für unterschiedliche Temperaturwerte, die der Temperatursensor misst, werden unterschiedliche Werte für eine Schwelle eingestellt, ab der ein Echosignal erkannt wird.
In der US 2007/0157728 A1 erfolgt eine Temperaturkompensation in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran eines Ultraschallsensors bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran eines in einem Fahrzeug angeordneten Ultraschallsensors bereitgestellt. Der Ultraschallsensor weist die Membran, ein Anregungselement zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran und ein das Anregungselement aufnehmendes Gehäuse auf. Das Verfahren umfasst:

Messen einer Temperatur in einem Inneren des Gehäuses und einer Temperatur außerhalb des Fahrzeugs;
Bestimmen der Temperatur der Membran auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren des Gehäuses und der gemessenen Temperatur außerhalb des Fahrzeugs.

Die Platzierung eines Temperatursensors auf der Membran ist in der Regel schwierig, weil die Membran vibriert und/oder weil sich die Membran an der Grenze zwischen dem Gehäuseinneren (das sich im Fahrzeug befindet) und dem Fahrzeugäußeren befindet. Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann die Temperatur der Membran bestimmt werden, ohne die Temperatur der Membran direkt zu messen. Dadurch kann auf einen an der Membran angeordneten Temperatursensor verzichtet werden. Die Ermittlung der Temperatur der Membran ist vorteilhaft, da die Temperaturabhängigkeit des Ultraschallsensors (insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Membrananregungsfrequenz und/oder eines Detektionsfrequenzbereichs, in dem der Ultraschallsensor zur Erfassung der Membranschwingungen eingestellt ist) entsprechend kompensiert werden kann. Dadurch erhält man einen Ultraschallsensor, der über das gesamte Temperaturspektrum der Membran zuverlässig ist.
Der Ultraschallsensor kann in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Abstände zwischen dem Fahrzeug und Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs zu bestimmen. Das Fahrzeug kann als Personenwagen, wie zum Beispiel Pkw, Lkw, Bus, Bahn, Flugzeug oder ähnliches, ausgeführt sein. Der Ultraschallsensor kann Teil eines Einparkhilfesystems des Kraftfahrzeugs sein.
Der Ultraschallsensor kann ein Gehäuse und eine in einer Öffnung des Gehäuses angeordnete Ultraschallmembran (auch als „Membran“ oder „Diaphragma“ bezeichnet) umfassen. Mit dem Ultraschallsensor kann ein Abstand zu einem Objekt in der Fahrzeugumgebung nach dem Impuls-Echo-Verfahren gemessen werden. Dabei gibt die Ultraschallmembran, angeregt durch das an ihr angebrachte Anregungselement, Energie in Form eines Ultraschallsignals ab. Das Anregungselement (z. B. ein Piezoelement) detektiert dann Schwingungen der Ultraschallmembran, die von einem Echosignal stammen, das von einem Objekt in der Fahrzeugumgebung zurückkommt. Anhand der Signallaufzeit wird der Abstand zum Objekt ermittelt.
Die Temperatur der Membran (auch als „Membrantemperatur“ bezeichnet) verändert die Eigenschaften der Membran und kann somit die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors beeinflussen. Die Temperatur der Membran ist besonders schwierig zu messen, da sich die Membran an der Grenze zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Äußeren des Fahrzeugs befindet. Insbesondere variiert die Temperatur der Membran in Abhängigkeit von der Temperatur innerhalb des Gehäuses und der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs.
Zur Kalibrierung des Ultraschallsensors kann es sinnvoll sein, die Temperatur der Membran zu bestimmen. Die Temperatur der Membran kann durch Berechnungen ermittelt werden, insbesondere ohne Verwendung eines direkt an der Membran angebrachten Temperatursensors. Die Temperatur der Membran ist eine membranspezifische Temperatur, die insbesondere nicht einer Umgebungstemperatur, einer Raumtemperatur, einer Temperatur der Umgebung des Ultraschallsensors (Temperatur im Inneren des Gehäuses), einer Temperatur im Inneren des Gehäuses oder dergleichen entspricht. Das Bestimmen der genauen Temperatur der Membran ermöglicht eine bessere Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Membran.
Das Gehäuse kann ein Kunststoffgehäuse sein. Es kann zumindest teilweise das Anregungselement aufnehmen. Das Gehäuse kann ferner teilweise die Membran aufnehmen, wobei die Membran vorzugsweise in einer Öffnung des Gehäuses angeordnet ist.
Um die Temperatur innerhalb des Gehäuses (nämlich eine Temperatur in einem Inneren des Gehäuses) zu messen, kann ein Temperatursensor in einem Inneren des Gehäuses angeordnet sein, insbesondere so, dass er in direkter Verbindung mit der Luft im Gehäuse steht. Die Temperatur im Inneren des Gehäuses kann einer Temperatur der Luft im Inneren des Gehäuses entsprechen. Das „Innere“ des Gehäuses kann durch die inneren Gehäusewände und/oder durch die in einer Öffnung des Gehäuses angeordnete Membran begrenzt sein.
Um die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs zu messen, kann ein Temperatursensor an einer Außenfläche des Gehäuses angebracht sein. Die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs kann die Temperatur eines Bereichs sein, der das Fahrzeug direkt umgibt (vorzugsweise in weniger als 1, 2 oder 5 cm Entfernung vom Fahrzeug) oder in der Nähe des Fahrzeugs liegt (insbesondere zwischen 2 und 10 cm vom Fahrzeug). Die Temperatur außerhalb des Gehäuses kann die Temperatur der Luft außerhalb des Fahrzeugs sein. „Außerhalb“ des Fahrzeugs kann einen Außenbereich des Fahrzeugs bezeichnen.
Die im Gehäuse oder außerhalb des Fahrzeugs platzierten Temperatursensoren können als resistive Temperaturfühler, Thermoelemente, Thermostate oder ähnliches realisiert sein.
Da das Innere des Gehäuses und das Äußere des Fahrzeugs in Kontakt mit der Membran stehen, wird die Temperatur der Membran von der Temperatur im Inneren des Gehäuses und der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs beeinflusst. Die Temperatur der Membran kann anhand der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und der Temperatur im Inneren des Gehäuses ermittelt werden, vorzugsweise ohne zusätzliche Messungen. Insbesondere wird keine direkte Messung der Temperatur der Membran durchgeführt.
Um die Temperatur der Membran basierend auf der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und der Temperatur im Inneren des Gehäuses zu bestimmen, kann ein Modell für die Temperatur der Membran verwendet werden, das die Temperatur der Membran, die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und die Temperatur im Inneren des Gehäuses miteinander verknüpft. Ein solches Modell kann eine vorgespeicherte Funktion enthalten, die die drei Temperaturen (Temperatur der Membran, Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und Temperatur im Inneren des Gehäuses) miteinander verknüpft, und/oder eine vorgespeicherte Tabelle, die diese drei Temperaturen miteinander verbindet. Zum Beispiel definiert die vorgespeicherte Formel eine Beziehung zwischen der Temperatur im Inneren des Gehäuses, der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und der Temperatur der Membran.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Ultraschallsensor ferner eine Steuereinheit zum Steuern des Anregungselements auf, wobei der Schritt des Messens der Temperatur im Inneren des Gehäuses das Messen der Temperatur der Steuereinheit umfasst.
Die Steuereinheit kann mit dem Anregungselement verbunden sein. Die Steuereinheit versorgt das Anregungselement beispielsweise mit einem vorbestimmten elektrischen Signal und definiert damit die Schwingungsfrequenz, mit der das Anregungselement die Membran anregt. Die Steuereinheit kann ferner ein elektrisches Signal vom Anregungselement als Reaktion auf den Empfang eines Echos an der Membran empfangen und auf der Grundlage dieses elektrischen Signals einen Abstand des Objekts bestimmen, das das Ultraschallsignal reflektiert. Die Steuereinheit kann ein ASIC sein.
Die Steuereinheit kann zumindest teilweise in dem Gehäuse untergebracht sein. Um die Temperatur der Steuereinheit zu messen, kann ein Temperatursensor an der Steuereinheit angeordnet sein, insbesondere so, dass er in direkter Verbindung mit einer Oberfläche der Steuereinheit steht. Die Temperatur der Steuereinheit kann als die Temperatur der Luft im Inneren des Gehäuses entsprechend approximiert werden. Die Temperatur der Steuereinheit kann als die Temperatur im Inneren des Gehäuses verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Bestimmens der Temperatur der Membran die Berechnung der Summe aus der Temperatur im Inneren des Gehäuses multipliziert mit einer Konstante und der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs multipliziert mit eins minus der Konstante, wobei die Konstante empirisch bestimmt wird.
Mit anderen Worten kann das Modell, das die Temperatur der Membran, die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und die Temperatur im Inneren des Gehäuses verknüpft, durch die folgende Funktion ausgedrückt werden: T_M = a T_i + (1-a) T_o, wobei a die Konstante ist, T_M die Temperatur der Membran ist, T_i die Temperatur im Inneren des Gehäuses und T_o die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs ist. Die Konstante kann für jeden Ultraschallsensor spezifisch sein und/oder sie kann für einen bestimmten Ultraschallsensortyp spezifisch sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Konstante das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit vom Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran zur Summe der Wärmeleitfähigkeit vom Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran und der Wärmeleitfähigkeit von der Membran in Richtung von außerhalb des Fahrzeugs.
Mit anderen Worten bedeutet es, dass wenn die Wärmeleitfähigkeit vom Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran R₁ ist und die Wärmeleitfähigkeit von der Membran in Richtung von außerhalb des Fahrzeugs R₂ ist, und dass die Konstante das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit von dem Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran zur Summe der Wärmeleitfähigkeit von dem Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran und der Wärmeleitfähigkeit von der Membran in Richtung von außerhalb des Fahrzeugs ist, dann ist: a = R₁/(R₁+R₂). Wenn die Werte von R₁ und R₂ bekannt sind, können sie direkt in die obige Gleichung eingesetzt werden, um den Wert der Konstante a zu erhalten. Alternativ können die Werte für R₁, R₂ und/oder die Konstante a empirisch ermittelt werden.
Nach dem Fourierschen Leitungsgesetz ist die Wärmeleitfähigkeit R₁ vom Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran definiert als das Verhältnis des Wärmestroms vom Inneren des Gehäuses in Richtung der Membran (q_i → _M) zur Differenz zwischen der Temperatur der Membran T_M und der Temperatur des Gehäuseinneren T_i. Mit anderen Worten gilt: R₁ = q_i→M / (T_M - T_i). Analog dazu ist die Wärmeleitfähigkeit R₂ von der Membran in Richtung von außerhalb des Fahrzeugs definiert als das Verhältnis des Wärmestroms von der Membran in Richtung von außerhalb des Fahrzeugs (q_M→o) zur Differenz zwischen der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs T_O und der Temperatur der Membran T_M. Mit anderen Worten gilt: R₂ = q_{M → o} / (T_o - T_M).
Im Gleichgewicht ist q_i→M = q_M→o, und daher ist R₁(T_M - T_i) = R₂(T_o - T_M). Löst man für T_M, so erhält man die Gleichung T_M= a T_i + (1-a) T_o mit a = R1/(R1+R2).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

Bereitstellen eines Referenz-Ultraschallsensors;
Messen der Temperatur im Inneren des Gehäuses, der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und der Temperatur der Membran des Referenz-Ultraschallsensors; und
Bestimmen der Konstante auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren des Gehäuses des Referenz-Ultraschallsensors, der gemessenen Temperatur außerhalb des Fahrzeugs des Referenz-Ultraschallsensors und der gemessenen Temperatur der Membran des Referenz-Ultraschallsensors.

Die Konstante kann empirisch mit Hilfe eines Referenz-Ultraschallsensors bestimmt werden. Der Referenz-Ultraschallsensor kann ein Ultraschallsensor sein, der einen identischen und/oder ähnlichen Aufbau hat wie der zuvor beschriebene Ultraschallsensor. Insbesondere weist der Referenz-Ultraschallsensor ebenfalls eine Membran, ein Anregungselement, ein Gehäuse und optional eine Steuereinheit auf. Der Referenz-Ultraschallsensor kann ein Ultraschallsensor desselben Typs, insbesondere mit denselben Eigenschaften, wie der zuvor beschriebene Ultraschallsensor sein.
Nachdem die Konstante mit dem Referenz-Ultraschallsensor ermittelt wurde, kann der ermittelte Wert der Konstante zum Bestimmen der Temperatur der Membran mehrerer anderer Ultraschallsensoren, einschließlich des zuvor beschriebenen Ultraschallsensors, verwendet werden. Die einmalige Bestimmung der Konstante kann den Prozess der Bestimmung der Temperatur der Membran vorteilhaft vereinfachen, da die Anzahl der erforderlichen Messungen reduziert werden kann.
Die Temperatur im Inneren des Gehäuses und die Temperatur außerhalb des Fahrzeugs des Referenz-Ultraschallsensors können auf die gleiche Weise wie oben beschrieben bestimmt werden, insbesondere mit Temperatursensoren, die im Inneren des Gehäuses und außerhalb des Fahrzeugs angeordnet sind. Weiterhin kann der Referenz-Ultraschallsensor einen auf oder an der Membran angeordneten Temperatursensor enthalten, um die Temperatur der Membran des Referenz-Ultraschallsensors zu ermitteln. Vorzugsweise können die drei Temperaturen (Temperatur der Membran, des Inneren des Gehäuses und außerhalb des Fahrzeugs des Referenz-Ultraschallsensors) mehrfach gemessen werden, zum Beispiel mit unterschiedlichen Referenz-Ultraschallsensoren und/oder bei Änderung einer oder mehrerer Bedingungen. Solche Bedingungen beinhalten beispielsweise eine Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung und dergleichen.
Basierend auf den gemessenen drei Temperaturen kann ein Zusammenhang zwischen den drei Temperaturen ermittelt werden. Die Ermittlung dieses Zusammenhangs beinhaltet die Bestimmung der Konstante. Die bestimmte Konstante kann zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um die Temperatur der Membran von mehreren Ultraschallsensoren genau zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt des Bestimmens der Temperatur der Membran angenommen, dass:

die Membran, das Innere des Gehäuses und das Äußere des Fahrzeugs sich im thermischen Gleichgewicht befinden;
die von der Sonne abgestrahlte Energie vernachlässigt werden kann; und/oder
Schwankungen der Konstante aufgrund von Feuchtigkeitsschwankungen vernachlässigt werden können.

Die Plausibilität der Vernachlässigung dieser Parameter wurde empirisch geprüft. Eine maximale Abweichung der berechneten Temperatur der Membran von einer tatsächlichen (gemessenen) Temperatur der Membran lag unter einem vorgegebenen Schwellenwert, insbesondere unter 8°C. Es wurde daher als gerechtfertigt erachtet, einen oder mehrere der oben genannten Einflüsse zu ignorieren.
Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die Schwankungen der Temperatur der Membran von der Position des Ultraschallsensors am Fahrzeug, davon, ob der Ultraschallsensor durch den Motor des Fahrzeugs beheizt wird, davon, ob der Ultraschallsensor durch die Stoßstange des Fahrzeugs beheizt wird, von einer Außentemperatur (einer Temperatur außerhalb des Fahrzeugs) und dergleichen abhängen.
Darüber hinaus kann angenommen werden, dass die Temperatur im Inneren des Gehäuses gleich der Temperatur des Steuergeräts ist. Dies ist besonders realistisch, da das Gehäuse mit Luft gefüllt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Schritte des Messens der Temperatur im Inneren des Gehäuses und der Temperatur außerhalb des Fahrzeugs sowie des Ermittelns der Temperatur der Membran während einer Betriebsphase des Ultraschallsensors mehrfach durchgeführt, insbesondere in regelmäßigen Abständen.
Die Betriebsphase kann ein Zeitraum sein, in dem der Ultraschallsensor zur Bestimmung eines Abstands zu einem Objekt verwendet wird, insbesondere ohne abgeschaltet zu sein. Dass die Schritte des Messens der Temperatur im Inneren des Gehäuses und einer Temperatur außerhalb des Fahrzeugs und des Ermittelns der Temperatur der Membran in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, bedeutet insbesondere, dass sie alle 1, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 60 Minuten oder dergleichen durchgeführt werden. Da die berechnete Temperatur der Membran regelmäßig aktualisiert und/oder neu berechnet wird, kann die Kalibrierung des Ultraschallsensors aktualisiert werden, wodurch eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors erhalten bleibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Membran an einer Grenze zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Äußeren des Fahrzeugs angeordnet.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern eines Ultraschallsensors bereitgestellt. Der Ultraschallsensor umfasst die Membran, ein Anregungselement zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran und ein Gehäuse, das das Anregungselement aufnimmt. Das Verfahren umfasst:

Steuern einer Anregungsfrequenz der Membran und/oder eines Erfassungsfrequenzbereichs, in dem der Ultraschallsensor zum Erfassen der Schwingungen der Membran eingestellt ist, auf der Grundlage der gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts oder einer Ausführungsform des ersten Aspekts bestimmten Temperatur der Membran.

Die unter Bezugnahme auf das Verfahren des ersten Aspekts beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten sinngemäß auch für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt oder gemäß einer Ausführungsform davon auszuführen.
Ein Computerprogrammprodukt, wie beispielsweise ein Computerprogrammmittel, kann als Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD oder als Datei, die von einem Server in einem Netzwerk heruntergeladen werden kann, verkörpert sein. Beispielsweise kann eine solche Datei durch Übertragung der Datei mit dem Computerprogrammprodukt von einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk bereitgestellt werden.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Ultraschallsensor bereitgestellt. Der Ultraschallsensor weist auf:

eine Membran;
ein Anregungselement zum Anregen der Membran und/oder zum Erfassen einer Vibration der Membran;
ein Gehäuse zur Aufnahme des Anregungselements;
einen ersten Temperatursensor zum Messen einer Temperatur im Inneren des Gehäuses;
einen zweiten Temperatursensor zum Messen einer Temperatur außerhalb des Fahrzeugs; und
eine Berechnungseinheit zum Bestimmen der Temperatur der Membran auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren des Gehäuses und der gemessenen Temperatur außerhalb des Fahrzeugs.

Die unter Bezugnahme auf das Verfahren des ersten Aspekts beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten sinngemäß für den Ultraschallsensor gemäß dem vierten Aspekt. Insbesondere ist der Ultraschallsensor gemäß dem vierten Aspekt dazu geeignet, das Verfahren des ersten oder zweiten Aspekts durchzuführen.
Gemäß einem fünften Aspekt wird ein Fahrzeug mit dem Ultraschallsensor gemäß dem vierten Aspekt bereitgestellt.
Weitere mögliche Ausführungsformen oder alternative Lösungen der Erfindung umfassen auch - hier nicht explizit genannte - Kombinationen von Merkmalen, die oben oder unten im Hinblick auf die Ausführungsformen beschrieben sind. Der Fachmann kann auch einzelne oder isolierte Aspekte und Merkmale zu der grundlegendsten Ausführungsform der Erfindung hinzufügen.
Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein Fahrzeug mit einem Ultraschallsensor zeigt;
2 den Ultraschallsensor aus 1 zeigt;
3 ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran des Ultraschallsensors von 2 zeigt;
4 ein Beispiel für einen Referenz-Ultraschallsensor zeigt;
5 ein Verfahren zum empirischen Bestimmen der Konstante zeigt; und
6 ein Verfahren zur Steuerung des Ultraschallsensors von 2 zeigt.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktional gleichwertige Elemente, sofern nicht anders angegeben.
Die 1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Ultraschallsensor 1. Bei dem Fahrzeug 100 handelt es sich um einen Pkw. In der Orientierung von 1 befindet sich der Ultraschallsensor 1 an einer rechten Seite des Fahrzeugs 100. Der Ultraschallsensor 1 ist geeignet, einen Abstand zu einem Hindernis oder Objekt auf der rechten Seite des Fahrzeugs 100 zu bestimmen. Die Kenntnis eines Abstands zu solchen Hindernissen oder Objekten ist besonders nützlich, um einen Fahrer beim Einparken zu unterstützen und/oder wenn das Fahrzeug 100 teilweise oder ganz autonom gefahren wird.
Der Ultraschallsensor 1 ist in der 2 näher dargestellt. Der Ultraschallsensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, das aus einem Kunststoffmaterial besteht. Auf einer Seite des Ultraschallsensors 1 (in der Orientierung von 2 auf der unteren Seite) umfasst das Gehäuse 2 eine Öffnung 11 zur Fahrzeugumgebung 13 (hier auch als „das Äußere“ des Fahrzeugs 100 bezeichnet), in der eine Ultraschallmembran 3 angeordnet ist. Die Membran 3 ist zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen ausgebildet.
Mit der Membran 3 ist ein Anregungselement 4, das ein Piezoelement ist, verbunden. Das Anregungselement 4 ist geeignet, ein elektrisches Signal zu empfangen und die Membran 3 entsprechend mechanisch anzuregen. Weiterhin ist das Anregungselement 4 geeignet, die Schwingungen von der Membran 3 zu empfangen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Der Ultraschallsensor 2 verwendet ein Dual-Chirp-Breitbandsignal. Um sicherzustellen, dass die Signalamplitude über die Temperatur der Membran 3 konstant ist, wird die Temperatur der Membran 3 berechnet und zur Kalibrierung des Ultraschallsensors 2 verwendet.
Im Inneren 12 des Gehäuses 2 weist das Ultraschallsensorsystem 1 weiterhin eine Leiterplatte (PCB) 7 auf, auf der eine Steuereinheit 5 und eine Recheneinheit 10 angeordnet sind. Die Einheiten 5, 10 können in einen ASIC eingebettet sein. Die Funktionalitäten dieser Einheiten 5, 10 werden im Folgenden beschrieben.
Die Leiterplatte 7 ist über ein Kontaktelement 6 mit dem Anregungselement 4 verbunden, um elektrische Signale dorthin zu übertragen und/oder elektrische Signale von dort zu empfangen. Das Kontaktelement 6 ist im Beispiel von 2 ein Draht. Im Einzelnen steuert die Steuereinheit 5 das Anregungselement 4 an, indem sie ihm ein elektrisches Signal zuführt, das ihm erlaubt, die Membran 3 entsprechend anzuregen.
Der Ultraschallsensor 1 umfasst ferner einen ersten Temperatursensor 8 und einen zweiten Temperatursensor 9. Die Temperatursensoren 8, 9 sind als resistive Temperaturdetektoren ausgeführt. Der erste Temperatursensor 8 ist auf einer Oberseite der Steuereinheit 5 in direktem Kontakt mit dieser angeordnet. Der erste Temperatursensor 8 kann somit die Temperatur des Steuergerätes 5 erfassen. Die Temperatur der Luft im Inneren 12 des Gehäuses 2 wird mit der Temperatur des Steuergerätes 5 gleichgesetzt. Die Ermittlung der Temperatur des Steuergerätes 5 entspricht somit der Ermittlung der Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2.
Der zweite Temperatursensor 9 ist außerhalb des Fahrzeugs 100 in direktem Kontakt mit diesem angeordnet. Der zweite Temperatursensor 9 kann somit die Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100, insbesondere in unmittelbarer Umgebung des Fahrzeugs 100, erfassen.
Der Ultraschallsensor 1 ist dazu ausgebildet, die Temperatur der Membran 3 durch Ausführen des Verfahrens der 3 zu ermitteln.
Im Detail wird in einem Schritt S1 der 3 eine Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2 und außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 gemessen. Dazu werden, wie oben beschrieben, der erste und zweite Temperatursensor 8, 9 verwendet. Die mit dem ersten Temperatursensor 8 gemessenen Messwerte der Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2 und der mit dem zweiten Temperatursensor 9 gemessenen Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 werden an die Recheneinheit 10 übertragen.
In einem Schritt S2 der 3 wird die Temperatur der Membran 3 auf der Grundlage der in dem Schritt S1 gemessenen Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2 und der Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 berechnet.
Zur Berechnung der Temperatur der Membran 3 verwendet die Recheneinheit 10 die folgende in der Recheneinheit 10 hinterlegte Formel: T_M = a T_i + (1-a) T_o, wobei a eine Konstante ist, T_m die Temperatur der Membran 3 ist, T_i die Temperatur in Inneren 12 des Gehäuses 2 und T_o die Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 ist.
Die Konstante a ist ein Wert, der gleich a = R₁/(R₁+R₂) ist, wobei R₁ die Wärmeleitfähigkeit vom Inneren 12 des Gehäuses 2 in Richtung der Membran 3 und R₂ die Wärmeleitfähigkeit von der Membran 3 in Richtung der Außenseite 13 des Fahrzeugs 100 ist.
Die Konstante a wird experimentell (empirisch) ermittelt, ohne dass R₁ oder R₂ bekannt oder bestimmt sein müssen, und zwar mit Hilfe eines Referenz-Ultraschallsensors 1'. Ein solcher Referenz-Ultraschallsensor 1' ist in der 4 dargestellt. Der Referenz-Ultraschallsensor 1' ist identisch mit dem Ultraschallsensor 1 aus 2, nur dass er zusätzlich einen auf der Membran 3 angeordneten Temperatursensor 14 zur Messung der Temperatur der Membran 3 enthält.
Die Konstante a wird nach dem in 5 dargestellten Verfahren ermittelt, das Teil des Verfahrens von 3 sein kann. In Schritt S4 von 5 wird der Referenz-Ultraschallsensor 1' von 4 bereitgestellt.
In Schritt S5 der 5 werden am Referenz-Ultraschallsensor 1' die Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2, die Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 und die Temperatur der Membran 3 gemessen. Hierfür werden die Temperatursensoren 8, 9 und 14 verwendet.
Anschließend werden in einem Schritt S6 der 5 die drei ermittelten Temperaturen (die Temperatur im Inneren 12 des Gehäuses 2, die Temperatur außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 und die Temperatur der Membran 3 in die oben genannte Gleichung T_M = a T_i + (1-a) T_o eingesetzt und diese wird für a gelöst.
Vorzugsweise werden die Schritte S4 bis S6 mehrfach unter verschiedenen Bedingungen mit demselben oder verschiedenen Referenz-Ultraschallsensoren 1' wiederholt. Die unterschiedlichen Bedingungen können unterschiedliche Feuchtigkeiten, Sonneneinstrahlungen und dergleichen umfassen. Es ergibt sich, dass diese Umgebungsbedingungen den Wert der Konstante a kaum beeinflussen und daher vernachlässigt werden können. Ein typischer Wert, den man für die Konstante a erhält, ist 65 %.
Mit der gemäß der 4 und 5 ermittelten Konstante a kann die Temperatur der Membran 3 von mehreren Ultraschallsensoren 1 gemäß der 3 berechnet werden, ohne dass ein Temperatursensor 14 zur Messung der Temperatur der Membran 3 erforderlich ist. Dadurch wird eine vereinfachte, aber genaue Bestimmung der Membrantemperatur erreicht.
Die berechnete Temperatur der Membran 3 kann zur Kalibrierung des Ultraschallsensors 1 verwendet werden. Dies ist zum Beispiel in der 6 dargestellt, die ein Verfahren zur Regelung des Ultraschallsensors 1 zeigt.
Im Detail umfasst das Verfahren der 6 über die mit Blick auf die 3 beschriebenen Schritte S1 und S2 hinaus noch den Schritt S3, in dem die Anregungsfrequenz der Membran 3 und/oder der Detektionsfrequenzbereich mit Hilfe der Steuereinheit 5 basierend auf der in Schritt S3 ermittelten Temperatur der Membran 3 gesteuert wird. Hierdurch wird eine hohe Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 3 erreicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen in allen Ausführungsformen möglich sind. Beispielsweise kann das in 3 gezeigte Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der Membran 3 zumindest teilweise von einer außerhalb des Ultraschallsensors 1 angeordneten Verarbeitungseinheit durchgeführt werden, die beispielsweise die Recheneinheit 10 umfassen kann. Die Steuereinheit 5 und die Berechnungseinheit 10 können als eine Einheit ausgebildet sein. Anstatt eine Formel zu hinterlegen, die die Temperaturen im Inneren 12 des Gehäuses 2, außerhalb 13 des Fahrzeugs 100 und der Membran 3 verknüpft, kann zur Berechnung/Bestimmung der Temperatur der Membran 3 eine vorgespeicherte Tabelle verwendet werden, die typische Werte für diese drei Temperaturen bereitstellt. Der Ultraschallsensor 3 kann auch an anderen Stellen des Fahrzeugs 100 angeordnet sein, zum Beispiel an einer Stoßstange an der Vorderseite des Fahrzeugs 100 oder ähnlichem.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallsensor
1': Referenz-Ultraschallsensor
2: Gehäuse
3: Membran
4: Anregungselement
5: Steuereinheit
6: Kontaktelement
7: Leiterplatte
8: erster Temperatursensor
9: zweiter Temperaturfühler
10: Recheneinheit
11: Öffnung
12: Innere
13: Äußere
14: Temperatursensor
100: Fahrzeug
S1 - S6: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012002979 A1 [0003]
DE 102009039083 A1 [0004]
DE 102012215493 A1 [0005]
US 20070157728 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Membran (3) eines in einem Fahrzeug (100) angeordneten Ultraschallsensors (1), wobei der Ultraschallsensor (1) die Membran (3), ein Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3) und ein das Anregungselement (4) aufnehmendes Gehäuse (2) aufweist; wobei das Verfahren umfasst: Messen (S1) einer Temperatur in einem Inneren (12) des Gehäuses (2) und einer Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100); Bestimmen (S2) der Temperatur der Membran (3) auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) und der gemessenen Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor (1) ferner eine Steuereinheit (5) zum Steuern des Anregungselements (4) aufweist und wobei der Schritt des Messens der Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) das Messen der Temperatur der Steuereinheit (5) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens der Temperatur der Membran (3) das Berechnen der Summe aus der Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) multipliziert mit einer Konstante und der Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100) multipliziert mit eins minus der Konstante umfasst, wobei die Konstante empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Konstante das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit vom Inneren (12) des Gehäuses (2) in Richtung der Membran (3) zur Summe der Wärmeleitfähigkeit vom Inneren (12) des Gehäuses (2) in Richtung der Membran (3) und der Wärmeleitfähigkeit von der Membran (3) in Richtung von außerhalb (13) des Fahrzeugs (100) ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend: Bereitstellen (S4) eines Referenz-Ultraschallsensors (1'); Messen (S5) der Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2), der Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100) und der Temperatur der Membran (3) des Referenz-Ultraschallsensors (1'); und Bestimmen (S6) der Konstante auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) des Referenz-Ultraschallsensors (1'), der gemessenen Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100) des Referenz-Ultraschallsensors (1') und der gemessenen Temperatur der Membran (3) des Referenz-Ultraschallsensors (1').
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt des Bestimmens der Temperatur der Membran (3) angenommen wird, dass: die Membran (3), das Innere (12) des Gehäuses (2) und das Äußere (13) des Fahrzeugs (100) sich im thermischen Gleichgewicht befinden; die von der Sonne abgestrahlte Energie vernachlässigt werden kann; und/oder Schwankungen der Konstante aufgrund von Feuchtigkeitsschwankungen vernachlässigt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Messens (S1) der Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) und der Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100) und des Ermittelns (S2) der Temperatur der Membran (3) während einer Betriebsphase des Ultraschallsensors (1) mehrfach, insbesondere in regelmäßigen Abständen, durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (3) an einer Grenze zwischen dem Inneren (12) des Gehäuses (2) und dem Äußeren (13) des Fahrzeugs (100) angeordnet ist.
Verfahren zum Steuern eines Ultraschallsensors (1), wobei der Ultraschallsensor (1) die Membran (3), ein Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3) und ein das Anregungselement (4) aufnehmendes Gehäuse (2) aufweist; wobei das Verfahren umfasst: Steuern (S3) einer Anregungsfrequenz der Membran (3) und/oder eines Erfassungsfrequenzbereichs, in dem der Ultraschallsensor (1) zum Erfassen der Schwingungen der Membran (3) eingestellt ist, auf der Grundlage der gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelten Temperatur der Membran (3).
Computerprogrammprodukt mit Befehlen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ultraschallsensor (1), aufweisend: eine Membran (3); ein Anregungselement (4) zum Anregen der Membran (3) und/oder zum Erfassen einer Schwingung der Membran (3); ein Gehäuse (2) zum Aufnehmen des Anregungselements (4); einen ersten Temperatursensor (8) zur Messung einer Temperatur in einem Inneren (12) des Gehäuses (2); einen zweiten Temperatursensor (9) zur Messung einer Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100); und eine Berechnungseinheit zum Bestimmen der Temperatur der Membran (3) auf der Grundlage der gemessenen Temperatur im Inneren (12) des Gehäuses (2) und der gemessenen Temperatur außerhalb (13) des Fahrzeugs (100).
Fahrzeug (100) mit dem Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 11.