DE-102024004584-A1 - Steuergerät für einen Ultraschallwandler und Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers

Abstract

Ein Steuergerät (1) für einen Ultraschallwandler (100) umfasst ein Anregeelement (2) und ein Feedback-Element (3). Das Anregeelement (2) ist dazu eingerichtet, ein Burst-Signal (11) an den Ultraschallwandler (100) anzulegen, um ein Ultraschallsignal (105) zu erzeugen und zu senden. Das Anregeelement (2) ist ferner dazu eingerichtet, ein Dämpfungssignal (12) an den Wandler (100) anzulegen, um eine periodische Membranauslenkung (4) nach dem Senden des Ultraschallsignals (105) zu dämpfen. Das Feedback-Element (3) ist dazu eingerichtet, das Dämpfungssignal (12) zu erzeugen, indem Peak-Stellen (41) einer Membranauslenkung (4) nach Beendigung der Anregung der Membran bestimmt werden. Das Feedback-Element (3) ist ferner dazu eingerichtet, das Dämpfungssignal (12) als eine Sequenz von Pulsen zu erzeugen, so dass jeder Puls um eine Peak-Stelle (41) zentriert ist. Das Feedback-Element (3) ist dazu eingerichtet, Breiten der Pulse des Dämpfungssignals (12) adaptiv auf Grundlage eines Faktors der absoluten Maximal- oder Minimalwerte der Membranauslenkung (4) anzupassen. Weiterhin sind ein Ultraschallwandler (100), ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (100), ein Verfahren zur Verwendung eines Ultraschallwandlers (100), ein elektronisches Bauelement, ein computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Steuergerätes, eine Datenverarbeitungseinrichtung, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium angegeben.

Inventors

• Fateme Bakhshande
• Abdelouahid Zakriti

Assignees

• TDK ELECTRONICS AG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (20)

1. Steuergerät (1) für einen Ultraschallwandler (100), umfassend: - ein Anregeelement (2), das dazu eingerichtet ist, ein Burst-Signal (11) an den Wandler (100) anzulegen, um ein Ultraschallsignal (105) zu erzeugen und zu senden, und eine Dämpfungssignals (12) an den Wandler (100) anzulegen, um eine periodischen Membranauslenkung (4) nach dem Senden des Ultraschallsignals (105) zu dämpfen, - ein Feedback-Element (3), das dazu eingerichtet ist, das Dämpfungssignal (12) zu erzeugen, indem Peak-Stellen (41) einer Membranauslenkung (4) nach Beendigung der Anregung der Membran bestimmt werden, und das Dämpfungssignals (12) als eine Sequenz von Pulsen zu erzeugen, so dass jeder Puls um eine Peak-Stelle (41) zentriert ist,wobei das Feedback-Element (3) dazu eingerichtet ist, Breiten der Pulse des Dämpfungssignals (12) adaptiv auf Grundlage eines Faktors der absoluten Maximal- oder Minimalwerte der Membranauslenkung (4) anzupassen.
2. Steuergerät (1) nach Anspruch 1 , wobei das Feedback-Element (3) ferner dazu eingerichtet ist, mindestens eine Schwingungscharakteristik (40) einer Membran (104) des Wandlers (100) im Betrieb zu überwachen und bei einer Änderung der Schwingungscharakteristik (40) oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes ein angepasstes Dämpfungssignal (12) zu erzeugen.
3. Steuergerät (1) nach Anspruch 2 , wobei das angepasste Dämpfungssignal (12) zwischen dem Anlegen von zwei aufeinander folgenden Burst-Signalen (11) erzeugt wird.
4. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregeelement (2) dazu eingerichtet ist, das Burst-Signal (11) und das Dämpfungssignal (12) in einer gemeinsamen Pulssequenz bereitzustellen.
5. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregeelement (2) dazu eingerichtet ist, zumindest das Dämpfungssignal (12) in zumindest einem positiven Zustand (13), zumindest einem negativen Zustand (15) und zumindest einem Neutral-Zustand (14) bereitzustellen, wobei das Anregeelement (2) dazu eingerichtet ist, einen Puls des Dämpfungssignals (12) in dem positiven Zustand (13) anzulegen, wenn die entsprechende Peak-Stelle (41) der Membranauslenkung (4) ein lokales Minimum ist, einen Puls des Dämpfungssignals (12) in dem negativen Zustand (15) anzulegen, wenn die entsprechende Peak-Stelle (41) der Membranauslenkung (4) ein lokales Maximum ist, und das Dämpfungssignal (12) in dem Neutral-Zustand (14) anzulegen, wenn die Membranauslenkung (4) einen Nulldurchgang umfasst.
6. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Taktgeber (5) umfasst, der dazu eingerichtet ist, ein Taktsignal bereitzustellen, wobei die Peak-Stellen (41) mittels des Taktsignals bestimmt werden.
7. Steuergerät (1) nach Anspruch 6 , wobei eine Zeitauflösung des Taktgebers (5) mindestens zehnmal höher als eine Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers (100) ist.
8. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregeelement (2) einen ersten Zwischenspeicher (21) umfasst, der zur Speicherung von Rohdaten des Burst-Signals (11) und des Dämpfungssignals (12) eingerichtet ist.
9. Steuergerät (1) nach Anspruch 8 und Anspruch 6 oder 7 , wobei das Anregeelement (2) ferner einen Signalgenerator (22) umfasst, der dazu eingerichtet ist, das Burst-Signal (11) und das Dämpfungssignal (12) als eine zeitliche Pulssequenz mittels der Rohdaten des Burst-Signals und des Dämpfungssignals und des Taktsignals zu erzeugen.
10. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feedback-Element (3) dazu eingerichtet ist, Peak-Stellen (41) der Membranauslenkung (4) durch Erfassen von Nulldurchgangsstellen (42) der Membranauslenkung (4) und Berechnen eines Mittelwerts zwischen zwei benachbarten Nulldurchgangsstellen (42) zu bestimmen.
11. Steuergerät (1) nach Anspruch 6 und Anspruch 10 , wobei die Nulldurchgangsstellen (42) mittels eines Komparators (31) und des Taktsignals bestimmt werden.
12. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feedback-Element (3) dazu eingerichtet ist, das Dämpfungssignal (12) so zu erzeugen, dass es Pulse mit einer Breite umfasst, die geringer als die Hälfte einer Periode der periodischen Membranauslenkung (4) ist.
13. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 5 , wobei das Feedback-Element (3) eine Flankenerfassungseinheit (32) umfasst, die dazu eingerichtet ist, eine Flankenorientierung der periodischen Membranauslenkung (4) an einer Nulldurchgangsstelle (42) zu bestimmen, und wobei ein Zustand (13, 14, 15) des Dämpfungssignals (12) in Abhängigkeit von der Flankenorientierung angepasst wird.
14. Steuergerät (1) nach Anspruch 13 , wobei das Feedback-Element (3) umfasst - einen zweiten Zwischenspeicher (33), der dazu eingerichtet ist, Peak-Stellen (41) und die Flankenorientierung zu speichern, und - eine Recheneinheit (34), die dazu eingerichtet ist, das Dämpfungssignal (12) auf der Grundlage von in dem zweiten Zwischenspeicher (33) gespeicherten Daten zu bestimmen.
15. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungssignal (12) einen ersten Teil (121) und einen zweiten Teil (122) umfasst, wobei im ersten Teil (121) das Dämpfungssignal Pulse einer ersten Art (123) umfasst und im zweiten Teil (122) das Dämpfungssignal Pulse einer zweiten Art (124) umfasst, wobei Pulse der zweiten Art (124) eine geringere Breite haben als Pulse der ersten Art (123), und wobei der zweite Teil (122) im Anschluss an den ersten Teil (121) angelegt wird.
16. Steuergerät (1) nach Anspruch 15 , wobei das Feedback-Element (3) dazu eingerichtet den zweiten Teil (122) des Dämpfungssignals (12) anzupassen, und der erste Teil (121) des ein fester Teil ist, der durch das Feedback-Element (3) unangepasst bleibt.
17. Steuergerät (1) nach Anspruch 16 , wobei das Feedback-Element (3) dazu eingerichtet ist, eine Breite der Pulse zweiter Art (123) adaptiv auf Grundlage eines Faktors des absoluten Maximal- oder Minimalwerts der Membranauslenkung (4) anzupassen.
18. Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (1) dazu eingerichtet ist, durch Anlegen des Dämpfungssignals (12) eine Dämpfungsmode (44) anzuregen, die eine höhere Energiedissipation aufweist als eine Sendemode (43), die durch Anlegen des Burst-Signals (11) angeregt wird.
19. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (100), umfassend ein Steuergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte - Anregen einer Membran (104) des Wandlers (100) zur Erzeugung und Aussendung eines Ultraschallsignals (105) durch Anlegen eines Burst-Signals (11) an die Membran (104), - Dämpfen der Membran (104) nach dem Senden des Ultraschallsignals (105) durch Anlegen eines Dämpfungssignals (12), wobei das Dämpfungssignal (12) durch Bestimmen von Peak-Stellen (41) einer Membranauslenkung (4) nach Beendigung der Anregung der Membran erzeugt wird, wobei das Dämpfungssignal (12) eine zeitliche Sequenz von Pulsen umfasst, wobei jeder Puls um eine Peak-Stelle (41) zentriert ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19 , das ferner die folgenden Schritte umfasst - Überwachen einer Schwingungscharakteristik (40) der Membran, und - Anpassen des Dämpfungssignals (12), wenn sich die Schwingungscharakteristik (40) oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts ändert.

Description

Die Offenbarung betrifft ein Steuergerät für einen Ultraschallwandler und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallwandlers. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung einen Ultraschallwandler, ein Verfahren zur Verwendung eines Ultraschallwandlers, ein elektronisches Bauelement, ein computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts, eine Datenverarbeitungsvorrichtung, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium. Piezoelektrische Ultraschallwandler werden in der Regel sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallsignalen verwendet. Solche Ultraschallwandler können als Abstandssensoren, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge, verwendet werden. Solche Ultraschallwandler senden jedoch in der Regel auch nach Beendigung der Anregung von Ultraschallsignalen weiter Ultraschall aus. Der Grund dafür ist insbesondere eine ständige Bewegung der Membran, die auch als Nachschwingen bezeichnet wird. Im Allgemeinen behindert das Nachschwingen die Erkennung eines reflektierten Ultraschallsignals durch den Wandler, da sich ein Nachschwingung der Membran mit einer Membranauslenkung überschneidet, die durch ein eingehendes Ultraschallsignal verursacht wird. Dokumente US 4 580 251 beschreibt einen Ultraschallwandler, bei dem das Gehäuse so angepasst ist, dass ein Nachschwingen bei Empfang des reflektierten Ultraschallsignals abgeklungen ist.Dokumente US 6 731 596 B2, GB 2 593 477 A sowie LIU,Xinxin[u.a.]:Reducing ring-down time of pMUTs with phase shift of driving waveform. In: Sensors and Actuators A: Physical, Vol.281,2018,S.100-107. ISSN0924-4247(P);1873-3069(E).DOI:10.1016/j.sna.2 018.08.039. beschreiben Ultraschallwandler und Verfahren zum Betrieb derselben, bei denen ein Nachschwingen gedämpft wird. Ultraschallwandler und Verfahren zum Betrieb derselben, bei denen ein Nachschwingen durch Dämpfung verringert wird, sind ferner aus den Druckschriften JP 2022 - 73 087 A und DE 10 2010 039 017 A1 bekannt. Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Steuergerät anzugeben, das einen verbesserten Ultraschallwandler ermöglicht, insbesondere eine verbesserte Abstandsmessung ermöglicht. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen verbesserten Ultraschallwandlers anzugeben, das insbesondere eine verbesserte Abstandsmessung ermöglicht. Weitere zu lösende Aufgaben sind unter anderem die Angabe eines Ultraschallwandlers, der ein solches Steuergerät umfasst, eines Verfahrens zur Verwendung eines solchen Ultraschallwandlers für eine Abstandsmessung, eines elektronischen Bauelements, das ein solches Steuergerät umfasst, eines computerimplementierten Verfahrens zum Betrieb eines solchen Steuergeräts, einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die Mittel zur Ausführung des computerimplementierten Verfahrens umfasst, eines Computerprogramms, das Befehle umfasst, die es einem Computer ermöglichen, das computerimplementierte Verfahren auszuführen, und eines computerlesbaren Speichermediums zum Speichern des Computerprogramms. Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Steuergerät, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, beziehungsweise durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 19 umfasst, gelöst. Weitere Aufgaben werden unter anderem gelöst durch einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 22, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23, ein elektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 24, ein computerimplementiertes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 26, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 27, eines Computerprogramms mit den Merkmalen des Anspruchs 28 sowie Speichermedien mit den Merkmalen des Anspruchs 29. Das Steuergerät für einen Ultraschallwandler umfasst ein Anregeelement und ein Feedback-Element. Das Anregeelement ist dazu eingerichtet, ein Burst-Signal an den Wandler anzulegen, um ein Ultraschallsignal zu erzeugen und zu senden. Das Anregeelement ist ferner dazu eingerichtet, ein Dämpfungssignal an den Wandler anzulegen, um eine periodische Membranauslenkung nach dem Senden des Ultraschallsignals zu dämpfen. Das Feedback-Element ist dazu eingerichtet, das Dämpfungssignal zu erzeugen, indem Peak-Stellen einer Membranauslenkung nach Beendigung der Anregung der Membran bestimmt werden. Das Feedback-Element ist ferner dazu eingerichtet, das Dämpfungssignal als eine Sequenz von Pulsen zu erzeugen, wobei jeder Puls um eine Peak-Stelle zentriert ist. Das Feedback-Element ist ferner dazu eingerichtet, Breiten der Pulse des Dämpfungssignals adaptiv auf Grundlage eines Faktors der absoluten Maximal- oder Minimalwerte der Membranauslenkung anzupassen. Insbesondere ist das Anregeelement dazu eingerichtet, den Wandler oder eine Membran des Wandlers anzuregen, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen und zu senden, die das Ultraschallsignal ist. Diese Anregung regt eine Schwingung oder eine periodische Membranauslenkung an. Dabei ist die Membran vorzugsweise in Resonanz un