JP2022507748A - 超音波センサのダイアフラムの状態を判定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、動作中に超音波センサ（１０）のダイアフラム（２０）の状態を判定し得る方法および解析システムを提案する。超音波センサ（１０）のダイアフラム（２０）を、所定の第１周波数プロファイルにある第１励起信号で励起させる。これに基づいて、第１励起信号の周波数（Ｆ）に依存する第１電圧プロファイル（２９）を測定する。同様に、第２励起信号をダイアフラム（２０）に印加し、次いで測定を実施することにより、第２電圧プロファイル（３１）を測定する。これら２つの電圧プロファイル（２９、３１）の最大値（Ｍ１、Ｍ２）のそれぞれの位置が、所定の周波数範囲（Ｆ’）において互いにマッチするように、これら２つの電圧プロファイルをシフトさせる。シフトさせた第１および第２電圧プロファイル（２９’、３１’）の間で延びる第３電圧プロファイル（３０）を決定する。第３電圧プロファイル（３０）に基づいて、ダイアフラム（２０）の状態を判定するように、ダイアフラム（２０）の連続励起モデルによって電気的パラメータ（Ｒｐ、Ｒｓ、Ｃｐ、Ｃｓ、Ｌｐ、Ｌｓ）を決定する。

Description

本発明は、超音波センサの動作中に、超音波センサのダイアフラムの状態を判定するための方法に関する。また、本発明は、ダイアフラムを有する超音波センサを有する自動車用の解析システムに関する。

超音波センサは、自動車の環境に関する情報を得るように自動車で多く使用される。多くの場合種々の態様で位相変調された超音波が使用される。一般的な位相変調は、バイナリ位相シフトである。これは、１８０度の位相シフトである。これにより厳密に２つの状態をコード化できるため、この位相シフトは、バイナリ位相シフト（ＢＰＳＫ）としばしば称される。原則として、伝送プロセスのどの時点においても、すべての周波数スペクトルが使用される。したがって、伝送スペクトルには異なる周波数が混在しているため、ある時点を特定の周波数に割り当てることはできない。

多くの超音波センサはダイアフラムを有している。ダイアフラムの挙動は、通常、励起信号の周波数に大きく依存する。また、このダイアフラムの挙動は、ダイアフラムの種々の状態に強く影響される。これらの状態とは、例えば、ダイアフラムが氷や汚染物質で覆われていたり、ダイアフラムの温度が異なっていたりすることである。超音波センサのダイアフラムの挙動をより正確に予測するために、追加のセンサがよく使用される。このような追加のセンサは、通常、超音波センサと異なる場所に設置されるため、センサデータが局所的に発散することがあるという欠点がある。

公開された特許出願ＤＥ１０ ２０１４ ２０１ ４８２ Ａ１は、インピーダンスエンベロープ曲線を評価することにより超音波トランスデューサの故障を検出するための方法および装置を記載している。本例では、励起信号が超音波トランスデューサに印加され、超音波トランスデューサのインピーダンスを表すインピーダンス信号が測定される。インピーダンスエンベロープ曲線がインピーダンス信号から生成され、基準エンベロープ曲線と比較される。インピーダンスエンベロープ曲線が基準エンベロープ曲線と一致しない場合、故障が検出される。

特許明細書ＤＥ １０ ２００９ ０４０ ９９２ Ｂ４は、超音波センサの氷結や汚れを検出するための方法を記載している。本例では、超音波センサのダイアフラムを、所定の励起周波数の超音波で励起させる。そして、この励起の減衰周波数を観察する。励起周波数と減衰周波数とを比較することで、ダイアフラムの氷結および／または汚れを推定する。

本発明の目的は、超音波センサのダイアフラムの状態をより効率的に判定することである。

この目的は、本出願の独立特許請求項により達成される。有意義な展開例は、従属請求項から生じる。

本発明は、超音波センサの動作中に、超音波センサのダイアフラムの状態を判定するための方法を提供する。「超音波センサの動作」という用語は、特に伝送動作を意味する。したがって、「超音波センサの動作」という用語は、好適には、超音波センサの伝送を意味する。超音波センサによる超音波の能動的な発信は、超音波センサの動作に向けたものである。多くの場合、超音波センサまたは超音波センサのダイアフラムが汚れているか、または氷で覆われているかを検出しなければならない。このような状態は、ブロック状態と称されることも多い。つまり、本発明は、特に超音波センサのダイアフラムのブロック状態を検出するために使用され得る。

理想的には、これらの状態を検出するだけでなく、定量的に判定すべきである。最初に、ステップａ）において、所定の第１周波数プロファイルにある第１励起信号を、超音波センサのダイアフラムに印加する。一般に、所定の第１周波数プロファイルは、一定ではない。しかしながら、第１励起信号の場合には、第１励起信号のそれぞれの周波数は、特に各時点で固定される。例えば、第１周波数プロファイルは、高周波数で開始し得るとともに、低周波数で終了し得る。この周波数範囲が均等または直線的である場合、これをダウンチャープ信号ということができる。好適には、単調に上昇または下降する周波数プロファイルが第１励起信号に選択される。これは、第１励起信号の第１周波数プロファイルは、好適には周波数が一方向のみの変化を有するということを意味する。したがって、理想的には、第１励起信号は、周波数変化の方向的な変化を含まない。例えば、第１励起信号は、最初に上昇し、その後プロファイルの後期に再び下降する周波数プロファイルであり得る。

ステップｂ）において、第１励起信号により生じた第１電圧プロファイルを、第１励起信号の周波数の関数として測定する。原則として、第１励起信号は、超音波センサのダイアフラムを振動させる。ダイアフラムのこの振動は、対応する電圧降下または誘導電圧により記録され得る。各時点で異なる電圧が測定されるため、電圧信号を測定すると、第１電圧プロファイルが得られる。したがって、第１電圧プロファイルは、特に異なるタイミングにおける多数の個別の電圧測定値に対応する。したがって、ステップｂ）において、特に、第１励起信号の印加に対するダイアフラムの反応が測定される。この第１励起信号の印加に対するダイアフラムの反応は、第１電圧プロファイルにより表され得る。したがって、第１電圧プロファイルを、ダイアフラムの反応挙動の指標として使用することができる。

ステップｃ）において、第１周波数プロファイルと異なる第２周波数プロファイルを有する第２励起信号を、超音波センサのダイアフラムに印加する。したがって、第１周波数プロファイルは、第２周波数プロファイルと異なる。ステップａ）に関する記述は、ステップｃ）にも同様に適用される。第１励起信号は、好適には、第２励起信号と異なる。第１周波数範囲は、第２周波数範囲と一致し得る。周波数範囲は、通常、最小周波数および最大周波数により決まる。しかしながら、特に周波数範囲を異なる範囲とすることも可能である。例えば、第１周波数プロファイルは、下降する周波数プロファイルを表し得るとともに、第２周波数プロファイルは、上昇する周波数プロファイルを表し得る。これは、特にチャープ信号の場合に当てはまる。チャープ信号とは、信号処理技術からの用語である。チャープ信号は、通常、その周波数が時間とともに変化する信号を指す。正のチャープ信号と負のチャープ信号とに区別することができる。正のチャープ信号の場合、信号の周波数は時間とともに増加する。負のチャープ信号の場合、信号の周波数は時間とともに減少する。周波数の増加または周波数の減少は、直線的または指数的であり得る。正のチャープ信号は、周波数が時間とともに常に増加するため、アップチャープと称されることが多い。これに対応して、負のチャープ信号は、その周波数プロファイルが絶えず減少するため、ダウンチャープと称される。したがって、アップチャープ信号は、好適には、ダウンチャープ信号とは反対方向に実現される。特に、アップチャープ信号は、対応するダウンチャープ信号と同一の周波数ポイントを有している。具体的には、アップチャープ信号は、ダウンチャープ信号に対して点対称になるように設計され得る。本例において、アップチャープ信号は、低周波数から高周波数になる。したがって、対応するダウンチャープ信号は、同一の高周波数から同一の低周波数になり得る。それぞれの周波数プロファイルは、特に、対応するアップチャープ信号またはダウンチャープ信号のものに類似しており、この場合、異なる周波数変化を考慮する必要がある。

特に、第１励起信号の第１周波数プロファイルは、第２励起信号の第２周波数プロファイルと異なる。２つの励起信号は、好適には異なるタイミングで使用される。つまり、第１および第２励起信号は、好適には、超音波センサのダイアフラムに同時に印加されない。理想的には、第１励起信号は、第２励起信号に対してタイミング的にシフトしている。２つの励起信号は、好適には、これを超えるさらなる差異を有する。とりわけ、異なる周波数プロファイルが挙げられる。

チャープ信号という用語に代えて、「掃引（ｓｗｅｅｐ）」という用語も文献では多く使用される。掃引とは、一定の振幅を有する信号であって、その周波数が所定の範囲において周期的および連続的に変わる信号であり得る。アップチャープ信号やダウンチャープ信号と異なり、掃引信号では、周波数変化の方向が変わり得る。したがって、例えば、掃引信号においては、周波数が所定のサブ領域で増加し得るとともに、励起信号の周波数が他の所定のサブ領域では減少し得る。このように、励起信号は、さまざまに設計することができる。励起信号は、掃引信号、アップチャープ信号、ダウンチャープ信号、または最も単純なケースでは、一定の励起信号としての形態をとり得る。本発明の文脈では、アップチャープ信号および／またはダウンチャープ信号が好適に使用される。

第１および／または第２励起信号は、周波数変調された信号であり得る。２つの励起信号は、周期信号または正弦波信号であり得る。第１周波数プロファイルは、第２周波数プロファイルと同一ではない。例えば、第１励起信号は、ステップ関数として設計され得る。各ステップは、異なる周波数を表すことができる。ステップ関数は、増加、減少、またはこれら２つの可能な組み合わせであり得る。第１励起信号に関する周波数プロファイルは、線形、二次、および／または指数であり得る。例えば、第１励起信号がアップチャープとして設計される場合、第１励起信号の周波数は、時間とともに増加する。ただし、この増加は、異なる形態をとり得る。増加は、線形増加、二次増加、指数関数的増加、および／またはその他の増加であり得る。ダウンチャープ信号についても同様である。しかしながら、第１励起信号が純粋なアップチャープ信号またはダウンチャープ信号の形態でない場合もある。この場合、第１励起信号の周波数は、所定の第１時間間隔で時間とともに増加し得る。第１励起信号の周波数は、別の所定の第２時間間隔で減少しうる。例えば、第１励起信号は、連続する上昇周波数領域および下降周波数範囲を有し得る。このような第１励起信号は、三角励起を可能にし得る。最も単純なケースでは、第１励起信号は、一定の周波数の信号とすることができる。アップチャープ信号またはダウンチャープ信号が、好適には、第１または第２励起信号として使用される。第１励起信号に関する本段落の記述は、第２励起信号にも同様に適用される。

ステップｄ）において、第２電圧プロファイルを、第２励起信号の周波数を関数として測定する。第２電圧プロファイルは、第２励起信号により生じたものである。ステップｂ）についての同一事項が同様にステップｄ）に適用される。したがって、ステップｂ）の実施後、一般に２つの異なる電圧プロファイルが存在する。これら２つの電圧プロファイルは、次いで、ダイアフラムの状態を判定するように評価される。

この目的のために、ステップｅ）において、第１電圧プロファイルを第１方向に一定量だけシフトさせる。同様に、第２電圧プロファイルを第２方向に同量だけシフトさせることにより、２つの電圧プロファイルの最大値のそれぞれの位置を、所定の周波数範囲において互いにマッチ（マッチング）させる。「マッチ」という用語は、必ずしも２つの最大値が厳密に一致または合致することを意味するものではない。ステップｅ）でのマッチング後、最大値間の距離が、所定の許容値を越えなければよい。２つの最大値間の距離は、特にユークリッド距離の形で表され得る。したがって、第１電圧プロファイルおよび第２電圧プロファイルをシフトさせることにより、ステップｅ）において、第１所定周波数範囲にある第１電圧プロファイルの第１最大値が、第２所定周波数範囲にある第２電圧プロファイルの第２最大値とマッチすることになる。これら２つの最大値は、特にステップｅ）により互いに近づけられる。理想的には、このマッチングにより、２つの最大値は一点で合流する。

ステップｆ）において、ステップｅ）からの第１電圧プロファイルと第２電圧プロファイルとの間で延びる第３電圧プロファイルを決定する。ステップｆ）以降の第１および第２電圧プロファイルは、好適には、ステップｅ）でのシフトに起因する電圧プロファイルを指すように使用される。シフトさせた第１電圧プロファイルは、好適には、第１方向に一定量だけシフトさせた第１電圧プロファイルから生じる。ステップｆ）に関する電圧プロファイルの説明は、ステップｅ）から生じたシフトさせた電圧プロファイルのことを意味する。同様に、シフトさせた第２電圧プロファイルは、第２電圧プロファイルを第２方向に同量だけシフトまたは平行移動させた結果として生じる。特に、２つのシフトさせた電圧ファイルを異なった態様で重み付けできることが想定され得る。これは、例えば異なる重み付け係数により実現され得る。原則として、重み付け係数を電圧プロファイルをシフトさせる前に使用するか、シフトさせた後に使用するかは重要ではない。例えば、第１電圧プロファイルに第２電圧プロファイルより高い重み付けをする場合には、第１電圧プロファイルに対して第２電圧プロファイルより大きい重み付け係数が選択され得る。理想的には、２つの電圧プロファイルに対する両重み付け係数の合計を１００パーセントにする。特に、第３電圧プロファイルが、第１および第２電圧プロファイル（シフト後の電圧プロファイル）に関する中央値に一致することが想定され得る。

ステップｇ）において、ダイアフラムの状態を判定する。これは、例えば、ダイアフラムの連続励起モデルの少なくとも１つの電気的パラメータを決定することによりなされる。また、少なくとも１つの電気的パラメータを、少なくとも１つの所定の基準パラメータと比較する。電気的パラメータとして、例えば、実効抵抗、実効キャパシタンス、または実効インダクタンスが考えられる。ステップｇ）では、ダイアフラムの挙動が、ダイアフラムの連続励起モデルを用いて説明される。このモデルは、特に、ダイアフラムが一定の周波数の励起信号で励起されることを前提としている。このモデルは、等価回路図を用いて説明される。多くの場合、１つのパラメータのみをその対応する基準パラメータと比較すれば十分である。原則として、この１つのパラメータは、その所定の基準パラメータから最大の偏差を呈するパラメータである。所定の基準パラメータは、特にダイアフラムの所定の状態を表す。これらの基準パラメータは、好適には、基準測定から得られる。本例において、これらの基準測定は、本方法の文脈において後に判定されるダイアフラムの状態について実施される。例えば、ダイアフラムが氷で覆われた状態の基準測定が実施され得る。

このようにして得られた基準パラメータを、ステップｇ）で使用してダイアフラムの状態を判定することができる。他の基準測定には、例えばダイアフラムのブロック状態が含まれ得る。したがって、所定程度の汚れを有するダイアフラムの状態の基準測定が事前に実施されていてもよい。このようにして得られた基準パラメータを、ステップｇ）で使用してダイアフラムが汚れているかどうかを判定することができる。理想的には、ステップｇ）での比較によって、汚れそのものだけでなく、汚れの程度もさらに判定され得る。つまり、ステップｇ）において、ダイアフラムの状態が定量的に判定され得る。したがって、ステップｇ）において、ダイアフラムの状態について、二値的な区別の判定だけでなく、定量的な判定をすることができる。本方法は、個々の超音波センサ毎に別個に利用することができる。したがって、どの超音波センサが損傷しているか、または現在動作していないかを、安全かつ確実に検出することができる。

また、損傷のタイプを判定することもできる。例えば、ダイアフラムが氷で覆われていることが検出されたとき、この場合には、超音波センサが将来的により高い温度で再び作動させ得ることが予測できる。しかし、ステップｇ）での比較により、ダイアフラムが損傷または故障していることが判明した場合には、当該センサがもう永久に使用できないということが明瞭になる。理想的には、ダイアフラムの状態を非常に正確に判定することで、当該超音波センサの故障を予測することも可能になる。このようにして、どの超音波センサを交換すべきか、または将来どの超音波センサを何個必要すべきかを迅速に検出することができる。

本方法の別の実施形態は、第１励起信号がダウンチャープ信号の形態をとり、第２励起信号がアップチャープ信号の形態をとることを提供する。周波数が時間とともに変化する信号は、チャープ信号と呼ばれる。アップチャープでは、周波数は時間とともに増加する。ダウンチャープでは、周波数は時間とともに減少する。第１励起信号は、具体的には電気信号である。理論的には、第１励起信号は、音響信号でもよい。ただし、原則として、超音波センサまたはそのダイアフラムは、電気信号で制御される。例えば、ピエゾ技術に基づくアクチュエータがこの目的のために使用され得る。多くの場合、ピエゾ素子は、音響トランスデューサ素子と一体化した部品であるため、診断の対象でもある。つまり、ほとんどの場合、ダイアフラムは単独では考慮されない。通常、ピエゾ素子のような関連部品が、同様に解析に含まれる。ピエゾ素子は、ダイアフラムに属する部品を意味すると理解される。ピエゾ素子の状態変化は、ダイアフラムの状態の判定に同様に含まれる。ほとんどの場合、ピエゾ素子は、外部の励起源であるとは考えられない。ピエゾ素子は、電気信号によってダイアフラムを励起させ得る。電気信号が、好適には励起信号として使用される。第２励起信号も同様である。アップチャープ信号は、通常、周波数が時間とともに増加する信号である。この周波数の増加は様々であり得る。例えば、周波数は、時間とともに単調に増加し得る。これに代えて、周波数は、指数関数的に増加してもよい。また異なるタイプの増加の組み合わせ、すなわち、指数関数的増加と線形増加の混合も可能である。換言すれば、アップチャープ信号の場合の周波数プロファイルの一次導関数は、好適にはゼロより常に大きい。ダウンチャープ信号の場合、一次導関数は、通常、常にゼロより小さい。ダイアフラムの挙動は、特にチャープ方向に依存する。チャープ方向とは、具体的には、周波数プロファイルの一次導関数の符号を意味する。したがって、チャープ方向は、チャープ信号の周波数が時間とともに増加するか減少するかを示す。ダイアフラムの減衰挙動はチャープ方向に依存するため、好適にはアップチャープ信号およびダウンチャープ信号が使用される。したがって、ダイアフラムの状態の判定に際して、異なるダイアフラムの減衰挙動を考慮することができる状況を達成することができる。これにより、ダイアフラムの状態をより正確に解析することができる。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムの状態が、追加的または代替的に、少なくとも１つのパラメータとしての第３電圧プロファイルの共振周波数と、所定の基準パラメータとしての所定の共振周波数との比較に基づいて判定されることを提供する。したがって、連続励起モデルの少なくとも１つの電気的パラメータを決定することに代えて、この変形例は、第３電圧プロファイルの共振周波数が、所定の基準共振周波数と比較されることを提供する。ダイアフラムの状態は、この比較に基づいて判定され得る。本例において、所定の共振周波数は、ダイアフラムの所定の状態を表す。決定された共振周波数がこの所定の共振周波数から逸脱している場合、ダイアフラムの状態をこれに基づいて導き出すことができる。ダイアフラムの定量的な状態も、好適には逸脱の程度から判定することができる。例えば、氷で覆われている場合、ダイアフラム上にどれくらいの氷があるかを判定することができる。特に、共振周波数は、所定の周波数範囲における第３電圧プロファイルの最小値により定義される。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムの連続励起モデルが、モデルの電気的パラメータとして、並列回路における第１抵抗、第１インダクタンス、および第１キャパシタンスと、直列回路における第２抵抗、第２インダクタンス、および第２キャパシタンスと、を有することを提供する。具体的には、以下の式が使用される。

式1において、ｉは複合単位を表す。Ｚは、電圧または電圧に基づく変数として解釈される。ここで、Ｚは、多くの場合、ダイアフラムのインピーダンスを意味する。ｗは、第３電圧プロファイルの角周波数を表す。Ｒ_ｐは第１抵抗、Ｌ_ｐは第１インダクタンスを表し、第１キャパシタンスは変数Ｃ_ｐで表されている。等価回路図では、これらのパラメータは、並列回路の要素として理解され得る。パラメータＲ_ｓは第２抵抗、Ｌ_ｓは第２インダクタンス、Ｃ_ｓは第２キャパシタンスを表す。これらのパラメータは、好適には、等価回路図の直列回路で組み合わされる。したがって、式１には厳密に６個の電気的パラメータが含まれる。これらの電気的パラメータを、所定の他の基準パラメータと比較することができる。特に、６個の電気的パラメータと、さらに他の６個の所定電気的パラメータとの間のユークリッド距離を決定することが想定され得る。このユークリッド距離は、その後、ダイアフラムの状態を判定するための状態変数として使用することができる。特に、電気的パラメータと所定の電気的パラメータとの間のユークリッド距離が、所定の許容値を超えているか、あるいは下回っているかを調べることができる。この距離が許容値を超えている場合、ダイアフラムのブロック状態が検出され得る。また、電気的パラメータを利用して、ダイアフラムの温度を測定することもできる。

本発明の他の変形例は、基準パラメータがダイアフラムの所定の状態に対して予め定義されるとともに、ダイアフラムの状態を判定するために、モデルの厳密に１つの電気的パラメータであって、その対応する基準パラメータから最大の偏差を有する電気的パラメータが、対応する基準パラメータと比較されることを提供する。本例において、単一の電気パラメータのみが、対応する厳密に１つの基準パラメータと比較される。正確には、対応する基準パラメータから最大偏差または最大距離を有する電気的パラメータが、比較に使用される。これにより比較プロセスが単純化されるため、本方法を迅速にできる。これは、例えば、ある所定の状態を調べる場合に有用である。例えば、超音波センサが氷で覆われているかどうかだけを調べる場合、モデルのある電気的パラメータ、または厳密に１つの電気的パラメータしか影響を受けないようにすることができる。この場合、この電気的パラメータだけに注目すればよい。したがって、比較を当該１つの電気パラメータのみに限定することができる。超音波センサの状態判定のための解析が単純化され得るともに迅速にされ得る。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムの所定の状態が、ダイアフラムが氷または汚染物質で覆われていることを意味することを提供する。本例において、所定の状態は定義されている。特に、それらは事前に定義または規定されている。これは、特に、これらの定義された状態についての基準データまたは基準測定値が存在することを意味する。ステップｇ）から決定された電気的パラメータとの比較は、これらの基準測定値または基準パラメータに基づいてなされ得る。つまり、例えば、氷で覆われたダイアフラムの様々な程度についての複数の基準パラメータが存在し得る。ステップｇ）で電気的パラメータが決定された場合、これらを、既存の所定の基準パラメータと比較することができる。この比較により、ダイアフラムが氷で覆われているかどうかを判定することができる。氷で覆われた状態についての種々の程度に対する複数の基準パラメータが存在する場合、ダイアフラムにどれくらいの氷が張っているかを判定することもできる。汚染物質が付着したダイアフラムについても同様の手順が可能である。このようにして、ダイアフラムが汚れているかどうかだけでなく、ダイアフラムがどれくらい汚れているかをも提示することができる。したがって、汚れの程度を判定することができる。同様に、ダイアフラムが氷で覆われている程度を同様の態様で判定することができる。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムの所定の状態がダイアフラムの温度を意味することを提供する。ダイアフラムのブロック状態を解析することに代えて、本変形例は、ダイアフラムの温度を判定することを提供し得る。例えば、超音波センサがその許容温度範囲外で動作すると、その測定結果が不確かなものとして分類され得る。ドライバーは、超音波センサによる信頼性のない測定を、対応する警告メッセージによって報知され得る。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムの状態を定量的に判定するように、少なくとも１つの決定された電気的パラメータに基づいて、ダイアフラムの覆われている程度および／または汚れの程度が測定されることを提供する。これは、特に、複数の所定の状態に対する複数の基準パラメータが存在し得るという事実により達成される。したがって、ステップｇ）において、ダイアフラムが汚れている、損傷している、または氷で覆われているかどうかを判定するだけでなく、損傷または汚れの度合いも判定することができる。したがって、ダイアフラムが氷で覆われている場合、ダイアフラム上の氷の層がどれくらいの厚さであるかを提示することができる。また、ダイアフラム上の汚れの層がどれくらいの厚さであるかを測定することもできる。任意の状況において、ダイアフラム上の氷のプロファイルを測定することもできる。

本発明の別の変形例は、ダイアフラムが損傷している、または汚れている場合、警告信号が生成されることを提供する。超音波センサのダイアフラムが損傷したり汚れていたりすると、通常、その超音波センサの機能が損なわれる。これは、その測定または測定結果に信頼性がないかもしれないことを意味する。この場合、自動車のドライバーに信頼性のない超音波センサについて警告するのは当然である。警告信号は、光信号、触覚信号、および／または音響信号であり得る。これにより、自動車のドライバーは、どの超音波センサが正しく機能していないか、またはどの超音波センサが故障していて交換する必要があるかを把握できる。これにより、欠陥のある超音波センサを探す必要がなくなるため、迅速な修理が可能となる。

本発明の別の変形例は、第３電圧プロファイルが、ステップｆ）において、第１および第２電圧プロファイルを平均化することにより決定されることを提供する。平均化は、好適には、ステップｅ）からのシフトさせた電圧プロファイルに基づいて実施される。つまり、具体的には、ステップｆ）において、第１および第２電圧プロファイルをシフトさせることから生じたそれぞれの電圧プロファイルを指す。第３電圧プロファイルは、好適には、シフトさせた第１電圧プロファイルとシフトさせた第２電圧プロファイルとの間で延びる。ただし、本変形例において、電圧プロファイルが２つのシフトさせた電圧ファイル間の厳密に中央に配置されることが想定可能である。したがって、アップチャープ信号およびダウンチャープ信号が均等に重み付けされるという状況を達成することができる。しかしながら、これら２つの異なる励起信号を、対象を絞った異なる態様で、異なる重み付け係数を用いて重み付けすることも可能である。したがって、本変形例は、重み付け係数を有する平均化ステップも含む。しかし、好適には、値ゼロを前提とする重み付け係数はない。

本発明の別の変形例は、ステップｅ）において、電圧プロファイルをシフトさせるとき、前記第１方向が前記第２方向と反対であることを提供する。具体的には、第１方向は、第２方向と正反対である。第１方向は、これを１８０度回転させることで第２方向に変換され得る。特に、第１および第２方向は水平であり得る。このようにして、本方法のさらに先の過程で、周波数の歪みが生じないことが保証され得る。したがって、超音波センサの状態をより確実に判定することができる。

また、本出願は、自動車用の解析システムを提供する。この解析システムは、ダイアフラムを有する超音波センサを有する。また、解析システムは、超音波センサのダイアフラムを励起するための第１励起信号および第２励起信号を生成するための信号生成ユニットを含む。さらに、解析システムは、上述の変形例または実施例のうちの１つによる方法を実施するように設計された評価ユニットを有する。ここまで説明し記載してきた変形例、実施例、および利点は、解析システムにも同様に適用される。

別の実施形態は、第１励起信号がダウンチャープ信号の形態をとり、第２励起信号がアップチャープ信号の形態をとる解析システムを提供する。ダウンチャープ信号およびアップチャープ信号についての上述の例および定義が、本発明の本変形例にも同様に適用される。これら２つの励起信号は、好適には、信号生成ユニットにより生成される。これは、超音波センサのダイアフラムが異なった態様で励起され得ることを意味する。どちらのチャープ信号が使用されるかに応じて、ダイアフラムの異なる状態を検出することができる。例えば、特定のチャープ信号が、ダイアフラムの温度分析のために提供され得る。このようにして、ダイアフラムの任意の状態を、的を絞って調べることができる。したがって、ダイアフラムのニーズに応じた解析システムを構築し使用することができる。

本発明の別の変形例は、解析システムを有する車両支援システムを提供する。このようにして、超音波センサのそれぞれの状態が、車両支援システム内で判定され得る。この情報は、車両支援システムにおいて、他の解析システムからの他の追加的な情報とまとめることができる。したがって、解析システムは、超音波センサの状態に関する重要な情報を決定し、これを車両支援システムで利用可能とすることができる。

本出願の文脈において、車両支援システムを有する自動車も提案される。それぞれの超音波センサの状態に関する情報に基づいて、自動車の操作をより安全、かつより効率的に設計することができる。

また、本出願は、プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコード手段は、当該コンピュータプログラム製品が電子評価ユニットのプロセッサで実行されるとき、上述の変形例のうちの１つによる方法を実施するように、コンピュータ可読媒体に格納されるコンピュータプログラム製品を提案する。このコンピュータプログラム製品は、自動車の車載電子機器に組み込むことができる。したがって、ダイアフラムの状態を判定するために別個のデジタル資源を設けることは絶対に必要ではない。

信号発生ユニットは、ピエゾ・アクチュエータまたはピエゾ素子の形態をとり得る。原則として、第１励起信号は第２励起信号と異なるように構成される。具体的には、第１励起信号の周波数は、第２励起信号の周波数と異なり得る。これは、振幅や位相でも同様である。したがって、第１励起信号は、第２励起信号と異なる振幅プロファイルを有し得る。位相についても同様である。具体的には、本出願では、周波数が時間的に一定でない励起信号でダイアフラムを励起させる。しかしながら、本発明のさらに先の過程では、いわゆる一定波モデルが好適に使用される。一定波モデルは、ダイアフラムの連続励起モデルに対応する。

本発明にさらなる特徴は、特許請求の範囲、図面、および図面の説明から明らかになる。上記の特徴および特徴の組み合わせ、また下記の図面の説明および／または図面のみに示す特徴および特徴の組み合わせは、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれに示された組み合わせだけでなく、他の組み合わせにおいても利用され得る。したがって、図面に明示されず説明されないが、特徴の別の組み合わせにより説明された実施形態から明らかであり生成可能な実施形態は、カバーされ開示されているとみなされることが意図されている。また、当初の独立請求項の特徴のすべてを備えない実施形態および特徴の組み合わせも、開示されたものとみなされることが意図されている。さらに、特許請求の範囲の後方参照に記載された特徴の組み合わせを超える、またはこれらと異なる実施形態および特徴の組み合わせも、特に上記の説明により開示されているとみなされるべきである。

図１は、解析システムを有する自動車を示す。 図２は、ダイアフラムを有する超音波センサの概略図を示す。 図３は、第１電圧プロファイルおよび第２電圧プロファイル、ならびに部分的に対応するシフトさせた電圧プロファイルを示すグラフを示す。 図４は、第３電圧プロファイルを示すグラフを示す。 図５は、本方法のステップをより分かりやすく説明するための例示的なフローチャートを示す。

図１は、解析システムを有する自動車１６を示す。解析システムは、複数の部品を有している。これらには、超音波センサ１０、評価ユニット１４、および信号生成ユニット１２が含まれる。自動車１６は、特に乗用車の形態をとり得る。超音波センサ１０は、自動車１６の前方領域のみならず、自動車１６の後方領域（トランク）にも配置され得る。超音波センサ１０は、特に駐車センサの形態をとり得る。このような駐車センサは、好適には自動車１６を安全に駐車するために使用される。

図２は、超音波センサ１０を拡大して概略的に示している。超音波センサ１０は、特に超音波２２を発信するように設計されている。超音波２２は、図２に表示した波線により概略的に示されている。超音波センサ１０は、ダイアフラム２０を有している。このダイアフラム２０は、信号生成ユニット１２により励起され得る。つまり、信号生成ユニット１２は、ダイアフラム２０を振動させることができる。ダイアフラム２０の振動により、超音波２２が生成され得る。具体的には、信号生成ユニット１２は、第１励起信号および第２励起信号を生成することができ、これによりダイアフラム２０を励起させることができる。ダイアフラムを励起させるために、アップチャープ信号および／またはダウンチャープ信号が好適に使用される。評価ユニット１４は、特にダイアフラム２０のたわみを測定するように設計されている。多くの場合、ダイアフラムのたわみは、電圧または電圧信号の形態で記録される。図３は、一例として、第１励起信号２９の周波数プロファイル、および第２励起信号３１の周波数プロファイルを示している。これら２つの励起信号は、図３において、周波数Ｆの関数としての電圧プロファイルとして図示されている。本例において、第１電圧プロファイル２９は、ダウンチャープ信号により生じたものである。第２励起信号は、これに応じて第２電圧プロファイル３１により表される。ｘ軸は周波数Ｆを表し、ｙ軸は電圧Ｕを表す。所定の周波数範囲Ｆ’について、第１および第２電圧プロファイルの第１最大値Ｍ１および第２最大値Ｍ２が含まれている。これら２つの最大値Ｍ１、Ｍ２は、それぞれシフトされている。第１最大値Ｍ１は方向Ｒ１に沿ってシフトされ、第２最大値Ｍ２は方向Ｒ２に沿ってシフトされている。それぞれのシフト量は同一である。これは、シフト方向Ｒ１がシフト方向Ｒ２と同じ長さを有していることを意味する。

したがって、２つの最大値Ｍ１およびＭ２は、互いに対して同じ量だけシフトされている。好適には、これら２つの最大値は、一点で合流するようにシフトされる。これにより、好適には、最大値が単一の点で一致するシフトさせた電圧ファイルが得られる。本例において、第１最大値Ｍ１は右にシフトされ、第２最大値Ｍ２は左にシフトされる。図３の例において、２つの方向Ｒ１およびＲ２は水平である。これらのシフトにより、２つの新しいシフトさせた電圧プロファイル２９’、３１’がもたらされる。これら２つのシフトさせた電圧プロファイルは、新たな第３電圧プロファイル３０に変換することができる。第３電圧プロファイル３０は、シフトさせた第１電圧プロファイル２９’とシフトさせた第２電圧プロファイル３１’との間で延びる。明瞭性を期して、関連するシフトさせた電圧プロファイルは、図３に完全に示していない。具体的には、第３電圧プロファイル３０は、これら２つのシフトさせた電圧プロファイルから平均化によって決定される。

この第３電圧プロファイル３０を図４に示す。第３電圧プロファイル３０は、周波数Ｆに対する電圧プロファイルとしてプロットされている。次いで、この第３電圧プロファイル３０を使用して、ダイアフラム２０の状態を判定する。これには様々な可能性がある。

最もシンプルなケースでは、第３電圧プロファイル３０の共振周波数が決定される。これは、特に所定の周波数範囲Ｆ’における第３電圧プロファイル３０の最小値である。この共振周波数を、所定の共振周波数と比較することができる。所定の共振周波数は、ダイアフラム２０の予め定義された状態、または定義された状態に関する。ダイアフラム２０のこれらの所定の状態には、例えば、ダイアフラム２０が氷で覆われていること、または汚れていることが含まれ得る。しかしながら、これらの所定の状態が、ダイアフラム２０の温度、またはダイアフラム２０の損傷を意味することも可能である。しかしながら、ダイアフラム２０の状態を判定するために、共振周波数を決定することに代えて、ダイアフラム２０の連続励起モデルを使用することもできる。例えば、式１がこの目的に使用される。式１に記載された電気的パラメータは、第３電圧プロファイル３０がシミュレーションされるように、適合または調整される。種々の最適化アルゴリズムがこの目的のために使用され得る。例えば、Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ法またはＧａｕｓｓ－Ｎｅｗｔｏｎ法を使用して、それぞれの電気的パラメータを決定することができる。電気的パラメータが決定されたら、これらを所定の基準パラメータと比較することができる。この目的のために、厳密に１つの基準パラメータが比較のために選択され得る。原則として、これは、所定の基準パラメータから最大の偏差を呈するパラメータとする。

ただし、すべての電気的パラメータとすべての所定の電気的パラメータとの間のユークリッド距離を決定することも想定され得る。具体的には、各ケースについて距離の二乗を計算することが想定され得る。これにより、対向する偏差が合計で０になることを防止することができる。このようにしないと、結果が歪むことがある。理想的には、ダイアフラムの様々な所定の状態に関する複数の基準パラメータを有するデータベースが存在する。データベースが十分に大きければ、ダイアフラムの状態について、単なる状態の判定に加えて、さらに定量的に判定することができる。例えば、ダイアフラム２０がどれくらい汚れているか、またはダイアフラム２０がどれくらいの氷で覆われているかを判定することができる。超音波センサのダイアフラム２０に付着した氷の層の厚さを測定することができる。

図５は、一例として、本方法のいくつかのステップの概要を示している。ステップＳ１およびステップＳ２において、ダイアフラム２０は、それぞれアップチャープ信号およびダウンチャープ信号により励起される。アップチャープ信号を、上方に湾曲した矢印で示す。これに対応して、下方に湾曲した矢印は、ダウンチャープ信号を表す。これら２つの励起信号に基づいて、ステップ３において、ダイアフラム２０は、励起され振動する。具体的には、第１励起信号が、第２励起信号の前に生成されることが想定され得る。したがって、ダイアフラム２０は、好適には２つの励起信号によって同時に励起されない。ダイアフラム２０のこれらの励起に基づいて、２つの異なる電圧プロファイルが、ステップＳ３で測定され得る。

ステップＳ４において、図３に示すように、２つの最大値Ｍ１およびＭ２の位置が決定され得る。これは、単純で一般的なアルゴリズムを用いて実施され得る。具体的には、これら２つの最大値Ｍ１およびＭ２は、第１電圧プロファイル２９および第２電圧プロファイル３１の導関数がゼロとなる点である。

ステップＳ５において、２つの最大値の位置が同一量だけシフトされる。２つのシフト方向は互いに反対である。特に、第１方向Ｒ１は、水平で右を向いていてもよい。これに対応して、第２方向Ｒも水平で左を向いて配向される。

第３電圧プロファイル３０がステップＳ６で決定される。好適には、これは、シフトさせた電圧プロファイル２９’および３１’を平均化することにより実施される。平均化は、元の第１電圧プロファイル２９および元の第２電圧プロファイル３１に関するものではないことに留意されたい。第３電圧プロファイル３０は、好適には、シフトさせた第１電圧プロファイル２９’およびシフトさせた第２電圧プロファイル３１’に基づいて決定される。明瞭性を期して、これら２つの電圧プロファイルは、図３において２９’および３１’のみでそれぞれ示す。

ステップＳ７において、連続ダイアフラム励起モデルの電気的パラメータが決定され得る。例えば、式１がこの目的のために使用される。それぞれの電気的パラメータは、数学的最適アルゴリズムを使用して決定することができる。これらの決定された電気的パラメータを所定の基準パラメータと比較することにより、ダイアフラム２０の状態を正確に判定することができる。こうして、ダイアフラム２０のブロック状態が検出され得る。しかしながら、ダイアフラム２０の温度や、ダイアフラム２０を覆う氷の程度等の他の状態も判定することができる。

電気的パラメータを利用することにより、ダイアフラム２０の種々の状態を検出することができるだけでなく、ダイアフラム２０の連続励起モデルによってセンサの挙動を説明することもできる。このセンサの挙動は、例えば、超音波センサ１０のレベル変動を補償するように、あるいは温度補償を可能にするように利用され得る。

Claims (15)

1. 超音波センサ（１０）の動作中に、前記超音波センサ（１０）のダイアフラム（２０）の状態を判定するための方法であって、
   ａ）所定の第１周波数プロファイルにある第１励起信号（２９）を、前記超音波センサ（１０）の前記ダイアフラム（２０）に印加するステップと、
   ｂ）前記第１励起信号により生じた第１電圧プロファイル（２９）を、前記第１励起信号の周波数（Ｆ）の関数として測定するステップと、
   を実施し、
   さらに、
   ｃ）前記第１周波数プロファイルと異なる所定の第２周波数プロファイルを有する第２励起信号を、前記超音波センサ（１０）の前記ダイアフラム（２０）に印加するステップと、
   ｄ）前記第２励起信号により生じた第２電圧プロファイル（３１）を、前記第２励起信号の周波数（Ｆ）の関数として測定するステップと、
   ｅ）前記第１電圧プロファイル（２９）を第１方向（Ｒ１）に一定量だけシフトさせるとともに、前記第２電圧プロファイル（３１）を第２方向（Ｒ２）に同量だけシフトさせることで、２つの前記電圧プロファイルの最大値（Ｍ１、Ｍ２）のそれぞれの位置を、所定の周波数範囲において互いにマッチさせるステップと、
   ｆ）ステップｅ）からの前記第１電圧プロファイル（２９）と前記第２電圧プロファイル（３１）との間で延びる第３電圧プロファイル（３０）を決定するステップと、
   ｇ）前記ダイアフラム（２０）の連続励起モデルの少なくとも１つの電気的パラメータを決定し、少なくとも１つのパラメータを少なくとも１つの所定の基準パラメータと比較することにより、前記ダイアフラム（２０）の状態を判定するステップと、
   を特徴とする方法。
2. 前記第１励起信号（２９）は、ダウンチャープ信号の形態をとり、前記第２励起信号（３１）は、アップチャープ信号の形態をとる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ダイアフラム（２０）の状態は、追加的または代替的に、少なくとも１つの前記パラメータとしての前記第３電圧プロファイル（３０）の共振周波数と、前記所定の基準パラメータとしての所定の共振周波数との比較に基づいて判定される、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ダイアフラム（２０）の前記連続励起モデルは、前記モデルの前記電気的パラメータとして、並列回路における第１抵抗（Ｒ_ｐ）、第１インダクタンス（Ｌ_ｐ）、および第１キャパシタンス（Ｃ_ｐ）と、直列回路における第２抵抗（Ｒ_ｓ）、第２インダクタンス（Ｌ_ｓ）、および第２キャパシタンス（Ｃ_ｓ）と、を有する、
   請求項１または２に記載の方法。
5. 基準パラメータは、前記ダイアフラム（２０）の所定の状態に対して予め定義され、
   前記ダイアフラム（２０）の状態を判定するために、前記モデルの厳密に１つの電気的パラメータであって、その対応する基準パラメータから最大の偏差を有する電気的パラメータが、対応する前記基準パラメータと比較される、
   請求項１～４の一項に記載の方法。
6. 前記ダイアフラム（２０）の前記所定の状態は、前記ダイアフラム（２０）が氷または汚染物質で覆われていることを意味する、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記ダイアフラム（２０）の前記所定の状態は、前記ダイアフラム（２０）の温度を意味する、
   請求項５に記載の方法。
8. 前記ダイアフラム（２０）の状態を定量的に判定するために、少なくとも１つの決定された前記電気的パラメータに基づいて、前記ダイアフラム（２０）の覆われている程度および／または汚れの程度が測定される、
   請求項１～７の一項に記載の方法。
9. 前記ダイアフラム（２０）が損傷している、または汚れている場合、警告信号が生成される、
   請求項１～８の一項に記載の方法。
10. 前記第３電圧プロファイル（３０）は、ステップｆ）において、前記第１および第２電圧プロファイル（２９、３１）を平均化することにより決定される、
    請求項１～９の一項に記載の方法。
11. ステップｅ）において、前記電圧プロファイル（２９、３１）をシフトさせるとき、前記第１方向（Ｒ１）は前記第２方向（Ｒ２）と反対である、
    請求項１～１０の一項に記載の方法。
12. －ダイアフラム（２０）を有する超音波センサ（１０）と、
    －前記超音波センサ（２０）の前記ダイアフラム（２０）を励起するための第１励起信号（２９）および第２励起信号（３１）を生成するための信号生成ユニット（１２）と、
    －請求項１～１１の一項に記載の方法を実施するように設計された評価ユニット（１４）と、
    を有する自動車（１６）用の解析システム。
13. 前記第１励起信号（２９）は、ダウンチャープ信号の形態をとり、前記第２励起信号（３１）は、アップチャープ信号の形態をとる、
    請求項１２に記載の解析システム。
14. 請求項１２または１３に記載の解析システムを有する車両支援システム。
15. プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコード手段は、当該コンピュータプログラム製品が電子評価ユニットのプロセッサで実行されるとき、請求項１～１１の一項に記載の方法を実施するように、コンピュータ可読媒体に格納される、コンピュータプログラム製品。

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