Application NoteUltraschallsensoren für automatisches Einparken

Fortschritte in den Bereichen der Sensortechnologie und Kommunikations-Netzwerke tragen zur Verwirklichung einer Gesellschaft bei, in der autonomes Fahren in zunehmendem Umfang verwirklicht wird. Ultraschallsensoren sind wichtige Bauteile für automatisierte Fahr- und Parkfunktionen. Solche Sensoren sind in Europa seit längerer Zeit im Gebrauch, ein Trend, der bereits vor der Intensivierung der Debatte über autonomes Fahren begann. TDK liefert seit vielen Jahren Piezokeramikscheiben (Ultraschall-Sensorscheiben) und Ultraschall-Treibertransformatoren zur Verwendung mit Ultraschall-Einparksensoren. Die Firma entwickelte auch Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC) , die in Hochtemperaturumgebungen eine Dämpfung der Kapazität (ZL-Kennlinie) aufweisen und daher für Resonanzkreise mit Ultraschall-Sensorscheiben geeignet sind. Dieser Artikel beschreibt Ultraschall-Sensorscheiben, Ultraschall-Treibertransformatoren und MLCCs mit ZL-Kennlinie.

Ultraschall-Einparkhilfe

Eine Gesellschaft, in der autonomes Fahren weit verbreitet und akzeptiert ist, ist im Begriff, zur Realität zu werden. Das Ziel hierbei ist u.a. die Reduzierung der Zahl der durch Verkehrsunfälle verursachten Opfer sowie erhöhter Komfort von Mobilitätsdiensten. Geplant ist, Fahrzeuge für autonomes Fahren und Fahrzeuge mit ADAS-Funktionen mit Kameras, Millimeterwellenradar, Lidar, Telematiksteuergeräten (TCU) und anderen neuartigen Systemen auszustatten. In Europa, wo Parken zumeist auf öffentlichen Straßen oder parallel auf engen Privatstraßen erfolgt, wurden Ultraschall-Einparkhilfen bereits vor der Installation von ADAS-Funktionen verwendet.
Ultraschallsensoren senden Ultraschallwellen aus, und ein Empfänger erkennt von Hindernissen reflektierte Wellen, um das Vorhandensein von Objekten zu erfassen und den Abstand zu Hindernissen zu messen. In der Vergangenheit warnten solche Systeme die Fahrer, um das Kollidieren mit Hindernissen wie Wänden und anderen Fahrzeugen zu verhindern. Heutzutage nimmt dagegen die Akzeptanz und Verwendung von automatisierten Einparksystemen, welche die Lenkung selbst steuern, zu. Ultraschall-Einparkhilfen werden auch weiterhin eine wichtige Rolle beim automatisierten Fahren und für automatisierten Parkfunktionen spielen.

Abbildung 1 Blockschaltbild einer Ultraschall-Einparkhilfe (Auszug aus Anwendungsführern)

Ultraschallsensorscheiben

Ultraschall-Einparkhilfen benötigen Ultraschall-Sensorscheiben, welche das Vorhandensein von Hindernissen erkennen und deren Abstand messen können. Ein piezoelektrisches Element erzeugt Elektrizität aus mechanischer Kraft, welche der Kraft zwischen Elektroden entspricht. Umgekehrt erfährt das System eine mechanische Änderung, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, wobei die Änderung zur Spannung proportional ist. Die Stärke des erzeugten Stroms wird dazu verwendet, um zu erkennen, ob ein Objekt vorhanden ist, und um den Abstand zum Objekt zu messen.
Piezo-Produkte von TDK werden in Ultraschall-Einparksystemen verwendet, aber die Firma liefert im Kfz-Sektor auch seit vielen Jahren Produkte für piezoelektrische Injektoren. Dies belegt, dass TDK-Produkte eine Erfassung mit hoher Präzision und langfristiger Zuverlässigkeit in der schwierigen Automobilumgebung gewährleisten und auch kundenspezifische Designs ermöglichen.

Übersichtsinformation zu Ultraschallsensorscheiben

  • Langjährige Erfahrung in Einparkhilfe-Systemen
  • Produktion zertifiziert nach Automobilstandard IATF 16949
  • Akkurate Erfassung
  • Stabile Leistung über die gesamte Lebensdauer des Produkts
  • Kontaktfreie Erfassung
  • Kundenspezifische Abmessungen möglich
  • Umhüllende Metallisierung

Abbildung 2 Besonderheiten und Lineup von Ultraschall-Sensorscheiben-Produkten
Tabelle 1 Übersichtsinformation zu Ultraschallsensorscheiben
Dicke in mm 0.195~1.02
Durchmesser in mm 5~7
Frequenz in kHz 285~2000
Umhüllende Metallisierung: möglich Möglich
Tabelle 2 Aufstellung von Ultraschall-Einparkhilfen
Bestellnummer B59050Z0206A030 B59070Z0285D120
B59070Z0285D121
Durchmesser / mm 5 7
Dicke / mm 1.02 0.195
Serienresonanzfrequenz
(Typ.) / kHz
2000 285
Kapazität (Typ.) / pF 300 2000
Betriebstemperaturbereich / °C -40 to 160 -40 to 160

Transformatoren für Ultraschall-Einparkhilfen

Die oben beschriebenen Ultraschall-Sensorscheiben werden von Ultraschall-Treibertransformatoren mit einer stabilen Spannung versorgt. Transformatoren von TDK haben eine lange Erfolgsgeschichte in Automobilanwendungen. Sie werden auf fortschrittlichen, automatisierten Produktionslinien hergestellt und sind daher äußerst robust. Darüber hinaus haben wir mit TI und Elmos, welche Treiber-ICs für Piezokomponenten herstellen, Referenzdesigns erstellt. TDK bietet eine Produktpalette für verschiedene Konfigurationen, Induktivitäten und Frequenzbänder an (siehe Tabelle 4).

Übersichtsinformation zu Transformatoren für Ultraschall-Einparkhilfen

Abbildung 3 Transformator für Ultraschall-Einparkhilfen
Tabelle 3 Transformatoren für Ultraschall-Einparkhilfen im Kfz-Bereich
Transformator-Typ EP6
Kernmaterial Ferrit
Anschlüsse SMD, 5, U-förmig
Max. Abmessungen in mm L:8.8 x W:7.6 x H:7.1

Besonderheiten von Transformatoren für Ultraschall-Einparkhilfen im Kfz-Bereich

  • Beständigkeit gegen Reflow-Lötwärme gemäß JEDEC J-STD-020D bei 245°C für 10 Sek.
  • Enge Induktivitätstoleranz
  • Geringe Induktivitätsdrift nach Temperatur
  • Hohe Spitzenspannung
  • Hervorragende Abschirmung gegen EMC durch geschlossenes Magnetfeld und Metallkappe

Tabelle 4 Produktpalette von Massenfertigungs-Transformatoren für Ultraschall-Einparkhilfen im Kfz-Bereich
Bestellnummer B78416A2232A003 B78416A2360A003 B78416A2386A003 B78416A2430A003 B78416A2433A003
Kernform EP6 EP6 EP6 EP6 EP6
Kernmaterial Ferrit Ferrit Ferrit Ferrit Ferrit
Induktivität 3mH 3mH 0.23mH 4.2mH 5mH
Induktivitätstoleranz ±10% ±10% ±8% ±6% ±10%
Windungsverhältnis 1 : 1 : 8.42 1 : 1 : 8.42 1 : 1 : 9 1 : 1 : 15 1 : 1 : 10.1
Betriebsfrequenz 52kHz 52kHz 300kHz 50kHz 50kHz
Betriebstemperaturbereich -40 ~ +85°C -40 ~ +85°C -40 ~ +85°C -40 ~ +85°C -40 ~ +85°C
Abschirmung - With connection to pin 6 - - -
Norm AEC-Q200 AEC-Q200 AEC-Q200 AEC-Q200 AEC-Q200

MLCCs mit ZL-Kennlinie für Ultraschall-Einparkhilfen

Die Ultraschall-Sensorscheiben hat eine elektrostatische Kapazitätskomponente, und ihre elektrostatische Kapazität ändert sich mit der Betriebstemperatur.
Diese Änderung bewirkt eine Abweichung der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors, was einen Einfluss auf den Messbereich oder die Messgenauigkeit hat.
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Kondensator mit ZL-Kennlinie eingesetzt. Da dessen Kapazität mit steigender Betriebstemperatur abnimmt, wird die Änderung der elektrostatischen Kapazität der Ultraschall-Sensorscheiben ausgeglichen.

Abbildung 4 Produktansicht
Tabelle 5 MLCCs mit ZL-Kennlinie für Ultraschall-Einparkhilfen
Produktbezeichnung CGA4F3ZL2E122J CGA4F3ZL2E132J
Kapazität 1200 pF ± 5% 1300 pF ± 5%
Abmessungen Länge (L) 2.00 ± 0.20 mm
Breite (W) 1.25 ± 0.20 mm
Dicke (T) 0.85 ± 0.15 mm
Anschlussbreite (B) 0.20 mm Min.
Anschluss-Abstand (G) 0.50 mm Min.
Temperatur-Kennlinie: ZL -5350 ± 750ppm/℃ [ -40 ~ 20°C ]
-4500 ± 500ppm/℃ [ 20 ~ 85°C ]
Nennspannung 250 VDC
Verlustfaktor (DF) 0.025 Max.
Isolationswiderstand (IR) 10000 MΩ Min.


Messbedingungen
Kapazität, DF: 1kHz/ 1Vrms
Isolationswiderstand: 250 V / 60 Sek

Capacitance-f characteristics
 
Temperature characteristics
|Z|, ESR-f characteristics
DC Bias characteristics
Permissible current (Reference)

Zusammenfassung

Um eine Gesellschaft mit weit verbreitetem, sicherem und komfortablem autonomem Fahren zu erreichen, müssen Automobile mit neuen Sensoren einschließlich Kameras sowie drahtlosen Kommunikationsfunktionen ausgestattet werden. Darüber hinaus werden die Funktionen von Ultraschall-Einparkhilfen, welche schon seit einiger Zeit in Gebrauch sind, voraussichtlich in veränderter Form weiterhin relevant bleiben. TDK liefert seit langem Komponenten für die Ultraschall-Einparkhilfe. Wir werden unsere Bemühungen fortsetzen, zu einer modernen, mobilen und vernetzten Gesellschaft beizutragen und gleichzeitig unsere fortschrittlichen Technologien weiter zu verfeinern. Im Produktcenter finden Sie detaillierte Produktdaten und Kontaktinformationen für Anfragen zu kundenspezifisches Produkten.