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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
mindestens eines Piezoelements eines Abstandssensors für ein Kraftfahrzeug.
Moderne Kraftfahrzeuge und dabei insbesondere Personenkraftwagen
werden mit Distanzsensoren ausgestattet, die beispielsweise das Einparken
erleichtern sollen. Derartige Abstandssensoren basieren auf einer
Schalllaufzeitmessung, insbesondere Ultraschalllaufzeitmessung.
Die Schallgeber sind dabei Piezoscheiben, die mittels elektrischer Spannung
in Resonanz (typisch 40 kHz) zum Schwingen angeregt werden. Um eine
ausreichende Schallleistung zu erreichen, werden üblicherweise Versorgungsspannungen
von 80 bis 120 Vss auf der Piezoscheibe
benötigt.
Diese Spannung wird aus dem Kraftfahrzeug-Bordnetz (Fahrzeugbatterie)
mittels Ladekondensatoren, Gegentaktendstufe und einem Ausgangstransformator
erzeugt. Die Windungszahl und die Kerngröße des Transformators sind durch
die Resonanzfrequenz der Piezoscheiben von etwa 40 kHz und die erforderliche
Leistung bestimmt. Auch die erforderliche Größe der Ladekondensatoren ist
von der Ladespannung (hier 12 V durch die Fahrzeugbatterie zur Verfügung gestellt)
und der erforderlichen Leistung abhängig.
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Aus
Design- und Bauraumgründen
fordern Kraftfahrzeughersteller möglichst kleine Sensoren. Die
beispielsweise für
Seitensensoren erforderliche Leistung bedingt jedoch einen Aufbau,
der aufgrund der Größe der Einzelbauteile
(ICs, Kodensatoren, Transformator) kaum in die gewünschten
Gehäuse passt.
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Wenn
man die Halbleiterfunktionen der Gegentaktendstufe in einem einzigen
integrierten Schaltkreis IC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis
ASIC) zusammenfasst, verringert dies die Baugröße der Elektronik. Die Kondensatoren
und Transformatoren haben in den heutigen Gebern jedoch nach wie
vor eine im Vergleich zur übrigen
Elektronik erhebliche Größe. Es wäre daher
wünschenswert,
auch diese Bauteile zu verkleinern, um die Anforderungen an einen
geringen Bauraum zu erreichen. Eine erhebliche Verkleinerung dieser
Komponenten ist bei gleicher zur Verfügung zu stellender Leistung
bislang jedoch nicht möglich.
Insbesondere kann es bei einer Verkleinerung der Kondensatoren zu
einem Spannungseinbruch und bei einer Verkleinerung der Transformatoren
zu einer magnetischen Sättigung
kommen. Ein weiteres Problem bei den bekannten Vorrichtungen ist
der hohe Aufwand, der durch die für die Vielzahl von Abstandsensoren
eines Kraftfahrzeugs vorzusehende Vielzahl von Ausgangstransformatoren
bedingt ist.
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Ausgehend
von dem voran erläuterten
Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die
die Spannungsversorgung des Piezoelements des Abstandssensors mit
einem geringeren Aufwand, insbesondere einer geringeren Baugröße ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
finden sich in den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung und den Figuren.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
durch eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung mindestens eines
Piezoelements eines Abstandssensors für ein Kraftfahrzeug gelöst, mit
einem eine von einer Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs bereitgestellte
Spannung als Eingangsspannung nutzenden Spannungswandler, mit dem
eine im Vergleich zur Eingangsspannung um ein Vielfaches höhere Ausgangsspannung
erzeugbar ist, und mit einer dem Spannungswandler nachgeschalteten
Steuereinrichtung, mit der die Ausgangsspannung des Spannungswandlers
mindestens einem Piezoelement zur Spannungsversorgung zuführbar ist.
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Der
Sensor kann beispielsweise ein Parkdistanzsensor eines Kraftfahrzeugs
sein. Der Spannungswandler nutzt insbesondere eine von der Fahrzeugspannungsquelle
(Bordnetz) zur Verfügung
gestellte Gleichspannung. Diese Spannung wird durch den Spannungswandler
mit hoher Frequenz in erheblichem Maße, insbesondere um ein Vielfaches, erhöht. Dazu
wird der Spannungswandler insbesondere mit einem entsprechend hohen
Wandlertakt betrieben. Ein Vielfaches bedeutet in diesem Zusammenhang
beispielsweise ein Fünf-,
Sechs-, Sieben-, Acht-, Neun- oder Höherfaches der Eingangsspannung.
Wenn die Eingangsspannung beispielsweise von einer Kraftfahrzeugbatterie
zur Verfügung
gestellt wird, also eine 12 V Gleichspannung ist, kann die von dem
Spannungswandler bzw. der Spannungserhöhung zur Verfügung gestellte
Ausgangsspannung beispielsweise etwa 100 V oder mehr betragen. In
diesem Zusammenhang wird die von dem Spannungswandler erzeugbare
Ausgangsspannung auch als Hochspannung bezeichnet. Sie kann durch eine
hohe Frequenz (hoher Wandlertakt) des Spannungswandlers erzeugt
werden, der insoweit wie ein Hochspannungsnetzteil arbeitet. Der
Spannungswandler kann dabei wiederum eine Gleichspannung als Ausgangsspannung
zur Verfügung
stellen. Diese kann in einem weiteren Schritt in eine Wechselspannung
umgewandelt werden oder als Gleichspannung belassen werden.
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Durch
die Steuereinrichtung wird das Piezoelement des Abstandssensors
je nach Betriebszustand mit der Versorgungsspannung angetrieben. Die
Versorgungsspannung regt das Piezoelement zu Schwingungen an, insbesondere
auf seiner Resonanzfrequenz, wodurch wiederum Schallwellen für die Distanzmessung
erzeugt werden. Wenn das Piezoelement Schallwellen, beispielsweise
Ultraschallwellen, senden soll, erfolgt dazu eine Bursterzeugung
durch die Steuereinrichtung, so dass das Piezoelement mit der Versorgungsspannung
zum Schwingen angeregt wird. Die Piezoelemente dienen üblicherweise
gleichzeitig als Schallempfänger.
Beim Empfangen der von einem außerhalb
des Kraftfahrzeugs angeordneten Objekts reflektierten Schallsignale
durch das Piezoelement wird die Versorgung mit der Ver sorgungsspannung
mittels der Steuereinrichtung unterbrochen. Die Steuereinrichtung
steuert durch gezieltes Anlegen der Versorgungsspannung also den
Betrieb des Piezoelements und damit des Abstandssensors.
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Die
Ausgangsspannung des Spannungswandlers kann erfindungsgemäß dem Piezoelement durch
die Steuereinrichtung insbesondere direkt zugeführt werden, ohne dass zwischen
der Steuereinrichtung und dem Piezoelement weitere elektronische
Bauelemente vorgesehen sind. Insbesondere ist ein dem jeweiligen
Piezoelement zugeordneter zwischen der Steuereinrichtung und dem
Piezoelement vorgesehener Ausgangstransformator dabei nicht erforderlich.
Die durch den Spannungswandler zur Verfügung gestellte und über die
Steuereinrichtung dem Piezoelement zugeführte Spannungsversorgung kann
direkt zur Versorgung des Piezoelements genutzt werden. Da kein
Ausgangstransformator erforderlich ist, ergibt sich eine geringere Baugröße und damit
auch ein Kostenvorteil. Darüber hinaus
weist die Vorrichtung einen geringeren Ausgangswiderstand auf, da
kein Ausgangstransformator vorgesehen ist, der ansonsten einen solchen
Ausgangswiderstand bildet.
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Der
Spannungswandler bzw. die Spannungserhöhung stellen dabei eine Spannung
zur Verfügung,
die zur Versorgung des mindestens einen Piezoelements auch ohne
Ausgangstransformator ausreicht. Indem nicht für jedes Piezoelement ein individueller
Ausgangstransformator vorgesehen werden muss, können die Produktionskosten
insbesondere bei unterschiedlichen in einem Kraftfahrzeug eingesetzten
Piezoelementen verringert werden, da nicht für jedes Piezoelement ein individuell
angepasster Ausgangstransformator bereitgestellt werden muss.
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Gemäß einer
besonders praxisgemäßen Ausgestaltung
der Erfindung kann die Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs die
Kraftfahrzeugbatterie sein. Die Eingangsspannung des Spannungswandlers
beträgt
in diesem Fall also üblicherweise
12 V.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mit der Steuereinrichtung
die Ausgangsspannung des Spannungswandlers mehreren Piezoelementen unterschiedlicher
Abstandssensoren zur Spannungsversorgung zuführbar ist. Bei dieser Ausgestaltung können also
unterschiedliche Sensoren eines Kraftfahrzeugs mit nur einem Spannungswandler
bzw. nur einer Spannungserhöhung
versorgt werden. Die Spannungsversorgung wird also im Vergleich
zum Stand der Technik zentralisiert, wodurch sich die erforderliche
Baugröße verringert
und die Produktionskosten der Vorrichtung reduzieren, da eine standardisierte
Spannungsversorgung für
mehrere unterschiedliche Sensoren vorgesehen sein kann und nicht
für jedes
Piezoelement ein individuell ausgelegter Transformator vorgesehen
sein muss.
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Der
Spannungswandler kann beispielsweise ein Hochsetzsteller sein. Derartige
Hochsetzsteller können
eine Induktivität
(Spule) aufweisen. Mit Hochsetzstellern lassen sich in einfacher
Weise hohe Ausgangsspannungen aus einer geringeren Eingangsspannung
erzeugen. Der Spannungswandler kann aber auch beispielsweise eine
Ladungspumpe sein. Ladungspumpen finden insbesondere Einsatz, wenn keine
hohen Ausgangströme
erforderlich sind. Auch kann der Spannungswandler ein Transformator
sein oder zumindest einen Transformator aufweisen. Der Spannungswandler
kann in diesem Fall neben dem Transformator also noch weitere elektronische
Komponenten aufweisen. Mit Transformatoren lassen sich in einfacher
Weise Spannungen transformieren. Bei Vorsehen eines Transformators
kann dieser durch die hohe Frequenz des Spannungswandlers kleiner
ausgebildet werden. So kann der Transformator beispielsweise bei
einem Wandlertakt von 400 bis 500 kHz für die Versorgung des Zwischenkreises mehr
als zehnmal kleiner und mit weniger Windungen ausgestaltet sein
als bislang. Obgleich der Aufbau der Vorrichtung eine höhere Spannungsfestigkeit erfordert,
ergibt sich bezogen auf den Energieinhalt insgesamt ein Bauraumvorteil
und damit eine Kostenersparnis.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Spannungswandler mindestens
einen Ladekondensator aufweisen. Der Ladekondensator kann dem Spannungswandler
nachgeschaltet sein, also im Zwischenkreis angeordnet sein. Er kann sich
also zwischen dem Spannungswandler und der Steuereinrichtung befinden.
Der oder die Ladekodensatoren werden durch die von dem Wandler zur
Verfügung
gestellte Ausgangsspannung gefüllt.
Die Kondensatoren dienen zur Speicherung der Spannung nach Art eines
Puffers, insbesondere wenn die von dem Spannungswandler allein zur
Verfügung
gestellte elektrische Leistung für
eine ausreichende Versorgung der Piezoelemente nicht ausreichend
ist. Darüber
hinaus kann mit derartigen Ladekondensatoren die Ausgangsspannung
des Spannungswandlers geglättet
bzw. stabilisiert werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit
der Spannungsversorgung. Aufgrund der durch den Spannungswandler
zur Verfügung
gestellten Hochspannung ist die erforderliche Kapazität der Ladekondensatoren
kleiner als bei herkömmlichen Vorrichtungen.
Trotz der erforderlichen höheren Spannungsfestigkeit
ergibt sich bezogen auf den Energieinhalt ein Bauraumvorteil. Daraus
folgt wiederum Kostenvorteil.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung ein Gegentaktverstärker sein. Mittels
einer solchen Gegentaktendstufe lässt sich eine besonders einfache
Steuerung der Spannungsversorgung des Piezoelements erreichen. Die
Steuereinrichtung kann aber beispielsweise auch ein Zerhacker oder
eine andere geeignete elektronische Einrichtung sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen schematisch:
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1 ein
Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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2 ein
Schaltbild eines Spannungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1 ist
schematisch eine Spannungsversorgung 1 eines Kraftfahrzeugs
dargestellt, im vorliegenden Beispiel eine Fahrzeugbatterie 1,
die eine Gleichspannung von 12 V zur Verfügung stellt. Die von der Spannungsversorgung 1 zur
Verfügung gestellte
Spannung wird einem Spannungswandler 2 als Eingangsspannung
zur Verfügung
gestellt, wie durch den Pfeil 3 veranschaulicht. In dem
dargestellten Beispiel ist der Spannungswandler 2 ein Hochsetzsteller 2 (auch
Boost-Converter
oder Step-Up-Converter) mit einer Induktivität, nämlich einer Spule. Selbstverständlich kann
der Spannungswandler 2 auch einen Transformator zum Erhöhen der
Eingangsspannung aufweisen. Auch kann es sich bei dem Spannungswandler
beispielsweise um eine Ladungspumpe oder einen anderen Spannungswandler
handeln.
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In
dem Spannungswandler 2 findet eine Spannungserhöhung der
durch die Fahrzeugbatterie 1 zur Verfügung gestellten Spannung statt.
Insbesondere wird die dem Spannungswandler 2 zugeführte Eingangsspannung
durch einen entsprechend hohen Wandlertakt im dargestellten Beispiel
von 12 V auf etwa 100 V erhöht.
Zur Spannungsglättung
und Spannungsstabilisierung weist der Spannungswandler 2 einen
nicht näher
dargestellten Ladekondensator auf, der der eigentlichen Spannungserhöhung des Spannungswandlers
nachgeschaltet ist. Die von dem Spannungswandler 2 zur
Verfügung
gestellte erhöhte Ausgangsspannung
wird anschließend
einer Steuereinrichtung 4 zugeführt, wie durch den Pfeil 5 in 1 veranschaulicht.
Der Ladekondensator des Spannungswandlers 2 ist also zwischen
dem eigentlichen Spannungswandler und der Steuereinrichtung 4 angeordnet.
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In
dem dargestellten Beispiel ist die Steuereinrichtung 4 als
Gegentaktverstärker 4 bzw.
Gegentaktendstufe 4 ausgebildet. Selbstverständlich kann sie
auch als Zerhacker oder andere geeignete Einrichtung ausgebildet
sein. Mittels des Gegentaktverstärkers 4 kann
die Ausgangsspannung des Spannungswandlers 2 einem Piezoelement 6 eines
mit 7 bezeichneten Ab standssensors eines Kraftfahrzeugs zugeführt werden.
Dies ist durch den Pfeil 8 in 1 veranschaulicht.
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Im
Betrieb der Vorrichtung wird durch den Gegentaktverstärker 4 dem
Piezoelement 6 immer dann die Versorgungsspannung zugeführt, wenn
der Sensor 7 Schallsignale aussenden soll, das Piezoelement 6 also
mittels der Versorgungsspannung zu Schwingungen angeregt werden
soll. Anderenfalls wird durch den Gegentaktverstärker 4 die Versorgungsspannung
dem Piezoelement 6 nicht zugeführt. In dem dargestellten Beispiel
erfolgt die Anregung des Piezoelements 6 bei seiner Resonanzfrequenz
von etwa 40 kHz.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Vorrichtung ist kein separater Ausgangstransformator zwischen der
Gegentaktendstufe 4 und dem Piezoelement 6 erforderlich.
Die Vorrichtung weist dadurch eine geringe Größe auf und kann kostengünstig zur
Verfügung
gestellt werden.
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Selbstverständlich kann
durch die Steuereinrichtung 4 die von dem Spannungswandler 2 zur
Verfügung
gestellte Ausgangsspannung auch mehreren Piezoelementen unterschiedlicher
Abstandssensoren zur Spannungsversorgung zugeführt werden. Auf diese Weise
wird eine weitere Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung erreicht.
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In 2 ist
ein Hochsetzsteller für
den Hochspannungszwischenkreis dargestellt, der beispielsweise als
Spannungswandler 2 in der in 1 dargestellten
Vorrichtung dienen kann. Eine Eingangsspannung Ue liegt
an dem Hochsetzsteller an, die beispielsweise von der Fahrzeugbatterie
eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung
gestellt wird. Eine Spule L ist in Reihe mit einer Diode D geschaltet.
In an sich bekannter Weise sind Kondensatoren C1 und
C2 vorgesehen. Durch einen Schalter S, beispielsweise
einen Transistor, wird die Spule L gegen Masse geschaltet. Wird
der Schalter S geschlossen, fällt
an der Spule L die Eingangsspannung De ab. Dadurch fließt ein Strom IL durch die Spule L. Entsprechend wird auch
die in dem Magnetfeld der Spule L gespeicherte Energie größer. Wird
der Schalter S geöffnet,
steigt die Spannung an der Spule L an bis sie die Diode D öffnet. Der
Ladekondensator C2 summiert die Ausgangsspannung
Ua auf. Die Ausgangsspannung Ua kann
dann einer Steuereinrichtung, beispielsweise einer Gegentaktendstufe,
und über
diese einem Piezoelement zugeführt
werden. Zur Spannungswandlung wird der Schalter S mit einer Frequenz
fS (Wandlertakt) abwechselnd geöffnet und
geschlossen. Der Ladekondensator C2 bewirkt
eine Spannungsglättung
bzw. Spannungsstabilisierung.
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Bei
dem in
2 dargestellten Hochsetzsteller gelten die folgenden,
an sich bekannten Bedingungen:
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Dabei
sind
- t1:
- Zeitdauer, in der
der Schalter S geschlossen ist,
- t2:
- Zeitdauer, in der
Schalter S geöffnet ist,
- C2:
- Kapazität des Kondensators
C2,
- ΔIL:
- Stromdifferenz IL zwischen geöffnetem und geschlossenem Schalter
S,
- ΔUa_zulässig:
- maximal zulässiger Abfall
der Spannung Ua bei Anschließen einer
Last an Ua,
- L:
- Induktivität der Spule
L.
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In
dem dargestellten Beispiel beträgt
die Eingangsspannung Ue = 12 V, die Ausgangsspannung Ua = 100 V, die Kapazität des Kodensators C1 = 10 μF,
die Kapazität
des Kondensators C2 = 1 μF und die Induktivität der Spule
L = 80 μH.
Die Frequenz, mit der der Schalter S geschaltet wird, beträgt in dem dargestellten
Beispiel fS = 100 kHz.
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Mit
dem in 2 dargestellten Hochsetzsteller lässt sich
in einfacher und kostengünstiger
Weise die von dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellte
Eingangsspannung in eine um ein Vielfaches höhere Ausgangsspannung wandeln.
