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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Ultraschallsensor, welcher eine Membran und ein Wandlerelement zum Anregen der Membran aufweist, wobei das Wandlerelement mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung versorgbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrerassistenzsystem mit einer solchen Sensoranordnung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Fahrerassistenzsystem.
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Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Sensoranordnungen, welche zumindest einen Ultraschallsensor umfassen. Ultraschallsensoren sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Diese werden beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen, insbesondere in sogenannten Parkhilfesystemen eingesetzt, um den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Die Ultraschallsensoren messen dabei die Abstände zwischen dem Kraftfahrzeug einerseits und den in der Umgebung des Kraftfahrzeugs befindlichen Hindernissen andererseits. Mittels einer Membran wird ein Ultraschallsignal ausgesendet, welches dann von dem Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs reflektiert wird und wieder zu dem Ultraschallsensor gelangt, und zwar in Form eines Echos. Dieses Ultraschallsignal wird mithilfe der Membran empfangen. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird die Membran mittels eines Wandlerelements beziehungsweise piezoelektrischen Elements angeregt. Wenn umgekehrt die Membran durch das empfangene Ultraschallsignal angeregt wird, erzeugt das ebenfalls angeregte Wandlerelement ein elektrisches Signal, welches im Hinblick auf die zu detektierenden Abstände ausgewertet werden kann. Dabei erfolgt die Abstandsmessung in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten Ultraschallsignals.
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Die Ultraschallsensoren, die aktuell im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, werden üblicherweise mit einem 12 V-Bordnetz betrieben. Um mit dem Wandlerelement, das insbesondere aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist, eine ausreichende Bewegungsamplitude zum Anregen der Membran zu erreichen, ist es erforderlich, dass das Wandlerelement mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung betrieben wird. Diese vorbestimmte Versorgungsspannung kann beispielsweise im Bereich zwischen 50 V und 100 V liegen. Zum Bereitstellen dieser Versorgungsspannung weisen die Ultraschallsensoren üblicherweise einen Transformator auf, der die 12 V-Spannung auf die vorbestimmte Versorgungsspannung transformiert. Dadurch, dass der Ultraschallsensor den Transformator umfasst, benötigt dieser viel Bauraum, weist ein hohes Gewicht auf und ist zudem in der Herstellung teuer. Ferner ergeben sich durch die Verwendung des Transformators elektrisch unerwünschte Nebeneffekte. Beispielsweise schwingt das Wandlerelement und damit auch die Membran verhältnismäßig lange nach.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art, die zumindest einen Ultraschallsensor umfasst, kostengünstiger bereitgestellt werden kann und zugleich effizienter betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoranordnung, durch ein Fahrerassistenzsystem sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen Ultraschallsensor, welcher eine Membran und ein Wandlerelement zum Anregen der Membran aufweist. Dabei ist das Wandlerelement mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung versorgbar. Zudem umfasst die Sensoranordnung eine ultraschallsensorexterne Spannungsversorgungsvorrichtung zum Bereitstellen der Versorgungsspannung, welche direkt mit dem Wandlerelement elektrisch verbunden ist.
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Die Sensoranordnung kann in und/oder an einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die Sensoranordnung kann beispielsweise Teil eines Fahrerassistenzsystems sein, das den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs unterstützt. Die Sensoranordnung kann zumindest einen Ultraschallsensor umfassen, mit dem ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und einem Objekt beziehungsweise einem Hindernis in der Umgebung des Kraftfahrzeugs erfasst werden kann. Hierzu kann mit dem Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet werden. Ferner kann mit dem Ultraschallsensor das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal beziehungsweise Echo empfangen werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals kann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt ermittelt werden. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird eine Membran des Ultraschallsensors mit einem Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Das Wandlerelement kann insbesondere aus einem piezoelektrischen Material gefertigt sein. Das piezoelektrische Material verformt sich bei dem Anlegen einer elektrischen Spannung. Um eine Verformung des piezoelektrischen Elements zu erreichen, die zum Anregen der Membran ausreichend ist, ist es erforderlich, dass eine vorbestimmte elektrische Spannung an dem Wandlerelement angelegt wird.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Sensoranordnung eine Spannungsversorgungsvorrichtung aufweist, mit der die vorbestimmte Versorgungsspannung bereitgestellt werden kann. Die Spannungsversorgungsvorrichtung ist hierbei direkt elektrisch mit dem Wandlerelement verbunden. Weiterhin ist die Spannungsversorgungsvorrichtung als ultraschallsensorexterne Spannungsversorgungsvorrichtung ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass die Spannungsversorgungsvorrichtung nicht Teil des Ultraschallsensors ist. Beispielsweise ist die Spannungsversorgungsvorrichtung außerhalb eines Gehäuses des Ultraschallsensors angeordnet. Die Spannungsversorgungsvorrichtung kann nun die zum Betrieb der Wandlereinrichtung erforderliche vorbestimmte Versorgungsspannung direkt bereitstellen und an das Wandlerelement übertragen. Somit ist es insbesondere nicht mehr erforderlich, dass der Ultraschallsensor einen Transformator aufweist, mit dem die erforderliche Versorgungsspannung aus einer Bordnetzspannung, die beispielsweise 12 V beträgt, gewandelt wird. Somit kann auf den Transformator verzichtet werden und somit können Kosten eingespart werden. Zudem kann der Ultraschallsensor im Vergleich zu bekannten Ultraschallsensoren eine geringere Baugröße und ein geringeres Gewicht aufweisen.
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Bevorzugt weist die Spannungsversorgungsvorrichtung eine Gleichspannungsquelle zum Bereitstellen einer Gleichspannung und eine Schalteinrichtung zum Erzeugen der vorbestimmten Versorgungsspannung aus der bereitgestellten Gleichspannung auf. Die Sensoranordnung kann eine Gleichspannungsquelle aufweisen, mit der eine vorbestimmte Gleichspannung bereitgestellt werden kann. Diese Gleichspannungsquelle kann elektrisch mit Schalteinrichtung verbunden sein. Die Schalteinrichtung kann wiederum mit dem Wandlerelement elektrisch verbunden sein. Die vorbestimmte Versorgungsspannung zum Betrieb des Wandlerelements beziehungsweise des piezoelektrischen Elements ist insbesondere eine zeitlich veränderliche Spannung. Mittels der Schalteinrichtung kann aus der Gleichspannung, die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, die vorbestimmte Versorgungsspannung erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Sensoranordnung beziehungsweise eine Spannungsversorgungsvorrichtung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Gleichspannungsquelle dazu ausgelegt, eine elektrische Gleichspannung in einem Bereich zwischen 50 und 100 V bereitzustellen. Wenn die Gleichspannungsquelle dazu ausgelegt ist, eine derartige Gleichspannung bereitzustellen, wird es ermöglicht, den Ultraschallsensor beziehungsweise das Wandlerelement ohne Zwischenschaltung eines Transformators zu betreiben und mit dem Wandlerelement die Membran entsprechend anzuregen. Das Wandlerelement kann beispielsweise mit der vorbestimmten Versorgungsspannung betrieben werden, die einen Spitze-Spitze-Wert von 100 V aufweist. Aus der mit der Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung kann diese vorbestimmte Versorgungsspannung auf einfache Weise bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Schalteinrichtung zumindest einen Halbleiterschalter und eine Logikeinheit zum Ansteuern des zumindest einen Halbleiterschalters auf. Die Schalteinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Transistor umfassen, welcher elektrisch einerseits mit der Gleichspannungsquelle und andererseits mit dem Wandlerelement verbunden ist. Somit kann die mit der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung zum Erzeugen der vorbestimmten Versorgungsspannung entsprechend geschaltet werden. Weiterhin ist eine Logikeinheit vorgesehen, die mit dem zumindest einen Halbleiterschalter verbunden ist und mit der der zumindest eine Halbleiterschalter angesteuert werden kann. Die Logikeinheit kann eine entsprechende Elektronik oder eine benutzerspezifische Schaltung umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung zwei oder vier Halbleiterschalter aufweist. Beispielsweise können die Halbleiterschalter eine entsprechende Brückenschaltung ausbilden. Somit kann die Versorgungsspannung auf einfache Weise aus der Gleichspannung bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Spannungsversorgungsvorrichtung Teil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass ein Steuergerät (ECU – Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs die Spannungsversorgungsvorrichtung der Sensoranordnung bildet. In diesem Fall kann das Steuergerät die Gleichspannungsquelle sowie die Schalteinrichtung umfassen. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise die Spannungsversorgungsvorrichtung für die Sensoranordnung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Spannungsversorgungsvorrichtung Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs. Die Spannungsversorgungsvorrichtung kann durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs gebildet sein. Beispielsweise kann das Bordnetz ein sogenanntes Hochvolt-Bordnetz sein. Diese Ausgestaltung der Spannungsversorgungsvorrichtung eignet sich insbesondere, wenn das Kraftfahrzeug als Elektrofahrzeug ausgebildet ist. Somit kann der zumindest eine Ultraschallsensor der Sensoranordnung auf einfache und kostengünstige Weise direkt mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt werden.
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Vorzugsweise weist die Spannungsversorgungsvorrichtung zumindest eine hochohmige Verbindungsleitung auf. Zumindest Teile der elektrischen Verbindungsleitungen der Spannungsversorgungsvorrichtung können einen vorbestimmten, verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Gleichspannungsquelle hochohmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nur verhältnismäßig geringe elektrische Strömung in der Spannungsversorgungsvorrichtung fließen. Damit kann verhindert werden, dass bei einem Fehlerfall, beispielsweise einer defekten elektrischen Isolierung, Personen zu Schaden kommen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Spannungsversorgungsvorrichtung eine Überstromschutzeinheit auf. Diese Überstromschutzeinheit kann beispielsweise als elektrische Sicherung oder als Leitungsschutzschalter ausgebildet sein. Die Spannungsversorgungsvorrichtung kann auch eine Überspannungsschutzeinrichtung aufweisen. Somit kann eine Unterbrechung des Stromkreises in der Spannungsversorgungsvorrichtung bei einem Fehlerfall erreicht werden. Somit kann die Sensoranordnung sicher und zuverlässig betrieben werden.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Sensoranordnung eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist, wobei jeder der Ultraschallsensoren elektrisch mit der Spannungsversorgungsvorrichtung verbunden ist. Die Sensoranordnung kann eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweisen, die beispielsweise verteilt an dem Kraftfahrzeug angeordnet werden können. Dabei ist jeder Ultraschallsensoren elektrisch mit der Spannungsversorgungsvorrichtung verbunden. Somit kann mit einer einzigen Spannungsversorgungsvorrichtung die erforderliche vorbestimmte Versorgungsspannung zum Betrieb der jeweiligen Wandlerelemente beziehungsweise piezoelektrischen Elemente der Ultraschallsensoren bereitgestellt werden. Somit ergibt sich eine besonders Bauraum sparende und kostengünstige Sensoranordnung.
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Bevorzugt ist die Spannungsversorgungsvorrichtung transformatorlos ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Spannungsversorgungsvorrichtung keinen Transformator auf.
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Damit können Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden. Ferner ist es möglich, dass in dem zumindest einen Ultraschallsensor kleinere Kondensatoren verwendet werden, weil durch die Verwendung der Spannungsversorgungsvorrichtung geringere Ströme verwendet werden. Ferner ergeben sich größere Ausschwingzeiten der Membran des Ultraschallsensors sowie eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Sensoranordnung. Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise als sogenanntes Parkhilfesystem ausgebildet sein, mit dem der Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs unterstützt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Sensoranordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Sensoranordnung umfasst;
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2 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik; und
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3 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 ist in dem vorliegenden Fall als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst wiederum ein Steuergerät 3, das beispielsweise ein elektronisches Steuergerät (ECU – Electronic Control Unit) des Kraftfahrzeugs 1 sein kann. Darüber hinaus umfasst das Fahrerassistenzsystem 2 eine Sensoranordnung 9, die zumindest einen Ultraschallsensor 4 umfasst.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoranordnung 9 acht Ultraschallsensoren 4. Dabei sind vier Ultraschallsensoren 4 in einem Frontbereich 5 des Kraftfahrzeugs 1 und vier Ultraschallsensoren 4 in einem Heckbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Ultraschallsensoren 4 sind insbesondere dazu ausgebildet, ein Objekt 8 beziehungsweise ein Hindernis in einer Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs 1 zu erfassen. Des Weiteren sind die Ultraschallsensoren 4 insbesondere dazu ausgelegt, einen Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Objekt 8 zu bestimmen. Das Steuergerät 3 ist mit den Ultraschallsensoren 4 zur Datenübertragung verbunden. Entsprechende Datenleitungen sind vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 9 gemäß dem Stand der Technik. Die Sensoranordnung 9 umfasst den Ultraschallsensor 4 sowie eine Spannungsversorgungsvorrichtung 10. Der Ultraschallsensor 4 umfasst eine Membran 11, die vorliegend nur schematisch dargestellt ist. Die Membran 11 kann beispielsweise topfförmig ausgebildet sein und aus Aluminium gefertigt sein. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 ein Wandlerelement 12, das mit der Membran stoffschlüssig verbunden sein kann. Das Wandlerelement 12 kann insbesondere aus einem piezoelektrischen Material gebildet sein. Die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 umfasst eine Spannungsquelle 13, die beispielsweise durch einen 12 V-Energiespeicher oder durch ein 12 V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 gebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst die Sensoranordnung 9 eine Schalteinrichtung 14, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Halbleiterschalter 15 umfasst, die als Transistoren ausgebildet sind. Die Halbleiterschalter 15 sind jeweils mit einer Logikeinheit 16 verbunden, mit denen die Halbleiterschalter 15 angesteuert werden können. Insbesondere ist die Logikeinheit 16 jeweils mit einem Steueranschluss, beispielsweise einem Gate-Anschluss, des Halbleiterschalters 15 verbunden.
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Um die Membran 11 zu mechanischen Schwingungen zum Aussenden des Ultraschallsignals anzuregen, ist es erforderlich, das Wandlerelement 12 mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung U anzusteuern. Diese Versorgungsspannung U kann beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 100 V liegen. Zum Bereitstellen der vorbestimmten Versorgungsspannung U ist ein Transformator 17 vorgesehen, mit dem die 12 V-Spannung, die mit der Spannungsquelle 13 bereitgestellt wird, auf die erforderliche Versorgungsspannung U transformiert wird. Der Transformator 17 ist ferner mit der Schalteinrichtung 14 verbunden. Dies ermöglicht, dass als die vorbestimmte Versorgungsspannung U eine zeitlich veränderliche Spannung bereitgestellt wird. Somit kann die Membran 11 mittels des Wandlerelements 12 so angeregt werden, dass diese das Ultraschallsignal aussendet. Bei der Sensoranordnung 9 gemäß 2 ist insbesondere der Transformator 17 in einem Gehäuse des Ultraschallsensors 4 angeordnet. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass der Ultraschallsensor 4 eine große Baugröße und ein hohes Gewicht aufweist.
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3 zeigt eine Sensoranordnung 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier weist die Sensoranordnung 9 eine Spannungsversorgungsvorrichtung 18 auf, die dazu ausgelegt ist, die vorbestimmte Versorgungsspannung U direkt bereitzustellen. Ferner ist die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 unmittelbar mit dem Wandlerelement 12 verbunden. Die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 weist eine Gleichspannungsquelle 19 auf, mit der eine vorbestimmte Gleichspannung bereitgestellt werden kann. Die Gleichspannung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 50 V und 100 V liegen. Ferner ist die Gleichspannungsquelle 19 mit der Schalteinrichtung 14 verbunden, die in dem vorliegenden Fall vier Halbleiterschalter 15 aufweist. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung 14 einen oder zwei Halbleiterschalter 15 aufweist. Die Halbleiterschalter 15 sind ebenfalls mit der Logikeinheit 16 zum Ansteuern der jeweiligen Halbleiterschalter 15 verbunden. Mittels der Schalteinrichtung 14 kann aus der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 19 die vorbestimmte elektrische Spannung U zum Betreiben des Wandlerelements 12 bereitgestellt werden.
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Die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 umfasst insbesondere eine oder mehrere Versorgungsleitungen 20, die hochohmig ausgebildet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass innerhalb der Spannungsversorgungsvorrichtung 18 geringe elektrische Ströme fließen. Dabei kann die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 beziehungsweise Versorgungsleitungen 20 derart ausgebildet sein, dass die elektrischen Ströme in der Spannungsversorgungsvorrichtung 18 keine Gefahr für einen Menschen darstellen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 eine hier nicht dargestellte Überstromschutzeinheit aufweist.
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Durch die Spannungsversorgungsvorrichtung 18 kann die vorbestimmte elektrische Spannung U zum Ansteuern des Wandlerelements 12 direkt bereitgestellt werden. Somit kann auf einen Transformator 17 verzichtet werden. Im Vergleich zu einer Sensoranordnung 9 gemäß dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist, ergibt sich der Vorteil, dass Ultraschallsensoren 4 bereitgestellt werden können, die Bauraum sparender und kostengünstiger ausgebildet sind. Zudem können Ultraschallsensoren 4 verwendet werden, deren elektronische Bauteile für geringere Stromstärken ausgelegt sind. Insbesondere können kleinere Kondensatoren verwendet werden, da die elektrischen Ströme in der Spannungsversorgungsvorrichtung 18 geringer sind. Weiterhin kann eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet werden.
